基于AT89C51的气体浓度测量显示与警报系统课程设计报告书

1、 1 / 29商业大学课程设计商业大学课程设计基于基于 AT89C51AT89C51 单片机的气体浓度测量显示与单片机的气体浓度测量显示与报警系统设计报警系统设计学 生 姓 名 王琴、赛赛、汪金萍、周珊珊指 导 教 师志杰、玉茹、王立琦、董世成专 业 电 子 信 息 工 程(2)班学 院 计算机与信息工程学院 2014 年 3 月 14 日 1 / 29目录1 1课程设计要求课程设计要求 1 11.1 课程设计题目 11.2 课程设计要求 11.3 课程设计具体工作 12.2. 气体浓度测量显示与报警系统简介气体浓度测量显示与报警系统简介 2 22.1 AT89C51 简介 22.2AD080

2、8 简介. 52.3 MQ-5 气体传感器简介. 62.4 LCD1602 简介. 103.3.气体浓度测量显示与报警系统设计气体浓度测量显示与报警系统设计. 14143.1 系统的硬件组成和元器件选择 143.2 电路总体设计 143.3 数据采集模块的设计 153.4 数据转换模块的设计 153.5 显示与报警模块的设计 154.4.气体浓度测量显示与报警系统的软件设计气体浓度测量显示与报警系统的软件设计 17174.1 系统的软件设计 174.2 编程环境 KeilC51. 174.3 软件流程框图 184.4 系统程序 195 5 气体浓度测量显示与报警系统仿真调试气体浓度测量显示与报

3、警系统仿真调试 22225.1 系统仿真调试 225.2 仿真调试环境-PROTEUS 7.7225.3 系统仿真调试结果 23结论结论 2424参考文献参考文献 2525致致 2525附件一：26基于 AT89C51 单片机的气体浓度测量显示与报警系统电路板图 26附件二：27基于 AT89C51 单片机的气体浓度测量显示与报警系统实物图 27 1 / 291 1课程设计要求课程设计要求1.11.1 课程设计题目课程设计题目基于 AT89C51 单片机的气体浓度测量显示与报警系统设计1.21.2 课程设计要求课程设计要求（1）任选一种有害气体传感器；（2）设计转换放大电路将气体浓度转换成标准

4、的电信号；（3）利用单片机组成测量系统实现有害气体浓度的精确测量与显示报警。1.31.3 课程设计具体工作课程设计具体工作（1）原理图设计、软件设计、PCB；（2）仿真实现；（3）元件清单；（4）设计报告。 2 / 292.2. 气体浓度测量显示与报警系统简介气体浓度测量显示与报警系统简介2.12.1 AT89C51AT89C51 简介简介AT89C51 是一种带 4K 字节的闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8位微处理器，俗称单片机。其中包括 128 字节部 R

5、AM，32 个 I/O 口线，2 个 16 位定时/计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片振荡器与时钟电路。同时，AT89C51 降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种可选的节电工作模式26。空闲方式体制 CPU 的工作，但允许 RAM，定时/计数器，串行通信口与中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的容，但振荡器体制工作并禁止其他所有不见工作直到下一个硬件复位。 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

6、在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器。AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且廉价的方案。AT89C51 单片机管脚图如图 1 所示。图 1 AT89C51 芯片引脚图 3 / 292.22.2 ADC0808ADC0808 简介简介ADC0808 芯片有 28 条引脚,采用双线直插式封装.ADC0808 是采样分辨率为 8 位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。其部有一个 8 通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通 8 路模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换。ADC0808是 ADC0809 的简化版本，功能基本一样。一

7、般在硬件仿真时采用 ADC0808 进行 A/D转换，实际使用时采用 ADC0809 进行 A/D 转换。ADC0808 是 CMOS 单片型逐次逼近式 A/D 转换器，它有 8 路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8 位开关树型 A/D 转换器。ADC0808 芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装，如图 2 所示。图 2 ADC0808 芯片引脚图ADC0808 的时序图如图 3 所示。图 3 ADC0808 时序图 4 / 292.3MQ-52.3MQ-5 气体传感器简介气体传感器简介2.3.12.3.1 特点特点（1）对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度；（2）对乙醇，烟雾几乎

