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1、 本科畢業(yè)設計（論文）基于單片機的有毒氣體檢測系統(tǒng)的設計畢業(yè)論文（設計）原創(chuàng)性聲明本人所呈交的畢業(yè)論文（設計）是我在導師的指導下進行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文（設計）不包含其他個人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本論文（設計）的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中作了明確說明并表示謝意。 作者簽名： 日期： 畢業(yè)論文（設計）授權使用說明本論文（設計）作者完全了解*學院有關保留、使用畢業(yè)論文（設計）的規(guī)定，學校有權保留論文（設計）并向相關部門送交論文（設計）的電子版和紙質(zhì)版。有權將論文（設計）用于非贏利目的的少量復制并允許論文（設計）進入學校圖書館

2、被查閱。學校可以公布論文（設計）的全部或部分內(nèi)容。保密的論文（設計）在解密后適用本規(guī)定。 作者簽名： 指導教師簽名： 日期： 日期： 注 意 事 項1.設計（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務處制定的標準封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關鍵詞4）外文摘要、關鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結論7）參考文獻8）致謝9）附錄（對論文支持必要時）2.論文字數(shù)要求：理工類設計（論文）正文字數(shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字數(shù)不少于1.2萬字。3.附件包括：任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）。4.文字

3、、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準請他人代寫2）工程設計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應符合國家技術標準規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒手畫3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設計（論文）2）附件：按照任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）次序裝訂3）其它燕山大學畢業(yè)設計（論文）任務書學院：里仁學院 系級教學單位：電子工程系 學號學生姓名專 業(yè)班 級0 題目題目名稱

4、基于單片機的有毒氣體檢測系統(tǒng)的設計題目性質(zhì)1.理工類：工程設計 （ ）；工程技術實驗研究型（ ）；理論研究型（ ）；計算機軟件型（ ）；綜合型（ ）2.文管理類（ ）；3.外語類（ ）；4.藝術類（ ）題目類型1.畢業(yè)設計（ ） 2.論文（ ）題目來源科研課題（ ） 生產(chǎn)實際（ ）自選題目（ ） 主要內(nèi)容熟悉掌握89C52單片機，AD轉(zhuǎn)換器，顯示模塊的功能及硬件設計；熟悉掌握C語言的編程方法，對實際設計一款產(chǎn)品有一個清楚的認識；基本要求要求設計出一個具有多路一氧化碳實時檢測功能并能夠進行超限判斷，發(fā)出聲光報警，并實時顯示具體是哪路傳感器報警的檢測裝置。參考資料1張志良，單片機原理及控制技術M.

5、，北京：機械工業(yè)出版社，2002。2侯國章，測試與傳感技術M.，哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2000。周 次第 1 3 周第 4 7 周第8 11 周第1214周第1518周應完成的內(nèi)容查閱相關資料，做基本需求分析。進行系統(tǒng)整體架構設計。進行系統(tǒng)詳細設計；系統(tǒng)的實現(xiàn)與調(diào)試，撰寫論文。完善系統(tǒng)及論文。指導教師：盧輝斌職稱：教授 2012年 3月1 日系級教學單位審批：練秋生 2012年 3月 5日摘要摘要煤礦中含有CO(一氧化碳)等有毒氣體，是煤礦下重要的危害源之一，是導致重大事故的因素；家庭中，煤氣泄漏將在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量一氧化碳，危及人生安全。對一氧化碳氣體檢測儀表的研究和開發(fā)也一直是人們

6、關注的問題。本系統(tǒng)利用51單片機做核心控制模塊，利用MQ-7一氧化碳傳感器探測一氧化碳。實時監(jiān)控多處一氧化碳濃度變化，如果某處一氧化碳濃度過高，系統(tǒng)將發(fā)出聲音報警，并顯示報警傳感器號碼，提醒人們及時搶險。本系統(tǒng)可用于家庭環(huán)境，也適用于工業(yè)環(huán)境。由于單片機成本低廉，自動控制功能比較強大，運行穩(wěn)定，環(huán)境適應性好，所以本系統(tǒng)采用單片機做控制的核心元件。MQ-7一氧化碳傳感器對一氧化碳的靈敏度高；長壽命，低成本；簡單的驅(qū)動電路即可。因此，很適用于家庭的一氧化碳檢測。數(shù)碼管能清晰的顯示報警的房間號碼，即使在光線較暗時，所以選用數(shù)碼管做顯示模塊。本文主要敘述了基于單片機的有毒氣體檢測系統(tǒng)設計的全過程，包括

7、硬件電路設計、軟件設計、電腦仿真和實物制作。關鍵詞一氧化碳；單片機；檢測；報警I燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文)AbstractContaining CO (carbon monoxide) and other toxic gases in coal mines, is one of the source of the hazards in the coal, leading to a major accident factors; family, a gas leak in a short time to produce large amounts of carbon monoxide, en

8、dangering the life safety. Research and development of the carbon monoxide gas detection instruments have been an issue of concern.The system uses 51 microcontroller to do the core control module, the use of the MQ-7 CO sensor to detect carbon monoxide. Real-time monitoring of multiple carbon monoxi

9、de concentration changes, if somewhere in the carbon monoxide concentration is too high, the system will sound an alarm, and alarm sensor number to remind people to rescue in a timely manner. This system can be used to the family environment, and also applies to the industrial environment.Single-chi

