毕设基于单片机的二氧化硫监测.doc

.北京信息科技大学毕业设计（论文）题 目： 基于单片机的空气SO2浓度监测 学 院： 仪器科学与光电工程 专 业： 测控技术与仪器 学生姓名： 班级/学号 测控0801/2008010676 指导老师/督导老师： 潘志康 起止时间：2012 年 2 月 20 日 至2012 年 6 月 7日.摘 要二氧化硫是空气中的最主要的污染物，人们对二氧化硫有害物的监测力度越来越重视，目前对二氧化硫气体有很多种监测方法。本课题设计了一种用于监测空气中二氧化硫浓度的仪器，可用作为工厂烟道中二氧化硫气体浓度的监测，以及作为空气环境监测站的二氧化硫浓度的监测。本次设计详细的介绍了几种测量二氧化硫的方法以及所采用的电化学二氧化硫传感器的原理和特性，所采用的89C51单片机的特点和性能，以及RS232串口通信，AD转换，液晶显示的原理和所需考虑的问题。指出了从方案设计，器件选择，电路设计，程序设计，及仪器进行零点标定，浓度标定和校准的一个完整的思路。设计的以89C51为核心的测量系统达到了测量二氧化硫的目的，测量结果有液晶屏显示出来，通过串口线可以和上位机进行通信，上位机也可以通过串口线来改变仪器的报警值，报警器根据所设的报警值进行报警。关键词：二氧化硫；浓度；监测；89C51 . Abstract Sulfur dioxide is the main pollutant in the air. The monitoring of sulfur dioxide have attracted more and more attention. At present there are many methods to test sulfur dioxide gas. This topic has designed an instrument used to monitor the concentration of sulfur dioxide in the air which can be used by factories and air environmental monitoring stations. The topic introduces several measuring sulfur dioxide methods and the characteristics and principles which sulfur dioxide electrochemical sensors used. It also introduces the features and performance of 89C51 single-chip and the matter which should be considered of RS232 serial communications design as well as AD conversion principles and the LCD(liquid screen display) screen display. This paper points out a complete thought of designing, including the programmer designing; devices selection; adjusts zero point calibration and measures concentrations of calibration. Measurement system designed according to 89C51 has reached the purpose of sulfur dioxide measurement which is displayed by LCD screen. The serial port and the IPC (industry personal computer) can intercommunicate with each other to change the instruments alarm value. Finally, alerter can alarm according to the value.Keywords: Sulfur dioxide; concentration; monitor; 89C51 .