煤气检测毕业论文.doc

唐山科技职业技术学院 煤炭深加工与利用 赵岩 18 I 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 液化气 煤气进入家庭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 其中一氧化碳是最主要的危险源 本设计利用 GS 系列传感器 将置于测试环境中待测气体的浓度转换为模拟 电压 再通过 ADC0809 将模拟电压转换为数字信号 送入单片机 AT89C51 中进行处理 为了用户对气体浓度进行实时了解 将 AT89C51 外接 3 片 74LS164 作为 3 位 LED 显示器的静态显示接口 把单片机的 RXD 作为数据 输出线 TXD 作为移位时钟脉冲 74LS164 为 TTL 单向 8 位移位寄存器 通过 8 位移位寄存器 74LS164 可进行静态显示 通过设置气体浓度报警值 用单片机控制发光二极管和声控同时报警 利用单片机控制技术 制作了程 控一氧化碳报警器 该仪器对一氧化碳 CO 进行实时监控 当一氧化碳的 浓度超过允许值时 控制电路进行报警 并通过外接排风扇与电磁阀对其进 行程控 以防事故的发生 另外为了防止程序陷入死循环 还利用 x25045 芯 片组成的看门狗电路在程序陷入死循环时让单片机复位 而不用整个系统断 电 从而保护了硬件电路 由于所设计的数字气体报警器采用单片机 AT89C51 其价格便宜 性能 稳定 易于产品化 以 GS 气体传感器和 AT89C51 单片机为核心 设计气 体泄漏报警器 该报警器设计方法简单易行 使用效果良好 下面给出了气 体泄漏报警器的总体设计原理 关键的硬件电路和所有的软件程序设计 关键字关键字 单片机 传感器 智能化 一氧化碳 目录 III 目录目录 第第 1 章章 绪绪 论论 1 1 1 课题设计背景与意义 1 1 2 煤气检测在国内状况 2 1 3 本系统设计的主要内容 3 第第 2 章章 方案论证方案论证 5 2 1 总体系统方案 5 2 2 单片机比较 5 2 3 传感器选择 9 2 4 整体方案确定 12 第第 3 章章 硬件设计硬件设计 14 3 1 89C51 简介 14 3 2 89C51 振荡电路 16 3 3 89C51 复位电路 17 3 4 89C51 译码及外部扩展 18 3 5 电源电路 20 3 6 显示电路 22 3 7 报警电路 23 第第 4 章章 软件设计软件设计 25 4 1 软件部分的设计 25 4 2 软件程序的调试 33 结论 35 致谢 36 参考文献 37 第一章绪论 1 第 1 章 绪 论 1 1 课题设计背景与意义课题设计背景与意义 随着煤气 液化石油气的用户越来越多 因使用不当而造成的事故时有 发生 譬如煤气炉在烧水或做饭期间 往往因为开水及稀饭外逸继而导致火 灾 爆炸事故 因此 在现有灶具上安装煤气意外报警电路是十分必要的 又由于石油 化工生产过程具有易爆 易燃的性质 生产装置时常可能 泄漏可燃性气体或蒸汽 当这些气体或蒸汽在空气中的浓度达到一定数值时 随时都可能发生爆炸火灾事故 威胁着人身与设备的安全 为了保证安全生 产 严密监测可燃性气体在空气中的浓度 是否能安全生产的必要条件 在生产现场容易泄漏可燃性气体的地方安装可燃性气体报警器 当空气 中的可燃性气体或蒸汽的浓度达到或超过报警设定点时 可燃性气体检测报 警器便发出闪光和声响报警信号 以便及早采取必要的应急措施 避免爆炸 火灾事故的发生 达到安全生产的目的 随着科学技术的发展 工业生产规模的扩大 在生产中使用的气体原料 和生产过程中产生的气体种类和数量也在增加 这些气体物质中有些是易燃 易爆的 有些是引起人们窒息 中毒的 煤气作为一种气体能源 在人们生 产和生活中已得到越来越广泛的应用 煤气 主要成分 CO 的泄漏将严重 地污染环境并可能诱发爆炸及使人中毒等事故的发生 为了保证生产和生活 的安全 防患于未然 就需要对其进行有效的监控 近年来随着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 但由于使用不当或者设备老化等原因导致的煤气泄漏经常发生 煤气 泄漏事件发生时 将会引发中毒 火灾甚至爆炸事故 严重危害人民的生命 和财产安全 由于气体本身存在的扩散性 发生泄漏之后 在外部风力和内 部浓度梯度的作用下 气体会沿地表面扩散 在事故现场形成燃烧爆炸或毒 害危险区 扩大危害区域 而且 气体报警器的研发对于防止煤矿事故也是至关重要的 据权威部 门统计 仅去年煤矿事故死亡人数就高达 3786 人 同时也造成了巨大的经济 损失 我国特大煤矿事故也是非常严重的 由此可见报警器无论是在人们的 日常生活中 还是在煤矿等工业生产中都发挥着至关重要的作用 所以实时 2 准确测量周围环境中的可燃性气体 有毒有害气体泄露 对保护人民的身体 健康和财产安全有重要意义 泄漏检测技术在管道检测之中的应用得到了很好的发展 