基于單片機(jī)控制的一氧化碳報警器的畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

PAGE引言 31緒論 41.1課題背景 4HYPERLINK\l"_Toc107060554"1.2一氧化碳報警器的概述 51.3課題研究的目的及意義 51.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要任務(wù) 62方案設(shè)計(jì) 62.1設(shè)計(jì)要求 62.2初始方案 72.2.1系統(tǒng)方案的選擇 PAGEREF_Toc107060560\h82.2.2系統(tǒng)方案的確定 102.3系統(tǒng)組成 102.3.1一氧化碳報警器系統(tǒng)的三大部分 112.3.2系統(tǒng)各個模塊功能說明 122.3.3系統(tǒng)功能擴(kuò)展 133硬件電路設(shè)計(jì) 13HYPERLINK\l"_Toc107060567"3.1設(shè)計(jì)使用的基本知識介紹 133.2芯片介紹[4]及相關(guān)電路模塊設(shè)計(jì) 143.2.1主控電路原理 143.2.2電源電路 183.2.3傳感器的選擇及電路 203.2.4事故處理電路的設(shè)計(jì) 233.2.5顯示電路的設(shè)計(jì) 253.2.6計(jì)算機(jī)串口通信的技術(shù)與其標(biāo)準(zhǔn) 283.3設(shè)計(jì)的硬件電路 344軟件部分 354.1單片機(jī)編程 354.1.1軟件部分設(shè)計(jì)的功能 354.1.2程序框圖和主要程序介紹 PAGEREF_Toc107060579\h364.2上位機(jī)（PC機(jī)）編程 384.2.1VB下串行通信的方法 384.2.2串行通信的控件MSComm及其使用方法 PAGEREF_Toc107060582\h385系統(tǒng)制作及調(diào)試 405.1系統(tǒng)PCB板的設(shè)計(jì) 405.1.1確定PCB的大小 405.1.2布局 405.1.3布線 405.2硬件調(diào)試 415.2.1檢測元器件 415.2.2檢測各個引腳信號 415.3軟件調(diào)試 416結(jié)論 PAGEREF_Toc107060592\h42謝辭 43參考文獻(xiàn) 44附錄1 45HYPERLINK\l"_Toc107060596"附錄2 52附錄3 55附錄4 56附錄5 0600\h57引言當(dāng)今，單片微型計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，由單片機(jī)技術(shù)開發(fā)的智能化測控設(shè)備和產(chǎn)品廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域，單片機(jī)技術(shù)產(chǎn)品和設(shè)備促進(jìn)了生產(chǎn)技術(shù)水平的提高。而此次的氣體濃度檢測系統(tǒng)正是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的一種。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)由硬件和軟件組成。硬件是指單片機(jī)擴(kuò)展的存儲器、輸入/出設(shè)備以及各種實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)控制要求的接口電路和有關(guān)的外圍電路芯片或部件；軟件是指單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其特定控制功能的各種工作程序和管理程序。只有系統(tǒng)硬件和軟件緊密配合、協(xié)調(diào)一致，才可能組成高性能的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的過程中，應(yīng)不斷調(diào)整軟、硬件，協(xié)調(diào)地進(jìn)行軟、硬件設(shè)計(jì)，以提高工作效率。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程一般包括系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試幾個階段。這幾個系統(tǒng)開發(fā)階段并不是相互獨(dú)立、各自進(jìn)行的，而應(yīng)根據(jù)開發(fā)的實(shí)際需要，相互協(xié)調(diào)、交叉，有機(jī)的進(jìn)行。實(shí)現(xiàn)氣體濃度檢測離不開高性能的氣體傳感器。從廣義上講，傳感器就是能感受外界信息并能按一定規(guī)律將這些信息轉(zhuǎn)換成可用信號的裝置。狹義上講，傳感器就是能將外界信息轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。隨著新技術(shù)和自動化的發(fā)展，傳感器的使用數(shù)量越來越大，一切現(xiàn)代化儀器、設(shè)備幾乎都離不開傳感器[2]。在工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是自動化生產(chǎn)過程中，用各種傳感器來檢測和控制生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)，如溫度、壓力、流量、PH值等，以便使設(shè)備工作在最佳狀態(tài)，產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。此次設(shè)計(jì)中所利用到的氣體傳感器就是要測量一氧化碳?xì)怏w濃度的動態(tài)信號，并且利用數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片將濃度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的檢測與事故處理功能，實(shí)現(xiàn)智能控制。本文的一氧化碳報警器就是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一種典型應(yīng)用，要求能夠檢測一氧化碳?xì)怏w濃度，并且在氣體濃度超過給定值時能采取相關(guān)措施。由于一氧化碳中毒是家庭小區(qū)以及礦工企業(yè)常見事故，給人們生命財產(chǎn)安全帶來了極大的危害。為了能減少事故的發(fā)生，提醒人們注意，迫切需要一氧化碳報警設(shè)備。隨著電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，面對各種檢測對象和大量的測試點(diǎn)，需要利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將多路被測量值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再經(jīng)過單片機(jī)或微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時測控。而此時采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)一氧化碳報警不僅具有采集控制方便、簡單、靈活等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高采集點(diǎn)的技術(shù)指標(biāo)，從而大大提高系統(tǒng)的可利用性。此次三路巡回檢測系統(tǒng)正是把ADC0809與8051單片機(jī)有機(jī)的結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了三通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，也符合了本設(shè)計(jì)的要求。本人在此次設(shè)計(jì)中主要擔(dān)任了系統(tǒng)的硬件電路圖的設(shè)計(jì)、硬件的焊接和調(diào)試、軟件的設(shè)計(jì)、以及各個芯片資料查找與整理等工作。設(shè)計(jì)中超出了任務(wù)書所給的任務(wù)，提出了本一氧化碳報警器在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用方案。