家用语音燃气警报系统的设计毕业论文.doc

摘 要随着“信息时代”的到来，作为获取信息的手段传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。 为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对气体传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一气体监控系统。 本论文以电阻式气体传感器和单片机技术为核心并与其他电子技术相结合， 设计出一种技术水平较好的气体报警器。其中选用TGS813型半导体可燃气体敏感元件气体传感器实现气体的检测，具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点，而且价格低廉，使用寿命长。选用的AT89C51单片机，其整合了A/D转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器等资源，具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，是目前同类技术中性价比较高的产品。以AT89C51单片机和TGS813型半导体电阻式气体传感器为核心设计的气体报警器可实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等功能。是一种结构简单、性能 稳定、使用方便、价格低廉、智能化的气体报警器。具有一定的实用价值。关键词：气体浓度， AT89C51，传感器AbstractWhile “information age” the arrival, obtained the remarkable progress as the gain information method - - sensor technology, its application domain is more and more widespread, is more and more high to its request, the demand is more and more urgent.The sensor technology has become weighs one of national science and technology level of development important symbols.Therefore, understood and grasps each kind of sensor the basic structure, the principle of work and the characteristic is extremely important.In order to enhance to the sensor understanding and the understanding, in particular to the smog sensor thorough research as well as its usage and the use, based on practical, widespread and the model principle has designed this system.This article used the monolithic integrated circuit union sensor technology to develop has designed this smog supervisory system.The present paper take leaves the minor smog sensor and the monolithic integrated circuit technology unifies as the core and with other electronic technology, designs one kind of technical level good smog alarm apparatus.In which selects the 2M007 semiconductor resistance type smog sensor realization smog the examination, has the sensitivity high, responds, the antijamming ability quickly strong and so on the merits, moreover the price is inexpensive, the service life is long.Selects the AT89C51 monolithic integrated circuit, its conformity A/D transformed, the hardware multiplier, resources and so on hardware PDM keyer, has high speed, low merits and so on power loss, ultra strong antijamming, is the present similar technology neutral price