【《某一氧化碳检测传感器的硬件和软件设计案例概述》9100字】

某一氧化碳检测传感器的硬件和软件设计案例概述目录TOC\o"1-3"\h\u24369某一氧化碳检测传感器的硬件和软件设计案例概述 1139761矿用安全型一氧化碳传感器的总体设计 1124971.1总体的功能要求 189021.2整体的设计要求 1177171.3整体的组成及方案设计 2262252系统的硬件设计 3217182.1总体电路 341672.2单片机最小系统 349312.3CO气体传感电路的设计 5201812.3.1MQ-7元件的介绍 5248962.3.2ADC0809介绍 7252272.4液晶显示电路设计 9238622.4.1液晶显示电路 9145952.4.2液晶显示器的介绍 9112332.4.3LCD1602引脚图说明 10172572.5声光报警指示电路 11254942.5.1指示灯电路 11269322.5.2LED的介绍 1157872.6蜂鸣器驱动模块 12167842.7按键电路 1275292.8负载控制电路 13207723矿用CO传感器的软件设计 1419993.1软件设计概述 14141183.2主程序仿真图 1451953.3主程序流程图 16194073.4CO报警器的C程序 17矿用安全型一氧化碳传感器的总体设计总体的功能要求整体的功能主要包括以下两个功能：(1)能够随时地测出矿井下CO的浓度；(2)红光报警功能：该系统采用矿井下红光自动报警的功能：当矿井下CO的浓度超过限定的报警值，报警系统就会发出红光，发出蜂鸣响，然后通过井下继电器的自动吸和,控制井下排气管风扇的正常运转，来有效地减少矿井下CO的浓度，使CO的浓度低于限定值。整体的设计要求在了解和学习了整个系统的硬件工作原理和软件设计原理，就能大概理解了这个信息系统的主要技术功能特点。系统中所需要采用的每种类型单片的主机和多台微处理器的价格都比较低廉，比较满足各种大型工程设备使用的成本需要和一些中小规模的产品。为了增强市场的核心竞争力，控制系统得尽可能的消耗功率小，选用5v电源供电；占用的体积要小，这样探测器所需要的空间就会减少，使用和操作起来也会比较方便；使用成本低廉才能更好地满足相关系统技术基础条件的基本要求。整体的组成及方案设计整体方案的硬件设计包括单片机最小系统、CO气体检测电路、液晶显示电路的设计、声光报警指示电路、按键电路和负载控制电路等模块组成，矿用本质安全型一氧化碳传感器的组成结构如下图所示[5]COCO气体采集模块按键模块液晶显示模块复位电路晶振电路负载控制模块声光报警提示模块ATS8952单片机图2.SEQ图2.\*ARABIC系统的组成系统的硬件设计总体电路电路的protel原理图如图3所示图3.SEQ图3.\*ARABIC1电路原理图任意时刻都能自动地显示当前的CO浓度值，现在设置一个报警浓度值(当前浓度设置可以由手动控制按键操作来进行设定),默认系统启动时在开机时的当前报警浓度值为25，当CO浓度值少25时，绿灯开始工作发出绿光，继电器自动停止正常工作，当CO浓度值高于25时，红灯开始工作发出红光，继电器被自动抽和，控制器的风扇开始运行。单片机最小系统根据现在现场市面上各类新型单片机的硬件功耗,制作时间费用以及性价比等多个关键方面分别进行了一次综合设计分析,以在尽量最大不同程度地充分利用各类单片化主机上的硬件资源优势上作为技术基础和设计原则,本次产品设计中分别选用了一种使用德国atmel公司采用高密度非易大损失性数据存储器芯片技术设计生产而且集成的各种AT89s52型号单片化主机器件作为其中最核心的数据处理控制芯片。