基于单片机的瓦斯浓度检测器的设计毕业设计论文.docxVIP

摘要本课题设计的是用单片机控制的瓦斯浓度报警监控仪，是采用以金属氧化物SnO2为主体材料制成的N型半导体气敏元件制成的瓦斯浓度测量仪，适用于中小型煤矿井下各作业场所中测量空气中的瓦斯浓度。仪器能够根据瓦斯浓度报警限(1.00%)进行声、光报警。仪器由CPU、敏感元件、A/D转换电路、显示电路、报警电路等组成。其中CPU是监控仪的核心，完成数据采集、处理、输出、显示等功能；敏感元件是准确检测瓦斯气体含量的主要元件之一，其输出是与瓦斯浓度相对应的电压信号；A/D转换电路把放大了的电压信号由模拟信号变为数字信号送入CPU；显示电路则显示实时瓦斯浓度；报警电路对超限瓦斯浓度进行报警。该仪器的特点是测量范围宽，精度高；结构简单，体积小，成本低；可靠性和稳定性好，是一种电路设计新颖、参数测量准确、操作方便的矿用瓦斯浓度监控仪。关键词：CPU；A/D转换；气敏元件；报警AbstractThis paper designs gas alarm monitor, which is made of metal oxide SnO2 as the main material for n-type semiconductors gas sensor. It is applicable to small and medium-sized coal mine in the measurement of workplace air concentration of gas. Apparatus, which is according to gas concentration alarm limit (1%), carry out sound and light alarm. Apparatus consists of CPU, sensitive element, A/D conversion circuit, display circuit and alarm circuit. CPU, which is the core of the monitor, finishes datas acquisition, processing, output, display and other functions; sensitive element that is used of the accurate detection of gas content is one of the main components, and its output isthe voltage signal which is corresponding to the gas-concentration; A/D conversion circuit exports the amplified voltage signal from the analog signal into digital signal to the CPU; display circuit displays the real-time gas-concentration; the alarm circuit alarms to the limited gas-concentration. The apparatus is characterized by a wide measurement range, high precision, reliability and good stability. It is that parameter measurement is accurate, the mine gas-concentration monitor.Key words: CPU; A/D converter circuit; Sensitive components; AlarmII目录1.绪论11.1 本课题的研究背景及意义11.2国内外发展概况和研究方向11.3课题主要研究内容与要求32系统总体设计42.1系统设计模块42.2系统功能描述43硬件设计53.1硬件系统设计53.2信号采集电路53.2.1瓦斯传感器的种类53.2.1.1接触燃烧式气体传感器结构及原理63.2.2 MQ-5介绍103.2.3 热阻体式气体传感器原理143.3 A/D转换电路153.3.1A/D转换器的种类153.3.2 A/D转换器的主要技术参数203.3.3ADC0809的内部逻辑结构213.3.4 ADC0809引脚结构223.3.5ADC0809应用说明233.4显示电路243.4.1 1602A引脚说明253.4.2 1602A自定义字符说明263.5声光报警电路273.6 单片机最小系统283.6.1 时钟电路283.6.2 复位电路283.7 单片机概述293.7.1 STC89C52特性293.7.2 STC89C52参数293.7.3 STC89C52工作模式303.7.4 STC89C52I/O口复用功能说明304. 