基于单片机的燃气泄露检测仪设计_毕业设计(论文).doc

华北科技学院毕业设计 论文 基于单片机的燃气泄露检测仪设计 目录 设计总说明 I Introduction III 1 绪论 1 1 1 课题背景及研究意义 1 1 2 主要研究内容及结构安排 1 2 燃气泄漏检测仪系统构成框图 3 2 1 系统构成框图 3 2 1 1 系统构成方案及论证 3 2 1 2 系统构成框图 4 3 燃气泄漏检测仪硬件设计 5 3 1 MCU 核心模块设计 5 3 1 1 MSP430 系列单片机发展历程 5 3 1 2 MSP430 系列单片机的应用领域 5 3 1 3 单片机最小系统介绍 6 3 1 4 单片机的选型 9 3 1 5 单片机外围电路设计 11 3 2 采集模块硬件设计 11 3 3 串口模块硬件设计 13 3 4 双电源供电模块硬件设计 15 3 4 1 双 12V 稳压电源设计 15 3 4 2 3 3V 电源设计 16 3 5 LCD 液晶显示模块设计 18 3 6 本章小结 21 4 燃气泄漏检测仪软件设计与实现 22 基于单片机的燃气泄露检测仪设计 4 1 总程序流程图 22 4 2 显示模块软件设计 22 4 3 显示模块软件调试 28 4 4 本章小结 29 5 硬件的安装与调试 30 5 1 PCB 版的设计 30 5 2 PCB 板的调试 32 5 3 PCB 板的焊接 33 6 结论 35 参考文献 36 附录 37 致谢 38 华北科技学院毕业设计 论文 I 基于单片机的燃气泄漏检测仪设计 设计总说明 燃气现已成为人们生活中必不可少的能源 液化气 天然气等作为清洁能源已在 工商业和城镇居民用户中得到广泛应用 但是随着燃气的广泛应用 由于燃气泄漏所 引发的爆炸 中毒和火灾等事故也时有发生 这在某种程度上增加了城市的不安全和 不稳定因素 燃气使用单位及居民用户选择一种适合的燃气报警装置成为必要之举 基于单片机的燃气泄漏检测仪 是一种适合家庭使用的小型燃气安全防范产品 能有 效避免因燃气泄露而引起的爆炸 火灾 中毒等恶性事故发生 在全世界大部分国家 地区广泛应用 基于单片机的燃气泄漏检测仪是燃气领域的安全卫士 一旦发生燃气 泄漏 它能及时提醒用户 避免各类中毒事故的酿成 在一些发达国家中都大力推广甚至强制安装燃气报警器 如日本东京和大阪 韩 国汉城 德国汉堡等城市 目前有 80 以上的居民家庭安装各类基于单片机的燃气泄 漏检测仪 同样 在国内一些城市 如北京 成都 哈尔滨等城市 针对燃气中毒事 故接二连三地发生 果断采取措施 据 1998 年资料显示 每年与液化石油气有关的事 故仅发生 75 起 而城市燃气管道用户发生事故率更低 家用燃气报警器在日本发展 30 年来 日本政府和生产企业大力推广报警器的使用 使燃气泄漏和爆炸等事故的事故率 远远低于欧美等发达国家 基于单片机的燃气泄漏检测仪已成为家庭生活的必需品 本课题设计一款燃气泄漏检测器 监控燃气灶是否有泄漏现象 并根据燃气泄漏 流量大小 当燃气泄漏值超过安全标准时 系统进行报警 显示煤气是否有异常现象 并发出同步信号控制电磁阀切断气源 本设计以功耗小的单片机为核心器件 通过采 集流量脉冲信号输入给单片机 通过软件程序来判断是否在合理的流量范围之内 当 超出正常值时 控制单元 MCU 会给出相应的控制 驱动进行报警信号 同时液晶显示 出当前累积流量及每个灶的开关状态 同时 本设计还会配合 DTU 串口通讯模块将 信息远传给上位机进行宏观控制 从根本上解决安全使用燃气的问题 有效避免因燃气 泄漏造成的火灾 爆炸 窒息 死亡等恶性事故的发生 为了做到实时监控本设计采用了双电源供电 即电源与电池交替供电 并且在当 电池电量不足时 本设计还能够进行欠压报警 当城市停止供电时本设计会自动跳转 到电池供电从而是本设计在没电的情况下也能进行监控 另外 本设计还根据国家标 基于单片机的燃气泄露检测仪设计 II 准进行了防静电 防雷击 防潮 防抖动方面的考虑使本设计能够高效安全的为消费 者所用 所以本设计有以下功能 采集功能 采集灶具火焰热电偶信号 燃气表脉冲信号 报警器输出信号 报警提示 有流量异常 电源欠压 浓度报警器等报警信息的声光提示 电源转换功能 采用市电供电的泄漏检测仪在市电断电时能自动转换到备用电源 内部电池 当市电恢复时能自动转换到城市供电状态 无线通信功能 能够与主站 集中器 无线通信的功能 既能够接收和回复集中 器或主站发出的数据采集和参数设置命令 显示功能 显示燃气表积累流量 灶具火焰状态 火焰异常等信息 以下为本论文对本设计的具体陈述 关键词 MSP430 单片机 燃气 报警 控制 华北科技学院毕业设计 论文 III Design of detection instrument based on MCU gas leakage Introduction Gas has become the people essential to life energy liquefied petroleum gas natural gas as a clean energy such as in business and is widely used in urban residents users But as the gas is widely used due to gas leakage