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煤气报警器的毕业论文设计 1 开封大学 基于单片机的家用煤气报警器设计的 毕业设计 目录 摘要.2 Abstract.3 第 1 章 绪论.4 1.1、课题研究的背景4 1.2、课题研究的目的5 1.3、国内外研究现状及发展动态6 1.4、研究内容7 第 2 章系统总体设计.8 2.1 设计要求.8 2.11 方案的选择.8 2.12 煤气泄露测试的功能9 2.13 煤气泄露测试系统框图9 2.2 相关技术和器件的基本知识.10 2.21 气体传感器介绍10 2.22单片机选择.12 2.23 X5045 看门狗及复位电路16 2.24 声光报警与 LED 显示18 2.25 HD7279A 电路模块20 2.26 数据采集单元.23 2.27 放大器的选择.27 2.28 DS12887 实时时钟芯片及其电路29 2.29 排气扇控制系统与切断阀.30 设计心得.33 参考文献：.35 谢辞.36 附录 A：原理图37 煤气报警器的毕业论文设计 2 摘要 如今人类生活里面煤气已成为人们生活中必不可少的能源了，在越来越多的人使 用煤气的同时，煤气泄漏引起的事故发生的频率也越来越高，从而给人们的人身安全和 财产安全带来了很多隐患，所以怎样防止煤气中毒与爆炸已成为人们的迫切需要.当今 社会上，出现了许多煤气报警器，而这些产品大都是针对煤气的泄漏所做出的相应的报 警，即为家庭式煤气报警器。随着社会的发展，煤气报警器也在发展。微机控制技术、 传感器在工业控制、机电一体化、智能仪表、通信、家用电器等方面得到了广泛应用， 显著提高了各种设备的技术水平和自动化程度。 本课题设计煤气报警采用了 AT89S52 单片机为报警器的核心部件， 对煤气报警器进 行控制。用单片机实现定时控制，电路简单、价格便宜、可靠性好。由一氧化碳气体传 感器对煤气进行检测，将所得的浓度值与设定浓度值相比较得到偏差。通过对偏差信号 的处理获得控制信号，去调节煤气出气阀的通断，八个单元的煤气浓度对应模拟量利用 A/D 转换为数字量，并加入了键盘输入，从而实现对家用煤气漏气的控制。整个系统的 硬件电路设计合理，性能安全可靠。 关键词：单片机关键词：单片机 煤气浓度煤气浓度 报警器报警器 煤气报警器的毕业论文设计 3 Abstract Now the human life inside the gas has become essential to life energy, in more and more people use gas at the same time, gas leakage accidents caused by more and more is also high frequency, thus to peoples personal safety and property safety brought many hidden problems, so how to prevent gas poisoning and explosion has become the urgent needs of the people. In todays society, appeared a lot of gas alarm, but these products are mostly for the coal gas leak made corresponding alarm, is a family type gas alarm. With the development of the society, gas alarm also in development. The microcomputer control technology, the sensor inindustrialcontrolmechanicalandelectricalintegration,intelligentinstrument, communication, household appliances, etc to a wide range of applications, improved the each . This topic design gas alarm used for alarmAT89S52 SCM core part, gas alarm to control. With the single chip microcomputer timing control, circuit is simple, cheap, good reliability. Carbon monoxide gas by electrochemical sensors to detect gas, took the density and setting density compared to get deviation. Through to the deviation of signal processing gain control signal to regulate the gas out of the air valve hige, eight units of gas concentration of corresponding simulation using A/D conversion for the digital quantity, and joined the keyboard input, so as to realize the control of household gas leak. The whole system hardware circuit design is reasonable and reliable performance. Keywords: SCMgas concentrationalarm 煤气报警器的毕业论文设计 4 第 1 章 绪论 1.1、课题研究的背景 随着经济和科学技术的快速发展,人们对生活质量的提高和生活环境的改善越来越 重视,液化气、煤气进入家庭的使用为人们带来了方便,人民生活水平的提高，管道煤气 和罐装煤气已深入到寻常百姓家。 