对于管道的泄 漏检测要满足以下几个要求 1 准确可靠地判断泄漏的发生 并能够在较短的时间内判断出泄漏点具 体的位置 2 准确可靠地判断泄漏程度 能对较小量的泄漏做出判断 3 检测原理简单 易于操作和维护 1 2 煤气检测在国内状况煤气检测在国内状况 目前市场上销售的煤气泄漏报警器在功能及线路结构方面不同程度上的 存在一些问题 因此煤气泄漏装置的功能和可靠性的加强成了迫切需要解决 的问题 本系统线路简单 价格便宜 易于操作和维修 是一种比较理想的 报警装置 在将来的社会中 随着使用煤气的普及 煤气泄漏报警器会有更大的发 展 使用量会有更大的提高 前景比较光明 随着我国燃气事业的高速发展 燃气安全技术越来越受到重视 传统的 安全检测已经不能满足人们对燃气安全生产运行的要求 以计算机为基础的 信息时代 燃气管网也进入了数字化的进程中 城市燃气安全运行管理有了 更为先进准确的手段 本文主要对基于城市燃气管网的特点 目前城市燃气 故障 泄漏 检测系统中的存在的问题进行分析 讨论目前存在的问题 希 望能够在一定程度上对检漏系统的设计和改造过程中有一定的帮助 城镇燃气设计规范 和 城镇燃气管网抢修和维护技术规程 为主的 国家标准构成了城市燃气安全体系的核心 国家标准中规定了各种燃气设施 的安全设计 运行与维护所要达到的要求 这些标准特别是强制性条文使得 城市用气安全有了保障 在规范和规程中的检漏体系 主要是规定了人工巡 检的机制 对燃气管网系统的管道及其附件 设备的安全检查 人工巡检实质上就是间断性的检测 随着检测特点的不同可分为固定式 和便携式 固定式是指将检测设备固定在某点如用户厨房 检测井 阀门井 第一章绪论 3 中 对某一空间进行的监测 一旦发生泄漏并达到一定浓度时 便发出报警 信号 便携式是指巡检人员携带检测设备可对燃气管道的各个点进行检测 就有高度的灵活性和灵敏度 现有的便携式检测设备很多 灵敏度都很高 基于的原理也都不一样 连续性检测技术使得检测变成了监测 在时间和空间保证了连续性 使 得燃气管网处于实时的监控之中 但连续性检测系统本身存在着一定的缺陷 它的灵敏度和定位精度相对较低 微小泄漏难以察觉 误报率也现对较高 间断性泄漏检测法敏感性和定位精度有着无可比拟的优越性 误报率也非常 低 如人或狗巡线 嗅觉 取样分析法 光学检测法 遥感激光法等 通 过对管线进行沿线逐步测量发现管道是否存在泄漏和其他故障 面对处于复 杂城市环境 因而对其安全性有更高要求的城市燃气管网 连续性检测和间 断性检测 计算机监测和人工巡查 只有运用多种手段才能使得人们对燃气 系统安全运行得到可靠保证 同时利用各种分析手段对管道进行风险评价 对不同等级的管道运用不同的技术手段以保障其经济适用性 基于神经网络的管道泄漏检测方法不同于已有的基于管道准确流动模型 描述的泄漏检测方法 能够运用自适应能力学习管道的各种工况 对管道运行状 况进行分类识别 是一种基于经验的类似于人类的认知过程的方法 该方法还可 以应用到管道堵塞 变形等多种故障 对于运行工况比较复杂的城市燃气管 网可以利用这些特点设计检测系统 目前已有单位申请了该种检测方法的发 明专利 具有广泛的应用前景 1 3 本系统设计的主要内容本系统设计的主要内容 本系统是利用单片机对 64 个房间进行自动监测 一旦出现煤气泄漏情况 能立即报警 并指示泄漏地点的煤气泄漏自动报警系统 信号通过传感器电 路 转变成数字信号 传送给单片机 并通过循环检测 查出并同时显示出 报警地点 主要技术参数 响应时间 40S 报警音量 70DB 工作电源 220VAC50Hz 4 报警浓度 0 01 温度范围 10 70 第二章方案论证 5 第 2 章 方案论证 2 1 总体系统方案总体系统方案 系统设计方案如图 2 1 图 2 1 系统设计方案图 2 2 单片机比较单片机比较 从硬件角度看 单片机具有小型化的特点 它采用超大规模技术将具有 数据处理能力的微处理器 CPU 存储器 含程序存储器 ROM 和数据存 储器 RAM 输入 输出接口电路 I O 接口 集成在同一块芯片上 一片 单片机芯片就具有组成计算机的全部功能 从软件角度看 单片机指令系统有精单指令的特点 容易学习 利用单 片机指令编写的源程序短小精悍 使单片机应用产品即体积小又具有智能化 发展前景 纵观单片机的发展过程 可以预见单片机的发展有着广泛的 前景 尤其在工业控制 智能仪器仪表 计算机网络和通信领域 家用电器 医用设备等领域中将有着广泛的发展前景 单片机的各种主要用途如下 1 在智能仪器仪表上的应用 2 在工业控制中的应用 3 在家用电器中的应用 cpu 模块 显示模块 报警模块 检测模块 看门狗 6 4 在计算机网络和通信领域中的应用 5 单片机在医用设备领域中的应用 此外 单片机在工商 金融 科研 教育 国防航空航天等领域都有着十分广泛的 用途 单片机应用系统是一个工业测控系统 从这一观点出发 单片机应用于 系统工程应满足下列要求 1 控制接口 这只在测控接口及测控功能电路配置和要求与测控对象 