基于單片機的燃氣報警器的設(shè)計

1、?？飘厴I(yè)設(shè)計說明書題 目 基于單片機的燃氣報警器的設(shè)計 英文并列題目 The design of gas alarm system based on single-chip microcomputer 院 系 控制技術(shù)學(xué)院 班 級 自動化控制21035學(xué)生姓名 王 澄 學(xué) 號 2010103526 所在團隊 指導(dǎo)老師（1） 單 正 婭 職 稱 講 師 指導(dǎo)老師（2） 職 稱 答辯委員會主任 主答辯人 二 零 一 三 年 四 月無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院畢 業(yè) （說明） 設(shè) 計 說 明 書摘 要全國燃氣行業(yè)發(fā)展迅猛，液化氣、天然氣、煤制氣等城市燃氣作為清潔能源已在工商業(yè)和城鎮(zhèn)居民用戶中得到廣

2、泛應(yīng)用，特別是隨著“西氣東輸”工程的快速進展，燃氣行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮?。但是隨著燃氣的廣泛應(yīng)用，由于燃氣泄漏所引發(fā)的爆炸、中毒和火災(zāi)事故也時有發(fā)生，這在某種程度上增加了城市的不安全和不穩(wěn)定因素。為了使燃氣更好地造福于民，造福于社會，減少并杜絕各種因燃氣泄漏而引發(fā)的爆炸及火災(zāi)事故，各燃氣使用單位及居民用戶選擇一種適合的室內(nèi)煤氣泄露報警器實為必要之舉。燃氣報警器的核心是氣體傳感器。當(dāng)氣體傳感器遇到燃氣時，傳感器電阻隨燃氣濃度而變化，隨之產(chǎn)生電信號，供燃氣報警器后級線路處理。經(jīng)過電子線路處理變成濃度成比例變化的電壓信號，由線性電路加以補償，使信號線性化，經(jīng)微機處理、邏輯分析，輸出各種控制信號，即當(dāng)燃氣濃

3、度達到報警設(shè)定值時，燃氣報警器發(fā)出聲光報警信號并可顯示燃氣濃度或啟動外部聯(lián)運設(shè)備。本文正是通過分析目前燃氣報警器的現(xiàn)狀，設(shè)計制作室內(nèi)故障監(jiān)測報警系統(tǒng)，保障人們的生命財產(chǎn)安全。關(guān)鍵詞：氣體傳感器； 煤氣泄漏 ；煤氣報警Abstract The rapid development of the national gas industry, liquefied gas, natural gas, coal gas and other city gas as a clean energy business and urban residents in users has been widely use

4、d, and gas industry has great potential. But with the extensive use of gas, due to gas leak caused an explosion, poisoning and fire accidents have also occurred to some extent, increased the city's insecurity and instability. In order for gas to better benefit the people, the benefit of the comm

5、unity, to reduce and eliminate all due to gas leak caused the explosion and fire, the gas unit and residential customers use to select a suitable indoor gas leak alarm is actually necessary move. Gas sensor is the core of combustible gas. When the gas face gas sensor, the sensor resistance change wi

6、th gas concentration, the resulting electrical signal for processing of combustible gas line after the class. After dealing with electronic circuit into a voltage proportional to the concentration change signal to be compensated by the linear circuit, the signal linearization, by computer processing

7、, logical analysis, the output of various control signals, that is, when the gas concentration alarm set value , combustible gas audible alarm signal can display gas concentration or start an external transport equipment. It is through this analysis of the current status of combustible gas, indoor d

8、esign fault monitoring alarm system to protect people's lives and property.Keywords：Gas sensor； Gas Leak ； Gas AlarmII目 錄第一章 概 述31.1 課題背景31.2 燃氣報警器的概述41.3 課題研究的目的及意義4第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計52.1 系統(tǒng)設(shè)計要求52.2 系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容62.3系統(tǒng)方案框圖8第三章 硬件電路設(shè)計73.1主控模塊83.2 電源的設(shè)計93.2.1 三端固定式集成穩(wěn)壓器93.2.2 +5V電源電路的設(shè)計103.3 信號采集放大電路的設(shè)計113.3.1氣

9、敏傳感元件特性123.3.2 信號采集放大電路的設(shè)計123.4 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計133.4.1 ADC0809的介紹143.5 顯示器電路的設(shè)計153.5.1顯示模塊LCD1602163.5.2 電路設(shè)計方法163.6 聲音報警器電路的設(shè)計173.7 鍵盤電路的設(shè)計173.7.1 鍵盤的工作原理183.7.2 鍵盤的識別方法183.7.3 鍵盤的工作方式19第四章 軟件設(shè)計194.1 軟件設(shè)計重要性204.2 程序框圖21第五章 實驗調(diào)試215.1 硬件調(diào)試215.2 軟件調(diào)試225.3 調(diào)試結(jié)果235.4 小結(jié).23第六章 總結(jié)24致 謝25參考文獻26附錄28 第一章 緒 論1.1 課

10、題背景煤氣的主要成分是CO、氫和烷烴、烯烴、芳烴等。煤氣有毒是因為其中的CO、芳烴等能與人體中的血紅蛋白結(jié)合，造成缺氧，使人昏迷不醒甚至死亡，在低濃度下也能使人頭暈、惡心及虛脫。一氧化碳（CO）為無色、無味、無臭、無刺激氣體，比重0.967，幾乎不溶于水，不易被活性炭吸附。當(dāng)碳物質(zhì)燃燒不完全時，可產(chǎn)生CO，如人體短時間內(nèi)吸入較高濃度的CO，或濃度雖低，但吸時間較長，均可造成急性中毒。CO主要來自取暖燃料，CO對人體的損害主要表現(xiàn)在損害血液輸送氧氣的能力，CO與血紅蛋白結(jié)合能力超過氧和血紅蛋白的結(jié)合能力的200-300倍，當(dāng)CO與血紅蛋白結(jié)合形成的碳氧血紅蛋白含量達到5%時，就會對人體產(chǎn)生慢性損

