一氧化碳报警设计说明书.doc

第一章 绪论1第一节 设计背景1第二节 一氧化碳报警器概述1第三节 设计的目的及意义1第二章 设计方案2第一节 单片机的介绍和选用2第二节 设计要求及思路2第三节 初始方案与确定2第四节 系统组成3第五节 一氧化碳报警器系统的三大部分4第三章 硬件电路设计6第一节 单片机基础知识简介6第二节 模数转换部分电路设计7第三节 传感器部分电路设计8第四节 报警电路的设计9第四章 软件设计10第一节 单片机编程10第二节 汇编语言概况10第三节 源程序11结束语13谢 辞14参考文献15第一章 绪论第一节 设计背景 一氧化碳（co）为无色、无味、无刺激性气体，比重0.967，几乎不溶于水，不易被活性炭吸附。当碳物质燃烧不完全时，可产生co，如人体短时间内吸收较高浓度的c0，或浓度虽低，但吸时间较长，均可造成急性中毒。co与血红蛋白结合能力超过氧和血红蛋白的结合能力的200-300倍，当co与血红蛋白结合形成的碳氧血红蛋白含量达到5%时，就会对人体产生慢性损害，达到60%时就会昏迷，达到90%就会死亡。唐山开滦集团中润煤化工有限公司甲醇分厂，利用炼焦过程产生的焦炉气，经过净化、湿脱硫、压缩、精脱硫、合成、精馏等工段生产出高品质甲醇。净化后焦炉气主要含量是co,在生产现场周围不可避免的有煤气存在，如果环境中co含量超出安全范围，常人很难发现，为了保证人们生命健康和正常生产不受影响，实时检测co含量十分重要。所以基于单片机设计制作一氧化碳报警器，来保障人们的生命财产安全。第二节 一氧化碳报警器概述首先我们应该对国家标准规定的燃气报警器的种类有所了解。燃气报警器可分为可燃气体泄漏仪（简称“检漏仪”），可燃气体报警控制器（简称“控制器”）、可燃气体探测器（简称“探测器”）、可燃气体报警器（简称“报警器”）四大系列产品。可燃气报警器的核心是气体传感器，俗称“电子鼻”。当气体传感器遇到燃气时，传感器电阻随燃气浓度而变化，随之产生电信号，供燃气报警器后继线路处理。经过电子路线处理变成浓度成比例变化的电压信号，由线性电路加以补偿，使信号线性化，经微机处理、逻辑分析，输出各种控制信号，即当燃气浓度达到报警设定值时，燃气报警器发出声光报警信号。第三节 设计的目的及意义设计出性能更加可靠，经济实惠的一氧化碳报警器。意义在于： （1）成本低廉并能对一氧化碳准确报警。 （2）该产品不需专业人员操作，只要放在合适位置，通电即可，连续使用方便，操作简单。（3）能起到预防一氧化碳中毒的效果，使人们安全放心的工作。 （4）出现一氧化碳漏或者着火时，报警器能够立即鸣笛报警，告之工作人员及时采 取措施。1第二章 设计方案第一节 单片机的介绍和选用单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器cpu随机存储器ram、只读存储器rom、多种i/o口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、a/d转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统，目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能ic卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机，更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。设计选用atmel公司的at89c51和美国国家半导体公司生产的adc080。第二节 设计要求及思路 设计要求:报警器需在一氧化碳浓度达到100ppm时启动报警。 具体实现如下功能： （1）系统要求设置正常工作状态除正常工作状态外,led红灯处于熄灭状态，蜂鸣器处于关闭状态。（2）在正常工作状态下，绿灯应长亮。当室内一氧化碳浓度达到100ppm时系统应启动蜂鸣器报警，红灯闪烁。 设计思路：采用单个传感器检测气体浓度，将检测结果通过高精度运算放大器放大后送入模/数转换芯片中进行转换，传给单片机进行数据处理。处理后的信息将通过单片机控制，驱动报警。第三节 初始方案与确定（1）初始设计以设计思路展开研究：根据该设计要实现的基本功能，设计大概应该分为信号接收，信号处理，信号控制和信号响应四个部分。 a.信号采集接收部分即通过检测一氧化碳气体浓度，并将这种变化量转换成电压或者 电流等模拟量的变化。 b.信号处理部分是将接收部分得到的电压或电流等变化进行必要放大，为后一部分信号控制提供准备。1c.信号控制部分是通过预定控制方式等实现对设计要求的准确操作。d.信号响应是通过事故处理部分和显示部分实现控制部分的要求。 （2）对上述四个部分进行分析，得到如下一些基本的结论： a.信号接收部分为了能准且采集到气体浓度的变化应选用传感器敏感器件，为使其有效部分的检测房间中气体浓度，必须选用高温一氧化碳传感器。 b.信号处理部分应该根据实际情况选用电荷放大，或比较器等装置，这部分电路将包含在传感器接口电路中。 c.控制部分为了实现精确控制，采用单片机较为合适。 d.信号响应及报警部分，用蜂鸣器和led灯即可。 