基于单片机的天然气多点浓度巡测系统设计.doc

长春工业大学学士论文中文摘要天然气在人们的日常生活中做出了非常大的贡献，然而当它在空气中的浓度达到一定范围时可能引起自燃甚至爆炸，这样就会造成很大的危险。甚至会危害到人们的生命以及财产的安全。本文介绍了一种基于AT89C51单片机和气敏传感器进行巡环检测天然气罐浓度的装置。该设计包括监测系统的组成、工作原理及硬件、软件设计的方法。本系统不仅可实现对天然气浓度进行实时监测而且当浓度达到一定范围时会产生相应的预警，还具有超出给定浓度报警的功能，为预防和减小火灾损失提供了有力的科学手段。本文采用了气敏传感器，气敏传感器是能够感知环境中某种气体及其浓度的一种敏感器件，它将气体成分、浓度等有关的信息转换成为电压信号，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。目前，人们对气敏传感器的测试方法主要停留在用人工手动的方式来进行操作，开发出一种实用高效的智能化传感器测试装置是非常的必要的。本文根据人们的需要设计出了一种高效有用的天然气实时巡测装置。关键词 ：天然气；气敏传感器；报警；AT89C51；Title:Concentration of natural gas more patrol unitAbstractNatural gas in peoples daily life has made great contributions, but when it is in the air when the concentration reaches a certain range may cause spontaneous combustion or explosion, which would result in great danger. Even endanger peoples lives and property.This paper describes a gas sensor based on AT89C51 microcontroller and gas tank concentration loop detection device. The design includes monitoring system, working principle and the hardware and software design methods. The system not only enables real-time monitoring of gas concentration, and when the concentration reaches a certain range will have the appropriate warning, but also has exceeded the alarm function of a given concentration, to prevent and reduce fire losses provide a strong scientific means.In this paper, the gas sensors, gas sensors is the ability to sense the environment and the concentration of certain gases in a sensitive device, it will be the gas composition, concentration and other relevant information converted into a voltage signal, which can detect, monitor, alarm ; also be formed through the interface circuit and the computer automatically detect, control and alarm systems. Currently, people mainly gas sensors testing methods remain in use to manually operate the way to develop a practical and efficient intelligent sensor testing device is very necessary. According to peoples need to design a useful and efficient real-time patrol unit of natural gasKey words: natural gas; gas sensors; alarm; AT89C51;目 录第一章 绪论11.1 天然气的用途11.2 天然气巡测目的和意义11.3气体巡检技术在国内外的发展现状2第二章 