caused by explosion fire and poisoning accidents also happen from time to tome this to some extent increase the unsafe and unstable factors of the city Gas using the units and residents the user to select a suitable gas alarm system become necessary Gas leakage detector based on single chip microcomputer is a kind of suitable for family use small gas security products Can effectively avoid explosion caused by gas leaks fire poisoning and other malignant accidents has most of the countries and regions are widely used all over the world Gas leakage detector based on single chip microcomputer is the security guards of the gas field in case of gas leakage it can timely remind consumer to avoid all kinds of lead poisoning accident In some developed countries are heavily promoted even mandatory gas alarm such as Tokyo and Osaka Seoul South Korea Hamburg Germany and other cities there are more than 80 of the households to install all kinds of gas leakage detector based on single chip microcomputer Also in some domestic cities such as Beijing chengdu Harbin and other cities according to gas poisoning accidents occurred one after another take decisive measures in a couple of years ago will be installed gas leakage alarm set forth in the form of local legislation and the results of gas accidents declined dramatically According to 1998 data show that every year only accident associated with liquefied petroleum gas LPG since 75 the city gas users happen accident rate is lower and household gas alarm system development for 30 years in Japan the Japanese government and enterprises to vigorously promote the use of alarm leakage and explosion accidents of gas accident rate is far lower than Europe and the United States and other developed countries gas leakage detector based on single chip microcomputer has become the necessities of family life This topic design a gas leakage detector monitor if there is a leak phenomenon kitchen burning gas gas leak flow and according to the size when the gas leakage value exceed safety standards alarm system gas according to whether there is abnormal phenomenon and 基于单片机的燃气泄露检测仪设计 IV the signal synchronization control solenoid valve to cut off the gas source This design with low consumption of the microcontroller