我国燃气的变革及西气东输工程的进行，煤气和天燃气已成为多数家庭的燃料。每 年，因煤气泄露造成的煤气中毒事故中，因使用热水器不当或产品本身的质量问题，造 成的煤气中毒事故，事故发生频率随年增长。因室内煤气浓度过高，引起煤气爆炸的事 故也不少见。所以怎样防止煤气中毒与爆炸已经成为人们的迫切需要。为此我们开发研 制了智能煤气报警系统。目前家用煤气，液化气、天然气作为气体燃料，已用于家庭、 旅馆，深入人民的生活之中。气体燃料的应用和普及，伴之而来的是气体泄漏造成的中 毒、爆炸、火灾等事故也时有发生。家用煤气有时会因各种原因发生泄漏，煤气的主要 成分是甲烷、CO 等气体，甲烷是一种可燃性气体，遇到明火会发生燃烧，当浓度达到 一定数量时甚至爆炸，所以如果在煤气泄漏时打电话，煤气遇到电火花可能会发生爆炸 事故。人呆在煤气泄漏的空间内，甲烷的不完全燃烧可能会生成一氧化碳，一氧化碳泄 漏中毒死亡尤为严重。众多周知由于 CO 与血液中的血红素的结合能力是氧的 240 倍, 因此,当它进入人体血液循环系统后,就会大量取代氧而与血红素结合,抑制血液中氧气 的释放,使得人体缺氧，从而导致发生头痛、耳鸣、呕吐、血压降低等不同程度的症状 发生。如果 CO 中毒,轻者于康复过程中可能会头昏眼花、丧失记忆或引起视觉及神经上 的障碍,严重者会导致脑部受损甚至发生死亡。 煤气报警器的毕业论文设计 5 表 1.1CO 对人体的有害程度 空气中一氧化碳的浓度吸入时间和中毒症状 200ppm2-3 小时前头部轻度头痛 400ppm1-2 小时前头痛恶心 2.5-3 小时后头痛 800ppm45 分钟头晕眼花 2 小时精神失常 1600ppm20 分钟头晕、头痛眼花 2 小时死亡 3200ppm5-10 分钟头晕、头痛、眼花 30 分钟死亡 6400ppm1-2 分钟头晕、头痛、眼花 10-15 分钟死亡 12800ppm1-3 分钟死亡 1.2、课题研究的目的 可燃性气体通常指煤气、石油液化气、汽油蒸汽、酒精蒸汽、天然气以及煤矿瓦斯 等。这些气体主要含有烷类（甲烷） 、烃类、烯类、醇类、苯类以及一氧化碳和氢气等 成分，这些气体易燃、易爆、不易贮存，在使用这些气体的过程中，如违反操作规程或 者设备密封不好，都有可能发生可燃气体泄漏事故，进而酿成火灾或爆炸事故，给人民 的生命财产造成损失。可燃性气体检测报警装置是能够检测环境中的可燃性气体浓度， 并具有报警功能的仪器。 使用可燃气检测报警器是对付燃气无形杀手的重要且非常有效 的手段之一。当今社会计算机科学技术的普及和信息技术的迅猛发展，人们己不在满足 于传统的居住环境， 对家庭及住宅小区提出了更高的要求， 智能化被引入人们的生活中， 并迅速在世界各地发展起来。人们对居住环境的要求日见增高，体现在希望住宅不仅更 便利、更加舒适而且更安全。如今单片机的应用越来越广泛，煤气泄漏则是人们日常生 活中常常需要测量和控制的一个问题。单片机有利于为现代人工作、科研、生活、提供 煤气报警器的毕业论文设计 6 更好的、更方便、更安全的设施。为了防止中毒事件再次发生，提出利用单片机系统进 行有效的预防对策。所以怎样防止煤气中毒与可燃性气体爆炸已成为人们的迫切需要。 为此我们开发研制了智能煤气报警系统。 1.3、国内外研究现状及发展动态 报警器其实按检测气体可分为：可燃气体报警器，有毒气体报警器和复合式气体报 警器，其中复合式气体报警器可同时检测可燃和有毒气体气体报警器，使用不同传感器 检测不同气体。 按自身形态可分为：固定式气体报警器和便携式气体检测仪。 燃气泄漏报警器从功能上可分为： 仅有泄漏报警功能的泄漏报警器和可以指示所探 测到的燃气浓度并具有报警功能的检测报警器；燃气报警器从使用场所上可分为：民用 燃气泄漏报警器和商用报警器。 其中民用报警器通常是独立的在住宅中使用的燃气报警 器，功能较简单，容易实现，且价格便宜；商用报警器主要使用燃气的运输、储存场所、 使用燃气和可能有燃气泄漏的的工厂和公共场所。城市燃气规范中规定地下室、半地下 室、建筑的管道井、地上密闭空间的用气房间、封闭计量表房等可能出现可燃气泄露的 地方都要安装燃气报警器。 建筑和燃气的相关规范和法规也推荐使用民用燃气泄漏报警 器。 民用可燃气体报警器为居民家庭用的燃气报警器，一般安装在厨房、浴室等安装了 煤气设备的地方。遇燃气泄漏时，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时 联动外部设备。有的报警器可自动开启排风扇，把燃气排出室外；还有的报警器在报警 时可自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏。在应用方面，目前最广泛的是可燃性气体 气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，从工厂企业到居民家庭，应用十 分广泛。 