quite high product. May realize the acousto-optics take the AT89C51 monolithic integrated circuit and the 2M007 semiconductor resistance type gas sensor as the core design smog alarm apparatus to report to the police, the breakdown from the diagnosis, the density demonstrated, reports to the police limits the establishment, the time delay reports to the police and with functions and so in position machine serial port correspondence.Is one kind of structure simple, the performance stable, the easy to operate, the price inexpensive, the intellectualized smog alarm apparatus.Has certain practical value.Key word:Gas, AT89C51, sensor目 录摘要IAbstractII1 绪论1 1.1概述1 1.2 语音燃气报警的目的及意义1 1.3 燃气及语音报警系统国内外发展现状2 1.4 本设计的主要研究内容4 1.5 小结52硬件系统设计基础5 2.1 系统实现方案及选择6 2.1.1基于MINI CORE的实现方案6 2.1.2基于单片机的实现方案7 2.1.3方案的选择8 2.2方案的设计标准及原则8 2.2.1设计标准8 2.2.2设计原则82.3 小结93核心控制芯片简介10 3.1 单片机AT89C51主要的结构特性10 3.2 单片机AT89C51管脚说明10 3.3 单片机AT89C51震荡器特性133.4 复位电路133.5 小结144 总体方案的硬件设计154.1 硬件电路的构成及设计15 4.1.1核心主控芯片的设计16 4.1.2漏气检测电路的设计16 4.1.3数模转换电路的设计17 4.1.4显电路的设计18 4.1.5语音报警电路的设计19 4.1.6光报警输出控制电路的设计20 4.1.7串行通信电路的设计21 4.1.8电源电路的设计23 4.2 小结245 总体方案的软件描述及其程序设计25 5.1 软件方案的控制综述255.2 软件方案的流程及程序设计26 5.2.1语音燃气报警系统总流程26 5.2.2.A/D转换流程27 5.2.3.显示流程29 5.2.4.串行通信流程315.3 程序代码335.4 小结356 总结36致谢37参考文献38附录39附录1 语音报警系统原理图39附录2 元器件清单列表401 绪论1.1概述 语音燃气报警系统，一般由气敏传感器、区域报警器和集中报警器组成；也可以根据工程的要求同各种灭火设施和通讯装置联动，以形成中心控制系统。即由自动报警、自动关闭气体阀门、安全排放气体、系统过程显示等组成一个完整的报警控制系统。气体通过探测器转变为电信号报警或使自动灭火系统启动，及时提醒使用者。区域报警器能将所在楼层之探测器发出的信号转换为声光报警，并在屏幕上显示出火灾的房间号；同时还能监视若干楼层的集中报警器（如果监视整个大楼的则设于消防控制中心）输出信号或控制自动关闭气体阀门系统。集中报警是将接收到的信号以声光方式显示出来，其屏幕上也具体显示出气体泄漏的楼层和房间号，机上停走的时钟记录下首次报警时间性，利用本机专用电话，还可迅速发出指示和向消防队报警。1.2 语音燃气报警的目的及意义燃气(天然气、液化天然气、液化石油气)的使用，提高了生产效率和市民的生活质量。但随着城镇管道和灌装燃气的推广和普及，在使用过程中，由于使用不当和设备老化导致的燃气泄漏爆炸或中毒事故时有发生，给人们的生命和财产安全带来了严重的威胁，因此安全使用燃气一直是燃气主管部门工作的重中之重。这就要求用户在主观上提高安全意识，按照要求正确使用燃气，将由于人为而导致的漏气危险降到最低。与此同时还需要防范非人为因素造成的漏气事故，语音燃气报警设备便应运而生。燃气泄漏报警器是非常重要的燃气安全设备，它是安全使用城市燃气的最后一道保护。燃气泄漏报警器通过气体传感器探测周围环境中的低浓度可燃气体，通过采样电路，将探测信号用模拟量或数字量传递给控制器或控制电路，当可燃气体浓度超过控制器或控制电路中设定的值时，控制器通过执行器或执行电路发出报警信号或执行关闭燃气阀门等动作。1.3语音燃气报警系统国内外发展状况近年来，随着天然气的开发利用和城市燃气公共事业的逐步放开，港资、民资、国际跨国公司资本竞相涌入，加上改制后得以壮大的原国有燃气公司等各路资本的云集，使得现有城市燃气市场资源的争夺日趋激烈。 建设资源节约型与环境友好型社会的提出，国家对城市燃气领域的开放，以及管道建设的延伸，为中国城市燃气的发展提供了难得的机遇。随着城市燃气发展机遇期的到来，天然气、液化天然气（LNG）、液化石油气（LPG）三种气源在中国城市燃气中的关系将是能源互补、相辅相成的关系。