1緒論1.1課題背景隨著國家經(jīng)濟(jì)的提高，現(xiàn)代化、智能化的多功能建筑越來越多，對建筑的防火安全設(shè)計(jì)要求也愈來愈高。近年來，全國燃?xì)庑袠I(yè)發(fā)展迅猛，液化氣、天然氣、煤制氣等城市燃?xì)庾鳛榍鍧嵞茉匆言诠ど虡I(yè)和城鎮(zhèn)居民用戶中得到廣泛應(yīng)用，特別是隨著“西氣東輸”工程的快速進(jìn)展，燃?xì)庑袠I(yè)發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｒ浴拔鳉鈻|輸”工程為開端的大規(guī)模天然氣利用工程的實(shí)施，意味我國城市燃?xì)鈱⒋筇げ降剡M(jìn)入“天然氣時代”。我國天然氣市場將迎來一個千載難逢的機(jī)會，城市燃?xì)庑枨蟮闹饕鲩L點(diǎn)將體現(xiàn)在天然氣上。2000年黨中央國務(wù)院提出“西部大開發(fā)”的重大戰(zhàn)略部署，特別是2002年“西氣東輸”第一期工程正式開工，這無疑為發(fā)展西部地區(qū)的燃?xì)猱a(chǎn)業(yè)帶來歷史性的機(jī)遇。西氣東輸工程，在西部優(yōu)勢資源和東部廣闊市場之間架起了一座“金橋”，西氣東輸工程投入使用后，每年供應(yīng)長三角地區(qū)100億立方米天然氣。城市燃?xì)獾钠占芭c應(yīng)用無疑對改善城市的環(huán)境質(zhì)量和提高居民的生活質(zhì)量發(fā)揮了巨大的作用。但是隨著燃?xì)獾膹V泛應(yīng)用，由于燃?xì)庑孤┧l(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?xì)飧玫卦旄Ｓ诿?，造福于社會，減少并杜絕各種因燃?xì)庑孤┒l(fā)的爆炸及火災(zāi)事故，各燃?xì)馐褂脝挝患熬用裼脩暨x擇一種適合的燃?xì)鈭缶鲗?shí)為必要之舉?！皥缶纾瑩p失少”，進(jìn)一步說明了及時報警的重要性，在家庭里面也是如此，一旦發(fā)生火災(zāi)，提早報警，可以及時將火撲滅，以免小火釀成大災(zāi)。目前常用的有感煙、感溫和可燃?xì)怏w火災(zāi)報警器。像家庭中在使用煤氣、液化石油氣和天然氣等燃料時，安裝一個可燃?xì)怏w報警器，當(dāng)出現(xiàn)漏氣或著火時，報警器能夠立即鳴笛報警，告之主人及時采取措施。日本早在1980年1月開始實(shí)行安裝城市煤氣、液化石油氣報警器的法規(guī)，1986年5月日本通產(chǎn)省又實(shí)施了安全器具普及促進(jìn)基本方針。美國目前已有7個州11個城市通過立法，規(guī)定家庭、公寓等都要安裝一氧化碳報警器。隨著城市燃?xì)饣臄U(kuò)大，我國已有北京市、遼寧省、黑龍江省、山西省、哈爾濱市、青島市、大連等省市相繼發(fā)布燃?xì)獍踩芾砦募?，做到政府立法和百姓自身提高安全保護(hù)意識有機(jī)結(jié)合。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主要來自取暖燃料的燃燒，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(dá)到5%時，就會對人體產(chǎn)生慢性損害，達(dá)到60%時就會昏迷，達(dá)到90%就會死亡[15]。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(hù)人們的生命財產(chǎn)安全。本文正是通過分析目前燃?xì)鈭缶鞯默F(xiàn)狀，設(shè)計(jì)制作一氧化碳報警器，保障人們的生命財產(chǎn)安全。1.2一氧化碳報警器的概述首先我們應(yīng)對國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的燃?xì)鈭缶鞯姆N類有所了解。燃?xì)鈭缶骺煞譃榭扇細(xì)怏w檢漏儀（簡稱“檢漏儀”）,可燃?xì)怏w報警控制器（簡稱“控制器”）、可燃?xì)怏w探測器（簡稱“探測器”）、家用可燃?xì)怏w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?xì)鈭缶?一般安裝在廚房，遇燃?xì)庑孤r，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?xì)馀懦鍪彝狻Ｓ械膱缶髟趫缶瘯r可自動關(guān)閉燃?xì)忾y門，以防燃?xì)饫^續(xù)泄漏。

燃?xì)鈭缶鞯暮诵氖菤怏w傳感器，俗稱“電子鼻”。當(dāng)氣體傳感器遇到燃?xì)鈺r，傳感器電阻隨燃?xì)鉂舛榷兓?，隨之產(chǎn)生電信號，供燃?xì)鈭缶骱蠹壘€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(bǔ)償，使信號線性化，經(jīng)微機(jī)處理、邏輯分析，輸出各種控制信號，即當(dāng)燃?xì)鉂舛冗_(dá)到報警設(shè)定值時，燃?xì)鈭缶靼l(fā)出聲光報警信號并可顯示燃?xì)鉂舛然騿油獠柯?lián)運(yùn)設(shè)備（如排風(fēng)扇、電磁閥）。選擇一款優(yōu)質(zhì)的燃?xì)鈭缶鳎紫纫x擇質(zhì)量過關(guān)的傳感器。質(zhì)量不過關(guān)的傳感器，一般16個月性能就下降，因而失去報警器的安全性，出現(xiàn)不報警或誤報警現(xiàn)象，而一種好的傳感器可連續(xù)使用十幾年，特性也不會有什么變化。但是，報警器中的其它電子元件的壽命都是有限，先進(jìn)國家也規(guī)定燃?xì)鈭缶鞯挠行谧疃酁槲迥?。報警器都存在著檢測誤差，只要當(dāng)著誤差降低在5%以內(nèi)這個報警器才符合使用要求。這就要求了一氧化碳傳感器性能必須符合這個條件，高精度的傳感器是系統(tǒng)的靈魂。氣體傳感器受濕度、溫度的影響較大，在條件需要的時候應(yīng)該采用溫度、濕度補(bǔ)償來提高測量精度。1.3課題研究的目的及意義設(shè)計(jì)出性能更加可靠，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的程控一氧化碳報警器。目前，現(xiàn)有一氧化碳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(jì)所面對的是廣大居民，其優(yōu)點(diǎn)在于：（1）成本低廉并能對一氧化碳準(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)防一氧化碳中毒的效果，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)居民安全使用天然氣提供有力的保障。1.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要任務(wù)本文利用單片機(jī)電路制作程控一氧化碳報警器。設(shè)計(jì)過程中最關(guān)鍵的兩個部分：系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)和控制軟件的編寫。這也是在設(shè)計(jì)過程中需要解決的最關(guān)鍵的問題。（1）硬件問題程控一氧化碳報警器的硬件主要有3大部分，即濃度檢測及顯示模塊、主控模塊和報警及事故處理模塊。濃度檢測模塊主要由燃?xì)鈧鞲衅鹘M成，它是整個系統(tǒng)中最關(guān)鍵的元件。主控模塊由單片機(jī)及其相關(guān)軟件組成，由程序?qū)纹瑱C(jī)進(jìn)行控制。事故處理模塊主要由蜂鳴器和排氣扇等組成，這個模塊是對燃?xì)鉂舛冗^高的時候進(jìn)行緊急處理。硬件的設(shè)計(jì)需要單片機(jī)、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）軟件問題它的軟件設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)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(jì)要求的功能。2方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)就是根據(jù)題目的要求而對硬件和軟件進(jìn)行規(guī)劃，并選擇最合適的硬件電路和軟件程序來達(dá)到目的。硬件設(shè)計(jì)是通過對設(shè)計(jì)要求的分析，對各種元器件的了解，而得出分立元件與集成塊的某些連接方法，以達(dá)到設(shè)計(jì)的功能要求。