密切相关 2 必须适应现场环境要求 计算机系统及接口电路设计 配置必须考 虑到应用系统安放环境要求 INTEL 公司推出的 MCS 48 系列单片机 被称为第一代单片机 由于 8048 硬件结构相对简单 寻址能力也较弱 仅适用于一些简单实时控制场合 MCS 51 系列单片机 称为第二代单片机与 8048 相比 51 系列的硬件 结构和指令系统均有很大改进 支持更大存储空间 很强的外部扩展功能 速度提高了 2 5 倍 可完成布尔运算等 目前 8051 已成为第二代工业标准单 片机 近年来 又出现了十六位单片机 即 MCS 96 系列 8096 8098 是先 进的十六位 片上计算机 芯片内含有 12000 个发光晶体管 速度快 集成 度高 适合于 I O 端口密集场合的复杂实时控制 但设计过程较复杂 价格 较高 下面就以上三种单片机的各部分进行比较 1 三种系列 CPU 比较 MCS 48 8 位 CPU 累加器为算术逻辑运算中心 2 级工作寄存器 累加器可以寻址 定时 控制 条件分支测试逻辑 时钟速度 1 11MHZ MCS 51 8 位 CPU 累加器为算术逻辑运算中心 4 级工作寄存器 B 寄存器 具有寻址 64KB 数据存储器的位 DPTR 寄存器定时 控制逻辑 时钟速度 1 12MHZ MCS 96 16 位 CPU 相当于一个 累加器 内部寄存器阵列可进位操 作 硬件实现乘除法 检测软硬件故障的定时器 定时与控制逻辑 时钟速 率为 1 12MHZ 第二章方案论证 7 2 三种系列 I O 端口及中断比较 MCS 48 2 个 8 位并行口 1 个位定时器 计数器 2 路 8 位 A D 转换 器 单级中断 两个中断器 MCS 51 4 个 8 位并行口 1 个全双工串行口 2 个 16 位定时器 计数 器 它是二级中断 5 个中断源 MCS 96 5 个 8 位并行口 1 个全双工串行口 2 个 16 位定时器 计数 器 8 路十位 A D 转换器 它是可编程级中断逻辑 20 个中断源 89C51 是 INTEL 公司 MCS 51 系列单片机中基本的产品 它采用 ATMEL 公司可靠的 CMOS 工艺技术制造的高性能 8 位单片机 属于标准的 MCS 51 的 HCMOS 产品 它结合了 CMOS 的高速和高密度技术及 CMOS 的 低功耗特征 它基于标准的 MCS 51 单片机体系结构和指令系统 属于 89C51 增强型单片机版本 集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功 能 适合于类似马达控制等应用场合 89C51 内置 8 位中央处理单元 256 字节内部数据存储器 RAM 8k 片内程序存储器 ROM 32 个双向输入 输 出 I O 口 3 个 16 位定时 计数器和 5 个两级中断结构 一个全双工串行 通信口 片内时钟振荡电路 此外 89C52 还可工作于低功耗模式 可通过 两种软件选择空闲和掉电模式 在空闲模式下冻结 CPU 而 RAM 定时器 串 行口和中断系统维持其功能 掉电模式下 保存 RAM 数据 时钟振荡停止 同时停止芯片内其它功能 89C51 有 PDIP 40pin 和 PLCC 44pin 两种 封装形式 VCC 供电电压 GND 接地 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I O 口 每脚可吸收 8 个 TTL 门 电流 当 P0 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 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 口作为第八位地址接收 8 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 P3 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 口作为 AT89C51 的一些特殊功能口 管脚 备选功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4 T0 计时器 0 外部输入 P3 5 T1 计时器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 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 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 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 PSEN 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 PSEN 