目录摘 要IAbstractII第一章 概述11.1 二氧化硫监测仪的背景和意义11.2 二氧化硫监测仪器的现状21.3 二氧化硫监测系统的总体方案2第二章 硬件部分设计方案42.1 硬件设计概述42.2 二氧化硫传感器42.2.1电化学气体传感器检测原理42.2.2 3SF CT传感器42.2.3 3SF CT传感器的技术说明52.2.4 3SF CT传感器的检测原理52.3 信号采集电路的设计62.4 STC89C51单片机72.4.1 输入输出引脚82.4.2 单片机的最小系统92.5 AD转换器TLC2543及其外围电路102.6 1602液晶屏及其外围电路112.7 串口RS232及其外围电路122.8 电源模块电路132.9 报警电路14第三章 系统程序设计153.1 所选语言及开发的环境153.1.1 单片机的C语言153.1.2 CX51编译器153.2 主程序的设计153.3延时函数的设计163.4 串口程序设计163.5 TLC2543的程序设计过程173.5.1 TLC2543 的内部寄存器183.5.2 转转过程183.6 LCD1602的程序设计18第四章 调试及性能分析204.1 AD参数的设定及其标定：204.2 调试及性能分析20第五章 结论与展望22结束语23参考文献24.第一章 概述1.1 二氧化硫监测仪的背景和意义随着社会经济的发展，大气环境质量日趋变差。大气作为人类生产和生活活动中不可缺少的部分，大气环境质量状况也必然受到人们的重视，为了解大气环境质量，达到保护、管理和改良环境的目的，就必须有计划地进行大气环境的调查研究和监测，以便得到明确的认识，同时有效地采取措施，控制和减少大气环境污染。尤其二氧化硫对人体健康的影响很大。二氧化硫通过呼吸进入气管，对局部组织产生刺激和腐蚀作用，影响呼吸道，诱发支气管等疾病。特别是当它与烟尘等气溶胶共存时，更加重对呼吸道粘膜的损害。二氧化硫对人们的日常生活、工作、娱乐等方面也有不同程度的影响。高浓度二氧化硫中毒主要引起不同程度的呼吸道及眼的刺激症状。轻微时会发生流泪、畏光、咳嗽严重者则可在数小时内发生肺水肿而出现呼吸困难。工业生产中的二氧化硫急性中毒，一般仅见于事故发生时。吸入极高浓度时可立即引起发射性声门痉挛而致窒息死亡。二氧化硫排放导致了严重的酸雨、光化学烟雾等全球环境问题。当大气中的二氧化硫(还有NOx)转换为酸性降水，形成酸雨。它对地理和生态环境有重大影响，这种影响是直接的和潜在性的。会造成土壤的酸化、腐蚀各种建筑物材料。目前中国已有62.3%的城市，二氧化硫的过量排放己成为中国酸雨污染的最主要的原因。天然降水的本底pH值为5.65，一般将pH值小于5.6的降水称为酸雨，形成酸雨的主要物质是二氧化硫和氮氧化物，而我国酸雨以硫酸为主，当二氧化硫经液相氧化或者气相氧化反应生成，被降水洗脱降到地面后形成酸雨。酸雨对水生生态系统、农业生态系统、森林生态系统、建筑物和材料以及人体健康等方面均有危害，并己造成了较大的损失。80年代，中国的酸雨主要发生在西南地区，面积约为170万平方公里，到了90年代，酸雨污染扩展到华中、华南、华东、华北和东北等地区，面积已占全国面积的40%。二氧化硫及其所形成的酸雨已成为制约我国社会经济可持续发展的重要因素之一。因此，对周围环境中二氧化硫进行监测是断定二氧化硫污染程度、进行二氧化硫污染治理的必要工作。大气中二氧化硫的浓度经常以每立方米空气中的二氧化硫含量来表示，可以用质量体积比()或者气态时的体积比()表示。它们之间的换算公式为： (1.1)所以对于二氧化硫，。由于环境条件复杂，随机变化明显，浓度范围较宽，二氧化硫的浓度值具有极强的时间性和空间性，受人为和空间环境影响特别大，为了实现监测数据的准确性、精密性和可比性，以及使监测数据更具权威性和法律性。加强大气环境监测的质量保证尤为重要。在国家环保部的指导下，环境监测质量保证工作逐步地走向规范，并陆续出台了一系列各种环境监测标准方法与文件，以及管理规定和制度。如水和废水监测分析方法、环境大气监测质量保证手册。这在制度和方法上对大气环境的监测进行了统一，体现了环境监测的科学性和严肃性，同时对大气环境的质量保证也有了明确的规定。特别是近期环境监测质量保证管理规定、环境监测人员上岗证管理规定等制度的出台，在很大程度上，一方面规范了环境监测的科学方法，另一方面又对环境监测人员提出了更高的要求。逐步实现环境监测质量保证工作的系统。1.2 二氧化硫监测仪器的现状目前对二氧化硫的监测手段有很多种，常用的方法有分光光度法，碘量法，荧光光度法，紫外荧光法，离子检谱法，电化学SO2 传感器法。生物（苔藓，蔷薇）法等用于SO2 测量的新技术也在研发过程中。 这几种方法的优缺点如下：分光度法主要基本原理是利用空气中的SO2 被四氯汞钾溶液吸收后，与甲醛和盐酸副玫瑰苯胺(PRA)反应生成紫红色化合物，其颜色深浅与SO2 含量成正比，用分光光度法测定其颜色成分。其优点是灵敏度高，选择性好，易于操作，设备简单等。缺点是使用毒性极大的四氯汞钾作吸收液 ，不仅对操作人员健康产生影响，而且分析后大量含汞废液往入会造成环境污染。