毕业论文——可燃气体报警器

河北工程大学毕业论文 I 摘要摘要 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 可实现串行输入 并行输出 通过 8 位移位寄存器 74LS164 可进 行静态显示 通过设置报警值 用单片机控制发光二极管和音乐 IC 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 关键词 一氧化碳 气体泄露报警器 AT89C51 单片机 GS 气体 传感器 河北工程大学毕业论文 II Abstract The design of the GS series of sensors will be placed on the test environment measured the concentration of gas converted to analog voltage and then through the ADC0809 will be converted to analog voltage digital signal into the SCM AT89C51 in the process To users of gas concentrations in real time understanding AT89C51 will be linked three 74 LS164 externally as the three LED display static display interface and the MCU RXD as the output data line TXD as a shift clock pulse 74LS164 TTL is a one way 8 bit register displacement which can be realized enter serial parallel output through the 8 bit shift register 74 LS164 can be static display By setting the alarm level the MCU control LED and music IC alarm at the same time SCM control use of technology produced a program controlled carbon monoxide alarm The instrument of carbon monoxide CO for real time monitoring when the concentration of carbon monoxide is more than allowed value the control circuit for alarm and through an external electromagnetic valve row fans and their program controlled to prevent accidents In addition procedures to prevent a cycle of death also used x25045 watchdog circuit chip composed of a death in the process so that when the MCU reset cycle instead of the whole system off thereby protecting the hardware circuit As designed by the number of gas alarm using SCM AT89C51 it is cheap stable performance easy production GS to gas sensors and AT89C51 microcontroller as the core design of gas leakage alarm the alarm system design method is simple use good effect the following is a gas leakage alarm the general design principles the key hardware and all The software program design Keywords CO Leaking gases alarm AT89C51 microcomtuper GS Gases Sensors 河北工程大学毕业论文 III 目 录 摘要 I Abstract II 1 绪论 1 1 1 研究背景及意义 1 1 2 研究目标及实现功能 2 1 3 研究方案 3 1 4 