根据对上面设计系统的分析，我们得到该设计思想框图如下图2-1所示：图2-1 设计思想框图 （3）方案确定 经过分析采用初始方案设计，即用单个传感器检测一氧化碳气体浓度，将检测到的浓度结果通过运算放大器放大后送入模/数芯片adc0809中进行模数转换，传入单片机中，由at89c51单片机处理数据，并利用单片机控制报警器进行声音报警。 分析：此设计十分简单，也十分实用。虽然对气体浓度的采集不是很精确，但报警方面已经十分符合设计目的。第四节 系统组成 本设计属于单片机应用系统。单片机在系统检测以及工程控制方面的应用，是典型的嵌入式系统。通常将满足海量高速数据计算的计算机称为通用计算机系统；而把面向工控领域对象，嵌入到工控系统中，实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。嵌入式系统分为四种：工控机，通用cpu模块，嵌入式微处理，单片机。嵌入式系统具有以下特点： （1）面对控制对象。如传感器信号输入、人机交互操作、伺服驱动等。 (2)嵌入到工控应用系统中的结构形态。 3(3)能在工业现场环境中可靠运行的品质。 (4)突出控制功能。如对外部信息的捕捉、对控制对象实时控制和有突出控制功能的指令系统（i/o控制、位操作和转移指令等）。 单片机有唯一的专门为嵌入式应用系统设计的体系结构与指令系统，最能满足嵌入式应用要求。单片机是完全按嵌入式系统要求设计的 单芯片形态应用系统，能满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行及非凡的控制品质等要求，是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统。第五节 一氧化碳报警器系统的三大部分 单片机应用系统的结构分三个层次。 （1）单片机：通常指应用系统主处理机，即所选择的单片机器件。（2）单片机系统：指按照单片机的技术要求和嵌入对象的资源要求而构成的基本系统，如时钟电路、复位电路和扩展存储器等与单片机构成了单片机系统。（3）单片机应用系统：能满足嵌入对象要求的全部电路系统。在单片机系统的基础上加上面向对象的接口电路，如前向通道、后向通道、人机交互通道（键盘、显示器、打印机等）和串行通行口（rs232）以及应用程序等。单片机应用系统三个层次的关系如图2-2所示。 图2-2 单片机应用系统三个层次的关系以此理解，一氧化碳报警器同样具有单片机应用系统的三个层次。其中以at89c51单 片机为核心构成单片机系统。在此系统中，检测信号进入单片机进0行运算处理。为了更好的理清设计思路，将整个系统细分为三部分加以设计说明。整个报警器由三个部分组成，分为三大模块：浓度检测模块、主控模块和报警模块。在本次设计中，使用的核心器件是 单片机和一氧化碳传感器。为了保重整个系统可靠的运行，设计中必须明确三大部分的实际联系：以单片机为中心，其他各大模块一一展开。其中，浓度检测及显示模块所实现的功能是将房间中的一氧化碳浓度值转换成为单片机能够处理的数字信号，并且浓度值显示出来：主控模块以单片机为主，对其他模块的运行进行控制；报警模块是此系统的外部电 路，它的功能是实现报警.系统框图如图2-3所示。图2-3 一氧化碳报警器系统组成框图下面就对各个模块的功能和实现形式做简单介绍: （1）气体浓度检测模块 一氧化碳报警器主要采用高稳定一氧化碳气体传感器mq-7检测房间气体浓度，检测结果通过高精度运算放大器放大后送入模/数转换芯片adc0809中进行转换。 （2）主控模块 系统采用单片机控制，用的是at89c51单片机，at89c51单片机是美国intel公司推出的一种4k字节可编程flash存储器，低电压、高性能cmos 8位微处理器。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次，数据可保留10年。它的主要功能既是和adc0809芯片一起共同接受检测信号，又可以通过对数字型号的处理来控制外围电路以及显示电路。模数转换芯片采用adc0809，接收经过运算放大器处理后的一氧化碳传感器的检测值，检测结果通过adc0809处理后才传给单片机进行数据处理。处理后的信息将通过 单片机控制，以驱动报警。 （3）报警模块 此模块主要有蜂鸣器、led灯组成，在气体浓度过大，超过安全值时，蜂鸣器工作，提供报警服务。 至此，本系统的三大模块功能和设计思路已经确立，下文将介绍整个系统的详细设计过程，并且给出设计电路。1第三章 硬件电路设计第一节 单片机基础知识简介介绍及主控电路设计：在实际的应用中，基本知识的掌握程度至关重要，他影响到应用的好坏。硬件知识用来设计硬件电路，软件知识用来设计芯片处理数据的先后顺序，数据的获得途径以及对数据做怎样的处理，还有其他的一些驱动和显示功能等等。本设计用到的硬件知识主要有：电子技术、单片机技术。在电子技术方面分为模拟电子技术和数字电子技术，模拟电子技术主要用来放大传感器检测信号和驱动反光二极管以及显示穿管器检测气体浓度；数字电子技术用来把模拟量转换成数字量，把从刚起检测到的模拟量转换成数字值。利用单片机实现综合控制。主控电路中，以单片机为主体，通过分析a/d转换的得到的数字值，控制事故处理模块运行。设计采用的是at89c51型单片机,at89c51是一种带4k字节闪存可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能cmos 8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel的at89c51是一种高效微控制器，at89c2051是它的一种精简版本。