as the core device the flow pulse signal input to MCU through gathering through the software to determine whether or not in the range of reasonable flow when the normal level gives the corresponding control unit MCU control alarm signal drive the LCD shows the current accumulated flow rate at the same time and each focal switch state at the same time this design also will cooperate with DTU serial port communication far information module to PC for macro control fundamentally solve the problem of safe use of gas effectively avoid fire and explosion caused by gas leakage asphyxia and death of malignant accidents In order to achieve real time monitoring the design adopts the double power supply namely alternating power supply and battery power supply and when the battery power is insufficient this design can also under voltage alarm when the city power supply this design will automatically jump to the battery power supply which is the design in the case of no electricity can also monitor In addition this design according to the national standard for anti static lightning protection moistureproof jitter considerations make this design to efficient and safe for consumer use So this design has the following functions Sampling function ovens gas flame thermocouple signal table output pulse signal alarm signal Alarm prompt there are abnormal traffic power supply voltage and the concentration of the alarm sound and light alarm information such as tips Leakage detector power supply conversion function the mains power supply can automatically switch to the standby power supply when mains power battery can automatically switch to city power supply when mains to restore state Wireless communication function being able to master station concentrator wireless communication function can receive and reply to concentrator or a host of data acquisition and parameter setting commands Key words MCU gas alarm solenoid valve draft fan 华北科技学院毕业设计 论文 第 1 页 共 38 页 1 绪论 1 1 课题背景及研究意义 近年来 随着生活水平的增高 全国煤气行业发展迅猛 煤气 液化气 天然气 等能源已在千家万户得到了广泛的应用 燃气的普及与应用无疑对改善环境质量和提 高人们的生活质量发挥了巨大的作用 然而 由于使用不当或者设备老化等原因导致 的燃气泄漏引发的中毒 爆炸 火灾 时有发生 直接威胁着人们的生命安全和财产 安全 及时发现可燃气体的泄漏将是安全使用可燃气体的一个重要方面 然而 一般的煤气报警器功能单一 性能稳定性差 不能很好的满足人民生活的 需要 并且还会引起火灾 爆炸等灾难 而大型的监控系统价格昂贵 需专门的技术 人员管理 不适合家用 因此 