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电器电子毕业设计论文
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毕业设计175基于单片机一氧化碳报警器,电器电子毕业设计论文
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第第 1 1 页页 共共 5757 页页 引 言.31 绪 论.41.1 课题背景.41.2 一氧化碳报警器的概述.51.3 课题研究的目的及意义.51.4 系统设计主要任务.62 2 方案设计方案设计.62.1 设计要求.62.2 初始方案.72.2.1 系统方案的选择.82.2.2 系统方案的确定.102.3 系统组成.102.3.1 一氧化碳报警器系统的三大部分.112.3.2 系统各个模块功能说明.122.3.3 系统功能扩展.133 硬件电路设计.133.1 设计使用的基本知识介绍.133.2 芯片介绍4及相关电路模块设计.143.2.1 主控电路原理.143.2.2 电源电路.183.2.3 传感器的选择及电路.203.2.4 事故处理电路的设计.233.2.5 显示电路的设计.253.2.6 计算机串口通信的技术与其标准 .283.3 设计的硬件电路.344 软件部分.354.1 单片机编程.354.1.1 软件部分设计的功能.354.1.2 程序框图和主要程序介绍.364.2 上位机（PC 机）编程.384.2.1 VB 下串行通信的方法.384.2.2 串行通信的控件 MSComm 及其使用方法.385 系统制作及调试.40 第第 2 2 页页 共共 5757 页页 5.1 系统 PCB 板的设计.405.1.1 确定 PCB 的大小.405.1.2 布局.405.1.3 布线.405.2 硬件调试.415.2.1 检测元器件.415.2.2 检测各个引脚信号.415.3 软件调试.416 结论.42谢 辞.43参考文献.44附录 1.45附录 2.52附录 3.55附录 4.56附录 5.57 第第 3 3 页页 共共 5757 页页 引 言 当今，单片微型计算机技术迅猛发展，由单片机技术开发的智能化测控设备和产品广泛应用到各个领域，单片机技术产品和设备促进了生产技术水平的提高。而此次的气体浓度检测系统正是单片机应用系统中的一种。单片机应用系统由硬件和软件组成。硬件是指单片机扩展的存储器、输入/出设备以及各种实现单片机系统控制要求的接口电路和有关的外围电路芯片或部件；软件是指单片机应用系统实现其特定控制功能的各种工作程序和管理程序。只有系统硬件和软件紧密配合、协调一致，才可能组成高性能的单片机应用系统。在单片机应用系统开发的过程中，应不断调整软、硬件，协调地进行软、硬件设计，以提高工作效率。单片机应用系统的开发过程一般包括系统的总体设计、硬件设计、软件设计和系统调试几个阶段。这几个系统开发阶段并不是相互独立、各自进行的，而应根据开发的实际需要，相互协调、交叉，有机的进行。实现气体浓度检测离不开高性能的气体传感器。从广义上讲，传感器就是能感受外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置。狭义上讲，传感器就是能将外界信息转换成电信号的装置。随着新技术和自动化的发展，传感器的使用数量越来越大，一切现代化仪器、设备几乎都离不开传感器2。在工业生产中，尤其是自动化生产过程中，用各种传感器来检测和控制生产过程中的各个参数，如温度、压力、流量、PH 值等，以便使设备工作在最佳状态，产品达到最好的质量。此次设计中所利用到的气体传感器就是要测量一氧化碳气体浓度的动态信号，并且利用数模转换芯片将浓度值转换为数字值，实现整个系统的检测与事故处理功能，实现智能控制。本文的一氧化碳报警器就是单片机应用系统的一种典型应用，要求能够检测一氧化碳气体浓度，并且在气体浓度超过给定值时能采取相关措施。由于一氧化碳中毒是家庭小区以及矿工企业常见事故，给人们生命财产安全带来了极大的危害。为了能减少事故的发生，提醒人们注意，迫切需要一氧化碳报警设备。随着电子技术与计算机技术的发展，面对各种检测对象和大量的测试点，需要利用数据采集系统将多路被测量值转换成数字量，再经过单片机或微型计算机进行数据处理，实现实时测控。而此时采用单片机来实现一氧化碳报警不仅具有采集控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度提高采集点的技术指标，从而大大提高系统的可利用性。此次三路巡回检测系统正是把 ADC0809 与 8051 单片机有机的结合起来，实现了三通道数据采集系统，也符合了本设计的要求。本人在此次设计中主要担任了系统的硬件电路图的设计、硬件的焊接和调试、软件的设计、以及各个芯片资料查找与整理等工作。设计中超出了任务书所给的任务，提出了本一氧化碳报警器在网络中的应用方案。 第第 4 4 页页 共共 5757 页页 1 绪 论1.1 课题背景随着国家经济的提高，现代化、智能化的多功能建筑越来越多，对建筑的防火安全设计要求也愈来愈高。近年来，全国燃气行业发展迅猛，液化气、天然气、煤制气等城市燃气作为清洁能源已在工商业和城镇居民用户中得到广泛应用，特别是随着“西气东输”工程的快速进展，燃气行业发展潜力巨大。以“西气东输”工程为开端的大规模天然气利用工程的实施，意味我国城市燃气将大踏步地进入“天然气时代” 。我国天然气市场将迎来一个千载难逢的机会，城市燃气需求的主要增长点将体现在天然气上。2000年党中央国务院提出“西部大开发”的重大战略部署，特别是2002年“西气东输”第一期工程正式开工，这无疑为发展西部地区的燃气产业带来历史性的机遇。西气东输工程，在西部优势资源和东部广阔市场之间架起了一座“金桥” ，西气东输工程投入使用后，每年供应长三角地区100亿立方米天然气。城市燃气的普及与应用无疑对改善城市的环境质量和提高居民的生活质量发挥了巨大的作用。但是随着燃气的广泛应用，由于燃气泄漏所引发的爆炸、中毒和火灾事故也时有发生，这在某种程度上增加了城市的不安全和不稳定因素。为了使燃气更好地造福于民，造福于社会，减少并杜绝各种因燃气泄漏而引发的爆炸及火灾事故，各燃气使用单位及居民用户选择一种适合的燃气报警器实为必要之举。“报警早，损失少” ，进一步说明了及时报警的重要性，在家庭里面也是如此，一旦发生火灾，提早报警，可以及时将火扑灭，以免小火酿成大灾。目前常用的有感烟、感温和可燃气体火灾报警器。像家庭中在使用煤气、液化石油气和天然气等燃料时，安装一个可燃气体报警器，当出现漏气或着火时，报警器能够立即鸣笛报警，告之主人及时采取措施。日本早在 1980 年 1 月开始实行安装城市煤气、液化石油气报警器的法规，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 7 个州 11 个城市通过立法，规定家庭、公寓等都要安装一氧化碳报警器。随着城市燃气化的扩大，我国已有北京市、辽宁省、黑龙江省、山西省、哈尔滨市、青岛市、大连等省市相继发布燃气安全管理文件，做到政府立法和百姓自身提高安全保护意识有机结合。一氧化碳（CO）为无色、无味、无臭、无刺激气体，比重 0.967，几乎不溶于水，不易被活性炭吸附。当碳物质燃烧不完全时，可产生 CO，如人体短时间内吸入较高浓度的 CO，或浓度虽低，但吸时间较长，均可造成急性中毒。CO 主要来自取暖燃料的燃烧，CO 对人体的损害主要表现在损害血液输送氧气的能力，CO 与血红蛋白结合能力超 第第 5 5 页页 共共 5757 页页 过氧和血红蛋白的结合能力的 200-300 倍，当 CO 与血红蛋白结合形成的碳氧血红蛋白含量达到 5%时，就会对人体产生慢性损害，达到 60%时就会昏迷，达到 90%就会死亡15。由于发生一氧化碳中毒事件的普遍性和隐蔽性，迫切需要一种能够很好的监控室内一氧化碳浓度的仪器，并且在一氧化碳浓度过高时能够采取相关措施防止火灾的发生，保护人们的生命财产安全。 本文正是通过分析目前燃气报警器的现状，设计制作一氧化碳报警器，保障人们的生命财产安全。1.2 一氧化碳报警器的概述 首先我们应对国家标准规定的燃气报警器的种类有所了解。燃气报警器可分为可燃气体检漏仪（简称“检漏仪” ）,可燃气体报警控制器（简称“控制器” ） 、可燃气体探测器（简称“探测器” ） 、家用可燃气体报警器（简称“报警器” ）四大系列产品。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。 燃气报警器的核心是气体传感器，俗称“电子鼻”。当气体传感器遇到燃气时，传感器电阻随燃气浓度而变化，随之产生电信号，供燃气报警器后级线路处理。经过电子线路处理变成浓度成比例变化的电压信号，由线性电路加以补偿，使信号线性化，经微机处理、逻辑分析，输出各种控制信号，即当燃气浓度达到报警设定值时，燃气报警器发出声光报警信号并可显示燃气浓度或启动外部联运设备（如排风扇、电磁阀）。选择一款优质的燃气报警器，首先要选择质量过关的传感器。质量不过关的传感器，一般 16 个月性能就下降，因而失去报警器的安全性，出现不报警或误报警现象，而一种好的传感器可连续使用十几年，特性也不会有什么变化。但是，报警器中的其它电子元件的寿命都是有限，先进国家也规定燃气报警器的有效期最多为五年。报警器都存在着检测误差，只要当着误差降低在 5%以内这个报警器才符合使用要求。这就要求了一氧化碳传感器性能必须符合这个条件，高精度的传感器是系统的灵魂。气体传感器受湿度、温度的影响较大，在条件需要的时候应该采用温度、湿度补偿来提高测量精度。1.3 课题研究的目的及意义设计出性能更加可靠，经济实惠的程控一氧化碳报警器。目前，现有一氧化碳检测仪器主要是面对工矿企业或公共场所的检测，价格高昂，对家庭也是不适应的。因此，本次设计所面对的是广大居民，其优点在于：（1）成本低廉并能对一氧化碳准确报警。（2）该产品无需专业人员操作，只要放在合适位置，通电即可，连续使用、方便 第第 6 6 页页 共共 5757 页页 简捷。（3）能起到预防一氧化碳中毒的效果，使人们高枕无忧。该产品必须能够有效预防广大农村居民的冬季燃煤取暖一氧化碳中毒事件的发生，同时也能够给城镇居民安全使用天然气提供有力的保障。1.4 系统设计主要任务 本文利用单片机电路制作程控一氧化碳报警器。