碘量法的基本原理是利用氨基磺酸铵-硫酸铵混合溶液吸收SO2 是固定污染源排气的SO2 浓度和SO2 排放速率测定的经典方法。其优点是具有测定浓度范围宽，所需设备简单，易操作等特点。 荧光光度法是根据奎宁与SO2 反应能够生成荧光物质，利用荧光光度计在365nm处激发和450nm 处测定荧光强度即可计算出SO2 的浓度。优点是灵敏度高。缺点是易受氧气的干扰。紫外荧光法的基本原理为由光源发射出的紫外光，通过光源滤光片进入反应室，样气中的SO2 分子吸收紫外光生成激发态SO2,当它回到基态时放射出荧光紫外线,其放射荧光强度与SO2 浓度成正比,通过第二个滤光片,用光电倍增管接受荧光紫外线并转化为电信号,经过放大器输出,即可知道SO2 浓度。离子监测法工作原理为待测空气被连续地抽入仪器， 经过选择性过滤器，除去干扰物后进入库仑池，库仑池中有三个电极铂丝阳极，铂网阴极和活性炭参比电极，电解液为0.3mol/L 碱性碘化钾溶液，若将一恒流电源加于库仑池阴阳极之间，则电流将从阳极流入，经阴极和参比电极流出。因参比电极通过负载电阻和阴极连接故阴极电位是参比电极电位和负载上电压降之和。缺点是不易便携，结构复杂。电化学气体传感器是利用电解池原理，将空气中某种化学气体通过氧化或还原反应将浓度转化为电信号，通过监测电信号的大小得到相应气体的浓度。二氧化硫传感器其优点是:对二氧化硫气体有很高的灵敏度，具有良好的重复性，对二氧化硫气体有很好的选择性，体积小集成化高，易便携。缺点是易受干扰。可用于工业、民用对SO2气体的监测。例如：SO2监测仪,SO2报警仪及实验室用监测报警器等监测含有SO2类气体的场所或需要SO2气体浓度数值的产品。生物法主要是利用苔藓等一些对空气二氧化硫敏感的植物，利用其对不同的二氧化硫浓度的变色和变形等特点，对大气的二氧化硫浓度进行大概的监测，其优点是绿色环保，缺点是精度较低，具体标准及实施方法尚在试验阶段。1.3 二氧化硫监测系统的总体方案本二氧化硫监测仪是采用3SF C.T传感器，传感器与二氧化硫气体反应输出电流信号，经串联电阻转换成电压信号，在经过仪用放大器放大后，传给TLC2543AD转换器，经过AD将模拟信号转换成数字信号，再由单片机将数字信号进行计算，输出浓度值有1602液晶显示屏输出。并由RS232串口经过串口线交给上位机（电脑），电路还有浓度报警装置，上位机也可以通过串口来设定报警值。二氧化硫监测系统的框图如图1.1所示。8051单片机液晶显示模块电源电路模块串口通信模块报警电路模块传感器信号采集AD转换图1.1 二氧化硫监测系统框图 在进行设计和制作的过程中，以各模块为单位，来进行电路设计和程序的编写，将各个模块有机的连接在一起，在与上位机连接，形成一个监测系统。第二章 硬件部分设计方案2.1 硬件设计概述硬件电路的设计是本课题的一个重点，硬件电路的设计要考虑到传感器的特性，放大电路的放大倍数，共模干扰，AD转换的基准的稳定性，电源电路的稳定性，单片机端口的特性等问题。本次电路设计主要包括信号采集电路的设计，点偏激系统的设计，AD转换器的电路的设计，串口电路的设计，LCD显示器的电路设计，报警驱动电路的设计以及电源电路的设计。并考虑到其中的一些有关稳定性的问题。2.2 二氧化硫传感器对几种二氧化硫监测方法的优缺点的比较，考虑到工作量和可操作性的问题。本次设计所采用的方法是二氧化硫电化学传感器的方法。2.2.1电化学气体传感器检测原理 电化学气体传感器是一种新型的传感器技术，它是利用电解池原理，将空气中某种化学气体通过氧化或还原反应将浓度转化为电信号，通过监测电信号的大小得到相应气体的浓度，常用于测量二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等气体浓度。2.2.2 3SF CT传感器在本课题中，目前用来测量二氧化硫的电化学传感器有很多种，其中最为著名的是美国的AGE和英国的CITY两家公司，他们的原理基本相同，只是输出信号的大小有所不同，测量范围有所差异，所以我们选用英国City Technology公司生产的3SF CT电化学传感器来监测二氧化硫的浓度，该传感器是三电极的电化学传感器。3SF CT传感器是一种新型的定电位电解化学气体传感器，它基于伽伐尼电池基本原理，具有体积较小、重量轻、线性度好、性能稳定等特点。它由浸没在液体电解液中的三个电极构成，传感器的结构如图2.l所示。 图2.1 传感器结构示意图3SF CT传感器是由三个电极构成，三个电极分别为：T作电极(Sensing Electrode)、参比电极(Reference Electrode)、对电极(Counter Electrode)City Technology公司的电化学毒气传感器(包括3SF CT传感器)是微燃料元件，不必保养而可以保持长期的稳定性。传感器设计的重点是气体扩散通过障它限制了气体迸入工作电极。