有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信号将不出现 EA VPP 当 EA 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 EA 将内部锁定 第二章方案论证 9 为 RESET 当 EA 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 外接石英晶体或者陶瓷谐振器以及电容 C1 C2 接在放大器的反馈回路 AT89C52 内部有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大电路 XTAL1 XTAL2 分别是该放大器的输入和输出端 中构成并联振荡电路 为了使装置能够被外部时钟信号激活 XATL1 应该有效 而 XTAL2 应该被 悬空 由于输入到内部的时钟信号电路通过了一个二分频的信号 外部信号 的工作周期比没有别的要求 但是最大值和最小值的大小可以在数据表上观 察出来 当正常工作时 外部振荡器可以计算出 XTAL1 上的电容 最大可 达到 100pF 这是由于振荡器电容和反馈电容之间的相互作用 当外部信号 是标准高电平或者低电平时 电容不会超过 20pF 用户的软件都可以调用空置模式 当单片机出于这种模式 耗能就会自 然降低 特殊功能端和板子上的随机存储器在空置状态保持各自的电平 但 是处理器阻止装置执行指令 空置模式会被激活如果端口处于复位状态或者 中断系统有效 根据上述 MCS 51 系列单片机在 I O 端口功能 种类 数量及系统扩 展和 CPU 处理上都有较高的性能 MCS 51 系列可行性好 易扩展 控制 功能强 可谓是性能价格比最佳的八位单片机 特别适合我国国情 因此 本设计采用 MCS 51 系列单片机 根据设计要求 选取 MCS 51 系列的 89c51 作为实际的单片机控制 2 3 传感器选择传感器选择 当泄漏的可燃性气体在空气中的浓度达到一定数值时 随时都可能发生 爆炸火灾事故 威胁着人身与设备的安全 为了保证安全生产 严密监测可 燃性气体在空气中的浓度 在生产现场容易泄漏可燃气体的地方安装可燃性气体报警器 当空气中 10 的可燃性气体浓度达到允许超过报警设定点时 可燃性气体检测报警器便发 出闪光和声响报警信号 以便及早采取必要的应急措施 避免爆炸火灾事故 的发生 1 可燃性气体检测器的选用 可燃性气体检测器技术近年来发展很快 生产的厂家也很多 但其工作 原理大致可分为催化燃烧法和半导体气敏元件法两种方式 每种方式又从使 用型式分为固定式和 便携式 从采样形式分为泵吸式和扩散式 2 半导体气敏元件检测原理 半导体气敏元件有氧化锡半导体和氧化锌半导体两种类型 检测电路见 图 2 2 加热电源 B 输出 U0 B A Us 输出 Uo 加热电源 Us a 氧化锡半导体式 b 氧化锌半导体式 图 2 2 半导体气敏元件检测原理图 在这两种电路中 以恒定的直流电源通过铂丝加热器进行加热 当空气 中无可燃气体存在时 氧化锡半导体 A B 极间和氧化锌半导体源极 B 与加 热铂丝间呈高阻状态 此对无信号输出 当空气中有可燃性气体存在着吸附 在金属氧化物烧结体上引起电导率的变化 半导体器件阻值变小 从而将可 燃气体浓度转变为电信号输出 从有关资料及使用情况分析 催化燃烧式检测器全量程灵敏度高 精度 较高 响应时间快 示值的重复性及线性好 但它受硫化物 氯化物气体污 染后失效 半导体气敏式检测报警器 虽然综合性能均低于催化燃烧式检测 器 但它能适用子含有少量硫化物 氯化物气体的场合 对微量泄漏较为敏 第二章方案论证 11 感 仅需了解可燃气体是否存在 对其变化趋势的了解要求不高的场合较为 适应 3 两种使用形式的应用情况 一般来说 便携式可燃气体检测报警仪适应于以下情况 1 要求对可燃气浓度定时检测的场所 2 临时处理可燃气体的场合检查容器内是否有残留气体 3 阀门 法兰等处的微量泄漏 4 在有可燃气体泄漏或滞留的场所临时作业时 5 固定式可燃气体检测报警仪表因故短期停用的气体爆炸危险环境 除此之外 所有需要连续监视是否有可燃气体泄漏及存在的场合 需重 点监视的场合等都应使用固定式可燃气体检测报警器 4 两种采样型式的应用 生产现场较多采用扩散式检测器 它适用于区域监测 一般性的重点监 测 泵吸引式检测器则用于泄漏点不易接近的场合 微量泄漏监测 特殊重 点监测等场合 因此 在设计使用可燃气体检测报警系统时 应根据气体条件及检测报 警要求决定采用催化燃烧式还是半导体气敏元件式检测器 然后根据检测对 象及环境 是否需要配备便携式仪表 最后根据区域要求及测点条件等因素 决定各处检测器采样样式 因此达到合理有效地选用可燃气体检测报警仪 5 可燃气体检测器的安装要求 在设计中对无可燃性气体或蒸汽存在的场合 安装多少数量的检测器 怎样安装测器等 是设计人员非常关心的问题 但由于尚无一般规则可供遵 循 只能依据产品说明书的要求 凭经验行事 通过对可燃气体检测报警系 