设计过程中最关键的两个部分：系统硬件的设计和控制软件的编写。这也是在设计过程中需要解决的最关键的问题。（1）硬件问题程控一氧化碳报警器的硬件主要有3大部分，即浓度检测及显示模块、主控模块和报警及事故处理模块。浓度检测模块主要由燃气传感器组成，它是整个系统中最关键的元件。主控模块由单片机及其相关软件组成，由程序对单片机进行控制。事故处理模块主要由蜂鸣器和排气扇等组成，这个模块是对燃气浓度过高的时候进行紧急处理。硬件的设计需要单片机、模电及其数电的相关知识。在解决这一问题的过程中，需要查阅大量资料，结合所学知识，向老师获取帮助。（2）软件问题它的软件设计主要包括主程序和中断处理两大部分：主程序要完成IO口，定时器的初始化及对中断输入的设定，然后延时使传感器进入稳定工作状态，等待定时器的中断；中断处理程序根据具体情况需要有相应的子程序。要对程序进行多次调试，分块编程。对各个子程序块所解决的问题要相当明确。最后在制作完成硬件电路板后要调试出设计要求的功能。2 2 方案设计方案设计设计就是根据题目的要求而对硬件和软件进行规划，并选择最合适的硬件电路和软件程序来达到目的。硬件设计是通过对设计要求的分析，对各种元器件的了解，而得出分立元件与集成块的某些连接方法，以达到设计的功能要求。并且把这些元器件焊接在一块电路板上。它包括对各种元器件的功能和接法的了解，以及对各种元器件的选择和设计方案的选择。软件设计是分析设计的硬件用程序实现其功能，并且调试优化产品功能。2.1 设计要求设计的报警器应实现如下功能：报警器需在一氧化碳浓度达到 100ppm 时系统应启动报警，2min 报警无效后系统应启动排风扇进行通风排气、关闭电磁阀切断气源；系统进入正常工作状态后,先启动排风扇进行通风,然后启动电磁阀供给煤气。具体要实现如下功能： 第第 7 7 页页 共共 5757 页页 （1）系统要求设置正常工作状态，除正常工作状态外，电磁阀要求处于关闭状态，以切断煤气通道，防止煤气外泄。（2）在非正常工作状态下，当室内一氧化碳的浓度达到100ppm 时系统应启动音乐报警，若2min 报警无效，系统应启动排风扇进行通风排气、关闭电磁阀切断气源。（3）系统进入正常工作状态后，先启动排风扇进行通风，然后启动电磁阀供给煤气。2.2 初始方案本设计拟按以下思路展开研究：（1）根据该设计要实现的基本功能，设计大致应该分为信号接收，信号处理，信号控制和信号响应四个部分。信号采集接收部分即通过一氧化碳传感器检测房间气体浓度，并将这种变化量转化成电压或电流等模拟量的变化。信号处理部分是将接收部分得到的电压或电流等变化进行必要的放大，为后一部分信号控制提供准备。信号控制部分是通过一预定控制方式等实现对设计要求的准确操作。信号响应是通过事故处理部分和显示部分实现控制部分的要求。（2）对上述四个部分进行分析，得到如下一些基本的结论：信号接收部分为了能准确采集到气体浓度的变化应选用传感器敏感器件，为使其实有效的检测房间中气体浓度，必须选用高温一氧化碳传感器。信号处理部分应该根据实际情况选用电荷放大，或比较器等装置，这部分电路将包含在传感器接口电路中。控制部分为了实现精确控制，采用单片机较为合适。信号响应可以考虑采用排风扇调节房间中一氧化碳气体浓度，并且需要对电磁阀进行控制，实现一氧化碳气体的排出量。在实现控制功能的单片机与响应过程的 LED 显示管之间应该有接口电路以实现驱动功能。根据对上面设计系统的分析，我们得到该设计思想框图如下图 2.1 所示：图 2.1 设计思想框图将上述设计思想结合设计要求总结为：程控一氧化碳报警器采用三路巡回检测的 第第 8 8 页页 共共 5757 页页 方法，通过高温一氧化碳气体传感器检测房间气体浓度，检测结果经过高精度运放器放大后送入 ADC0809 模/数芯片中进行模数转换；利用单片机进行控制，控制声音报警以及控制电磁阀和排风扇，并且将气体传感器检测到的浓度值在 LED 数码显示管上显示出来。2.2.1 系统方案的选择鉴于此系统所要实现的功能，提出方案进行分析。方案一：方案一：采用单个传感器检测房间气体浓度，将检测的到浓度结果通过运算放大器放大后送入模/数芯片中进行模数转换，利用 MCS51 单片机控制声音报警以及控制电磁阀和排风扇，并且将气体传感器检测到的浓度值在 LED 数码显示管上显示出来。分析：此设计虽然简单，但是存在着严重的问题。采用单个传感器检测房间气体浓度是不合适的。气体传感器所测量的值经常会发生变化。在一段短时间内可能很稳定，而在一段较长时间内则可能有缓慢起伏，或呈周期性的脉动变化，甚至出现突变的尖峰。气体传感器主要通过两个基本特性-静态特性和动态特性来反映传感器的这种变动性。静态特性通常反映在灵敏度上。所谓的灵敏度，是指在静态工作条件下，其单位输入所产生的输出，用 S 表示。（2-1）动态特性是气体传感器的特有问题，反映气体传感器对随时间变化的输入响应特性。动态特性好的气体传感器，其输出特性曲线随时间变化很小。动态特性的输入与输出关系不是一个常数，而是时间的函数，随时间的变化而变化，因此常用传递函数表征。 （2-2）由此可见，气体传感器的输入和输出关系并非简单的线性或曲线关系，要对气体传感器建立一个准确的温度修正数学模型是很困难的。通常应用时，都忽略气体传感器的动态特性，根据其静态温度响应灵敏度，采取一定的措施对其进行补偿。如通过温度传感器测出环境的温度，对气体传感器的输出特性曲线进行修正；或者直接对传0limxydySxdx 第第 9 9 页页 共共 5757 页页 感器进行硬件补偿。气体传感器特性总是会受到环境温度、湿度的影响而变化，气体报警器要能够有效实现对环境气氛的监控，有效避免误报、漏报，提高测量的准确性，必须对气体传感器进行有效的温、湿度补偿和修正。由于本次课题要求检测一氧化碳浓度超过 100ppm 时报警提示，而气体传感器在测量气体浓度大于 60ppm 时，环境湿度的变化对一氧化碳传感器特性的影响较小，故忽略对传感器湿度修正。那么主要考虑如何有效实现传感器的温度补偿。传统补偿方式一般有硬件补偿和软件补偿两种。所谓硬件补偿是指直接使用温度传感器在电路中对气体传感器进行补偿，这种方式虽然简单，但只有在温度传感器和气体传感器的温度特性一致时，才能很好地补偿；很难实现宽范围的气体传感器和温度传感器的特性匹配。软件补偿方式通过传感器的温度特性曲线拟合进行算法补偿，这种方式是以一定的特性曲线作为基础，对不同的工作环境和不同传感器的温度特性，用算法处理和查表修正以得到不同的补偿效果。该方式较为复杂，对特性离散的传感器，拟合效果差。为了解决这个问题，提出采用双传感器补偿方式，具体来说就是选用两个特性一致（实际上只能做到非常接近）的气体传感器来实现补偿，把其中一个气体传感器 A 密封代替温度传感器，对另一气体传感器 B 进行补偿。这样的补偿方式，不仅能较好地拟合气体传感器的静态温度特性，而且对传感器的动态温度响应也能同步实现补偿12。由于本设计方案传感器测量精度不高，所以不予采纳。方案二：方案二：采用双传感器，采用相互补偿的方法检测房间气体浓度，将检测的到浓度结果通过运算放大器放大后送入模/数芯片中进行模数转换，利用 MCS51 单片机控制声音报警以及控制电磁阀和排风扇，并且将气体传感器检测到的浓度值在 LED 数码显示管上显示出来。分析：此设计方法虽然解决了传感器检测气体浓度时温度和湿度对测量值的影响，但是，在实际制作的过程中，需要利用的核心控制芯片必须最少具有 4 路 8 位 A/D 口，气体和温度敏感信号直接由 A/D 口采集后，进行一定的算法修正和软件补偿。由于此次课题要求采用三路巡回检测，如果采用本方案那么就需要 6 个特性相同的一氧化碳气体传感器（3 个密封检测气体浓度，另外 3 个做补偿），为了达到更好的温度修正效果，往往需要传感器厂家的配合，在生产时对传感器进行成对生产，以保证传感器特性的一致性。并且主控制芯片采用常规的 ADC0809 和单片机并不支持，且制作硬件极其复杂，系统整体设计体积过大、功耗高、成本太高。单单采用此种方法并不能更好的提高测量性能，还需要加以软件补偿。所以不采用方案二。现今传感器技术的飞速发展，设计出了性能更佳，使用范围更广的气体传感器。通过搜集信息，提出本次设计采用 TP-2 型高温一氧化碳传感器。特将此传感器介绍如下： 第第 1010 页页 共共 5757 页页 (1)特点：TP-2 高温型一氧化碳传感器由 SnO2多晶体及适当添加混合剂烧结而成。具有微珠式结构，电导振荡响应，极好的选择性和良好的环境适应能力，应用电路简单，本质安全等特点。用它做成的报警器完全可以达到UL2034 标准，不需温、湿度补偿。(2)工作条件：工作电压：3.5V6.5V静态功耗：15mW环境条件：温度-10+50,相对湿度95%初期稳定时间：15 分钟检测一氧化碳浓度范围：02000ppm(3)对一氧化碳反应的敏感度： 图 2.2 系列一氧化碳浓度的条件下 RL电压的振荡曲线。(4)高湿高温对传感器的影响：根据测试结果表明，此传感器可承受 96%RH 相对湿度、70的环境条件，但基电平升高。由于采用此方案制作硬件极其复杂，系统整体设计体积过大、功耗高、成本太高，所以不予采纳。方案三：方案三：采用 TP-2 型传感器，采用三路巡回检测的方法检测房间气体浓度，将检测的到浓度结果通过运算放大器放大后送入模/数芯片中进行模数转换，利用MCS51 单片机控制声音报警以及控制电磁阀和排风扇，并且将气体传感器检测到的浓度值在 LED 数码显示管上显示出来。分析：选用此方法设计电路不仅解决了温度、湿度的影响，并且简化了设计电路，降低了成本，采用此种方法设计主体电路。具体电路设计将在下文中给出。2.2.2 系统方案的确定 现今一氧化碳传感器技术的不断提高，使得在应用此类传感器时不必采用温度、湿度补偿，极大的简化了电路和降低了成本。鉴于对以上三个方案的对比分析，方案三最符合设计要求，所以我选择使用方案三来设计本次毕业设计的主体电路。 第第 1111 页页 共共 5757 页页 2.3 系统组成本设计属于单片机应用系统。它是单片机在系统检测以及工程控制方面的应用，是典型的嵌入式系统。通常将满足海量高速数值计算的计算机称为通用计算机系统；而把面向工控领域对象，嵌入到工控应用系统中，实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。嵌入式系统一般分为四种:工控机，通用 CPU 模块，嵌入式微机处理，单片机。嵌入式系统具有以下特点：(1)面对控制对象。