国外从 20 世纪 30 年代开始研究及开发气体传感器，发展非常迅速，其一方面是因 为人们安全意识越来越强，对环境安全性和生活舒适性的要求提高；另一方面是因为传 感器市场增长受到政府安全法规的保护和推动，因为发展智能的传感器，可以推动人们 的生活水平的发展。据有关统计，美国 1996 年到 2002 年气体传感器年均增长率为 27% 至 30%。随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使 煤气报警器的毕业论文设计 7 得气体检测仪器的体积也逐渐变小，提高了气体检测仪器的便携性，高集成，体积小， 功能容易实现，更加利于生产、运输及市场推广。 1963 年 5 月，日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器，又于次年 12 月其改良产品问世，改良的报警器可以检测燃气（甲烷） 、一氧化碳等气体，可以安装 在浴室或者采用集中监视。 我国于 70 年代初期开始研制可燃性气体报警器，生产型号多样、品种较齐全，应 用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器， 同时产品 数量也在不断增加。但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上， 进行研究与开发形成自己的特色。但是近年来，在气体选择性和产品稳定性上也有很大 进步。 1.4、研究内容 本设计针对经常发生的煤气泄漏中毒事件，采用煤气、甲烷及一氧化碳等气体传 感器、单片机、电磁阀和电铃，设计一套有毒气体检测、报警电路，显示室内空气质量， 用单片机模块分路控制继电器、发光二极管和报警器。 报警系统由硬件和软件两大部分组成。其中硬件部分由各报警感应器、感应器控制 器、主控器等设备组成。软件部分主要是报警系统控制程序。CO 气体传感器用来检测 空气中煤气的浓度，当空气中煤气含量超过允许的标准浓度后，感应器所获得的感应信 号均被感应器控制器所接收，再由感应器控制器对各感应信号进行相应识别和处理，并 将处理后的感应信号转化为电信号，再通过串口送至主控器，由主控器对其采取相应的 警报动作。 报警信号加至报警声响电路的控制端后， 报警声响电路被触发， 发出报警声， 同时关闭总气阀。 本课题在硬件设计方面主要研究组成家用煤气泄漏报警控制系统的单片机芯片、 CO 气体传感器总线的使用方法，同时研究电路设计思路、电路组成，包括控制芯片、气体 传感器、单片机等的选用和设计。 本设计主要研究并设计一个基于单片机的煤气报警系统， 并实现对 A/D 数据的采集 和声光的报警控制。控制系统主要是由 52 系列单片机、A/D 数据采集电路、传感器电 煤气报警器的毕业论文设计 8 路、看门狗、复位电路、LED 显示、声光报警电路等部分组成。单片机通过 A/D 转换 8 路传感器来所得到的信号，进行比较处理，并且能够存储各个通道的报警上限和报警时 的数据储存， 并且在安全值内， 轮回显示当前通道的测量值和设定值， 但是在安全值外， 则产生声光报警，并且轮回显示报警通道的当前值和设定值。 第 2 章系统总体设计 2.1 设计要求 2.11 方案的选择 目前存在很多关于煤气报警器设计的方案，很多种设计方法，但是我在这里这里不 一一列举，只介绍了几种方案，简单介绍如下： 方案一，通过 52 系列单片机作为主控单元，并且能够通过传感器把模拟信号通过 A/D 信号转换为数字信号，并且读取和显示出来。键盘可以通过不同的应用场合和针对 不同气体做出相应的浓度设定，并且储存报警的上限和报警时间，从而方便查询和日后 的工作调查。 方案二，通过传感器感受到可燃性气体，降低自身的阻值，从而增大电流，并且驱 动蜂鸣器报警。电路简单、可靠但是灵活性和实用性相较而言差。 方案三，可以通过传感器感知原始信号多级放大电路，并用电位器调节得到固定的 电压值，当得到可燃性气体信号时，电阻值会立刻变小，放大器的放大倍数会增加，电 压也就随着增加，驱动三极管导通报警电路。该方案有一定的灵活性和可执性，但是电 路比较复杂，智能性差。 方案四，采用的是 Rabbit RCM5700 模块实现煤气报警器，该方案基于 Rabbit RCM5700 模块进行开发设计，Rabbit MiniCore 模块用于加速嵌入式系统的开发和实施。 编程开发采用我们经过业界广为验证的 Dynamic C 开发系统, 一个包括编辑器、链接 器、装载器和编译器在内的 C 语言集成开发环境。从计算机通过 USB 端口或串口下载 煤气报警器的毕业论文设计 9 程序，立即在目标硬件上进行调试无需在线仿真器。这种开发环境减少了工作量， 加速了软硬件集成。Rabbit 提供了广泛的驱动函数库和例程、免费的 TCP/IP 及其源代 码。 综合考虑，由于使用 52 系列的单片机设计方案，灵活性强、高集成、电路简单、 价格便宜、可靠性好，所以本设计采用方案一。 2.12 煤气泄露测试的功能 在本设计中， 煤气泄露测试报警器装置的主要功能就是快速准确的检测被测气体中 有害气体（主要是 CO 有毒气体）的在空气中的含量，通过 LED 显示屏将 CO 气体浓度显 示出来，与计算机通信端口。所以为了实现以上功能：系统应该具备气体传感器、数据 采集、A/D 转换电路、单片机、LED 数码显示、声光报警单元、光电隔离技术和切断阀、 看门狗。 