统的设计和查阅资料认为 一般来讲 检测器的安装需统盘考虑可燃性气体 的性质 周围空气的流动性 建筑结构 整体布局 泄漏点及经济性等几个 方面 一般在设计时必须考虑到 1 在空气不流通的环境 检测器应安 置在可能存在泄漏气体的死角 2 可燃性气体比重小干 1 时 检测器应安装在泄漏点的上方气体易积 处 距屋顶大于 100rn m 比重大于 1 时 检测器应安装在泄漏点下方 一 12 般距离地面 500m m 的高度 考虑到检测器维修及标定的方便 一般要求检 测器周围需 30 公分的空间 3 在空气流通的场合 其位置应考虑到风向的影响 使检测器总是位 于泄漏气体的下风侧 4 设置在建筑物内的压缩机 泵 反应器 贮罐 容易引起泄漏的高 压气体设备及易积聚气体的地方 在这些设备群的周围按每 10m 安装一个检 测器考虑 5 设置在建筑物外的 4 条所述的高压气体设备 这些设备接近其它 构筑物 墙壁或设置在坑内 在这些设备群的周围可按每 20 m 安装一个检测 器考虑 6 在有加热炉等火源的生产设施周围 气体易滞留的地方 可按每 20m 装一个检测器考虑 7 可燃性气体或液体的罐装口 在其周围需要安装二个以上的检测器 8 仪表控制室内设置一个以上的检测器 9 当检测器采取距阵均布时 各检测器之间的距离一般情况可按 15 m 间隔考虑 并视装置区设备的安装密度与生产过程产生爆炸的危险程度作 相应的增减 6 可燃气体报警仪报警值的设定 可燃气体检测报警器的表面刻度通常用可燃气体或蒸汽最终爆炸极限浓 度 LEL 的百分值来标示 标示范围为 0 100 LEL 在实际使用中 需要设定报警刻度值 对于每个报警回路只具有一个报 警设定点时 通常设定为 20 30 LEL 对于具有二个报警设定点的报 警器 一般将第一报警点设定在 20 LEL 第二报警点设置在 40 LEL 当然使用者可根据现场的需要对报警设定值作适当的调整 但是报警设定值 不得超过 60 LEL 以便当仪表报警时 能有一定的时间进行紧急处理 避 免事故的发生 2 4 整体方案确定整体方案确定 第二章方案论证 13 设计是利用单片机控制技术 制作了程控一氧化碳报警器 该仪器对一 氧化碳进行实时监控 当一氧化碳的浓度超过允许值时 单片机控制电路进 行报警 并通过外接排风扇进行程控 以防事故发生 基于 AT89C51 性价比 高的优势 主要运用了 AT89C51 单片机进行控制 而对与报警器而言至关重 要的部分是传感器 由于 GS 系列气敏元件采用半导体敏感材料 其灵敏度 选择性 稳定性 抗干扰性 响应时间及寿命等主要性能 均达到国内先进 水平 用该系列元件组装成易燃易爆和有毒气体泄漏报警器及检测装置 可广 泛运用于矿山 油田 化工 国防 医药及家庭 所以在设计中采用的是 GS 系列传感器 在模数转换这块 利用 ADC0809 实现模数转换 ADC0809 是 8 位逐次渐进型的 A D 转换器 它采用 COMS 工艺 20 个引脚双列直插式封 装 它有三态琐存器 直接驱动数据总线 与微机相连时不需要附加接口电 路 为了方便用户了解浓度信息 好提前准备 还采用了显示环节 显示器 显示常用两种方法 静态显示和动态扫描显示 所谓静态显示 就是每一个 显示器都要占用单独的具有锁存功能的 I O 接口用于笔划段字形代码 这样 单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路 就不用管它了 直到要显 示新的数据时 再发送新的字形码 因此 使用这种方法单片机中 CPU 的开 销小 可以提供单独锁存的 I O 接口电路很多 这里运用了常用的 74LS164 8 位移位寄存器串并转换电路 14 14 第 3 章 硬件设计 3 1 89c51 简介简介 89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 CMOS8 位微处理器 俗称单片机 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦 除 100 次 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 89C51 是一种高效微控制器 89C51 是 它的一种精简版本 89C 单片机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 89c51 引脚图如图 3 1 图 3 1 89c51 引脚图 VCC 供电电压 GND 接地 P0 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 第三章硬件设计 15 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 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 