如传感信号输入、人机交互操作,伺服驱动等。(2)嵌入到工控应用系统中的结构形态。(3)能在工业现场环境中可靠运行的品质。 (4)突出控制功能。如对外部信息的捕捉、对控制对象实时控制和有突出控制功能的指令系统(I/O 控制、位操作和转移指令等)。单片机有惟一的专门为嵌入式应用系统设计的体系结构与指令系统，最能满足嵌入式应用要求。单片机是完全按嵌入式系统要求设计的单芯片形态应用系统，能满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行及非凡的控制品质等要求，是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统。2.3.1 一氧化碳报警器系统的三大部分单片机应用系统的结构分三个层次。 (1)单片机：通常指应用系统主处理机，即所选择的单片机器件。(2)单片机系统：指按照单片机的技术要求和嵌入对象的资源要求而构成的基本系统,如时钟电路、复位电路和扩展存储器等与单片机构成了单片机系统。(3)单片机应用系统：指能满足嵌入对象要求的全部电路系统。在单片机系统的基础上加上面向对象的接口电路，如前向通道、后向通道、人机交互通道(键盘、显小器、打印机等)和串行通信口(RS232)以及应用程序等。单片机应用系统三个层次的关系如图 2.3:图 2.3 单片机应用系统三个层次的关系（注：该图应自己绘制，不要现成图片！ 第第 1212 页页 共共 5757 页页 ）以此理解，程控一氧化碳报警器同样具有单片机应用系统的三个层次。其中以MCS-8051 单片机为核心构成单片机系统。在此系统中，检测信号进入单片机进行运算处理，控制外围电路。为了更好的理清设计思路，将整个系统细分为三部分加以设计说明。整个报警器由三个部分组成，分为三大模块：浓度检测及显示模块、主控模块和报警及事故处理模块。在本次设计中，使用的核心器件是单片机和一氧化碳传感器。为了保证整个系统可靠的运行，设计中必须明确三大部分的实际联系：以单片机为中心，其他各大模块一一展开。其中，浓度检测及显示模块所实现的功能是将房间中的一氧化碳浓度值转换成为单片机能够处理的数字信号，并且将浓度值显示出来；主控模块以单片机为主，对其他模块的运行进行控制；报警及事故处理模块是此系统的外围电路，它的功能实现形式最人性化，体现了智能控制，在检测到一氧化碳浓度超过指定值时会启动蜂鸣器报警，报警无效后即会进行处理，启动排气扇和关闭电磁阀来防止事故的发生。系统框图如图 2.3 所示。 图 2.3 一氧化碳报警器系统组成框图下面就对各个模块的功能和实现形式作简单介绍。2.3.2 系统各个模块功能说明（1）气体浓度检测模块程控一氧化碳报警器采用三路巡回检测的方法，可以检测三个不同的房间也可以用来检测同一个房间三个不同的方位。检测器件采用高温一氧化碳气体传感器 TP-2 检测房间气体浓度，检测结果将经过高精度运放器放大后送入模/数芯片 ADC0809 中进行模数转换，单个传感器的检测电路如图 2.4 所示。 第第 1313 页页 共共 5757 页页 图 2.4 单个传感器电路图（2）主控模块系统选用单片机控制，采用MCS51单片机。MCS51系列单片机是美国Intel公司1980年推出的一种高性能8位单片微型计算机。内带4K字节的内存和程序保护系统，便于程序的调试修改和保密，各管脚的功能将在随后的知识中加以介绍。它的主要功能既是和ADC0809芯片一起共同接收检测信号，又可以通过对数字信号的处理来控制外围电路以及显示电路。模数转换芯片采用ADC0809，接收经过运算放大器处理后的一氧化碳传感器的检测值，三路检测结果经过ADC0809处理后送单片机进行数据处理。处理后的信息将通过单片机控制，在LED显示管上显示出来，并且控制事故处理模块。（3）报警及事故处理模块此模块主要由蜂鸣器、电磁阀和排气扇组成。在气体浓度过大，超过安全值时蜂鸣器工作，提供报警服务。这个时候，用户可以自行关闭煤气，并通过对房间通风来解决。如若 5 分钟内气体浓度依然超过安全值，系统自动启动排气扇来降低房间一氧化碳浓度，并且关闭电磁阀来防止煤气泄漏造成事故。至此，本系统三大模块功能和设计思路已经确立，下文将介绍整个系统的详细设计过程，并且给出设计电路。2.3.3 系统功能扩展由于设计的一氧化碳报警器为单机产品，而现实中的应用多为小区型应用。所以，在设计中，我考虑到将此一氧化碳报警器添加网络技术，使其能够和主机相连，从主机中能够获得分机所检测的信息。单片机在网络中的应用主要是应用了串口通信技术，这种技术是在智能型领域的综合应用，是值得发展的新技术。在下文中将详细介绍串口通信技术。3 硬件电路设计每一个设计都要以一定的知识为基础，知识的多少在一定程度上决定了设计出来的东西的好坏程度，这些知识包括硬件知识和软件知识。硬件知识用来设计硬件电路，以实现电路的放大、驱动、采集、隔离、匹配等功能。软件知识用来设计芯片处理数据的先后顺序，数据的获得途径以及对数据做怎样的处理，还有其他的一些驱动和显示功能等等。当然，在硬件电路里一些芯片是必不可少的，软件设计也需要对芯片进行编程序。本章将介绍本次设计用到的一些基本知识和主要芯片。 第第 1414 页页 共共 5757 页页 3.1 设计使用的基本知识介绍我们在学校里学到的几乎都属于基本知识，它是指最最基础的东西，我们只有掌握了它才能作更深一步的学习。在实际的应用中，基本知识的掌握程度至关重要，它影响到应用的好坏。本设计应用到的基本的硬件和软件知识将在本节里作简单的介绍。 本设计用到的硬件知识主要有：模拟电子技术、数字电子技术、电子线路的设计与调试、单片机的输入输出、串口通信技术、ADC0809 模数转换器的使用方法。 在模拟电子技术方面，主要用来放大传感器检测信号和驱动发光二极管以显示传感器检测到气体浓度。数字电子技术用来把模拟量转换成数字量，把从传感器检测到的模拟量转换成数字值。利用单片机实现综合控制。3.2 芯片介绍4及相关电路模块设计集成块出现使硬件电路设计更加简单易懂，从而得到了广泛的应用。在这次毕业设计中用到的主要芯片有单片机 MCS8051、模数转换器 ADC0809、LED 数码显示器等。下面详细介绍它们具体的应用方法。3.2.1 主控电路原理主控电路中，以单片机为主体，通过分析 A/D 转换得到的数字值，控制事故处理模块的运行。它是系统的大脑。单片机（MICROCONTROLLER，又称微控制器）是在一块硅片上集成了各种部件的微型机算计，这些部件包括中央处理器 CPU、数据存贮器 RAM、程序存贮器 ROM、定时器/计数器和多种 I/O 接口电路。主机电路由 8051 作为程序存储器。8051 的封装管脚如图 3.1 所示2。图 3.1 8051 封装引脚图（注：该图应自己绘制，不要现成图片！） 第第 1515 页页 共共 5757 页页 8051 的主要的特点：1.采用高性能的 HMOs 生产工艺生产。 2.内部含定时计数器。 3.有二级中断优先处理结构。 4.有 32 条 IO 线，输出输入能力强。 5.程序寻址空间达 64K 字节。 6.内 EPROM 有保险功能，可保护 EPROM 防止软件误写入 7.有布尔处理功能，可扩展用途。 8.对内部 RAM 有位寻址功能。9.有可编程的全双工串行接口。8051 的内部结构主要包括有 ALU 部件、定时和控制部件、并行 IO 接口、串行IO 接口、定时器部件、程序存储器、数据存储器等七个部分。 ALU 部件含有 ALU 单元以及累加器 Acc、寄存器 B、栈指针 SP、数据指针 DPTR、程序状态字 PSW、暂时寄存器 TMP1、TMP2 等。ALU 除了可以进行四则算术运算之外，还可以进行布尔运算。定时和控制部件用于产生指令执行的同步信号及微操作信号。它和 ALU 部件形成了 8051 的 CPU14。并行 IO 接口有 P0、P1、P2 和 P3 共四个，它们都是 8 位并行端口。它们都是双向通道，每一条 I/O 线都能独立地用作输入或输出。作输出时数据可以锁住；作输入时数据可以缓冲。但这四个通道的功能不完全相同。其中，P0 口是地址数据复合总线，它用于传送低 8 位地址 A0A7；也用于传送数据 D0D7。P2 口是高 8 位地址A8A15 的地址总线，但也可作一般的 IO 口。P1 是一个纯 IO 口，它只用于数据的输入输出。P3 是控制信号及 IO 信号复用口，它除了用作 1O 口之外，还用于传送控制信号。P3 口对应引脚用于控制信号时的情况如表 3.1 所示。表 3.1 P3 口的引脚功能 引脚信号控制信号说明P3.0RXD串行数据输入P3.1TXD串行数据输出P3.2INT0外部中断 0P3.3INT1外部中断 1P3.4T0定时器 0 输入P3.5T1定时器 1 输入P3.6WR写存储器信号P3.7RD读存储器信号 第第 1616 页页 共共 5757 页页 这个系列的技术性能如下：工作环境温度 070，存储环境温度65C十1500。EAVpp 端对 Vss 的电压为-05十 215v，任何脚到 Vss 的电压为-05十 7v，电源电压十 5V 土 10，电源电流为 125250mA，电源功耗为 1.5w。MCS-51 单片机通常采用上电复位和按钮复位两种复位方式。上电复位是利用电容的充放电来实现。按钮复位又分为按钮电平复位和按钮脉冲复位。前者，将复位端通过电阻与 VCC相接；后者，利用微分产生正脉冲来达到复位的目的。复位电路参数RC的选择，应能保证复位高电平持续时间大于两个机器周期3。在设计中，用到了单片机对输入口进行查询并输出相应的高低电平实现后续工作的控制功能，这将着重在软件设计部分讲到。下面介绍设计中如何使用 ADC0809 的功能。ADC 芯片型号很多，在精度、速度和价格方面千差万别，较为常见的 ADC 主要是逐次比较型和双积分型。还有电压频率变换器(VF 变换器)构成的 ADC。双积分型ADC，一般精度高，对周期变化的干扰信号积分为零，因而具有抗干扰性好、价格便宜等优点，但转换速度慢。逐次比较型 ADC，在转换速度上同双积分型相比要快得多。精度较高（例如 12 位及 12 位以上的） ，价格较高。VF 变换型 ADC，突出优点是高精度，其分辨率可达 16 位以上，价格低廉，但转换速度不高。ADC 的主要性能指标是：分辨率；转换时间；精度；输入电压范围；输入电阻（阻值） ；供电电源；数字输出特性；工作环境（周围的温度、湿度） ；保存环境等。要选择适当的 ADC，要看其使用目的。