11、害，達到60%時就會昏迷，達到90%就會死亡。由于發(fā)生一氧化碳中毒事件的普遍性和隱蔽性，迫切需要一種能夠很好的監(jiān)控室內(nèi)一氧化碳濃度的儀器，并且在一氧化碳濃度過高時能夠采取相關(guān)措施防止火災(zāi)的發(fā)生，保護人們的生命財產(chǎn)安全。 本文正是通過分析目前燃氣報警器的現(xiàn)狀，設(shè)計制作室內(nèi)故障監(jiān)測報警系統(tǒng)，保障人們的生命財產(chǎn)安全。1.2 燃氣報警器的概述 首先我們應(yīng)對國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的燃氣報警器的種類有所了解。燃氣報警器可分為可燃氣體檢漏儀（簡稱“檢漏儀” ），可燃氣體報警控制器（簡稱“控制器” ）、可燃氣體探測器（簡稱“探測器” ）、家用可燃氣體報警器（簡稱“報警器” ）四大系列產(chǎn)品。報警器為居民家庭用的燃氣報警器

12、，一般安裝在廚房，遇燃氣泄漏時，報警器可發(fā)出聲光報警，或同時伴有數(shù)字顯示，同時聯(lián)動外部設(shè)備。有的報警器可自動開啟排風(fēng)扇，把燃氣排出室外。有的報警器在報警時可自動關(guān)閉燃氣閥門，以防燃氣繼續(xù)泄漏。   燃氣報警器的核心是氣體傳感器，俗稱“電子鼻”。當(dāng)氣體傳感器遇到燃氣時，傳感器電阻隨燃氣濃度而變化，隨之產(chǎn)生電信號，供燃氣報警器后級線路處理。經(jīng)過電子線路處理變成濃度成比例變化的電壓信號，由線性電路加以補償，使信號線性化，經(jīng)微機處理、邏輯分析，輸出各種控制信號，即當(dāng)燃氣濃度達到報警設(shè)定值時，燃氣報警器發(fā)出聲光報警信號并可顯示燃氣濃度或啟動外部聯(lián)運設(shè)備（如排風(fēng)扇、電磁閥）。1.3 課

13、題研究的目的及意義因此設(shè)計出性能更加可靠，經(jīng)濟實惠的室內(nèi)故障監(jiān)測報警系統(tǒng)已成為市場的需要。目前，現(xiàn)有煤氣檢測儀器主要是面對工礦企業(yè)或公共場所的檢測，價格高昂，對家庭也是不適應(yīng)的。因此，本次設(shè)計所面對的是廣大居民。1.4 系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容 本文利用單片機電路制作室內(nèi)故障監(jiān)測報警系統(tǒng)。設(shè)計過程中關(guān)鍵的兩個部分：系統(tǒng)硬件的設(shè)計和控制軟件的編寫。這也是在設(shè)計過程中需要解決的關(guān)鍵的問題。（1）硬件任務(wù)單片機室內(nèi)故障監(jiān)測報警系統(tǒng)的硬件主要有3大部分，即濃度檢測和顯示模塊、主控模塊和設(shè)置報警模塊。濃度檢測模塊主要由半導(dǎo)體氣體傳感器QM-N5組成，它是整個系統(tǒng)中關(guān)鍵的元件；顯示部分由LCD1602組成。主控模塊由

14、單片機及其相關(guān)軟件組成，由程序?qū)纹瑱C進行控制。設(shè)置報警模塊主要由鍵盤和報警器等組成，這個模塊是對報警煤氣濃度進行設(shè)置和濃度過高的時候進行報警處理。硬件的設(shè)計需要單片機、模電及其數(shù)電的相關(guān)知識。在解決這一問題的過程中，需要查閱大量資料，結(jié)合所學(xué)知識，向老師獲取幫助。（2）軟件任務(wù)它的軟件設(shè)計主要包括主程序和中斷處理兩大部分：主程序要完成I/O口，定時器的初始化及對中斷輸入的設(shè)定，然后延時使傳感器進入穩(wěn)定工作狀態(tài)，等待定時器的中斷；中斷處理程序根據(jù)具體情況需要有相應(yīng)的子程序。要對程序進行多次調(diào)試，分塊編程。對各個子程序塊所解決的問題要相當(dāng)明確。最后在制作完成硬件電路板后要調(diào)試出設(shè)計要求的功能。第

15、二章 系統(tǒng)方案設(shè)計2.1 系統(tǒng)設(shè)計要求設(shè)計的監(jiān)測報警系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)如下功能：系統(tǒng)能巡回檢測四個不同位置的煙霧和煤氣濃度，把檢測到的信號送單片機處理，處理過的數(shù)據(jù)送顯示器顯示和送存儲器保存，在煙霧和煤氣濃度達到設(shè)置值時系統(tǒng)啟動報警。2.2 系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容根據(jù)該設(shè)計要實現(xiàn)的基本功能，設(shè)計大致應(yīng)該分為信號采集放大，信號處理控制，系統(tǒng)設(shè)置報警三個部分。信號采集部分即通過氣體傳感器檢測室內(nèi)氣體濃度，將這種變化量轉(zhuǎn)化成電壓模擬量的變化，然后通過運放進行必要的放大。信號處理部分是將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送入控制器進行處理，并將處理過的信號送存儲器保存和送顯示器顯示。系統(tǒng)設(shè)置報警部分是通過預(yù)定控制方式并利