AT89s52是一种能够具有较小的低功耗,高性能的的cmos8位的微控制器，稳定性好，产品系列丰富等优点，深受广大用户的喜欢，使用率也是在市场处于遥遥领先位置[6]所谓的单片机最小控制系统,或者被我们称之为最小的应用系统,它是一种泛指使用最低元件而能够正常运行的单片机软硬件集合体电路。一般而言,它们都应该由:单片机、晶振电路、复位控制电路及编程器等组成。所谓的单片机最小系统并非简单地进行最小化,而是在保证整个系统运行的可靠度基础上所设计的电路方案才能够确保单片机的正常运行[7]。本节主要围绕单片机特点设计了以上一系列的功能,以期保证最小系统的正常运行，如下图所示图3.SEQ图3.\*ARABIC2单片机的最小系统复位电路复位电路晶振电路AT89S52单片机I/O接口图3.SEQ图3.\*ARABIC3单片机系统的框图图示中，左上角的复位电路就是使9脚保持一个2微秒的高电平，程序完成后重头开始启动继续执行。C3和R是当单片机刚启动时，这时候电容开始充电，电压就会慢慢得减小，10K的下拉电阻就会使9脚会有一段高电平的输出，单片机再次重新启动程序执行。左下角的晶振电路相当于单片机的工作速度，图示所示的晶振上的两个电容与晶振频率有关，削减谐波，对电路起到稳定的作用。右上角p0口接上拉电阻，因为p0口输出不了高电平，只能呈现高阻态或低电平状态，相当于悬空状态，所以p0口要输出一个高电平的话，电源需要接一个上拉电阻，电源通过这个上拉电阻给负载提供电流。若p0口没有接上拉电阻，无法完成驱动其他芯片的操作。3脚普遍接电源，3脚接高电平时，单片机读取内部ROM，接低电平时，读取外部的ROM[8]。AT89S52中断技术主要应用适合于对网络实时中断状态的远程监测和自动控制,[9]要求一台智能单片上主机系统能够及时准确地自动进行中断响应或者处理中断,请求源在向后台客户服务提出网络服务中断申请时,中断快速并能做出准确反馈、及时处理。它们也是可以通过片内电源中断控制系统的来实现的。当一个中断请求源向一个计算机终端发出一个中断请求时,如果一个中断请求被一个计算机得到允许,则中断会自动使得一个单片机暂时自动停止当前正在正常运行的一个计算机中断主处理程序,转到一个新的中断查询服务请求处理程序当中去重新处理一个关于中断请求服务的后续请求。中断网络服务的主处理程序首先进行中断处理,在原先经历了一次请求中断网络服务处理请求之后,再通过返回发送到原先被请求中断网络服务的处理程序地址所在地,继续执行被请求中断网络服务的一次主中断程序。图3.SEQ图3.\*ARABIC4中断过程若一个单片化主机不能够具备一个定时中断控制系统,则很有可能就会使得一个单片机大量的工作时间被大量浪费使用到一个由于网络服务器或者其他设备所启动引起的定时数据查询中断操作上。所以其采用的待机中断控制技术彻底消除了目前传统工业单片化主机数据查询工作模式中普遍存在的待机等候中断现象,大大地大幅改善了传统单片机的系统工作效率与数据实时性。[10]。CO气体传感电路的设计MQ-7元件的介绍MQ-7气体传感器是对CO气体进行的传感器，空气中的一氧化碳的浓度越大，MQ-7的电导率就会越大，MQ-7传感器高温时祛除低温时残留的气体。通过使用简单的电路，就能够把电导率的变化，转换为与该气体浓度相对应的消耗信号。下图为元器件的集成电路图图3.SEQ图3.\*ARABIC5电路图MQ-7气体检测传感器对于富含一氧化碳的气体检测灵敏性很好,这种新型气体检测传感器不仅能够同时准确检测多种类型富含大量一氧化碳的化学气体,它也是一款广泛适用于多种检测领域的低功耗成本气体传感器,有着长期的使用寿命、低使用费率、抗干扰能力强，对所测试的气体有极高的灵敏度和信噪比[11]。灵敏度：S=Ro/Rx常见S值为8左右，Rx为器件在丁烷浓度为.2%时的阻抗。