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 P3 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 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口 如下表所示 口管脚 备选功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4 T0 记时器 0 外部输入 P3 5 T1 记时器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 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 16 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 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 PSEN 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 PSEN 有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信号将不出现 EA VPP 当 EA 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 EA 将内部锁定 为 RESET 当 EA 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 2 89c51 振荡电路振荡电路 晶振是单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率的部件 单片机晶振 提供的时钟频率越高 那么单片机运行速度就越快 单片接的一切指令的执 行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率 晶振一般采用三端式 考毕兹 交流等效振荡电路 实际的晶振交流等效 电路中 其中 Cv 是用来调节振荡频率 一般用变容二极管加上不同的 反偏电压来实现 这也是压控作用的机理 把晶体的等效电路代替晶体后 其中 Co C1 L1 RR 是晶体的等效电路 分析整个振荡槽路可知 利用 Cv 来改变频率是有限的 决定振荡频率 的整个槽路 C Cbe Cce Cv 三个串联后和 Co 并联再和 C1 串联 可以看出 C1 越小 Co 越大 Cv 变化时对整个槽路的作用就越小 因而能 压控 的频 率范围也越小 实际上 由于 C1 很小 1E 15 量级 Co 不能忽略 1E 12 第三章硬件设计 17 量级 几 PF 所以 Cv 变大时 降低槽路频率的作用越来越小 Cv 变小时 升高槽路频率的作用却越来越大 这一方面引起压控特性的非线性 压控范 围越大 非线性就越厉害 另一方面 分给振荡的反馈电压 Cbe 上的电压 却越来越小 最后导致停振 通过晶振的原理图你应该大致了解了晶振的作 用以及工作过程了吧 采用泛音次数越高的晶振 其等效 C1 就越小 因此 频率的变化范围也就越小 单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号 通常一个系统共用一 个晶振 便于各部分保持同步 有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振 而通过电子调整频率的方法保持同步 晶振通常与锁相环电路配合使用 以提供系统所需的时钟频率 如果不 同子系统需要不同频率的时钟信号 可以用与同一个晶振相连的不同锁相环 来提供 在通常工作条件下 普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十 高级 的精度更高 有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率 称为压控 振荡器 VCO 晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状 态下工作 以提供稳定 精确的单频振荡 89C51 的 XTAL1 和 XTAL2 接石英晶体振荡器 构成时钟电路 为单片 机提供 6MHz 的时钟频率 电路如图 3 2 所示 12M C36 30P C37 30P X1 X2 图 3 2 振荡电路 3 3 89c51 复位电路复位电路 复位电路 就是 利用它把电路恢复到起始状态 就像计算器的清零按钮 的作用一样 当你进行完了一个题目的计算后肯定是要清零的是吧 或者你 输入错误 计算失误时都 要进行清零操作 以便回到原始状态 重新进行计 18 算 和计算器清零按钮有所不同的是 复位电路启动的手段有所不同 一是 在给电路通电时马上进行复位操作 二是在必要时可以由手动操作 