16、用蜂鳴器報警實現(xiàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確操作。（2）依據(jù)上面所說的思路，得到如下一些基本的結(jié)論：信號采集部分為了能準(zhǔn)確采集到氣體濃度的變化應(yīng)選用半導(dǎo)體氣體傳感器，為使其有效的檢測室內(nèi)氣體濃度，采用電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器；而放大部分使用運放進行比例和反相兩級放大。信號處理部分為了實現(xiàn)精確控制，采用單片機較為合適。將模擬信號送A/D模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過處理后送存儲器保存和送顯示器顯示。系統(tǒng)設(shè)置報警部分可以考慮采用4×4鍵盤設(shè)置初始值和蜂鳴器報警。2.3系統(tǒng)框圖采用高性能半導(dǎo)體氣體傳感器，采用巡回檢測的方法檢測房間氣體濃度，將檢測的到濃度信號送入A/D芯片中進行模-數(shù)轉(zhuǎn)換，利用AT89S51單片機控制

17、聲音報警、鍵盤輸入，并且將氣體傳感器檢測到的濃度值在LCD顯示器上顯示出來。系統(tǒng)總的結(jié)構(gòu)框圖如下圖2-1所示： 單片機AT89S51ADC0809LCD傳感器聲音報警鍵盤5V電源圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第三章 硬件路設(shè)計每一個設(shè)計都要以一定的知識為基礎(chǔ)，知識的多少在一定程度上決定了設(shè)計出來的東西的好壞程度。這些知識包括硬件知識和軟件知識。硬件知識用來設(shè)計硬件電路，以實現(xiàn)信號的采集、放大、轉(zhuǎn)換和顯示等功能。軟件知識用來設(shè)計芯片處理數(shù)據(jù)的先后順序，數(shù)據(jù)的獲得途徑以及對數(shù)據(jù)做怎樣的處理和顯示功能等等。當(dāng)然，在硬件電路里一些芯片是必不可少的，軟件設(shè)計也需要對芯片進行編程序。本章將介紹本次設(shè)計用到的一些基

18、本知識和主要芯片。3.1主控模塊一AT89S51引腳說明：（1）主電源引腳Vss，Vcc，Vss(20腳):接地。Vcc(40腳):主電源+5V。（2）外接晶振引腳XTAL1（19腳），XTAL2(18腳)XTAL1：在單片機內(nèi)部，它是一反相放大器輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。它采用外部振蕩器時，此引腳應(yīng)接地。XTAL2：在片內(nèi)接至振蕩器的反相放大器輸出端和內(nèi)部時鐘發(fā)生器輸入端。當(dāng)采用外部振蕩器時，則此引腳接外部振蕩信號的輸入。（3）輸入/輸出引腳P0，P1，P2，P3：P0.0P0.7(3932腳):PO是一個8位漏極開路型雙向I/O端口。在訪問片外存儲器時，它分時提供低8位地址和8位

19、雙向數(shù)據(jù)，故這些I/O線有地址線/數(shù)據(jù)線之稱，簡寫為AD0AD7。在EPROM編程時，從P0輸入指令字節(jié)，在驗證程序時，則輸出指令字節(jié)(驗證時，要外接上拉電阻)。Pl.0P1.7(18腳):Pl是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。在EPROM編程和驗證程序時，它輸入低8位地址。P2.0P2.7(2128腳):P2是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。在訪問片外存儲器時，它輸出高8位地址，即A8A15。在對EPROM編程和驗證程序時，它輸入高8位地址。P3.0P3.7(1017腳):P3是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。在整個系統(tǒng)中，這8個引腳還具有專門的第二功能。（4）控制線

20、（4條）RST：AT89S51的復(fù)位信號輸入引腳，高電位工作，當(dāng)要對芯片用時，只要將此引腳電位提升到高電位，并持續(xù)兩個機器周期以上的時間，AT89S51 便能完成系統(tǒng)復(fù)位的各項工作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器的內(nèi)容均被設(shè)成已知狀態(tài)。ALE/PROG：ALE 是英文"ADDRESS LATCH ENABLE"的縮寫，表示允許地址鎖存允許信號。當(dāng)訪問外部存儲器時，ALE 信號負跳變來觸發(fā)外部的8 位鎖存器 (如74LS373)，將端口P0 的地址總線(A0-A7)鎖存進入鎖存器中。在非訪問外部存儲器期間，ALE 引腳的輸出頻率是系統(tǒng)工作頻率的 1/16，因此可以用來驅(qū)動其他外圍芯片

21、的時鐘輸入。當(dāng)問外部存儲器期間，將以1/12 振蕩頻率輸出。EA/VPP：該引腳為低電平時，則讀取外部的程序代碼 (存于外部EPROM 中)來執(zhí)行程序。因此在8031 中，EA 引腳必須接低電位，因為其內(nèi)部無程序存儲器空間。如果是使用AT89S51或其它內(nèi)部有程序空間的單片機時，此引腳接成高電平使程序運行時訪問內(nèi)部程序存儲器，當(dāng)程序指針PC 值超過片內(nèi)程序存儲器地址(如8051/8751/89C51 的PC 超過0FFFH)時，將自動轉(zhuǎn)向外部程序存儲器繼續(xù)運行。PSEN：此為"Program Store Enable"的縮寫。訪問外部程序存儲器選通信號，低電平有效。在訪問外

22、部程序存儲器讀取指令碼時，每個機器周期產(chǎn)生二次PSEN 信號。在執(zhí)行片內(nèi)程序存儲器指令時，不產(chǎn)生PSEN 信號，在訪問外部數(shù)據(jù)時，亦不產(chǎn)生PSEN 信號。二單片機的工作方式：單片機的工作方式包括：復(fù)位方式，程序執(zhí)行方式，單步執(zhí)行方式，掉電、節(jié)電方式以及EEPROM編程和校驗方式。(1）復(fù)位方式 RST引腳時復(fù)位信號的輸入端。復(fù)位信號是高電平有效，高電平的時間應(yīng)該在24個時鐘周期以上，若時鐘頻率為6MHz,則復(fù)位信號至少應(yīng)持續(xù)4us以上，才可以使單片機可靠復(fù)位。復(fù)位后，程序計數(shù)器PC15的值是0000H說明：AT89S51單片機的程序起始位置是在內(nèi)存的0000H，也就是說程序的第一條指令必須存入