方案论证42.1基于硬件设计天然气浓度巡测装置的方法42.1.1人工巡视法42.1.2空气采样法42.1.3声学检测法42.1.4 检测天然气罐壁的方法52.2基于软件设计天然气浓度巡测的方法52.3 基于软件和硬件结合的方法设计天然气浓度泄漏巡测52.3.1 硬件的选择62.3.2软件设计8第三章 硬件部分的设计103.1 AT89C51的片内结构及引脚描述103.2 气敏传感器163.2.1 气敏传感器分类163.2.2 半导体气敏元件的特性参数173.2.3气敏传感器的工作原理193.3 显示部分介绍203.4 按键部分介绍223.5 A/D转换介绍以及MAX187简介243.6 74LS138简介283.7 地址锁存芯片74LS373的介绍293.8 6264的简介303.9 放大电路ICL7650的介绍323.10 蜂鸣器PB2130的介绍333.11 CD4051简介35第四章 系统整体软件设计374.1主程序的设计：374.2 各子程序的设计394.2.1数据采集系统与A/D转换系统的软件设计394.2.2显示部分的软件设计424.2.3按键部分的软件设计454.2.4报警部分软件的设计46 4.2.5滤波部分软件的设计.46 第五章 结论与总结. 47致谢49参考文献57附录52附录一 程序清单5258第一章 绪论1.1 天然气的用途天然气是一种多组分的混合气体，主要成分是烷烃，其中的甲烷占绝大多数，另外还有少量的乙烷、丙烷和丁烷，除此之外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量的惰性气体（氦和氩等）。在大气标准状况下，甲烷至丁烷以气体状态存在，戊烷以上为液体。天然气无毒，洁净，安全，方便，经济实惠，是居民家庭最佳的燃料选择，它既可烹调、做饭，又可洗浴、取暖。而且天然气价格稳定、热量值高，可代替煤、燃油等很多的能源。除此之外，还可以用于办公楼、工厂、宾馆、医院、商场等大型公共场所的空调系统，以及用做工商户与城市公共设施的锅炉燃料及供热、供暖。 天然气可替代汽油作为汽车动力燃料，降低运输成本，减少城市污染。天然气还可以作为化工原料站发电的原料。而且天然气的有效使用涉及到国家能源的分配与能源政策的实施，提高能源使用效率；现在我国以“西气东输”、“西电东送”为契机，积极引入清洁、优质能源，以天然气发电，调整优化能源结构；积极引进天然气和液化天然气资源. 此外,天然气在石油天然气以及其他燃气检测中有着重要的地位。1.2 天然气巡测目的和意义 天然气作为一种高效,优质,清洁的能源，在世界各国均得到普遍重视和优先利用。但是人类在使用天然气的过程中在尝到它的甜头的同时也尝到了它的苦头。由于管道设备的老化、地理、气候条件的影响以及人为的破坏，经常会造成泄漏事故的发生。天然气管道的泄漏将直接危害到管道设施的安全运行和威胁到人民生命财产得安全,进而造成难以挽回的恶性事故和各种各样的间接损失。因此,能够及时而且准确地发现管道输送天然气时的泄漏、泄漏位置和泄漏量等方面都具有重大意义。天然气巡测技术有很多的方法：管道气体检测技术从不同的侧重点出发可以有不同的分类方法：从测量位置的不同我们可以将其分为外部监测法和内部监测法；从是管道的运行状态来分可以分为静态检测和动态检测；从采用的技术来看可以分为基于硬件的方法和基于软件的方法。本文使用基于硬件设计和软件编程的方法对输气管道的泄漏问题进行的设计。天然气安全使用的最常见问题是，在家中，一旦发现天然气泄漏，不能开灯，不能打开抽油烟机和排风扇，不能点火，也不能在室内拨打电话，要打开家里所有的门窗；勿动电器。打开，关闭任何家用的电器，比如电灯、电扇、排气扇、抽油烟机、空调、电闸、门铃、冰箱等，都可能产生火花，引起爆炸。天然气无声无色，怎样防范才能更好的避免因天燃气泄漏造成爆炸、火灾、中毒、窒息等恶性事故发生？因此本设计是关天然气泄漏的检测仪和报警器。本设计能够自动实时地检测家庭天然气罐及煤气管道的煤气有无泄漏。检测到天然气浓度超过预设值后迅速的做出判断并报警。避免浓度超过极限值后产生的电火花引起爆炸。我们知道气体巡检技术是一种常见的检测气体泄漏的方式，具有高效、经济、便于管理等很多个优点。1.3气体巡检技术在国内外的发展现状气体巡检技术现在无论在国内还是在国外都得到了人们的广泛重视。在气体巡检技术的应用方面，无论从工厂企业还是到人民家庭，应用都是十分广泛。现以安全保护家用燃气泄漏报警器为例，日本早在1980年1月就已经开始实行安装城市煤气、液化石油气报警器法规，1986年5月日本通产省又实施了安全器具普及促进基本方针。美国目前已有6个州已经立法，规定家庭、公寓等都要安装天然气报警器。报警器种类也相当多，有用于一般家庭、集体住宅、饮食餐店、医院、学校、工厂的各种气体报警器和系统，有单体分离型报警器、外部报警系统、集中监视系统、遮断连动系统、防止中毒报警防护系统等。结构型式有袖珍型便携式、手推式、固定式报警等；工业用固定式报警又有多路巡检式、台放式、单台监控式、悬挂式等。气体检测技术与计算机技术相结合，既实现了智能化，也实现了功能化。据了解美国工业科学公司（ISC）一台携带式气体监控仪可实现多种气体的巡测，他们采用统一的软件，只需要换气体传感器，就可以实现对特定气体巡测。