10、p low-cost, automatic control function is more powerful, stable operation, environmental adaptability, so this system is a core component of the microcontroller as a control.MQ-7 CO sensor has high sensitivity carbon monoxide; long life, low cost; can simple drive circuit. Therefore, it is suitable

11、for industrial and household carbon monoxide detector.Digital tube to clear the alarm number is displayed, even in low light, so use the digital control to do the display module.This paper describes a microcontroller-based toxic gas detection system design process, including hardware design, softwar

12、e design, computer simulation and physical production.Keywordscarbon monoxide; MCU; test; alarmII 目 錄摘要IAbstractII第1章緒論11.1課題研究背景及意義11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3本文主要內(nèi)容及章節(jié)安排4第2章硬件系統(tǒng)設計52.1硬件總體設計52.2單片機的最小系統(tǒng)72.2.1單片機簡介72.2.2時鐘電路和復位電路92.3A/D轉(zhuǎn)換電路112.3.1ADC0809主要特性112.3.2ADC0809引腳功能說明122.3.3ADC0809工作過程122.4一氧化碳傳感器介紹132

13、.5顯示電路152.6聲音報警電路162.7本章小結17第3章軟件系統(tǒng)設計193.1軟件總體設計思想193.2AD轉(zhuǎn)換函數(shù)203.3比較判斷函數(shù)213.3顯示報警函數(shù)213.3聲音報警函數(shù)223.3本章小結22第4章實驗過程234.1軟件仿真234.1.1軟件簡介234.1.2繪制電路原理圖234.1.3編寫程序244.1.4仿真調(diào)試244.2實物制作274.2.1繪制布線圖并焊接電路板274.2.2下載程序進行實物測試284.3本章小結29結論31參考文獻33致謝35附錄137附錄241附錄345附錄449III第1章 緒論 第1章緒論1.1課題研究背景及意義隨著石油化學工業(yè)的發(fā)展，易燃、易

14、爆、有毒氣體的種類和應用范圍都得到了增加。這些氣體在生產(chǎn)、運輸、使用過程中一旦發(fā)生泄漏，將會引發(fā)中毒、火災甚至爆炸事故，嚴重危害人民的生命和財產(chǎn)安全。由于氣體本身存在的擴散性，發(fā)生泄漏之后，在外部風力和內(nèi)部濃度梯度的作用下，氣體會沿地表面擴散，在事故現(xiàn)場形成燃燒爆炸或毒害危險區(qū)，擴大危害區(qū)域。例如，1995 年 7 月，四川省成都市化工總廠液氯車間發(fā)生氯氣泄漏，當場造成 3 人死亡， 6 人受傷，僅約一小時左右，市區(qū)范圍數(shù)十平方公里范圍內(nèi)都能聞到刺激性的氯氣味。因此，這類事故具有突發(fā)性強、擴散迅速、救援難度大、危害范圍廣等特點。一旦發(fā)生氣體泄漏事故，必須盡快采取相應措施進行處置，才能將事故損失

15、降低到最低水平。及時可靠地探測空氣中某些氣體的含量，及時采取有效措施進行補救，采取正確的處置方法，減少泄漏引發(fā)的事故，是避免造成重大財產(chǎn)和人員傷亡的必要條件。這就對氣體的檢測和監(jiān)測設備提出了較高的要求。作為一種重要的氣體探測器，氣體傳感器近年來得到了很大的發(fā)展。氣體傳感器的發(fā)展。危險化學品要加強安全管理，完善安全措施、控制事故隱患。但是，不可能達到絕對安全，仍然會出現(xiàn)萬有一失的情況。因此，事故隱患的檢測報警，在危險化學品場所有害氣體或液體(蒸汽)檢測報警，是非常必要的。對避免和控制事故具有重要意義。有害氣體檢測報警儀是專用的安全衛(wèi)生檢測儀，用來檢測化學品作業(yè)場所或設備內(nèi)部空氣中的可燃或有毒氣體

16、的含量并超限報警。危險化學品場所有害氣體檢測，主要有以下幾種情況：(1)泄漏檢測：設備管道有害氣體或液體(蒸汽)現(xiàn)場所泄漏檢測報警，設備管道運行檢漏。(2)檢修檢測：設備檢修置換后檢測殘留有害氣體或液體(蒸汽)，特別是動火前檢測更為重要。(3)應急檢測：生產(chǎn)現(xiàn)場出現(xiàn)異常情況或者處理事故時，為了安全和衛(wèi)生要對有害氣體或液體(蒸汽)進行檢測。(4)進入檢測：工作人員進入有害物質(zhì)隔離操作間，進入危險場所的下水溝、電纜溝或設備內(nèi)操作時，要檢測有害氣體或液體蒸汽。(5)巡回檢測：安全衛(wèi)生檢查時，要檢測有害氣體或液體蒸汽。隨著人類社會的進步、生產(chǎn)的發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，隨之帶來了環(huán)境空氣污染問題。