软件设计314.1概述314.2系统流程图314.2.1 编程语言的选择324.2.2 keiiC51编程环境334.2.3 C51与标准C的主要区别334.3protues仿真345 总结37致谢38参考书目39附录411.绪论1.1 本课题的研究背景及意义我国是煤炭生产大国，随着煤矿机械化程度的提高，矿井生产能力和生产效率普遍加大，煤炭年产量居世界首位，2013年全国煤炭产量完成37亿吨左右，产煤量占世界总产煤量的20%。煤炭生产作为我国能源工业的支柱，其地位将是长期的，稳定的。但是，目前煤炭工业的安全生产状况却很差，其中之一便是有害气体的危害性，包括CH4，瓦斯，SO2等。近年来，瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等灾害，严重威胁着煤矿的安全生产和数百万名煤矿工的生命安全，2013年我国煤矿发生瓦斯事故59起，造成348人死亡。瓦斯灾害已成为制约我国煤矿安全生产和煤炭工业发展的重要因素，可以说瓦斯爆炸已经成为矿难的第一大祸首。国有地方和乡镇煤矿中，高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井占15%左右。在许多发达国家中为了减少事故的发生，一般不会开采高瓦斯灾害隐患严重的矿井。但中国是一个能源饥渴大国，煤炭是我国的主要能源，占一次性能源构成的75%,所以不论是低瓦斯还是高瓦斯，都在积极创造条件，照采不误。多年来的实践证明，瓦斯浓度的监测监控器在监测煤矿井下安全状况，防范安全隐患方面起着重要作用，充分发挥其作用，是我国煤矿安全形势实现好转的关键。近年来，国有重点煤矿瓦斯爆炸事故较少的原因之一，就是绝大多数煤矿的高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井安装了瓦斯报警器。瓦斯(CH4)是煤矿井下危害最大的气体，它是在成煤过程中形成并大量贮存于煤层之中的气体，无色、无味，有易燃、易爆等特点。瓦斯的危害主要表现为三个方面：第一、瓦斯浓度过高，对工人身体健康造成伤害，表现为缺氧，呼吸困难，窒息等；第二、瓦斯煤尘爆炸，瓦斯爆炸所产生的巨大冲击波和高温火焰，往往导致群死群伤，而且扬起的煤尘又会参与爆炸，摧毁巷道，毁坏设备，甚至毁灭整个矿井，给国家和人民生命财产造成巨大损失。第三、大量的瓦斯排入大气，污染大气环境。目前我国已经使用的瓦斯报警矿灯具有体积小、结构简单、安装方便等优点，但存在的问题时传感器漂移大，要定期维护，并且需要维护的周期很短；维护方法复杂，成本较高，抗机械干扰能力较差。为了解决这些问题，本课题在分析模拟式瓦斯报警器特点的基础上，充分利用52单片机的强大功能，对瓦斯浓度进行实时采集、数据处理，对瓦斯传感器进行实时自校零、非线性补偿，对提高瓦斯检测的可靠性和系统的性价比具有十分重要的意义。1.2国内外发展概况和研究方向最早监测瓦斯浓度的装置是安全灯，安全灯的构造简单，性能稳定，使用寿命长，一百多年来一直被沿用下来，至今仍在许多国家使用。从1675年英国北威尔士欣煤矿发生的第一次瓦斯爆炸矿难起，世界各国开始更进一步关注对瓦斯检测报警的相关安全研究。一直以来，光干涉瓦斯监测器在我国以及日本使用比较广泛，自20世纪30年代以来，已经连续使用了数十年，至今仍在多数些矿井的瓦斯检测中使用。目前，在瓦斯检测仪中占主导地位的是催化瓦斯检测仪，据最早文献记载，1943年以前美国已制成VCC瓦斯测量仪，日本在铂丝元件上加上涂有催化剂的载体小珠，制成最早的载体催化元件，并利用这种原件制成了北辰型瓦斯指示器。1958年法国Cherchar研究所已研制成功利用AI2O3为载体，钯Pd、钍Th为催化剂的载体催化元件，获得了较好的催化性能。1961年英国矿山安全研究所采用新的工艺，改进了载体催化元件的性能。从此，催化瓦斯传感器进入了其发展过程中的全盛时期。1961年以后，英、美、法、日、德、前苏联等国家又对其进行改进研究，并把它作为瓦斯检测的主要工作方向。我国对于催化型瓦斯传感器的研究工作起步稍晚。催化瓦斯传感器系统由两台DRS4型计算机控制，共有128个测头。当前国际催化瓦斯传感器的主要是向小型化、高稳定、长寿命方向发展。在这些要求中，努力提高元件的稳定性、延长元件使用寿命是中心课题。由于通过采用筛选催化剂配方和改进工艺的方法来提髙元件稳定性和延长元件使用寿命已经收获不大，所以必须在研究工作中进一步探索元件催化剂及载体的变化规律，找出提高元件的稳定性和延长元件的使用寿命的方法。为此需要深入研究催化剂的价态、颗粒大小、表面状态以及载体的晶型变化的规律，而这种深入的研究采用以前的检验手段已经不行了，必须采用更先进的技术，进入催化剂的微观世界，探索其变化规律。目前与此有关的现代分析技术主要有光电子能谱、扫描电子显微镜、X射线衍射、电子顺磁共振等。