三是根 据程序或者电路运行的需要自动地进行 篡位电路都 是比较简单的大都是只 有电阻和电容组合就可以办到了 再复杂点就有三极管等等配合程序来进行 了 为确保微机系统中电路稳定可靠工作 复位电路是必不可少的一部分 复位电路的第一功能是上电复位 一般微机电路正常工作需要供电电源为 5V 5 即 4 75 5 25V 由于微机电路是时序数字电路 它需要稳定的时 钟信号 因此在电源上电时 只有当 VCC 超过 4 75V 低于 5 25V 以及晶体振 荡器稳定工作时 复位信号才被撤除 微机电路开始正常工作 本系统采用的复位电路是上电和按键复位的组合电路 在系统加电瞬间 R C 电路充电过程中产生正脉冲使单片机复位 当用户需要手动复位时 按下复位键 产生正脉冲使单片机复位 电路如图 3 3 所示 100 2K RESET 10uF C7 5V RESET 图 3 3 复位电路 3 4 89c51 译码及外部扩展译码及外部扩展 译码器可以将输入代码的状态翻译成相应的输出信号 以高 低电平的 形式在各自的输出端口送出 以表示其意愿 译码器有多个输入端和多个输 出端 假如输入的端个数为 每个输出端只能有两个状态 则输出端个数最 第三章硬件设计 19 多有 2n 个 常用译码器输入 输出端头数来称呼译码器 如 3 线 8 线译码 器 4 线 10 线译码器等 我们经常用到的 74138 就是一个三线 八线译码器 74138 有三个输入端 A0 A1 A2 和八个输出端 Q0 Q7 当输入端 A0 A1 A2 的编码为 000 时 译码器输出为 Q0 0 而 Q1 Q7 1 即 Q0 对 应于 A0 A1 A2 为 000 状态 低电平有效 A0 A1 A2 的另外 7 种组合 见后面的真值表 S1 S2 S3 为使能控制端 起到控制译码器是否能进行译 码的作用 只有 S1 为高电平 S2 S3 均为低电平时 才能进行译码 否则 不论输入羰输入为何值 每个输出端均为 1 把所使用的每一种二进制代码状态都赋于特定的含义 表示一个特定的 信号或对象 叫编码 如用四位二进制数的 0000 1001 这十种状太 分别表 示 0 9 这十个十进制数码 称为 8421 编码 反过来把代码的特定含义翻译出 来 称为译码 计算机在处理各种文字符号或数码时 必须把这些信息进行二进制编码 在编码时所使用的第一种二进制代码状态都赋予了特定的含义 即表示一个 确定的信号或者对象 实现这种功能的电路叫编码器 如用于键盘的 BCD 码 ASCII 码编码器等 89C51 外部译码采用 3 8 译码器 74LS138 为存储器和各端口提供 8 根 片选信号 译码输入线采用地址高三位 AB11 AB13 和 RD WR 及 AB14 AB15 做片选 为系统提供从 8000H BFFFH 共 32KB 的数据 程序 及 I O 接口器件的访问地址 具体地址分配如图 3 4 所示 片选器件地址范围供用户使用资源 CS082558000H 87FFH键盘接口电路 CS1 8800H 8FFFH CS2 AD71359000H 97FFHAD 转换电路 CS39800H 9FFFH供用户使用 CS4A000H A7FFH供用户使用 CS5A800H AFFFH供用户使用 CS6B000H B7FFH供用户使用 CS7B800H BFFFH供用户使用 图 3 4 地址分配图 20 电路图如图 3 5 所示 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 U1 AT89C51 A 1 B 2 C 3 E1 6 E2 4 E3 5 Y0 15 Y1 14 Y2 13 Y3 12 Y4 11 Y5 10 Y6 9 Y7 7 U2 74LS138 图 3 5 外部扩展电路 3 5 电源电路电源电路 78系列集成稳压器输入端加电容是为了滤除输入电压中的有害的高频谐 波成分 稳定集成稳压器的工作状态 用较小的电容就可以了 在这里用较小 的电容更能达到理想的效果 因为在此要滤除的是没用的污染电路的较高频 的杂波成分 大容量的电容因反应速度不好 而变得不好用 78系列集成稳压器输出端加电容是为了平滑输出电压 储存和释放电能 来稳定负载电流急聚变化而引起输出电压的波动 一般100uF到470uF就可以 了 当然2000uF的输出电容就更好了 电容值越大越能更多的储存电能 滤 波效果就越好 但事物都是两方面的 如果太大了也就没有必要了 反而增 加成本 第三章硬件设计 21 滤波电容的大小是和输出电流的大小有关系的 输出电流波动越大就越 需要容量越大的电容 比如家庭使用的音响功放机 要求声音的保真度要高 音质要好 这就要求功放机的输出功率要高 因为输出功率越大 所需要的 电源功率就越大 所以它的滤波电容是非常大的 有的达到20000uF PS 三极管是一个特定的称谓 就指普通的有两个PN结的三极管 虽然 78系列集成稳压器也只有三个引出脚 但却是由很多三极管 二极管 电阻 