天然气：天然气无色、无味、无毒且无腐蚀性，主要成分以甲烷为主，含量达90%，燃烧产生的氮氧化物、碳氢化物和一氧化碳远远低于国家规定的排放标准，无粉尘污染；天然气的热转化效率65%，与石油液化气相当，高于煤炭；按等热值换算，天然气的价格已经低于煤炭，也远远低于石油。随着人民生活水平的提高及环保意识的增强，大部分城市对天然气的需求明显增加。天然气作为民用燃料的经济效益也大于工业燃料。目前人们的环保意识提高，世界需求干净能源的呼声高涨，各国政府也透过立法程序来传达这种趋势，天然气曾被视为最干净的能源之一，再加上1990年中东的波斯湾危机，加深美国及主要石油消耗国家研发替代能源的决心，因此，在还未发现真正的替代能源前，天然气需求量自然会增加。液化天然气：当天然气在大气压下，冷却至约162摄氏度时，天然气气态转变成液态，称液化天然气。液化天然气无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积的1/600，液化天然气的重量仅为同体积水的45%左右。由于液化后的天然气存在此特点，更方便进行远距离运输，及小体积罐装，因此在城市燃气系统中，液化天然气愈加受到青睐。液化石油气：液化石油气主要是由丙烷、丁烷组成的，有些LPG还含有丙烯和丁烯。液化石油气一般是从油气田、炼油厂或乙烯厂石油气中获得。液化石油气与其他燃料比较有污染少、发热量高、易于运输、压力稳定、储存设备简单供应方式灵活等优点。目前居民生活燃用液化石油气主要有管道输送和瓶装供给两种方式。1、通输送：管道输送方式主要集中在大中城市进行，它是由城市燃气公司把液化石油气与空气、液化石油气与煤气或液化石油气与化肥厂排放的空气等混合后，通过管理直接输送到居民家中使用，目前，许多城市都实现了这种供应形式。2、装供给：瓶装供给是通过一个密封钢瓶将液化石油气由储配站分配到各家各户，作为家庭灶具的供气源，它起源于20世纪60年代初，最早是在炼油厂和几个工业城市使用，现已发展到乡镇农村。在民用部地区就建有从事钢瓶供气的液化石油气储配站一万多个，有的个别乡镇平均建有2个以上。民用可燃气体报警气为居民家庭用的燃气报警器，一般装在厨房，遇到燃气泄漏时，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，以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。仅以用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例，日本早在1980年1月开始实施安装城市燃气、液化石油气报警法规，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个州立法，规定家庭、公寓等都要安装CO报警器。报警器种类也相当繁多，有用于一般家庭、集体住宅、饮食餐厅、医院、学校、工厂的各种气体报警器和系统，由单体分离型报警器、外部报警系统、集中监视系统、防止中毒报警防护系统等。结构形式有袖珍型便携式、手携式、固定式报警等；工业固定式报警又有壁挂式、台放式、单台监控式、多路巡检式等。气体检测技术与计算机技术相结合，实现了智能化、多功能化。美国工业科学公司一台携带式气体监控仪可实现四中气体检测，采用了统一的软件，只需要更换气体传感器，即可实现特定气体检测。美国国际传感器技术公司应用一种传感器和微程序控制单元，可检测100种以上有毒性气体和可燃性气体。近年来，由于在工业生产、家庭安全、环境监测和医疗等领域对气体传感器的精度、性能、稳定性方面的要求越来越高，因此对气体传感器的研究和开发也越来越重要。随着先进科学技术的应用，气体传感器的趋势是微型化、智能化和多功能化。深入研究和把握有机、无机、生物和各种材料的特性及相互作用，理解各类气体传感器的工作原理和作用机理，正确选择各类传感器的敏感材料，灵活运用微机械加工技术、敏感薄膜形成技术、微电子技术、光纤技术等，使传感器能最优化，是气体传感器的发展方向。国外气体传感器发展很快，一方面是由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规的推动。因此，国外气体传感器技术得到了较快发展，据有关统计猜测，美国1996年-2002年气体传感器年均增长率为（27-30）%。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。如日本费加罗公司退出了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FirstAlcrt公司推出了生物型低功耗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机处理器，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；还有前以涉及的美国IST公司的具有微处理器的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；接触燃烧式气敏元件以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，使烧结型元件有光谱性气敏发展成选择性气敏；在结构方面研制了补偿负荷结构、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材料以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） 低功耗气敏元件已进入生产研究中。