虽然世界各国在此方面的研究都有了些许初步的成果，但是关于催化剂和载体变化规律的研究报告或文章很少见发表。由于传感器是获取信息的工具，是信息技术（包括传感与控制技术、通讯技术和计算机技术）三大支柱之一，位于信息系统的最前端，其特性的好坏、输出信息的可靠性对整个系统质虽至关重要。因此目前世界各国一直把发展智能化传感器作为研究课题，投入大量人力物力进行开发研究。智能传感系统与传统传感器相比，具有高精度、高可靠性、高性能价格比、多功能化等优点，它代表了传感器的发展方向，是传感器克服自身落后向前发展的必然趋势。国外的监控系统技术水平理论上讲高于国内发展水平，但应用于国内煤矿尚有一定的局限性，如煤矿管理模式生产方式的不同，价格过高不适于国内煤矿现有条件，除在传感器技术方面可供借鉴外，其它仅具一定参考价值。80年代初，世界各产煤国检测装置的缺点是：1）测量范围小2）易受高浓度瓦斯和硫化物的影响，存在零点漂移和灵敏度漂移问题，存在检测不准确及井下校准困难等弊端。瓦斯报警对现在采矿业的安全起着非常重要的作用。现有的监测设备，都是采用数字显示或灯光显示的方式来提供测试数据的，这在环境狭窄、能见度差的井下工作面很不方便。采用直接的语音播报方式，可以主动向现场人员提供各种信息，遇到危险情况还能作为紧急广播使用。这对于提高安全意识、避免重大伤亡事故具有重要意义。由于我的水平有限，所以本设计仍然选择声光报警方式。本设计能够监控矿井的瓦斯气体的浓度，显示测量结果，并对当前的环境状态做出判断，发出报警信息。1.3课题主要研究内容与要求这次毕业设计的主要内容与要求是：设计一个煤矿瓦斯监测系统装置，在气体浓度一定的范围内进行安全检测，并能在矿内瓦斯浓度达到报警上限时进行声光报警，通知矿内工作人员及时撤离减少人员伤亡和财产损失。这个基于单片机的煤矿瓦斯监测系统要实现以下的功能：瓦斯浓度测试，超过设定的门限值后自动报警。2系统总体设计2.1系统设计模块如图2-1，系统主要由单片机最小系统，信号采集电路，A/D转换模块，显示模块，声光报警电路五部分组成。其中单片机最小系统是核心部分，负责信号的处理运算，控制显示模块已经声光报警部分。信号采集部分主要采集浓度信号，将浓度信号转换成电压信号，然后由A/D转换模块将模拟量转化为数字量送给单片机，单片机进行分析后控制显示模块进行浓度显示。如果浓度过高，单片机控制报警电路进行声光报警。图 2-1 系统总体框图2.2系统功能描述便携式电子瓦斯检定器是一种可随身携带、能连续自动测定（或点测）环境中瓦斯浓度的全电子仪器，具有操作方便、读数直观、工作可靠、体积小、重量轻、维修方便等特点。一个易燃易爆气体监控系统能够及时的发现易燃易爆气体并报警，肯定能提高人民的生活水平和加快我们的现代化建设，减少不必要的人员跟财产损失，有利于整个社会稳定。基于这个思路，我们研究设计了煤矿瓦斯监测系统。能较为准确科学的检测并显示矿内瓦斯浓度，并且当气体浓度超出某一设定范围后会产生报警，从而达到实时安全监控作用。达到的效果：井下瓦斯浓度正常时显示瓦斯浓度，声光报警器不报警；浓度超标时正常显示瓦斯浓度声光报警器报警提醒作业人员撤离，防止事故发生。3硬件设计3.1硬件系统设计仪器由瓦斯传感器、A/D转换模块、显示电路、声光报警电路等部分组成。仪器的供电电压为5V，瓦斯传感器由在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）气体敏感材料制成。当传感器所处环境中存在可燃气体时传感器随着气体中可燃气体浓度的增大而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转化为相应的的输出信号。采集到的电压信号经过A/D转换模块转换为数字信号，经过单片机处理后，由显示电路显示可燃气体浓度值。声光报警电路由蜂鸣器、发光二极管构成。当可燃气体浓度超过设定的报警点时，由软件控制报警。3.2信号采集电路3.2.1瓦斯传感器的种类瓦斯烟雾可燃气体传感器的使用可分为瓦斯泄漏的检出及浓度的测定，瓦斯取样分析。一般瓦斯传感器可分为接触燃烧式、半导体式、热阻体式三种传感器。其特性如下：1）接触燃烧式可燃气体(H2、CO、CH4等)与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热(无焰接触燃烧热)，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。一般情况下，空气中可燃性气体的浓度都不太高(低于10)，可燃性气体可以完全燃烧，其发热量与可燃性气体的浓度有关。空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应(燃烧)产生的反应热量(燃烧热)愈多，铂丝的温度变化(增高)愈大，其电阻值增加的就越多。