17、工廠排放的廢氣、煙道氧、汽車排放廢氣、內(nèi)燃機等排放氣體對空氣環(huán)境造成的污染日益嚴重。一氧化碳雖然不會使酸雨現(xiàn)象嚴重，但是對人們的身體健康有影響。一氧化碳是一種無色、無味的氣體，它與血液中的血紅素結合的能力是氧的 240 倍，它與血紅素形成穩(wěn)定的絡合物，使血紅蛋白喪失了輸送氧氣的能力，從而導致組織低氧癥，甚至死亡。一氧化碳濃度的高低是評價空氣質(zhì)量好壞的重要指標之一，也是工廠、煤礦井下是否發(fā)生自燃火災的重要標志之一。為了保證人們身體健康和環(huán)境潔凈，世界各國都紛紛致力于防止空氣污染的產(chǎn)生。國家工業(yè)衛(wèi)生標準規(guī)定，生產(chǎn)現(xiàn)場一氧化碳濃度不允許超過 50ppm 。我國環(huán)境保護大氣污染監(jiān)測和工廠礦井中都要求有

18、連續(xù)、自動化的現(xiàn)場檢測儀。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在應用方面，目前最廣泛的是可燃性氣體氣敏元件傳感器，已普及應用于氣體泄漏檢測和監(jiān)控，從工廠企業(yè)到居民家庭，應用十分廣泛。氣體檢測技術與計算機技術相結合，實現(xiàn)了智能化、多功能化。美國工業(yè)科學公司(ISC)一臺攜帶式氣體監(jiān)控儀可實現(xiàn)4種氣體監(jiān)測，采用了統(tǒng)一的軟件，只需要換氣體傳感器，即可實現(xiàn)對特定氣體監(jiān)測。美國國際傳感器技術(IST)公司應用一種“MegaCas傳感器和微程序控制單元，可檢測100種以上毒性氣體和可燃性氣體，通過其“氣體檢索”功能掃描，能很快確定是哪一種氣體。(1)氣體傳感器向低功耗、多功能、集成化方向發(fā)展國外氣體傳感器發(fā)展很快，一方面

19、是由于人們安全意識增強，對環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另一方面是由于傳感器市場增長受到政府安全法規(guī)的推動。因此，國外氣體傳感器技術得到了較快發(fā)展，據(jù)有關統(tǒng)計預測，美國1996年2002年氣體傳感器年均增長率為(2730)。目前，氣體傳感器的發(fā)展趨勢集中表現(xiàn)為：一是提高靈敏度和工作性能，降低功耗和成本，縮小尺寸，簡化電路，與應用整機相結合，這也是氣體傳感器一直追求的目標。如日本費加羅公司推出了檢測(0.110)106硫化氫低功耗氣體傳感器，美國IST提供了壽命達10年以上的氣體傳感器，美國FirstAlert公司推出了生物模擬型(光化反應型)低功耗CO氣體傳感器等。二是增強可靠性，實現(xiàn)元件和

20、應用電路集成化，多功能化，發(fā)展MEMS技術，發(fā)展現(xiàn)場適用的變送器和智能型傳感器。如美國GeneralMonitors公司在傳感器中嵌入微處理器，使氣體傳感器具有控制校準和監(jiān)視故障狀況功能，實現(xiàn)了智能化；還有前已涉及的美國IST公司的具有微處理器的“MegaGas”傳感器實現(xiàn)了智能化、多功能化。(2)國內(nèi)現(xiàn)狀與差距氣敏元件傳感器作為新型敏感元件傳感器在國家列為重點支持發(fā)展的情況下，國內(nèi)已有一定的基礎。其現(xiàn)狀是：燒結型氣敏元件仍是生產(chǎn)的主流，占總量90以上；接觸燃繞式氣敏元件已具備了生產(chǎn)基礎和能力；電化學氣體傳感器有了試制產(chǎn)品；在工藝方面引入了表面摻雜、表面覆膜以及制作表面催化反應層和修隔離層等工

21、藝，使燒結型元件由廣譜性氣敏發(fā)展成選擇性氣敏；在結構方面研制了補償復合結構、組合差動結構以及集成化陣列結構；新研究開發(fā)的32OAl氣敏材料、石英晶體和有機半導體等也開始用于氣敏材料；低功耗氣敏元件(如一氧化碳，甲烷等氣敏元件)已從產(chǎn)品研究進入中試；國內(nèi)氣敏元件傳感器產(chǎn)量已超過“九五”初期的400萬支。產(chǎn)量超過20萬支的主要廠家有5家，黑龍江敏感集團、太原電子廠、云南春光器材廠、天津費加羅公司(合資)、北京電子管廠(特種電器廠)，其中前四家都超過100萬支，據(jù)行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，1998年全國氣敏元件總產(chǎn)量已超過600萬支?？偟目磥?，我國氣敏元件傳感器及其應用技術有了較快進展，但與國外先進水平仍有較大

22、的差距，主要是產(chǎn)品制造技術、產(chǎn)業(yè)化及應用等方面的差距，與日本比較仍要落后10年。1.3本文主要內(nèi)容及章節(jié)安排本文主要講述基于單片機的毒氣檢測系統(tǒng)的設計全過程，包括硬件電路設計、軟件設計、電腦仿真和實物制作。論文具體章節(jié)安排如下：第1章介紹了本次課題的課題背景、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、課題的研究意義。第2章主要講述了系統(tǒng)的硬件設計，包括最小系統(tǒng)、AD轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊、聲音報警模塊和傳感器模塊。第3章主要介紹了此次設計的軟件部分，包括主程序、AD轉(zhuǎn)換程序、時鐘產(chǎn)生程序；第4章主要介紹了本次設計的實施過程，包括繪圖、編程、仿真和焊接實物。3 第2章 硬件系統(tǒng)設計 第2章硬件系統(tǒng)設計2.1硬件總體設計單片機