电极能对到达它表面的所有目标气体进行反应，并且仍然有储备的电化学活动。这种高活动储备保证CT产品的长使用寿命和温度稳定性。在设计任何电化学气体传感器时，很重要的一点是，通过气体扩散通过障碍限制速率，而其它各阶段速率应该有显著的增加。所以，为保证传感器电化学反应的速度，必须使用具有高催化作用的电极材料。所有CT产品具有高度活跃电极，并且给传感器非常高的能量储备，这就保证了传感器的长期稳定性。2.2.3 SF CT传感器的技术说明3SF CT传感器是专门的烟道二氧化硫气体监测用的传感器，传感器的相关技术参数如表2.1所示。表2.1 传感器参数正常监测范围0-200ppm最大过载浓度5000ppm使用寿命空气中2年输出信号0.100.02Appm精度lppm温度范围-2050压力范围：空气压力10响应时间(t90)30秒相对湿度范围15to 90非结露标准基线范围(纯空气中)相当于02ppm最大的零点移动(+20 _+40)相当于5ppm长时间的输出漂移2信号失真月建议的负载电阻3k输出线性度线性为了使传感器处于“准备工作”的状态，3SF CT传感器供货时，在工作电极与参比电极之间有一短连接(用一导线直接连接起来)。传感器在储藏过程中必须保留此短连接，而且只有当准备使用传感器的时候，才能去掉这个短连接。在仪器不供电时，如果工作电极和参比电极不再短连接，一旦再次使用，传感器就需要很长的一段“启动时间”。在传感器电路设计中，可以通过一个结型场效应管来实现短连接和断开的功能(继电器功Og)，当电路不供电时，这个结型场效应管可以保持工作电极和参比电极短路。为使传感器正确的工作，3SF CT传感器的对电极和参比电极需要很少量的氧气供应。这些氧气经常是由采样来的气流供应的，通过空气扩散到传感器的前端，或者通过传感器的周围和后端扩散到传感器的前端(通常几千ppm的氧气就足够了)。如果传感器没有后端氧气供应通路，持续暴露在厌氧性的采样气体中，则传感器就会失灵。3SF CT传感器一定不能被完全地放入到树脂中或整个地浸入到厌氧性的气体混合物中。最初校准和再校准的时间间隔长短取决于许多因素，通常包括传感器的使用温度、湿度、压力，被暴露于何种气体，及被暴露于气体的时间长短。但3SFCT传感器能在较长时间内提供非常稳定的信号，使用3SFCT传感器只需要定期校准，如每年一次。如对传感器使用要求极高或用于安全应用，则校准工作可能相对频繁些。2.2.4 3SF CT传感器的检测原理 所以本文主要介绍如何利用3SF传感器监测二氧化硫气体含量3SF传感器采用的是电化学传感器，该传感器的总反应公式。 （2.1）反应中有电流流动，电流的大小由气体的扩散决定，由菲克斯扩散定律碰缀出极限扩散电流与气体浓度的关系为： （2.2）其中：为极限扩散电流； 为电子转移数；为法拉第常数；为气体扩散面积；为气体扩散系数； 为气体扩散层厚度；为被测气体浓度在一定工作条件下、均为常数。则可令： （2.3）于是有： （2.4）即极限扩散电流与被测气体浓度之间成正比因此，通过被测气体电解时所产生的电流可推知被测气体的体积分数和质量浓度。3SF三电极传感器用的是无偏操作的外接电路，对于二氧化硫气体在工作电极发生氧化反应的，该电路输出为正对于在工作电极发生还原反应的气体输出为负三电极设计的最大优点在于催化了电化学反应较弱气体的氧化还原反应。2.3 信号采集电路的设计此仪器中传感器信号的放大是一个关键部分，我们选用的二氧化硫传感器 3SF CT的测量范围是0200ppm，线性输出，输出信号是电流信号，传感器的输出信号很微弱，只有A级，所以要将其转换成电压信号，再放大到v级左右，再送入AD转换器之前要先经过放大，本次采集电路的设计实现将其转换成几十mV级的电压，在经过仪用放大器放大10倍左右，到达接近伏级.下面给出了信号采集的电路图，如图2.2所示：图 2.2 信号采集电路稳压器为传感器提供了35mv的电压，将传感器的提供给参比电极的电压，以扩大传感器的测量范围。芯片U3是一个高精度的电流转电压的运放，其型号为AD549，其组成的IV（电流转电压）电路精度高。AD549是具有极低输入偏置电流的单片电路静电计型运算放大器。为达到高精度的目的,输入偏置电压和输入偏置电压漂移均通过激光调节。AD549适用于低输入电流和低输入偏置电压的场合。它特别适合用作各种电流输出的传感器，如光电二极管、光电倍增管以及氧气传感器等的前置放大器。该产品也可用作精密积分器或低衰减采样保持器。AD549的输入电流在整个共模输入电压范围内都得到保证，其输入失调电压和漂移由激光分别调节到0.25mV和5V/(AD549K)；1mV和20V/(AD549J)。700A的最大静态电流使输入电流和偏置电压的热效应降到最低。模拟性能包括1MHz的均匀增益带宽和3V/s的压摆率。