在本次设计中，使用的是ADC0809。ADC0809 是 8 位 A/D 转换芯片，它是采用逐次逼近的方法完成 A/D 转换的。 ADC 0809 是 CMOS 的 8 位单片 A/D 转换器。片内有 8 路模拟开关，可控制选择 8个模拟量中的一个。A/D 转换采用逐次逼近原理。输出的数字信号有 TTL 三态缓冲器控制，故可直接连至数据总线。主要功能有：分辨率为 8 位总的不可调误差在1/2 LSB 和1 LSB 范围内。转换时间为 100us。具有锁存控制的 8 路多路开关。输出有三态缓冲器控制。单一 5V 电源供电，此时模拟输入范围为 05V。输出与 TTL 兼容。工作温度范围为4085。（1）ADC 0809 功能方框图模拟输入部分有 8 路多路开关，可由三位地址输入 ADDA、ADDB、ADDC 的不同组合来选择（这三条地址输入信号可锁存） 。 第第 1717 页页 共共 5757 页页 主体是采用逐次逼近式的 A/D 转换电路，由 CLK 信号控制内部电路的工作，由START 信号控制转换开始。转换后的数字信号在内部锁存，通过三态缓冲器接至输出端。其引脚如图 3.2 所示。其中，START 为启动命令，高电平有效。由它启动 ADC 0809 内部的 A/D 转换过程。当转换完成，输出信号(End of Convert)有效（低电平有效） 。OE（Output EOCEnable）为输出允许信号，高电平有效。当在此输入端供给一个有效信号时，打开输出三态缓冲器，把转换后的结果输至数据总线。图3.2 0809 的引脚（2）ADC 0809 时序当模拟量送至某一输入端后，由三位地址信号来选择，地址信号由地址锁存允许ALE（Address Latch Enable）锁存。由启动命令 START 启动转换。转换完成输出一个负脉冲，外EOC界的输出允许信号 OE，打开三态缓冲器把转换的结果输至数据总线。一次 A/D 转换的过程就完成了。（3）ADC 0809 与 CPU 的接口当 A/D 转换片子与 CPU 接口时除了数据的输出（至 CPU）外，与通常的 I/O 接口一样，还需要有控制和状态信息。 在实际应用时，A/D 的输入端接至采样保持电路的输出。但转换的开始，要由CPU 用软件来控制（输出一条指令） ；而转换总是需要一定的时间才能完成，故 A/D 转换电路必须给出一个 DONE/BUSY 的状态信息7。此次设计是单片机应用的一个最小系统。设计中主要解决的问题有：由于MCS8051 单片机是 8 位机，在显示模块中显示气体浓度的数字有 3 位，需要在软件系统中对数字进行处理，这样才能够正常运行；单片机中 P0，P1，P2 以及 P3 口都能用于和 ADC 0809 之间进行连接，本次设计采用 P1 口和 ADC0809 进行连接；使用 INT0 口通过一个非门与 ADC0809 的 EOC 相连接，目的是利用单片机的中断口来调节控制整个系统并且给软件设计中写中断程序带来方便；ADDA、ADDB、ADDC 分别与单片机的P2.0,P2.1,P2.2 相连，用于控制 ADC 0809 的八路模拟转换。由于应用 0809 的时序和单片机时序的不同，时钟端不能直接相连，之间应加入一个分频电路，采用 D 触法器。 第第 1818 页页 共共 5757 页页 时钟连接图如图3.3所示： 图3.3 ADC0809与单片机时钟端的连接ADC0809芯片与单片机的连接图如图3.4： 图 3.4 ADC0809 与单片机的连接在本次设计中，为了能对单片机直接写入程序，避免调试过程中不断的插拔单片机，特制作了一个数据接口，用于和编程器相连。在写入程序时，应用单片机的P1.5,P1.6,P1.7 以及 RESET 四个端口。写程序的过程中应将 ADC0809 的 OE 使能端接地。编程器接口电路如图 3.5：3.2.2 电源电路本次设计中应用的电源为+5V 直流电压源。电源电路如图 3.6 所示为了使硬件调试方便，应用电脑 USB 接口提供硬件电源。下面对 USB 供电做简单介绍。 第第 1919 页页 共共 5757 页页 现在主板对于 USB 设备大多使用两种供电方式，使用 5VSB 供电和 5V 供电。两种供电模式的主要区别为： 1. 5VSB 供电模式下，系统关机（S5）或进入休眠（S3）后 5VSB 仍然存在，USB 端口仍然会有 5V 电压；使用 5V 供电（不论是直接使用电源的 5V 还是由其它地方分压而来）在休眠后 USB 端口没有电压。 图 3.5 编程器接口电路 图 3.6 常规供电示意图2. 只有在使用 5VSB 供电模式下，才能在休眠的情况下使用 USB 设备唤醒系统（当然主板 BIOS 中一定要对 Wakeup By USB Device 选项进行设置） 。在过去由于商用机型很少使用 USB 设备，因此对于 USB 供电模式并没有严格的要求，随着 USB 设备的大量出现，不得不考虑这个问题。目前 5VSB 供电和 5V 供电都存在一定的不足。 A.5VSB 供电模式：所有电源对 5VSB 的最大电流都有规格定义，一般为 1A2A。如果严格按照 USB SPEC 考虑 USB 设备供电要求（即耗电流500MA的设备需要使用外置电源供电） ，1A 可以满足 USB 设备对电流的要求（USB 键盘100mA，USB 鼠标 100mA） 。但是目前 USB 设备生产厂家混杂，很多厂家生产的设备超出了 USB SPEC 的要求同时为了 COSTDOWN 没有使用外置电源。这样在 5VSB 供电的情况下可能会出现个别 USB 设备无法正常工作的情况。 B.5V 供电模式：进行 STR 休眠唤醒后返回系统时因 USB 设备经过从失电至得电过程， 第第 2020 页页 共共 5757 页页 有可能出现唤醒后 USB 设备无法工作必须重新插拔 USB 设备才能重新使用，虽然可以修改 BIOS 使得 USB 设备在这种情况下能使用，但将经常发生 STR 后重新查找 USB 设备的问题。5V 可以提供较大的电流、兼容更多的非标准 USB 设备但会存在休眠唤醒的问题，5VSB 虽然无问题但是对非标准 USB 设备的兼容性不好。左右权衡之后，使用 5VSB 为USB 供电。目前使用的主板多数通过跳线控制是否使用 5VSB 为 USB 供电（QDI 使用JUSB 和 JFUSB 两个跳线） 。使用的 810E2U 主板已经使用 5VSB 为 USB 设备供电。在使用5VSB 供电后还需要进行一些工作，首先是电源部分需要引入对 5VSB 电流的规格限定，最小也要有 2A，以下是 USB 的供电示意图。图 3.7 USB 供电示意图3.2.3 传感器的选择及电路 传感器概述(1)传感器的定义人们通常将能把非电量转换为电量的器件称为传感器，传感器实质是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号：它是实现测试与自动控制系统的首要环节。如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么，无论是信号转换或信息处理，或者最佳数据的显示和控制部将无法实现。同时传感器技术是现代信息技术的主要内容之。(2)传感器的作用信息的收集科学研究中的计量测试，产品制造与销售中所需的计量等都要由测量而获得准确的定量数据对某种特定要求，需检测目标物的存在状态，把某状态的信息转换为数据：对系统或装置的运行状态进行监测，也由传感器来实现，发现异常情况时，发出警告信号并启动保护电路工作。这样可以对系统或装置进行正常运行与安全管理。判断产品是否合格，或人体某部位的异常诊断等都需由传感器的测量来完成。信息数据的交换把以文字、符号、代码、图形等多种形式记录在纸或胶片上的信号数据转换成计算机、传真机等易处理的信号数据。或者读出记录在各种媒介体上的信息并进行转换。例如，磁盘与光盘的信息读出磁头就是一种传感器。 第第 2121 页页 共共 5757 页页 控制信息的采集。检测控制系统处于某种状态的信息，并由此控制系统的状态，或者跟踪系统变化的目标值。(3)传感器的组成传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路三部分组成有时还加上辅助电源。通常可用方块图来表示，如下图 3.8 所示： 图 3.8 传感器的组成敏感元件直接感受被测量(一般为非电量)，并输出与被测量成确定关系的其它量(也可以包括电量)的元件。传感元件又称变换器，是传感器的重要组成元件。 传感元件可以直接感受被测量(般为非电量)而输出与被测量成确定关系的电量。也可以不直接感受被测量，而只感受与被测量成确定关系的其它非电量。测量电路能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、控制和处理的有用电传号的电路。测量电路视传感元件的类型而定。使用较多的是电桥电路，也使用其他特殊电路，如高阻抗输入电路、脉冲调宽电路、维持振荡的激振电路等。由于传感元件的输出信号一般比较小，为了便于显示和记录，大多数测量电路还包括了放大器。(4)传感器的分类 传感器的分类见表 3.2 所示： 传感器设计要点根据以上对传感器相关知识的介绍，我们可以明确传感器是测量、控制系统的入口，必须具备良好的性能。在设计中，应该注意以下要点12：(1)输入和输出之间成比例，直线性好、灵敏度高、分辨力强、测量范围宽。(2)滞后、漂移误差小，(3)动态特性良好。(4)功耗小。(5)时间老化特性优良，抗腐蚀性强。(6)与被测体匹配良好，即不因接入传感器而使被测对象受到影响，受被测量之外 第第 2222 页页 共共 5757 页页 的量影响小。(7)体积小、重量轻、价格低廉。(8)故障率低，易于校准和维修。(9)由于传感元件的输出信号一般比较小，为了便于能够驱动控制电路，在传感器电路中还应该包括放大器。鉴于上述选择要点，本文中用到的一氧化碳传感器必须具备测量效果好、功耗小、动态特性良好和体积小、重量轻、价格低廉几个主要特征。为此我们选择高温型一氧化碳传感器 TP-2。它完全符合上述条件，并且最为主要的特点是此传感器精度高，无需温度补偿。这样不仅简化了电路，而且还降低了成本，实为良好的选择。 