2.13 煤气泄露测试系统框图 图 2-1 测试系统框图 这个煤气报警器的设计主要是依靠 AT89S52 系列的单片机来实现， 其中系统的工作 的大概流程如下: 起先由装在室内的有毒气体（一氧化碳气体）传感器获得被测量对象(室内 CO 气体 的浓度)原始信号,经过温度补偿和取样放大得到矫正后的可匹配信号，再进入数模 AT8 9S52 系列 单片 机 有毒气体 （CO）传 感器 温度补差、取样放大 预警 设 置 A/D 转换 器 数码显 示 光 电 隔 离接口 继电器排 气 切断器 A/D 转换 器 煤气报警器的毕业论文设计 10 （A/D）转换器,把原始模拟的信号转化为数字信号（电信号） ，从而得到被测对象的数 字量信号,传给单片机， 再由单片机进行数据处理,最后得到最终的室内环境一氧化碳浓 度值,将此数据通过数码管显示并保存,同时根据系统设定的限值参数判断环境浓度是 否超标,如果超标立即向光隔离接口输出控制信号,通过继电器打开排气扇, 如果超出 下限值，切断阀关闭，并开始进入危险期计时,如果发现环境中一氧化碳浓度长时间处 于危险状态,则有可能排气扇未能打开,或者房间发生严重一氧化碳气体泄露事故,此时 启动预警信号进行光电报警提示,提示室内人员打开门窗、关闭气源，并迅速撤离事故 现场。 2.2 相关技术和器件的基本知识 2.21 气体传感器介绍 1.气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。 探测头通过 气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表 显示部分。 气体传感器也是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被观察人员、仪器仪 表、计算机等利用的信息的装置。气体传感器一般被归为化学传感器的一类，尽管这种 归类不一定科学。 “气体传感器”包括：热导式气体传感器、半导体气体传感器、电化学气体传感 器、催化燃烧式气体传感器、红外线气体传感器等。 2. 气体传感器应满足的基本条件 一个气体传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以 是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是，任何一个完整的气体传感器都必须具备以 下条件： (1) 能选择性地检测某种单一气体，而对共存的其它气体不响应或低响应。 (2) 对被测气体具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的气体浓度。 (3) 制造成本低，使用与维护方便。 煤气报警器的毕业论文设计 11 (4) 长期工作稳定性好。并且使用寿命长。 (5) 对检测信号响应速度快，并且重复性好。 3.气体传感器的选定 气体传感器是本系统检测的起点，也是系统的核心和重点，选择合适的传感器理所 当然的成为决定这次设计系统成功的关键。 一氧化碳气体传感器属于气敏传感器， 通过 A/D 转换电路将模拟量转换成数字量后 送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等相关工作。传感器作 为煤气泄露测试装置报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。本次设计采 用 MQ-9 半导体气体传感器，MQ-9 传感器是装有活性炭过滤器的传感器，从而可以消除 杂质气体的影响，对有机溶剂或其他挥发性气体的灵敏度低，而对氢气和一氧化碳的灵 敏度高，所以非常适合用于检测人工煤制气。 图 2.2 灵敏度特性 纵坐标以传感器电阻比（Rs/Ro）表示 Rs，Ro 的定义如下： Rs 不同浓度气体中的电阻值 , Ro 1000ppm 一氧化碳中的电阻值 基本测试回路： 此传感器需要施加 2 个电压：加热器电压（VH）和回路电压（VC） 。这个加热器电 煤气报警器的毕业论文设计 12 压 （VH） 用于维持敏感素子处于与对象气体相适应的特定温度而施加在集成的加热器上。 VC 则是用于测定与传感器串联的负载电阻（RL）上的两端电压（VRL） 。这种传感器具 有极性，所以 VC 需用直流电源。只要能满足传感器的电性要求，回路电压 VC 和 VH 可 以共用同一个电源电路。为了将判定值水平最佳化，并使敏感素子的功耗（PS）低于 15mW 的限度值，需要选择 RL 的值。 MQ-9 的管脚连接如图 2.3 所示： 1 或 3 接传感器，4 或 6 接传感器，2 和 5 接加热器 图 2.3 MQ-9 的管脚连接 MQ-9 传感器的工作原理是它的表面电阻 Rs ，是通过与其串联的负载电阻 RL 上 的有效电压信 VRL 输出而获得的。二者之间的关系为：Rs/R L = (Vc-V RL ) / V RL MQ- 9 型气敏元件的敏感层是用非常稳定的二氧化锡制成的。因此，它具有优秀的 长 期稳定性，在正常使用条件下，其使用寿命可达 5 年，所以被广泛运用。 2.22单片机选择 52 单片机芯片内集成了定时/计数器、中断系统和串行口等基本功能部件，一块小 的芯片就是一个完整的小微机系统，可以应用于简单的测控系统。Atmel 公司是世界著 名的 Flash 存储器制造商。Flash 存储器是一种可以反复擦写的电擦/电写闪速存储器 （FPEROM)。