小容量电容集成的电路组件 应该叫做集成电路比较好 本系统共需要 5V 12V 直流电压 此直流电压的产生用稳压块来实现 在利用三端稳压器时应注意以下几点 1 注意电源变压器的功率问题 2 注意选择电源变压器次级交流电压 U2 3 在使用三端可调稳压 IC 尽可能的靠近滤波电容 以免引起端自激 4 在三端 ZC 的输入与输出必须反向并接一只二极管 以防输入端电 压突然降低或输出端电压突然升高 输出端电容器放电对稳压 IC 冲击 可能 反向击穿内部的调整管 而给通路以保护作用 根据上诉几点和本系统设计的实际情况 设计的电源如图 3 6 所示 BR1 2W005G BR2 2W005G TR1 TRSAT2P2S2B C1 1uF C2 1uF C3 1nF C4 1nF IN 3 OUT 1 COM 2 U1 TLE2425 IN 3 OUT 1 COM 2 U2 TLE2425 C5 1uF C6 1uF C7 1nF C8 1nF 图 3 6 电源电路 22 为了提高整流的效率 必须将脉动大的直流电处理成平滑的脉动小的直 流电 即利用滤波电路将其中的交流成分滤掉 只留直流成分 这里需要利 用截止频率低于整流电压基波频率的低通滤波器电路 3 6 显示电路显示电路 7 段数码管一般由 8 个发光二极管组成 其中由 7 个细长的发光二极管 组成数字显示 另外一个圆形的发光二极管显示小数点 当发光二极管导通时 相应的一个点或一个笔画发光 控制相应的二极 管导通 就能显示出各种字符 尽管显示的字符形状有些失真 能显示的数 符数量也有限 但其控制简单 使有也方便 发光二极管的阳极连在一起的 称为共阳极数码管 阴极连在一起的称为共阴极数码管 发光二极管 LED 是一种由磷化镓 GaP 等半导体材料制成的 能直接 将电能转变成光能的发光显示器件 当其内部有一一电流通过时 它就会发 光 7 段数码管每段的驱动电流和其他单个 LED 发光二极管一样 一般为 5 10mA 正向电压随发光材料不同表现为 1 8 2 5V 不等 7 段数码管的显示方法可分为静态显示与动态显示 下面分别介绍 1 静太显示 所谓静态显示 就是当显示某一字符时 相应段的发光二极管恒定地寻 能可截止 这种显示方法为每一们都需要有一个 8 位输出口控制 对于 51 单 片机 可以在并行口上扩展多片锁存 74LS573 作为静态显示器接口 静态显示器的优点是显示稳定 在发光二极管导通电注一定的情况下显 示器的亮度高 控制系统在运行过程中 仅仅在需要更新显示内容时 CPU 才执行一次显示更新子程序 这样大大节省了 CPU 的时间 提高了 CPU 的 工作效率 缺点是位数较多时 所需 I O 口太多 硬件开销太大 因此常采 用另外一种显示方式 动态显示 2 动态显示 所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器 扫描 对于显示器 的每一位而言 每隔一段时间点亮一次 虽然在同一时刻只有一位显示器在 第三章硬件设计 23 工作 点亮 但利用人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄 灭时的余辉效应 看到的却是多个字符 同时 显示 显示器亮度既与点亮时的导通电流有关 也与点亮时间和间隔时间的比例有关 调整电流和时间参烽 可实现亮度较 高较稳定的显示 若显示器的位数不大于 8 位 则控制显示器公共极电位只 需一个 8 位 I O 口 称为扫描口或字位口 控制各位 LED 显示器所显示的 字形也需要一个 8 位口 称为数据口或字形口 动态显示器的优点是节省硬件资源 成本较低 但在控制系统运行过程 中 要保证显示器正常显示 CPU 必须每隔一段时间执行一次显示子程序 这占用了 CPU 的大量时间 降低了 CPU 工作效率 同时显示亮度较静态显 示器低 综合以上考虑 由于温度显示为精确到小数点后两位 故只需 4 个数码 管 又考虑到 CPU 工作效率与电源效率 本毕业设计采用静态显示 为共阳 极显示 本系统采用静态显示方式 静态显示时每一个接口驱动器件驱动一个显 示器 用于静态显示时 CPU 把数据写到借口驱动电路后 CPU 不需要再干 预 显示器便会持续显示 因此 接口驱动电路应该有锁存数据的功能 所 有 TTL 和 COMS 电路中的 CD14547 均无锁存功能 因此在电路设计时应附 加锁存功能 而 TTL 器件比 COMS 器件动作快 所以 我选用了 TTL 器件 的 74LS164 接口连接图如图 3 7 所示 a bf c g d e DPY 7 6 4 2 1 9 10 a b c d e f g 5 dp dp 3 8 comcom DS4 a bf c g d e DPY 7 6 4 2 1 9 10 a b c d e f g 5 dp dp 3 8 comcom DS3 a bf c g d e DPY 7 6 4 2 1 9 10 a b c d e f g 5 dp dp 3 8