煤气超标自动开窗器的设计含开题及4张CAD图
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煤气超标自动开窗器的设计含开题及4张CAD图,煤气,超标,自动,开窗,设计,开题,CAD
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报告用纸煤气超标自动开窗器的设计摘 要随着人民生活质量的日益提高,管道煤气和罐装液化石油气已进入寻常百姓人家,但由于煤气泄漏对于日常生活具有巨大的危害性,怎样防止煤气中毒与爆炸已成为人们的迫切需要,为此我们开发研制了煤气超标自动报警开窗器。本次毕业设计的任务是设计一个能够实时监测煤气超标以及能够作出应急处理的机电一体化系统,涉及到结构设计、三维造型、电机控制、传感器技术等内容。本系统以AT89S52单片机为核心,论述了基于测控技术的煤气超标监测报警装置的软硬件的设计与实现。本文中重点阐述了煤气传感器信号采集调理电路与开窗电机控制电路的设计。本系统具有现场煤气浓度动态显示、报警限设定、声音报警功能。在监测到煤气浓度超标时,蜂鸣器发出报警声,报警一分钟后如果没有人来到现场进行处理,系统将会自动关闭煤气管道阀门、开启排风扇,还可以驱动电机将窗户打开,进行燃气的排放。另外,系统的软件设计中编写了一个手动模式的程序,如果在煤气不超标的情况下,用户想要将窗户打开或者关闭,可以通过控制电路板上的按钮来控制电机将窗户打开或者关闭。在机械方面,使用三维软件Pro/E画出了自动开窗器的结构模型,并对不同的结构方案进行比较,选择出最优的设计方案,保证能够实现预定的功能。此外,为了满足监控的需求,在系统中增加了通信接口,实现了网络监控功能,这部分超出了设计任务书规定的任务。关键词:煤气超标;浓度检测;开窗;A/D转换;单片机控制AbstractWith the increasing quality of life, the pipeline gas and liquefied petroleum gas cylinders have entered ordinary peoples home, but a gas leak for the daily life is of a great danger, so how to prevent gas poisoning and explosions have become the peoples urgent need, because of this we have developed a exceeding standard gas automatic alarm window. The task of this graduation project is to design a mechanics and electrics system which can monitor the exceeding standard gas in the real-time way and can carry out emergency treatment. It involves structural design, 3D modeling, motor control, sensor technology, and other content. The system proposes the AT89S52 SCM as the core, which illustrates the design and realization of the exceeding standard gas automatic alarm devices hardware and software based on the monitoring and control technologies. This paper focuses on the gas sensor signal acquisition and processing circuit and the design of the window opening control motor circuit. This system has such functions as the concentration of gas at the scene which is dynamic display, alarm limit set, and sound alarm. When monitoring the gas is exceeding the standard, the system issued a warning buzzer sound, if no one came to the scene to deal with the problem one minute after the alarm, the system will automatically shut down gas valve, open row fan, and drive the motor to open the windows ,let the gas emission. In addition, in the systems software design there is a manual mode, in case that the gas is not exceeding the standard and the users want to open or close the window, you can achieve this through control the button on the board. In respect with the mechanical, we use the three-dimensional software Pro /E to draw the structure of the