23、內(nèi)存的0000H單元，程序才可能在復(fù)位后，直接運行。只要Vcc上升時間不超過1ms，通過在Vcc和RST引腳之間一個10uF電容，RST和Vss引腳（即地）之間加一個10k的電阻，就可以實現(xiàn)自動上電復(fù)位，即打開電源就可以自動復(fù)位。也可以進行手動復(fù)位，在Vcc和RST引腳之間接一個按鍵，即可以實現(xiàn)手動復(fù)位。復(fù)位電路可以參考圖3-2：圖3-2 單片機復(fù)位電路2）程序執(zhí)行方式 程序執(zhí)行方式是單片機的基本工作方式。所執(zhí)行的程序可以放在內(nèi)部ROM、外部ROM或者同時放在內(nèi)外ROM中。若程序全部放在外部ROM中（如對8031），則應(yīng)使EA=0；否則，可令EA=1。由于復(fù)位后PC=0000H,所以程序的執(zhí)行

24、總是從地址0000H開始的。但真正的程序一般不可能從0000H開始存放，因此，需要在0000H單元開始存放一條轉(zhuǎn)移指令，從而使程序跳轉(zhuǎn)到真正的程序入口地址。3）單步執(zhí)行方式 單步執(zhí)行方式是使程序的執(zhí)行處在外加脈沖（通常用一個按鍵產(chǎn)生）的控制下，一條指令一條指令地執(zhí)行，即按一次鍵，執(zhí)行一條指令。序返回至少要在執(zhí)行一條指令后才能重新進入中斷。將外加脈沖加到INT0輸入，平時為低電平。通過編程規(guī)定INT0信號是低電平有效，因此不來脈沖時總是處于響應(yīng)中斷的狀態(tài)。在中斷服務(wù)程序中要安排這樣的指令：JNB P3.2；若INT0=0，不往下執(zhí)行JB P3.2；若INT0=1，不往下執(zhí)行RETI； 返回主程序

25、執(zhí)行一條指令4）掉電和節(jié)電方式 在掉電方式下，單片機的耗電降至最小。當(dāng)電源恢復(fù)時，VPD應(yīng)該保持足夠長的時間（約10ms），以保證振蕩器的起振和達到穩(wěn)定，然后重新開始正常工作。在掉電方式下，CPU暫時不工作，但也隨時準(zhǔn)備恢復(fù)工作。3.2 系統(tǒng)電源的設(shè)計直流穩(wěn)壓電源主要由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路所組成，以前電子設(shè)備中的穩(wěn)壓器大都由分立元器件構(gòu)成，現(xiàn)在研制成功了各種集成穩(wěn)壓器。下面簡單介紹本設(shè)計使用到的電源器件：三端固定式集成穩(wěn)壓器。3.2.1 三端固定式集成穩(wěn)壓器三端固定式集成穩(wěn)壓器有78XX/79XX系列，它是固定輸出電壓式穩(wěn)壓器，片內(nèi)有過流保護和過熱保護功能，外接兩只電容就可

26、以簡單構(gòu)成穩(wěn)壓電路，如圖4-1所示。當(dāng)輸入電壓Vi、輸出電流Io或溫度變化時，輸出電壓Vo可保持不變；另外當(dāng)輸出短路，可使輸出電流Io現(xiàn)在為一定值；若集成穩(wěn)壓器過熱，則穩(wěn)壓器停止工作，也避免穩(wěn)壓器遭到損壞。圖中C1用以抑制過電壓，抵消因輸入線過長產(chǎn)生的電感效應(yīng)并消除自激振蕩；C2用以改善負載的瞬態(tài)響應(yīng)，即瞬時增減負載電流時不致引起輸出電壓有較大的波動。C1，C2一般選用滌綸電容，容量為 0.1 F 或者幾個 F。安裝時，兩電容應(yīng)直接與三端集成穩(wěn)壓器的引腳根部相連。78XX系列為正電壓輸出，79XX為負電壓輸出，各自有100mA、500mA和1.5A三個系列。78XX系列和79XX系列的管腳配置

27、不同，在接線的時候要特別注意。三端穩(wěn)壓器的三端是輸入端Vi、輸出端VO和公共端COM，使用公共端通常接地。它的內(nèi)部有效電路由調(diào)整管、保護電路、控制電路和誤差放大器等組成，Vo-COM間電壓與基準(zhǔn)電壓進行比較，工作時經(jīng)常保持一致，當(dāng)輸入電壓Vi或輸出電流Io變化時，使輸出Vo保持穩(wěn)定。三端穩(wěn)壓器為了使電路能穩(wěn)定工作，在輸入端和輸出端分別接入電容。輸入端穩(wěn)定電容是當(dāng)穩(wěn)壓器輸入阻抗降低時，防止發(fā)生震蕩，可采用0.11uF的陶瓷電容,在應(yīng)用中一般要在輸入端前加一個電解電容，即平滑電容。當(dāng)平滑電容距離穩(wěn)壓器很近時，可以省掉陶瓷電容。輸出端電容也是穩(wěn)定電容，對于降低輸出紋波、輸出噪聲及負載電流變化的影響有