（4） 国内气敏元件传感器产量已超过初期的400万支。 总体看来，我国气敏元件传感器及应用技术有了较快发展，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，与日本比较仍处于落后阶段。总体上说，目前燃气报警器的发展状况很不平衡，PC机值守的大型集群监控系统虽然技术先进但价格也很昂贵，须设专用机房和专人管理，适用范围局限于条件较好，物业管理水平较高的住宅区或单位。而一般的燃气报警器却存在一些缺陷，有的功能单一，可靠性能差，传感器损坏不易发现，不能更换，有的产品利用燃气管道专用电磁阀控制气源，其安装要拆东原管路，须报请燃气公司派专人处理，比较繁琐。当今市场上语音燃气报警器种类有很多，其生产厂家星罗棋布，市场份额较为分散，竞争相对激烈。因此根据场合的不同及用户的要求不同，可选择不同类型不同功能性价比最优的语音燃气报警器。1.4 本课题的主要研究内容本课题以89C51单片机为中枢，设计语音燃气报警系统。它是以单元为单位，能完成对室内的总体监控。89C51单片机是控制系统的常用单片机，应用在很多领域，利用它完成的报警系统很多。使用89C51单片机构成的系统能够实现准确的采样气体浓度，能够达到题目的设计要求，而且89C51单片机相对于其他型号单片机，更加易于学习和掌握，性能也相对比较好。该设计所研究的可燃性气体报警系统利用传感器对可燃气体浓度信号进行监测并且转变成电压信号，然后与设定的电压信号进行比较，经单片机的控制，当气体浓度超过设定值时实现智能报警并能自动关闭燃气阀门。报警结束后，通过通信电路将数据上传至控制室。该设计的燃气报警装置的线路简单，各种器件的价格相对低廉，这使得整体成本大大降低。相信在科技飞速发展的今天，燃气报警装置的价格逐步降低是必然趋势，燃气报警装置将广泛地被人们认可并普及使用，为人们的人身财产安全树立一道可靠的屏障。1.5 小结在气体报警产品的技术含量上，国内产品和国外产品差距不是很大，许多指标已经超越，存在的问题是：类似于国外气体报警产品的大批量规模化的生产才刚起步，有待于积累经验和技术；也因此在产品一致性和长期稳定性上有一些差距；国内正在形成权重的大型企业和集团，这样可以带领国内的各家企业去冲击海外市场，并最终占领海外的消防报警市场。2 硬件系统设计基础微处理器的出现极大地促进了生产力的发展，提高了人们生活质量，实现了工业现代化和自动化。Internet技术的飞速发展，使得基于分组交换技术的通信性能、通信质量和可靠性得到稳步提高。基于8位和16位单片机的嵌入式设备的实时应用、测控系统正在走向网络智能化。这就要求从现场控制层面到管理层能实现全方位的无缝信息集成，实现远程维护、智能诊断以及远程管理功能，提供一个开放的基础构架，并具有高可靠性、分散控制、集中监视和管理的功能。2.1 系统实现方案及选择气体检测报警器是能够检测环境中的气体浓度，并具有报警功能的仪器，仪器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后送入单片机。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)，如果大于则启动报警电路发出报警声音，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。为使报警装置更加完善，可以在声音报警基础上，加入光闪报警， 变化的光信号可以引起用户注意，弥补嘈杂环境中声音报警的局限。以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。针对目前主要处理芯片的不同，本文提出了2种实现方案，分别为基于RabbitRCM5700实现方案以及基于AT89C51单片机实现方案。并最终选择其中一种方案进行系统实现。2.1.1 基于MINI CORE的实现方案基于MINI CORE实现的煤气报警器的具体方案如图2-1所示。该方案主要包括了可燃气体传感器、A/D转换器、键盘控制电路、Rabbit RCM5700模块电路、语音报警电路、光报警电路及LED显示电路等。可燃气体传感器输出模拟量，需要利用A/D转换器将模拟量转换成数字量送给Rabbit RCM5700模块电路；晶振和键盘控制作为Rabbit RCM5700模块电路的外围输入电路，语音报警器作为报警用的Rabbit RCM5700模块电路的外围输出电路；显示电路采用了LED显示，由Rabbit RCM5700模块电路控制实现显示。传感器放大器串口A/D晶振显示声光其它RCM5700图2-1 基于MINI CORE的实现2.1.2 基于单片机的实现方案基于AT89C51单片机实现的燃气报警的具体方案如图2-2所示。该方案主要包括了气体传感器及其检测电路，AD转换电路，单片机系统电路（51单片机、单片机时钟电路、晶振电路），语音报警电路，声音报警电路，LED显示电路，继电器控制电路，通信电路及电源电路。传感器对可燃气体浓度信号进行监测并且转变成电压信号，然后与设定的电压信号进行比较，当气体浓度超过设定值时，经单片机的控制，实现语音声光报警，并断开燃气阀门，通过显示电路，显示漏气浓度，上传漏气情况。传感器语音报警AD转换时钟电路检测电路光报警51单片机显示报警输出控制串行通行复位电路图2-2 基于单片机的实现2.1.3 方案的选择方案一中采用的是Raabit RCM5700模块实现燃气报警器，该方案基于Rabbit RCM5700模块进行开发设计，此模块用于加速嵌入式系统的开发和实施。