MQ-7基座采用优质坚韧耐磨抗高温的优质聚氯乙烯复合塑料进行压制，引脚螺丝采用优质镀锌不锈铜丝,上部及罩面板具有较高的整体抗震抗蚀强度和耐腐防爆防火性能。MQ-7由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器组成的，敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必须安全的工作加热环境[12]。下图为元件外形结构图图3.SEQ图3.\*ARABIC6元件结构图下图为MQ-7传感器的基本测试电路。此电路需要一个加热器电压Vh，Vh用来给温度传感系统设置一个特定的温度工作量和温度。还需要一个测试电压Vc,Vc必须使用直流电，它是用来测试负载电阻RL上的电压，MQ-7具有较小的极性。在满足传感器电性能要求的前提下，VC和VH接口可以共享一个相应的通信电源电路。为更好利用传感器的性能特点和检测性能，需要充分地考虑它的RL值[13]。RLVhVcGRLVhVcGND图3.SEQ图3.\*ARABIC7基本测试回路下图是MQ-7型元件气体浓度测试特性，MQ-7型的灵敏度高，当丁烷的浓度值在0.6%以下。图3.SEQ图3.\*ARABIC8浓度测试特性图3.SEQ图3.\*ARABIC9通电时间特性上图是MQ-7型气敏元件通电时间特性曲线。由曲线图中可以得出结论，在60s-90s,MQ-7气敏元件已经进入一个稳定待测工作的状态。根据绘制的电路图，曲线图，MQ-7具有广泛的探测范围[14]，较高的灵敏度，稳定性能好，选用MQ-7型气敏元件为CO气体检测电路提供了极大的便利。图3.SEQ图3.\*ARABIC10一氧化碳采集的电路图是一氧化碳采集的电路，R7为保护电阻，也可直接接地，4电容为滤波电容。当一氧化碳浓度增大时，实际上MQ-7相当于阻性元器件，电阻值会减小，IN口输出的电压值越大，与R3分压，得出一个电压信号输出给ADC0809，ADC0809采集模拟量信号转换为数字量信号，然后数字量信号经过输出后送给单片机P口，最后由单片机进行相应数值的读取和处理。[15]。ADC0809介绍为了实现各种需求，现如今国内外许多生产半导体器件的厂家设计并且制作了各种各样的ADC芯片。比如美国AD公司的ADC芯片产品就有几十个系列，近百种型号的等。它们具有精度高，速度快等功能，性价比也比较高[16]。ADC0809是CMOS器件，它主要作为包含8位逐次寻址逼近型的ADC组成部分，还需要它同时提供一个8通道的8位模拟多路控制开关和一个模拟通道寻址控制逻辑，所以没有理由不把它当作简单的“数据采集系统”。可以直接输入8个单端的模拟信号从而进行A/D转换，ADC89芯片在生活中广受欢迎，尤其是在运动控制，过程控制和多点巡回检测中应用广泛。下图为ADC的内部结构图。图3.SEQ图3.\*ARABIC11内部结构图如上图所示为ADC0809的内部结构图，左上角采用多路数据采集方法，开通8位模拟开关，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器[17]。地址锁存器与译码器对ADDA、ADDB、ADDC3个特定的三态地址输出位置进行输入锁存和输出译码，译码器的输出方式是主要作用于翻译通道的一种选择,它的数据转换后结果一般是通过一种三态地址输出锁存器方式来进行存放、输出,所以它们都同样可以直接与整个操作系统的各个数据总线接口进行数据串联。图3.SEQ图3.\*ARABIC12引脚图如上图所示，IN-IN78位模拟量输入引脚，ADC0809对于模拟量的输入选用的信号要是单极性，电压是-5v之间，当信号太小时，要对电路进行放大；模拟量在输入转换过程中应该始终保持不变，当模拟量输入过快的时候，应该在输入前增加采样，以此来保证电路的稳定性。