控制器部分采用了美国 ATMEL 公司的 AT89S52 单片机，AT89S52 单片机是 一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k Bytes ISP 的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度，兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构，非易失性存储技术制造，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，功能强大的微型计算机的 AT89S52 可为许多嵌入式控制应用系统提供 高性价比的解决方案。AT89S52 具有如下特点：40 个引脚，8k Bytes Flash 片内程序 煤气报警器的毕业论文设计 13 存储器，256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM） ，32 个外部双向输入/输出（I/O）口， 2 个 16 位可编程定时计数器，5 个中断优先级，2 层中断嵌套中断，2 个全双工串行通 信口，片内时钟振荡器,看门狗电路。 此外,AT89S52 设计和配置了振荡频率可为 0 Hz，并可通过软件设置省电模式。空 闲模式下，CPU 暂停工作，而 RAM（随机）定时计数器，串行口,，外中断系统可继续工 作,掉电模式冻结振荡器而保存 RAM 的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件 复位。同时该芯片还具有 PLCC、PDIP 和 TQFP 等三种封装形式,以适应不同产品的需求。 AT89S52 单片机的主要功能特性： 兼容 MCS-51 指令系统 8k 可反复擦写(1000 次）ISP Flash ROM 3 个 16 位可编程定时/计数器 时钟频率 0-33MHz 32 个双向 I/O 口、4.5-5.5V 工作电压 全双工 UART 串行中断口线 256x8bit 内部 RAM 2 个外部中断源 中断唤醒省电模式、低功耗空闲和省电模式 看门狗电路 3 级加密位 软件设置空闲和省电功能 灵活的 ISP 字节和分页编程、双数据寄存器指针 煤气报警器的毕业论文设计 14 图 2.489S52 的各个管脚 各个引脚的说明： 52 单片机有四个八位双向并行的 I/O 端口：P0,P1,P2,P3。端口映射于特殊功能寄 存器中，每个端口都有字节地址，可以输入、输出字节数据，也就是并行操作；每个端 口也有位地址，其各条 I/O 线也是单独的使用；对相应地址但愿执行读写指令，就实现 了从相应端口的输入/输出操作。四个并行的端口 P0,P1,P2,P3 还具有各自不同的结构 特点和功能。 P1 口（准双向通用 I/O 口） ：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。 P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高， 可用作输入， P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程 和校验时，P1 口作为第八位地址接收。 P3 口（具备第二功能的准双向通用 I/O 口） ：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双 向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电 平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由 于上拉的缘故。 P3 口和 P1 口相比较增加了第二功能输入输出端口。输入有两路，加入或门 4 作缓 冲器。锁存器输出改成 Q 端，用非与门 3 控制输出功能的交换。 表 2.1P3 口的第二功能： 煤气报警器的毕业论文设计 15 引脚第二功能 P3.0RXD（串行输入口） P3.1TXD(串行输出口） P3.2/INT0(外部中断 0 请求输入端） P3.3/INT1（外部中断 1 请求输入端） P3.4T0（定时/计数器 0 计数脉冲输入端） P3.5T1（定时/计数器 1 计数脉冲输入端） P3.6/WR（片外数据存储器写选通信号输出端） P3.7/RD（片外数据存储器读选通信号输出端） P0 口 （地址数据分时复用总线和通用 I/O 口） ： P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时， P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P2 口 （通用 I/O 口或高 8 位地址口） ： P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉 电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。 这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进 行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对 外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P0 口能驱动 8 个 LSTTL 负载，即负载电流大于或等于 800uA；P1、P2、P3 端口的 负载能力相同，它们分别能驱动 4 个 LSTTL 负载，即负载电流大于或等于 400uA。