当输入为10V时，建立时间是5s。IV转换电路如图2.3所示。 图2.3 IV转换电路其IV转换公式。 UO=IR9 (2.5) 差分放大电路采用的是一个AD620仪用放大器。AD620 是一个低成本, 高精度的单片仪器放大器, 为8 脚SOIC塑封外形 ,AD620 由传统的三运算放大器发展而成, 但一些主要性能却优于三运算放大器构成的仪表放大器的设计, 如电源范围宽(2. 3 18 V ) , 设计体积小, 功耗非常低(最大供电电流仅1. 3 mA ) , 因而适用于低电压、低功耗的应用场合。AD620 的单片结构和激光晶体调整, 允许电路元件,紧密匹配和跟踪, 从而保证电路固有的高性能。AD620 为三运放集成的仪表放大器结构, 为保护增益控制的高精度, 其输入端的三极管提供简单的差分双极性输入, 并采用工艺获得更低的输入偏置电流, 通过输入级内部运放的反馈, 保持输入三极管的集电极电流恒定, 并使输入电压加到外部增益控制电阻R G 上。AD620 的两个内部增益电阻为24.7k , 因而增益方程式。 G=+1 （2.6）因为AD转换的所接受的电压应该在V级左右，信号输出电压为A级，经过IV转换后其电压为十几mv所以后级放大倍数大概为10倍就可以，所以有一个滑动变阻器，来改变其放大倍数，获得更好的输出。以放大10倍计算，电位器的阻值大概为5K。 2.4 STC89C51单片机单片作为整个系统的中央处理器，承担着整个系统的数据处理和过程控制，以及通信等功能。目前市面上可供选择的单片机的类型有很多种，例如ARM、DSP、51等，ARM主要用于复杂的控制系统，DSP以其强大的运算功能著称，对于本次课题，由于其运算的过程不是十分复杂，并且其控制过程也不太难，其管脚的数量也并不是很多。所以考虑到成本等因素，选用40管脚的STC89C51单片机，其管脚数量和功能足以满足本次设计。本课题选用STC89C51单片机，该单片机与MCS一5l单片机兼容，STC89C51是低电压、高性能的CMOS 8位单片机，片内含有8K字节的Flash可编程可擦除只读存储器，有256字节的内部RAM，32个可编程的IO线，2个16位的定时计数器，4个中断源，还有一个可编程的全双工串行口。单片机的引脚图如图2.4所示。图 2.4 单片机的引脚图2.4.1.输入输出引脚(1) P0端口P0.0-P0.7 P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口，端口置1（对端口写1）时作高阻抗输入端。作为输出口时能驱动8个TTL。对内部Flash程序存储器编程时，接收指令字节;校验程序时输出指令字节，要求外接上拉电阻。在访问外部程序和外部数据存储器时，P0口是分时转换的地址(低8位)/数据总线，访问期间内部的上拉电阻起作用。(2) P1端口P1.0P1.7 P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部Flash程序存储器编程时，接收低8位地址信息。(3) P2端口P2.0P2.7 P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部Flash程序存储器编程时，接收到高8位地址和控制信息。在访问外部程序和16位外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。而在访问8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。(4) P3端口P3.0P3.7 是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部Flash程序存储器编程时，接到控制信息。除此之外P3端口还用于一些专门功能，p3端口的引脚功能如表2.2所示。表2.2 P3端口引脚兼用功能表P3引脚兼用功能P3.0串行通讯输入（RXD）P3.1串行通讯输出（TXD）P3.2外部中断0（ INT0）P3.3外部中断1（INT1）P3.4定时器0输入(T0)P3.5定时器1输入(T1)P3.6外部数据存储器写选通WRP3.7外部数据存储器写选通RD2.4.2 单片机的最小系统单片机的最小系统是由电源、复位、晶振、/EA=1组成，下面介绍一下每一个组成部分。Vcc电源端,GND 接地端。工作电压为5V，另有AT89C51工作电压则是2.7-6V, 引脚功能一样。 XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频。在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此引腿时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。