23、應用系統(tǒng)的結構分三個層次：(1)單片機：通常指應用系統(tǒng)主處理機，即所選擇的單片機器件。(2)單片機系統(tǒng)：指按照單片機的技術要求和嵌入對象的資源要求而構成的基本系統(tǒng)，如時鐘電路、復位電路和擴展存儲器等與單片機構成了單片機系統(tǒng)。(3)單片機應用系統(tǒng)：能滿足嵌入對象要求的全部電路系統(tǒng)。在單片機系統(tǒng)的基礎上加上面向?qū)ο蟮慕涌陔娐罚缜跋蛲ǖ?、后向通道、人機交互通道(鍵盤、顯示器、打印機等)和串行通行口(RS232)以及應用程序等。單片機應用系統(tǒng)三個層次的關系如圖2-1：圖2-1 單片機應用系統(tǒng)三個層次的關系以此理解，一氧化碳報警器同樣具有單片機應用系統(tǒng)的三個層次。其中以AT89C51單片機為核心構成單

24、片機系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，檢測信號進入單片機進行運算處理。為了更好的理清設計思路，將整個系統(tǒng)細分為三部分加以設計說明。整個報警器由三個部分組成，分為三大模塊：濃度檢測模塊、主控模塊和報警模塊。在本次設計中，使用的核心器件是單片機和一氧化碳傳感器。為了保重整個系統(tǒng)可靠的運行，設計中必須明確三大部分的實際聯(lián)系：以單片機為中心，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)換成為單片機能夠處理的數(shù)字信號，并且濃度值顯示出來：主控模塊以單片機為主，對其他模塊的運行進行控制；報警模塊是此系統(tǒng)的外部電路，它的功能是實現(xiàn)報警。系統(tǒng)框圖如圖2-2所示。圖2-2 系統(tǒng)框圖下面

25、就對各個模塊的功能和實現(xiàn)形式做簡單介紹(1)氣體濃度檢測模塊一氧化碳報警器主要采用高穩(wěn)定一氧化碳氣體傳感器MQ-7檢測房間氣體濃度，檢測結果送入模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809中進行轉(zhuǎn)換后，將得到的數(shù)字信號送入單片機進行分析處理。(2)主控模塊主控模塊即單片機最小系統(tǒng)。用的是MCS-51單片機，MCS-51單片機是美國Intel公司1980年推出的一種高性能8為單片微型計算機。內(nèi)帶4K字節(jié)的內(nèi)存和程序保護系統(tǒng)，使用于程序的調(diào)試修改和保密。它的主要功能既是將經(jīng)過ADC0809處理后的檢測結果進行數(shù)據(jù)分析。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結果決定是否報警，若報警，則驅(qū)動報警系統(tǒng)工作。(3)報警模塊此模塊主要有蜂鳴器、LE

26、D數(shù)碼管組成，在氣體濃度過大，超過安全值時，蜂鳴器工作，提供聲音報警服務；同時，數(shù)碼管顯示報警的傳感器號。至此，本系統(tǒng)的三大模塊功能和設計思路已經(jīng)確立，下文將介紹整個硬件系統(tǒng)的詳細設計過程。并且給出設計電路。2.2單片機的最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)原理圖如下：圖2-3 單片機最小系統(tǒng)原理圖單片機的最小系統(tǒng)是由組成單片機系統(tǒng)必需的一些元件構成的，除了單片機之外，還需要包括電源供電電路、時鐘電路、復位電路。單片機最小系統(tǒng)電路(單片機電源和地沒有標出)如圖2-2所示。2.2.1單片機簡介本課題所用單片機采用8051核的ISP(In System Programming)在系統(tǒng)可編程芯片，最高工作時鐘頻率

27、為80MHz，片內(nèi)含4K Bytes的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，具有在系統(tǒng)可編程(ISP)特性，配合PC端的控制程序即可將用戶的程序代碼下載進單片機內(nèi)部，省去了購買通用編程器，而且速度更快。STC89C52RC系列單片機是單時鐘/ 機器周期(1T)的兼容8051 內(nèi)核單片機，是高速/ 低功耗的新一代8051 單片機，全新的流水線/ 精簡指令集結構,內(nèi)部集成MAX810 專用復位電路。主要特性有：(1)增強型1T 流水線/ 精簡指令集結構8051 CPU(2)工作電壓：3.4V-5

28、.5V (5V 單片機)/ 2.0V-3.8V (3V 單片機(3)工作頻率范圍：0 -35 MHz，相當于普通8051 的0420MHz.實際工作頻率可達48MHz.(4)用戶應用程序空間12K / 10K / 8K / 6K / 4K / 2K 字節(jié)(5)片上集成512 字節(jié)RAM(6)通用I/O 口(27/23個)，復位后為：準雙向口/ 弱上拉(普通8051 傳統(tǒng)I/O 口)可設置成四種模式：準雙向口/ 弱上拉，推挽/ 強上拉，僅為輸入/ 高阻，開漏每個I/O 口驅(qū)動能力均可達到20mA，但整個芯片最大不得超過55mA(7)ISP(在系統(tǒng)可編程)/IAP(在應用可編程)，無需專用編程器可