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字 节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期 输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。 VCC：供电电压,接+5V 电源正端。 煤气报警器的毕业论文设计 16 VSS：接地, 接+5V 电源地端。 PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当 AT89S52 由 外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 PSEN 有效，即输出两个脉冲， 在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 PSEN 信号。 EA/VPP：外部访问允许，欲使 CPU 仅访问外部程序存储器（地址为 0000H-FFFFH） ， EA 端必须保持低电平（接地） 。需注意的是：如果加密位 LB1 被编程，复位时内部会锁 存 EA 端状态。 如 EA 端为高电平 （接 Vcc 端） ， CPU 则执行内部程序存储器的指令。 FLASH 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源 Vpp，当然这必须是该器件是使用 12V 编程电压 Vpp。 XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 图 2.589s52 最小系统 2.23 X5045 看门狗及复位电路 X5045 的特点是一种集看门狗、 电压监控和串行 EEPROM 三种功能于一身的可编程 煤气报警器的毕业论文设计 17 电路。X5045 中的看门狗对系统提供了保护功能。这种组合设计减少了电路对电路板空 间的需求。如果当系统发生故障而超过设置时间时，电路中的看门狗将通过 RESET（复 位）信号向 CPU 作出反应。X5045 提供了三个时间值供用户选择使用。它所具有的电压 监控功能还可以保护系统免受低电压的影响，当电源电压降到允许范围以下时，系统将 复位，直到电源电压返回到稳定值为止。X5045 的存储器与 CPU 可通过串行通信方式接 口，共有 4096 个位，可以按 512 x 8 个字节来放置数据。可以存放 512 个字节，可擦 写 100 万次以上并且存储 100 年。 图 2.6 X5045 引脚 X5045 的管脚排列如图 3-7 所示，它共有 8 个引脚，各引脚的功能如下： CS ：电 路选择端，低电平有效；SO ：串行数据输出端；SI ：串行数据输入端；SCK：串行时 钟输入端； WP ：写保护输入端，低电平有效； RESET ：复位输出端；VCC ：电源端； VSS ：接地端。 本设计中由于 X5045 是利用 SPI 通信协议 （高速同步串行口） ， SPI， 是一种高速的， 全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同 时为 PCB 的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多 的芯片集成了这种通信协议所以电路连接十分简单。SI 和 SO 分别接 89S52 的 P1.3 和 P1.4 用作数据的传输使用。 CS 和 SCK 分别接单片机的 P1.1 和 P1.2 用作控制端口使用。 WP 和 Vcc 是直接接电源，RS 上拉 10k 电阻接电源，并且接上 89S52 的 RESET 引脚，用 作控制单片机复位信号使用，并且上电复位。设计中所用到的电路图如图 2.7 所示 煤气报警器的毕业论文设计 18 图 2.7X5045 的连接 2.24 声光报警与 LED 显示 作为煤气泄露测试装置，其中声光报警部分不可缺少，当检测到一氧化碳有毒气 体在空气中的所占的浓度比例超标时，就应该通过声光方式发出警报，防止由于一氧化 碳气体含量过高而发生的意外事故。 本设计中的声光报警部分包括蜂鸣器以及红、黄、绿三个 LED 报警指示灯。 声光报警表现形式如下： 1.红色灯点亮时表示被测得一氧化碳气体含量已经达到报警值， 此时黄色和绿色灯 熄灭，蜂鸣器发出声光报警，通知用户； 2.黄色灯点亮表示传感器检测到一氧化碳气体浓度超过下限值，但没有达到报警 值，此时红色灯和绿色灯熄灭，蜂鸣器不发声； 3. 绿色灯点亮表示传感器检测到一氧化碳气体，但没达到下限值，所以一切正常， 此时红色和黄色熄灭，蜂鸣器不发声； 单片机本身 I/O 的驱动能力不是很高， 所以对蜂鸣器的驱动需要加入一个 PNP 三极 管，这样能够使蜂鸣器的声音更加响亮，起到更好的报警作用。三极管基极的电路保证 了只有在单片机输出低电平时，蜂鸣器才会发声，从而避免了错误报警的发生。 用声音或是灯光报警时，连续的声响或常亮的灯光往往不易被人们的警觉，只有断 煤气报警器的毕业论文设计 19 续的声音或山所的灯光才能取得最佳的报警效果。 就利用时钟翻转 P3.5 和 P1.0 来转换 电平，产生短促的报警声音或闪烁灯光。 图 2.8 声光报警电路 LED 数码显示器是一种由 LED 发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用了 8 个 LED 发光二极管，其中 1 个用于显示小数点，7 个用于显示字符，故称之为 7 段发光二 极管数码显示器。 