为了既能满足人民安全的需要又能满足消费需要 需 要设计一款集以上两点为一身的燃气泄漏检测仪 本燃气泄漏检测系统以单片机为核心 当燃气灶输出燃气流量超出标准 程序会 判断流量是否异常 若异常检测仪将进行报警并给出相应动作并自动关闭阀门 保证 了燃气使用的安全 1 2 主要研究内容及结构安排 为了能在低功耗的情况下保证家用燃气的安全 将危险防患于未然 本论文主要 以低功耗的 MSP430 系列单片机为核心 通过检测流过燃气灶中燃气的流量大小来判 断流量是否正常从而判断燃气是否泄漏 若发生泄漏本设计将自动进行泄漏报警 并 关闭阀门 从而保证家庭用气的安全性 本设计以低功耗的 MSP30 系列单片机为控制核心 配合采集模块 串口传输模块 LCD 显示屏模块并通过软件编程来控制不正常流量下的设备反应 增强了电路的实时 监控性 很好地满足了实际要求 在本论文中首先在第一章中主要叙述了本设计的研究背景及意义 结构安排 概 括的叙述了本论文的结构和研究顺序 第二章主要对本设计所采用的方法进行了比较 论证 选定了方法 列出了本设计的系统框图 本论文第三章主要阐述了本设计所选 系列单片机的发展历程 特点 及最小单片机系统和各个模块的硬件设计及与应用电 路 具体的叙述了 采集模块 双电源模块 串口通信模块 核心控制模块 及 LCD 显示模块的设计方法 第四章主要讲述了本设计的软件部分包括程序流程图 及软件 的与调试等 第五章主要叙述了硬件的安装与调试 详细介绍了在绘制电路板时 调 基于单片机的燃气泄露检测仪设计 第 2 页 共 38 页 试电路板时所需要的注意的问题 第六章是本论文的结论部分 主要叙述了设计本论 文的一些心得体会 最后是附录与参考文献阐述了本设计的一些附属资料 华北科技学院毕业设计 论文 第 3 页 共 38 页 2 燃气泄漏检测仪系统构成框图 2 1 系统构成框图 2 1 1 系统构成方案及论证 为了更好地满足设计需要 本设计介绍了两种设计方案 方案一 选用一般性能的普通 51 系列单片机 配合看门狗电路 A D 转换电路 液晶显示 屏驱动电路等附属电路完成设计 89C51 单片机是 8 位单片机 其指令是采用的被称为 CISC 的复杂指令集 共具 有 111 条指令 89C51 系列单片机由于其内部总线是 8 位的 其内部功能模块基本上 都是 8 位的虽然经过各种努力其内部功能模块有了显著增加 但是受其结构本身的限 制很大 尤其模拟功能部件的增加更显困难 在开发工具上面 对于 89C51 来说 由于它是最早进入中国的单片机 人们对它 在熟悉不过了 再加上我国各方人士的努力 创造了不少适合我们使用的开发工具 但是如何实现在线编程还是一个很大的问题 89C51 系列单片机本身的电源电压是 5 伏 有两种低功耗方式 待机方式和掉电 方式 正常情况下消耗的电流为 24mA 在掉电状态下 其耗电电流仍为 3mA 即使 在掉电方式下 电源电压可以下降到 2V 但是为了保存内部 RAM 中的数据 还需要 提供约 50uA 的电流 方案二 采用低功耗的 MSP430 单片机 利用其功耗小功能强大的特点 内含 A D 转换部 分 及外围电路达到设计要求 MSP430 单片机是 16 位的单片机 采用了精简指令集 RISC 结构 只有简洁的 27 条指令 大量的指令则是模拟指令 众多的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种 运算 这些内核指令均为单周期指令 功能强 运行的速度快 MSP430 系列其基本架构是 16 位的 同时在其内部的数据总线经过转换还存在 8 位的总线 在加上本身就是混合型的结构 因而对它这样的开放型的架构来说 无论 扩展 8 位的功能模块 还是 16 位的功能模块 即使扩展模 数转换或数 模转换这类的 功能模块也是很方便的 这也就是为什么 MSP430 系列产品和其中功能部件迅速增加 的原因 基于单片机的燃气泄露检测仪设计 第 4 页 共 38 页 对于 MSP430 系列而言 由于引进了 Flash 型程序存储器和 JTAG 技术 不仅使开 发工具变得简便 而且价格也相对低廉 并且还可以实现在线编程 MSP430 系列单片机在低功耗方而的优越之处 则是 89C5l 系列不可比拟的 正因 为如此 MSP430 更适合应用于使用电池供电的仪器 仪表类产品中 综上所述 从性能上考虑 MSP430 单片机拥有较多的引脚 单片机本身具有较强 的处理能力 方便了电路设计 它采用精简指令集结构 在 8MHZ 时指令速度可达 8MIPS 另外 MSP430F5529 采用了 16 位多功能硬件乘法器等先进的体系结构 大大 增强了其数据处理和运算能力 能够做到跟踪监控能力 所以本设计采用方案二 用 MSP430 系列单片机做核心电路 2 1 2 系统构成框图 本设计以单片机为核心 主要是通过采集燃气灶输出的脉冲流量的大小通过与设 定值进行比较来判断是否泄漏 并配合以液晶显示模块显示当前状态 配合串口通信 模块将数据传送给上位机 使燃气安全的为家庭消费者所用其系统构成框图 如下图 2 1 所示 图 2 1 系统构成框图 电压采集 流量脉冲采集 单片机 电磁阀煤气罐 热水器信号采 集 信号报警 上位机 华北科技学院毕业设计 论文 第 5 页 共 38 页 3 燃气泄漏检测仪硬件设计 3 1 MCU 核心模块设计 