该模块具有设计灵活，外围扩展功能相对强大等优点，但目前多用于微型控制方面，且价格相对较贵，应用市场有待拓展。方案二采用的是51单片机实现燃气报警器，该方案具有结构化设计简单，控制灵活方便，可塑性强，器件成本较低，应用市场广泛且配套外围扩展器件种类较多，易于选择等优点。基于两种模块的应用领域，应用市场，和成本性价的比较，本设计最终选择方案二，基于单片机语音燃气报警器的方案。2.2 方案的设计标准及设计原则2.2.1 设计标准1.设备运行外接供电电源为交流电源220V，可工作于国内居民生活小区。2.依据中国东部和中部地区年平均温度和最高低温度进行期器件选型，要求在-2060度时可正常工作。3.工作性能部受气压温度湿度影响。4.功能完善，保证处理后空气中燃气浓度达到国家有关规定的安全标准。2.2.2 设计构思(1)自诊断故障报警功能 当传感器加热丝或者电缆线发生断线或者接触不良的情况时，报警器发出警报，并且黄色指示灯闪烁，提醒用户检查传感器或者电路线接触情况，及时排除故障，保证安全。 (2)气体浓度显示通过液晶屏显示可燃气体的浓度值，并且可以切换到设置状态，通过键盘设置或者更改报警限值，以便于用户或检测人员随时观测气体浓度及更改报警限。 (3)气体报警功能 当气体浓度连续20秒取值都在报警限值之上，蜂鸣器开始报警，且声音越来越急促，并且伴随红灯闪烁。因为人对变化的信号更为敏 感，所以变化的声音及灯光更容易引起用户的注意。 (4)防止报警器误报功能 快速重复检测及延时报警可以区别出是管道中可燃气体的泄漏，还是由于打开阀门时的微量气体的散失。 (5)看门狗自检单片机状态功能 调用单片机中的看门狗程序，定时检查单片机工作状态，一旦发现单片机出现死循环状态，立即复位，保证报警器工作正常。 (6)与上位机通讯功能 可以实现与计算机串口通讯，对报警器采取统一控制，以及便于采集 和处理数据，也可以在计算机上更改报警限值等。 (7)自动控制相关安全装置的扩展功能 留有继电器接口，可以带动排风扇或大功率蜂鸣器，也可以控制管道电子阀门，可在报警的同时自动启动相关安全装置。2.3 小结本章首先介绍了本次设计的方案及其选择，然后阐述了语音燃气报警器的设计标准及其设计构思。3 核心控制芯片简介AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。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，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。3.1 单片机AT89C51主要的结构特性（1）与MCS-51 兼容；（2）4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环)；（3）全静态工作：0Hz24KHz；（4）三级程序存储器保密锁定；（5）128*8位内部RAM；（6）32条可编程I/O线；（7）2个16位定时器/计数器；（8）5个中断矢量，6个中断源，2级优先权的中断结构；（9）1个全双工可编程串行通道；（10）低功耗的闲置和掉电模式；（11）片内振荡器和时钟电路。3.2 单片机AT89C51管脚说明 AT89C51单片机采用40引脚双列直插封装（DIP）形式。图为其引脚图，下面介绍各引脚名称及功能。Vcc：供电电压，接+5V电源。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL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/地址的低八位。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。 P1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4个TTL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口作为低八位地址接收。 P2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。图3-1 AT89C51引脚图 P3口：P3口管脚也是一个带内部上拉电阻的8位双向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口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：表3-1 P3管脚特殊功能表口管脚备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外部中断0）P3.3（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器读选通） 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/：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低位字节。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。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。