驱动 LED 的时候，应该分二种情况比如用共阴接法和共阳接法，共阳的时候 LED 正 端接正电源，负端通过一个限流电阻接 P 口，这时不用接上拉电阻，只要这个限流电阻 取合适就可以了解发光管亮的时候电流就是从电源正LED限流电阻P 口， P 口为低 电位发光管灭的时候没有电流流过。P 口为高电位或高阻状态共阴接法，LED 负端接地， 正端直接 P 口，这时候要接上拉电阻，这个上拉电阻是提供 LED 发光用的，发光管亮的 这个时候电流是从电源正上拉电阻LED 地。这时上拉电阻也是限流用的。P 口为 高电位或高阻状态发光管暗的时候电流是从电源正上拉电阻P 口，这时 LED 无电流 流过，P 口为低电位，限流电阻上流过电流全部从 P 口流入。 要从单片机的输出驱动能力开始讲起。 单片机输出驱动分为低电平驱动和高电平驱 动两种方式，所谓高电平驱动，就是端口输出高电平时的驱动能力，同理低电平驱动， 就是端口输出低电平时的驱动能力，当单片机输出高电平时，其驱动能力实际上是靠端 煤气报警器的毕业论文设计 20 口的上拉电阻来驱动的，实际测试表明，52 单片机的上拉电阻的阻值在 330K 左右，也 就是说如果靠高电平驱动，本质上就是靠 330K 的上拉电阻来提供电流的，当然该电流 是非常小的，小的甚至连发光二极管也难以点亮，如果要保证 LED 正常发光，必须要外 接一个 1K 左右的上拉电阻，如果是一个 LED 还好，要是 10 个、20 个 LED 的话，就要 接 10 个、20 个 1K 的上拉电阻，接电阻的本身是可以的，问题是接了上拉电阻以后， 每当端口变为低电平 0 的时候，那么就有 10 个、20 个上拉电阻被无用的导通，假设每 个电阻的电流为 5mA 计算，故 20 个电阻就是 100mA，这样将造成电源效率的严重下降， 导致发热，纹波增大，以至于造成单片机工作不稳，因此很少有采用高电平直接驱动 LED 的，高电平驱动 LED 实际上就是共阴。然而低电平驱动就不同了，端口为低电平 0 时，端口内部的开关管导通，可以驱动高达 30 多毫安的驱动电流，可以直接驱动 LED 等负载，当端口为低电平 0 时，尽管内部的上拉电阻也是消耗电流的，但是由于内部的 上拉电阻很大（330K） ，因此消耗电流极小，基本上不会影响电源效率，不会造成无用 功的大量消耗，因此 52 单片机是不能用高电平直接驱动 LED 的，只能用地电平直接驱 动 LED，即只能用共阳数码管，而不能直接用共阴数码管 本设计通过观察 LED 数码显示器显示 CO 浓度值，判断 CO 浓度值是否超过上限值， 如果超过，自动报警，同时打开排气扇，使 CO 浓度降低。如果超过下限值，切断阀闭 合，以便达到正常状态。 用声音或是灯光报警时，连续的声响或常亮的灯光往往不易被人们的警觉，只有断 续的声音或山所的灯光才能取得最佳的报警效果。 就利用时钟翻转 P3.5 和 P1.0 来转换 电平，产生短促的报警声音或闪烁灯光。 2.25 HD7279A 电路模块 HD7279A 的特点是一片具有串行接口的 ,可同时驱动 8 位共阴极数码管的智能显示 驱动芯片。该芯片可连接多达 64 个键的键盘矩阵 , 并含有去抖动电路。HD7279A 芯 片内部有译码器 ,可以直接接受 16 进制码 ,并且具有 2 种译码方式和多种控制指令 , 如:消隐、闪烁、 左移、 右移、 段寻址等。可以广泛应用在仪器仪表 ,工业控制 , 条形显示器 ,控制面板等领域。串行接口，无需外围元件可直接驱动 LED；各个独立控 制译码/不译码及消隐和闪烁属性；循环左移和右移指令；具有段寻址指令，方便控制 煤气报警器的毕业论文设计 21 独立 led；64 键盘控制器，内含去抖动电路。HD7279A 的引脚如图所示。 图 2.9 HD7279A 引脚 HD7279A 是标准 28 引脚双列直插式芯片。引脚 1 ,2 (VDD)为正电源;引脚 3 ,5 (NC) 不连接 ,使用时要求悬空;引脚 4 (VSS)为接地端;引脚 6 (CS)片选输入端 ,此引脚为低 电平时 ,可向芯片发送指令及读取键盘数据;引脚 7 (CLK)为同步时钟输入端 ,向芯片 发送数据及读取键盘数据时 ,该引脚电平上升沿表示数据有效;引脚 8 (DATA)为串行数 据输入/输出端 ,当芯片接收指令时,此引脚为输入端;当读取键盘数据时,此引脚在 读指令最后一个时钟的下降沿变为输出端;引脚 9 (KEY)为按键有效输出端 ,平时 为高电平 ,当检测到有效按键时 ,此引脚变为低电平;引脚1016 (SGSA)为段g段 a 驱动输出;引脚 17 (DP)为小数点驱动输出;引脚 1825 (DIG0DIG7)为数字 07 位驱动输出;引脚 26 (CLKO) 为振荡输出端;引脚 27(RC)为 RC 振荡器连接端;引脚 28 (RESET)为复位端。 HD7279 的指令通信是采用串行方式与微处理器通讯 ,串行数据从DATA 引脚送入芯 片 ,并由 CLK 端同步。当片选端 CS 信号变为低电平后 ,DATA 引脚上的数据在 CLK 引 脚的上升沿被写入 HD7279A 的缓冲寄存器。 HD7279A 的指令结构有三种类型(表 1) :11 不带数据的纯指令 ,指令的宽度为8个BIT位 ,即微处理器需要发送8 个 CLK脉冲;21 带数据指令 ,宽度为 16 个BIT位 ,即微处理器需要发送 16 个 CLK脉冲;31读取键盘 数据指令 ,宽度为 16 个 BIT 位 ,前 8 个 BIT 位为微处理器发送到 HD7279A 的指令,后 8 个 BIT 位为 HD7279A 返回的键盘代码。