因此，只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值(R)，就可检测空气中可燃性气体的浓度。2）半导体式半导体式气体传感器是根据由金属氧化物或金属半导体氧化物材料制成的检测元件，与气体相互作用时产生表面吸附或反应，引起载流子运动为特征的电导率或伏安特性或表面电位变化而进行气体浓度测量的。从作用机理上可分为表面控制型（采用气体吸附于半导体表面而产生电导率变化的敏感元件）、表面电位型（采用半导体吸附气体后产生表面电位或界面电位变化的气体敏感元件）、体积控制型（基于半导体与气体发生反应时体积发生变化，从而产生电导率变化的工作原理）等。可以检测百分比浓度的可燃气体，也可检测ppm级的有毒有害气体。具有结构简单、检测灵敏度高、反应速度快等诸多实用性优点，但其主要不足是测量线性范围较小，受背景气体干扰较大，易受环境温度影响等。3）热阻体式利用热阻体组件的热传导式瓦斯检知方式为日本通产省工业技术院资源技术试验所。由传感器厂商、机器厂商共同开发，先当做坑内携带用沼气检知警报器，后来又用于都市管路瓦斯，液化天然瓦斯等检出，是可靠度极高的瓦斯传感器。热阻体瓦斯察觉器当检知部使用而实用化时有下列困难。必须将热阻体组件的长期变化降到可忽视的程度。为克服上述1.的缺点，瓦斯检知用组件和补偿用组件的热损失必须不影响其实用性。热阻体式瓦斯检知装置在常温常压时，因水蒸气的热传导率为沼气的77%，所以易受湿度的影响，不可不重视。3.2.1.1接触燃烧式气体传感器结构及原理1、原理接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路如图。图3-1中F1是检测元件；F2是补偿元件，其作用是补偿可燃性气体接触燃烧以外的环境温度、电源电压变化等因素所引起的偏差。图 31 接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路工作时，要求在F1和F2上保持100mA200mA的电流通过，以供可燃性气体在检测元件F1上发生氧化反应(接触燃烧)所需要的热量。当检测元件F1与可燃性气体接触时，由于剧烈的氧化作用(燃烧)，释放出热量，使得检测元件的温度上升，电阻值相应增大，桥式电路不再平衡，在A、B间产生电位差E。E=E0RF1+RF2RF1+RF2+RF-(R1R1+R2) (3-1)因为很小，可以在分母中省去，并且有RF1R1=RF2R2,则E=E0R1R1+R2RF1+RF2(RF2RF1)RF (3-2)如果令k=E0R1/(R1+R2)(RF1+RF2) (3-3)则E=k(RF1RF2)RF (3-4)这样，在检测元件F1和补偿元件F2的电阻比RF2/RF1接近于1的范围内，A，B两点间的电位差E，近似地与RF成比例。在此，RF是由于可燃性气体接触燃烧所产生的温度变化(燃烧热)引起的，是与接触燃烧热(可燃性气体氧化反应热)成比例的，即可以用下面的公式来表示RF=T=HC=mQC(3-5)，C和的数值与检测元件的材料、形状、结构、表面处理方法等因素有关。Q是由可燃性气体的种类决定。因而，在一定条件下，都是确定的常数。则b=mQC (3-6)即A、B两点间的电位差与可燃性气体的浓度m成比例。如果在A、B两点间连接电流计或电压计，就可以测得A、B间的电位差E，并由此求得空气中可燃性气体的浓度。若与相应的电路配合，就能在空气中当可燃性气体达到一定浓度时，自动发出报警信号。2、结构如图3-2，用高纯的铂丝,绕制成线圈,为了使线圈具有适当的阻值(12),一般应绕10圈以上。在线圈外面涂以氧化铝或氧化铝和氧化硅组成的膏状涂覆层,干燥后在一定温度下烧结成球状多孔体。将烧结后的小球,放在贵金属铂、钯等的盐溶液中,充分浸渍后取出烘干。然后经过高温热处理,使在氧化铝(氧化铝一氧化硅)载体上形成贵金属触媒层,最后组装成气体敏感元件。除此之外,也可以将贵金属触媒粉体与氧化铝、氧化硅等载体充分混合后配成膏状,涂覆在铂丝绕成的线圈上,直接烧成后备用。另外，作为补偿元件的铂线圈,其尺寸、阻值均应与检测元件相同。并且,也应涂覆氧化铝或者氧化硅载体层,只是无须浸渍贵金属盐溶液或者混入贵金属触媒粉体,形成触媒层而已。图3- 1 气敏元件结构3.2.1.2半导体式瓦斯传感器的结构及原理半导体式瓦斯传感器是以金属氧化物SnO2为主体材料的N型半导体气敏元件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。其具有结构简单、成本低、可靠性高，稳定性好、信号处理容易等优点。按照结构可以分为烧结型（a）、薄膜型（b）和厚膜型（c）如图3-3。图3- 2 半导体式瓦斯传感器结构3.2.2 MQ-5介绍3.2.2.1 工作原理：电阻型半导体气敏传感器气敏元件的敏感部分是金属氧化物微结晶粒子烧结体，当它的表面吸附有被测气体时，半导体微结晶粒子接触介面的导电电子比例就会发生变化，从而使气敏元件的电阻值随被测气体的浓度改变而变化。