为了更好地满足设计要求 通过 89C51 系列单片机与 MSP430 系列单片机的论证 与比较 本设计采用的是 MSP430 系列单片机为本设计的 MCU 核心模块 3 1 1 MSP430 系列单片机发展历程 MSP430 系列单片机是美国德州仪器 TI 1996 年开始推向市场的一种 16 位超低 功耗 具有精简指令集 RISC 的混合信号处理器 Mixed Signal Processor 称之为 混合信号处理器 是由于其针对实际应用需求 将多个不同功能的模拟电路 数字电 路模块和微处理器集成在一个芯片上 该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式 仪器仪表中 MSP430 系列的部分产品具有 Flash 存储器 在系统设计 开发调试及实际应用上 都表现出较明显的优点 TI 公司推出具有 Flash 型存储器及 JTAG 边界扫描技术的廉 价开发工具 MSP FET430X110 将国际上先进的 JTAG 技术和 Flash 在线编程技术引 入 MSP430 这种以 Flash 技术与 FET 开发工具组合的开发方式 具有方便 廉价 实用等优点 给用户提供了一个较为理想的样机开发方式 3 1 2 MSP430 系列单片机的应用领域 MSP430 型系列是一款超低功耗类型的微控制器 特别适合于手持设备和安全领域 的应用 MSP430 虽属微控制器 但在众多单片机系列中有独特的优势 该 MSP430 系 列将大量的外围模块整合到片内 也适合于设计片上系统 具有丰富的不同型号的器 件可供选择 给设计者带来很大的灵活性 其原因就在于它是一个 16 位的精简指令构 架 有大量的工作寄存器和数据存储器 其 RAM 单元也可以实现运算 在运算速度方 面 MSP430 系列单片机能在 8HHz 晶体的驱动下 实现 125ns 的指令周期 16 位数据 宽度 125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器 能实现乘加 相配合 能实现数字信 号处理的某些算法 2004 年 10 月又推出了 MSP430F2XX 系列新款单片机 该款新品 可实现前代产品两倍的处力性能而待机功耗仅为前代品一半 同其它单片机相比 MSP430 系列可以大大延长电池的使用寿命 lus 6uS 的启动时间可以使启动更加迅速 ESD 保护 抗干扰力强 低电压供电 多达 64KB 寻址空间 包含 ROM RAM 闪 存 RAM 和外围模块 外部中断引脚 I 0 口具有中断能力 外围模块地址为存储器 分配 全部寄存器不占用 RAM 空间 均在模块内 定时器中断可用于事件计数 时序 基于单片机的燃气泄露检测仪设计 第 6 页 共 38 页 发生 PWM 等 看门狗功能 A D 转换器 10 位 12 位 16 位或更高精度 并且支持 C 语言和汇编语言 3 1 3 单片机最小系统介绍 单片机最小系统是由保证处理器可靠工作所必须的基本电路组成 主要包括电源 电路 时钟电路 复位电路 通信接口电路 数据存储电路 其硬件框图如图 3 1 所 示 图 3 1 单片机最小系统框图 1 时钟电路 在时钟电路中 低速晶体振荡器 LFXTl 满足了低功耗及使用 32 768kHz 晶振的 要求 LFXTl 振荡器默认工作在低频模式 即 32 768kHz 也可以通过外接 450kHz 8MHz 的高速晶体振荡器或陶瓷谐振器工作在高频模式 在本电路中我们使 用低频模式 晶振外接 2 个 22pF 的电容经过 XIN 和 XOUT 连接到 MCU 高速晶振也称为第二振荡器 XT2 它为 MSP430 工作在高频模式时提供时钟 XT2 最高可达 8MHz 在系统中 XT2 采用 4MHz 的晶体 XT2 外接 2 个 30pF 的电容 经过 XT2IN 和 XT2OUT 连接到 MCU 如下图 3 2 所示 2 复位电路 复位电路是单片机系统中不可缺少的部分 其好坏影响整个单片机应用系统的可 靠性 同时 复位电路非常容易受到外部噪声干扰 因此 复位电路的设计首先要求 保证整个应用系统的可靠性 其次是具有抗干扰能力 复位电路的基本功能是 系统 上电时提供复位信号 直至系统电源稳定后 撤销复位信号 为可靠起见 电源稳定 电源 电路 晶振 电路 复位 电路 通信接 口电路 数据存 储电路 MSP430 华北科技学院毕业设计 论文 第 7 页 共 38 页 后还要经一定的延时才撤销复位信号 以防电源开关或电源插头分 合过程中引起的抖 动而影响复位 Y2 4M C 11 12P C 13 12P GND XT1IN XT1OUT 图 3 2 时钟电路图 MSP430 的复位电路包括一个上电复位 POR 和上电清除信号 PUC POR 是设备 复位信号 它通常在以下三种事件发生时被触发 a 上电 b 复位模式下 RST NMI 脚 出现低电平 c 电压监控设备 Brownout 触发 当供电电压 VCC 缓慢上升时 POR 监测器保持 POR 信号有效直到 VCC 超出 VPOR 水平 当供电电压 VCC 快速上升时 POR 延时 t POR DELAY 提供了足够长的 有效 POR 信号以确保 MSP430 有足够的时间进行初始化 经常使用的复位电路有以下几种 手动按钮复位 手动按钮复位需要人为在复位输入端 