执行该指令时 ,HD7279A 的 DATA 端在第 9 个 煤气报警器的毕业论文设计 22 CLK 脉冲的上升沿变为输出状态 ,并以第 6 个脉冲的下降沿恢复为输入状态 ,等待接收 下一个指令。 电路接法和注意事项是比较关心的部分。HD7279A 应连接共阴式数码管，无需用到 的键盘和数码管可以不连接，省去数码管或对数码管消隐属性均不会影响键盘的使用。 如果不用到键盘，则连接到键盘的 8 只 10K 电阻和 8 只 100k 下来电阻均可以省去。如 果使用了键盘，则要在电路中的 100k 下拉电阻均不可以省。实际中下拉电阻和位选电 阻应该遵循一定的比例，下拉电阻应该大于位选电阻的 5 倍而小于 50 倍。下拉电阻为 10K-100k，位选电阻为 1K-10K。下拉电阻尽可能的小，可以提高键盘的抗干扰能力。 因为采用循环扫描工作方式，采用亮度高的数码管可以解决亮度不够问题。 HD7279A 需要一个外接的 RC 震荡电路，经典值是 R=1.5k，C=15PF，并且尽量靠近 芯片，使之电路连线最短。复位 RESET 可以直接与正电源连接，需要较高可靠性时可以 接一个外部的复位电路。在上电后大约经过 12-25ms 的时间才会进入正常工作状态。上 电后所有的显示位为显示和不闪烁 。当有按键按下，KEY 引脚输出变低电平， 此时接到读键盘指令时，将输出键盘代码。因为芯片直接驱动 LED 显示，电流较大，且 为动态扫描，如果该部分电路的电源线较细较长，可能会有电源噪声干扰，所以在 HD7279A 的正负电源端并上去耦电容，提高电路的抗干扰能力。 图 2.10 HD7279A 的总体连接 本设计中总体连接如图 2.10 采用经典的连接方法，电路安全可靠，抗干扰能力强。 其中 89S52 的 P1.5 连接 CS 做片选使用，P1.6 连接 CLK 做模拟时钟使用，P1.7 接 DATA 煤气报警器的毕业论文设计 23 做数据传输使用。Key 接单片机的中断 INT1，作为键盘中断程序入口控制。而与共阴极 LED 显示器接法基本也是很经典接法一至，只是利用了 0、1、2、3、4、5、6、7 作为 使用的键盘，加上电源去耦电容。 2.26 数据采集单元 本设计数模（A/D）转换器选择了 TLC2543，该芯片是 TLC2543 是德州仪器公司新 型模数转换器，具有 l2 位的分辨率，使用开关电容逐次逼近技术完成 A/D 转换过程， 提供的最大采样率为 66KSPS，供电电流仅需 1mA。它除具有通用灵活的串行接口外，还 具有高速的转换器和通用的控制能力。它被广泛运用于数据采集系统。 TLC2543 是 l2 位开关电容逐次逼近型 ADC 每个器件有三个控制输入端： 片选(CS)、 输入/输出时钟(I/O CLK)及地址数据输入端(DATA INPUT)。它还可以通过一个串行的 3 态输出端(DATA OUT)与主处理器或其它外围的串行口通讯，输出转换结果。通过编程器 件的 DATA INPUT 管脚串行输入的 8 位通道/方式控制字节的高 4 位(MSBs)，可选择 11 个模拟输入通道中的任一个。可用同样的方法选用另外三个测试电压 VREF-、VREF+、 （VREF+ + VREF-）/2,用于转换器的枝正或其它用途。通道方式控制字节的低四位 (LSBs)用于选择输出数据的长度(8、 12 或 16 位)、 输出数据的顺序和是否需要单极性(二 进制)或双极性(二进制补码)格式。 TLC2543 使用开关电容逐次逼近技术完成 A/D 转换过程。由于是串行输入结构，能 够节省 51 系列单片机 I/O 资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为 广泛的应用。 TLC2543 的特点： （1）12 位分辩率 A/D 转换器； （2）11 个模拟输入通道； （3）具有单、双极性输出； （4）3 路内置自测试方式； （5）采样率为 66kbps； （6）可编程输出数据长度。 （7）有转换结束输出 EOC； 煤气报警器的毕业论文设计 24 （8）在工作温度范围内 10us 转换时间； （9）可编程的 MSB 或 LSB 前导； （10）线性误差1LSBmax； TLC2543 引脚介绍如图 2.2 所示。 图 2.11TLC2543 引脚 TLC2543 引脚说明： 引脚号名称I/O说明 1 9,11,12 AIN0AIN10I 模拟量输入端。11 路输入信号由内部多路器选 通。对于 4.1MHz 的 I/OCLOCK，驱动源阻抗必须小于或 等于 50，而且用 60pF 电容来限制模拟输入电压的斜 率 15/CSI 片选端。在/CS 端由高变低时，内部计数器复 位。由低变高时，在设定时间内禁 DATAINPUT 和 I/O CLOCK 17DATAINPUTI 串行数据输入端。 由 4 位的串行地址输入来选择 模拟量输入通道 16DATAOUTO A/D 转换结果的三态串行输出端。为高时处于高 阻抗状态，/CS 为低时处于激活状态 煤气报警器的毕业论文设计 25 TLC2543 的工作过程分为两个周期与接口时序，分别为：I/O 周期、转换周期和接 口时序。 1、I/O 周期 I/O 周期由外部提供的 I/O CLOCK 定义,延续 8、12 或 16 个时钟周期,决定于选定 的输出数据长度。器件进入 I/O 周期后同时进行两种操作。 19EOCO 转换结束端。在最后的 I/OCLOCK 下降沿之后， EOC从高电平变为低电