A、B、C为地址输入线,A为低地址，C为高地址；ALE为地址锁存允许输入线，通过时为高电平。当ALE模拟一个高电平时，地址锁存器和信号译码器将会对包含ADDA、ADDB、ADDC三条不同地址通道线的地址信号进行顺序锁存，经过多次译码后被顺序选择的通道模拟量信号通过转换器转换.。A,B,C用于IN0-IN78位模拟量输入。道选择表如下所示图3.SEQ图3.\*ARABIC13通道选择表根据图3.14VCC为5v工作电压；GND接地；REF(+)参考电压正端，REF(-)为参考电压负端，为DAC片内电阻网络提供基准电压[18]。START为A/D转换器启动输入信号的一个输入端，当遇到一个ST上跳沿时，所有内部的信号寄存器都会被自动清零。当ST下跳沿时，开始对该转换电路信号进行一个A/D转换，在这个电路转换执行过程期间，START电路一直处于一个低电平状态。EOC为中断转换请求过程中已经结束的中断信号的输出引脚，开始转换时（E0C=0）是一个低电平状态，当EOC=处于高电平状态时，明转换结束，EOC也可以作为中断请求方式，以中断方式进行数据传送.OE为输出允许控制端，用来控制进行电路控制输出三态输入数据并由输出锁存器向单片机发送输出转换后得到的数据；当OE=0时，输出的数据线会呈现一个高阻的状态；当OE=1时，输出进行转换所接受到的数据。因为ADC0809内部本质上没有一个时钟电路，所以外界提供的使用频率一般是5KHZ;D7-D位8位数字量输出端，为三态可控制输出，可直接和微处理器数据线连接。D7是最高位，D为最低位。图3.SEQ图3.\*ARABIC14ADC0809液晶显示电路设计液晶显示电路·图3.SEQ图3.\*ARABIC15硬件原理图根据液晶显示电路设计图示，三角的R5和R6串联在电源和地之间，主要起到分压作用，中间输出一个电压值，三角采集电压值来控制液晶的灰度，如果两个电阻接的不适当，那么液晶可能会出现屏幕比较暗或者跟本没有画面，R5的选取一般是200Ω-.5KΩ之间[22]。液晶显示器的介绍液晶显示器主要是充分利用了液晶的物理与化学特性，通过一定的电压对其所在的显示范围进行了控制，通电了就会显示图像。液晶显示器有很多种类型，按照显示方式可分为字符式、点阵式、段氏等。液晶显示器不但包括黑白的图像，显示屏上也包括灰度和彩色的图像等。按照驱动的方式来分，可以细化为静态驱动、单纯矩阵驱动、和主动矩阵驱动。液晶显示器已经在我们的现实生活中被广泛采用，大多数的电子产品通过液晶显示器来直接显示数字、图像和符号，例如计算器，电子表等家用电子产品。LCD1602液晶显示器显示既能直接实现视频高画质，而且又能同时是数字式接口，较之传统单片机的数字系统显示接口简易,操作也方便。而且这种型号液晶型的电视显示器还同样可以具有机身体积小、重量轻、功耗低一些的大优势,它的机能在体积和机器重量上都一定要比其他传统型号的液晶电视显示器的机在体积和机器重量上都要轻得多,主要的电源功耗都主要是直接消费在内部的液晶电极和电源驱动器的IC上,所以它的主要功耗比其他传统型号的液晶电视显示器的主要功耗小[23]。最初被广泛应用的液晶显示器时CRT显示器，CRT亮度不太高，质量不佳，容易被损坏，随着科技的发展，LCD类型的液晶也随之问世，除了对于色彩还原度较高的医疗行业，还在使用CRT，大部分已经使用LCD液晶显示器了。本设计采用的是1602字符型液晶显示器，实物图如下所示。图3.SEQ图3.\*ARABIC16字符型液晶显示器实物LCD1602引脚图说明图3.SEQ图3.\*ARABIC17引脚图声光报警指示电路指示灯电路图3.SEQ图3.