我国报警器行业的发展 4 2 2 单片机相关知识介绍 6 2 1 单片机中断与复位 6 2 1 1 单片机中断系统 2 1 2 单片机复位电路 2 2AT89C51 单片机对 ADC0809 的接口 8 2 3AT89C51 的介绍 3 3 硬件部分的设计及调试 9 3 1 硬件部分的设计 9 3 1 1 系统的组成 9 3 1 2 系统各模块功能 9 3 1 3 系统的控制 12 3 1 4 系统主要器件的介绍 3 2 硬件电路的调试 12 4 4 软件部分的设计及调试 13 4 1 软件部分的设计 13 4 1 1 主程序 14 4 1 2 调零子程序 15 4 1 3 显示子程序 16 4 1 4 报警子程序 17 4 1 5 中断取值子程序 19 4 2 软件程序的调试 22 结论 41 致谢 23 参考文献 24 河北工程大学毕业论文 IV 附录 25 科技文章摘译 35 河北工程大学毕业论文 1 第 1 章 绪论 1 1 研究背景及意义 随着我国燃气的变革及西气东输工程的进行 煤气或天然气已成为多数 家庭的燃料 每年因煤气泄漏造成的煤气中毒事故中 因使用热水器不当或 产品本身的质量问题造成的一氧化碳中毒事故全国均有不少事例 更有甚者 因室内煤气浓度过高引起煤气爆炸的事故也不少见 所以 这样防止煤气中 毒与爆炸已成为人们迫切需要 家用燃气报警器更是时下所需 因为它更简 捷易用 方便居民生活 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 例如 2005 年 12 月 河北唐山 刘官屯煤矿发生特别重大瓦斯煤尘爆炸事故 造成 108 名矿工死亡 29 人 受伤 直接经济损失 4800 多万元 同年 9 月 1 日 黑龙江省双鸭山矿务局 东保卫煤矿发生瓦斯爆炸事故 14 人遇难 9 月 5 日 山西省大同矿业集 团公司永定庄煤矿发生特大瓦斯爆炸事故 死亡 31 人 9 月 27 日 贵州省 水城矿务局木冲沟煤矿发生特大恶性瓦斯爆炸事故 162 人死亡 这是近 40 年来最严重的一次煤矿事故 11 月 5 日 吉林省辽源矿务局西安矿矿办小 井发生瓦斯爆炸事故 死亡 31 人 造成严重经济损失 11 月 25 日 内蒙 古自治区大雁煤业公司二矿采煤工作面发生特大瓦斯爆炸 目前已发现 14 人死亡 37 人下落不明 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 在国民经 济的许多领域中 如油田 矿山 化工等企业和家庭中有广泛的应用 也是 环境保护的重要项目 如何开发出稳定可靠 高性能价格比的装置 成为急 需解决的课题 由于要求数字气体报警器具有体积小巧 监控精度高 能长时间稳定工 作的特点 传统的纯硬件报警器已经不能满足这种要求了 可以用单片机设 计 单片机在工业控制和仪器仪表智能化的应用中扮演着极为重要的角色 河北工程大学毕业论文 2 其设计出的产品体积小 成本底 运用灵活 易于产品化 抗干扰能力强 适应范围广 在各种恶劣的环境下都能可靠工作 1 2 研究目标及实现功能 本文所设计的数字气体报警器采用单片机 AT89C51 其价格便宜 易 于产品化 本设计能将置于测试环境中的气体传感器输出的模拟电压通过 A D 转换器送入单片机 AT89C51 中进行处理并通过数码管显示 通过设置 报警值 当检测到的浓度达到或者超过设定值时 用单片机控制发光二极管 发光报警 同时打开喇叭发出声音报警 来达到报警的目的 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 而当系统出现故障时 黄色 LED 亮启 便于用户及时对报警器进行维修 系统以 MQK 气体传感器和 AT89C51 单片机为核心 设计气体泄漏报 警器 实现 1 准确测量周围环境中的可燃性气体 有毒有害气体的泄漏 2 实现系统各个模块的功能控制 3 实现单片机编程语言系统的控制及传感器电路的控制 4 研究单片机各接口的作用及功能 5 了解 MQK 气体传感器的具体功能 6 实现对基本报警电路的控制 1 3 研究方案 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 河北工程大学毕业论文 3 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 总的来说 设计主要利用了以上的检测模块 A D 转换模块 显示模块 事故处理模块 控制模块五大模块 组成了可燃气体探测报警器 1 4 我国报警器行业的发展 我国电子信息业在上世纪八十年代第一次腾飞后 随着国民经济信息化 进程的加快 之后又进入持续快速发展的新时期 这个时期电子信息产业的 主要特征表现为 一是正在从单一的制造业转变为物质生产与知识生产 装 备制造与系统集成 硬件制造与软件制造 工业生产与信息服务相结合的现 代信息产业 二是产业结构 产品结构 企业结构 