8、不响应；（3）快速的响应恢复特性；（4）长期的使用寿命和可靠的稳定性；2.3.22.3.2 应用应用适用于家庭或工业上对液化气，天然气，煤气的监测装置。优良的抗乙醇，烟雾干扰能力。2.3.32.3.3 规格规格（1） 标准工作条件表 1 MQ-5 的标准工作条件符号参数名称技术条件备注VC回路电压15VAC or DCVH加热电压5.0V0.2VAC or DCRL负载电阻可调RH加热电阻313室温PH加热功耗900mW（2） 环境条件 表 2 MQ-5 的环境条件符 号参数名称技术条件备注Tao使用温度-10-50Tas存储温度-20-70Rh相对湿度小于 95%RhO2氧气浓度21%(标准

9、条件)氧气浓度会影响灵敏度特性最小值大于 2% 5 / 29（3） 灵敏度特性 表 3 MQ-5 的灵敏度特性符 号参数名称技术参数备注RS敏感体电阻10K-60K(1000ppm 甲烷(1000ppm/5000ppmCH4)浓度斜率0.6标准工作条件预热时间温度：202Vc:5.0V0.1V 相对湿度：65%5%Vh:5.0V0.1V不少于 24 小时探测围：300-5000ppm液化气，天然气，煤气。（4） 结构外形测试电路 表 4 MQ-5 的结构外形部件材料1气体敏感层二氧化锡2电极金（Au）3测量电极引线铂（Pt）4加热器镍铬合金（Ni-Cr）5瓷管三氧化二铝6防爆网100 目双层不

10、锈钢（SUB316）7卡环镀镍铜材（Ni-Cu）8基座胶木9针状管脚镀镍铜材（Ni-Cu）MQ-5 气敏元件的结构和外形如 Fig.1 所示。测量电路如图 Fig.2 所示。 6 / 29Fig.1 MQ-5 的结构外形 Fig.2 MQ-5 的测试电路由微型 AL2O3瓷管、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不锈钢制成的腔体，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6 只针状管脚，其中 4 个用于信号取出，2 个用于提供加热电流。2.3.42.3.4 灵敏度调整灵敏度调整MQ-5 型气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。因此，在使用此类型气

11、敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。建议用 1000ppm 异丁烷或氢气校准传感器。2.42.4 LCD1602LCD1602 简介简介 在日常生活中，液晶显示模块已作为很多电子产品的通用器件，如在计算器、万用表、电子表与很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。而液晶显示器各种图形的显示原理为:（1）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，每一字节的容和显示屏

12、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。（2）字符的显示 7 / 29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 RA

13、M 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与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。（3）汉字的显示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与每行的列数可找出显示 RAM 对应的地址，设立光标，送上要

14、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。(4)LCD1602 的基本参数与引脚功能如图 2.4 所示。图 2.4 1602LCD 尺寸图 (6)1602LCD 的指令时序如图 5、6 所示。 8 / 29图 5 读操作时序图 6 写操作时序3.3. 气体浓度测量显示与报警系统设计气体浓度测量显示与报警系统设计3.13.1 系统的硬件组成和元器件选择系统的硬件组成和元器件选择(1)系统的硬件原理图，如图 7 所示。图 7 系统原理图 9 / 293.23.2 电路总体设计电路总体设计（1）电路总体设计模块