表 3.2 传感器的分类 传感器与 ADC0809 的连接三路检测结果从IN1、IN2、IN4 输入,转换顺序由ADDA、ADDB、ADDC 控制，控制分类方法传感器的种类说 明按输入量分类位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等传感器按被测物理量命名按工作原理分类应变式、电容式、电感式、压电式、热电式等传感器以工作原理命名结构型传感器传感器依赖其结构参数变化实现信息的变化按物理现象分类物性型传感器传感器依赖其敏感元件的物理特性来实现信息的变化能量转换型传感器传感器直接将被测量的能量直接转化成输出量的能量按能量关系分类能量控制型传感器由外部供给传感器能量，而由被测量来控制输出能量模拟式传感器输出量为模拟量按输出信号分类数字式传感器输出量为数字量 第第 2323 页页 共共 5757 页页 方法如表3.3所示。转换结果送单片机P1 口供单片机进行数据处理。其中三路检测结果由三个一氧化碳传感器提供，在实际设计中，为了使编程方便，使用IN1、IN2、IN4口接收传感器信号。单个传感器电路在上文中已经介绍到了，传感器与ADC0809的连接电路图如图3.9。 表3.3 ADC0809的通道选择方法ADDC ADDB ADDA选中通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 图3.9 传感器与ADC0809的连接电路图3.2.4 事故处理电路的设计在设计中，单片机的T1中断口连接音乐报警器，T2中断口连接电磁阀和排气扇。为防止市电对系统的干扰，T1和T2端都经过光电耦合管对电磁阀和排风扇进行控制。当检测到气体浓度超过100ppm时，音乐报警器开始报警，2分钟报警无效后关闭电磁阀并启动排气扇。 第第 2424 页页 共共 5757 页页 光电耦合器概述光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电光电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。(1)工作原理在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电光电的转换。(2)基本工作特性共模抑制比很高在光电耦合器内部，由于发光管和受光器之间的耦合电容很小（2pF 以内）所以共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小，因而共模抑制比很高。输出特性光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流 IF 下，光敏管所加偏置电压 VCE 与输出电流 IC 之间的关系，当 IF=0 时，发光二极管不发光，此时的光敏晶体管集电极输出电流称为暗电流，一般很小。当 IF0 时，在一定的 IF 作用下，所对应的 IC 基本上与 VCE 无关。IC 与 IF 之间的变化成线性关系，用半导体管特性图示仪测出的光电耦合器的输出特性与普通晶体三极管输出特性相似。光电耦合器可作为线性耦合器使用在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上，这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号，其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。光电耦合器也可工作于开关状态，传输脉冲信号。在传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间存在一定的延迟时间，不同结构的光电耦合器输入、输出延迟时间相差很大。(1)光电藕荷器在设计中的作用光电耦合器件有很多用处，可用做隔离、控制作用，可用于接口电路、监视电路、光电计数器等装置。在本设计中，主要是起隔离、控制的作用，一头连接单片机，另一头连接电动机的驱动电路。使两部分的电流相互独立，这样驱动电路中较大的电流。不至于回馈、影响另一端的电路。 光电藕荷器件的选用和设计(1)器件的选用结合上面对光电耦合器的简介、分析和替换原则。方案选用 4N25。4N25 内部结构 第第 2525 页页 共共 5757 页页 及管脚图如下图 3.10 所示：管脚功能：电源，输入断口，不接，输出口一，输出口二，不接(2)电路的设计电路图如下图 3.11 所示：光电耦合器4N25起到耦合脉冲信号和隔离单片机MCS8051系统与输出部分的作用，使两部分的电流相互独立。输出部分的地线接机壳或大地，MCS8051系统的电源地线浮空、不与交流电源的地线相接，这样可以避免输出部分电源变化对单片机电源的影响，减小系统所受的干扰，提高系统可靠性。 图 3.10 4N25 内部结构及管脚图（注：该图应自己绘制，不要现成图片！） 图 3.11 光电耦合部分的设计事故处理电路如图3.12。 第第 2626 页页 共共 5757 页页 图3.12 事故处理电路3.2.5 显示电路的设计现在驱动 LED 数码管流行采用单片机设计电路，但发现一些显示（LED 数码管）电路设计复杂，没有充分利用单片机的电器特点、没有采用“硬件软化”的方法。直接用单片机的 8 位数据口作为数码管的 8 段显示驱动口。这种显示方式虽然简便，电路也最简单，但显示的位数很少（最多四位） 。但已经满足了此次设计要求，所以选用此种方式。（1） LED 的结构原理发光二极管是一种将电能转变成光能的半导体器件。简称 LED(Light Emitting Diode)。LED 数码管结构简单，价格便宜。八段 LED 显示管有八只发光二极管组成，编号是 a、b、c、d，e，f 和 SP，分别和同名管脚相连。七段 LED 显示管比八段 LED 少一只发光二极管 SP，其它和八段 LED 相同。在给每个二极管通电后，二极管发光后表示要显示的数字的一部分，当组成这个数字的所有二极管都发亮时，才能正确的显示这个数字。LED 显示器是单片机应用系统中常用的廉价输出设备。它是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一段笔画发亮。控制不同组合的二级管导通，就能显示出各种字符。使用 LED 显示器的时候，为了显示数字或是字符，要为LED 显示器提供代码，因为这些代码是通过各个段的亮与灭来显示不同字符的，因此称之为段码。7 段 LED 的段码如下表 3.3 所示： 表 3.3 7 段 LED 的段码显示字符共阴极段码共阳极段码显示字符共阴极段码共阳极段码 03FHC0Hc39HC6H 106HF9Hd5EHA1H 25BHA4HE79H86H 3 4FHB0HF71H8EH 466H99HP73H8CH 5 6DH92HU3EHC1H 第第 2727 页页 共共 5757 页页 67DH82HT31HCCEH 707HF8Hy6EH91H 8 7FH80HH76H89H 9 6FH90HL38HC7H A77FH88H“灭”00HFFH B7CH83H（2） LED 显示器工作原理由 N 个 LED 显示块可以接成 N 位 LED 显示器。N 个 LED 显示块有 N 根位选线和 8*N根段选线。根据显示方式的不同，位选线和段选线的连接方法也各不同。段选线控制显示字符的字型，而位选线为各个 LED 显示块的公共端，它控制该 LED 显示位的亮，暗。ALED 静态显示方式LED 显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极或是共阳极连接在一起并接地（或是+5V） ；每段的段选线（adp）分别与一个 8 位的锁存器输出连接。所以称为静态显示。LED 的显示字符一经确定，相应锁存器的输出将维持不变，直到显示另一个字符为止。也正是因为如此，静态显示的亮度都较高。BLED 动态显示方式在多位 LED 显示时，为了简化硬件电路，通常将所有位的段选线相应的并联在一起，由一个 8 位 I/O 口控制，形成段选线的多路复用。而各位的共阴极或是共阳极分别由相应的 I/O 线冬至，实现各位的分时选通。如以一个四位段显示为例来说明，其中段选线占用一个 8 位 I/O 口，而位选线占用一个 4 位 I/O 口。由于各位的段选线并联，段码的输出对于各位来说都是相同的。因此次，同一时刻，如果各位位选线都处于选通状态的话，4 位 LED 将显示相同的字符。若要各位 LED 能够显示出与本位相应的显示字符，就必须采用扫描显示方式，即在某一时刻，只要让某一位的位选线处于选通状态，而其他各位的为选线处于关闭状态，同时，段选线上输出相应位要显示字符的段码。这样同一时刻，只让下一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选通处于关闭状态，同时，在段选线上输出相应位将要显示字符的段码，则同一时刻，只有选通位显示出相应的字符，而其他各位都是熄灭的。如此循环下去，就可以使各位显示出将要显示的字符。虽然这些字符上在不同时刻出现的，而且同一时刻，只有一个位显示，其他各位熄灭，但是 LED 显示器的余辉和人眼的视觉暂留作用，只要每位显示间隔足够短，则可以造成多位同时亮的假象，达到同时显示的目的。本次设计是使用了数码管的动态显示方式。 第第 2828 页页 共共 5757 页页 综上所述，显示电路的连接方式及工作原理都已经清楚明了。本次设计中选用的数码管是共阴极 LED。 设计中使用P0.0P0.7控制数码管的暗、亮，用于显示3个传感器所检测到的浓度值。其功能主要是通过软件编程来实现的。使用数码显示器的第一位显示选择传感器的编号，后三位显示检测房间中的一氧化碳浓度。显示过程采用轮流显示，每隔5秒自动显示下一传感器检测到的气体浓度，选用此方法的好处是能够简化电路。显示电路如图3.13。图 3.13 数码显示管与单片机的连接图3.2.6 计算机串口通信的技术与其标准串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有几种。但都是在 RS-232 标准的基础上经过改进而形成的。所以，以 RS-232C 为主来讨论。RS-323C 标准是美国 EIA(电子工业联合会）与 BELL 等公司一起开发的 1969 年公布的通信协议。它适合于数据传输速率在 020000b/s 范围内的通信。这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电器特性都作了明确规定。