运行机制 管理模式等 方面发生了深刻变化 三是我国信息产业成为国民经济的支柱产业和先导产 业 是新世纪的战略产业 为国民经济和社会信息化建设提供主要技术和物 质支撑 报警器技术及其产业的特点是 基础 应用两头依附 技术 投资两个 密集 产品 产业两大分散 基础 应用两头依附 是指报警器技术的发展 依附于敏感机理 敏感材料 工艺设备和计测技术这四块基石 敏感机理千 差万别 敏感材料多种多样 工艺设备各不相同 计测技术大相径庭 没有 上述四块基石的支撑 报警器技术难以为继 应用依附是指报警器技术基本上属于应用技术 其市场开发多依赖于检 测装置和自动控制系统的应用 才能真正体现出它的高附加效益并形成现实 市场 也即发展报警器技术要以市场为导向 实行需求牵引 技术 投资两 个密集技术密集是指报警器在研制和制造过程中技术的多样性 边缘性 综 合性和技艺性 它是多种高技术的集合产物 由于技术密集也自然要求人才 密集 投资密集是指研究开发和生产某一种报警器产品要求一定的投资强度 尤其是在工程化研究以及建立规模经济生产线时 更要求较大的投资 增加 投资和正确的投资方向是提高报警器产业水平的主要条件之一 也是企事业 河北工程大学毕业论文 4 决策者谋求最佳经济效益的重要手段 产品 产业两大分散 产品结构和产 业结构的两大分散是指报警器产品门类品种繁多 生产 研究单位分布在除 地方外有 12 个部委 电子 机械 科学院 航空航天 教委 冶金 船舶 铁道 轻工 化工 煤炭等 其应用渗透到各个产业部门 它的发展既是 各产业发展的推动力 只有按照市场需求 不断调整产业结构和产品结构 才能实现报警器产业的全面 协调 持续发展 在国家的支持下 八五 以来 我国的报警器技术及其产业取得了长 足进步 在学术交流方面 1989 年 10 月由敏感元器件与报警器分会发起主办的 STC 89 首届全国敏感元件与报警器学术会议 已延续至今 固定每两年 召开一次 每逢活动不但国内学者 企业家云集且有不少其它国家的人士参 加 目前 其论值组织机构为 全国敏感元件与报警器学术团体联合组织 委员会 在原电子工业部的努力及敏感元器件与报警器分会的积极组织下 实施 的 双加工程 即 加快力度加快发展 的方针指导下 建立了我国敏感元 器件与报警器生产基地 这三大基地分别为 安徽基地 主要是建立力 光敏规模经济 陕西基地 1990 年 2 月成立了 陕西省敏感技术产业 集团公司 主要是建立电压敏 热敏 汽车电子规模经济为主要目标 黑龙江基地 主要建立气 湿敏规模经济为主要目标 多年来 三大基 地在发展过程中虽然兴衰不一 历史地看 它对我国敏感元件与报警器行业 的建设起到了一定的推动作用 九五 期间报警器技术研究国家重点科 技攻关项目取得了 51 个品种 86 个规格的新产品 初步建立了敏感元件与报 警器产业 产品已进入到亿万人民的家庭生活中 并已在国民经济各部门 和国防建设中得到一定应用 近年来 在研发主力军的建设方面 主要表现在 建立了 传感技术国 家重点实验室 微米 纳米国家重点实验室 国家传感技术工程中心 等研究开发基地 全国已有 1688 家企事业从事报警器的研制 生产和应用 其中从事 MEMS 研制生产的已有 50 多家 目前全行业正在执行 十五 规划 MEMS 等 5 项新型报警器已列入研究开发的重点 国家计委决定从 2002 年开始组 织实施的新型电子元器件产业化专项中有 5 项新型敏感元件与报警器已经启 动 一些省 市新建立的 报警器产业基地 MEMS 科技股份有限公司 呈现出良好的发展态势 河北工程大学毕业论文 5 河北工程大学毕业论文 6 第 2 章 单片机相关知识介绍 2 1 单片机中断与复位单片机中断与复位 2 1 1 单片机中断系统 1 中断的概念 中断是通过硬件来改变 CPU 程序运行的方向 计算机在执行程序的过 程中 由于 CPU 以外的某种原因 有必要尽快中止当前程序的执行 而去 执行相应的处理程序 在处理结束后 再回来继续执行被中止了的源程序 这种程序在执行过程中由于外界的原因而被中间打断的情况称为 中断 2 89C51 的中断系统 89C51 的中断系统主要由几个与中断有关的特殊功能的寄存器 中断入 口 顺序查询逻辑电路等组成 与中断有关的特殊功能寄存器有四个 分别 为中断源寄存器 即专用寄存器 TCON 和 SCON 的相关位 中断允许控制 寄存器 IE 和中断优先级控制寄存器 IP 89C51 单片机有 5 个中断源 可提 供两个中断优先级 即可实现二级中断嵌套 5 个中断源的排列顺序由中断 优先级控制寄存器 IP 和顺序查询逻辑电路共同决定 5 个中断源对应 5 个 固定的中断入口地址 1 中断请求源 外部中断请求源 即外中断 0 和 1 经由外部引脚引入的 在单片机上 有两个引脚 名称为 INT0 INT1 也就是 P3 2 P3 3 这两个引脚 在内部 的 TCON 中有四位是与外中断有关的 IT0 INT0 触发方式控制位 可由软件进和置位和复位 