并且把這些元器件焊接在一塊電路板上。它包括對各種元器件的功能和接法的了解，以及對各種元器件的選擇和設(shè)計(jì)方案的選擇。軟件設(shè)計(jì)是分析設(shè)計(jì)的硬件用程序?qū)崿F(xiàn)其功能，并且調(diào)試優(yōu)化產(chǎn)品功能。2.1設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)的報警器應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下功能：報警器需在一氧化碳濃度達(dá)到100ppm時系統(tǒng)應(yīng)啟動報警，2min報警無效后系統(tǒng)應(yīng)啟動排風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)排氣、關(guān)閉電磁閥切斷氣源；系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)后,先啟動排風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng),然后啟動電磁閥供給煤氣。具體要實(shí)現(xiàn)如下功能：（1）系統(tǒng)要求設(shè)置正常工作狀態(tài)，除正常工作狀態(tài)外，電磁閥要求處于關(guān)閉狀態(tài)，以切斷煤氣通道，防止煤氣外泄。（2）在非正常工作狀態(tài)下，當(dāng)室內(nèi)一氧化碳的濃度達(dá)到100ppm時系統(tǒng)應(yīng)啟動音樂報警，若2min報警無效，系統(tǒng)應(yīng)啟動排風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)排氣、關(guān)閉電磁閥切斷氣源。（3）系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，先啟動排風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)，然后啟動電磁閥供給煤氣。2.2初始方案本設(shè)計(jì)擬按以下思路展開研究：（1）根據(jù)該設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的基本功能，設(shè)計(jì)大致應(yīng)該分為信號接收，信號處理，信號控制和信號響應(yīng)四個部分。①信號采集接收部分即通過一氧化碳傳感器檢測房間氣體濃度，并將這種變化量轉(zhuǎn)化成電壓或電流等模擬量的變化。②信號處理部分是將接收部分得到的電壓或電流等變化進(jìn)行必要的放大，為后一部分信號控制提供準(zhǔn)備。③信號控制部分是通過一預(yù)定控制方式等實(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)要求的準(zhǔn)確操作。④信號響應(yīng)是通過事故處理部分和顯示部分實(shí)現(xiàn)控制部分的要求。（2）對上述四個部分進(jìn)行分析，得到如下一些基本的結(jié)論：①信號接收部分為了能準(zhǔn)確采集到氣體濃度的變化應(yīng)選用傳感器敏感器件，為使其實(shí)有效的檢測房間中氣體濃度，必須選用高溫一氧化碳傳感器。②信號處理部分應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況選用電荷放大，或比較器等裝置，這部分電路將包含在傳感器接口電路中。③控制部分為了實(shí)現(xiàn)精確控制，采用單片機(jī)較為合適。④信號響應(yīng)可以考慮采用排風(fēng)扇調(diào)節(jié)房間中一氧化碳?xì)怏w濃度，并且需要對電磁閥進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)一氧化碳?xì)怏w的排出量。⑤在實(shí)現(xiàn)控制功能的單片機(jī)與響應(yīng)過程的LED顯示管之間應(yīng)該有接口電路以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動功能。根據(jù)對上面設(shè)計(jì)系統(tǒng)的分析，我們得到該設(shè)計(jì)思想框圖如下圖2.1所示：圖2.1設(shè)計(jì)思想框圖將上述設(shè)計(jì)思想結(jié)合設(shè)計(jì)要求總結(jié)為：程控一氧化碳報警器采用三路巡回檢測的方法，通過高溫一氧化碳?xì)怏w傳感器檢測房間氣體濃度，檢測結(jié)果經(jīng)過高精度運(yùn)放器放大后送入ADC0809模/數(shù)芯片中進(jìn)行?！獢?shù)轉(zhuǎn)換；利用單片機(jī)進(jìn)行控制，控制聲音報警以及控制電磁閥和排風(fēng)扇，并且將氣體傳感器檢測到的濃度值在LED數(shù)碼顯示管上顯示出來。2.2.1系統(tǒng)方案的選擇鑒于此系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，提出方案進(jìn)行分析。方案一：采用單個傳感器檢測房間氣體濃度，將檢測的到濃度結(jié)果通過運(yùn)算放大器放大后送入模/數(shù)芯片中進(jìn)行?！獢?shù)轉(zhuǎn)換，利用MCS－51單片機(jī)控制聲音報警以及控制電磁閥和排風(fēng)扇，并且將氣體傳感器檢測到的濃度值在LED數(shù)碼顯示管上顯示出來。分析：此設(shè)計(jì)雖然簡單，但是存在著嚴(yán)重的問題。采用單個傳感器檢測房間氣體濃度是不合適的。氣體傳感器所測量的值經(jīng)常會發(fā)生變化。在一段短時間內(nèi)可能很穩(wěn)定，而在一段較長時間內(nèi)則可能有緩慢起伏，或呈周期性的脈動變化，甚至出現(xiàn)突變的尖峰。氣體傳感器主要通過兩個基本特性--靜態(tài)特性和動態(tài)特性來反映傳感器的這種變動性。靜態(tài)特性通常反映在靈敏度上。所謂的靈敏度，是指在靜態(tài)工作條件下，其單位輸入所產(chǎn)生的輸出，用S表示。（2-1）動態(tài)特性是氣體傳感器的特有問題，反映氣體傳感器對隨時間變化的輸入響應(yīng)特性。動態(tài)特性好的氣體傳感器，其輸出特性曲線隨時間變化很小。動態(tài)特性的輸入與輸出關(guān)系不是一個常數(shù)，而是時間的函數(shù)，隨時間的變化而變化，因此常用"傳遞函數(shù)"表征。

（2-2）由此可見，氣體傳感器的輸入和輸出關(guān)系并非簡單的線性或曲線關(guān)系，要對氣體傳感器建立一個準(zhǔn)確的溫度修正數(shù)學(xué)模型是很困難的。通常應(yīng)用時，都忽略氣體傳感器的動態(tài)特性，根據(jù)其靜態(tài)溫度響應(yīng)靈敏度，采取一定的措施對其進(jìn)行補(bǔ)償。如通過溫度傳感器測出環(huán)境的溫度，對氣體傳感器的輸出特性曲線進(jìn)行修正；或者直接對傳感器進(jìn)行硬件補(bǔ)償。氣體傳感器特性總是會受到環(huán)境溫度、濕度的影響而變化，氣體報警器要能夠有效實(shí)現(xiàn)對環(huán)境氣氛的監(jiān)控，有效避免誤報、漏報，提高測量的準(zhǔn)確性，必須對氣體傳感器進(jìn)行有效的溫、濕度補(bǔ)償和修正。由于本次課題要求檢測一氧化碳濃度超過100ppm時報警提示，而氣體傳感器在測量氣體濃度大于60ppm時，環(huán)境濕度的變化對一氧化碳傳感器特性的影響較小，故忽略對傳感器濕度修正。那么主要考慮如何有效實(shí)現(xiàn)傳感器的溫度補(bǔ)償。傳統(tǒng)補(bǔ)償方式一般有硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償兩種。所謂硬件補(bǔ)償是指直接使用溫度傳感器在電路中對氣體傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，這種方式雖然簡單，但只有在溫度傳感器和氣體傳感器的溫度特性一致時，才能很好地補(bǔ)償；很難實(shí)現(xiàn)寬范圍的氣體傳感器和溫度傳感器的特性匹配。軟件補(bǔ)償方式通過傳感器的溫度特性曲線擬合進(jìn)行算法補(bǔ)償，這種方式是以一定的特性曲線作為基礎(chǔ)，對不同的工作環(huán)境和不同傳感器的溫度特性，用算法處理和查表修正以得到不同的補(bǔ)償效果。該方式較為復(fù)雜，對特性離散的傳感器，擬合效果差。