经过上述介绍，结合一般用的比较多的情况，单片机的外围电路如图2.5所示。图2.5 单片机外围电路其中C11为10F的电解电容，R3为阻值为10K的电阻，C9和C10为22p的电容，所选用的晶振的大小为11.0592Hz，因为单片机与电脑的通信所采用的是RS232的串口通信，所选用的波特率为9600，所以要选用11.0592的晶振，以便获得正确的波特率，保证通信的进行。电容C12是一个保护电容，因为模拟电路和数字电路共用一个+5V的电源，所以在数字电路的每一个芯片需加一个电容，大小大概为104，来减小数字电路对模拟电路的干扰。第31管脚应该接一个高电平，这样单片机就从内部的ROM来开始程序的执行。P0管脚接LCD1602的数据段，P2.5-P2.7接LCD1602液晶屏的控制端。P36,P37接串口通信端，P1.5接报警电路的驱动。另外，电路的P0口要接一个102的上拉电阻的组排，因为P0口的电路输出为集电极开路，其高电平的输出电压非常的低，所以需要上拉电阻，来保证其高电平的数输出满足电路的要求。在电容C12上与之并联一个按键，就可以组成一个手动的复位的电路，可以手动对单片机进行复位。2.5 AD转换器TLC2543及其外围电路AD转换也是电路设计中的一个重点，目前市面上的AD转换的型号有很多种，其中有的是12位的，8位的，16位的。例如0803,0804等大家所熟悉的芯片。本次设计所选用的是一种新型的AD转换的芯片-TLC2543，他是一个12位的芯片，精度较高，具有11路模拟信号输入通道。可以进行片选，有利于今后测量种类的增多时，进行电路的添加，而且其转换速度比较快，性价比比较好。其又与单片机有非常简单的接口电路，避免占用过多的单片机的IO接口。TLC2543是美国德州仪器公司于近几年推出的一种性能价格比较优的12位AD转换芯片,具有多种封装形式,并具有民用级、工业级 、军用级产品。产品型号、封装形式、用范围等方面, 已形成一个系列。一九九八年以来开始在我国推广使用。12位AD转换器来说,TCL2543具有转换快、定性好、微处理器接口简捷、价格低等优点。 由于51系列单片机是我国单片机应用领域的主流型号 , 一批与之兼容的单片机 （如 AT89C51 、STC51 等）于近几年相继推广用,TLC2543与其有十分简单的接口电路。TLC2543是 12 位开关电容逐次逼近模数转换器，TLC2543有20根引脚。引脚的功能简要分类说明如下：(1) 电源引脚Vcc ，20 脚 :正电源端 , 一般接 + 5V 。GND ，10 脚 :地 。REF + , 14 脚 : 正 基 准 电 压 端 , 一般接 +5V 。REF - , 13 脚 :负基准电压端,一般接地。(2) 控制引脚CS ,15 脚 :片选端 ,由高到低有效 , 由外部输入。EOC , 19 脚 :转换结束端 , 向外部输出。I/ O CLOCK, 18 脚 :控制输入输出的时钟,由外部输入。(3) 模拟输入引脚AIN0 AIN10 ,1 9 脚 1112 脚 :11 路模拟输入端 ,输入电压范围 :0.3V Vcc+ 0.3V 。(4) 控制字输入引脚DATA TNPUT ,17 脚 :控制字输入端 , 选择通道及输出数据格式的控制字由此输入 。(5) 转换数据输出引脚DATA OUT ,16 脚 :A/ D 转换结果输出的 3 态串行输出端。TLC2543与单片机的接口电路如图2.6所示。 图2.6 AD转换接口图其中A为模拟信号输入，SDO, SDI,SCLK,CS分别接在单片机微处理器的IO接口上。13和14管一般情况下接一个稳压的芯片，来确定其基准的电压值，本次毕设在连个引脚之间接一个10的电容，以确保基准电压的稳定，防止其受到电压不稳的干扰。2.6 1602液晶屏及其外围电路LCD1602是一款常用的液晶，可以显示2行16个字符，工作电压为5V，并且带有字符对比度调节(VO：LCD对比度调节端，电压调节范围为05V。接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，通常使用一个10K的电位器来调整对比度，或者直接串接一个1K的电阻到地)。LCD1602引脚结构及外围电路如图2.7所示。图2.7 1602引脚图及外接电路LCD1602与单片机的管脚接法相对于数码管也非常简单，其与单片机的连接线有8位数据总线D0-D7，和RS、R/W、EN三个控制端口，LCD1602引脚功能如表2.3所示。