美国国际传感器技术（IST）公司应用一种叫做MegaCas的传感器和微型程序控制单元，可检测100多种有毒性气体和可燃性气体，其可以通过其气体检索的功能进行扫描，就能很快确定是哪一种气体了。在气体巡测技术中我们知道其主要的应用部件是气体传感器。在国外气体传感器发展的速度很快，一方面是由于人们生活安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求更高；另一方面也是由于传感器生产及应用市场增长受到政府安全法规的推动。正是因为如此，国外气体传感器技术得到了飞速发展，据有关统计表明，美国在1996年2002年气体传感器使用年均增长率为（2730）。就目前而言，气体传感器的发展趋势主要表现为：一是灵敏度的提高和工作性能的稳定，为了降低功耗和制作成本，我们可以缩小尺寸，将电路简化，与应用整机相结合，这也是气体传感器一直执着追求的目标。如日本费加罗公司推出了检测（110）106硫化氢低功耗气体传感器，美国IST提供研制出了寿命长达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）低功耗专门检测天然气等可燃性气体的气体传感器等。二是增强可靠性，实现元件和应用电路多功能化，集成化。努力发展MEMS技术，发展现场恰当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。 国内现状与差距 在气体巡测技术中所用到的气敏元件传感器作为新型敏感元件已经被国家列为重点支持发展的对象，而且其在国内的发展已有一定的基础。其现状是： （1）烧结型气敏元件仍在生产中占主导地位，占总量90以上；接触燃绕式气敏元件现在已经具备了生产基础和能力；电化学气体传感器已经成功研制出试制产品; （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）已从产品研究进入中试; （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20万支的主要厂家共有5家，有黑龙江敏感集团、太原电子厂、云南春光器材厂、天津费加罗公司、北京电子管厂，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。 从总体看来，我国气敏元件传感器及其应用技术已经有了较快进展，但是与国外先进水平仍然会有较大的差距，主要是我国的产品制造技术、产业化结构及其应用等方面的差距，在这些方面我国与日本相比仍要落后将近10年。但是现在我国的现行政策已经在这些方面做出了很大的努力，相信在不久的将来我们在气体巡测方面以及在气敏传感器方面会有很大的进步。1.4本文设计的主要内容本设计的主要内容是：有多个天然气罐，并且每个天然气罐有8个点，要求对这八个点天然气的泄露浓度进行在线巡测。并由显示器将其浓度显示出来。当浓度超过其预定浓度上线时，采取报警措施。提醒人们采取防护及挽救措施。其中本设计的主要任务是要求测出天然气的实时浓度，并且显示出来。如果超限则采取报警以提醒人们危险信号。要求测试的浓度精度1000ppm。 第二章 方案论证气体泄漏巡环检测技术以及将其定位的主要方法可以分为以下几种：我们知道管道泄漏检测技术从不同的出发点出发可以有很多不同的分类方法：例如我们从测量方式分可以分为外部巡测法和内部巡测法；从管道的状态来分我们还可分为静态巡测方法和动态巡测方法；除此之外我们还可以从采用的技术来分，分为基于硬件的巡测方法和基于软件的巡测方法。下面我们分析基于硬件巡测方法和基于软件巡测方法进行分类评述。2.1基于硬件设计天然气浓度巡测装置的方法这类方法主要依赖人工巡视或其他很多种基于声学、光学、化学等基本原理的仪器设备对天然气罐以及周围环境进行实时的监测以实现泄漏检测。根据其工作原理我们可以将其分为以下几种。2.1.1人工巡视法早期的天然气罐或者天然气管道大多采用人工分段巡视的方法。天然气无色无味，输送进管道之前要添加臭味剂以便及时发现其泄漏。所添加的臭味剂多为硫化物，其中目前四氢噻吩（THT）使用的最为广泛。人工巡视法有很多的缺点，其缺点在于过于依赖检测者的经验，检测速度太慢，无法连续进行检测，该方法目前已经被其他的方法取代。2.1.2空气采样法从空气中进行采样，用专门的仪器设备进行检测，当所检测的空气中泄漏气体的浓度超过一定限度时就进行报警，以上就是空气采样法的基本原理。所用的检测器主要有火焰电离检测器和可燃气体监测器。火焰电离检测器（FID）的原理是通过计算烃类气体在电场中燃烧所产生的带电碳原子数目来计算该气体的浓度。其最大优点是灵敏度高，可燃气体监测器是一类监测可燃气体的独立传感器，它通过催化氧化原理产生与可燃气体浓度超过预设定值时，可以通过由继电器驱动信号进行报警。空气采样法定位准确、精度高，可是无法实现连续检测，而且检测器设备昂贵，所以一般只是作为辅助手段来使用。2.1.3声学检测法声学检测法依据下面的原理：发生天然气泄漏的时候，气体经过漏点时会产生泄漏声波。