3.2.2.2 MQ-5技术指标：本设计用的传感器元件时MQ-5，其技术指标如表3-1。表3- 1 MQ-5技术指标加热电压（Vh）AC或DC 50.2V响应时间(trec)10S加热电压（Vh）最大DC 24V恢复时间(trec)30S负载电阴（Rl）2K元件功耗0.7W清洁空气中电阻（Ra）2000 K检测范围5010000ppm灵敏度（S=Ra/Rdg）4(在1000ppmC4H10中)使用寿命2年3.2.2.3 MQ-5特点1.用于可燃性气体的检测（CH4、C4H10、H2等）2.灵敏度高3.响应速度快4.输出信号大5.寿命长，工作稳定可靠3.2.2.4 MQ-5灵敏度图3-4是传感器典型的灵敏度特性曲线。图中纵坐标为传感器的电阻比（Rs/Ro），横坐标为气体浓度。Rs表示传感器在不同浓度气体中的电阻值Ro表示传感器在1000ppm 氢气中的电阻值。图中所有测试都是在标准试验条件下完成的。图 34 传感器典型灵敏度曲线图3-5是传感器典型的温度、湿度特性曲线。图中纵坐标是传感器的电阻比（Rs/Ro）。Rs表示在含1000ppm丙烷、不同温/湿度下传感器的电阻值。Ro表示在含1000ppm丙烷、20/65%RH环境条件下传感器的电阻值。图 3-5 传感器典型温度湿度特性曲线3.3.2.5 气体浓度与读数的关系气体浓度与读数的关系如表3-2，所示表3- 2浓度计算值100500800100020003000500010000RsR00.90.70.550.50.40.350.280.2Rs(k)12.9910.107.947.215.775.054.042.89V0=RLRL+Rs(V)3.033.323.573.673.883.994.154.36显示读数=V05255-C6983961011121171261363.2.2.6 MQ-5使用方法及注意事项1）元件开始通电工作时,没有接触可燃性气体,其电导率也急剧增加1分钟后达到稳定,这时方可正常使用,这段变化在设计电路时可采用延时处理解决。2）加热电压的改变会直接影响元件的性能,所以在规定的电压范围内使用为佳。3）元件在接触标定气体1000ppm C4H10后10秒以内负载电阻两端的电压可达到(Vdg- Va)差值的80%(即响应时间);脱离标定气体1000ppm C4 H1030秒钟以内负载电阻两端的电压下降到(Vdg- Va)差值的80%(即恢复时间)。符号说明：1）检测气体中电阻-Rdg检测气体中电压-Vdg2）Rdg与Vdg的关系:Rdg=RL(VC/Vdg-1)3）负载电阻可根据需要适当改动,不影响元件灵敏度。使用条件:温度-1535;相对湿度4575%RH;大气压力80106KPa环境温湿度的变化会给元件电阻带来小的影响,当元件在精密仪器上使用时,应进行温湿度补偿,最简便的方法是采用热敏电阻补偿之。避免腐蚀性气体及油污染,长期使用需防止灰尘堵塞防爆不锈钢网。元件六脚位置可与电子管七角管座匹配使用。3.2.2.7 MQ-5引脚说明MQ-5外观如图3-6。图3- 3 MQ-5外观结构图为图3-7。图3- 4 MQ-5结构图它由微型氧化铝陶瓷管、氧化锌敏感层，测量电极和加热器构成，敏感元件固定在塑料或不绣钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6个管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。图3-8中、分别表示MQ-5型气敏传感器的引脚排布图、引脚功能图、使用接线图。其中H-H表示加热极（如5V），A-A、B-B传感器表示敏感元件的2个极，图中“V”为传感器的工作电压，同时也是加热电压。结构如图3-8。图3- 5 MQ-5型气敏传感器加热电压取交直流5V均可。当气敏传感器加热后，环境中的可燃气体浓度加大时，传感器的内阻将迅速减小，利用该特性结合分压原理，分析得知Vout的值将逐渐加大，当超过我们设定的阈值时，可产生相应的操作。3.2.3 热阻体式气体传感器原理热阻式（热电堆式热流传感器或称温度梯度型热流传感器）是应用最普遍的一类热流传感器。这类传感器的原理是：当有热流通过热流传感器时，在传感器的热阻层上产生了温度梯度，根据付立叶定律就可以得到通过传感器的热流密度，设热流矢量方向是与等温面垂直：q = dQ / ds = -dT / dX (3-7)式中：q 为热流密度；dQ为通过等温面上微小面积，dS流过的热量；dT / dX为垂直与等温面方向的温度梯度； 为材料的导热系数；如果温度为T 和T + T的两个等温面平行时：q = - T / X (3-8)式中：T为两等温面的温差；X为两等温面之间的距离。只要知道热阻层的厚度X，导热系数，通过测到的温差T 就可以知道通过的热流密度。