28、很好的效果，采用0.11uF的陶瓷電容就可以了。3.2.2 電源電路的設(shè)計根據(jù)以上所介紹的參數(shù)，本系統(tǒng)所用+5V電源采用7805穩(wěn)壓管，將由變壓器送出來的9V交流電壓變成5V直流電壓。本電路使用整流全橋?qū)?V交流電壓進行整流，然后經(jīng)過濾波電路送入7805穩(wěn)壓管，從而得到穩(wěn)定的+5V直流電壓。電路圖如圖3-3所示：本電路工作時，先將插頭接到220V市電上，由開關(guān)接通電源，此時，紅色發(fā)光二極管工作顯示電源接通狀態(tài)。圖3-3 系統(tǒng)+5V電源電路設(shè)計3.3信號采集放大電路的設(shè)計3.3.1氣敏傳感元件特性(1)靈敏度特性氣敏元件的靈敏度特性,是表征氣敏器件對檢測氣體敏感程度的指標(biāo).半導(dǎo)體氣敏元件對多種可

29、燃性氣體和液體蒸汽都有敏感性能,其靈敏度視氣體和液體蒸汽不同而有所不同.器件靈敏度雖各有差異,但它們都遵循共同規(guī)律,即氣敏元件阻值與檢測氣體濃度成對數(shù)關(guān)系變化：logRc=m.logC+n (4-1)式中n與氣體檢測靈敏度有關(guān)，除了隨材料和氣體種類不同而變化外，還會由于測量溫度和添加劑的不同而發(fā)生大幅度變化。m為氣體的分離度，隨氣體濃度變化而變化。(2)溫濕度特性半導(dǎo)體氣敏元件敏感原理是基于敏感體表面的吸附反應(yīng),所以易受環(huán)境溫度、濕度影響.由于氣敏器件與環(huán)境溫濕度有一定依賴關(guān)系,所以在需要較高精度和可靠性的應(yīng)用中,在電路中要加入溫濕度補償.濕度傳感器的昂貴價格限制了濕度補償?shù)牟捎?，一般僅作溫度

30、補償即可取得較好效果。(3)加熱特性半導(dǎo)體氣敏元件需要在加熱狀態(tài)下工作,加熱溫度影響器件的性能,加熱功率變化,元件電阻及靈敏度也相應(yīng)的有所變化，所以傳感器的工作電源應(yīng)使用穩(wěn)壓電源。(4)初期恢復(fù)特性:氣敏元件在不通電狀態(tài)下存放后,再通電時并不能立即投入正常工作,其電阻值會有一段急劇變化過程,而后趨于穩(wěn)定.元件由通電至趨于穩(wěn)定的時間稱為初期恢復(fù)時間。初期恢復(fù)時間與元件種類、存放時間和存放環(huán)境狀態(tài)有關(guān)；一般不通電存放時間長,初期恢復(fù)時間亦長，但一般都在5分鐘以內(nèi)。由于這種影響使得氣體檢漏儀或報警器在通電初期即使沒有檢測氣體,也會觸發(fā)報警,即所謂通電初期誤動作.為此,在設(shè)計報警器電路時,可采取適當(dāng)措

31、施,設(shè)法消除這種誤動作現(xiàn)象或避免這種影響.(5)長期工作穩(wěn)定性半導(dǎo)體氣敏元件的敏感層是用非常穩(wěn)定的金屬氧化物制成的，因此它具有優(yōu)秀的長期穩(wěn)定性，在正常使用條件下，其使用壽命可達3年以上。3.3.2 信號采集放大電路的設(shè)計根據(jù)QM-N5的性能參數(shù)以及以上所述參數(shù)，可知將信號采集放大的關(guān)鍵是將QM-N5的可變阻值轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?。因此本設(shè)計使用了LM358運算放大器。信號采集放大電路如下圖3-4所示：圖3-4 信號采集放大電路3.4A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計3.4.1 ADC0809的介紹由于AT89S51內(nèi)部沒有A/D轉(zhuǎn)換，我們在把相應(yīng)的濃度模擬信號轉(zhuǎn)換為能夠被單片機所識別的數(shù)字信號的時候，需要用到芯片

32、ADC0809進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過單片機用軟件產(chǎn)生進行其它輸出。ADC0809的引腳功能：（1）IN0IN7：8路模擬輸出端。A、B、C的狀態(tài)字決定在A/D轉(zhuǎn)換時用哪個模擬輸入端輸入。（2）ALE（22腳）：地址鎖存器允許信號輸入端。當(dāng)它為高電平時，地址信號進入地址鎖存器中（3）CLOCK（10腳）：外部時鐘輸入端。時鐘頻率典型值為640KHZ，允許范圍為10KHZ到1280KHZ。時鐘頻率低時，A/D轉(zhuǎn)換速度也降低。（4）START（6腳）：A/D轉(zhuǎn)換信號輸入端。有效信號為一正脈沖。在脈沖上升沿，A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部寄存器均被清零在下降沿開始A/D轉(zhuǎn)換。（5）EOC（7腳）：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。

33、在START信號上升沿之后的02us+8個時鐘周期時間內(nèi)，EOC變?yōu)榈碗娖?。?dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC立即輸出一個（正）階躍信號，可用來作為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束的查詢信號或中斷的請求信號。（6）OE（9腳）：輸出允許信號。當(dāng)OE輸入高電平信號時，三態(tài)輸出鎖存器將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出。（7）D0D7：數(shù)字量輸出端。D0為最低有效位（LSB），D7為最高有效位（MSB）。（8）12、16腳REF（+）、REF（-）：正負基準(zhǔn)電壓輸入端?；鶞?zhǔn)電壓的中心值（VREF（+）+VREF（-）/2應(yīng)接近于Vcc/2，其偏差值不應(yīng)該超過 0.1 。正負基準(zhǔn)電壓的典型值分別為+5V和0V。（9）Vcc（11腳）、GND

34、（13腳）：電源電壓輸入端。ADC0809的工作過程是：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動 A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示AD轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當(dāng)OE輸入高電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。3.5 顯示器電路的設(shè)計3.5.1顯示模塊LCD1602(1) LCD1602模塊驅(qū)動：通常不接LCD的背光,因為采用背光的話,需要的電流太大，從而會造成穩(wěn)壓管發(fā)熱特

