毕业设计（论文）-基于单片机的煤气智能报警系统的设计.doc

本 科 毕 业 设 计 题目：基于单片机的煤气智能报警系统的设计学 院 电子与信息工程学院 专 业 电子信息科学与技术 姓 名 班 级 2008级本（一）班 学 号 指导教师 起讫时间 2012.032012.05 基于单片机的煤气智能报警系统的设计摘要 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。管道煤气与灌装煤气的使用为人们带来了方便,也改善了城市的环境,但同时也给人们带来了潜在的危险。由于使用的不当以及设备的老化等原因所引起的煤气泄漏极大地威胁着人们的生命财产安全，因此对于煤气浓度的检测与控制就变得至关重要，研究各种气体的检测方法与气体传感器也随之成为一个重要课题。 本论文是一篇基于单片机的煤气智能报警系统的设计。该系统可对煤气浓度进行实时监测，当被测气体中一氧化碳的浓度超过预定数值时,将产生报警并自动关闭煤气阀门。经过多次测试，该设计达到了精确度、灵敏度和稳定性高的要求，且成本低，操作方便，因此可广泛用于智能报警器与监控系统。关键字单片机；气体传感器；煤气监测；智能报警The Design of Intelligent Gas Monitoring and AlarmingSystem Based On Single Chip MicrocomputerAbstract With the rapid development of economy and the science technology， people become pay more and more attention to the quality of life and improving the environment. Pipeline gas and filling the use of gas for people brought convenient, also improve the environment of the city, but also has brought people of potential danger. Due to the improper use of equipment and aging causes of gas leakage greatly affecting peoples life and property security, so for the measurement and control of gas concentration is crucial. And it is obviously very important to study on the inspection methods and sensors of all kinds of gases. The paper is a design of intelligent gas monitoring and alarming system based on single chip microcomputer. The system can real-time monitoring of gas concentration, and when the concentration of carbon monoxide in the air more than book value, will have a warning and automatically shut off the gas valves. Many tests have proved that this system satisfactorily meet the needs of high sensitivity, accuracy and stability in gas management. And it is low in cost and easy in operation, so a wide use can be expected in the gas industry market.Key words: SCM; Gas sensor; Gas monitoring; Intelligent alarm目 录第 1 章 绪论11.1课题研究的背景11.2 课题研究的目的与意义11.3 可燃性气体报警器的国内外现状及发展动态21.4 系统设计基本内容4第 2 章 煤气智能报警系统的方案设计52.1 煤气智能报警系统的设计思路52.2 气体传感器的介绍与选定52.2.1 气体传感器介绍52.2.2气体传感器选定72.3 煤气智能报警系统的整体设计方案92.3.1 煤气智能报警系统的工作原理92.3.2 煤气智能报警系统的结构92.3.3 煤气智能报警系统的功能102.3.4 煤气智能报警系统的主要技术指标10第 3 章 煤气智能报警系统的硬件设计113.1 主机单元电路113.1.1 AT89S52单片机113.1.2 DS12887实时时钟芯片及其电路133.1.3 X5045看门狗定时器及复位电路153.1.4 电源电路163.2 功能模块部分173.2.1 带温度补偿的放大电路173.2.2 A/D转换电路183.2.3 HD7279A的人机接口电路203.2.4 声光报警电路223.2.5 光电隔离电路233.2.6 通信接口电路25第 4 章 煤气智能报警系统的软件设计274.1 部分单片机程序274.1.1 主程序274.1.2 数据采集程序284.1.3 A/D转换程序29结论30谢辞31参考文献32ii第 1 章 绪论1.1课题研究的背景 随着科技的发展，越来越多的可燃性气体作为能源应用于工业生产和人们的日常生活中。