在天然气罐中，该泄漏声波在超声波范围内，以声波向罐的两端传播，可以由相应的声学传感器检测到。通过检测泄漏的天然气的声波信号，寻找所要信号的最大点即可进行泄漏定位。2.1.4 检测天然气罐壁的方法通过仪器设备直接检测天然气罐壁是否有腐蚀或者有破裂的地方，它也是一类有效的检测泄漏方法。检测天然气罐壁的设备有高聚物电缆等。高聚物电缆，该电缆对油和气体都十分敏感，沿天然气罐外壁铺设来进行泄漏检测。该方法非常灵敏，尤其对小和缓慢的泄漏有良好的效果。但电缆造价十分昂贵，施工费用太高，如果被泄漏物质被沾染后还需及时更换，所以特别不适合我国管线的应用。以上介绍的是几种基于硬件设计的天然气气体浓度检测的方法，。他们的普遍缺点是不能连续检测天然气罐（声波法除外），而实际发生泄漏的时间和位置是无法预知的，所以我们必须在每时每刻且在天然气罐的每一点都需要进行监测，所以它们一般不作为主要管道的检测手段。 2.2基于软件设计天然气浓度巡测的方法基于软件设计的方法主要依靠的是检测天然气气体泄漏所引起的流量、压力等参数的改变，利用特殊的算法来进行气体泄漏检测和位置定位。基于软件的检测方法可以分为以下几种。简单的基于软件的检测方法:这类方法主要有压力/流量变化和流量平衡法两种。压力/流量变化法是基于如下假设：在工况稳定的情况下，管道出入口处的压力或者流量的变化超过一定程度就意味着泄漏的发生。对出入口的压力和流量进行监测，当其变化超过预设值时就发出报警。这种方法原理和实现都很简单，但是无法定位，而且误报警率很高。流量平衡法则是根据管道两端出、人口流量是否平衡来检测管道发生了泄漏，当人口流量大于出口流量时，就可以判断管道发生泄漏。由于管道的工况变化或嗓声扰动也会导致流量不平衡现象，所以误报警率较高。以上两种方法的原理简单，但由于误报警率高，而且无法定位，所以不能作为主要的检测方法。由此我们可以看出单独的硬件设计和单独的软件的设计完全不能够满足本次设计。故我们应该选择其他的方法来进行设计。经过多次的方案论证我们得出只有将硬件与软件相结合才能实现设计所要求的功能。2.3 基于软件和硬件结合的方法设计天然气浓度泄漏巡测单独的硬件设计和单独的软件设计不能满足要求，基于本次设计要求我们选择软件和硬件结合的方式来进行设计。通过硬件部分实现信号的采集与放大，通过软硬件结合对模拟信号进行转换，将其转换成数字信号，然后通过软件部分对信号进行处理，最后通过软硬件结合进行显示、报警、巡环检测以及人机交换。该设计方案不仅满足了浓度的显示和超限报警，而且实现了巡环测试和所要求精度的要求。下图为基于本设计要求所设计的系统原理框图： 图2.1 系统原理框图其工作原理如下：首先，将气敏传感器放到天然气检测点进行测量，传感器将采集到的信号转化为芯片可以识别的电压信号，通过放大器的放大信号被放大到伏特级别。送入A/D转换装置，将电压信号转换成数字信号输入到单片机的P口，单片机对采集到得信号进行运算、校正。然后经过单片机的传送到八段数码管使其浓度得以显示。其次，当其浓度达到预设的初值时，蜂鸣器就会发出报警的响声以提示人们浓度已经超标了，必须马上采取措施。下面我们就其软硬件的选择加以论述2.3.1 硬件的选择一本设计的主控制器有很多的选择，但是我们基于设计不是很复杂，开发的成本比较低，性价比，操作的难易程度等方面来考虑，我们选择的是美国ATMEL公司生产的8位高性能AT89C51单片机，其主要技术优势是它的内部含有可编程的Flash存储器，用户可以很方便地进行操作程序的擦写，在嵌入式控制领域中AT89C51单片机被广泛应用。AT89C51单片机与工业标准MCS-51系列单片机的指令组和引脚是兼容的，因而可以替代MCS-51系列单片机使用。二该设计主要是测试天然气的泄露浓度及其报警，因此我们选择它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。气敏传感器的工作原理是：声波表面器件的波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移。气敏传感器就是利用此性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互接触作用（化学作用或生物作用，或者是物理吸附），使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化，引起压电晶体的声表面波频率发生漂移；气体浓度不同，使得膜层质量和导电率变化程度也相应的不同，由此引起声表面波频率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变化就可以准确的反应气体浓度的变化基于设计要求我们选择QM-N10气敏传感器来检测天然气的浓度。它具有灵敏度高反应快的特点。用于本次设计非常合适。三由于本装置需要检测2个天然气罐，而每个气罐上有8个浓度监测点，故要对16个点采集信号，所以选用多路模拟开关。多路模拟开关的主要作用是用于切换信号，如在某一时刻接通某一路，让该路信号输入而让其他路断开，从而达到切换信号的目的。