為了解決這個問題，提出采用雙傳感器補(bǔ)償方式，具體來說就是選用兩個特性一致（實(shí)際上只能做到非常接近）的氣體傳感器來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，把其中一個氣體傳感器A密封代替溫度傳感器，對另一氣體傳感器B進(jìn)行補(bǔ)償。這樣的補(bǔ)償方式，不僅能較好地擬合氣體傳感器的靜態(tài)溫度特性，而且對傳感器的動態(tài)溫度響應(yīng)也能同步實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償[12]。由于本設(shè)計(jì)方案傳感器測量精度不高，所以不予采納。方案二：采用雙傳感器，采用相互補(bǔ)償?shù)姆椒z測房間氣體濃度，將檢測的到濃度結(jié)果通過運(yùn)算放大器放大后送入模/數(shù)芯片中進(jìn)行模—數(shù)轉(zhuǎn)換，利用MCS－51單片機(jī)控制聲音報警以及控制電磁閥和排風(fēng)扇，并且將氣體傳感器檢測到的濃度值在LED數(shù)碼顯示管上顯示出來。分析：此設(shè)計(jì)方法雖然解決了傳感器檢測氣體濃度時溫度和濕度對測量值的影響，但是，在實(shí)際制作的過程中，需要利用的核心控制芯片必須最少具有4路8位A/D口，氣體和溫度敏感信號直接由A/D口采集后，進(jìn)行一定的算法修正和軟件補(bǔ)償。由于此次課題要求采用三路巡回檢測，如果采用本方案那么就需要6個特性相同的一氧化碳?xì)怏w傳感器（3個密封檢測氣體濃度，另外3個做補(bǔ)償），為了達(dá)到更好的溫度修正效果，往往需要傳感器廠家的配合，在生產(chǎn)時對傳感器進(jìn)行成對生產(chǎn)，以保證傳感器特性的一致性。并且主控制芯片采用常規(guī)的ADC0809和單片機(jī)并不支持，且制作硬件極其復(fù)雜，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)體積過大、功耗高、成本太高。單單采用此種方法并不能更好的提高測量性能，還需要加以軟件補(bǔ)償。所以不采用方案二?，F(xiàn)今傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，設(shè)計(jì)出了性能更佳，使用范圍更廣的氣體傳感器。通過搜集信息，提出本次設(shè)計(jì)采用TP-2型高溫一氧化碳傳感器。特將此傳感器介紹如下：特點(diǎn)：TP-2高溫型一氧化碳傳感器由SnO2多晶體及適當(dāng)添加混合劑燒結(jié)而成。具有微珠式結(jié)構(gòu)，電導(dǎo)振蕩響應(yīng)，極好的選擇性和良好的環(huán)境適應(yīng)能力，應(yīng)用電路簡單，本質(zhì)安全等特點(diǎn)。用它做成的報警器完全可以達(dá)到UL2034標(biāo)準(zhǔn)，不需溫、濕度補(bǔ)償。工作條件：工作電壓：3.5V～6.5V靜態(tài)功耗：≤15mW環(huán)境條件：溫度-10℃～+50℃,相對濕度≤95%初期穩(wěn)定時間：≤15分鐘檢測一氧化碳濃度范圍：0～2000ppm對一氧化碳反應(yīng)的敏感度：圖2.2系列一氧化碳濃度的條件下RL電壓的振蕩曲線。高濕高溫對傳感器的影響：根據(jù)測試結(jié)果表明，此傳感器可承受96%RH相對濕度、70℃的環(huán)境條件，但基電平升高。由于采用此方案制作硬件極其復(fù)雜，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)體積過大、功耗高、成本太高，所以不予采納。方案三：采用TP-2型傳感器，采用三路巡回檢測的方法檢測房間氣體濃度，將檢測的到濃度結(jié)果通過運(yùn)算放大器放大后送入模/數(shù)芯片中進(jìn)行模—數(shù)轉(zhuǎn)換，利用MCS－51單片機(jī)控制聲音報警以及控制電磁閥和排風(fēng)扇，并且將氣體傳感器檢測到的濃度值在LED數(shù)碼顯示管上顯示出來。分析：選用此方法設(shè)計(jì)電路不僅解決了溫度、濕度的影響，并且簡化了設(shè)計(jì)電路，降低了成本，采用此種方法設(shè)計(jì)主體電路。具體電路設(shè)計(jì)將在下文中給出。2.2.2系統(tǒng)方案的確定現(xiàn)今一氧化碳傳感器技術(shù)的不斷提高，使得在應(yīng)用此類傳感器時不必采用溫度、濕度補(bǔ)償，極大的簡化了電路和降低了成本。鑒于對以上三個方案的對比分析，方案三最符合設(shè)計(jì)要求，所以我選擇使用方案三來設(shè)計(jì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主體電路。2.3系統(tǒng)組成本設(shè)計(jì)屬于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。它是單片機(jī)在系統(tǒng)檢測以及工程控制方面的應(yīng)用，是典型的嵌入式系統(tǒng)。通常將滿足海量高速數(shù)值計(jì)算的計(jì)算機(jī)稱為通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；而把面向工控領(lǐng)域?qū)ο螅度氲焦た貞?yīng)用系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的計(jì)算機(jī)稱之為嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，簡稱嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般分為四種:工控機(jī)，通用CPU模塊，嵌入式微機(jī)處理，單片機(jī)。嵌入式系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：(1)面對控制對象。如傳感信號輸入、人機(jī)交互操作,伺服驅(qū)動等。(2)嵌入到工控應(yīng)用系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)形態(tài)。(3)能在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中可靠運(yùn)行的品質(zhì)。(4)突出控制功能。如對外部信息的捕捉、對控制對象實(shí)時控制和有突出控制功能的指令系統(tǒng)(I/O控制、位操作和轉(zhuǎn)移指令等)。單片機(jī)有惟一的專門為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)與指令系統(tǒng)，最能滿足嵌入式應(yīng)用要求。單片機(jī)是完全按嵌入式系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)的單芯片形態(tài)應(yīng)用系統(tǒng)，能滿足面對控制對象、應(yīng)用系統(tǒng)的嵌入、現(xiàn)場的可靠運(yùn)行及非凡的控制品質(zhì)等要求，是發(fā)展最快、品種最多、數(shù)量最大的嵌入式系統(tǒng)。2.3.1一氧化碳報警器系統(tǒng)的三大部分單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分三個層次。(1)單片機(jī)：通常指應(yīng)用系統(tǒng)主處理機(jī)，即所選擇的單片機(jī)器件。(2)單片機(jī)系統(tǒng)：指按照單片機(jī)的技術(shù)要求和嵌入對象的資源要求而構(gòu)成的基本系統(tǒng),如時鐘電路、復(fù)位電路和擴(kuò)展存儲器等與單片機(jī)構(gòu)成了單片機(jī)系統(tǒng)。(3)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)：指能滿足嵌入對象要求的全部電路系統(tǒng)。在單片機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加上面向?qū)ο蟮慕涌陔娐?，如前向通道、后向通道、人機(jī)交互通道(鍵盤、顯小器、打印機(jī)等)和串行通信口(RS232)以及應(yīng)用程序等。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)三個層次的關(guān)系如圖2.3:圖2.3單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)三個層次的關(guān)系（注：該圖應(yīng)自己繪制，不要現(xiàn)成圖片?。