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。其中由于一氧化碳泄漏造成的中毒死亡事故尤为严重。众所周知，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,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中毒严重,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。为了减少这类事故的发生，就必须对这些可燃性气体进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测仪表，严密监测环境中可燃性气体的浓度，及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，才能确保工业安全和家庭生活安全。因此，研究可燃性气体的检测方法与研制可燃性气体报警器就变得尤为关键。家用智能煤气报警器就是为了预防煤气泄漏的一种家用的自动报警器，也是一种高灵敏度的气体探测器，一般都是应用高灵敏度的气敏元件作气电转换元件，并配以电路和声光报警部分组成。当泄漏的气体达到危险极限值时报警器就会发生鸣响和声光报警。1.2 课题研究的目的与意义可燃性气体通常指城市煤气、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、烃类、烯类、醇类、苯类以及一氧化碳和氢气等易燃、易爆成分。贮存和使用这些气体的过程中，如违反操作规程和设备密封不好，都有可能发生可燃气体泄漏的现象，进而酿成火灾或爆炸事故，给国家和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。该报警装置是石油化学工业、有可能发生可燃性气体泄漏的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器。可燃性气体报警器属于中华人民共和国强制检定的工作计量器具目录第46项中规定的物理化学计量器具。建筑设计防火规范(GBJ16-87)第10.3.2条明确规定:“散发可燃气体、可燃蒸汽的甲类厂房和场所，应设置可燃性气体浓度检测报警装置”。2003年12月，国家执行新的可燃性气体探测器标准(GB15322-2003)可燃气体探测器，2004年10月国家颁布可燃气体检测报警器规程JJG693-2004，研究新型、性能稳定、准确监测可燃性气体，并合乎国家相关规定的报警器具有极其重要的意义。目前我国已有许多城市铺设了煤气管道，使用人口约达二亿人，煤气发生基地及中转站也达几千家。如果这些家用燃气和煤气基地及中转站的报警率按10%计算，可燃性气体检测报警器的需求量就达2000万台以上。随着全社会对防火防爆及人身安全的重视程度的提高，这个数字会继续增长。近十年来，农村的沼气使用也得到了极大的发展。到2006年底，全国沼气池数量已达近1300万座，这就为检测沼气（主要成分是甲烷）浓度的仪器提供了市场。可见，可燃性气体报警器具有十分广阔的市场前景。1.3 可燃性气体报警器的国内外现状及发展动态国外从20世纪30年代开始研究及开发气体传感器，且发展迅速，一方面是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高; 另一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动。据有关统计，美国1996年一2002年气体传感器年均增长率为27%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，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，次年12月其改良产品问世，改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气体，可以安装在浴室或者采用集中监视。我国在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，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。近年来，在气体选择性和产品稳定性上也有很大进步。燃气报警器可分为民用可燃气体报警器、工业用可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器三大系列产品。(1) 民用可燃气体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，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; 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。