由于通行设备厂商都生产与 RS-232C 制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用1。 RS-232 标准RS-232C 标准（协议）的全称是 EIA-RS-232C 标准，其中 EIA(Electronic Industry Association)代表美国电子工业协会，RS（recommeded standard）代表推 第第 2929 页页 共共 5757 页页 荐标准，232 是标识号，C 代表 RS232 的最新一次修改（1969） ，在这之前，有RS232B、RS232A。它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。目前在IBM PC 机上的 COM1、COM2 接口，就是 RS-232C 接口。 电气性能与电平转换（1）电气性能EIA-RS-232C 对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。在 TxD 和 RxD 上：逻辑 1(MARK)=-3V-15V逻辑 0(SPACE)=+315V在 RTS、CTS、DSR、DTR 和 DCD 等控制线上：信号有效（接通，ON 状态，正电压）+3V+15V信号无效（断开，OFF 状态，负电压)=-3V-15V以上规定说明了 RS-323C 标准对逻辑电平的定义。对于数据（信息码）：逻辑“1” （传号）的电平低于-3V，逻辑“0” （空号）的电平高于+3V；对于控制信号；接通状态（ON）即信号有效的电平高于+3V，断开状态(OFF)即信号无效的电平低于-3V，也就是当传输电平的绝对值大于 3V 时，电路可以有效地检查出来，介于-3+3V 之间的电压无意义，低于-15V 或高于+15V 的电压也认为无意义，因此，实际工作时，应保证电平在(315)V 之间。（2）电平转换EIA-RS-232C 与 TTL 转换：EIA-RS-232C 是用正负电压来表示逻辑状态，与 TTL 以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或终端的 TTL 器件连接，必须在 EIA-RS-232C 与 TTL 电路之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。目前较为广泛地使用集成电路转换器件，MAX232 芯片可完成 TTLEIA 双向电平转换，本系统中由于下载器单片机输入输出采用 COMS 电压，因此在串口与其接口部分即采用 MAX232 作为电平转换，图 3.14 显示了 MAX232 的内部结构、引脚和具体连接方法。 接口机械性能连接器：由于 RS-232C 并未定义连接器的物理特性，因此，出现了 DB-25、DB-15和 DB-9 各种类型的连接器，其引脚的定义也各不相同。图 3.15 分别介绍两种连接器。DB-25： PC 和 XT 机采用 DB-25 型连接器。DB-25 连接器定义了 25 根信号线，分为 4 组：异步通信的 9 个电压信号（含信号地 SG）2，3，4，5，6，7，8，20，2220mA 电流环信号 9 个（12，13，14，15，16，17，19,23，24）空 6 个（9，10，11，18，21，25） 第第 3030 页页 共共 5757 页页 保护地（PE）1 个，作为设备接地端（1 脚）DB-9 连接器它提供异步通信的 9 个信号。DB-25 型连接器的引脚分配与 DB-25 型引脚信号完全不同。因此，若与配接 DB-25 型连接器的 DCE 设备连接，必须使用专门的电缆线。电缆长度：在通信速率低于 20kb/s 时，RS-232C 所直接连接的最大物理距离为15m（50 英尺） 。最大直接传输距离说明：RS-232C 标准规定，若不使用 MODEM，在码元畸变小于 4%的情况下，DTE 和 DCE 之间最大传输距离为 15m（50 英尺） 。可见这个最大的距离是在码元畸变小于 4%的前提下给出的。为了保证码元畸变小于 4%的要求，接口标准在电气特性中规定，驱动器的负载电容应小于 2500pF。图 3.14 MAX232 内部结构 、连线示意图 第第 3131 页页 共共 5757 页页 图 3.15 连接器机械特性（注：该图应自己绘制，不要现成图片！） 接口信号RS-232C 规标准接口有 25 条线，4 条数据线、11 条控制线、3 条定时线、7 条备用和未定义线，常用的只有 9 根，它们是：联络控制信号线：数据装置准备好（Data set ready-DSR)有效时（ON）状态，表明 MODEM 处于可以使用的状态。数据终端准备好(Data set ready-DTR)有效时（ON）状态，表明数据终端可以使用。这两个信号有时连到电源上，一上电就立即有效。这两个设备状态信号有效，只表示设备本身可用，并不说明通信链路可以开始进行通信了，能否开始进行通信要由下面的控制信号决定。请求发送(Request to send-RTS)用来表示 DTE 请求 DCE 发送数据，即当终端要发送数据时，使该信号有效（ON 状态） ，向 MODEM 请求发送。它用来控制 MODEM 是否要进入发送状态。允许发送（Clear to send-CTS）用来表示 DCE 准备好接收 DTE 发来的数据，是对请求发送信号 RTS 的响应信号。当 MODEM 已准备好接收终端传来的数据，并向前发送时，使该信号有效，通知终端开始沿发送数据线 TxD 发送数据。这对 RTS/CTS 请求应答联络信号是用于半双工 MODEM 系统中发送方式和接收方式之间的切换。在全双工系统中作发送方式和接收方式之间的切换。在全双工系统中，因配置双向通道，故不需要 RTS/CTS 联络信号，使其变高。接收线信号检出(Received Line detection-RLSD)用来表示 DCE 已接通通信链路，告知 DTE 准备接收数据。当本地的 MODEM 收到由通信链路另一端（远地）的 a DB-25 连接器 b DB-9 连接器 第第 3232 页页 共共 5757 页页 MODEM 送来的载波信号时，使 RLSD 信号有效，通知终端准备接收，并且由 MODEM 将接收下来的载波信号解调成数字两数据后，沿接收数据线 RxD 送到终端。此线也叫做数据载波检出(Data Carrier dectection-DCD）线。振铃指示(Ringing-RI)当 MODEM 收到交换台送来的振铃呼叫信号时，使该信号有效（ON 状态） ，通知终端，已被呼叫。数据发送与接收线发送数据(Transmitted data-TxD)通过 TxD 终端将串行数据发送到MODEM，(DTEDCE)。接收数据(Received data-RxD)通过 RxD 线终端接收从 MODEM 发来的串行数据，(DCEDTE)。地线有两根线 SG、PG信号地和保护地信号线，无方向。上述控制信号线何时有效，何时无效的顺序表示了接口信号的传送过程。例如，只有当 DSR 和 DTR 都处于有效（ON）状态时，才能在 DTE 和 DCE 之间进行传送操作。若 DTE 要发送数据，则预先将 DTR 线置成有效(ON)状态，等 CTS 线上收到有效(ON)状态的回答后，才能在 TxD 线上发送串行数据。这种顺序的规定对半双工的通信线路特别有用，因为半双工的通信才能确定 DCE 已由接收方向改为发送方向，这时线路才能开始发送。 RS-232 串口通信基本接线方法11（1）远距离通信 远距离通信即传输距离大于 15m 的通信，一般要加调制解调器 MODEM，因此使用的信号线较多。采用 Modem(DCE)和电话网通信时的信号连接若在双方 MODEM 之间采用普通电话交换线进行通信，除了需要 28 号信号线外还要增加 RI 和 DTR 两个信号线进行联络，如下图 3.16 所示。 第第 3333 页页 共共 5757 页页 图 3.16 采用 Modem(DCE)和电话网通信连接图（注：该图应自己绘制，不要现成图片！）首先，通过电话机拔号呼叫对方，电话交换台向对方发出拔号呼叫信号，当对方DCE 收到该信号后，使 RI（振铃信号）有效，通知 DTE，已被呼叫。当对方“摘机”后，两方建立了通信链路。 若计算机要发送数据至对方，首先通过 DTE 接口电路发出 RTS（请求发送）信号。此时，若 DCE 允许传送，则向 DTE 回答 CTS（允许发送）信号。一般可直接将RTS/CTS 接高电平，即只要通信链路已建立，就可传送信号。（RTS/CTS 可只用于半双工系统中作发送方式和接收方式的切换。） 当 DTE 获得 CTS 信号后，通过 TXD 线向 DCE 发出串行信号，DCE 将这些数字信号调制成模拟信号（又称载波信号），传向对方。 计算机向数据输出寄存器传送新的数据前，应检查 Modem 状态和数据输出寄存器为空。当对方的 DCE 收到载波信号后，向对方的 DTE 发出 DCD 信号（数据载波检出），通知其 DTE 准备接收，同时，将载波信号解调为数据信号，从 RXD 线上送给DTE，DTE 通过串行接收移位寄存器对接收到的位流进行移位，当收到 1 个字符的全部位流后，把该字符的数据位送到数据输入寄存器，CPU 可以从数据输入寄存器读取字符。 采用专用电话线通信在通信双方的 MODEM 之间采用电话线进行通信，则只要使用 28 号信号线进行联络与控制。不需要电话机、振铃信号 RI 和 DTR 信号，其信号线的连接如下图3.17 所示。 第第 3434 页页 共共 5757 页页 图 3.17 采用专用电话线通信连接图（注：该图应自己绘制，不要现成图片！）（2）近距离通信当通信距离较近时，可不需要 Modem，通信双方可以直接连接，这种情况下，只需使用少数几根信号线。最简单的情况，在通信中根本不需要 RS-232C 的控制联络信号，只需三根线（发送线、接收线、信号地线）便可实现全双工异步串行通信。零 Modem 的最简连线（3 线制）图 3.18 是零 MODEM 方式的最简单连接（即三线连接），图中的 2 号线与 3 号线交叉连接，在直连方式时，把通信双方都当作数据终端设备看待，双方都可发也可收。在这种方式下，通信双方的任何一方，只要请求发送 RTS 有效和数据终端准备好 DTR有效就能开始发送和接收。 RTS 与 CTS 互联，只要请求发送，立即得到允许；DTR与 DSR 互联，只要本端准备好，认为本端立即可以接收（DSR、数传机准备好）。