当用一对热电偶测量温差T 时，这个温差是与热流密度成正比的，温差的数值也与热电偶产生的电动势的大小成正比例，因此测出温差热电势就可以反映热流密度的大小：q = KrE (3-9)式中：Kr为热流传感器的分辨率，W/(v)；E为测头温差热电势；分辨率Kr 是热阻式热流计的重要性能参数，其数值的大小反映了热流传感器的灵敏度。Kr 数值越小则热流传感器越灵敏，其倒数被称为热流传感器的灵敏度Ks（Ks=1/Kr）。为了提高热流传感器的灵敏度，需要加大传感器的输出信号，因此就需要将众多的热电偶串联起来形成热电堆，这样测量的热阻层两边的温度信号是串连的所有热电偶信号的逐个叠加，信号大能反映多个信号的平均特性。热电堆是热阻式热流传感器的核心元件，也是其他辐射式热流传感器的核心元件。3.3 A/D转换电路3.3.1A/D转换器的种类A/D转换器的类型很多，根据转换方法的不同，最常用的A/D转换器有如下几种类型。3.3.1.1 并行比较型A/D转换器1. 并行比较型A/D转换器的电路原理图3位并行比较型A/D转换器原理电路图如图3-9，它由电阻分压器、电源比较器、寄存器及编码器组成图3-9 3位并行比较型A/D转换器原理2. 工作原理图中的8个电阻将参考电压VREF分成8个等级，其中7个等级的电压分别作为7个比较器C1-C7的参考电压，其数值分别为VREF/15、3VREF/15、13VREF/15。输入电压为V1，它的大小决定各比较器的输出状态，如当0v1VREF/15时，C1-C7的输出状态都为0；当3VREF/15v15VREF/15时，比较器C6=C7=1，其余各比较器的状态都为0.根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由D触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。优先编码器优先级别最高是I7，最低的是I1。设v1变化范围是0-VREF，输出3位数字量为D2D1D0，3位并行比较型A/D转换器的输入、输出关系如表3.3所示表 3-3 3位并行比较型A/D转换器的输入、输出关系模拟输入量比较器输出状态数字输出Co1Co2Co3Co4Co5Co6Co7D2D1D00v1VREF/150000000000VREF/15v13 VREF/1500000010013 VREFv15 VREF/1500000110105 VREFV17 VREF00001110117 VREF/15V19 VREF/1500011111009 VREF/15V111 VREF/15001111110111 VREF/15V113 VREF/15011111111013 VREFV1 VREF11111111113. 特点（1）由于转换是并行的，其转换时间只受比较器、触发器和编码电路延迟时间的限制，因此转换速度最快。（2）随着分辨率的提高，元件数目要按几个级数增加。一个n位转换器，所用比较器的个数为2n-1，如8位的并行A/D转换器就需要28-1=255个比较器。由于位数越多，电路越复杂，因此制成分辨率较高的集成并行A/D转换器是比较困难的。（3）精度取决于分压网络和比较电路。（4）动态范围取决于VREF。4. 改进方法为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并行转换的方法。10位分级并行A/D转换原理如图3-10所示。图中模拟信号V1，经取样-保持电路后分两路，一路先经第一级5位并行A/D转换进行粗转换得到输出数字量的高5位，另一路送至减法器，与高5位D/A转换得到的模拟电压相减。由于相减所得到的差值电压小于1VLSB，为保证第二级A/D转换器的转换精度，将差值放大25-32倍，送第二级5位并行比较A/D转换器，得到低5位输出。这种方法虽然在速度上作了牺牲，却使元件数大为减少，在需要兼顾分辨率和速度的情况下常被采用。图3- 6 10位分级并行A/D转换原理3.3.1.2逐次比较型A/D转换器逐次比较型A/D转换器是目前采用最多的一种直接A/D转换器。逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似（天平称重的过程是，从最重的砝码开始试放，与被称物体进行比较，若物体重于砝码，则该砝码保留，否则移去。再加上第二个次重砝码，由物体的重量是否大于砝码的重量决定第二个砝码是留下还是移去。照此一直加到最小一个砝码为止。将所有留下的砝码重量相加，就得物体重量）。逐次比较型A/D转换器仿照这一思路，将输入模拟信号与不同的参考电压做多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量对应值。n位逐次比较型A/D转换器框图如图3-11所示。它由控制逻辑电路、数据寄存器、移位寄存器、D/A转换器及电压比较器组成。图3- 7 n位逐次比较型A/D转换器工作原理：电路由启动脉冲启动后，在第一个时钟脉冲作用下，控制电路是移位寄存器的最高位置1，其它位置0，其输出经数据寄存器将10000送入D/A转换器。