(2) 工业用可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器工业用可燃气体报警器及有毒有害气体报警器只是检测探头有差异，而在原理和应用中都很相近。工业用燃气报警器及有毒气体报警器根据检测环境的不同，也可分为检漏仪、控制器和探测器。检漏仪的体积较小，可随身携带或手持，主要应用于燃气管理的查漏与巡检。若有燃气泄漏，便携式可燃气体检漏仪便会发出声光报警，同时数字显示气体浓度，以便及时采取安全措施，防止爆炸等恶性事故的发生。控制器与探测器结合使用，可在防爆现场长期监测气体的浓度。探测器安装在防爆现场，控制器壁挂在值班室等有人值守的地方，二者采用屏蔽电缆线连接。当现场的探测器探测到燃气泄漏之后，通过屏蔽电缆线将信号传到控制器，控制器发出声光报警，同时启动排风装置或关闭电磁阀切断气源，以确保安全。此种仪器广泛应用于液化气站、汽车加油站、锅炉房等工业场所。目前，气体传感器的发展趋势集中表现为：一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是气体传感器一直追求的目标。如日本费加罗公司推出了检测（0.110）106硫化氢低功耗气体传感器，美国IST提供了寿命达10年以上的气体传感器，美国FirstAlert公司推出了生物模拟型（光化反应型）低功耗CO气体传感器等。二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展MEMS技术，发展现场适用的变送器和智能型传感器。如美国GeneralMonitors公司在传感器中嵌入微处理器，使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化；还有前已涉及的美国IST公司的具有微处理器的“MegaGas”传感器实现了智能化、多功能化。气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况下，国内已有一定的基础。其现状是：（1）烧结型气敏元件仍是生产的主流，占总量90以上；接触燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能力；电化学气体传感器有了试制产品；（2）在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺，使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏；在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构；在气敏材料方面SnO2和Fe2O3材料已用于批量生产气敏元件，新研究开发的Al2O3气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料；（3）低功耗气敏元件（如一氧化碳，甲烷等气敏元件）已从产品研究进入到测试了；（4）国内气敏元件传感器产量已超过“九五”初期的400万支。产量超过20万支的主要厂家有5家，黑龙江敏感集团、太原电子厂、云南春光器材厂、天津费加罗公司（合资）、北京电子管厂（特种电器厂），其中前四家都超过100万支，据行业协会统计，1998年全国气敏元件总产量已超过600万支。总的看来，我国气敏元件传感器及其应用技术有了较快进展，但与国外先进水平仍有较大的差距，主要是产品制造技术、产业化及应用等方面的差距，与日本比较仍要落后10年。1.4 系统设计基本内容 本设计是煤气智能报警系统的研制，主要针对CO气体，主要实现家庭煤气泄漏的检测与报警。煤气报警系统由硬件和软件两大部分组成。其中硬件部分包括气体传感器、A/D转换电路、看门狗芯片X5045、实时时钟芯片DS12887、单片机、LED数码显示屏、声光报警单元、光电隔离继电器、电磁阀以及RS-232通信模块。软件部分主要是数据采集程序、判断显示程序以及报警程序。气体传感器将气体的成分以及浓度等信息转换成电信号，经过放大电路放大电信号，再进入A/D转换，得到CO浓度的数字量信号，然后经过单片机进行数据处理，得到最终的室内环境CO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，则单片机输出控制信号，通过继电器打开排气扇与关闭电磁阀以及驱动声光报警单元进行报警。为了提高实用性，系统还应该具备与上位机进行串口通信。第 2 章 煤气智能报警系统的方案设计2.1 煤气智能报警系统的设计思路煤气智能报警系统是能够检测环境中的可燃性气体浓度并进行声光报警的系统。系统的最基本组成部分应包括：气体信号采集电路、模数转换电路、单片机控制电路。气体信号采集电路一般由气体传感器和模拟放大电路组成，将气体信号转化为模拟的电信号。模数转换电路将从气体检测电路送出的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号再送入单片机。单片机对该数字信号进行滤波处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个预设值(也就是报警限)，如果大于则启动声光报警电路进行声光报警，反之则为正常状态。为方便检测与监控，使仪器测试人员及用户能够直观地观察到环境中的可燃气体浓度值，可将浓度值送到显示屏中。