IT0 0 INT0 为低电平触发方式 IT0 1 INT0 为负跳变触发方式 IE0 INT0 中断请求标志位 当有外部的中断请求时 这位就会置 1 这由硬件来完成 在 CPU 响应中断后 由硬件将 IE0 清 0 IT1 IE1 的用途和 IT0 IE0 相同 2 内部中断请求源 TF0 定时器 T0 的溢出中断标记 当 T0 计数产生溢出时 由硬件置位 TF0 当 CPU 响应中断后 再由硬件将 TF0 清 0 TF1 与 TF0 类似 TI RI 串行口发送 接收中断 河北工程大学毕业论文 7 3 中断允许寄存器 IE 中断的允许或禁止是由片内可进行位寻址的 8 位中断允许寄存器 IE 来 控制的 见表 2 1 表 2 1 8 位中断允许寄存器 EAXXESET1EX1ET0EX0 其中 EA 是总开关 如果它等于 0 则所有中断都不允许 ES 串行口中断允许 ET1 定时器 1 中断允许 EX1 外中断 1 中断允许 ET0 定时器 0 中断允许 EX0 外中断 0 中断允许 4 五个中断源的自然优先级与中断服务入口地址 外中断 0 0003H 定时器 0 000BH 外中断 1 0013H 定时器 1 001BH 串口 0023H 它们的自然优先级由高到低排列 中断优先级中由中断优先级寄存器 IP 来置值的 IP 中某位设为 1 相 应的中断就是高优先级 否则就是低优先级 XXXPSPT1PX1PT0PX0 2 1 2 单片机复位电路 复位是单片机的初始化操作 其主要功能是把 PC 初始化位 0000H 单元 开始执行程序 除了进入系统的正常初始化之外 当由于程序运行出错或操 作错误使系统处于死锁状态时 为摆脱困境 也需按复位键重新启动 除 PC 之外 复位操作还对其它一些专用寄存器有影响 他们的复位状 态如下 PC 0000H TCON 00H ACC 00H TLO 00H PSW 00H TH0 00H SP 07H TL1 00H DPTR 0000H TH1 00H P0 P3 0FFH SCON 00H IP xx000000B SBUF 不定 IE 0 x000000B PCON 0 xx0000B TMOD 00H 复位操作还对单片机的个别引脚信号有影响 例如把 ALE 和信 PSEN 河北工程大学毕业论文 8 号变为无效状态 即 ALE 0 1 PSEN 本实验采用按键电平复位方式 晶振为 12MHz R1 为 200 R2 为 2K C 为 10uF 复位电路虽然简单 但其作用非常重要 一个单片机是否正 常工作 首先要检查是否能复位成功 2 2 AT89C51 单片机对 ADC0809 的接口 MCS 51 与 ADC 接口时必须弄清并处理好三个问题 1 要给 START 线送一个 100ns 宽的启动正脉冲 2 获取 EOC 线上的状态信息 因为它是 A D 转换的结束标志 3 要给 三态输出锁存器 分配一个端口地址 也就是给 OE 线上送一个 地址译码器输出信号 MCS 51 和 ADC 接口通常可以采用查询和中断两种方式 采用查询法 传送数据时 MCS 51 应对 EOC 线查询它的状态 若它为低电平 表示 A D 转换正在进行 则 MCS 51 应当继续查询 若查询到 EOC 变为高电平 则 给 OE 线送一个高电平 以便提取 A D 转换后的数字量 采用中断方式传 送数据时 EOC 线作为 CPU 的中断请求输入线 CPU 响应中断后 应字中 断服务程序中使 OE 线变为高电平 以提取 A D 转换后的数字量 MCS 51 对 ADC0809 的接口 ADC0809 内部有一个 8 位 三态输出锁存器 可以锁存 A D 转换后的数 字量 故它本身既可看作一种输入设备 也可认为是并行 I O 接口芯片 因 此 ADC0809 可以直接和 MCS 51 接口 当然也可通过像 8255 这样的其他 芯片连接 但在大多数情况下 51 系列单片机是和 ADC0809 直接相连的 2 3 AT89C51 的介绍 是一个低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 4k bytes 的可反复擦 写的 Flash 只读程序存储器和 128 bytes 的随机存取数据存储器 RAM 器 件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术生产 兼容标准 MCS 51 指令系统 片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元 内置功能强大的 微型计算机的 AT89C51 提供了高性价比的解决方案 AT89C51 是一个低功耗高性能单片机 40 个引脚 32 个外部双向输入 输出 I O 端口 同时内含 2 个外中断口 2 个 16 位可编程定时计数器 2 个全双工串行通信口 AT89C51 可以按照常规方法进行编程 