输入电压首先与D/A转换器输出电压（VREF/2）相比较，如V1VREF/2，则为0。比较结果存于数据寄存器的Dn-1位。然后在第二个CP作用下，移位寄存器的次高位置1，其它位置0。如果高位已存1，则此时V0=(3/4)VREF。于是，V1再与(3/4)VREF相比较，如V1(3/4)VREF则次高位Dn-2=0；如最高位为0，则V0=VREF/4，V1与V0比较，如V1VREF/4，则Dn-2位存1，否则存0。依次类推，逐次比较得到输出数字量。3.3.1.3双积分型A/D转换器双积分式A/D转换器是一种间接A/D转换器。它的基本原理是，对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。由于该转换电路是对输入电压的平均值进行交换，所以它具有很强的抗工频干扰能力，在数字测量中得到广泛应用。图3-12是双积分式A/D转换器的原理电路，它由积分器（由集成运放A组成），过零比较器（C）、时钟脉冲控制门（G）和定时/计数器（FF0-FFn）等几部分组成。图3-12 双积分式A/D转换器的原理电路3.3.2 A/D转换器的主要技术参数1. 分辨率 分辨率是指输出数字量变化一个最小单位(最低位的变化)，对应输入模拟量需要变化的量。输出位数越多，分辨率越高。通常以输出二进制码的位数表示分辨率。2. 相对精度相对精度是指实际转换值偏离理想特性的误差。通常以数字量最低位所代表模拟输入值来衡量，如相对精度不超过1/2LSB 3. 转换时间转换时间是指A/D转换器从接到转换命令起到输出稳定的数字量为止所需要的时间。它反映A/D转换器的转换速度。此外，还有输入电压范围、功率损耗等。本设计所用的A/D转换模块是ADC0809，它是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。3.3.3ADC0809的内部逻辑结构该芯片内部由8位模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、电阻网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器、控制与时序电路、三态输出锁存器等组成如图3-13。图3- 8 ADC0809内部逻辑结构虚线框中为芯片核心部分。各部分功能大致如下。地址锁存与译码器控制8位模拟开关，实现对8路模拟信号的选择。8个模拟输入端能接收8路模拟信号，但相对某一时刻只能选择其中的一路进行转换。树状开关与256R电阻网络一起构成D/A转换电路，产生与逐次逼近寄存器中二进制数字量对应的反馈模拟电压，送至比较器，与输入模拟电压进行比较。比较器的输出结果和控制与时序电路的输出一起控制逐次逼近寄存器中的数据从高位至低位变化，依次确定各位的值，直至最低位被确定为止。在转换完成后，转换结果送到三态输出缓冲器。当输出允许信号OE有效时，选通输出缓冲器，输出转换结果。3.3.4 ADC0809引脚结构如图3-14ADC0809引脚图D7-D0：8位数字量输出引脚。IN0-IN7：8位模拟量输入引脚。VCC：+5V工作电压。GND：地。REF（+）：参考电压正端。REF（-）：参考电压负端。START：A/D转换启动信号输入端。ALE：地址锁存允许信号输入端。（以上两种信号用于启动A/D转换）.EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。CLK：时钟信号输入端（一般为500KHz）。A、B、C：地址输入线。图3- 9 ADC0809引脚图ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。地址输入和控制线：4条表3-4 ADC0809通道选择ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进入转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择如表3-4所示。CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7数字量输出及控制线：11条ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（），VREF（）为参考电压输入。3.3.5ADC0809应用说明（1） ADC0809内部带有输出锁存器，可以与STC89C51单片机直接相连。（2）初始化时，使ST和OE信号全为低电平。（3）送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。（4）在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。