为方便调节报警限，可以加入按键。以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。气体传感器及单片机是煤气智能报警系统的两大核心，根据报警器功能的需要，选择合适、精确、经济的可燃性气体传感器及单片机芯片是至关重要的。2.2 气体传感器的介绍与选定2.2.1 气体传感器介绍(1) 气体传感器的分类 气体传感器种类繁多，从检测原理上可以分为三大类： (a)利用物理化学性质的气体传感器：如半导体气体传感器、接触燃烧气体传感器等。 (b)利用物理性质的气体传感器：如热导气体传感器、光干涉气体传感器、红外传感器等。 (c)利用电化学性质的气体传感器：如电流型气体传感器、电势型气体传感器等。(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： (a)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； (b)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； (c)对检测信号响应速度快，重复性好； (d)长期工作稳定性好；(e)使用寿命长；(f)制造成本低，使用与维护方便。(3) 常见气体传感器简介下面对常用的几种气体传感器作简单介绍:(a) 半导体气体传感器半导体气体传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感器以及用单晶半导体器件制作的气体传感器。自1962年半导体金属氧化物气体传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的气体传感器之一。按照敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。(b) 固体电解质气体传感器 固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料作为气敏元件，其原理是利用气敏材料在通过气体时产生离子，测量其形成电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，因而得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，其产量仅次于半导体气体传感器的一类传感器。但这种传感器制造成本高，检测气体范围有限，在检测环境污染领域中有优势。(c) 接触燃烧式传感器 当易燃气体接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧，故得名接触燃烧式传感器。接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝(也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层)，使用时将铂丝通电，保持 300C400C 的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。(d) 高分子气体传感器 利用高分子气敏材料制作的气体传感器近年来得到很大的发展。高分子气敏材料在遇到特定气体时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合，在毒性气体和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。高分子气体传感器具有对特定气体分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以弥补其它气体传感器的不足。(e) 电化学传感器 电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。气体浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。它的优点是：反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但寿命较短(大约两年)。它主要适用于毒性气体检测。目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。(f) 热传导传感器 热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式，但是测量原理不同。它的测量原理是：将加热后的铂电阻线圈置于目标气体中，由于向目标气体传送热量造成温度降低，引起电阻值变化，传感器即测量电阻值的变化情况。温度的变化情况是目标气体热传导率的函数，而对于一种给定的气体或汽化物，热传导率是它固有的物理特性。(g) 红外传感器 红外传感器通常用两束红外光进行气体测量，主光束通过测量元件内的目标气体，参考光束通过比较元件内的参考气体。在测量和比较元件中，红外射线被气体有选择地吸收了。未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正比于目标气体浓度的差分信号。非扩散式红外探测器 NDIR(non-dispersive IR )是其中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。