at89c单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图3-1所示。图3-1 单片机外形及引脚排列 （1）主要特性：与mcs-51兼容4k字节可编程闪烁存储器。寿命：1000写/擦循环；数据保留时间：10年；全静态工作：0hz-24mhz；三级程序存储器锁6定 1288位内部ram；32可编程i/o线；两个16位定时器/计数器；5个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路。 （2）振荡器特性: xtal1和xtal2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，xtal2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 （3）芯片擦除：整个perom阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ale管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，at89c51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，cpu停止工作。但ram，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存ram的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 第二节 模数转换部分电路设计模数转换部分采用adc0809芯片。adc0809是m美国国家半导体公司生产的cmos工艺8通道，8位逐次逼近式a/d转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行a/d转换。是目前国内应用最广泛的8位通用a/d芯片。 （1）主要特性： 1、8路输入通道，8位ad转换器，即分辨率为8位。2、具有转换起停控制端。3、转换时间为100s(时钟为640khz时)，130s（时钟为500khz时）4、单个5v电源供电。5、模拟输入电压范围05v，不需零点和满刻度校准。6、工作温度范围为-4085摄氏度。7、低功耗，约15mw。 （2）内部结构: adc0809是cmos单片型逐次逼近式ad转换器，内部结构如图1322所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型a/d转换器、逐次逼近 。 （3）外部特性（引脚功能）: adc0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3-2所示。下面说明各引脚功能。in0in7：8路模拟量输入端。2-12-8：8位数字量输出端。adda、addb、addc：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路.ale：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。start：ad转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动a/d转换）。eoc：ad转换结束信号，输出，当ad转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。oe：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当ad转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。clk：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640khz。ref（+）、ref（-）：基准电压。vcc：电源，单一5v。gnd：地。其内部结构及引脚图如图3-2所示。 图3-2 adc0809内部图及引脚图第三节 传感器部分电路设计 （1）传感器的定义:人们通常将能把非电量转换成电量的器件称为传感器，传感器实质是一种功能模块，起作用是将来之外界的各种信号转换成电信号：它是实现测试与自动控制系统的首要环节。 （2）传感器的作用:传感器是又称之为电五官，是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。 （3）传感器的组成：传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路三部分组成有时还加上辅助电源。通常可用方框图表示。敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的其他量的元件。传感元件又称变换器，传感元件可以直接感受被测量而输出与被测量成确定关系的电量。也可以不直接感受被测量，而只感受与被测量成确定关系的其他非电量。测量电路能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路。