┮源死斫?，程控一氧化碳報警器同樣具有單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的三個層次。其中以MCS-8051單片機(jī)為核心構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，檢測信號進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理，控制外圍電路。為了更好的理清設(shè)計(jì)思路，將整個系統(tǒng)細(xì)分為三部分加以設(shè)計(jì)說明。整個報警器由三個部分組成，分為三大模塊：濃度檢測及顯示模塊、主控模塊和報警及事故處理模塊。在本次設(shè)計(jì)中，使用的核心器件是單片機(jī)和一氧化碳傳感器。為了保證整個系統(tǒng)可靠的運(yùn)行，設(shè)計(jì)中必須明確三大部分的實(shí)際聯(lián)系：以單片機(jī)為中心，其他各大模塊一一展開。其中，濃度檢測及顯示模塊所實(shí)現(xiàn)的功能是將房間中的一氧化碳濃度值轉(zhuǎn)換成為單片機(jī)能夠處理的數(shù)字信號，并且將濃度值顯示出來；主控模塊以單片機(jī)為主，對其他模塊的運(yùn)行進(jìn)行控制；報警及事故處理模塊是此系統(tǒng)的外圍電路，它的功能實(shí)現(xiàn)形式最人性化，體現(xiàn)了智能控制，在檢測到一氧化碳濃度超過指定值時會啟動蜂鳴器報警，報警無效后即會進(jìn)行處理，啟動排氣扇和關(guān)閉電磁閥來防止事故的發(fā)生。系統(tǒng)框圖如圖2.3所示。圖2.3一氧化碳報警器系統(tǒng)組成框圖下面就對各個模塊的功能和實(shí)現(xiàn)形式作簡單介紹。2.3.2系統(tǒng)各個模塊功能說明（1）氣體濃度檢測模塊程控一氧化碳報警器采用三路巡回檢測的方法，可以檢測三個不同的房間也可以用來檢測同一個房間三個不同的方位。檢測器件采用高溫一氧化碳?xì)怏w傳感器TP-2檢測房間氣體濃度，檢測結(jié)果將經(jīng)過高精度運(yùn)放器放大后送入模/數(shù)芯片ADC0809中進(jìn)行?！獢?shù)轉(zhuǎn)換，單個傳感器的檢測電路如圖2.4所示。圖2.4單個傳感器電路圖（2）主控模塊系統(tǒng)選用單片機(jī)控制，采用MCS－51單片機(jī)。MCS－51系列單片機(jī)是美國Intel公司1980年推出的一種高性能8位單片微型計(jì)算機(jī)。內(nèi)帶4K字節(jié)的內(nèi)存和程序保護(hù)系統(tǒng)，便于程序的調(diào)試修改和保密，各管腳的功能將在隨后的知識中加以介紹。它的主要功能既是和ADC0809芯片一起共同接收檢測信號，又可以通過對數(shù)字信號的處理來控制外圍電路以及顯示電路。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用ADC0809，接收經(jīng)過運(yùn)算放大器處理后的一氧化碳傳感器的檢測值，三路檢測結(jié)果經(jīng)過ADC0809處理后送單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。處理后的信息將通過單片機(jī)控制，在LED顯示管上顯示出來，并且控制事故處理模塊。（3）報警及事故處理模塊此模塊主要由蜂鳴器、電磁閥和排氣扇組成。在氣體濃度過大，超過安全值時蜂鳴器工作，提供報警服務(wù)。這個時候，用戶可以自行關(guān)閉煤氣，并通過對房間通風(fēng)來解決。如若5分鐘內(nèi)氣體濃度依然超過安全值，系統(tǒng)自動啟動排氣扇來降低房間一氧化碳濃度，并且關(guān)閉電磁閥來防止煤氣泄漏造成事故。至此，本系統(tǒng)三大模塊功能和設(shè)計(jì)思路已經(jīng)確立，下文將介紹整個系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程，并且給出設(shè)計(jì)電路。2.3.3系統(tǒng)功能擴(kuò)展由于設(shè)計(jì)的一氧化碳報警器為單機(jī)產(chǎn)品，而現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用多為小區(qū)型應(yīng)用。所以，在設(shè)計(jì)中，我考慮到將此一氧化碳報警器添加網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使其能夠和主機(jī)相連，從主機(jī)中能夠獲得分機(jī)所檢測的信息。單片機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用主要是應(yīng)用了串口通信技術(shù)，這種技術(shù)是在智能型領(lǐng)域的綜合應(yīng)用，是值得發(fā)展的新技術(shù)。在下文中將詳細(xì)介紹串口通信技術(shù)。3硬件電路設(shè)計(jì)每一個設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)硬件電路，以實(shí)現(xiàn)電路的放大、驅(qū)動、采集、隔離、匹配等功能。軟件知識用來設(shè)計(jì)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，還有其他的一些驅(qū)動和顯示功能等等。當(dāng)然，在硬件電路里一些芯片是必不可少的，軟件設(shè)計(jì)也需要對芯片進(jìn)行編程序。本章將介紹本次設(shè)計(jì)用到的一些基本知識和主要芯片。3.1設(shè)計(jì)使用的基本知識介紹我們在學(xué)校里學(xué)到的幾乎都屬于基本知識，它是指最最基礎(chǔ)的東西，我們只有掌握了它才能作更深一步的學(xué)習(xí)。在實(shí)際的應(yīng)用中，基本知識的掌握程度至關(guān)重要，它影響到應(yīng)用的好壞。本設(shè)計(jì)應(yīng)用到的基本的硬件和軟件知識將在本節(jié)里作簡單的介紹。本設(shè)計(jì)用到的硬件知識主要有：模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電子線路的設(shè)計(jì)與調(diào)試、單片機(jī)的輸入輸出、串口通信技術(shù)、ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器的使用方法。在模擬電子技術(shù)方面，主要用來放大傳感器檢測信號和驅(qū)動發(fā)光二極管以顯示傳感器檢測到氣體濃度。數(shù)字電子技術(shù)用來把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，把從傳感器檢測到的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字值。利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)綜合控制。3.2芯片介紹[4]及相關(guān)電路模塊設(shè)計(jì)集成塊出現(xiàn)使硬件電路設(shè)計(jì)更加簡單易懂，從而得到了廣泛的應(yīng)用。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中用到的主要芯片有單片機(jī)MCS8051、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809、LED數(shù)碼顯示器等。下面詳細(xì)介紹它們具體的應(yīng)用方法。3.2.1主控電路原理主控電路中，以單片機(jī)為主體，通過分析A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字值，控制事故處理模塊的運(yùn)行。它是系統(tǒng)的大腦。單片機(jī)（MICROCONTROLLER，又稱微控制器）是在一塊硅片上集成了各種部件的微型機(jī)算計(jì)，這些部件包括中央處理器CPU、數(shù)據(jù)存貯器RAM、程序存貯器ROM、定時器/計(jì)數(shù)器和多種I/O接口電路。主機(jī)電路由8051作為程序存儲器。8051的封裝管腳如圖3.1所示[2]。