35、別厲害引腳說明：RS：寄存器選擇輸入端；RS0,如果是寫狀態(tài),指向指令寄存器,如果是讀,指向地址計數(shù)器RS1，不管是寫狀態(tài)還是讀狀態(tài),指向數(shù)據(jù)寄存器RW：為0：寫狀態(tài)；為1：讀狀態(tài)；E：使能型號輸入端,讀狀態(tài),高電平有效;寫狀態(tài),下降沿有效注意常用的命令：0x01： 清屏 0x38：8位數(shù)據(jù)傳送（0x28，4位數(shù)據(jù)傳送） 0x0C：開LCD ；0x08： 關(guān)LCD 0x18：字符左移 0x04： 向左移動光標(biāo) 0x06： 向右移動光標(biāo)(2) 通信方式線并行通信（命令：0x38）采用8線并口通信,占微控制端的I/O口,具體程序可以見發(fā)布的程序。3.5.2 顯示電路設(shè)計LCD1602的數(shù)據(jù)口與單片

36、機通過P1口連接，使能端E、RW和RS分別跟P3.5、P3.6和P3.7連接，VO通過接一個10K的電位器來控制液晶屏幕的亮度。電路使用5V電源供電。LCD1602與單片機連接電路圖如下圖3-5所示：圖3-5 LCD1602與單片機連接電路圖3.6聲音報警器電路的設(shè)計 報警器在采集到的濃度信號大于系統(tǒng)設(shè)定值時，由P3.4口發(fā)出一個高電平信號，持續(xù)時間為無限長，直到單片機撤消高電平信號為止，其撤消信號由鍵盤Delete鍵發(fā)出。詳細工作過程為單片機從P3.4口發(fā)出高電平信號，高電平使三極管8550導(dǎo)通，點亮紅色發(fā)光二極管，并觸動蜂鳴器發(fā)出報警聲音。系統(tǒng)報警器電路圖如下圖3-6所示：3-6 系統(tǒng)報警

37、器電路圖3.7 鍵盤電路的設(shè)計矩陣式鍵盤適用于按鍵較多的場合，它由行線和列線組成，按鍵位于行，列的交叉點上。很明顯的，在按鍵數(shù)量較多的場合，矩陣鍵盤與獨立式鍵盤相比，要節(jié)約很多的I/O口。本設(shè)計需要初值設(shè)置以及其它功能，需要09共10個數(shù)字鍵、設(shè)置鍵、刪除鍵、確定鍵、上翻頁、下翻頁和上檔鍵等16個按鍵。因此采用了4×4行列結(jié)構(gòu)的鍵盤。3.7.1 鍵盤的工作原理按鍵設(shè)置在行、列交點上，行、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端。行線通過上拉電阻接到5V上。平時無按鍵動作時，行線處于高電平狀態(tài)；而當(dāng)由按鍵按下時，行線電平狀態(tài)將有與此行線相連的列線電平?jīng)Q定。列線的電平如果為低電平，則行線為低電平；列

38、線為高電平，則行線也為高電平。這一點是識別矩陣鍵盤按鍵是否按下的關(guān)鍵所在。由于鍵盤中行、列線為多鍵共用，各按鍵均影響該鍵所在的行和列的電平。因此各按鍵彼此之間互相影響，所以必須將行、列線信號配合起來并做適當(dāng)?shù)奶幚?，才能確定閉合鍵的位置。3.7.2 鍵盤的識別(1)識別方法分兩步進行：第一步，識別鍵盤有無鍵按下；第二步，如果有鍵按下，識別出具體的按鍵。分述如下：識別鍵盤有無鍵被按下的方法是：讓所有的列線均置0電平，檢查各行線的變化，則說明有鍵按下，則說明有鍵按下，如果沒有變化，則說明無鍵按下。識別出鍵盤的具體方法是：逐列置零電平，其余的各列置為高電平，檢查各行線電平的變化，如果某行電平的變化由高

39、電平變?yōu)?電平，則可確定此行交叉點處的按鍵被按下。(2)鍵盤的編碼。對于獨立式按鍵鍵盤，由于按鍵的數(shù)目較少，可以根據(jù)實際需要靈活的編碼。對于矩陣式鍵盤，按鍵的位置由行號和列號唯一確定，所以分別對行號和列號進行二進制編碼，然后將兩值合成一個字節(jié)，高4位式行號，低4位是列號將是非常直觀的。如12H表示第一行第二列的按鍵，但是這種編碼對于不同的行的鍵，離散性大。本設(shè)計鍵盤的編碼對應(yīng)關(guān)系表如表3-2所示：表3-2 鍵盤的編碼對應(yīng)關(guān)系表鍵號0123鍵值00H01H02H03H功能Set987鍵號4567鍵值04H05H06H07H功能+1654鍵號891011鍵值08H09H0AH0BH功能-1321鍵

40、號12131415鍵值0CH0DH0EH0FH功能EnterDeleteShift03.7.3 鍵盤的工作方式單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤掃描只是CPU工作內(nèi)容之一。CPU在忙于各項工作任務(wù)時如何兼容鍵盤的輸入，取決于鍵盤的工作方式。鍵盤的工作方式的選取應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用系統(tǒng)中CPU工作的忙、閑情況而定。其原則是既要保證能及時響應(yīng)按鍵操作，又要不過多的占用CPU的工作時間。通常鍵盤有編程掃描，定時掃描和中斷掃描。CPU對鍵盤的掃描采取程序控制的方式，一旦進入鍵掃描狀態(tài)，則反復(fù)的掃描鍵盤，等待用戶從鍵盤上輸入命令或是數(shù)據(jù)。而在執(zhí)行鍵入命令或是處理鍵入數(shù)據(jù)過程中，CPU將不再響應(yīng)鍵入要求，直到CPU返回重新