使用较多的是电桥电路，也是用其他特殊电路，如高阻抗输入电路、脉冲调宽电路、维持震荡的激振电路等。由于传感元件的输出信号一般比较小，为了便于与显示和记录，大多数测量电路还包括了放大器。 (4)传感器与adc0809的连接 检测数据从in0口输入，转换完毕送给单片机p1口供单片机进行数据处理。第四节 报警电路的设计报警电路采用了蜂鸣器以及放光二极管。在设计中，单片机p2.0,p2.1,p2.2分别 控制灯以及蜂鸣器，通过编程让传感器的数据和给定值进行比较。如果大于则报警，即蜂鸣器鸣叫，发光二极管闪烁。电路图如图3-3所示。图3-3 报警器电路图第四章 软件设计第一节 单片机编程本次设计用汇编语言编写程序。由于程序十分简单，所以用汇编语言能够更直观更便于理解。下面介绍一下汇编语言：汇编语言是面向机器的程序设计语言。在汇编语言中，用助记符代替操作码，用地址符号或标号代替地址码。这样用符号代替机器语言的二进制码，就把机器语言变成了汇编语言。于是汇编语言亦称为符号语言。使用汇编语言编写的程序，机器不能直接识别，要由一种程序将汇编语言翻译成机器语言，这种起翻译作用的程序叫汇编程序，汇编程序是系统软件中语言处理系统软件。汇编程序把汇编语言翻译成机器语言的过程称为汇编。第二节 汇编语言概况汇编语言是一种功能很强的程序设计语言，也是利用计算机所有硬件特性并能直接控制硬件的语言。汇编语言，作为一门语言 ，对应于高级语言的编译器，需要一个“汇编器”来把汇编语言原文件汇编成机器可执行的代码。高级的汇编器如masm，tasm等等为我们写汇编程序提供了很多类似于高级语言的特征，比如结构化、抽象等。在这样的环境中编写的汇编程序，有很大一部分是面向汇编器的伪指令，已经类同于高级语言。现在的汇编环境已经如此高级，即使全部用汇编语言来编写windows的应用程序也是可行的，但这不是汇编语言的长处。汇编语言的长处在于编写高效且需要对机器硬件精确控制的程序。 （1）汇编语言直接同计算机的底层软件甚至硬件进行交互，它具有如下一些优点：1.能够直接访问与硬件相关的存储器或i/o端口；2.能够不受编译器的限制，对生成的二进制代码进行完全的控制；3.能够对关键代码进行更准确的控制，避免因线程共同访问或者硬件设备共享引起的死锁；4.能够根据特定的应用对代码做最佳的优化，提高运行速度；5.能够最大限度地发挥硬件的功能。 （2）汇编语言是一种层次非常低的语言，它仅仅高于直接手工编写二进制的机器指令码，因此不可避免地存在一些缺点：1.编写的代码非常难懂，不好维护；2.很容易产生bug，难于调试；3.只能针对特定的体系结构和处理器进行优化；4.开发效率很低，时间长且单调。 （3）汇编语言的特点:1.面向机器的低级语言，通常是为特定的计算机或系列计算机专门设计的。2.保持了机器语言的优点，具有直接和简捷的特点。3.可有效地访问、控制计算机的各种硬件设备，如磁盘、存储器、cpu、i/o端口等。4.目标代码简短，占用内存少，执行速度快，是高效的程序设计语言。 5.经常与高级语言配合使用，应用十分广泛。对于不同型号的计算机，有着不同的结构的汇编语言。汇编语言由于采用了助记符号来编写程序，比用机器语言的二进制代码编程要方便些，在一定程度上简化了编程过程。汇编语言的特点是用符号代替了机器指令代码，而且助记符与指令代码一一对应，基本保留了机器语言的灵活性。使用汇编语言能面 向机器并较好地发挥机器的特性，得到质量较高的程序。 第三节 源程序汇编源程序： st bit p3.0 oe bit p3.1 org 0000h ljmp main org 0030h main: clr p2.0 clr p2.2 lcall delay clr st setb st clr st lcall delay setb oe mov p1,#0ffh mov a,p1 clr oe clr c subb a,#67h ;报警值 jnc alerm sjmp main alerm: setb p2.2 setb p2.0 mov r4,#255 djnz r4,$ clr p2.0 mov r5,#255 djnz r5,$ sjmp alerm delay: mov r2,#250 aa: mov r3,#255 djnz r3,$ djnz r2,aa ret end结束语在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里老想着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多.我趁着做毕业设计的同时也对课本知识有了巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次毕业设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。 经过两个多月的设计里，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时的满富激情到后来汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。 通过这次毕业设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高