零 Modem 标准连接如果想在直接连接时，而又考虑到 RS-232C 的联络控制信号，则采用零 MODEM方式的标准连接方法。如下图 3.19 所示。RS-232C 接口标准定义的所有信号线都用到了，并且是按照 DTE 和 DCE 之间信息交换协议的要求进行连接的，只不过是把 DTE自己发出的信号线送过来，当作对方 DCE 发来的信号。当甲方的 DTE 准备好，发出 DTR 信号，该信号直接联至乙方的 RI（振铃信号）和 DSR（数传机准备好）。即只要甲方准备好，乙方立即产生呼叫（RI）有效，并同时准备好（DSR）。甲方的 RTS 和 CTS 相连，并与乙方的 DCD 互连。一旦甲方请求发送（RTS），便立即得到允许（CTS），同时，使乙方的 DCD 有效，即检测到载波信号。甲方的 TXD 与乙方的 RXD 相连，一发一收13。 图 3.18 零 Modem 的最简连线图 第第 3535 页页 共共 5757 页页 图 3.19 零 Modem 标准连接图3.3 设计的硬件电路通过对上面各组成部分的方案的设计，分析和选用，至此，硬件部分完整的电路图已经定型。具体功能实现电路图如下图 3.14 所示 第第 3636 页页 共共 5757 页页 图 3.14 设计的总体电路图4 软件部分4.1 单片机编程本设计可以用 C 语言编程序，也可以用汇编语言编程序，本人选择了用 C 语言编写程序。主要编程序来控制定时、计时中断、和输出等。下面介绍 C 语言编程的优点。C 语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。C 语言有功能丰富的库函数、运算速度快、编译效率高、有良好的可移植性，而且可以直接实现对系统硬件的控制。C 语言是一种结构化程序设计语言，它支持当前程序设计中广泛采用的由顶向下结构化程序设计技术。此外，C 语言程序具有完善的模块程序结构，从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保障。因此，使用 C 语言进行程序设计已成为软件开发的一个主流。用 C 语言来编写目标系统软件，会大大缩短开发周期，且明显地增加软件的可读性，便于改进和扩充，从而研制出规模更大、性能更完备的系统。4.1.1 软件部分设计的功能软件部分是用来配合硬件电路，控制后面电路的响应，以实现设计预定功能。其主要由两部分功能组成：一部分是是对传感器接受到的信号进行处理；另一部分是实行中断处理，控制事故处理模块。两部分信号的处理都是采用查询方式。本系统采用三点巡回检测，轮换选择 3 个传感器工作，并且在数码管上轮流显示工作传感器所检测到的浓度值。当检测到的浓度小于指定值时，等待定时器中断；当检测到的浓度超过指定值时，执行中断程序进行事故处理，显示浓度。按照以上的软件程序设计思想，可以画出程序的流程图并根据流程图写出相应的程序。4.1.2 程序框图和主要程序介绍主程序框图如图 4.1，中断服务程序框图如图 4.2所示。 定时中断程序判断是否为正常工作状态 程序 1程序 2中断返回 第第 3737 页页 共共 5757 页页 图 4.1 主程序框图 图 4.2 中断服务程序框图中断服务程序介绍：void external0(void) interrupt 0 unsigned int temp; oe=1; temp=adcdata; hi=temp/51; mid=(temp-hi*51)*10/51; lo=(temp-hi*51-mid*51/10)*100/51; selectid();judgeflag(); if(flag=0x00) TR0=0; d1=1; d2=1; d3=1; else主程序计时器初始化 中断系统初始化延时程序选择下一传感器等待计时中断 等待串行口中断 第第 3838 页页 共共 5757 页页 d1=0; if(d2) TR0=1; display(id,1); display(hi,2); display(mid,3); display(lo,4); countadd+; if(countadd=2000) countadd=0; oe=0; selectadd(); else oe=0; startadc(); adcdata=0xff;其他程序见附录 1。4.2 上位机（PC 机）编程4.2.1 VB 下串行通信的方法利用 VB 开发通信程序主要有两种方法，一是利用 VB 本身提供的控件，另一种是利用 Windows API 应用程序接口，Windows API 主要提供了三个动态链接库KERNEL.EXE、USER.EXE、GDI.EXE 供开发人员调用，其中 KERNEL.EXE 主要包括一些底层操作函数，如通信、菜单、消息等以及绝大多数非显示函数，GDI.EXE 图形设备接口库，主要内容为与设备输出有关的函数。和串口通信有关的函数均在 WindowsSystem子目录下的 USER.EXE 动态链接库中。在本设计中用 VB 控件实现通信的方法比调用 SDK的 API 动态链接库的方法更加快捷，且用较少的代码可以实现相同的功能，因此本设计使用此控件来完成串口的通信。 第第 3939 页页 共共 5757 页页 4.2.2 串行通信的控件 MSComm 及其使用方法MSComm 控件通过串行端口传输和接收数据，为应用程序提供串行通讯功能。MSComm 控件在串口编程时非常方便，程序员不必去花时间去了解较为复杂的 API 函数，而且在 VC、VB、Delphi 等语言中均可使用。 Microsoft Communications Control（以下简称 MSComm）是 Microsoft 公司提供的简化 Windows 下串行通信编程的ActiveX 控件，它为应用程序提供了通过串行接口收发数据的简便方法。具体的来说，它提供了两种处理通信问题的方法：一是事件驱动(Eventdriven)方法，一是查询法。MSComm 控件提供下列两种处理通讯的方式：事件驱动方式和查询方式。 事件驱动方式事件驱动通讯是处理串行端口交互作用的一种非常有效的方法。在许多情况下，在事件发生时需要得到通知，例如，在串口接收缓冲区中有字符，或者 Carrier Detect(CD)或 Request To Send (RTS)线上一个字符到达或一个变化发生时。在这些情况下，可以利用 MSComm 控件的 OnComm 事件捕获并处理这些通讯事件。OnComm 事件还可以检查和处理通讯错误。所有通讯事件和通讯错误的列表，参阅 CommEvent 属性。在编程过程中，就可以在 OnComm 事件处理函数中加入自己的处理代码。这种方法的优点是程序响应及时，可靠性高。每个 MSComm 控件对应着一个串行端口。如果应用程序需要访问多个串行端口，必须使用多个 MSComm 控件。查询方式 查询方式实质上还是事件驱动，但在有些情况下，这种方式显得更为便捷。在程序的每个关键功能之后，可以通过检查 CommEvent 属性的值来查询事件和错误。如果应用程序较小，并且是自保持的，这种方法可能是更可取的。 MSComm 控件有很多重要的属性，常用的如下。CommPort 设置并返回通讯端口号。Settings 以字符串的形式设置并返回波特率、奇偶校验、数据位、停止位。 PortOpen 设置并返回通讯端口的状态。也可以打开和关闭端口。 Input 从接收缓冲区返回和删除字符。 Output 向传输缓冲区写一个字符串。下面分别描述。CommPort 属性设置并返回通讯端口号。语法object.CommPortvalue (value 一整型值，说明端口号。) 说明在设计时，value 可以设置成从 1 到 16 的任何数（缺省值为 1） 。但是如果用 PortOpen 属性打开一个并不存在的端口时，MSComm 控件会产生错误 68（设备无效） 。必须在打开端口之前设置 CommPort 属性。RThreshold 属性在 MSComm 控件设置 CommEvent 属性为 comEvReceive 并产生 第第 4040 页页 共共 5757 页页 OnComm 之前，设置并返回的要接收的字符数。语法object.Rthreshold = value （value 整型表达式，说明在产生 OnComm 事件之前要接收的字符数。 ）说明当接收字符后，若 Rthreshold 属性设置为 0（缺省值）则不产生 OnComm 事件。例如，设置 Rthreshold 为 1，接收缓冲区收到每一个字符都会使 MSComm 控件产生OnComm 事件。CTSHolding 属性确定是否可通过查询 Clear To Send(CTS)线的状态发送数据。Clear To Send 是调制解调器发送到相联计算机的信号，指示传输可以进行。该属性在设计时无效，在运行时为只读。语法object.CTSHolding（Boolean）说明如果 Clear To Send 线为低电平(CTSHolding=False)并且超时时，MSComm控件设置 CommEvent 属性为 comEventCTSTO(Clear To Send Timeout) 并产生 OnComm事件。Clear To Send 线用于 RTS/CTS(Request To Send/Clear To Send)硬件握手。如果需要确定 Clear To Send 线的状态，CTSHolding 属性给出一种手工查询的方法。SThreshold 属性MSComm 控件设置 CommEvent 属性为 comEvSend 并产生 OnComm事件之前，设置并返回传输缓冲区中允许的最小字符数。语法object.SThreshold=valuevalue 整形表达式，代表在 OnComm 事件产生之前在传输缓冲区中的最小字符数。说明若设置 Sthreshold 属性为 0（缺省值） ，数据传输事件不会产生 OnComm 事件。若设置 Sthreshold 属性为 1，当传输缓冲区完全空时，MSComm 控件产生 OnComm事件。如果在传输缓冲区中的字符数小于 value，CommEvent 属性设置为 comEvSend，并产生 OnComm 事件。comEvSend 事件仅当字符数与 Sthreshold 交叉时被激活一次。例如，如果 Sthreshold 等于 5，仅当在输出队列中字符数从 5 降到 4 时，comEvSend 才发生。