29、通過串口(P3.0/P3.1)直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片(8)EEPROM 功能(9)看門狗(10)內(nèi)部集成MAX810 專用復位電路(外部晶體20M 以下時，可省外部復位電路)(11)時鐘源：外部高精度晶體/ 時鐘，內(nèi)部R/C 振蕩器。用戶在下載用戶程序時，可選擇是使用內(nèi)部R/C 振蕩器還是外部晶體/ 時鐘。常溫下內(nèi)部R/C 振蕩器頻率為：5.2MHz 6.8MHz。精度要求不高時，可選擇使用內(nèi)部時鐘，因為有溫漂，請選4MHz 8MHz(12)有2個16 位定時器/ 計數(shù)器(13)外部中斷2 路,下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,Power Down 模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒

30、(14)PWM( 4 路)/ P C A(可編程計數(shù)器陣列)，也可用來再實現(xiàn)4個定時器或4個外部中斷(上升沿中斷/ 下降沿中斷均可支持)(15)STC89Cc516AD具有ADC功能。10 位精度ADC，共8 路(16)通用異步串行口(UART)(17)SPI 同步通信口，主模式/ 從模式(18)工作溫度范圍：0 -75/ -40 -+85(19)封裝：PDIP-28，SOP-28，PDIP-20，SOP-20，PLCC-32,TSSOP-20(超小封狀，定貨)振蕩器特性:：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用

31、外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。12.2.2時鐘電路和復位電路時鐘電路和復位電路的原理如下：1)時鐘電路圖2-4 時鐘電路原理圖單片機工作時，從取指令到譯碼再進行微操作，必須在時鐘信號控制下才能有序地進行，時鐘電路就是為單片機工作提供基本時鐘的。單片機的時鐘信號通常有兩種產(chǎn)生方式：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。本課題采用內(nèi)部時鐘方式。在單片機XTAL1和XTAL2引腳上跨接上一個晶振和兩個穩(wěn)頻電容，可以與單片機片內(nèi)的電路構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。晶振頻率取12 MHz。外接

32、電容的作用是對振蕩器進行頻率微調(diào)，使振蕩信號頻率與晶振頻率一致，同時起到穩(wěn)定頻率的作用，本課題選用33pF的電容。易知：本單片機最小系統(tǒng)的振蕩周期=1/(12MHz)=1/12us，時鐘周期=1/6us，機器周期=1us。2)復位電路圖2-5 復位電路原理圖無論是在單片機剛開始接上電源時，還是運行過程中發(fā)生故障都需要復位。復位電路用于將單片機內(nèi)部各電路的狀態(tài)恢復到一個確定的初始值，并從這個狀態(tài)開始工作。單片機的復位條件：必須使其RST引腳上持續(xù)出現(xiàn)兩個(或以上)機器周期的高電平。單片機的復位形式：上電復位、按鍵復位。本課題采用按鍵復位。在單片機啟動0.1S后，電容C兩端的電壓持續(xù)充電為5V，這

33、是時候10K電阻兩端的電壓接近于0V，RST處于低電平所以系統(tǒng)正常工作。當按鍵按下的時候，開關導通，這個時候電容兩端形成了一個回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個過程中，電容開始釋放之前充的電量。隨著時間的推移，電容的電壓在0.1S內(nèi)，從5V釋放到變?yōu)榱?.5V，甚至更小。根據(jù)串聯(lián)電路電壓為各處之和，這個時候10K電阻兩端的電壓為3.5V，甚至更大，所以RST引腳又接收到高電平。單片機系統(tǒng)自動復位。2.3A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖如下：圖2-6 AD轉(zhuǎn)換模塊原理圖本A/D轉(zhuǎn)換電路以ADC0809芯片為核心，該芯片在單片機的控制下把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。(由于Proteus軟件不能仿

34、真ADC0809，所以用ADC0808代替。)傳感器的模擬電壓信號通過IN0IM3通道進入ADC0809,，ADC0809的數(shù)據(jù)輸出接單片機的P0口，從低位到高位一次對應P0.0P0.7。各個控制端口接到單片機的P2口。根據(jù)ADC0809的工作過程，通過軟件控制ADC0809工作。2.3.1ADC0809主要特性(1)8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。(2)具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?。(3)轉(zhuǎn)換時間為100s(時鐘為640kHz時)，130s(時鐘為500kHz時)。(4)單個+5V電源供電。(5)模擬輸入電壓范圍0+5V，不需零點和滿刻度校準。(6)工作溫度范圍為-40+85攝氏度。(

35、7)低功耗，約15mW。2.3.2ADC0809引腳功能說明IN0IN7：8路模擬量輸入端。D0D7：8位數(shù)字量輸出端。A、B、C：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路。ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效，對應ALE上跳沿，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。START：AD轉(zhuǎn)換啟動信號，輸入高電平有效，START上升沿時，復位ADC0809；START下降沿時啟動芯片，開始進行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應保持 低電平。本信號有時簡寫為ST.。EOC：AD轉(zhuǎn)換結束信號，輸出，當AD轉(zhuǎn)換結束時，此端輸出一個高電平(轉(zhuǎn)換期間一直為低電平)。OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入