为使装置能正常工作，我们应该选择性能稳定的8通道模拟开关CD4051，它与地址锁存器74LS373和译码器74LS138组成采集电路用于对16个检测点进行信号采集。四运算放大电路采用斩波稳零运算放大器ICL7650，ICL7650 是Intersil 公司利用动态校零技术和CMOS 工艺制作。其特点是输入偏置电流小、增益高、失调小、共模抑制能力强、低漂移、高输入阻抗、快响应、稳定的性能及低廉的价格等优点。ICL7650其放大倍数在100倍以内。五由于此次设计装置要求的浓度精度为1000ppm所以我们采用开关电容逐次逼近型的MAX187。MAX187是美国TI公司生产的12位串行模数转换器，其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，因此在仪器仪表中被广泛的应用。六在浓度显示方面的选择也较多，我们可以采用八段数码管显示，也可以采用LCD液晶显示屏但是我们基于硬件的成本以及编程的难易程度，在天然气浓度显示部分我们采用LED显示，自动显示16个采样点的浓度信息。并且数码管显示分为数码管静态显示和数码管动态显示。所谓静态显示方式即是无论有多少个数码管都处于显示状态。它的优点是数码管的亮度高无闪烁，并且软件编程控制比较容易。缺点是需要的硬件电路比较多并且在较多数码管时流经的电流较大对电源的要求也相应提高。故在硬件设计时很少使用静态显示方式。所谓动态显示即是无论在任何时刻只有一个数码管处于点亮状态，每个数码管轮流显示。动态显示的优点是所需要的硬件电路较为简单，且数码管需要的越多这个优势越明显。由于每一时刻仅有一个数码管被点亮，故需要的电流小。其缺点是数码管的亮度不如静态显示的高，并且软件程序控制比较麻烦。根据本次设计需要用到7个八段数码管，故我们选择用动态显示方式。七实现单频音报警的接口电路比较简单，其发音元件可采用压电蜂鸣器，压电蜂鸣器的特点是：体积小、重量轻、耗电省、厚度薄、造价低廉、可靠性好。因只需在其两引线上加35V的直流电压，就能产生3KHZ左右的蜂鸣震荡音响，比电研式蜂鸣结构简单，耗电少，且更适合于在单片机系统之中应用。除此之外压电式蜂鸣器，约需10MA的驱动电流，可以使用TTL系列集成电路7406或7407低电平驱动，也可以使用一个晶体管三级管驱动，八本次设计对按键的要求较低，所以我们选择2个按键用来控制起始和停止的状态。2.3.2软件设计本次设计在软件编程方面有两种选择用C语言编写。其优缺点如下所示：C语言是一种结构化的高级语言。其优点是可读性好，易移植，是普遍使用的一种高级计算机语言。缺点是占用的各种资源较多，执行效率并没有汇编高。采用汇编语言进行程序的编写。我们知道汇编语言是一种用文字助记符来表示机器指令的符号语言，是所有语言中最接近机器码的一种语言。主要优点是它所占用的资源较少、程序执行效率很高。但是不同的CPU，其汇编语言可能有所差异，所以缺点是移植性差。C语言是一种高级计算机程序设计的语言。它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它既可以作为系统设计语言编写工作的应用程序，也可以作为一种设计语言。根据本设计笔者选择的是用C语言编写。通过软件设计实现对信号进行处理结合硬件实现显示报警等功能。除此之外软件部分还实现抗干扰。由于温度湿度大气压力等引起的周围环境的变化致使对浓度测试结果会产生影响。抗干扰技术分为两种：硬件抗干扰技术和软件抗干扰技术。系统硬件抗干扰设计(1)滤波技术：将电源变压器的进线段加入滤波器以消弱瞬变噪声干扰；在直流电源线和地线之间接滤波电容。用来抑制电源产生的噪声。(2)去藕电路：在印刷电路板的各个集成电路的电源线端与地线端之间配置去藕电容。(3)屏蔽技术：屏蔽技术主要由电场屏蔽，电磁场屏蔽和磁场屏蔽三类。很多系统采用的是电磁场与电场屏蔽相结合的方法。主要使用低电阻材料作为屏蔽材料，把需要隔离的部分保卫起来。磁场屏蔽则应采用高导磁率的材料。(4)光电隔离：在IO通道上采用光电隔离器，将单片机系统与各种传感器、开关从电器上隔离开来。很大一部分于扰可被阻挡。系统软件抗干扰设计的论证对于微机测控系统来说，仅仅只考虑硬件的抗干扰是远远不够的采取一定的软件抗干扰措施非常必要，它不仅能降低系统的硬件成本。又可以充分发挥软件的优势，使系统具有自我诊断。自我恢复的能力。本系统采用的软件抗干扰措施主要有以下几种：(1)数字滤波技术，采用数字滤波技术除去输入信号中所掺杂的各种随机干扰。(2)软件陷阱技术：当系统受到外界等各种干扰，其PC值可能发生变化，产生程序“乱飞”等各种情况，可以用软件陷阱和看门狗将程序拉回到复位状态。具体的讲，可以在RAM中埋一些特定的标志，在每次程序复位时，通过这些标志，可以判断复位原因并根据不同的标志直接跳到相应的程序。这样可以使其程序的运行有其连续性。用户在使用时也不是很容易察觉到程序曾经已经被重新复位过。第三章 硬件部分的设计3.1 AT89C51的片内结构及引脚描述AT89C51是美国ATMEL公司生产的高性能，低电压CMOS8位单片机。