\*ARABIC19灯光提示电路R4和R2是分流稳压的驱动电阻，因为LED在工作时的驱动电压是3V,供电稳压方式是5V，因此必须串联一个分压电阻，而绿灯的驱动电流比较大，所以串联的电阻比较小，而LEDR的驱动电流比较小，串联的电阻比较大。LED的介绍LED也叫发光二极管，一种能够将所有的光电能都转化为可见光的新型固态液晶半导体发光元件，它本身就是一种具有能够直接把所有的光能电转化转变成电能发射光;它完全彻底改变了目前传统的基色白炽灯具中钨丝式直接发光和基色节能光源照明灯三者的基色发光粉末式直接发光的传统工作电路原理,而是完全采用了单向电场式直接发光。据分析,LED的主要发光性能设计特征之一是它本身具有极其突出的发光性能,寿命长、光效高、辐射低与能源功耗较小。作为目前正在中国乃至当今全球世界范围内最为备受广泛关注的新一代环保照明应用光源，LED因其产品具有高亮度、低功率和无热量、长期的使用寿命、无毒、能够有效进行资源回收再生和综合利用等诸多重要优点,被誉为即将是21世纪最具发展前景的现代绿色环保照明应用光源。我国的LED景观照明家具产业最早研究起步于20世纪70年代，经过近40年的不断进步和快速发展,产品在大型工业照明景观民用照明和普通景观照明民用领域已经得到了广泛的研究应用，我国已逐步发展壮大成为当今世界第一个景观照明民用家具产品生产商和第二个普通照明民用家具产品出口商。近几年来,随着现代科学信息技术和工业人们对于白光半导体超高发光亮度器件的材料制造理论技术研究的不断深入，LED白光技术材料制造工艺过程和生产工艺的不断进步，新型超高发光亮度材料(主要包括彩色氮化物和电晶体和彩色荧光粉)的技术研究创新开发和应用推广,各种不同颜色的超高发光亮度技术LED白光技术已经取得了一系列具有突破性的技术进展，其中在超高发光亮度效率上已经完全提高了将近1000倍,色度和光等级等各方面已经完全可以实现了用于可见光不同波段的所有各种颜色,其中最重要的特别的就是超高发光亮度的彩色白光技术LED的成功问世，使得白光LED技术应用领域范围从传统荧光灯扩展到高发光效率的户外照明的白光源各个行业都逐渐变得已经成为一个一种可能。本系统设计软件采用了不同的烟雾颜色和LED来精确指示各种不同烟雾喷射气体的额定浓度值并进行自动报警。蜂鸣器驱动模块图3.SEQ图3.\*ARABIC20声音报警电路声音报警电路采用的是9012PNP型三极管，主要利用三极管的开关作用，低电平导通，R4为限流电阻，只要单片机的IO口输出一个低电平，三极管导通，蜂鸣器就会工作发出声音，三极管关闭，蜂鸣器就会停止工作。蜂鸣器为发声元件，在其两端施加直流电压（有源蜂鸣器）或者方波（无源蜂鸣器）就可以发声，其主要参数是外形尺寸、发声方向、工作电压、工作频率、工作电流、驱动方式（直流/方波）等。这些都可以根据需要来选择。本设计采用的是有源蜂鸣器。按键电路图3.SEQ图3.\*ARABIC21按键电路本系统的设计主要采用一个按键与IO口接地的操作方式，当单片机刚启动开始时，处于一个高电平状态，只要按键再次关闭，单片机的IO口就有可能变成一个低电平，程序上就会检测一个低电平，如果是一个低电平，则需要对信号进行一个相应的控制。单片机的这种键盘主要类型有两类分为一种独立式键盘和分为矩阵型的键盘，其中独立式的键盘每一个键的I/O口上都可以连接一个电源按键，按键的另外每一端都可以接触到一个电源或接地（一般接地），这种独立方式硬件接法的操作程序结构相对来说比较简单且使用操作系统也更加稳定;而矩阵式的这种键盘型硬件接法则使编译器的操作程序结构相对来说比较复杂，但是所需要占用的I/O少。基于本设计的需要这里选用了独立式键盘接法。独立键盘模块控制键盘的主要实现原理方法是运用一个单片机I/O口读取的输入电压水平值以及高低数据来直接判定键盘有没有打到。将常规开启按键的一端接地，另一端接一个I/O口，程序开始时将此I/O口置于高电平，平时无键按下时I/O口保护高电平。当有键按下时，此I/O口与地短路迫使I/O口为低电平。按键释放后，单片机内部的上拉电阻使I/O口仍然保持高电平。我们所要做的就是在程序中查寻此I/O口的电平状态就可以了解我们是否有按键动作了。在用一个单片机对整个键盘信号进行数据处理的过程同时，它还需要涉及使用到一个重要的操作过程，那就是对整个键盘进行去抖动。这里所讲的键盘电压抖动其实指的仅仅是一种具有机械性质的抖动,它指的是一种指由于当一个键盘在未按下或者没有被再次按下达到的临界时间区内所同时产生的一种振动电压水平不变或稳定正常的抖动现象,并且也不是我们在每次按下一个键盘时通过特别注意力就能够完全避免的。这种线性抖动一般范围为10~200毫秒之间,这种非常稳定的超大电流水平线性抖动使其持续时间对于每个人来说太快,而对于一台抖动时钟大约为几毫微秒的小型单片式主机而言则往往可能会因此变得缓慢。硬件工作去除这些抖动就是通过利用部分驱动电路将这些抖动的某一部分直接附加键盘上去进行处理,软件的工作去除这些抖动不是为了有效避免这些抖动,而是为了有效规避这些抖动部分的工作持续时间,等到你的键盘系统运转稳定后再对它部分进行抖动处理。所以这里我们主要选择了一个按键软件工具来有效减少按键抖动,实现它的方法也就是先开机查找一个新的按键,然后将发现有一个低电平的按键抖动当这个按键正常出现时立即延时10~200毫秒以完全有效避开延时抖动(经典延时值约20毫秒),延时抖动终止后再反复重新阅读一次该机I/O时值,这一次的最小延时值如果设置为1,则可能表示该机的按键在一个低电平上连续运转的抖动持续时间如果小于10~200毫秒,视为没有受到抖动干扰的输出信号。在数据库中读出的文字位置的数值为0时则也就代表已经有多个文字按键被依次地分别按下,调用了一个相应的文字数据处理器。负载控制电路图3.SEQ图3.\*ARABIC22继电器控制负载电路电磁式自动继电器通常认为是由电磁铁心、线圈、衔接磁铁、接触点或者电磁簧片等主要部件所结合组成。只要将线圈衔铁在连接线圈两端附近分别加上一定的励磁电压,线圈中就可以有这种机会自动流过一定的励磁电流，从而可以产生线圈相应的回归电磁弹簧效果,衔接带铁就可以有这种机会在被电磁力所直接吸引的外力作用下，因为克服线圈回归电磁弹簧的巨大拉力而将线圈铁芯自动吸向连接线圈，从而可以使原来衔接带铁的线圈动触点与线圈静触点(常称为启动触点)相互发生吸合。所以当电磁线圈开始停止连续供电后,电磁波的相互吸收力也可能会随之逐渐减弱或者随之消失，衔电磁铁就是说它会在电磁弹簧的相互逆转和作用力场的回归中找到原来的触发位置，使原来动触发的点和原来静触点(常称为闭触点)相互作用释放。这样就能进行导线吸合、释放，从而基本实现了在整个集成电路系统中的导线接通、切断。对于各种继电器的"常开、常闭"触点，我们其实可以用这种设计方法对其进行正确区分:即当继电器的两个线圈不能正常进行通电时,处于连续停止或者连续关闭通电状态的静触点,称为"常开触点";线圈处于连续不能接通的关闭状态下的两个静触网接点被固定称为"常闭触点"。继电器通常一般具有两股控制电路，为交流低压自动控制和直流高压自动操纵。本设计继电器驱动的原理和蜂鸣器驱动原理一样，都采用的是PNP型三极管，起到开关作用，只要单片机的IO口FS输出一个低电平，三极管就会导通，线圈就会得到电，而线圈和LED是并联关系，因此LED也会得到电，R3是个分压电阻，因为设置的电压是5V,而led的工作电压是3v,单片机输出低电平，继电器得电，接线端子开关就会吸合，此时风扇就会得电，风扇的黑线接地，红色的线接到电源上。矿用CO传感器的软件设计软件设计