36、，高電平有效。當AD轉(zhuǎn)換結束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量，用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ，EOC=0,正在進行轉(zhuǎn)換；EOC=1,轉(zhuǎn)換結束。使用中該狀態(tài)信號即可作為查詢的狀態(tài)標志，又可作為中斷請求信號使用。REF(+)、REF(-)：基準電壓，本課題中分別為+5V、0V。Vcc：電源，單一5V。GND：地。2.3.3ADC0809工作過程電路連接：ADC0809輸出接單片機的P0口，各個控制引腳及單片機的P2口，參考電壓REF(+)、REF

37、(-)分別接+5V電源和地，引腳START和ALE相連。具體工作過程如下：首先，在程序的控制下，利用單片機的定時器T0以及中斷服務程序在P2.7輸出一個方波信號，作為ADC0809工作的時鐘信號。并對其他控制引腳進行初始化。然后，單片機向ADC0809的A、B引腳循環(huán)輸出地址編號，C引腳接地(因為本課題僅用四個模擬通道)；每輸入一個地址編號后，START和ALE變高電平，復位ADC0809并將地址鎖存，經(jīng)過適當?shù)难訒r后，START和ALE變低電平，開始模數(shù)轉(zhuǎn)換；P2.6接EOC引腳，當收到高電平時，說明模數(shù)轉(zhuǎn)換完成，此時向OE引腳輸出高電平，打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量到P0口，然后OE引腳變低

38、電平，完成一次模數(shù)轉(zhuǎn)換。2.4一氧化碳傳感器介紹選擇一氧化碳傳感器主要考慮以下的性能指標：(1)輸入和輸出之間成比例，直線性好、靈敏度高、分辨力強、測量范圍寬。 (2)滯后、漂移誤差小 (3)動態(tài)特性好 (4)功耗小 (5)時間老化特性優(yōu)良 (6)與被測體匹配良好，既不因接入傳感器而使得被測對象受到影響，受被測量之外的影響小。(7)體積小、重量輕、價格低廉。(8)故障率低，易于校準和維護。(9)由于傳感元件的輸出信號一邊比較小，為了便于能夠驅(qū)動控制電路，在傳感器電路中還應該包括放大器。2鑒于以上選擇要點，本文中用到的傳感器必須具備良好的測量效果、功耗小、動態(tài)特性良好和體積小、重量輕、價格低廉等

39、幾個主要特性。為此我們選擇了MQ-7系列傳感器。半導體一氧化碳傳感器MQ-7所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。采用高低溫循環(huán)檢測方式低溫(1.5V加熱)檢測一氧化碳，傳感器的電導率隨空氣中一氧化碳氣體濃度增加而增大，高溫(5.0V加熱)清洗低溫時吸附的雜散氣體。使用簡單的電路即可將電導率的變化，轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。MQ-7氣體傳感器對一氧化碳的靈敏度高，這種傳感器可檢測多種含一氧化碳的氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器。主要特點及應用：l 對一氧化碳的高靈敏度。l 長壽命，低成本。l 簡單的驅(qū)動電路即可l 家用氣體泄漏報警器l 工業(yè)用一氧化碳報

40、警器l 便攜式氣體檢測器MQ-7氣敏元件的結構和外形如圖2-7所示，由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感層，測量電極和加熱器構成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，為了改善傳感器的選擇性，傳感器氣室用活性炭過濾層與外界隔開。加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有只針狀管腳，其中個用于信號取出，個用于提供加熱電流。圖2-7 MQ-7實物圖圖2-8是傳感器的基本測試電路。該傳感器需要施加2個電壓：加熱器電壓(VH)和測試電壓(VC)。其中VH用于為傳感器提供特定的工作溫度。VC則是用于測定與傳感器串聯(lián)的負載電阻(RL)上的電壓(VRL)。這種傳感器具有輕微的極性，VC需用直

41、流電源。在滿足傳感器電性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一個電源電路。為更好利用傳感器的性能，需要選擇恰當?shù)腞L值。圖2-8 MQ-7原理圖2.5顯示電路顯示模塊的電路原理圖如下：圖2-5 顯示模塊原理圖為了清晰明了的顯示報警房間號，采取數(shù)碼管顯示。Led數(shù)碼管(LED Segment Displays)是由多個發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內(nèi)部連接完成，只需引出它們的各個筆劃，公共電極。Led數(shù)碼管常用段數(shù)一般為7段有的另加一個小數(shù)點，Led數(shù)碼管根據(jù)LED的接法不同分為共陰和共陽兩類，了解LED的這些特性，對編程是很重要的，因為不同類型的數(shù)碼管，除了它們的硬件電路有

42、差異外，編程方法也是不同的。顏色有紅，綠，藍，黃等幾種。本課題選用共陽極七段紅色數(shù)碼管。4數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。本課題采用靜態(tài)態(tài)驅(qū)動模式。靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O端口進行驅(qū)動，或者使用如BCD碼二-十進制譯碼器譯碼進行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高。圖2-6 數(shù)碼管顯示原理圖根據(jù)數(shù)碼管顯示原理，如圖2-5連線，即可顯示報警傳感器號碼。2.6聲音報警電路聲音報警電路原理圖如下：蜂鳴器發(fā)聲原理是電流通過電磁線圈，使電