也可以在线 河北工程大学毕业论文 9 编程 其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起 特别是可反复擦写 的 Flash 存储器可有效地降低开发成本 河北工程大学毕业论文 10 第 3 章 硬件部分的设计及调试 3 1 硬件部分的设计 3 1 1 系统的组成 整个报警器由三个部分组成 浓度检测及显示模块 主控模块和报警及 事故处理模块 系统的组成框图如图 3 4 所示 图 3 4 系统组成框图 3 1 2 系统各模块功能 1 气体浓度检测模块 系统采用三点单独检测的方法 可用来巡回检测三个不同的房间 也可用 来巡回检测同一个房间的不同方位 检测器件选用高温一氧化碳气体传感器 GS A1 该传感器对一氧化碳具有很高的灵敏度 稳定性和抗湿性良好 加活 性碳罩后 可防止乙醇等有机气体的干扰 检测结果经高精度运放器 OP07 放 大后 送入 ADC0809 模 P 数转换芯片进行模 数转换 单个传感器检测电路图 如图 5 2 模数转换模块 在本设计中 另一重要模块就是 A D 模数转换模块 因为模拟信号不 能直接送往单片机进行处理 必须进行 A D 转换 模数转换的过程有四个 阶段 即 采样 保持 量化和编码 本设计利用 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 工作状态设置 气体浓度检测 AT89C51 浓度显示 报警控制 故障处理 河北工程大学毕业论文 11 ADC0809 的主要性能如下 1 分辨率为 8 位 2 最大转换误差为 1LSB 3 转换时间为 100uS 4 逻辑点平与 COMS 和 TTL 相兼容 5 5V 单电源供电 6 可对 0 到 5V 的输入模拟信号进行转换 图 3 5 A D 转换模块引脚图 程序中预采用模数转换电路由 ADC0809 芯片组成 三路检测结果从 IN0 IN1 IN2 输入 转换顺序由 ADDA ADDB ADDC 控制 转换结果送 单片机 P0 口供单片机进行数据处理 3 显示电路 由 P0 口输入的数据 在单片机内部进行标度变换后 从单片机的串行口 输出进行显示 系统的工作状态和气体浓度 采用 LED 数码管显示 每 30 秒刷 新一次 为了不再扩展 IPO 口 系统采用串行口的移位功能扩展为 4 位静态显 示电路 第一位为系统工作状态显示 后三位为一氧化碳气体浓度显示 当第一 位为 00 时 表示系统工作在三点巡回检测同一个房间状态 为 8 时表示系统 工作在三点巡回检测同一个房间正常工作状态 为 1 2 3 时表示系统工 作在单独检测状态 此时后三位显示的数据分别为第 1 号 第 2 号 第 3 号 传感器所检测到的一氧化碳气体浓度 浓度显示单位为 5ppm 74LS164 为串 行输入 并行输出寄存器 当 P2 0 1 且 AT89C51 的 TXD 端有输出时 74LS164 接收串行数据 更新显示 当 P2 0 0 时 显示的内容不变 4 主控模块 河北工程大学毕业论文 12 系统采用单片机进行控制 选用 AT89C51 单片机 该单片机为 ATMEL 公 司的产品 其指令系统完全与 8031 8051 兼容 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 各管脚的功能如下 1 ALE 端的功能 ALE 端与 ADC0809 的 CLOCK 相连 为 ADC0809 输入 时钟脉冲 2 P0 口的功能 P0 口与 ADC0809 的数据输出口相连 接收 APD 转换结 果 3 P1 口的功能 P1 0 端接工作状态控制开关 开关闭合时 系统进入正常工 作状态 P1 1 端外接的开关为三点巡回测量同一个房间控制开关 当开关闭合 时有效 P1 2 P1 4 端接 ADC0809 的 ADDA ADDB ADDC 三端 控制 ADC0809 的八路模拟输入转换 4 P2 口的功能 P2 1 端与 WR 端通过外接的与门求反后与 ADC0809 的 START 和 ALE 相连 用以启动 APD 转换 且将 8 路地址锁存 P2 1 端与 RD 端通过外接的与门求反后与 ADC0809 的 OE 端相连 用以允许将 APD 转换 结果输出 让单片机读取转换结果 P2 2 端用作系统音乐报警信号控制端 高电 平有效 P2 3 端用作排风扇启动信号控制端 高电平有效 P2 4 端用作电磁阀启 动信号控制端 高电平有效 5 P3 口的功能 P3 0 P3 1 端和 P2 0 端用于控制系统的显示输出 5 报警与事故处理模块 当气体浓度超过允许值时 该模块动作 发出警报信号并根据不同情况进 行事故处理 P2 2 端为音乐控制端 P2 3 端为电磁阀启动控制端 P2 4 为排风扇 控制端 均为高电平有效 为防止市电对系统的干扰 P2 3 和 P2 4 端都经过光 电耦合管对电磁阀和排风扇进行控制 系统各模块之间的接线图如图 