片内含128 bytes的随机存取数据存储器（RAM）和4K bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM），它是根据ATMEL公司的高密度、非易失性等特性存储技术生产，兼容标准MCS-51 指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C51单片机提供出了许多高性价比的应用场合，可方便灵活的应用于各种控制领域系统。AT89C51单片机的内部结构如图3-1所示。它把这些可以作为控制应用所必需的功能部件都集成在一个大小有限的集成电路芯片上。它由如下功能部件组成：微处理器(CPU) 程序存储器(4KB Flash ROM) 数据存储器(RAM)4个8位可编程并行I/O口(P0口、Pl口、P2口、P3口) 2个16位定时器计数器 1个全双工串行口特殊功能寄存器(SFR)中断系统以上各功能部件通过片内单一总线相连接，基本的结构依旧是传统微型计算机结构模式CPU加上外围芯片。但CPU对各功能部件的控制却又是大为不同的。它采用的是特殊功能寄存器的集中控制方式。 下面对图3-1中的片内各功能部件加以简单介绍。 1.CPU(微处理器) AT89C51单片机中有1个8位的CPU，与平时通用的CPU功能大致相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，但是其增加了面向控制的位处理和位操作和位处理的功能。 2.数据存储器(RAM) 片内存储器为128B的存储空间，片外存储器最多可扩展为64KB。片内128B的RAM，以高速RAM的形式集成在单片机内部，其功能是使单片机运行的速度加快，而且这种结构的RAM还可以降低功耗。 3.程序存储器(Flash ROM) 程序存储器的作用是用来存储程序的。AT89C51片内集成了4KB的Flash存储器，如果其片内程序存储器存储的容量不够，片外最多可外扩程序存储器至64KB。4. AT89C51的中断系统单片机中的中断是指CPU暂停正在执行的当前正在执行的程序而转去执行请求CPU为其服务的那个程序，在执行完中断服务程序后再回到原程序继续执行。中断系统是指能够处理上述中断过程所需要的部分电路。AT89C51具有5个中断源，。它们分别是两个外部中断源INT0、INT1，中断信号从P3.2、P3.3引脚输入；三个内部中断源：定时器0、定时器1溢出中断、串行口中断。每个中断源都有相应的中断服务程序人口地址。除此之外其还有2级中断优先权5.定时器计数器单片机片内共有2个16位的定时器计数器。简称为定时器0（T0）和定时器1（T1），T0和T1分别由两个8位寄存器构成，其中T0、 T1都是有高低八位构成，即T0由TH0（高8位）和TL0（低8位）构成，T1由TH1（高8位）和TL1（低8位）构成。并且TH0、TL0、TH1、TL1都是SFR中的特殊功能寄存器。6.串行口 1个全双工的串行口，具有4种工作方式。可进行串行通信，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。 7. P0口、P1口、P2口、P3口在AT89C51中有四个双向并行I/O端口P0P3。每个端口都有八条输入输出端口线，故共有32条线，而且他们都配有端口锁存器、输入缓冲器和输出驱动器。其作用为用于CPU与外部设备之间进行信息的交换以及信息的传输。但由于每个端口的结构各不相同，所以它们在功能和用途上都有较大的差别。 8.特殊功能寄存器(SFR)共有21个特殊功能寄存器，用于CPU对片内各功能部件进行管理、控制和监视。特殊功能寄存器实际上是片内各个功能部件的控制寄存器和状态寄存器，这些特殊功能寄存器映射在片内RAM区80HFFH的地址区间内。9.内部总线总线的作用是传送信息的一组公用线。总线可分为三种：数据总线、地址总线、控制总线。单片机内的各种单元部件如CPU、存储器、I/O接口等都是通过总线使其连接到一起的。采用总线结构可以减少信息传输线的根数，增强系统灵活性，提高系统可靠性。AT89C51单片机内部总线采用的是单总线结构，即数据总线和地址总线是公用的。片内所有的单元电路全部都挂在总线上，它们之间的信息传递和交换都要经过内部总线，并且采用的是分时操作、分时使用的方法，所以，这种分时复用的方法不会引起信息冲突或抢占总线的问题。图3-1 89C51片内结构图目前89C51单片机多采用40只引脚双列直插封装（DIP）方式,其结构如图3-2所示：图3-2 AT89C51引脚图AT89C51单片机各引脚功能介绍： (1)Vcc(第40引脚)：接十5V电源。(2)Vss(第20引脚)：接地线。(3)XTAL1(第19引脚)：片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路的输入端。使用片内振荡器时，该引脚连接外部石英晶体和微调电容。(4)XTAL2(第18引脚)：片内振荡器反相放大器的输出端。当使用片内振荡器时该引脚连接外部石英晶体和微调电容。当采用外接时钟源时，引脚XTAL1接收外部时钟振荡器的信号，XTAL2悬空。 (5)RST(第9引脚)：复位信号输入端，高电平有效。当单片机运行时，在此引脚加上持续时间大于2个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平时，就可以对单片机完成复位操作。在单片机正常工作时，此引脚应为之0.5V的低电平。(6) （第31引脚)为外部程序存储器访问允许控制端。当引脚为高电平时，单片机读片内程序存储器(4KB的Flash存储器)，但在PC值超过0FFFH(即超出4KB地址范围)时，将自动转向访问外部程序存储器中的程序。当引脚为低电平时，对程序存储器的读操作只限定在外部程序存储器，地址为0000HFFFFH，片内的4KB Flash程序存储器不起作用。为该引脚的第二功能，为编程电压输入端。对于89C51，在对片内Flash固化编程时，加在引脚的编程电压为+5V或+12V；对AT89LV51，加在引脚的编程电压为+12V。在编程校验时，该引脚接Vcc。(7) (第30引脚) ALE为低8位地址锁存允许信号。在系统扩展时，ALE的负跳沿将PO口发出的低8位地址锁存在外接的地址锁存器中，然后P0口再作为数据端口，以实现P0口的低8位地址和数据的分时传送。 此外，单片机在运行时，ALE端一直有正脉冲信号输出，此频率为时钟振荡器频率的。该正脉冲信号可以作时钟源或定时信号使用。但是要注意，每当89C51访问外部RAM时(即执行MOVX类指令时)，要丢失一个从ALE脉冲。因此，严格来说，用户不宜用ALE作为精确的时钟源或定时信号。作为该引脚的第二功能，对单片机片内Flash存储器编程时，此引脚作为编程脉冲输入端。(8) (第29引脚)：单片机片外程序存储器的读选通信号。在单片机执行读取外部程序存储器时，此引脚可以作为输出脉冲的负跳沿读外部程序存储器的选通信号。该引脚连线接外部程序存储器的(输出允许)端；在访问外部RAM时， 信号无效。(9)P0口：8位，漏极开路的双向I/O口。 当89C51扩展外部存储器及I/O接口芯片时，P0口作为地址总线(低8位)及数据总线的分时复用端口。 P0口也可作为通用的I/O口使用，但此时必需加上拉电阻，这时为准双向口。当作为普通的I/O口输入时，应先向端口的输出锁存器写入l。P0口可驱动8个LS型的TTL负载电路。(10)P1口：8位，准双向I/O口，本身具有内部上拉电阻。 P1口是专为用户使用的准双向I/O口，当作为普通的I/O输入时，和P0口一样，也应先向端口的输出锁存器写入1。P1口只可驱动4个LS型TTL负载。 (11)P2口：8位，准双向I/O口，也具有内部上拉电阻。当89C51扩展外部存储器及I/O口时，P2口可输出高8位地址。P2口也可作为普通的I/O口使用。当作为普通的I/O输入时，应先向端口的输出锁存器写入l。P2口可驱动4个LS型TTL负载。(12)P3口：8位，准双向I/O口，也具有内部上拉电阻。 P3口既可以作为通用的I/O口使用。当作为通用的I/O输入时，也应先向端口的输出锁存器写入1。P3口可驱动4个LS型TTL负载。P3口还可提供第二功能。其第二功能定义如表3-1所列:表3-1 P3口的第二功能定义引脚第二功能说明P3.0RXD串行数据输入口P3.1TXD串行数据输出口P3.2外部中断0输入P3.3外部中断1输入P3.4T0定时器0外部计数输入P3.5T1定时器1外部计数输入P3.6外部数据存储器写选通输出P3.7外部数据存储器读选通输出复位是指单片机的初始化操作，只需给AT89C51的复位引脚RST上加上大于2个机器周期(即24个时钟振荡周期)的高电平就可使AT89C51实现复位。复位时，PC初始化为的地址为0000H，使AT89C51单片机从0000H单元开始执行各种所要执行的程序。除了进入系统的正常初始化之外，其他情况也需要进行初始化，例如当程序运行出错(如程序跑飞)或操作错误使系统处于死锁状态时，也需按复位键使RST脚为高电平，使AT89C51摆脱“跑飞”或“死锁”状态而重新启动。AT89C51的复位是由外部的复位电路实现的。复位电路通常有两种，采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路如图3-3所示。上电自动复位电路是通过外部复位电路的电容充放电来实现的。当电源接通时，只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。当时钟频率选用6MHZ时，C取22，R取1。图3-3 上电复位电路除了上电复位外，有时还需要按键手动复位，如图3-4所示。手动复位时，按下复位按钮，电容C通过1电阻迅速放电，使RST端迅速变为高电平，复位按钮松开后，电容通过R和内部下拉电阻放电，逐渐使RST端恢复为低电平。图3-4 手动复位电路单片机工作时必须将其连接为单片机最小系统。所谓单片机最小系统简单的说就是能让单片机能够工作的最小电路，一般其包括：.电源.晶振.复位电路。如下为单片机最小系统的结构图图3-5 AT89C51单片机最小系统3.2 气敏传感器人们为了从外界获取自己想要的信息，必须借助于各种感觉器官。