41、掃描鍵盤為止。定時掃描工作方式是利用單片機內(nèi)定時器產(chǎn)生定時中斷，CPU響應(yīng)中斷后對鍵盤進行掃描，并在有鍵按下時識別出該鍵并執(zhí)行相應(yīng)的鍵功能程序。定時掃描工作方式的鍵盤硬件電路與編程掃描方式相同。鍵盤電路工作于編程掃描狀態(tài)，CPU要不間斷的對鍵盤進行掃描工作，以監(jiān)視鍵盤的輸入情況，直到有按鍵為止。其間CPU不能作其他的任何工作，如果CPU工作量較大的時候，這種方式就不是很實用。定時掃描進行了一大步 ，除了定時監(jiān)視一下鍵盤的輸入情況外，其余的時間可以進行其他的任務(wù)的處理，CPU的效率提高了，為了進一步提高CPU的工作效率，可以采用中斷掃描方式，即只有在鍵盤有鍵按下時，才執(zhí)行鍵盤掃描并執(zhí)行該鍵盤的功

42、能程序，如果無鍵按下，CPU不理睬鍵盤?？梢哉f，前兩個掃描方式，CPU對鍵盤的監(jiān)視時主動進行的，而后一種方式，CPU對鍵盤的監(jiān)視是被動的。本設(shè)計采用了中斷工作方式，由INT0口接收中斷信號，來控制單片機調(diào)用鍵盤控制子程序，啟動鍵盤功能工作。第四章軟件設(shè)計4.1軟件設(shè)計重要性 軟件開發(fā)階段包括軟件的設(shè)計、程序編碼、軟件測試，占據(jù)軟件項目開發(fā)總成本的絕大部分，是軟件開發(fā)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 軟件設(shè)計是開發(fā)階段最重要的步驟，它包括總體設(shè)計和詳細設(shè)計，是將需求轉(zhuǎn)化為軟件產(chǎn)品的唯一途徑。 軟件設(shè)計作出的決策，最終影響軟件實現(xiàn)的成敗。 設(shè)計是軟件工程和軟件維護的基礎(chǔ)。4.2軟件程序流程圖本設(shè)計可以用C語言編程

43、序，也可以用匯編語言編程序，本人選擇了用C語言編寫程序。主要編程序來控制定時、計時中斷、輸出、報警等。 (1)按照以上的軟件程序設(shè)計思想，可以畫出程序的流程圖，并根據(jù)流程圖寫出相應(yīng)的程序。主程序見附錄，流程圖如下圖4-1所示。 主程序計時初始化中斷系統(tǒng)初始化ADC0809初始化延時程序傳感器采集數(shù)據(jù)送顯示器圖4-1程序流程圖4.2.1 鍵盤的流程圖鍵盤掃描有鍵閉合延時去鍵抖動掃描鍵盤找到閉合鍵計算鍵值閉合鍵釋放建立有效標(biāo)志返回建立無效標(biāo)志NNNYYY圖4-2 鍵盤流程圖4.2.2 ADC程序void TempDelay(uchar us);void Initadc0809(void); /初始

44、化adc0809uchar ReadByte(void); /從adc0809讀一字節(jié)void GemTemp(void); /讀取濃度 void Configadc0809(void); /配置adc0809void nongdu(void); /adc0809全處理sbit dq = P1; /adc0809的I/O線第五章系統(tǒng)調(diào)試5.1 硬件調(diào)試 焊好電路板后，整個控制器的設(shè)計就正式進入調(diào)試階段。在進行軟件調(diào)試之前一定要進行電路板的調(diào)試，以防止由于硬件電路故障導(dǎo)致軟件調(diào)試失敗。首先要進行的是銅線的連接檢查，看看哪里有不易察覺的斷線現(xiàn)象出現(xiàn)。具體的調(diào)試方法是使用數(shù)字萬用表，把旋鈕開關(guān)旋到電

45、阻檔，紅黑表筆分別去測同一根銅線的電阻，如果線沒有斷的話，萬用表的顯示應(yīng)該是都為0，若出現(xiàn)無窮大的顯示則表示此線以斷了，這時只要烙鐵輕輕點少量焊錫把線連上即可。在硬件電路中有些線與線之間布得比較集中，焊盤也緊挨著線，在這種地方最容易出現(xiàn)短路。檢查方法和檢查斷線的方法相似，也是利用萬用表，旋鈕開關(guān)旋到測二極管的檔位，將紅黑兩表筆分別測懷疑已經(jīng)短路的線或者焊盤上，如果已經(jīng)短路的話萬用表會發(fā)出報警聲，反之，萬用表不會報警。遇到焊盤和焊盤或焊盤和銅線短接時只要用一根細而硬的針把連在一起的地方刮斷就可以了。 在測試開關(guān)的時候發(fā)現(xiàn)按鍵按下后P2口的電平?jīng)]有變化，反復(fù)檢查了幾次都是維持在低電平而無法出現(xiàn)高電

46、平，在排除是單片機芯片故障后又詳細的檢查了電路圖，終于發(fā)現(xiàn)是上拉電阻的接法接錯了，正確的接法是上拉電阻接在單片機與按鍵電路之間，而原理圖中由于一時疏忽將上拉電阻接在了按鍵與地之間，這樣的接法相當(dāng)于使按鍵部分失效，永遠無法讀入按鍵的鍵號，更改電路圖后按鍵電路的故障就完全消除了。5.2 軟件調(diào)試軟件調(diào)試先是進行燒寫單片機程序，可以檢查出一些語法錯誤，檢查無誤后就可以進行全面的調(diào)試。就是根據(jù)軟件實現(xiàn)步驟逐個檢查程序的可行性，以及程序的嵌套性是否都能達到設(shè)計的要求。沒有硬件電路，軟件是無法進行調(diào)試的，在硬件電路檢查無誤后就可以調(diào)試軟件了。由于編程時用的是C語言，程序編寫簡單，編程時不必考慮單片機內(nèi)部結(jié)