圖3.18051封裝引腳圖（注：該圖應(yīng)自己繪制，不要現(xiàn)成圖片?。?051的主要的特點(diǎn)：1.采用高性能的HMOs生產(chǎn)工藝生產(chǎn)。2.內(nèi)部含定時／計(jì)數(shù)器。3.有二級中斷優(yōu)先處理結(jié)構(gòu)。4.有32條I／O線，輸出輸入能力強(qiáng)。5.程序?qū)ぶ房臻g達(dá)64K字節(jié)。6.內(nèi)EPROM有保險功能，可保護(hù)EPROM防止軟件誤寫入7.有布爾處理功能，可擴(kuò)展用途。8.對內(nèi)部RAM有位尋址功能。9.有可編程的全雙工串行接口。8051的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括有ALU部件、定時和控制部件、并行I／O接口、串行I／O接口、定時器部件、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器等七個部分。ALU部件含有ALU單元以及累加器Acc、寄存器B、棧指針SP、數(shù)據(jù)指針DPTR、程序狀態(tài)字PSW、暫時寄存器TMP1、TMP2等。ALU除了可以進(jìn)行四則算術(shù)運(yùn)算之外，還可以進(jìn)行布爾運(yùn)算。定時和控制部件用于產(chǎn)生指令執(zhí)行的同步信號及微操作信號。它和ALU部件形成了8051的CPU[14]。并行I／O接口有P0、P1、P2和P3共四個，它們都是8位并行端口。它們都是雙向通道，每一條I/O線都能獨(dú)立地用作輸入或輸出。作輸出時數(shù)據(jù)可以鎖住；作輸入時數(shù)據(jù)可以緩沖。但這四個通道的功能不完全相同。其中，P0口是地址／數(shù)據(jù)復(fù)合總線，它用于傳送低8位地址A0～A7；也用于傳送數(shù)據(jù)D0～D7。P2口是高8位地址A8～A15的地址總線，但也可作一般的I／O口。P1是一個純I／O口，它只用于數(shù)據(jù)的輸入輸出。P3是控制信號及I／O信號復(fù)用口，它除了用作1／O口之外，還用于傳送控制信號。P3口對應(yīng)引腳用于控制信號時的情況如表3.1所示。表3.1P3口的引腳功能引腳信號控制信號說明P3.0RXD串行數(shù)據(jù)輸入P3.1TXD串行數(shù)據(jù)輸出P3.2INT0外部中斷0P3.3INT1外部中斷1P3.4T0定時器0輸入P3.5T1定時器1輸入P3.6WR寫存儲器信號P3.7RD讀存儲器信號這個系列的技術(shù)性能如下：工作環(huán)境溫度0～＋70℃，存儲環(huán)境溫度－65°C～十1500℃。EA／Vpp端對Vss的電壓為-0．5～十21．5v，任何腳到Vss的電壓為-0．5～十7v，電源電壓十5V土10％，電源電流為125～250mA，電源功耗為1.5w。MCS-51單片機(jī)通常采用上電復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種復(fù)位方式。上電復(fù)位是利用電容的充放電來實(shí)現(xiàn)。按鈕復(fù)位又分為按鈕電平復(fù)位和按鈕脈沖復(fù)位。前者，將復(fù)位端通過電阻與VCC相接；后者，利用微分產(chǎn)生正脈沖來達(dá)到復(fù)位的目的。復(fù)位電路參數(shù)的選擇，應(yīng)能保證復(fù)位高電平持續(xù)時間大于兩個機(jī)器周期[3]。在設(shè)計(jì)中，用到了單片機(jī)對輸入口進(jìn)行查詢并輸出相應(yīng)的高低電平實(shí)現(xiàn)后續(xù)工作的控制功能，這將著重在軟件設(shè)計(jì)部分講到。下面介紹設(shè)計(jì)中如何使用ADC0809的功能。ADC芯片型號很多，在精度、速度和價格方面千差萬別，較為常見的ADC主要是逐次比較型和雙積分型。還有電壓—頻率變換器(V—F變換器)構(gòu)成的ADC。雙積分型ADC，一般精度高，對周期變化的干擾信號積分為零，因而具有抗干擾性好、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但轉(zhuǎn)換速度慢。逐次比較型ADC，在轉(zhuǎn)換速度上同雙積分型相比要快得多。精度較高（例如12位及12位以上的），價格較高。V—F變換型ADC，突出優(yōu)點(diǎn)是高精度，其分辨率可達(dá)16位以上，價格低廉，但轉(zhuǎn)換速度不高。ADC的主要性能指標(biāo)是：分辨率；轉(zhuǎn)換時間；精度；輸入電壓范圍；輸入電阻（阻值）；供電電源；數(shù)字輸出特性；工作環(huán)境（周圍的溫度、濕度）；保存環(huán)境等。要選擇適當(dāng)?shù)腁DC，要看其使用目的。在本次設(shè)計(jì)中，使用的是ADC0809。ADC0809是8位A/D轉(zhuǎn)換芯片，它是采用逐次逼近的方法完成A/D轉(zhuǎn)換的。ADC0809是CMOS的8位單片A/D轉(zhuǎn)換器。片內(nèi)有8路模擬開關(guān)，可控制選擇8個模擬量中的一個。A/D轉(zhuǎn)換采用逐次逼近原理。輸出的數(shù)字信號有TTL三態(tài)緩沖器控制，故可直接連至數(shù)據(jù)總線。主要功能有：=1\*GB3①分辨率為8位=2\*GB3②總的不可調(diào)誤差在±1/2LSB和±1LSB范圍內(nèi)。=3\*GB3③轉(zhuǎn)換時間為100us。=4\*GB3④具有鎖存控制的8路多路開關(guān)。=5\*GB3⑤輸出有三態(tài)緩沖器控制。=6\*GB3⑥單一5V電源供電，此時模擬輸入范圍為0～5V。=7\*GB3⑦輸出與TTL兼容。=8\*GB3⑧工作溫度范圍為－40℃～85℃。（1）ADC0809功能方框圖模擬輸入部分有8路多路開關(guān)，可由三位地址輸入ADDA、ADDB、ADDC的不同組合來選擇（這三條地址輸入信號可鎖存）。主體是采用逐次逼近式的A/D轉(zhuǎn)換電路，由CLK信號控制內(nèi)部電路的工作，由START信號控制轉(zhuǎn)換開始。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號在內(nèi)部鎖存，通過三態(tài)緩沖器接至輸出端。其引腳如圖3.2所示。其中，START為啟動命令，高電平有效。由它啟動ADC0809內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換過程。當(dāng)轉(zhuǎn)換完成，輸出信號(EndofConvert)有效（低電平有效）。OE（OutputEnable）為輸出允許信號，高電平有效。當(dāng)在此輸入端供給一個有效信號時，打開輸出三態(tài)緩沖器，把轉(zhuǎn)換后的結(jié)果輸至數(shù)據(jù)總線。圖3.20809的引腳（2）ADC0809時序當(dāng)模擬量送至某一輸入端后，由三位地址信號來選擇，地址信號由地址鎖存允許ALE（AddressLatchEnable）鎖存。由啟動命令START啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成輸出一個負(fù)脈沖，外界的輸出允許信號OE，打開三態(tài)緩沖器把轉(zhuǎn)換的結(jié)果輸至數(shù)據(jù)總線。一次A/D轉(zhuǎn)換的過程就完成了。（3）ADC0809與CPU的接口當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換片子與CPU接口時除了數(shù)據(jù)的輸出（至CPU）外，與通常的I/O接口一樣，還需要有控制和狀態(tài)信息。在實(shí)際應(yīng)用時，A/D的輸入端接至采樣－保持電路的輸出。但轉(zhuǎn)換的開始，要由CPU用軟件來控制（輸出一條指令）；而轉(zhuǎn)換總是需要一定的時間才能完成，故A/D轉(zhuǎn)換電路必須給出一個DONE/BUSY的狀態(tài)信息[7]。此次設(shè)計(jì)是單片機(jī)應(yīng)用的一個最小系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中主要解決的問題有：由于MCS8051單片機(jī)是8位機(jī)，在顯示模塊中顯示氣體濃度的數(shù)字有3位，需要在軟件系統(tǒng)中對數(shù)字進(jìn)行處理，這樣才能夠正常運(yùn)行；單片機(jī)中P0，P1，P2以及P3口都能用于和ADC0809之間進(jìn)行連接，本次設(shè)計(jì)采用P1口和ADC0809進(jìn)行連接；使用INT0口通過一個非門與ADC0809的EOC相連接，目的是利用單片機(jī)的中斷口來調(diào)節(jié)控制整個系統(tǒng)并且給軟件設(shè)計(jì)中寫中斷程序帶來方便；ADDA、ADDB、ADDC分別與單片機(jī)的P2.0,P2.1,P2.2相連，用于控制ADC0809的八路模擬轉(zhuǎn)換。