43、磁線圈產(chǎn)生磁場來驅(qū)動振動膜發(fā)聲的，因此需要一定的電流才能驅(qū)動它，單片機IO引腳輸出的電流較小，單片機輸出的TTL電平基本上驅(qū)動不了蜂鳴器，因此需要增加一個電流放大的電路。S51增強型單片機實驗板通過一個三極管C8550來放大驅(qū)動蜂鳴器。圖2-6 聲音報警原理圖當某路或多路傳感器報警時，蜂鳴器發(fā)出聲音報警信號。2.7本章小結本章主要敘述了基于單片機的毒氣檢測系統(tǒng)的硬件電路設計，包括各個模塊的工作原理，各個模塊與單片機的鏈接。然后，將基于已有的硬件電路編寫軟件程序，完成系統(tǒng)的整體設計21 第3章 軟件系統(tǒng)設計 第3章軟件系統(tǒng)設計3.1軟件總體設計思想基于已有的電路，將采用C語言編寫程序?？傮w思路是

44、首先定義相關的硬件接口，然后進行初始化，包括AD控制端和定時器的初始化。初始化后開始無限無限循環(huán)，以保證24小時全天候的檢測一氧化碳的濃度，及時發(fā)現(xiàn)險情并報警。無限循環(huán)中將依次調(diào)用AD轉(zhuǎn)換函數(shù)、比較判斷函數(shù)、聲音報警函數(shù)和顯示報警函數(shù)。主程序流程圖如下：圖3-1 主函數(shù)流程圖下面介紹本軟件系統(tǒng)的幾個主要函數(shù)，對于硬件端口定義和初始化部分不做詳細介紹。3.2AD轉(zhuǎn)換函數(shù)ADC0809芯片需要在單片機的驅(qū)動下進行工作，AD轉(zhuǎn)換函數(shù)既是用來驅(qū)動ADC0809的程序。程序流程圖如下：圖3-2 AD轉(zhuǎn)換函數(shù)流程圖另外，ADC0809的時鐘信號也由單片機提供。利用單片機的定時器和中斷服務在P2.7產(chǎn)生時鐘

45、信號。ADC0809的工作頻率在500K以下即可。利用軟件對定時器T0進行初始化，設定定時器T0工作于方式2，計數(shù)初值為250，開總中斷和定時器中斷，最后啟動定時器。中斷服務程序?qū)LK取反，3.3比較判斷函數(shù)比較判斷函數(shù)是將AD轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)與門限值比較，根據(jù)比較結果設置報警數(shù)組的對應位。程序流程圖如下：圖3-3 時鐘程序流程圖3.3顯示報警函數(shù)顯示報警函數(shù)根據(jù)報警數(shù)組控制相應數(shù)碼管顯示報警傳感器號碼。流程圖如下：圖3-4 顯示報警函數(shù)流程圖3.3聲音報警函數(shù)聲音報警函數(shù)將報警數(shù)組的所有數(shù)值相加，若不等于4則報警，否則停止報警。流程圖如下：圖3-5 顯示報警函數(shù)流程圖3.3本章小結本章主要介

46、紹了軟件系統(tǒng)的整體設計，以及各個功能模塊的子程序的設計思路。軟件就像整個系統(tǒng)的靈魂，擔當這控制整個系統(tǒng)穩(wěn)定、正常的工作的任務。而且，由于程序采用C語言編寫，所以可移植性好，僅需更改軟件中硬件接口部分。第4章 實驗過程 第4章實驗過程本課題屬于生產(chǎn)實際題目，涉及硬件的實物制作。為了保證實物制作的順利進行，先利用軟件仿真，仿真成功后再制作硬件。4.1軟件仿真軟件仿真大致分三步，首先在Protues中畫電路圖，然后根據(jù)已有的電路圖在Keil中編寫程序，程序編譯成功后，將程序下載到Protues的單片機中進行仿真調(diào)試。4.1.1軟件簡介本課題將用到兩款軟件：Protues和Keil，下面簡單介紹這兩款

47、軟件。Proteus軟件是EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設計。其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可

48、維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境(uVision)將這些部分組合在一起。4.1.2繪制電路原理圖首先，按照安裝說明安裝并破解Protues軟件，然后打開Protues軟件中的ISIS Professional。在ISIS Professional中首先搜索元件，選中的元件會顯示在左邊欄，然后逐個的放置元件，并連線，最后完成電路圖如下：圖4-1完整的電路原理圖4.1.3編寫程序本次畢業(yè)設計使用Keil軟件編程，過程如下：1)建立工程。2)選擇單片機型號，考慮到兼容性問題，編程

49、時選擇Atmel 的89C51單片機。3)新建C語言文件，并將文件添加到工程下。4)編寫程序并調(diào)試，直至無語法錯誤。4.1.4仿真調(diào)試為了檢測電路設計和軟件設計是否正確，采用Proteus軟件進行仿真。Proteus軟件具有獨特的單片機協(xié)同仿真功能(VSM)：支持主流的CPU類型：如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、BasicStamp、8086、MSP430等，CPU類型隨著版本升級還在繼續(xù)增加，如即將支持CORTEX、DSP處理器；支持通用外設模型：如字符LCD模塊、圖形LCD模塊、LED點陣、LED七段顯示模