47、構(gòu)，所以程序總體上沒有錯誤。由于在此之前寫入一個小程序來檢測硬件沒有問題，所以現(xiàn)在只需要調(diào)試好程序即可。設(shè)定，采集，報警這三個模塊的調(diào)試比較順利，基本是和預(yù)期的一樣。但是在調(diào)試A/D轉(zhuǎn)換是發(fā)生了意外，在把A/D轉(zhuǎn)換的程序?qū)懭雴纹瑱C運行后，LCD1602顯示的是零。一開始以為是接線接錯了，但是在仔細核查一遍后，發(fā)現(xiàn)沒有接錯。后來進一步檢查改進程序后發(fā)現(xiàn)，原來是寫程序的時候有一條多余的語句沒有屏蔽掉，造成送到LCD只能顯示零,到這里軟件基本上調(diào)試完成。5.3 調(diào)試結(jié)果解決了以上的硬件和軟件問題后，整個室內(nèi)故障監(jiān)測報警系統(tǒng)就完成了，經(jīng)過多次的測試表明：此室內(nèi)故障監(jiān)測報警系統(tǒng)能實現(xiàn)畢業(yè)設(shè)計所要求的達到

48、的功能。5.4 小結(jié) (1) 特點：QM-N5型氣體傳感器是以金屬氧化物SnO2為主體材料的N型半導(dǎo)體氣敏元件，當(dāng)元件接觸還原性氣體時，其電導(dǎo)率隨氣體濃度的增加而迅速升高。適用于天然氣、煤氣、氫氣、烷類氣體、烯類氣體、汽油、煤油、乙炔、氨氣、煙霧等的檢測，屬于N型半導(dǎo)體元件。靈敏度較高，穩(wěn)定性較好，響應(yīng)和恢復(fù)時間短。用它做成的報警器完全可以達到UL2034標(biāo)準(zhǔn)，不需溫、濕度補償。(2) 工作條件：工作電壓：5V ± 0.5V靜態(tài)功耗：0.5W(加熱絲冷態(tài)電阻為50 ± 2)環(huán)境條件：溫度-10+50,相對濕度95%初期穩(wěn)定時間：15分鐘響應(yīng)時間：10s恢復(fù)時間：60s檢測煤

49、氣濃度范圍：5020000ppm 其優(yōu)點在于：（1）成本低廉并能對煙霧和煤氣準(zhǔn)確報警。（2）該產(chǎn)品無需專業(yè)人員操作，只要放在合適位置，通電即可，連續(xù)使用、方便簡捷。（3）能起到預(yù)防煤氣中毒的效果，使人們高枕無憂。該產(chǎn)品必須能夠有效預(yù)防廣大農(nóng)村居民的冬季燃煤取暖一氧化碳中毒事件的發(fā)生，同時也能夠給城鎮(zhèn)居民安全使用煤氣提供有力的保障。第六章 總結(jié) AT89S51單片機作為核心芯片構(gòu)成硬件電路，并通過ADC0809實現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換，編寫了程序的總流程圖，ADC0809的程序，鍵盤的流程圖。通過硬件軟件的功能，可以實現(xiàn)當(dāng)采集到的濃度信號大于系統(tǒng)設(shè)定值時，會出現(xiàn)高電平，從而發(fā)出聲光報警。 本設(shè)計基本可以

50、實現(xiàn)功能，但是還可以在這基礎(chǔ)上，對報警器功能進一步的拓展，當(dāng)這個報警器報警時耗能實現(xiàn)關(guān)閉燃氣的功能，這樣對本設(shè)計有了進一步的完善，也更具有安全性。致 謝在做畢業(yè)設(shè)計的這段時間，得到導(dǎo)師單老師的悉心關(guān)懷和指導(dǎo)幫助，使得我的畢業(yè)設(shè)計能夠順利完成。在期間，經(jīng)常去圖書館查找相關(guān)的知識還不斷的和同學(xué)相互交流，這使得我學(xué)到了很多的東西。另外，我還從單老師那里學(xué)到了許多做人的道理，使我對生活充滿信心，與人為善。在此，我向我的導(dǎo)師單老師表示深深的謝意。我還要感謝我的母校三年來對我的培養(yǎng)，在我的人生中，留下了濃重的一筆。我還要感謝給予我?guī)椭膸孜煌瑢W(xué)，他們在方案選擇和實現(xiàn)上給了我很多的建議和幫助，。有了各位老師

51、和同學(xué)的幫助，才我順利的完成了此次畢業(yè)設(shè)計。他們在我最無助的時候?qū)ξ疑斐隽嗽郑瑸槲乙院笞呱瞎ぷ鞯膷徫惶峁┝撕芏嗟膸椭?。最后，向在我做畢業(yè)設(shè)計期間給予過我鼓勵、關(guān)心、幫助的各位老師、同學(xué)表示由衷的敬意！參考文獻1 陳小忠，黃寧，趙小俠編著單片機接口技術(shù)實用子程序M北京：人民郵電出版2 尹勇，王洪成編著.單片機接口技術(shù)與應(yīng)用M北京：北京航天航空大學(xué)出版社,20043 沙占友集成化智能傳感器原理與應(yīng)用M北京：電子工業(yè)出版社20041：1982224 陳嶺麗， 馮志華主編. 檢測技術(shù)和系統(tǒng)M. 北京：清華大學(xué)出版社，2005.5 周慈航.單片機應(yīng)用程序設(shè)計技術(shù)M.北京航天航空大學(xué)出版社，1991

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