（5）是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。（6）当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。Protues仿真中A/D转换电路如图3-15图3- 10 ADC0809仿真图3.4显示电路本设计所用显示模块是LCD1602A液晶显示屏，1602是指显示的内容为16*2，可以显示两行，每行显示16个字符；A为厂家编号3.4.1 1602A引脚说明1602通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样。其他引脚介绍如表3-5。表3- 3 1602引脚说明引脚号引脚名电平输入/输出作用1Vss电源地2Vcc电源（+5V）3Vee对比调整电压4RS0/1输入0=输入指令1=输出指令5R/W0/1输入0=向LCD写入指令或数据1=从LCD读取信息6E1,10输入使能信号，1时读取信息，10（下降沿）执行指令7DB00/1输入/输出数据总线line08DB10/1输入/输出数据总线line19DB20/1输入/输出数据总线line210DB30/1输入/输出数据总线line311DB40/1输入/输出数据总线line412DB50/1输入/输出数据总线line513DB60/1输入/输出数据总线line614DB70/1输入/输出数据总线line715A+VccLCD背光电源正极16K接地LCD背光电源负极3.4.2 1602A自定义字符说明DDRAM说明DDRAM就是显示数据RAM，用来寄存待显示的字符代码。共80个字节，其地址和屏幕的对应关系如表3-6。表3- 4 DDRAM地址和屏幕对应关系显示位置1234567.40DDRAM地址第一行00H01H02H03H04H05H06H.27H第二行40H41H42H43H44H45H46H.67HCGRAM自定义字符产生器在对模块初始化的过程里面,定义显示方式、光标、字符移位方式、自定义字符和开显示等操作。在需要显示自定义字符时,与显示内置字符的方法是相同的,只是CGRAM的地址有所区别。在写入CRRAM或DDRAM地址以后,写入对应的数据列。下面给出自定义字符点阵时定义和调用时的步骤。1)在显示初始化时写入控制命令字,以设置CGRAM地址。 CGRAM中只能自定义8个57点阵字符(后面会看到限制8个自定义字符的原因),对应的CGRAM地址范围是000 000 000 111。定义这8个57点阵字符对应的控制命令字分别为: 40H,48H,50H,58H,60H,68H,70H,78H 2)向CGRAM写入字型编码数据(CGRAM数据)。对于57点阵字符,连续写入7行点阵数据。每行分别对应CGRAM数据0-4位(第4位在左侧),需要显示的对应点置1,反之则置0。例如,自定义字符为字母“R”,则连续写入的字型数据为: 1EH,11H,11H,1EH,14H,12H,11H 3)向模块写入字符码值,调用自定义字符。在调用自定义字符时,要注意CGRAM地址以3位一组排列,字符码值0-2位对应CGRAM地址位3-5。字符码值4-7位全0,而第3位无效,可以是0或1。这就是自定义CGRAM空间为16个字节,却只能定义8个字符的原因。所以上面例子CGRAM中第一个自定义的字符“R”可以用码值00H或08H选中。据此,显示8个自定义字符的字符码值分别为: 00H、01H、02H、03H、04H、05H、06H和07H,或者08H、09H、0AH、0BH、0CH、0DH、0EH和0FH。protues仿真中显示电路如图3-16。图3- 11 显示电路3.5声光报警电路声光报警电路如图3-17图3- 12 声光报警电路声光报警电路由蜂鸣器，发光二级管（红、绿），470上拉电阻组成，共用一个地，且直接与单片机I/O口相连。当浓度超过设定值时蜂鸣器发出声音报警，红色发光二极管发光，绿色发光二极管灭。在气体浓度水平未达到设定值时，绿色发光二极管发光，红色灭，蜂鸣器不发声。3.6 单片机最小系统如图3-18，是单片机最小系统，由四个部分组成：图3- 13 单片机最小系统3.6.1 时钟电路XTAL1：芯片内部震荡电路输入端XTAL2：芯片内部震荡电路输出端XTAL1和XTAL2是独立的输入和输出反相反放大器，它可以被分配为使用石英晶振的片内震荡器，或者器件由外部时钟驱动。3.6.2 复位电路在单片机中复位电路非常重要，当程序跑飞（运行不正常）或者死机（停止运行）时，就需要进行复位。MCS-51系列单片机的复位引脚RST出现两个机器周期以上的高电平时，单片机就进行复位操作。如果RST为持续高电平，单片机就处于循环复位状态。3.7 单片机概述本设计采用STC89C52单片机。STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC8