多传感器系统设计.doc

中原工学院信息商务学院课设论文(设计)机电综合应用题 目： 多传感器仪器的设计 系部名称： 信息工程系 专业班级： 自动081班 学生姓名： 王伟毅 学 号： 200880874110 指导教师： 陶雪华 教师职称： 讲师 2011 年 12 月 27 日摘要 从工厂企业到居民家庭，酒精泄露的检测、监控以及对酒后驾车的检测对居民的人身和财产安全都是十分重要且必不可少。资料显示，我国近几年发生的重大交通事故中，有将近三分之一是有酒后驾车引起的。为了防止机动车辆驾驶人员酒后驾车，现场实时对人体呼气中酒精含量的检测已日益受到重视，酒精浓度测试仪逐渐得到广泛应用。此外，酒精测试也可应用于食品加工、酿酒等需要监控空气中酒精浓度场合。如今，气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向的发展，因此，酒精浓度检测仪具有十分广阔的现实市场和潜在的市场要求。烟雾报警器就是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，烟感器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。本文运用了单片机，并借助相应的外围电路，将检测结果通过LCD、LED等显示方法告知使用者。本设计用的MQ303酒精传感器就是一种对气体敏感的化学传感器，MQ-2烟雾浓度传感器，以及温湿度传感器它们随着外部气体的浓度或不同而改变敏感膜的电阻。系统选STC89C52RC单片机为控制核心，对检测到的气体状况进行相应的处理分析、处理和现实，并通过报警进行提示。关键字： 酒精传感器 烟雾传感器 温湿度传感器 STC89C52 单片机 AD 转换 VB 液晶 串口通讯 Alcohol smoke sensor reportsAbstractFrom the factories and enterprises to households, alcohol, leak detection, monitoring and drunk driving detection on Residents personal and property safety is very important and essential. Data shows, our country in last few years the major traffic accidents, there are nearly 1/3 is a drunken driving. In order to prevent the motor vehicle drivers drunk driving, live on human breath alcohol content detection has received increasing attention, alcohol concentration test instrument widely used. In addition, alcohol test can also be used in food processing, wine and other need to monitor air alcohol concentration.Nowadays, the gas sensor to low power, multi-function, integrated development， therefore, the alcohol concentration detector has a very broad market and potential market demand. The smoke alarm is by monitoring the smoke concentration to achieve fire prevention, smoke detectors, the internal use of ion smoke sensor, ion smoke sensor is a kind of advanced technology, stable and reliable operation of the sensor， is widely used in all kinds of fire alarm system, performance far superior to the gas sensing resistance type fire alarm.This paper uses the single chip microcomputer, and with the aid of the peripheral circuit, the detection results by LCD, LED and other display methods to inform the user of. The design of the MQ303 alcohol sensor is a kind of gas sensitive chemical sensor, as well as MQ-2 smoke concentration sensor, with external gas concentrations or in different sensitive membrane resistance， Selection of STC89C52RC MCU as the control core, the detected gas condition corresponding treatment analysis, processing and reality, and through the alarm to promptKeywords: alcohol sensor smoke sensor single chip STC89C52 VB LCD serial interface communicate 目 录1 绪论11.1 课题主要内容和具体要求11.2 设计的背景与意义11.3国内外研究发展趋势11.4 课程设计方案22 系统的方案选择和工作原理22.1 系统采集模块方案选择22.1.1 酒精传感器的选择22.1.2 烟雾传感器的选择22.1.3 温湿度传感器的选择32.1.4 AD模数转换器32.1.5 时钟芯片的选择42.2 人机接口模块方案选择52.2.1 键盘的选择52.2.2 显示模块选择52.3 单片机的选择和外围电路设计62.3.1 单片机的选择62.3.2 复位92.3.3 时钟电路92.4 液晶显示屏的选择103 系统的硬件设计113.1 信号采集模块的设计113.1.1 温湿度采集模块的设计113.1.2 酒精浓度采集模块的设计123.1.3 烟雾浓度采集模块的设计133.2 人机接口模块方案设计153.2.1 键盘设计153.2.2 显示模块设计153.3 报警电路174 系统的软件部分设计：174. 1 T0中断服务程序流程图：174. 2 主程序流程图：194. 3 串口中断服务程序流程图：215 系统的调试215.1 系统硬件调试215.2 系统软件调试226 系统的总体方案，工作原理和设计思想237 结论248 致谢269 参考文献27附录291 多传感器的设计原理图和PCB板图292 主程序30V中原工学院信息商务学院课设论文(设计）1 绪论1.1 课题主要内容和具体要求要求采用单片机作为主控制器，采集温度、湿度、酒精浓度和烟雾浓度值并实时显示。按键可以调节报警参数值，采集值超出设定报警值时实现声光报警。具体要求（1） 可使用全数字的温湿度传感器，也可分别使用温度传感器和湿度传感器，温度显示范围-1050C，温度测量精度为0.5，湿度测量精度为2%RH；（2 ） 烟雾的测量范围50-10000ppm，测量精度1ppm；（3 ） 酒精浓度的测量范围： 0-1.00mg/L，测量精度：5%FS；（4 ） 要求画出原理图，PROTUES仿真出结果，并画1出PCB板图，最后做出产品实物。（5） 采用12864液晶实时显示采集值浓度。（6） 阅读30篇相关文献，在报告中体现出来。（7 ） 其他创新。1.2 设计的背景与意义 随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。 温湿度和烟雾浓度及酒精浓度的测量在工业上的应用时相当广泛的，能够做出准确、稳定、快速的多传感器测量装置是很有难度的。这次毕业设计能让我对仪器仪表类的电子设计有更深入的研究，锻炼了我在电子设计方面的能力。有了这次设计的经验，就可以帮助我在以后设计出更优良的电子仪器。这也是对我们在大学学习阶段的考察，让我们学以致用，把理论上的知识转化为实际应用中的经验，这个转变对于我们的就业是至关重要的。1.3国内外研究发展趋势近年来，国内外在温湿度、酒精、烟雾浓度传感器研发领域取得了长足进步。多传感器正从简单的元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代的多传感器测控系统创造了有利条件，也将温湿度、酒精、烟雾浓度测量技术提高到新的水平。 1.4 课程设计方案由于本次设计需要用到单片机来完成对各种指标的检测，本次设计中采用的是STC89S52单片机来控制整个电路，电路中采用的是LCD1602来显示实验实时数据。A/D芯片的选择中，用到的是TLC2543，主要是这种芯片的性能优良，时序操作简单，能很好的解决本次设计中对实时数据转换的要求。系统结构框图如图1.4所示图1-4 系统结构框图2 系统的方案选择和工作原理2.1 系统采集模块方案选择2.1.1 酒精传感器的选择酒精检测传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将酒精在空气中的含量（即浓度）转化成电压或电流信号，通过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后传给单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。酒精检测传感器也属于气体检测传感器，所以我们可以选用MQ系列的MQ-3来采集空气中的酒精含量。2.1.2 烟雾传感器的选择烟雾传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将可燃气体在空气中的含量（即浓度）转化成电压或电流信号，通过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后传给单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。由于所处的环境会影响烟雾传感器的测量精度等，我们采用利用物理-化学性质的半导体烟雾传感器，其优点有灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜且发生探头阻缓及中毒现象的情况少等。而在众多半导体气体传感器中，本设计选用MQ-2比较适合。2.1.3 温湿度传感器的选择 （一）DHT11数字温湿度传感器DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准熟悉信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。（二）温湿度检测采用集成模拟传感器，其灵敏度高、线性度好、响应速度快，且可以和信号处理电路及逻辑电路集成在一起，使用方便。湿度传感器选用HS1101，温度传感器选择DS18B20。但是在接入电路中时，HS1101需要A/D转换器，把模拟信号转换成数字信号，从而使单片机采集储存到数据。比较上面二种方案，第一种和本设计的温湿度检测相适合，因此选择DHT11作为温湿度测量元件。2.1.4 AD模数转换器在本次科设中我们选择的是AD模数转换器TLC2543 TLC2543是德州仪器公司生产的12位开关电容型逐次逼近模数转换器，它具有三个控制输入端，采用简单的3线SPI串行接口可方便地与微机进行连接，是12位数据采集系统的最佳选择器件之一。TLC2543与外围电路的连线简单，三个控制输入端为CS(片选)、输入/输出时钟(I/O CLOCK)以及串行数据输入端(DATA INPUT)。片内的14通道多路器可以选择11个输入中的任何一个或3个内部自测试电压中的一个，采样保持是自动的，转换结束，EOC输出变高。 TLC2543的引脚排列及说明TLC2543有两种封装形式：DB、DW或N封装以及FN封装。引脚功能说明如下：AIN0AIN10：模拟输入端，由内部多路器选择。对4.1MHz的I/O CLOCK，驱动源阻抗必须小于或等于50；CS：片选端，CS由高到低变化将复位内部计数器，并控制和使能DATA OUT、DATA INPUT和I/O CLOCK。CS由低到高的变化将在一个设置时间内禁止DATA INPUT和I/O CLOCK；DATA INPUT：串行数据输入端，串行数据以MSB为前导并在I/O CLOCK的前4个上升沿移入4位地址，用来选择下一个要转换的模拟输入信号或测试电压，之后I/O CLOCK将余下的几位依次输入；DATA OUT：A/D转换结果三态输出端，在CS为高时，该引脚处于高阻状态；当CS为低时，该引脚由前一次转换结果的MSB值置成相应的逻辑电平；EOC：转换结束端。在最后的I/O CLOCK下降沿之后，EOC由高电平变为低电平并保持到转换完成及数据准备传输；VCC、GND：电源正端、地,REF、REF：正、负基准电压端。通常REF接VCC，REF接GND。最大输入电压范围取决于两端电压差；I/O CLOCK：时钟输入/输出端。 TLC2543是11输入端是我12位模数转换器，具有转换快、稳定性好、与微处理器接口简单、价格低等优点，应用前景好。由于它带有串行外设接口，而51系列单片机没有SPI，因此研究它的接口与51单片机的接口非常有意义。所以课设选择了TLC2543模数转换器。2.1.5 时钟芯片的选择现在流行的串行时钟电路很多，如DS1302、 DS1307、PCF8485等。这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛地采用。本文所选的实时时钟电路DS1302是DALLAS公司的一种具有涓细电流充电能力的电路，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用普通32.768kHz晶振。DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个318的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。 本次实验我们选择的串行时钟电路是DS1302 它的引脚功能及结构在DS1302的引脚排列,其中Vcc1为后备电源，VCC2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc1+0.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc2.5V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)。SCLK始终是输入端。 DS1302实时显示时间的软硬件DS1302与CPU的连接需要三条线，即SCLK(7)、I/O(6)、RST(5)。时钟的显示用LCD 2.2 人机接口模块方案选择2.2.1 键盘的选择因为本设计需要用的按键数目较少，所以采用独立按键，共设置五个按键，第一个按键为功能键，第二个按键为复位，第三个按键为切换，第四个按键为加一键，第五个按键为减一键。2.2.2 显示模块选择 方案一：LCD1602液晶显示，具有字符发生器ROM可显示192种字符，具有64个字节的自定义字符RAM，但是不能显示汉字，只能显示ASCII码且只能显示显示两行。方案二：12864是128*64点阵液晶模块的点阵数简称，其是一种具有内部含国际一级、二级简体中文字库的显示模块，分辨率为128*64，内置8192个16*16点汉字和128个16*8点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可显示8*4行16*16点阵的汉字，也可显示图形。低电压低功耗是其又一显著特点。方案三：数码管显示，数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，其驱动方式分别为静态驱动和动态驱动。静态驱动编程简单，显示亮度高，但占用的I/O端口多，在实际应用时必须增加译码器，是硬件电路更复杂。动态显示是最广泛的显示方式之一，其能够节省大量的I/O端口，而且功耗低。针对数码管，其显示单调且不具备数据的直观性。比较上面三种方案，我们选用方案一。2.3 单片机的选择和外围电路设计2.3.1 单片机的选择基于本系统设计内容的需要，综合考虑后，我们选择STC89C52单片机为控制核心。主要基于考虑STC89C52是低功耗,超低价,高速，高可靠,强抗静电，强抗干扰,功能强大的单片机。 STC89C52有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，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，片内振荡器及时钟电路。同时STC89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。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本。STC单片机有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。图2-3-1 最小单片机电路图相应管脚说明如下：Vcc：电源电压GND：地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。P3口：P3口时一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE ：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。 ：程序储存允许（）输出是外部程序存储器的读选通信号，当89C5X单片机由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 有效，即输出两个脉冲。在次期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 信号。 /VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFH）， 端必须保持低电平（接地）。XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端晶振电路单片机工作的过程中各指令的微操作在时间上有严格的次序，这种微操作的时间次序称作时序，单片机的时钟信号用来为单片机芯片内部各种微操作提供时间基准，STC89C52的时钟产生方式有两种，一种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式。内部时钟方式即在单片机的外部接一个晶振电路与单片机里面的振荡器组合作用产生时钟脉冲信号，外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内，此方式常用于多片STC89C52单片机同时工作，以便于各单片机的同步，一般要求外部信号高电平的持续时间大于20ns.且为频率低于12MHz的方波。对于CHMOS工艺的单片机，外部时钟要由XTAL1端引入，而XTAL2端应悬空。本系统中为了尽量降低功耗的原则，采用了内部时钟方式。在STC89C52单片机的内部有一个震荡电路，只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体（简称晶振）就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号，图中电容器C1和C2稳定频率和快速起振，电容值在530pF，典型值是22pF，晶振CYS选择的是12MHz。STC89C52单片机中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚19对应的XTAL1和18对应的XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。如图3.7所示，石英晶体及电容C1和C2接在放大器的反馈回路中构成并联谐振电路。石英晶体的两端分别接到引脚XTAL1 和引脚XTAL2，同时石英晶体的两端分别接一个电容C1和C2，电容的另一端接地。对于外接电容C1和C2的大小虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小还是会对振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度和温度稳定性带来一定的影响。根据技术资料的推荐，使用石英晶体推荐电容容量为30pF10pF，使用陶瓷谐振器推荐电容容量为40pF10pF。因为电路中接的是石英晶体，所以设计中接的两个电容C1和C2的容量都为30pF。复位电路单片机开始工作的时候，必须处于一种确定的状态，否则，不知哪是第一条程序和如何开始运行程序。端口线电平和输入输出状态不确定可能使外围设备误动作，导致严重事故的发生；内部一些控制寄存器（专用寄存器）内容不确定可能导致定时器溢出、程序尚未开始就要中断及串口乱传向外设发送数据.因此，任何单片机在开始工作前，都必须进行一次复位过程，使单片机处于一种确定的状态。当在STC89C52单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执行复位操作（若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态）。对于复位电路部分，STC89C52技术资料给出，当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。复位是单片机的初始化操作，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，可以按复位键以重新启动，所以复位电路的设计很有必要。复位操作有上电自动复位、按键电平复位和外部脉冲复位三种方式，本设计选用按键电平复位方式。如图3.7所示，10F的电容C3与一个10K的电阻串联，电容的正极端接到电源的正极，电容的另一端接至引脚RST。设计中选用的石英晶体大小为11.0952MHz,但复位键按下后，电容和电阻选用的参数值能够保证给复位端RST提供大于2个机器周期的高电平复位信号。 2.3.2 复位复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从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。复位信号及其产生RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号(RST)送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图44（a）所示。这佯，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，其电路如图44（b）所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，其电路如图44（c）所示：（a）上电复位 （b）按键电平复位 （c）按键脉冲复位2.3.3 时钟电路 STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式的时钟电路如图（a）所示，在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.212MHz之间选择，电容值在530pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。外部方式的时钟电路如图（b）所示，RXD接地，TXD接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。（a）内部方式时钟电路 （b）外部方式时钟电路图2-3 时钟电路2.4 液晶显示屏的选择方案一：LCD1602液晶显示，具有字符发生器ROM可显示192种字符，具有64个字节的自定义字符RAM，但是不能显示汉字，只能显示ASCII码且只能显示显示两行。方案二：12864是128*64点阵液晶模块的点阵数简称，其是一种具有内部含国际一级、二级简体中文字库的显示模块，分辨率为128*64，内置8192个16*16点汉字和128个16*8点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可显示8*4行16*16点阵的汉字，也可显示图形。低电压低功耗是其又一显著特点。本次课程设计中我们选择的是LCD1602液晶显示器。3 系统的硬件设计 3.1 信号采集模块的设计 3.1.1 温湿度采集模块的设计DHT11传感器电路图如下 3-1-1 温湿度采集模块电路图传感器性能说明量程范围03090%RH252090%RH502080%RH响应时间1/e(63%)25，1m/ 参数条件MinTypMax单位湿度分辨率111%RH8Bit重复性1%RH精度254%RH0505%RH互换性可完全互换s 空气61015S迟滞1%RH长期稳定性典型值1%RH/yr温度分辨率111888Bit重复性1精度12量程范围050响应时间1/e(63%)630S传感器性能说明图接口说明 建议连接线长度短于20米时用5K上拉电阻,大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻。3.1.2 酒精浓度采集模块的设计MQ-3酒精传感器有6只针状管脚，其中4个管脚（两个A和两个B）用于信号读取，两个H脚用于提供加热电流。电路图如下图3.1.2（A）：图3-1-2 A MQ-3传感器电路原理图MQ3酒精传感器是气敏传感器，其具有很高的灵敏度、良好的选择性、长期的使用寿命和可靠的稳定性。MQ3 型气敏传感器由微型Al2O3、陶瓷管和SnO2 敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或者不锈钢的腔体内，加热器为气敏元件的工作提供了必要的工作条件。传感器的标准回路有两部分组成：其一为加热回路；其二为信号输出回路，它可以准确反映传感器表面电阻的变化。传感器表面电阻RS 的变化，是通过与其串联的负载电阻RL 上的有效电压信号VRL 出面获得的。二者之间的关系表述为：RS/RL=(VCVRL)/VRL，其中VC 为回路电压10V。负载电阻RL 可调为0.5200K，加热电压Uh 为5V。上述这些参数使得传感器输出电压为05V。MQ3 型气敏传感器的结构和外形如图2.12所示，标准回路如图四所示，传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度的关系如图2.13所示。为了使测量的精度达到最高，误差最小，需要找到合适的温度，一般在测量前需要将传感器预热5分钟。MQ-3传感器在课设中的链接图如下 图3-1-2 B MQ-3传感器电路原理图 3.1.3 烟雾浓度采集模块的设计我们选用的是MQ-2气体传感器，下面简单介绍一下它的原理MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-2型烟雾传感器的工作原理当处于200300C温度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少， 从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒受 到该烟雾的调制而变化，就会引起表而电导率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息。遇到可燃烟雾（如CH4等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃烟雾以正离子状态吸附在二氧化锡半导体表面；氧脱附放出电子，烟雾以正离子状态吸附也要放出电子，从而使二氧化锡半导体导带电子密度增加，电阻值下降。而当空气中没有烟雾时，二氧化锡半导体-又会自 动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是MQ-2型燃性烟雾传感器检测可燃烟雾的基本原理。MQ-2型传感器的结构图如 A所示，其外观如B所示。图 A 1MQ-2型传感器的结构图 图B MQ-2型传感器的外观MQ-2传感器在设计中的电路图如下： 图3-1-3 MQ-2传感器电路原理图3.2 人机接口模块方案设计3.2.1 键盘设计 图3-2-1 键盘的设计图按键功能如下： S2:在个人信息，显示的温湿度,酒精浓度，烟雾浓度及报警值之间切换，实现多功能切换显示S3:移动LCD1602的光标，每按下一次光标右移一位。S4:增加示值及报警值。S5:减小示值及报警值。3.2.2 显示模块设计LCD1602字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用161，162，202和402行等的液晶显示模块，模块组件内部主要由LCD显示屏、控制器、列驱动器和偏压产生电路构成液晶显示器各种图形的显示原理:线段的显示点阵图形式液晶由MN个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共168=128个点组成，屏上6416个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。这就是LCD显示的基本原理。字符的显示用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由68或88点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可,汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件），每个汉字占32B，分左右两半，各占16B，左边为1、3、5右边为2、4、6根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示RAM对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节直到32B显示完就可以LCD上得到一个完整汉字。下图是LCD1602字符型液晶显示模块在课设中的电路图 图3-2-2 LCD1602电路图3.3 报警电路 本设计采用的是光声报警，设定的有上下限值来实现报警功能，使用单片机的中断系统。根据单片机接收到的数据经过处理后与该参数设定的上下限进行比较，高于上限值（或低于下限值）则进行报警，同时进行正常的显示。报警电路中以红色LED发光二级管和蜂鸣器构成，在输入要测量数据的上下限后系统会进行实时采样，并判断测试值与输入值之间的差异，当检测出的值在设定的上下限外时就会报警，即红色LED发光二级管亮，同时蜂鸣器响。报警电路如下图所示：图3-3 蜂鸣器184 系统的软件部分设计：4. 1 T0中断服务程序流程图：T0中断保护现场设定500ms500ms时间到？YN重装时间常数按键检测恢复现场4-1 T0中断服务程序流程图4. 2 主程序流程图：主程序主要完成硬件的初始化和子程序的调用等功能。在主程序中，要对温湿度传感器、液晶显示LCD1602、模数转换模块等器件的初始化，同时调用传感器测得的数据，进行显示，之后进行阀值判断并启动报警装置等。液晶初始化开始T0初始化串行口初始化温湿度酒精烟雾采集显示是否超限否是声光报警将数据发送至上位机串口接收标志位01处理接收到的数据4-2 主程序流程图 4. 3 串口中断服务程序流程图：串口中断恢复现场满足16个字符？置位标志位返回4-3 串口中断服务程序流程图5 系统的调试在前面几章中，我们详细讨论了多传感器仪器的硬件设计和软件设计，但是要系统真正的运行起来达到预期的指标和功能，就必须对系统进行调试。系统的调试包括系统的硬件调试和软件调试。5.1 系统硬件调试在硬件调试过程中首先做出PCB板，做完以后不应该着急焊接元器件，因为PCB板分有正反两面，一面是线路，一面是元器件。