如果在输出队列中从没有比 Sthreshold 多的字符，comEvSend 事件将绝不会发生。PC 上位机程序见附录 2。5 系统制作及调试单片机的应用开发可分为以下五个过程。(1)硬件系统设计调试。如电路设计、PCB 印制板绘制等。(2)应用程序的设计。 (3)应用程序的仿真调试。指用仿真器对硬件进行在线调试或软件仿真调试，在调试中不断修改、完善硬件及软件。 第第 4141 页页 共共 5757 页页 (4)单片机应用程序的烧写。用专用的单片机烧写器可将编译过的二进制源程序文件写入单片机(F1ashROM)芯片内。 (5)系统脱机运行检查。进行全面检查，针对出现的问题修正硬件、软件或总体设计方案。5.1 系统 PCB 板的设计电路设计好以后，PCB 板的设计也是一个十分重要的内容。电路设计的合理，制成电路板后系统却工作不正常的事情屡见不鲜，究其原因，多半是 PCB 板的设计存在问题，特别是频率较高的电路和数字模拟混合电路的印刷线路板的设计。在这次制作印刷板的过程中，我得到了很多的经验。5.1.1 确定 PCB 的大小首先，要考虑 PCB 尺寸大小。PCB 尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。在确定 PCB 尺寸后再确定特殊元件的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。5.1.2 布局第一次布局时，为了美观，把电容、电阻排放在一起，没有围绕核心元件布局，没有考虑实际的元件连接，因此连线复杂而且本来可以短线连接的变成长线连接，滤波电容也没有起到滤波的作用，经过调试之后，重新布局如下：(1) 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并且使信号尽可能保持一致的方向。(2) 以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件均匀、整齐、紧凑地排列在 PCB 上尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。(3) 尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观，而且装焊容易。 5.1.3 布线(1) 输入输出端用的导线尽量避免相邻平行。(2) 印制导线拐弯处取圆弧形，因直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外，尽量避免使用大面积铜箔，否则，长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时，在本系统中，用栅格状敷铜，这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。（3）本系统的过孔较多，有 50 多个过孔，在布线的过程中特别要注意，过孔尽量不要布在芯片的下面。特别是贴片形式的芯片。如果在贴片下有过孔，那么这个布线就是错误的。我们在布线的过程中考虑电路的特殊要求，以及为了更好的保护贴片和电路调试的方便，我们采用在贴片的地方，自己做一个 DIP 的封装，把贴片放在另外一块小板上，这个小板再插在大电路板的 DIP 上。在实际的制作过程中还要考虑焊芯 第第 4242 页页 共共 5757 页页 片的方便。这样我们尽量将芯片的焊线布在底层，这样焊既方便又美观。5.2 硬件调试在印制电路板工作完成之后，根据设计的步骤要求我对自己的硬件电路板进行了调试工作，这里将调试的过程及在调试的过程中所遇到的问题提出来进行讨论，以便能够进一步的掌握设计工作的要领。5.2.1 检测元器件检测所有元器件的好坏，是否正常工作，导线是否导通等。具体的实现方法是先检测电容、电阻及导线是否短接，采用的工具是万用表。5.2.2 检测各个引脚信号给电路接通电源，大概用手摸一下元器件是否发热，有的话，关掉电源，进行再次检测；没有的话，则测试所有芯片的 VCC 端电压是否达到要求，接地端是否都接地，无误后，则开始对电路中所用到的引脚进行信号波形测试，所使用的工具最好是示波器。当以上检测都没有什么问题的时候，就可以烧写单片机程序，进行整体调试了，调试的结果能达到设计的要求数据，就算硬件设计工作完成。5.3 软件调试本设计系统的控制程序是采用 C-51 语言编程，编程所采用的软件是 Keil uVision2 MCS-51 编程软件。关于单片机 C 语言软件调试，在语句中出现的语法错误，该软件会提示出来，以便于更正。因此，软件调试主要的工作是检查头文件是否正确，是否与单片机的端口地址相匹配。其次，就是检查初始化程序的正确性，根据设计的要求定义正确的初始化程序，为后面程序的执行做好铺垫作用。然后就是根据软件实现步骤逐个检查程序的可行性，以及程序的嵌套性是否都能达到设计的要求。6 结论毕业设计完成的主要工作是完成单片机控制系统、传感器检测系统和事故处理系统。通过搜集目前一氧化碳传感器的相关资料，了解国内外一氧化碳传感器的相关制 第第 4343 页页 共共 5757 页页 作方法，并通过设计方案的比较，针对设计任务提出了可行方案。在设计方案中，结合单片机的功能特点及其控制特性，利用简便的单片机 C-51 语言和其内部时钟，以单片机作为检测和控制的核心。根据设计方案，详细地阐述了单片机的控制原理、传感器使用方法、PCB 板的制作，设计了相应的硬件电路和系统软件，制作了电路原理样机并进行调试。结果表明，所设计的电路和软件能完成基本的测试功能。本设计完成的工作超出了任务书中规定的设计任务。提出了应用串口技术实现产品的网络控制方法。在制作原理样机时，模拟设计了此功能。由于时间限制，目前并没有制作完成完整的 PC 机监控程序，这是下一步工作要考虑的问题。而这些程序对于产品的实用和完整是绝对必要的。谢 辞在论文完成之际，向我的导师黄美发老师以及研究生黄保群表示深深的敬意！本设计是在黄老师的悉心指导下完成的，在此感谢黄老师在设计期间对我的指导，以及在我制作过程中，遇到困难时对我的帮助。使我在学到了好多知识，学会了能够透彻的分析问题解决能力的能力。 第第 4444 页页 共共 5757 页页 同时，感谢在我大学期间给与我帮助的所有老师，培养了我热爱学习、勤学好问、创新探索的能力，让我学到了不少的知识，使我受益非浅，还培养了我解决问题和处理问题的能力，为我在今后的工作和生活中打下了基础。感谢本班同学在我遇到问题的时候对我的细心讲解，以及在生活中对我的帮助，给予我的关怀。尤其是李伟光同学，本次设计的单片机程序的烧录就使用了他所设计的单片机编程器。参考文献1 张志良. 单片机原理与控制技术M. 北京: 机械工业出版社.1999. 2 www.P3 李华. MCS - 51 系列单片机原理及应用M. 北京:北京航空航天大学出版社.1995.4 刘征宇. 最新74 系列IC 特性代换手册M. 福州: 福建科学技术出版社.2002. 第第 4545 页页 共共 5757 页页 5 杨邦文. CMOS、CC4000 系列集成电路速查手册M. 北京:人民邮电出版社.1997.6 朱明程,李昆华,李远辉. 智能一氧化碳报警器原理与设计J. 电子技术应用.1998,3.7 力源产品目录Z.武汉力源电子股份有限公司 2004.01.8 唐少农,袁虎,毛导钦. 程控一氧化碳报警器的设计J. 南华大学学报(理工版). 2003,17(4).9 王琴放,张凡.单片机原理及应用M.北京：电子工业出版社：1997.8：3203.10 宋培义,刘立新.单片机原理、接口技术及应用M.北京：北京航空航天大学出版社.1999.1：3398.11 邱关源.电路（第四版）M.北京：高等教育出版社：2000.8.12 沙占友.集成化智能传感器原理与应用M.北京：电子工业出版社.2004.1：198222.13 R. Akkaya , A. A. Kulaksiz. A microcontroller-based stand-alone photovoltaic power system for residential appliancesJ. Applied Energy 78 (2004) 419431.14 Zoran Salci. A microcontroller/FPGA-based prototyping system for embedded applicationsJ.Microprocessors and Microsystems 21(1997)249-256.15 赵宝军, 吴冬艳等.一氧化碳报警器的研究J.中华临床与卫生:2004.04.122122.16 刘艳玲.采用 MAX232 实现 MCS-51 单片机与 PC 机的通信J.天津理工学院学报，1999，15（2）：5761.17 何利民.MCS-51 系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术M.北京：北京航空航天大学出版社，2003.附录 1系统程序#include sbit d1=P34; 第第 4646 页页 共共 5757 页页 sbit d2=P36;sbit d3=P33;sbit start=P37;sbit oe=P35;sbit adca=P20;sbit adcb=P21;sbit adcc=P22;sbit leda=P26;sbit ledb=P25;sbit ledc=P24;sbit ledd=P23;#define led P0#define adcdata P1int countadd;int counttim;unsigned char flag;int id;int hi;int mid;int lo;unsigned char ledtab=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;/选择下一转换的传感器void selectadd(void) unsigned char temp; temp=P2 & 0x07; switch(temp) case 0x01:adca=0;adcb=1;adcc=0;break; case 0x02:adca=0;adcb=0;adcc=1;break; case 0x04:adc
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