不同的气体吸收不同波长的IR，所以传感器根据目标气体而调整，典型应用包括测量CO和CO2、冷冻剂气体和一些易燃气。由于非碳氢化合物易燃气体(如氢)不吸收电磁谱中IR部分的能量，所以这种传感器可以精确地测量碳氢化合物，并具有最小的交叉灵敏度，而且不受其它气体的腐蚀以及高浓度目标气体的影响。2.2.2气体传感器选定气体传感器是本系统监测的起点也是系统的核心和重点，选择合适的传感器是决定系统成功的关键。CO气体传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将CO气体在空气中的含量(即浓度)转化成电压或者电流信号，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工作。传感器作为煤气智能报警系统的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。由此可见，合适的传感器是非常重要的。由于监控系统最关键的部分在于室内CO气体浓度的检测，本系统考虑到室内空气中一氧化碳含量的大致范围,结合国家环境空气质量标(GB30951996)规定的一氧化碳分级标准,我们选用了Motorola生产的一种专门用于家庭用途的MGS1100型一氧化碳气体传感器, MGS1100一氧化碳传感器是一种应用全微电子工艺制成的半导体气体传感器，作为CO敏感元件，对CO响应的选择性好，并具有灵敏度高，稳定性好等特点。它是在微型硅桥结构中嵌入的加热器上制作一层SnO2薄膜,这种结构不仅使得SnO2薄膜对CO气体在很宽的温度范围内具有敏感性,而且硅膜减少热传导的热损失,从而大大降低了功耗。其结构如图2.1所示 图2.1 MGS1100一氧化碳传感器横截面图图2.2 MGS1100 等效电路的引脚图 图2.3 串联电阻测试电路 其中图2.2中1、3端为加热器的电源接线端，2、4端为传感器输出端。为使传感器对CO 具有最佳敏感特性, 使SnO2 层达到预定的最佳温度是很重要的，通常加热器及SnO2 层的温度与加热电压VH、加热电流I有关。当传感器置于CO气体环中时，SnO2薄膜层的电阻会随着CO浓度的变化而变化,CO浓度越大,SnO2薄膜层阻值越小。 为了避免损坏传感器,必须注意电压使用范围。获得最佳的加热温度，加热电压必须调整到使加热器的功耗在16030mW 范围内( 在连续直流驱动情况) 。加到传感器( 管脚2 和4) 的最大电压Vs 为5V, 超过此值就可能烧坏传感器。这些传感器不能用波峰纤焊, 以免使感应层受到污染。当保存或使用传感器时, 必须小心做好静电防护, 以防静电击穿器件。传感器不能暴露在高浓度的有害性气体中, 如挥发性有机溶剂、浓烟和氨气等。图2.3为取得传感器输出信号的基本电路图，VH加热电压,传感器电阻Rs与负载电阻Rt串联接到工作电压VCC两端, 由此可得关系:Vout=RtVCC/（Rt+Rs）传感器阻值Rs随着CO浓度的增大而减小时，输出负载电压Vout逐渐变大，所以通过测量负载电压即可反应出被测对象的CO浓度。MGS1100型一氧化碳气体传感器的特点：测量浓度范围为0-1000PPM，测量精度为3%，分辨率为1PPM，工作温度为-2070，零点漂移为PPM1000次）ISP Flash ROM32个双向I/O口4.5-5.5V工作电压3个16位可编程定时/计数器时钟频率0-33MHz全双工UART串行中断口线256x8bit内部RAM2个外部中断源低功耗空闲和省电模式中断唤醒省电模式3级加密位看门狗（WDT）电路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表3.1 主要功能特性图3.2 AT89S52各个引脚 在本设计中，P0作为实时时钟DS12887的数据传送总线；P2.7作为片选CE的接口用来使能DS12887，ALE接口用来锁存外接存储器的地址，RD和WR接口分别接实时时钟的RD和WR，用来读控制和写控制外部存储器的数据，RESET接X5045的RS接口受其看门狗监督，P1.3和P1.4两个接口用来接X5045的数据输入和数据输出；P1.1和P1.2接X5045的片选接口和时钟接口。主机89s52完成对监控系统的数据采集过程、采集方式和报警过程的控制。其最简单的连接图如图3.3 图3.3 AT89S52最小系统图3.1.2 DS12887实时时钟芯片及其电路 DS12887是美国达拉斯半导体公司最新推出的时钟芯片，采用CMOS技术制成，把时钟芯片所需的晶振和外部锂电池相关电路集于芯片内部，同时它与日前IBMAT计算机常用的时钟芯片MC146818B和DS1287管脚兼容，可直接替换。采用DS12887芯片设计的时钟电路勿需任何外围电路并具有良好的微机接口，DS12887芯片具有微损耗、外围接口简单、精度高、工作稳定可靠等优点，可广泛用于各种需要较高精度的实时时钟场合中，其主要功能如下： (1)内含一个锂电池，断电情况运行十年以上不丢失数据 (2)计秒、分、时、星期、日、月、年、并有闰年补偿功能 (3)二进制数码或BCD码表示时间、日历和闹钟信息 (4)有12和24小时两种制式，12小时有AM和PM提示；可选夏令时模式 (5)可以应用与NMOTOROLA和INTERL两种总线 (6)内建有128个RAM单元与软件音响器，其中14个作为字节时钟和控制寄存器，114字节为通用RAM，所有RAM单元数据都具有掉电保护功能 (7)可编程方波信号输出 (8) 总线兼容中断（/IRQ）；三种可编程中断 DS12887的管脚分布如3.4图所示图3.4 DS12887的管脚分布 DS12887管脚功能如下： GND，VCC：直流电源+5V电压。