表2.3 LCD1602引脚结构管脚名称引脚说明管脚名称引脚说明1GND电源地9DB2双向数据口21VDD电源正极10DB3双向数据口3V0对比度调节11DB4双向数据口4RS数据/命令选择12DB5双向数据口5RW读/写选择13DB6双向数据口6E模块使能端14DB7双向数据口7DB0双向数据口15BLA背光正极8DB1双向数据口16BLK背光正极2.7 串口RS232及其外围电路本次课题所选用的串口芯片为MAX232芯片，MAX232芯片专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。它的主要特点是：1、符合所有的RS-232C技术标准。2、只需要单一 +5V电源供电。 3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V- 。 4、功耗低，典型供电电流5mA 。 5、内部集成2个RS-232驱动器 。 6、高集成度，片外最低只需4个电容即可工作。 MAX232芯片的封装共有16个管教，其引脚图如图2.8所示。 图 2.8 MAX232引脚图 第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。 第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。MAX232外围电路如图2.9所示。 图2.9 MAX232外围电路 其中TXD和RXD分别于单片机的TD和RD管脚相接。串口的第五管脚接地，所用的电容皆为104的瓷片电容。2.8 电源模块电路 供电电路采用7805,两个7815来获得正5v和正负15v的电源。L,N级之间连接的是220伏50Hz的交流电，经过T1变压器之后变成9v的交流电，在经过二极管整流器是使其波形上翻，经过电解电容和瓷片电容后获得近似直流电压，在经过稳压模块7805后输出正5v，来保证单片机系统的供电，为进一步提高电源质量，5伏的直流电再次经过C3、C4滤波。来保证电源的稳定。同理+15v的电压也是如此获得，将第二路的+15v的电压的正接到第一路+15v电压的负端就获得了一个正负15负的电源。在设计电源模块中要保证电容的耐压要高于器电路电压，最小要高于其两端最大电压的1.2倍。电容的值应足够大，否则或有电容爆掉的可能。电源电路如图2.10所示。 图2.10 电源电路图2.9 报警电路为提高系统的实用性，系统又加入了报警系统，报警系统由蜂鸣器，三极管构成，当浓度值高于报警值时，蜂鸣器就会报警。其中三极管起到一个驱动的作用。报警电路如图2.11所示。图2.11 报警电路图 可以用于驱动的电路和芯片有很多，例如光耦驱动，ULN2003芯片驱动，以及CMOS管驱动，三极管驱动，继电器驱动，本次课题所采用的是PNP型的三极管驱动，当M端低电平时，三极管导通，其压降有零点几伏，所以蜂鸣器导通，发出报警生声音。对单片机的管脚有一个电流保护的作用。当M端的电压为高电平的时候，三极管截止，蜂鸣器停止报警。第三章 系统程序设计3.1 所选语言及开发的环境3.1.1 单片机的C语言C语言是一种源于编写UNIX操作系统的语言，是一种结构化语言，可产生紧凑代码。c语言结构是以括号而不是以字和特殊符号表示的语言。C语言可以进行许多机器级函数控制而不用汇编语言。与汇编语言相比，C语言对单片机的指令系统不要求了解，仅要求对805l的存储器结构有初步了解；提供的库包含许多标准子程序，具有较强的数据处理能力；已编好的程序可容易地植入新程序，因为C语言具有方便的模块化编程技术。C语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了许多高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。用c语言编写目标系统软件，会大大缩短开发周期，且明显增加程序的可读性，便于改进和扩充，以研制出规模更大、性能更完备的系统。采用C语言可以很容易地进行单片机的程序移植工作，有利于单片机的重新选型。用C语言进行8051单片机程序设计使单片机开发与应用的必然趋势。3.1.2 CX51编译器 805l系列单片机以其工业标准的地位，从1985年开始就有8051单片机的C语言编译器，简称Cx51。并非所有公司的Cx5l编译器都能产生发挥805l特点的有效代码。德国KEIL公司在代码生成方面领先，可产生最少的代码。它支持浮点、长整数、重入和递归。KEIL以其紧凑的代码和使用方便而领先。KEIL 8051开发工具套件可用于编译C源程序，汇编源程序，链接和定位目标文件及库，创建HEX文件以及调试目标程序。本课题在编程中使用KElL 805l开发工具。3.2 主程序的设计主程序主要控制单片机的整个运转的过程，决定了各个子程序的运行先后顺序。本课题的程序时机包括，端口的初始化，串口中断的初始化及控制，LCD1602显示器的初始化和程序控制，报警电路的控制，AD转化的程序控制，延时子程序几个方面。