但是仅仅靠人们自身的感觉器官，在研究各种自然现象和各种自然规律以及人们的生产生活,它们的功能就远远不够了。为解决这一问题，就需要借助于传感器。因此我们可以这样讲，传感器是人类五官的延伸，人们又将他称之为电五官。传感器的作用早已涉及到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等各种广泛的领域。可以毫无保留的说，从茫茫无际的太空到浩瀚无边的海洋，乃至各种复杂的工程系统，几乎所有的现代化项目，都有各种各样的传感器的身影.3.2.1 气敏传感器分类一 半导体气体传感器气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础的材料制成的。当被测气体在该半导体表面被吸附后，引起传感器的电学特性(例如电导率)发生变化。目前流行的定性模型是：原子价控制模型、表面电荷层模型.半导体传感器又可以分为电阻式半导体传感器和非电阻式半导体传感器 （一） 电阻式半导体气体传感器（气敏电阻）1.表面控制型气敏电阻利用半导体材料表面吸附某种特定的气体而引起气敏元件电阻值发生变化的特性制成的。主要用于检测各种可燃性气体。半导体材料多数采用SnO2和ZnO等难以还原的氧化物。工作原理:表面控制型气体传感器，当其气敏材料表面吸附有某种气体时，半导体和被吸附的气体之间会有电子的施受反应发生，造成电子的迁移运动从而形成表面电荷层，最终引起该元器件电阻值的变化。2 体控制型气敏电阻（1）三氧化二铁类气体传感器 以g-Fe2O3和a- Fe2O3为主的多孔质烧结体控制传感器，主要用于检测甲烷（CH4）和丙烷（C3H8）气体。 （2）钙鈦矿类气体传感器在Al2O3陶瓷基片上成形制作的镍酸镧薄膜敏感元件，适用于燃烧控制用气体传感器，测定空气-燃料比,其热稳定性相当良好。 3燃烧控制用气体传感器主要用于测定空气-燃料比。半导体类气体传感器的电阻值随温度变化也较大，在高温中空气-燃料比的测量要求气体传感器在一定温度范围内或进行一定的温度补偿使其各种性能保持稳定不变。 （二） 非电阻式半导体气体传感器1二极管气体传感器如果有气体吸附在二极管的金属与半导体的界面，而这种气体又会对半导体的禁带宽度或者金属的功有影响的话，则会导致其整流特性发生变化。其检测机理是由于吸附在钯表面的O2由于H2浓度的增高而得到解吸，从而致使肖特基势垒降低，在一定的正向偏压下，二极管的电流会增大。2MOS二极管气体传感器检测原理：利用MOS二极管的C-U特性检测H2。因为无栅偏置时，钯在H2中的功函数比在空气中时低，加栅偏置后，钯吸附H2导致MOS二极管的C-U特性向负偏压方向平移，其敏感元件的光电特性也可检测H2。3MOS场效应晶体管气体传感器检测原理：MOS场效应晶体管漏极电流ID由栅压控制，将栅极与漏极短路，在源极与漏极之间加电压，则ID=b(U-UT)2式中，UT是ID流过时的最小临界电压值；b是常数。由于UT会随空气中所含H2浓度的增高而降低，所以可以利用这一特性检测H2以及容易分解出H2的气体。其工作温度：120150C。3.2.2 半导体气敏元件的特性参数 （1）气敏元件的电阻值 把电阻型气敏元件在常温洁净空气中的电阻值，称之为气敏元件(电阻型)的固有电阻值，表示为。一般其固有电阻值在(103105)范围内。 测定固有电阻值时, 要求必须在洁净空气环境中进行。由于经济地理环境的不同，各地区空气中含有的气体成分差别会很大，即使对于同一个气敏元件，在温度相同的条件下，在不同地区进行测定，其固有电阻值也会有所差别。因此，测量时的环境必须为洁净的空气环境。 (2)气敏元件的灵敏度 气敏元件的灵敏度是表征气敏元件对于所要测量气体的敏感程度的一种指标。它可以表示气体敏感元件的电参量（如电阻型气敏元件的电阻值）与被测气体浓度之间的依从关系。表示方法主要有三种: （a）电阻比灵敏度K（b）气体分离度RC1为气敏元件在浓度为C1的被测量气体中的阻值：R2为气敏元件在浓度为C2的被测量气体中的阻值。通常，浓度C1大于浓度C2。（c）输出电压比灵敏度KV=Va/Vg: Va为气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上所输出的电压值；Vg为气敏元件在规定浓度的被测气体中工作时，负载电阻上输出的电压值。（3）气敏元件的分辨率气敏元件的分辨率表示气敏元件对被测气体的识别能力（选择）以及对其干扰气体所产生的抑制能力。气敏元件分辨率S表示为Va为气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电压值；Vg为气敏元件在规定浓度的被测气体中工作时，负载电阻上输出的电压值Vgi为气敏元件在i种气体浓度为规定值中工作时，负载电阻上的输出电压值。（4）气敏元件的响应时间气敏元件的响应时间表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。一般从气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时，直到气敏元件的阻值