RST 上加入高电平 一般采用的办法是在 RST 端和正电源 Vcc 之间接一个按钮 当人为按下按钮时 则 Vcc 的 5V 电平就会直 接加到 RST 端 手动按钮复位的电路如图 3 3 所示 由于人的动作再快也会使按钮保 持接通达数十毫秒所以完全能够满足复位的时间要求 基于单片机的燃气泄露检测仪设计 第 8 页 共 38 页 图 3 3 手动按钮复位电路 上电复位 C51 的上电复位电路如图 3 4 所示只要在 RST 复位输入引脚上接一电容至 Vcc 端 下接一个电阻到地即可 对于 CMOS 型单片机由于在 RST 端内部有一个下拉电阻故可 将外部电阻去掉而将外接电容减至 1 F 上电复位的工作过程是在加电时复位电路通 过电容加给 RST 端一个短暂的高电平信号此高电平信号随着 Vcc 对电容的充电过程而 逐渐回落即 RST 端的高电平持续时间取决于电容的充电时间 为了保证系统能够可靠 地复位 RST 端的高电平信号必须维持足够长的时间 上电时 Vcc 的上升时间约为 10ms 而振荡器的起振时间取决于振荡频率如晶振频率为 10MHz 起振时间为 1ms 晶 振频率为 1MHz 起振时间则为 10ms 在复位电路中当 Vcc 掉电时必然会使 RST 端电 压迅速下降到 0V 以下但是由于内部电路的限制作用这个负电压将不会对器件产生损害 另外在复位期间端口引脚处于随机状态复位后系统将端口置为全 l 态 如果系统在 上电时得不到有效的复位则程序计数器 PC 将得不到一个合适的初值因此 CPU 可能会 从一个未被定义的位置开始执行程序 本设计采用的是最简单的复位电路如 3 4 所示 C 7 0 1uF VC C GND R S T R 4 47K 华北科技学院毕业设计 论文 第 9 页 共 38 页 图 3 4 复位电路图 如上图所示 当加入电源时电容相当于短路 RST 输出低电平 复位 当电容充 满电后电容相当于断路 RST 输出高电平复位结束 3 JTAG 为了更方便本设计要求 本设计采用 JTAG 接口直接对核心芯片 MSP430F5529 进 行电气规则检查和编程 传统生产流程中先对芯片进行预编程现再装到板上 现简化 流程为先固定器件到电路板上 再用 JTAG 编程 从而大大加快工程进度 JTAG 接口 可对 PSD 芯片内部的所有部件进行编程 JTAG Joint Test Action Group 联合测试行动小组 是一种国际标准测试协议 IEEE 1149 1 兼容 主要用于芯片内部测试 现在多数的高级器件都支持 JTAG 协 议 如 DSP FPGA 器件等 标准的 JTAG 接口是 4 线 TMS TCK TDI TDO 分 别为模式选择 时钟 数据输入和数据输出线 其接口电路如下图 3 5 所示 引脚功 能如表 1 所示 JTAG口口口口 12 34 56 78 910 1112 1314 J1 JTAG TES TTC K TM S TDI TC LK TDO R S T VC C GND 图 3 5 JTAG 接口电路 表 1 JTAG 引脚图 基于单片机的燃气泄露检测仪设计 第 10 页 共 38 页 3 1 4 单片机的选型 本论文的核心部件为以单片机 MSP430 为核心的控制模块 TI 公司的超低耗单片 机特别适合与便携式的或双电源供电的设备 MSP430F5529 单片机的电源电压采用 1 8 3 6V 低电压 独特的时钟系统设计 包括两个不同时钟 基本时钟系统和锁相环时 钟系统 另外 MSP430F5529 有多种工作模式 LPMX 以有力的方式支持低功耗系统的 各种要求 用中断请求将 CPU 唤醒只需要 6us 由于本论文要求在停电时也能进行监 控所以此款单片机十分符合本设计要求 MSP430F5529 单片机具有较强的处理能力 它采用精简指令集结构 在 8MHZ 时 指令速度可达 8MIPS 另外 MSP430F149 采用了 16 位多功能硬件乘法器等先进的体系 结构 大大增强了其数据处理和运算能力能够做到跟踪监控能力 MSP430F5529 单片机有丰富的外围模块 12 位 A D 转换器 ADC12 比较器 Comparetor A 硬件乘法器 2 个带有捕获 比较寄存器的 16 位定时器 2 个可实现异 步 同步的串行同行接口 看门狗 另外 MSP430F5529 采用矢量中断 2 个 8 位端口 有中断能力 支持十多个中断源 并可以任意嵌套 这种功能大大的精简了电路设计 和程序设计 MSP430F5529 单片机开发方式及其方便 利用单片机本身具有的 JTAG 接口 可 以实现程序下载 调试为整个项目的开发提供方便 由于 MSP430F5529 单片机强大的功能所以本设计用非常少简单的电路就能实现单 片机对液晶显示屏 串口通信 程序下载 以及完成软件编程的功能 图 3 6 为 MSP430F5529 芯片的管脚 华北科技学院毕业设计 论文 第 11 页 共 38 页 由于此款单片机的管脚较多 并且很密 因此在设计 PCB 电路的时候 一定要查 看 MSP430 的用户手册来获得官方的尺寸 不然很有可能是制作出来的 PCB 板和插座 连接不好 导致芯片接收不到模拟信号通道所获得的数据 图 3 6 MSP430F5529 芯片管脚图 3 1 5 单片机外围电路设计 模拟地与数字地隔离电路 在 MSP430 