/Vpp：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，将内部锁定为RESET；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（Vpp）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.3 单片机AT89C51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。3.4 复位电路AT89C51系统在刚通电（上电）后，必须复位。此外，在系统工作异常等特殊情况下，也可以人为地使系统复位或通过“看门狗”是系统复位。复位是由外部复位电路来实现的，按功能可分为以下几种方式。（1）上电自动复位方式对于AT89C51单片机，只要在RST复位端接一个电容至Vss即可。上电复位电路如图3-2所示。在加电瞬间，RST端出现一定时间的高电平，只要高电平保持时间足够长，就可以使AT89C51有效复位。（2）人工复位方式除了上电复位以外，有时还需要人工复位。将一个按钮开关并联于上电自动复位电路，按一下开关就会在RST端出现一段时间的高电平，使单片机复位。当时钟频率选用使6MHz，C取2F，R1约为200。（3）“看门狗”复位方式AT89C51单片机定时向单稳电路保持暂态。一旦单片机程序出现死循环，不产生触发脉冲，电路便转入稳态，产生复位信号，使单片机复位。图3-2 上电与按钮复位电路3.5 小结本章主要介绍了本课题所设计的控制系统的核心器件单片机AT89C51。该章节详细介绍了AT89C51基本特性、引脚功能以及几个特性，最后介绍了单片机常用的抗干扰措施。4 总体方案的硬件描述及优化设计4.1 硬件电路的构成及设计在报警器的设计中，单片机是其核心部件。它一方面要接收来自传感器送来的气体浓度对应的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对两种信号分别进行处理，控制后续电路进行相应动作；与此同时查询是否有键按下的请求。在单片机完成这些的工作中，尤其是信号处理中，比较浓度值后送入显示的软件实现比较复杂，要求单片机具备较快的运算速度，使检测人员能够较准确地观测到气体浓度，并根据情况做进行相应处理。并且也要考虑选择低价实用的机型，并为研制同一系列的低功耗产品做准备。其整体框图如图4-1：传感器语音报警AD转换时钟电路检测电路光报警51单片机显示报警输出控制串行通行复位电路系统电源电路4-1 系统整体框图4.1.1 核心主控芯片的设计系统的控制中枢由AT89C51来实现，其最小构成系统如图4-2：图4-2 单片机最小系统4.1.2 漏气检测电路的设计检测电路由8伏电源供电，由于传感器加热电路需要5伏电压才能正常工作，所以在传感器的加热电路上串联一个电阻使加热电路能够得到5伏的正常工作电压。检测电路由气敏传感器TGS813，R1和滑动变阻器R2组成，输出电压进入电压比较器的同相输入端，它是R1和R2电阻两端的压降输出。可燃性气体与传感器相接触并且浓度超标时，检测电路的输出电压将会超过设定的基准电压，此信号经LM311电压比较器的同相端输出高电平。为了补偿温度和湿度对传感器特性的影响，同时为了获得更高的精度，故在电路中还是用热敏电阻对电路进行补偿。由于传感器上电时有一调整期，在此期间有可能导致电路误动作，所以在传感器电路中还需要加入电容防止电压突变。气体检测电路如图4-3：图4-13 气体检测电路4.1.3数模检测电路的设计模数转换单元由ADC0809,74LS02和74LS74组成。ADC0809首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START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，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC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。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。检测电路中传感器的检测电压，一路已进入LM311电压比较器，而另一路连接ADC0809的IN0端。由于仅有一个模拟量输入，所以将模拟量输入地址所存端接地。将ADC0809的8位数据输出线与51单片机P0数据口相连。用单片机P2.7口作为片选信号。片选信号和WR信号一起经74LS02或非门产生ADC0809的启动信号START和地址所存信号ALE，片选信号和RD信号一起经74LS02或非门产生ADC0809输出允许信号OE。OE为1时，选通三态门使输出锁存器中的转换结果送入数据总线。ADC0809的EOC信号经74LS02反向后接到51单片机的外部中断一引脚，用于产生转换完毕后中断请求信号。由于ADC0809的时钟信号要求最高不能超过640kHZ，所以51单片机ALE端通过74LS74 D触发器二分频后连接到ADC0809的CLOCK时钟端（51单片机利用6MHZ晶振，经D触发器输出的时钟频率为500KHZ），就能够满足ADC0809的正常工作。模数转换电路如图4-4：图4-4模数转换电路4.1.4显示电路的设计显示电路由共阴极数码管，PNP三极管和CD4511共同组成。