15、图，如图 8 所示。图 8 电路总体设计模块图主机选用单片机 AT89C51 来实现，利用单片机软件编程灵活、自由度大的特点，力求用软件完善各种控制。本系统选用的 AT89C51 芯片时钟为 12MHz，运算速度快，控制功能完善；选用气体传感器 MQ-5 来实现气体浓度的采集；选用 ADC0808 来实现模拟量与数字量的转换；选用 LCD1602 来实现气体浓度的显示；选用蜂鸣器和 LED灯来实现报警。3.33.3 数据采集模块的设计数据采集模块的设计数据采集电路主要由气体传感器 MQ-5 和滑动变阻器组成。由 MQ-5 感测空气中的有害气体浓度的变化，经过其部器件处理将气体浓度这个模拟信号转

16、换成对应的电信号，MQ-5 输出的电信号通过滑动变阻器的调节改变进入 ADC0808 的电信号值。数据采集模块如图 9 所示。图 9 数据采集电路AT89C51 控制实现报警与显示气体传感器采集气体浓度值ADC0808 将模拟量转换为数字量LCD1602显示LED 灯显示，蜂鸣器报警 10 / 293.43.4 数据转换模块的设计数据转换模块的设计外部的模拟信号量需要转变成数字量才能进一步的由单片机进行处理。ADC0808可以非常方便的处理输入的模拟信号量。 ADC通过逐次比较（successive approximation）方式，将输入端的模拟电压转换成8位的数字量。数据转换模块如图10所

17、示。图10 数据转换模块while(1)ST = 0; delay1ms(1);ST = 1; delay1ms(1);ST = 0;/寄存器 SAR 复位，启动 ADC0809while(1)if(EOC = 1)/ADC0808 转换结束后改引脚为高低平OE = 1;/输出允许信号为 1 时表示把 ADC0808 采集的数据输出getdata=P0;/把采集到的数据送到 P0 口处理OE = 0;/又打开 ADC0808 让继续开始转换 11 / 293.53.5 显示与报警模块的设计显示与报警模块的设计 经由单片机处理后的数字量通过 LCD1602 进行显示当前的气体浓度值，同时如果当前

18、的气体浓度对人体无害，则绿灯亮；如果当前的气体浓度对人体有害，则红灯亮同时蜂鸣器报警。显示与报警模块如图 11 所示。图 11 显示与报警模块void init_play()/初始化显示lcd_init();wr_(0 x80);/第 1 行第一列display(str1); /显示 Consentrationwr_(0 xc0); /第二行第一列display(str2); /显示空格wr_(0 xc9); /第二行第九列display(str3);/显示 ppmvoid show_Concentration()/浓度值显示disdata0=con/1000+0 x30; /千位数disda

19、ta1=con%1000/100+0 x30;/百位数disdata2=con%100/10+0 x30;/十位数 12 / 29disdata3=con%10+0 x30;/个位数if(disdata0=0 x30)disdata0=0 x20;/如果千位为 0，不显示if(disdata1=0 x30)disdata1=0 x20;/如果千位为 0，百位为 0 也不显示if(disdata2=0 x30)disdata2=0 x20;/如果千位为 0，百位为 0,十位为 0 也不显示wr_(0 xc3);wr_dat(disdata0);/显示千位wr_(0 xc4);wr_dat(dis

20、data1);/显示百位wr_(0 xc5);wr_dat(disdata2);/显示十位wr_(0 xc6);wr_dat(disdata3);/显示个位show_Concentration();/LCD1602 显示if(con 320)/如果采集到的浓度小于 320 不报警G_LED=0;R_LED=1;SPK=1;else /如果浓度大于 320 则声光报警G_LED=1;R_LED=0;SPK=0;break;/跳出继续进行 ADC0808 的采集 13 / 294.4.气体浓度测量显示与报警系统的软件设计气体浓度测量显示与报警系统的软件设计4.14.1 系统的软件设计系统的软件设计