系列单片机中数字地与模拟地不能接在一起的 因为模拟信号和数字 信号都要回流到地 因为数字信号变化速度快 从而在数字地上引起的噪声就会很大 而模拟信号是需要一个干净的地参考工作的 如果模拟地和数字地混在一起 噪声就 会影响到模拟信号 一般来说 模拟地和数字地要分开处理 然后通过细的走线连在 一起 或者单点接在一起 对于低频模拟电路 除了加粗和缩短地线之外 电路各部分采用一点接地是抑制 地线干扰的最佳选择 主要可以防止由于地线公共阻抗而导致的部件之间的互相干扰 而对于高频电路和数字电路 由于这时地线的电感效应影响会更大 一点接地会导致 实际地线加长而带来不利影响 这时应采取分开接地和一点接地相结合的方式 另外对于高频电路还要考虑如何抑制高频辐射噪声 方法是 尽量加粗地线 以 基于单片机的燃气泄露检测仪设计 第 12 页 共 38 页 降低噪声对地阻抗 满接地 即除传输信号的印制线以外 其他部分全作为地线 不 要有无用的大面积铜箔 另外用磁珠连接 用电容连接 用电感连接 用 0 欧姆电阻 连接 是常用的方法 本设计采用 0 欧姆电阻连接来进行数字地与模拟地分离 电路 图如下图 3 7 所示 图 3 7 模拟数字地分离电路 3 2 采集模块硬件设计 本设计中的采集模块主要功能是采集灶具火焰模拟信号及燃气表流量脉冲信号和 报警器的报警信号 其中流量信脉冲信号由燃气灶装置附属装置流量表直接输出并输 入到控制单元 所以此处的采集模块主要是采集燃气灶输出的热电偶信号大小 输入 给单片机通过单片机内置的 A D 转换模块转换成数字信号 从而来判断燃气灶是出于 关闭还是打开状态 由于燃气灶输出电压太小并不能识别 本设计采用放大模块进行 放大 本设计中的采集模块由一个两级运算放大电路组成 主要用于放大输出电压到 能使单片机识别的大小 采集模块电路通过调节电流中阻值的大小从而来控制放大倍 数的大小 其电路原理图如下图 3 8 所示 本电路中可知电路的放大倍数为 公式 3 1 12 3 4 10VV R R V 由此可知 为满足电路需要 电路中个电阻的组织应调至为 R1 为 4 8K R2 为 16 1K R3 为 4 4K R4 为 36 9K LM358 芯片 LM358 内部包括有两个独立的 高增益 内部频率补偿的双运算放大器 适合于 电 华北科技学院毕业设计 论文 第 13 页 共 38 页 图 3 8 采集模块电路原理图 源电压范围很宽的单电源使用 也适用于双电源工作模式 在推荐的工作条件下 电 源电流与电源电压无关 它的使用范围包括传感放大器 直流增益模拟 音频放大器 工业控制 DC 增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合 LM358 的封装形式有塑封 8 引线双列直插式和贴片式 特点 内部频率补偿 直流电压增益高 约 100dB 单位增益频带宽 约 1MHz 电源电压范围宽 单电源 3 30V 双电源 1 5 一 15V 低功耗电流 适合于电池供电 低输入偏流 低输入失调电压和失调电流 共模输入电压范围宽 包括接地 差模输入电压范围宽 等于电源电压范围 输出电压摆幅大 0 至 Vcc 1 5V LM358 引脚图如下图 3 9 所示 基于单片机的燃气泄露检测仪设计 第 14 页 共 38 页 图 3 9 LM358 引脚图 3 3 串口模块硬件设计 MSP430 系列微控制器都自带串行通信口 有几款还有两个串口 这样就方便了与 PC 机接口 增强了与外界通信的能力 不过串口的电平和逻辑关系与 MSP430 存在很 大的差别 以广泛应用的 EIA RS 232C 标准为例 对于数据 信息码 逻辑 1 传号 的电平为 3V 15V 逻辑 0 空号 的电平为 3V 15V 对于控制信号 接通状态 ON 即信号有效的电平为 3V 15V 断开状态 OFF 即信号无效的电 平为 3V 15V 也就是说当传输电平的绝对值介于 3V 15V 时 认为是有效信号 其它电平均认为是无效的 而 MSP430 输出的电平却在 0 3V 左右 因此要想与 PC 串口接口或者其它带有串口的终端接口 必须要进行 EIA RS 232C 与 MSP430 电平和 逻辑关系的转换 实现这种变换的方法很多 可用分离元件 也可用集成电路 目前 较为广泛地使用集成电路转换器件 MAX232 MAX232A MAX3221 MAX3223 等芯 片可完成多路 3V 15V 电平与串口电平的双向转换 在 MSP430 与 PC 串口接口时 用 MAX232A 电路比较简单 只需外接几个电容 而且这款芯片可以实现两路变换 价格也较便宜 本设计采用 MAX3221 芯片 可来完成 3V 15V 电平与串口电平的双向转换 其 串行部分的电路图如下图 3 10 所示 华北科技学院毕业设计 论文 第 15 页 共 38 页 en 1 C1 2 V 3 C1 4 C2 5 C2 6 V 7 R1in 8 FORCEOFF 16 VCC 15 GND 14 T1OUT 13 FORCEON 12 T1IN 11 INVALID 10 R1OUT 9 M AX3221 U1 1 6 2 7 3 8 4 9 5 J2 UART RX UART TX VCC GND C2 0 1uf C3 0 1uf C5 0 1uf C4 0 1uf C1 0 1ufGND