6 所示 图 5 单个传感器电路图 河北工程大学毕业论文 13 3 1 3 系统的控制 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 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 4 系统进入正常工作状态 自 45min 后 每隔 10min 音乐响起一次 用来提醒用户在工作完毕后 停止供气 5 在正常工作状态下 当系统检测到一氧化碳的浓度达到 300ppm 时 应关闭电磁阀 切断煤气通道以防止意外事故的发生 3 1 4 系统主要器件的介绍 3 1 4 1 GS 传感器介绍 设计中所用到的气体传感器是 GS 系列传感器 下面具体介绍一下 GS 系列气体传感器 GS 系列气敏元件采用半导体敏感材料 工艺独特为国内首创 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 GS 系列传感器主要有 以下特点 1 灵敏度高 功耗低 输出信号强 2 选择性好 对被检测的气体非常敏感 而对干扰气体则灵敏度很 低 3 稳定性 可靠性强 4 具有抗高温 抗高湿性能 5 元件不含任何贵金属催化剂 具有抗中毒及抗饱和性能 但由于气体传感器是使用半导体材料来制作 不可避免的是有温度漂移 问题 如何处理好气体传感器温度补偿问题是报警器设计的关键 图 3 1 图 3 2 以前的一般做法是把报警器的报警阀值电压作补偿 这样的电路 会简单一些 但温度补偿的效果不太理想 主要是在低温环境里 气体传感 器的表面温度降低导致气体传感器的性能变差 解决的方法是在低温环境里 河北工程大学毕业论文 14 提高气体传感器的加热功率 使气体传感器的表面温度维持相对恒定 达到 使气体传感器稳定工作的目的 图 3 1 传感器输出特性曲线图 图 3 2 传感器加温度补偿所需的加热电压曲线 气体传感器加热电源的原理见图 3 3 利用 PIC 单片机的脉冲宽 度调制输出功能 简称 PWM 及 A D 转换输入功能实现电源电压的稳 定和自我调整 如图所示 是降压式开关电源 Buck 式 的基本电路 其中 Vin 为输入电压 Vout 为输出电压 Q1 Q2 为开关三极管 R1 R2 R3 为电阻 L 为电感 D 为肖特基二极管 C 为电容 MQK 为气体传感器 通常有 LCTTT onffon 2 N T T V V LC VTTT V TT L R off on in outoutonon p on x 2 2 其中 N 为脉宽占空比 Ton 为开关三极管导通时间 Toff 为开关三 河北工程大学毕业论文 15 极管关闭时间 Rx 为开关电源的负载电阻 Vp 为输出纹波电压 实际使用 开关速度为 20KHz 输出的电压为 2 25 0 01V 输出电流为 120mA Vp 0 1V 该电路的工作原理是 预先设定目标工作电压值 输出 AT89C51 单片 机的 PWM 启动开关电源工作 通过 A D 转换电路将电源电压值读入单 片机 如果电压值偏离给定值 则调整 PWM 输出 这样形成一个电压调 整的闭合环路 直到电压值维持恒定 而环境温度将决定电压给定值的大小 达到随外界温度的改变而改变加热功率的目的 以补偿气体传感器的温度变 化 同时使用开关电源减少了线性稳压电源的压降损耗 该开关电源电路的 电压稳定精度取决于单片机 A D 和 PWM 的精度 该 AT89C51 单片机 基本能够满足气体泄漏报警器的性能需求 图 3 3 传感器加热电源原理图 3 1 4 2 74LS164 移位寄存器介绍 74LS164 8 位移位寄存器 串行输入 并行输出 简要说明 164 为 8 位移位寄存器 其主要电特性的典型值如下 当清除端 CLEAR 为低电平时 输出端 QA QH 均为低电平 串行数据输入端 A B 可控制数据 当 A B 任意一个为低电平 则禁 止新数据输入 在时钟端 CLOCK 脉冲上升沿作用下 Q0 为低电平 当 A B 有一个为高电平 则另一个就允许输入数据 并在 CLOCK 上升沿 作用下决定 Q0 的状态 引出端符号 CLOCK 时钟输入端 CLEAR 同步 清除输入端 低电平有效 A B 串行数据输入端 QA QH 输出端 逻辑及封装图 河北工程大学毕业论文 16 双列直插封装 极限值 电源电压 7V 输入电压 5 5V 工作环境温度 54164 0 70 储存温度 65 150 真值表 H 高电平 L 低电平 X 任意电平 低到高电平跳变 QA0 QB0 QH0 规定的稳态条件建立前的电平 QAn QGn 时钟最近的 前的电平 时序图 河北工程大学毕业论文 17 下面再介绍一下 74LS164 驱动数码管 在单片机应用系统中 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 这里以常用的串并转换电路 74LS164 为例 介绍一种常用静态 