21、系统的软件由主程序模块、数据采集模块和显示报警模块三大模块组成。在主程序中首先给定参数值，然后通过启动AD转换循环显示当前电压。 4,24,2 编程环境编程环境- -KeilC51KeilC51KeilC51 是一种专为 8051 单片机设计的高级语言 C 编译器，支持符合 ANSI 标准的 C 语言程序设计，同时针对 8051 单片机自身特点作了一些特殊扩展。C 语言对语法的限制不太严格，用户在编写程序时有较大的空间，但它毕竟还是一种程序设计语言，与其他计算机语言一样，采用 C 语言进行程序设计时，仍需要遵从一定的语法规则。KeilC51 编译器支持标准 C 语言的数据类型，另外还根据 80

22、51 单片机的特点扩展了 bit、sbit、sfr、sfr16 数据类型。KeilC51 编译器支持两种指针类型：一般指针和基于存储器的指针。一般指针需要占 3 个字节，基于存储器的指针只需要 12 个字节。一般指针具有良好的兼容性但运行速度较慢，基于存储器的指针是 C51 编译器专门针对 8051 单片机存储器特点进行的扩展，它只适用于 8051 单片机，但具有较高的运行速度。4.34.3 软件流程框图软件流程框图初始化开始 14 / 29N N Y N Y图 12 软件流程图4.44.4 系统程序系统程序（1）主程序void main()/主函数 Init();/定时器初始化 启动 A/D

23、转换转换完成？结束浓度是否超过320ppmLCD1602显示绿灯亮红灯亮，蜂鸣器报警 15 / 29init_play();/初始化显示 while(1) ST = 0; delay1ms(1); ST = 1; delay1ms(1); ST = 0;/寄存器 SAR 复位，启动 ADC0809 while(1) if(EOC = 1)/ADC0808 转换结束后改引脚为高低平 OE = 1;/输出允许信号为 1 时表示把 ADC0808 采集的数据输出 getdata=P0;/把采集到的数据送到 P0 口处理 OE = 0;/又打开 ADC0808 让继续开始转换 con=getdata*

24、19.53;/因为有 AD 采集回来的数为 0255；显示温度为 05000 show_Concentration();/LCD1602 显示 if(con 320)/如果采集到的浓度小于 320 不报警 G_LED=0; R_LED=1; SPK=1; else /如果浓度大于 320 则声光报警 G_LED=1; R_LED=0; SPK=0; break;/跳出继续进行 ADC0808 的采集 16 / 295 5 简单电压数据采集系统仿真调试简单电压数据采集系统仿真调试5.15.1 系统仿真调试系统仿真调试本次课程设计中主要是通过 protues 进行系统的仿真与调试，对所设计的系统进

25、行可行性的验证。5.25.2 仿真调试环境仿真调试环境-protues-protues 7.77.7Protues 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，还能仿真单片机与外围器件。它是目前最好的仿真单片机与外围器件的工具。虽然目前国推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus 是世界上著名的 EDA 工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到 PCB 设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上

26、唯一将电路仿真软件、PCB 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持 8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和 MSP430 等，2010 年即将增加 Cortex 和 DSP 系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持 IAR、Keil 和 MPLAB 等多种编译功能特点 17 / 295.35.3 系统仿真调试结果系统仿真调试结果图 13 系统仿真调试结果 18 / 29图 14 系统仿真调试结果结论结论本文所研制的气体浓度测量显示与报警系统是单片机控制的系统，它的主要特点是:(1) 该

27、仪器的数学模型、测量原理简单，(2) 使用围大 。(3) 该仪器可以进行有害气体浓度的实时显示，使用方便 。(4) 该仪器的软件系统全部采用 C 语言编写，提高了程序的可读性和可移植性。气体浓度测量显示与报警系统的研制开发具有广阔的应用前景，经分析论证，误差小;整个单片机系统稳定、可靠、准确。参考文献参考文献1 单片机原理与应用-基于Proteus虚拟仿真技术 徐爱钧 徐阳 著 第二版2单片机应用技术（C语言版） 王静霞 主编3 MQ-5使用说明4 百度文库 19 / 295中国知网致致在本次课程设计期间，我们组得到了实验室的老师、同学的热情帮助，向他们学到了许多宝贵知识和经验。值此设计报告完