CD4511的4位数据输入端与51单片机的P1口低4位相连，8位数据输出端与数码管相连。CD4511用来给数码管送段码。三极管用来驱动数码管显示，它们的基极也与单片机P1口相连。显示电路如图4-5：图4-5 显示电路4.1.5语音报警电路的设计语音报警电路由ISD1420语音芯片和少量外围电路组成。这个系统有一个LED指示灯、三个微动开关，可以对芯片的录音、播放、停止进行控制。A4（RECORD）为录音键，按住它时LED灯点亮，此时为录音状态，当录放达到最大时间值或中途放开A4录音按键即停止录音。A3（PLAYL）为放音键，按一下它就可以播放录音，当放音达到录音的尾声时或中途按下了A2停止键则停止放音。A2为停止键，当放音过程中按下A2停止键停止放音。如果有待机时按住A2则开始放音，放音直到录音的尾声或中途放开A2键。当芯片处于录音状态时LED点亮，当芯片放音结束时LED会闪亮一下。ISD1420录音引脚与单片机P2.1口相连，放音引脚与单片机P2.2相连。只要对这两个端口进行控制，即可完成单片机对语音电路的操控。语音电路如图4-6：图4-6语音电路4.1.6光报警输出控制电路的设计：此部分电路元件相对较少，由少量的电阻、三极管、继电器、LED组成。此部分电路与单片机P2口相连，只要对此端口进行控制，即可完成光报警和自动切断燃气阀门的任务。光报警输出控制电路如图4-7：图4-7 光报警输出控制4.1.7串行通信电路的设计：本设计中通信接口电路采用RS485总线来实现。RS485是电子工业协会于1983年制定并发布的标准，并经通讯工业协会修订后命名为TIA/EIA-485-A，习惯的称之为RS-485标准。此标准是为了弥补RS-232通讯距离短，速度低等缺点而产生的。RS485标准之规定了平衡驱动器和接收器的电特性，而没有规定接插件、传输电缆和应用层通讯协议。RS485标准与RS232不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B。本串行电路采用SP485R作为485总线的收发器。发送器输出符合标准规定的RS485电气特性。输出电压范围从0伏到VCC。若两个输出之间负载为100欧时，发送器输出可以保持在至少+2伏。发送器有一个使能管脚，当DE为低电平时输出成三态。DE为高电平时发送器正常工作。接收器同样有一个使能管脚，RE低电平时可以令接收器使能。单片机P2.4口与SP485R的2、3引脚相连，用来输出R/D信号直接控制SP485R芯片的发送器/接收器使能：R/D信号为1时SP485R的发送器有效，接收器禁止，此时单片机可以向RS485总线发送数据字节；R/D信号为0时，则SP485R的发送器禁止，接收器有效，此时单片机可以接受来自RS485总线的数据字节。连接至A引脚的上拉电阻R26、连接至B引脚的下拉电阻R28用于保证未连接网络时的SP485R芯片处于空闲状态，以提高这个RS485节点的工作可靠性。电路中的二极管都是用来保护RS485总线的，避免RS485总线在受到干扰时产生的高压损坏RS485收发器。串行通讯电路如图4-8：图4-8 串行通讯4.1.8电源电路的设计：该设计的电源电路主要包括两个部分：电源变压器和三端稳压管的选择。由于本系统需要8伏和5伏电源供电，所以电源模块有两组电路。输出8伏电源电路，采用AC220伏/AC12伏的降压变压器得到一个交流12伏电压。然后经过单相桥式整流电路吧交流电流办成直流电流。在经过滤波电容滤波之后，接到三端稳压管7808上，输出即为稳定的8伏直流电压。输出5伏电源电路的设计与8伏电源电路设计思想相同，只是在滤波和稳压器件选取上不同。对于稳压管的选取，用78系列组成的稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路。电源电路如图4-9：图4-9 电源电路4.2小结：本章主要介绍了语音燃气报警系统对于元器件的选取，并且根据系统的整体功能框图，以模块为单元详细分析了各个电路模块的组成及功能。在元器件方面硬存在一定误差，误差主要来自以下四个方面： (1)传感器非线性误差 本系统选用TGS813型半导体气体传感器，气体浓度与输出电压存在一定的非线性，使用折线插值方法进行线性化处理。(2)电子元器件参数的离散性、温度不稳定性造成的误差 传感器输出信号一般比较微弱，需要过数据采集前置电路对其进行放 大、滤波、电平调整，满足单片机对输入信号的要求。运放误差是造成前置放大误差的主要原因，运放的输入失调电压，输入失调电流是影响电路精度的重要因素。本设计选用高输入阻抗、低噪声的放大器，可以满足要求。另外所选的阻容器件都是经过精确测量后再焊接上去的，并经过仔细调试以获得最佳性能。 (3)电源造成的误差 虽然系统采用直流电源供电，但电源不可避免地残留一定的交流成分而形成噪声信号.它们对测控系统的正常运行危害很大。本系统选用ACDC电源模块，将220V市电转化为5V直流电压，分别给模拟电路和数字电路供电。为了尽量减小噪声，数字地和模拟地要一点接地，每个芯片的电源就近接退耦电容。 (4)环境、外部噪声引起的误差 环境因素包括环境温度、湿度、空气中的尘埃等。对本系统来说，空气中的成分对系统的探头和单片机及其外围电路影响很小，在进行测量时不用进行补偿。但环境温度、湿度对传感器有一定的影响。但是温湿度的影响相对于系统5%LEL的精度要求，可以忽略不计。另外，系统还受到各种外部电磁噪声的干扰，设计上，把探测器与控制器之间的信号线用屏蔽电缆连接。在电路板布线时，注意抗干扰设计。 5 总体