显示电路 以使大家对静态显示有一定的了解 MCS 51 单片机串行口方式 0 为移位寄存器方式 外接 6 片 74LS164 作 为 6 位 LED 显示器的静态显示接口 把 8031 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 可实现串 行输入 并行输出 其中 A B 第 1 2 脚 为串行数据输入端 2 个引脚 按逻辑与运算规律输入信号 共一个输入信号时可并接 T 第 8 脚 为时 钟输入端 可连接到串行口的 TXD 端 每一个时钟信号的上升沿加到 T 端 时 移位寄存器移一位 8 个时钟脉冲过后 8 位二进制数全部移入 74LS164 中 R 第 9 脚 为复位端 当 R 0 时 移位寄存器各位复 0 只 有当 R 1 时 时钟脉冲才起作用 Q1 Q8 第 3 6 和 10 13 引脚 并行输 出端分别接 LED 显示器的 hg a 各段对应的引脚上 在给出了 8 个脉冲后 最先进入 74LS164 的第一个数据到达了最高位 然后再来一个脉冲会有什 河北工程大学毕业论文 18 么发生呢 再来一个脉冲 第一个脉冲就会从最高位移出 搞清了这一点 下面让我们来看电路 6 片 7LS164 首尾相串 而时钟端则接在一起 这样 当输入 8 个脉冲时 从单片机 RXD 端输出的数据就进入到了第一片 74LS164 中了 而当第二个 8 个脉冲到来后 这个数据就进入了第二片 74LS164 而新的数据则进入了第一片 74LS164 这样 当第六个 8 个脉冲 完成后 首次送出的数据被送到了最左面的 164 中 其他数据依次出现在第 一 二 三 四 五片 74LS164 中 3 2 硬件电路的调试 本设计的元器件较少 所以采用万用板手工焊接 焊接完成后 检查有 无可能出现的虚焊 漏焊 检查电源线和接地线 确定无问题后将电路板通 电 首先用示波器观察单片机 AT89C51 的 18 19 管脚有无频率为 10MHZ 的三角波 若有 表示晶振正常工作 单片机能保证正常工作 若无 检查 晶振电路 排除故障 接着用单片机仿真器向 P1 口送数值 检查 LED 数码 管能否正常显示 若不能 检查译码器 7448 是否工作 有无电压输出 检 查 LED 是否损坏 最后检查 ADC0809 在有电压 1 5V 接入的情况下 有无 电压输出 若无问题 硬件调试完毕 河北工程大学毕业论文 19 第 4 章 软件部分的设计及调试 4 1 软件部分的设计 本设计的主要功能实现在于程序的编写 流程图如图 4 1 图 4 1 软件流程图 如图所示 整个报警器程序上分成中断取值转换 调零 报警 显示四 大模块 河北工程大学毕业论文 20 4 1 1 主程序 整个程序一共使用了两个中断 一个外部中断即 INT0 中断 一个定时 计 数器中断即 IT0 中断 这两个中断各有其作用 INT0 中断是用来判断 A D 转 换器 ADC0809 对模拟信号的转换是否完成 当 A D 转换结束后 ADC0809 发 出结束 EOC 高电平 信号 该信号可供单片机查询 也可反相后作为向单片机 发出中断信号 而本设计正是用的这个方法 使得程序进入中断取值程序 而程 序中所用到的 IT0 中断 是为产生一个周期为 2S 的方波而设计的 其作用是为 看门狗产生喂狗子信号 具体程序如下 ORG 00H JMP START 主程序入口地址 ORG 03H JMP INTO 外中断 INTO 入口 ORG 0BH JMP ITOP 定时器 0 中断入口 ORG 0100H START MOV IE 10000001B INT0 中断使能 MOV IP 00000001B INT0 中断优先 MOV TCON 00000000B 设置 INT0 为电平触发 MOV SCON 00000000B 串行口发送 接收标志位 请 0 MOV SP 60H 设堆栈指针 MOV TMOD 01H 设置 T0 为方式 1 CALL PT0M0 HERE AJMP HERE 自身跳转 PT0M0 MOV TL0 0CH T0 中断服务程序 T0 重新置 初值 MOV TH0 0FEH SETB TR0 启动 T0 SETB ET0 允许 T0 中断 SETB EA CPU 开中断 RET ITOP MOV TL0 0CH T0 中断服务程序 T0 置初值 MOV TH0 0FEH CPL P1 0 P1 0 状态取反 河北工程大学毕业论文 21 RETI ACALL LED 调用 LED 自检子程序 MOV 33H 00H 设置中断完成标志为 0 MOV DPTR 0FEFFH ADC0809 的端口地址 MOVX DPTR A 使 BUS 为高阻抗 令 ADC0809 开始转换 WAIT MOV A 33H 等待 A D 转换完成信号 JNZ INTOK JMP WAIT 未完成则跳回等待 INTOK MOV A 32H 将最新的浓度值存入累加 