28、成之际，谨向曾经给予我们组关心和帮助的老师、同学和亲友表示衷心的感。感志杰老师、玉茹老师、王立琦老师、董世成老师这段时间来对我们组的课题、研究的悉心指导。我们组的研究课题是在各位老师的指导下完成的，从课题的理解和总体思路的设计，老师们给了我们组很重要的指导。老师们对待学术问题的严谨态度，对设计的实用化思想，更是对我们组的言传身教，是我们组学习和研究上的良师益友，对我们组工作和学习上的指导更使我们组受益匪浅。感给了我们组很大帮助的同学，使我们组能少走弯路，顺利的完成课题。感父母与家人对我们组多年的教诲和关爱，没有他们在生活上的帮助，我们组完成学业是不可能的。 20 / 29附件一：基于 AT89

29、C51 的气体浓度测量显示与报警系统电路板图 21 / 29附件二：基于 AT89C51 的气体浓度测量显示与报警系统实物图 22 / 29 23 / 29附件三：基于 AT89C51 的气体浓度测量显示与报警系统的程序清单#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intunsigned int con;unsigned char getdata;sbit RS=P20;sbit RW=P21;sbit EN=P22;sbit ST=P25;/AD0809 转换启动信号与地址所存允许引脚注意：在使用时 ALE 和 STRT

30、 信号引脚连在一起sbit OE=P27;/ADC0808 输出允许信号sbit EOC=P26;/ADC0808 转换结束信号引脚sbit CLK =P24;/ADC0808 的时钟引脚sbit G_LED=P30;/浓度小于 320 时的绿灯指示sbit R_LED=P31;/ 浓度大于 320 时的红灯指示sbit SPK=P37;/浓度大于 320 时蜂鸣器报警unsigned char code str1=Concentration: ;unsigned char code str2= ;unsigned char code str3=ppm;uchar data disdata5;

31、void Init() /定时器 0 的初始化 定时器 0 给 ADC0808 提供时钟让其工作 EA = 1; ET0=1; TMOD = 0 x02; TH0 = 245; TL0 = 0; TR0 = 1; /开启定时器 0 给 ADC0808 提供时钟/*lcd1602 程序*/void delay1ms(unsigned int ms)/延时 1 毫秒 24 / 29unsigned int i,j; for(i=0;ims;i+) for(j=0;j100;j+);void wr_(unsigned char )/写指令/ delay1ms(1); RS=0; RW=0; EN=0

32、; P1=; delay1ms(1); EN=1; delay1ms(1); EN=0;void wr_dat(unsigned char dat)/写数据/ delay1ms(1); RS=1; RW=0; EN=0; P1=dat; delay1ms(1); EN=1; delay1ms(1); EN=0;void lcd_init()/初始化设置/delay1ms(15);wr_(0 x38);delay1ms(5); /数据位数 8 位，2 行，5*7 点阵-工作方式设置 wr_(0 x08);delay1ms(5); /显示状态设置：显示未开 wr_(0 x01);delay1ms(

33、5); /清屏，将光标设置为第一行第一列 wr_(0 x06);delay1ms(5); /增量方式右移，显示字符不移动 wr_(0 x0c);delay1ms(5);/开显示，不显示光标，光标位字符不闪烁 25 / 29void display(unsigned char *p)/显示/while(*p!=0)wr_dat(*p);p+;delay1ms(1);void init_play()/初始化显示 lcd_init(); wr_(0 x80);/第 1 行第一列display(str1); /显示 Consentrationwr_(0 xc0); /第二行第一列display(str2); /显示空格wr_(0 xc9); /第二行第九列display(str3);/显示 ppm/*/ void show_Concentration()/浓度值显示 disdata0=con/1000+0 x30; /千位数 disdata1=con%1000/100+0 x30;/百位数 disdata2=con%100/10+0 x