当5V电压在正常范围内时，数据可读写；当VCC低于4.25V，读写被禁止，计时功能仍继续；当VCC下降到3V以下时，RAM和计时器被切换到内部锂电池。 MOT(模式选择)：MOT管脚接到VCC时，选择MOTOROLA时序，当接到GND时，选择INTEL时序。 SQW(方波输出)：SQW管脚能从实时时钟内部15级分频器的13个抽头中选择一个作为输出信号，其输出频率可通过对寄存器A编程改变AD0AD7(双向地址/数据复用线)：总线接口，可与MOTOROLA微机系列和INTEL微机系列接口。AS(地址选通输入)：用于实现信号分离，在AD/ALE的下降沿把地址锁入DS12887。DS(数据选通或读输入)：DS/RD客脚有两种操作模式，取决于MOT管脚的电平，当使用MOTOROLA时序时，DS是一正脉冲，出现在总线周期的后段，称为数据选通；在读周期，DS指示DS12887驱动双向总的时刻，在写周期，DS的后沿使DS12887锁存写数据。选择INTEL时序时，DS称作(RD)，RD与典型存贮器的允许信号(OE)的定义相同。R/W(读/写输入)：R/W管脚也有两种操作模式。选MOTOROLA时序时，R/W是一电平信号，指示当前周期是读或写周期，DSO为高电平时，R/W高电平指示读周期，R/W低电平指示写周期；选INTEL时序，R/W信号是一低电平信号，称为WR。在此模式下，R/W管脚与通用RAM的写允许信号(WE)的含义相同。CS(片选输入)：在访问DS12887的总线周期内，片选信号必须保持为低。IRQ(中断申请输入)：低电平有效，可作微处理的中断输入。没有中断条件满足时，IRQ处于高阻态。IRQ线是漏极开路输入，要求外接上拉电阻。RESET(复位信号):系统上电复位脚要保持低电平200MS以上才可以正常工作。 DS12887芯片地址分部如图3.5所示：图3.5 DS12887地址分布DS12887芯片有128个RAM单元，其中4个单元用作控制寄存器，它们在任何时间都可访问，即使更新周期也不例外，10个单元用作存放时钟字节，114字节为通用RAM。图3.6 DS12887与AT89S52的连接本设计中DS12887的AD0到AD7引脚接AT89S52的P0口,作为数据和地址的传送通道。片选CS由单片机的P2.7信号控制。因为要涉及到外部存储设备的写入和读取，所以DS12887的DS和RW两个引脚，直接接AT89S52的RD和WR两个引脚，可以实现外部存储的通信控制。而AS引脚自然接到单片机的ALE引脚。要使得DS12887可以正常的工作，就必须使得RESET置于低电位200ms以上，所以在VCC之间连接一个电阻并在GND之间连接一个电容，这样就可以使得充电时间保持有200MS以上的低电位，并且正常工作接上电源VCC。其余引脚在本设计中均没有涉及到，所以给于置空处理。图3.6就是本设计中电路的实际连接情况。3.1.3 X5045看门狗定时器及复位电路 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电路。这种组合设计减少了电路对电路板空间的需求。X5045中的看门狗对系统提供了保护功能。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3.7 X5045的管脚图 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通信协议的，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。而CS和SCK分别接单片机的P1.1和P1.2用作控制端口使用。而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3.8所示 图3.8 X5045与AT89S52的连接3.1.4 电源电路电源采用直流电源变压器输出12V的电压，其电源连接电路如图3.9所示，并由去耦电容、开关、7085稳压器及电源指示灯组成。直流12V再经过电容滤波，7805集成稳压器稳压成为稳定的+5V电源，用一个发光二极管指示灯指示电源状态。电路安全稳定可靠，测试电压为+5V，并且在12V和5V电路中引线排针，以供日后使用。图3.9 电源连接电路3.2 功能模块部分该部分主要由传感器、放大电路、A/D转换电路、人机接口电路、声光报警电路、光电隔离电路、串行通信电路以及排气扇与电磁阀组成。传感器获得被测量对象(室内CO浓度)的原始信号，经过带有温度补偿作用的放大电路后得到矫正后的可匹配信号，再进入A/D转换电路，得到被测量对象的数字信号，然后由AT89S52单片机进行数据处理，最终得到室内环境CO浓度值，将此数据送入数码管显示并保存，同时根据设定的限制参数判断环境浓度是否超标，若超标则立即输出控制信号驱动排气扇打开与电磁阀切断，同时与上位机进行串口通信。