由于應(yīng)用0809的時序和單片機(jī)時序的不同，時鐘端不能直接相連，之間應(yīng)加入一個分頻電路，采用D觸法器。時鐘連接圖如圖3.3所示：圖3.3ADC0809與單片機(jī)時鐘端的連接ADC0809芯片與單片機(jī)的連接圖如圖3.4：圖3.4ADC0809與單片機(jī)的連接在本次設(shè)計(jì)中，為了能對單片機(jī)直接寫入程序，避免調(diào)試過程中不斷的插拔單片機(jī)，特制作了一個數(shù)據(jù)接口，用于和編程器相連。在寫入程序時，應(yīng)用單片機(jī)的P1.5,P1.6,P1.7以及RESET四個端口。寫程序的過程中應(yīng)將ADC0809的OE使能端接地。編程器接口電路如圖3.5：3.2.2電源電路本次設(shè)計(jì)中應(yīng)用的電源為+5V直流電壓源。電源電路如圖3.6所示為了使硬件調(diào)試方便，應(yīng)用電腦USB接口提供硬件電源。下面對USB供電做簡單介紹?，F(xiàn)在主板對于USB設(shè)備大多使用兩種供電方式，使用5VSB供電和5V供電。兩種供電模式的主要區(qū)別為：

1.5VSB供電模式下，系統(tǒng)關(guān)機(jī)（S5）或進(jìn)入休眠（S3）后5VSB仍然存在，USB端口仍然會有5V電壓；使用5V供電（不論是直接使用電源的5V還是由其它地方分壓而來）在休眠后USB端口沒有電壓。圖3.5編程器接口電路 圖3.6常規(guī)供電示意圖2.只有在使用5VSB供電模式下，才能在休眠的情況下使用USB設(shè)備喚醒系統(tǒng)（當(dāng)然主板BIOS中一定要對WakeupByUSBDevice選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置）。在過去由于商用機(jī)型很少使用USB設(shè)備，因此對于USB供電模式并沒有嚴(yán)格的要求，隨著USB設(shè)備的大量出現(xiàn)，不得不考慮這個問題。目前5VSB供電和5V供電都存在一定的不足。

A.5VSB供電模式：所有電源對5VSB的最大電流都有規(guī)格定義，一般為1A～2A。如果嚴(yán)格按照USBSPEC考慮USB設(shè)備供電要求（即耗電流<=500MA，如果耗電流>500MA的設(shè)備需要使用外置電源供電），1A可以滿足USB設(shè)備對電流的要求（USB鍵盤100mA，USB鼠標(biāo)100mA）。但是目前USB設(shè)備生產(chǎn)廠家混雜，很多廠家生產(chǎn)的設(shè)備超出了USBSPEC的要求同時為了COSTDOWN沒有使用外置電源。這樣在5VSB供電的情況下可能會出現(xiàn)個別USB設(shè)備無法正常工作的情況。

B.5V供電模式：進(jìn)行STR休眠喚醒后返回系統(tǒng)時因USB設(shè)備經(jīng)過從失電至得電過程，有可能出現(xiàn)喚醒后USB設(shè)備無法工作必須重新插拔USB設(shè)備才能重新使用，雖然可以修改BIOS使得USB設(shè)備在這種情況下能使用，但將經(jīng)常發(fā)生STR后重新查找USB設(shè)備的問題。5V可以提供較大的電流、兼容更多的非標(biāo)準(zhǔn)USB設(shè)備但會存在休眠喚醒的問題，5VSB雖然無問題但是對非標(biāo)準(zhǔn)USB設(shè)備的兼容性不好。左右權(quán)衡之后，使用5VSB為USB供電。目前使用的主板多數(shù)通過跳線控制是否使用5VSB為USB供電（QDI使用JUSB和JFUSB兩個跳線）。使用的810E2U主板已經(jīng)使用5VSB為USB設(shè)備供電。在使用5VSB供電后還需要進(jìn)行一些工作，首先是電源部分需要引入對5VSB電流的規(guī)格限定，最小也要有2A，以下是USB的供電示意圖。圖3.7USB供電示意圖3.2.3傳感器的選擇及電路傳感器概述(1)傳感器的定義人們通常將能把非電量轉(zhuǎn)換為電量的器件稱為傳感器，傳感器實(shí)質(zhì)是一種功能塊，其作用是將來自外界的各種信號轉(zhuǎn)換成電信號：它是實(shí)現(xiàn)測試與自動控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。如果沒有傳感器對原始參數(shù)進(jìn)行精確可靠的測量，那么，無論是信號轉(zhuǎn)換或信息處理，或者最佳數(shù)據(jù)的顯示和控制部將無法實(shí)現(xiàn)。同時傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的主要內(nèi)容之—。(2)傳感器的作用①信息的收集科學(xué)研究中的計(jì)量測試，產(chǎn)品制造與銷售中所需的計(jì)量等都要由測量而獲得準(zhǔn)確的定量數(shù)據(jù)對某種特定要求，需檢測目標(biāo)物的存在狀態(tài)，把某狀態(tài)的信息轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)：對系統(tǒng)或裝置的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，也由傳感器來實(shí)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)異常情況時，發(fā)出警告信號并啟動保護(hù)電路工作。這樣可以對系統(tǒng)或裝置進(jìn)行正常運(yùn)行與安全管理。判斷產(chǎn)品是否合格，或人體某部位的異常診斷等都需由傳感器的測量來完成。②信息數(shù)據(jù)的交換把以文字、符號、代碼、圖形等多種形式記錄在紙或膠片上的信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)、傳真機(jī)等易處理的信號數(shù)據(jù)。或者讀出記錄在各種媒介體上的信息并進(jìn)行轉(zhuǎn)換。例如，磁盤與光盤的信息讀出磁頭就是一種傳感器。③控制信息的采集。檢測控制系統(tǒng)處于某種狀態(tài)的信息，并由此控制系統(tǒng)的狀態(tài)，或者跟蹤系統(tǒng)變化的目標(biāo)值。(3)傳感器的組成傳感器一般由敏感元件、傳感元件和測量電路三部分組成有時還加上輔助電源。通?？捎梅綁K圖來表示，如下圖3.8所示：圖3.8傳感器的組成敏感元件——直接感受被測量(一般為非電量)，并輸出與被測量成確定關(guān)系的其它量(也可以包括電量)的元件。傳感元件——又稱變換器，是傳感器的重要組成元件。傳感元件可以直接感受被測量(—般為非電量)而輸出與被測量成確定關(guān)系的電量。也可以不直接感受被測量，而只感受與被測量成確定關(guān)系的其它非電量。測量電路——能把傳感元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、控制和處理的有用電傳號的電路。測量電路視傳感元件的類型而定。使用較多的是電橋電路，也使用其他特殊電路，如高阻抗輸入電路、脈沖調(diào)寬電路、維持振蕩的激振電路等。由于傳感元件的輸出信號一般比較小，為了便于顯示和記錄，大多數(shù)測量電路還包括了放大器。(4)傳感器的分類傳感器的分類見表3.2所示：傳感器設(shè)計(jì)要點(diǎn)根據(jù)以上對傳感器相關(guān)知識的介紹，我們可以明確傳感器是測量、控制系統(tǒng)的入口，必須具備良好的性能。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)該注意以下要點(diǎn)[12]：(1)輸入和輸出之間成比例，直線性好、靈敏度高、分辨力強(qiáng)、測量范圍寬。(2)滯后、漂移誤差小，(3)動態(tài)特性良好。(4)功耗小。(5)時間老化特性優(yōu)良，抗腐蝕性強(qiáng)。(6)與被測體匹配良好，即不因接入傳感器而使被測對象受到影響，受被測量之外的量影響小。(7)體積小、重量輕、價格低廉。(8)故障率低，易于校準(zhǔn)和維修。(9)由于傳感元件的輸出信號一般比較小，為了便于能夠驅(qū)動控制電路，在傳感器電路中還應(yīng)該包括放大器。