主程序流程图如图3.1所示。开始开始端口初始化串口初始化读AD发送ADLCD显示判断报警图3.1 系统程序框图3.3延时函数的设计 延时函数是一个程序的重要部分，也是大部分的程序设计中的一个重要步骤，大多数芯片是有一定的反应时间，所以必须加一些延时来给芯片一定的反应时间，保证系统的正常运行。延时函数大部分是用for循环的，是单片机进行执行空语句_nop_(),来消耗掉一定数量的时钟周期。开始本程序的延时函数是采用两个for嵌套的新形式，采用4个空语句_nop_();来实现延时。其延时的时间的单位大约是1ms；因为所采用的单片机的晶振的大小事11.0592。机械周期为单片机所采用的晶振周期12倍，因此机械周期为大概为1s，延时函数的第二级循环250次，每次执行4个空语句，所以为1ms，所以其输入的控制次数就是其延时的ms单位的数值。延时函数程序框图如图3.2所示。获得延时时间msi=0否ims是j=0否j250是i+j+_nop_();_nop_();_nop_();_nop()_; 结束 图 3.2 延时函数程序框图3.4 串口程序设计串口通信的主要是波特率的设定，一般情况下，所选用的串口的波特率为9600pbs，信号在9600pbs下的传输距离大约为50m，可以满足仪器到子站之间的距离。为了设定9600pbs波特率，所以要采用11.0592MHz的晶振或者为其倍数的晶振。本次课题所采用的是11.0592MHz的晶振，工作方式为方式1，由定时器T1的溢出率控制。 s （3.1）定时器的溢出率等于定时时间的倒数。所以计算得定时器的初值为TH=oxfd, TL=oxfd。串口程序流程图如图3.3所示。SBUF=AD开始用定时器TMOD确定定时器1等待中断设定SMOD值为0开中断确定工作方式1TI=1RI=1COM=SBUFTI,RI清零N Y Y N 图3.3 串口程序框图串口中断在开启之前要对其进行初始化，在初始化过程中要对其所采用的定时器进行确定，还有一点重要的是要对其的波特率进行设定，以保证其通信的正常进行，串口中断在开启后，串口中断就开始等待中断，如果读中断 RI 被置1，则开始读中断，将缓存寄存器 SBUF 的数据传给设定的变量 com。如果写中断 TI置1，则将数据ad 传给缓存寄存器SBUF。在串口通信结束后，TI和RI都置零，串口中断继续等待下一次中断。3.5 TLC2543的程序设计过程控制字为从DATAINPUT端串行输入TLC2543芯片内部的8位数据,它告诉TLC2543要转换的模拟量通道、转换后的输出数据长度、输出数据的格式。其中高4 位(D7 D4)决定通道号,对于0 通道至10通道,该4位分别为0000、0001、1010,该4位为其它数字时的功能,用于监测校正,本文不作具体介绍。低4位决定输出数据长度及格式, 其中D3、D2决定输出数据长度,TLC2543的输出数据长度有8位、12 位、16 位,但由于TLC2543 为12 位A/ D转换芯片,经过分析可以看出,8位、16位输出对TLC 2543的应用意义不大, 宜定在12 位输出,D3、D2两位为00即可。D1决定输出数据是高位先送出,还是低位先送出,若为高位先送出,该位为0 ,反之为1。D0决定输出数据是单极性(二进制) 还是双极性(2的补码) ,若为单极性,该位为0 ,反之为1。举例说明:设采集第6 通道、输出数据为12 位、高位先送出、输出数据的格式为二进制,则控制字为:01100000 ,用十六进制表示即为60H,本文基于此格式说明转换过程。3.5.1 TLC2543 的内部寄存器从编程角度看, TLC2543 内部寄存器有输入数据寄存器与输出数据寄存器。输入数据寄存器存放从DATA IN PUT 端移入的控制字。输出数据寄存器存放转换好的数据, 以供从 DATA OUT 端移出。3.5.2 转转过程上电后,片选CS 必须从高到低,才能开始一次工作周期,此时EOC 为高,输入数据寄存器被置为0 ,输出数据寄存器的内容是随机的。开始时,片选CS 为高, I/ O CLOCK、DATA IN PUT 被禁止, DATA OUT 呈高阻状态, EOC为高。使CS 变低, I/ O CLOCK、DATA IN PUT 使能, DATA OUT 脱离高阻状态。12 个时钟信号从I/ O CLOCK端依次加入,随着时钟信号的加入,控制字从DATA INPUT一位一位地在时钟信号的上升沿时被送入TLC2543 (高位先送入) , 同时上一周期转换的A/ D 数据, 即输出数据寄存器中的数据从DATA OUT 一位一位地移出。TLC2543 收到第4个时钟信号后,通道号也已收到,因此此时TLC2543 开始对选定通道的模拟量进行采样,并保持到第12个时钟的下降沿。在第12个时钟下降沿, EOC 变低,开始对本次