50、塊、鍵盤/按鍵、直流/步進/伺服電機、RS232虛擬終端、電子溫度計等等，其COMPIM(COM口物理接口模型)還可以使仿真電路通過PC機串口和外部電路實現(xiàn)雙向異步串行通信；實時仿真：支持UART/USART/EUSARTs仿真、中斷仿真、SPI/I2C仿真、MSSP仿真、PSP仿真、RTC仿真、ADC仿真、CCP/ECCP仿真；編譯及調(diào)試：支持單片機匯編語言的編輯/編譯/源碼級仿真，內(nèi)帶8051、AVR、PIC的匯編編譯器，也可以與第三方集成編譯環(huán)境(如IAR、Keil和Hitech)結合，進行高級語言的源碼級仿真和調(diào)試。在電路原理圖已經(jīng)畫完，程序也沒有語法錯誤的情況下，即可將程序下載到單片

51、機中進行仿真；首先下載程序，圖4-2 將程序下載到單片機然后即可仿真。通過仿真，對電路和程序做出相應修改，直至成功；無報警時如下圖圖4-3 無報警報警時如下圖(1、3號報警)：圖4-3 1、3號報警由于Proteus軟件中沒有傳感器，所以利用電源和滑動變阻器向ADC0809輸入四路模擬電壓信號，來模擬實際系統(tǒng)中的一氧化碳傳感器傳來的信號。四路電壓信號均是可變的，變化范圍是05V。為了更細致地觀察仿真過程，仿真是使用了示波器和電壓表，這樣有利于修改電路圖和程序。4.2實物制作4.2.1繪制布線圖并焊接電路板由于本次實物制作采用通用電路板，所以需要用電線連接各個元件。為了保證能在有限面積的電路板上

52、合理分布各個元件，使得電線連接方便，必須先繪制布線圖。電路板布線圖如下：圖4-4 電路板布線圖然后按照布線圖放置并焊接元件或元件底座。在實際焊接時，臨時改變了某些元件的位置，以保證焊接方便，接觸良好。為了焊接方便，焊接是修改了部分接口。例如ST改接P2.2，EOC改接P2.3，OE改接P2.6，數(shù)碼管和蜂鳴器接口也做了調(diào)整。根據(jù)焊接是接口調(diào)整的記錄，將對程序做相應修改。對于顯示模塊，由于之前設計的是共陽極數(shù)碼管，而實際的元件是共陰極的，所以將正負極交換。傳感器部分焊接在其他電路板上，然后用導線連接到ADC0809；電源和地分別在電路板的頂部和底部。電路板的實物圖片如下：圖4-4 電路板實物圖4

53、.2.2下載程序進行實物測試焊接完成后，下載程序到單片機，然后將單片機和ADC0809芯片安裝在相應的底座，上電調(diào)試。上電后，數(shù)碼管即全部被點亮，不符合系統(tǒng)要求。用電壓表測試發(fā)現(xiàn)，選通數(shù)碼管的三極管并沒有導通，數(shù)碼管陽極電壓在1.7V左右，所以數(shù)碼管被點亮。通過對電路的分析，我認為原因在于數(shù)碼管分壓過高。因此，在電源和第一個選通三極管之間加一個10K的電阻。然后測試，在未報警時數(shù)碼管不發(fā)光，符合系統(tǒng)要求。4.3本章小結本章主要敘述了毒氣檢測系統(tǒng)的設計與調(diào)試過程，梳理了從理論到實際產(chǎn)品的制作過程。61 結論 結論本文主要論述了以單片機為核心的毒氣檢測系統(tǒng)的特點，從發(fā)展狀況來看，毒氣檢測系統(tǒng)具有很

54、強的實用性。并且具有比較好的安全性。在各種各樣的生產(chǎn)生活中依然有很大的發(fā)展空間。在國外正在積極推動毒氣檢測裝置在工業(yè)和家庭等方面的應用。在國內(nèi)基于單片機的毒氣檢測系統(tǒng)技術還不是非常成熟。本文對于基于單片機的毒氣檢測系統(tǒng)的工作原理做了深入的分析，提出了一種用單片機控制各個模塊的毒氣檢測報警的設計方案。本篇論文主要完成了以下內(nèi)容的敘述：對目前毒氣檢測系統(tǒng)國內(nèi)外的發(fā)展狀況進行了概括，進而闡明了課題研究的背景和意義。根據(jù)系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能做出硬件設計，繪制出硬件電路圖，然后根據(jù)確定的電路圖編寫程序?？紤]到程序的兼容性，采用C語言編程。軟硬件設計完成后，用Proteus軟件仿真，能夠成功報警和解除報警；理

55、論設計完成后，焊接實物電路板，然后下載程序并調(diào)試。本論文主要以一氧化碳為例(其他氣體更換相應的傳感器即可)，闡述了基于單片機的毒氣檢測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。參考文獻 參考文獻1 張志良. 單片機原理及控制技術M. 北京:機械工業(yè)出版社. 2002:17192 侯國章. 測試與傳感技術M. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社. 2000:84 863 洪志剛. 杜維玲. 井娥林. 單片機應用系統(tǒng)設計. 北京:機械工業(yè)出版社. 2011:11 144 鄭鋒. 51單片機典型應用開發(fā)范例大全. 北京: 中國鐵道出版社. 2011:51 545 陳濤編. 單片機應用及C51程序設計. 北京:機械工業(yè)出版社. 2

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