器中 若 A D 未工作 则 A 0 JNZ L1 MOV A 30H JMP L2 L1 MOV 30H 31H MOV A 31H 将新浓度载入累加器 L2 CALL BCD 调用 BCD 码调整程序 CALL DISP 显示当前浓度 CALL ADZERO 调用零点调整子程序 CALL ALARM 调用判断报警程序 CALL BCD CALL DISP 调用显示子程序 CLR A 清除累加器值 JMP START 返回 在主程序通过对 33H 中数值的判断断定 A D 是否转换完成 当 33H 中 为 1 时 转换完成 程序调用调零 报警 显示模块对输入数据进行处理 4 1 2 调零子程序 由于未知问题 可能造成送入单片机中显示的模拟电压量与真实电压存 在区别 这种误差可以通过在中断处理中对 A D 转换的数值加上一个调整 值来解决 这样 我们就能根据实际情况来对报警器输出的数值进行控制 使其记数更加精确 使用更方便 我们可以利用对端口的电平高低来判断是 否需要进行调零处理 故可将按键开关接于端口 P2 2 若开关按下 则说明有调 零需要 于是进入调零处理程序 若开关没有按下 则说明没有调零需要 系统 河北工程大学毕业论文 22 进入下一步 通过设置一个按键 既可保证程序顺利进行 又方便用户使用 具体 程序如下 ADZERO CALL DELAY JB P2 2 JMP1 判断调零按钮是否按下 没按则跳 JMP1 JMP1 RET 通过对 P2 2 位的判断来分辨是否有调零请求 若有则跳入调零模式 调零模式中程序如下 LOOP1 CALL DELAY JNB P2 2 消除抖动延时 MOV A 40H 将调零预设值 40H 送入 CLR C 清除进位标志 SUBB A 01H 调零值减 1 JNC LOOP2 未借位则跳 LOOP2 MOV A 05H 有借位则重设调零值为 5 LOOP2 MOV 40H A 将调零值送回 40H 保存 MOV A R3 将当前浓度值送入 A JZ XEND DEC A 当前浓度值减 1 响应调整变化 XEND1 MOV 30H A 送回 30H 保存 MOV 31H A 送回 31H 保存 CALL BCD 调用 BCD 码调整 CALL DISP 调用显示子程序 JMP LOOP XEND MOV A 63H JMP XEND1 进入调零模式后 若有按键则 LED 数码管示数响应按键变化 若 3 秒无任何按键 则退出调零模式返回主程序 4 1 3 显示子程序 因为通过 A D 转换进入单片机 8051 的浓度值以十六进制存在 为了让 LED 显示需要转换为 BCD 码 其 BCD 码转换程序如下 BCD MOV 55H 00H 存放 BCD 转换中的百位数 MOV 56H 00H 存放 BCD 转换中的十位数 河北工程大学毕业论文 23 CLR C 清除进位标志为下面的 SUBB 准备 MOV R2 00H 清除 R2 CHAN SUBB A 64H 减 100 JC CHAN1 不能减 转 INC R1 百位值 JMP CHAN 循环判断百位 CHAN1 ADD A 64H 还原百位数 CLR C 清除进位标志为下面的 SUBB 准备 CHAN2 SUBB A 0AH 减 10 JC CHAN3 不够减 跳 INC R2 够减十位加 1 JMP CHAN2 重复减 10 CHAN3 ADD A 0AH 还原十位数 MOV 60H R2 把十位数放 60H 中 MOV 61H A 把个位数放 61H 中 RET 这样把转换成的 BCD 码 个位存于 61H 中 十位存入 60H 中 再编 写显示模块如下 DISP MOV R7 03H MOV R0 60H LED1 MOV A R0 MOV DPTR TABLE LED2 MOVC A A DPTR MOV SBUF A JNB TI CLR TI INC R0 DJNZ R7 LED1 RET 将数值送入到 LED 显示 74LS164 驱动数码管的过程 在单片机应用系统中 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 河北工程大学毕业论文 24 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 这里以常用的串并转换电路 74LS164 为例 介绍一种常用静态 显示电路 以使大家对静态显示有一定的了解 MCS 51 单片机串行口方式 0 为移位寄存器方式 外接 3 片 74LS164 作为 3 位 LED 显示器的静态显示接口 把 8031 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 可实现串行输 入 并行输出 其中 A B 第 1 2 脚 为串行数据输入端 2 个引脚按逻 辑与运算规律输入信号 共一个输入信号时可并接 T 第 8 脚 为时钟输 入端 可连