鑒于上述選擇要點(diǎn)，本文中用到的一氧化碳傳感器必須具備測量效果好、功耗小、動態(tài)特性良好和體積小、重量輕、價格低廉幾個主要特征。為此我們選擇高溫型一氧化碳傳感器TP-2。它完全符合上述條件，并且最為主要的特點(diǎn)是此傳感器精度高，無需溫度補(bǔ)償。這樣不僅簡化了電路，而且還降低了成本，實(shí)為良好的選擇。表3.2傳感器的分類分類方法傳感器的種類說明按輸入量分類位移傳感器、速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等傳感器按被測物理量命名按工作原理分類應(yīng)變式、電容式、電感式、壓電式、熱電式等傳感器以工作原理命名按物理現(xiàn)象分類結(jié)構(gòu)型傳感器傳感器依賴其結(jié)構(gòu)參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)信息的變化物性型傳感器傳感器依賴其敏感元件的物理特性來實(shí)現(xiàn)信息的變化按能量關(guān)系分類能量轉(zhuǎn)換型傳感器傳感器直接將被測量的能量直接轉(zhuǎn)化成輸出量的能量能量控制型傳感器由外部供給傳感器能量，而由被測量來控制輸出能量按輸出信號分類模擬式傳感器輸出量為模擬量數(shù)字式傳感器輸出量為數(shù)字量傳感器與ADC0809的連接三路檢測結(jié)果從IN1、IN2、IN4輸入,轉(zhuǎn)換順序由ADDA、ADDB、ADDC控制，控制方法如表3.3所示。轉(zhuǎn)換結(jié)果送單片機(jī)P1口供單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。其中三路檢測結(jié)果由三個一氧化碳傳感器提供，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了使編程方便，使用IN1、IN2、IN4口接收傳感器信號。單個傳感器電路在上文中已經(jīng)介紹到了，傳感器與ADC0809的連接電路圖如圖3.9。表3.3ADC0809的通道選擇方法ADDCADDBADDA選中通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7圖3.9傳感器與ADC0809的連接電路圖3.2.4事故處理電路的設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)中，單片機(jī)的T1中斷口連接音樂報警器，T2中斷口連接電磁閥和排氣扇。為防止市電對系統(tǒng)的干擾，T1和T2端都經(jīng)過光電耦合管對電磁閥和排風(fēng)扇進(jìn)行控制。當(dāng)檢測到氣體濃度超過100ppm時，音樂報警器開始報警，2分鐘報警無效后關(guān)閉電磁閥并啟動排氣扇。光電耦合器概述光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電—光—電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，常見的發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管等等。光電耦合器的種類較多，常見有光電二極管型、光電三極管型、光敏電阻型、光控晶閘管型、光電達(dá)林頓型、集成電路型等。(1)工作原理在光電耦合器輸入端加電信號使發(fā)光源發(fā)光，光的強(qiáng)度取決于激勵電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實(shí)現(xiàn)了電—光—電的轉(zhuǎn)換。(2)基本工作特性①共模抑制比很高在光電耦合器內(nèi)部，由于發(fā)光管和受光器之間的耦合電容很?。?pF以內(nèi)）所以共模輸入電壓通過極間耦合電容對輸出電流的影響很小，因而共模抑制比很高。②輸出特性光電耦合器的輸出特性是指在一定的發(fā)光電流IF下，光敏管所加偏置電壓VCE與輸出電流IC之間的關(guān)系，當(dāng)IF=0時，發(fā)光二極管不發(fā)光，此時的光敏晶體管集電極輸出電流稱為暗電流，一般很小。當(dāng)IF>0時，在一定的IF作用下，所對應(yīng)的IC基本上與VCE無關(guān)。IC與IF之間的變化成線性關(guān)系，用半導(dǎo)體管特性圖示儀測出的光電耦合器的輸出特性與普通晶體三極管輸出特性相似。③光電耦合器可作為線性耦合器使用在發(fā)光二極管上提供一個偏置電流，再把信號電壓通過電阻耦合到發(fā)光二極管上，這樣光電晶體管接收到的是在偏置電流上增、減變化的光信號，其輸出電流將隨輸入的信號電壓作線性變化。光電耦合器也可工作于開關(guān)狀態(tài)，傳輸脈沖信號。在傳輸脈沖信號時，輸入信號和輸出信號之間存在一定的延遲時間，不同結(jié)構(gòu)的光電耦合器輸入、輸出延遲時間相差很大。光電藕荷器在設(shè)計(jì)中的作用光電耦合器件有很多用處，可用做隔離、控制作用，可用于接口電路、監(jiān)視電路、光電計(jì)數(shù)器等裝置。在本設(shè)計(jì)中，主要是起隔離、控制的作用，一頭連接單片機(jī)，另一頭連接電動機(jī)的驅(qū)動電路。使兩部分的電流相互獨(dú)立，這樣驅(qū)動電路中較大的電流。不至于回饋、影響另一端的電路。光電藕荷器件的選用和設(shè)計(jì)(1)器件的選用結(jié)合上面對光電耦合器的簡介、分析和替換原則。方案選用4N25。4N25內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳圖如下圖3.10所示：管腳功能：①電源，②輸入斷口，③不接，④輸出口一，⑤輸出口二，⑥不接(2)電路的設(shè)計(jì)電路圖如下圖3.11所示：光電耦合器4N25起到耦合脈沖信號和隔離單片機(jī)MCS8051系統(tǒng)與輸出部分的作用，使兩部分的電流相互獨(dú)立。輸出部分的地線接機(jī)殼或大地，MCS8051系統(tǒng)的電源地線浮空、不與交流電源的地線相接，這樣可以避免輸出部分電源變化對單片機(jī)電源的影響，減小系統(tǒng)所受的干擾，提高系統(tǒng)可靠性。圖3.104N25內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳圖（注：該圖應(yīng)自己繪制，不要現(xiàn)成圖片?。﹫D3.11光電耦合部分的設(shè)計(jì)事故處理電路如圖3.12。圖3.12事故處理電路3.2.5顯示電路的設(shè)計(jì)現(xiàn)在驅(qū)動LED數(shù)碼管流行采用單片機(jī)設(shè)計(jì)電路，但發(fā)現(xiàn)一些顯示（LED數(shù)碼管）電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，沒有充分利用單片機(jī)的電器特點(diǎn)、沒有采用“硬件軟化”的方法。直接用單片機(jī)的8位數(shù)據(jù)口作為數(shù)碼管的8段顯示驅(qū)動口。這種顯示方式雖然簡便，電路也最簡單，但顯示的位數(shù)很少（最多四位）。但已經(jīng)滿足了此次設(shè)計(jì)要求，所以選用此種方式。（1）LED的結(jié)構(gòu)原理發(fā)光二極管是一種將電能轉(zhuǎn)變成光能的半導(dǎo)體器件。簡稱LED(LightEmittingDiode)。LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜。八段LED顯示管有八只發(fā)光二極管組成，編號是a、b、c、d，e，f和SP，分別和同名管腳相連。七段LED顯示管比八段LED少一只發(fā)光二極管SP，其它和八段LED相同。在給每個二極管通電后，二極管發(fā)光后表示要顯示的數(shù)字的一部分，當(dāng)組成這個數(shù)字的所有二極管都發(fā)亮?xí)r，才能正確的顯示這個數(shù)字。LED顯示器是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用的廉價輸出設(shè)備。它是由若干個發(fā)光二極管組成的，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一個點(diǎn)或一段筆畫發(fā)亮?？刂撇煌M合的二級管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。使用LED顯示器的時候，為了顯示數(shù)字或是