两面应该完全吻合，一个元器件的引脚和另一个元器件的哪个引脚相连一定不可连错了，否则不仅无法实现设计功能，还有可能会极大的损坏元器件。在我用万用表对电路板进行检查时，就发现电容的正负两个引脚接反了，因此在焊接时就特别要小心了，需把电容反过来焊接。在焊接前对电阻、电容的量值要进行测量、筛选，选择与电路中参数值一致的元器件。在焊接时，应将印制的电路板认真对照原理图，查看元器件的引脚焊接是否正确。（1） 当我们费了好大劲儿把电路板焊接完成后，千万不可以松懈，因为此时才是最关键的时候。我们需要认真的对每个元器件的引脚逐个进行检查，一方面是检查有没有引脚是虚焊，或者是与它旁边的引脚短路了，这些都是要十分注意的，坚决避免的。另一方面是对器件引脚功能的再检查，查看设计是否正确。在检查完电路焊接没有问题后，则可以进行上电测试。这部分是调试的关键部分，按照系统方案设计的模块化思想，也应分模块进行测试。第一步我选择测试电源部分，因为如果没有电源供电，什么都将无法工作，因此电源是否工作就成为了我测试的首选。系统上电以后，测试各个电源端口和器件的电源部分是否正常工作，同时还应注意系统中有无器件过热情况，如果有的话，则可能是相应的器件损坏或电路中有短路，需要认真检查之后再加电。如果没有问题，则可以进行模块功能的检测。在调试过程中，我发现有些功能完全不能实现，就好比显示器并无显示，经过仔细检查，我发现是电源线和接地线没有焊接。焊接以后，显示器显示的数字都是“FFFF”，之后没有变化。经过多次查后，发现可能是时钟模块的时钟晶振大小不符合。之后把32MHZ晶振换成12MHZ晶振.重新运行，从“0000”开始按时钟程序要求变化了。还有就是传感器的反应不太灵敏，后发现是分压电阻的大小没有选的适当，经过多次尝试换分压电阻，使得传感器灵敏度大大提高。5.2 系统软件调试将写好的调试程序代码在计算机上输入、汇编、修改、产生代码，形成输入输出口实验.HEX文件。打开软件，在菜单options选项中选择select device，在弹出的窗口中选择器件STL89C52，并选Byte Mode点击OK。初始化器件后，将经过编译生成的,HEX十六进制文件下载到单片机。电路连接好，并将调试程序代码写到STL89C52单片机上后，接上+5V电源开始调试。先进行每一个模块程序的调试，看看单一的模块程序能不能实现出来，结果发现对数据采集，不能循环采集数据。每测一次，能对烟雾和酒精浓度是否超标进行检查，超标的话语音模块会进行报警。然而再也不能进行下次数据采集检查，必须重启电源才能进行下一次检查。经对程序的检查，看出没有数据采集的循环部分，对程序修改后，能实现数据连续检查功能了。经过对每一个模块的调试后，每个模块的程序功能都可以正常实现了。此时在把整个程序导入，进行整体调试。 仿真时我们使用的是PROTUES仿真软件对硬件测试，用Keil C51软件对程序测试。Protues软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具，其特点有超过27000种元器件，可方便地创建新元件；智能的器件搜索：通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的连线功能：自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间；支持总线结构：使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；可输出高质量图纸：通过个性化设置，可以生成印刷质量的BMP图纸，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多种文档使用。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。6 系统的总体方案，工作原理和设计思想系统的总体方案本课题设计了一套多功能传感器系统，由数据采集系统，处理系统和报警系统组成，由温湿度传感器，酒精浓度传感器，烟雾浓度传感器，模拟量输入通道，AD转换，显示器与报警电路组成。通过对信号的采集、分析、处理，在显示系统上显示，然后输出信号来使执行部件进行动作。系统的工作原理温湿度、酒精浓度、烟雾浓度检测系统能完成数据采集与处理、显示、串行通信输出控制信号等多种功能。由数据采集，数据调理，单片机，控制等四个大的部分组成，该测控系统具有适时采集、适时处理、适时控制的功能。主要硬件包括DHT11数字温度传感器，酒精、烟雾浓度传感器，STC89C52单片机、数据采集电路、LCD显示器、AD转换器、报警控制电路等。设计思想根据本次多传感器系统设计要求，单片机软件主程序由若干模块组成：初始化模块，时钟显示模块，LCD显示模块，数据采集模块，数据处理模块。各部分模块之间既相互独立又存在着联系。 7 结论在本次多传感器仪器的课程设计中，我学到了很多知识，不仅仅局限于专业知识，但同时也遇到了很多问题，下面就来讲一下我都遇到了哪些问题，又从中学到了什么？首先要说的就是原理图的设计了，一个设计能否成功，主要取决于原理图的设计是否正确。在设计原理图的过程中，我遇到了不少麻烦，因为当初构在思整体方案的时候，框架比较粗略，现在要设计原理图，对每一个芯片的引脚都要了解得很清楚才可以。因此，设计难度就大大加深了，出错也就在所难免了。第一个错误就是设计中无电源与串行通信口。说实话在被老师指出这个问题的时候有点小崩溃。设计是采用模块划分的思想进行的，因此就