3.2.1 带温度补偿的放大电路 在许多需要用A/D转换和数字采集的单片机系统中，多数情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，在此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。在本设计中我们使用的是0P07低噪声高精度运算放大器，此放大器具有极低的输入失调电压，极低的失调电压温漂，非常低的输入噪声电压幅度及长期稳定等特点。可广泛应用于稳定积分、精密绝对值电路、比较器及微弱信号的精确放大，尤其适应于宇航、军工及要求微型化、高可靠的精密仪器仪表中。特点是低的输入噪声电压幅度，极低的输入失调电压(10V)，极低的输入失调电压温漂(0.2V/)，具有长期的稳定性(0.2V/月)，低的输入偏置电流(1nA)，高的共模抑制比(126dB)，宽的共模输入电压范围(14V)，宽的电源电压范围(312V)以及无需调零，无需外补偿和外接保护元件。 最显著的特点是： (1) 该器件具有优异的抗静电能力，静电损伤阈值电压大于4000V（普通OP07的静电损伤阈值电压约为700-1000V）。(2) 由于增加了保护电路，改善了器件的抗电浪涌性能。(3) 具有更低的输入失调电压，典型值约为几个微伏。(4)参数一致性好。 (5) 采用A型外壳封装(表贴形式),外形尺寸为10.3mm7.9m两个运算放大器的m,小于两个单片OP-07运算放大器的体积,节约了安装空间。 (6) 管脚功能排列标准化,与OPA2277、OP727管脚功能排列相同。 主要应用于电子系统前置放大、误差放大、直流信号放大、直接耦合放大、仪表放大器、双路匹配放大等要求高精度、低漂移、高可靠及抗静电等信号处理的场合。 图3.10 带温度补偿的放大电路 如图3.10所示是带温度补偿的放大电路，由于元件的本身特性决定了其阻值会随着周围环境温度的变化产生明显的漂移，致使测量电路的输出产生零点漂移，漂移过大会造成测量的不灵敏或过灵敏，使整机的可靠性下降，因此，必须增加温度补偿，其中RT为热敏电阻，RS为传感器电阻。3.2.2 A/D转换电路 对于温度、压力、流量、p H 、重量、速度、位移、浓度等参数的检测或控制, 常需用传感器将被测参数转变成电量、并继而放大成0+5V的模拟量电压。在微机处理系统中, 需先将现场采集的模拟量转变成对应的数字量才能输入微机处理。这个转换任务常由模/ 数(A/D)转换芯片来完成，ADC0809是常用的模/数转换芯片，它有8个通道的模拟输入线(IN0IN7)，可在程序控制下对任意通道进行A/D转换，获得8位二进制数字量(D7D0)。 ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，它由8路模拟量开关、地址锁存与译码器、8位A/D转换器、三态输出锁存器等一些电路组成。其内部逻辑电路结构如图3.11所示。因此ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。输入输出与TTL兼容。 图3.11 ADC0809内部逻辑结构图 模拟输入部分有8路多路开关，可由3位地址输入A、B、C的不同组合来选择，ALE为地址锁存信号，高电平有效，锁存这三条地址输入信号。主体部分是采用逐次逼近式的A/D转换电路，由CLK控制内部电路工作,ST为启动命令，高电平有效，启动ADC0809内部的A/D转换，当转换完成，输出信号EOC有效，OE为输出允许信号，高电平有效，打开输出三态缓冲器,把转换后的结果送DB。 ADC0809管脚图如图3.12所示，共有28个引脚，采用双列直插式封装，各引脚功能如下：IN0IN7:8路模拟量输入端D0D7:8位数字量输出端A、B、C:3位地址输入线，用于选通8路 模拟输入中的一路ALE:地址锁存选通信号，输入高电平有效ST:A/D转换启动信号，输入高电平有效EOC:A/D转换结束信号，当A/D转换结束时 此端输出一个高电平(转换期间一直为低电平) 图3.12OE:数据输出允许信号，输入高电平有效。当A/D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640KHZVREF+、VREF-:基准电压输入端，它们决定输入模拟电压的最大值与最小值VCC:电源，接+5V GND:接地 ADC0809芯片的主要特性有：18路8位A/D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 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。 ADC0809的工作过程是：当模拟量送至IN0IN7的某一输入通道后，CPU将标识该通道编码的三位地址信号经数据线或地址线输入到A、B、C引脚上。然后输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。ST上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD转换，之后EOC输出信号变低电平，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC才变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。转换结束,OE输入高电平，EOC可作为中断请求信号, 转换结束后，可通过执行IN指令，设法在输出允许OE脚上形成一个正