GND GND GND 图 3 10 串口部分电路图 MAX3221 芯片 MAX3221 包含一个线驱动器一个线接收器和一个带有 15KV D 的 ESD 保护的双 电荷汞 该器件可满足 TIA EIA 232 F 要求并在一个异步通信控制器和串行端口连接 器之间提供接口电荷汞和四个小型外接电容器可在单路 3V 至 5 5V 电源电压下工作这 些器件在数据信号率达到 250 kbit s 且最大的 30 V s 驱动输出回转率时工作 当串行端口失效时可对电压管理进行灵活的控制选择在 FORCEON 为低且 FORCEOFF 为高时自动掉电功能起作用在这种工作方式中若器件未感应到接收器输入 端上的一个有效的 RS 232 信号则驱动器输出端被禁止若 FORCEOFF 置为低且 EN 为 高则驱动器和接收器均被切断电源电流降至 1A 断开串行端口或关闭外围驱动器将会导 致自动掉电 当 FORCEON 和 FORCEOFF 为高时自动掉电被禁止 当自动掉电被使能 且在接收器输入端加一个有效信号时 器件被激活 无效 INVALID 输出告知用户查看 RS 232 信号是否加在接收器输入端 如果接收器输入端电压高于 2 7 V 或低于 2 7 V 或在 0 3 V 之间并持续少于 30 s INVALID 为高数据有效 如果接收器输入端电压在 0 3 V 之间并持续超过 30 s 则 INVALID 为低数据无效接收器输入端电平 特点 1 能满足或超过 TIA EIA 232 F 和 ITU v 28 标准的要求 工作电源电压为 3V 至 5 5Vz 最多可处理 250 kbit sz 一个驱动器和一个接收器低待机电流典型值为 1 Az 外接电容器 0 1 F 基于单片机的燃气泄露检测仪设计 第 16 页 共 38 页 2 接受 5V 逻辑输入电平和 3 3V 电源电压 可与 Maxim MAX3221 互换使用 3 可供选择的高速引脚可兼容器件 1 Mbit s SNx5C3221z RS 232 总线 引 脚 ESD 保护超过 15 kV 时 采用人体模型 HBMz 自动掉电特点可自动使驱动器失效 以节约电源 12 应用范围 4 电池上电手持和便携式设备 掌上个人电脑 数码相机 5 移动电话和无线设备 3 4 双电源供电模块硬件设计 3 4 1 双 12V 稳压电源设计 随着社会发展现在城市供电已经变得趋于稳定 但是并不排除有停电的可能 当 停电时并且电力系统无法短时间内恢复供电时会对燃气灶的流量监控带来不便 因此 本设计本着安全周到的理念设计了双电源供电 当停电时启用备用电源 再停电的情 况下也能进行量的监控 报警 一般的双电源供电采用两个互相独立的电源 双电源 一般用于区域电源回路中 以保证该区域能够在一个电源故障时 仍能继续得到电源 一般双电源不允许并列运行 所以往往是一个电源投入运行 另一个电源备用 一旦 工作电源失去后 备用电源自动或手动投入继续供电 以下为双电源供电的电路图 如图 3 11 所示 以上电路为双电源供电电路 主要提供的是 12V 电源 一方面 12V 电源有外设电 源提供 当正常供电的情况下采用外电源供电 另一方面当停电时程序控制自动调转 到电池供电 当电池电量不够达到设计所需电量时 由一个分压电路输入到控制模块 中可以进行电池欠压报警 两种电源供电共同为单片机的驱动电源提供原电源保证了 设计的稳定性 工作原理如下 首先 当有城市供电时 内部电源供电 220V 经过整流桥整流 滤波 稳压电路 输出所需要的 12V 电压 华北科技学院毕业设计 论文 第 17 页 共 38 页 1 2 J8 12v口口 C 21 0 1u R 20 5M R 23 1M AIN0 C 22 0 1u 12V AGNDAGND AGND AGND 13 2 VV GND INOUT U978L12 D7 8 D9 D10 C 34 0 33uF C 33 2200uF TF1 1TO1 12V C 35 0 1uF 220V AGND 1 2 J10 12v口口 1 2 J17 12v口口 GND C 29 0 1u AGND12V 图 3 11 双电源供电原理图 当停电时 12V 电池供电 当电池电量不充足时 AIN0 通过分压电路输出信号产生 欠压报警信号提醒更换电池 本设计内部供电是由 78L12 三端稳压器组成 78L12 属于 78LXX 系列稳压器件 根据不同型号可以输出 5V 6V 12V 等不同电压 3 4 2 3 3V 电源设计 单片机系统电源设计是单片机应用系统设计中的一项重要工作 电源的精度和可 靠性等各项指标直接影响系统的整体性能 本设计采用三端稳压器组成稳压电路为单 片机提供稳定的驱动电压 本设计采用 LM2575 及外围电路组成单片机电源 其原理 图本设计如图 3 12 所示 L1 100uH VIN 1 3 OUT 2 FB 4 5 6 GNDGND ON OFF U3 LM 2575T 5 0 C20 100uF D1 SS14 C27 1000uF 12V AVCC AGNDAGNDAGNDAGND 基于单片机的燃气泄露检测仪设计 第 18 页 共 38 页 图 3 12 LM2575 及外围电路 1 LM2575 5 0 芯片介绍 LM2575 系列开关稳压集成电路是美国国家半导体公司生产的 1A 集成稳压电路 它内部集