automatic window model and make comparison among different programmes, then select the best design which is sure to achieve the intended function. Furthermore, in order to meet the needs of monitoring, we increase the communication interface in the system which realizes the network monitoring capabilities. This part is beyond the design of the mandate provided. Key words: exceeding standard gas; concentration detection; open window; A/D converter; SCM Control目 录引言11 绪论21.1 课题背景21.2 课题研究的目的及意义31.3 系统设计的主要任务32 煤气超标自动开窗器的开窗结构设计.42.1 目前市场上同类产品的市场调研42.2 电动式推拉窗开窗机构的方案设计62.3 本章小结83 硬件电路系统设计概述83.1 控制系统设计的主要原理83.2 硬件电路系统的方案设计及比较103.3 硬件电路系统的方案选择124 系统硬件电路设计134.1 微控制器的选型和AT89S52芯片介绍134.1.1 微控制器的选型134.1.2 AT89S52单片机简介144.1.3 AT89S52单片机引脚功能介绍154.2 煤气浓度检测电路设计174.2.1气体传感器原理与选型174.2.2 MQ-5型煤气传感器介绍214.2.3 MQ-6型液化石油气传感器介绍234.2.4气体传感器接口电路设计264.3 ADC0832模数转换接口电路设计264.3.1 AD转换芯片的比较与选型264.3.2 ADC0832模数转换芯片介绍284.3.3 ADC0832模数转换电路设计314.4 LED数码管显示电路设计314.4.1 LED数码管的结构和工作原理314.4.2 LED数码管显示电路设计324.5 直流稳压电源电路设计334.6 限位开关和报警电路设计354.7 应急处理电路设计364.7.1 直流电机控制电路设计364.7.2 煤气阀门控制电路设计384.7.3 排气扇控制电路设计384.8 单片机串口通讯电路设计394.8.1 串行通讯的基本知识394.8.2 RS-232串口通讯标准介绍414.8.3 单片机串口通讯电路设计424.9 本章小结445 软件系统设计445.1 软件系统设计概述445.2 手动模式程序设计445.3 数据AD转换程序设计455.4 报警中断程序设计485.5 显示模块、串口通讯模块程序设计496 硬件电路板的制作及调试506.1 硬件电路板的制作506.2 硬件电路板的调试526.3 软件调试537 毕业设计总结53谢 辞55参考文献56附 录57附录157附录258附录358附录457桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸 第68页 共72页引言随着社会的发展和科学技术的进步,人们对家电产品的要求也越来越高,家电产品也越来越趋向自动化、智能化。但是在日常生活中,有一些很细小事情人们却没有关注到,比如厨房煤气泄漏,浴室煤气泄漏等等。这些小小的问题如果稍为不注意,就可能会给我们的生活带来很大的损失。不要小看煤气泄漏的问题,据世界卫生组织公布的数字,世界上每年有250万人死于煤气中毒,我国也每年发生10多万宗煤气中毒事件。人们通常都想享受高质量的生活,但是却忘记了我们日常生活中潜在种种的危险。像煤气中毒这样的事故,就好比交通事故,没遇上的算是走运,一旦遇上,轻则致残,重则丧命,更有甚者家毁人亡。关于煤气中毒的事件,我们也时常听说,网络上,报纸上也时有报道。因此,为了保障我们的正常生活,煤气泄漏,不得不防。我的毕业设计-煤气超标时自动开窗器的设计,也就是为了解决这个问题而产生的。实现气体浓度检测离不开高性能的气体传感器。从广义上讲,传感器就是能感受外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置。狭义上讲,传感器就是能将外界信息转换成电信号的装置。随着新技术和自动化的发展,传感器的使用数量越来越大,一切现代化仪器、设备几乎都离不开传感器。在工业生产中,尤其是自动化生产过程中,用各种传感器来检测和控制生产过程中的各个参数,如温度、压力、流量、PH值等,以便使设备工作在最佳状态,产品达到最好的质量。此次设计中所利用到的气体传感器就是要测量煤气气体浓度的动态信号,并且利用数模转换芯片将浓度值转换为数字值,实现整个系统的检测与事故处理功能,实现智能控制。随着电子技术与计算机技术的发展,面对各种检测对象和大量的测试点,需要利用数据采集系统将多路被测量值转换成数字量,再经过单片机或微型计算机进行数据处理,实现实时测控。现在的家电产品都朝着低功耗,高性能,智能化程度高的方向发展,大量采用了传感技术和单片机控制技术。本文的煤气超标报警开窗器就是单片机应用系统的一种典型应用,要求能够检测煤气的浓度浓度,并且在气体浓度超过给定值时能采取相关措施。由气体传感器采集到的数据,经过A/D转换后送到51单片机进行数据处理,实现实时测控。本人在此次设计中完成了系统控制电路板软硬件的设计、制作和调试;开窗机构的方案设计、选择和优化;以及各个芯片资料查找与整理等工作。在设计的过程中,得到了学校相关老师的指导,最后成功的完成了本设计的任务。在整个过程中能够完成当初的设计要求,锻炼了自己的动手能力、工程设计能力和机械加工设计能力,同时也锻炼了自己的系统设计的模块化设计的理念与方法。1 绪论1.1 课题背景二十世纪的七八十年代,人们就已经从又脏又累的烧煤模式发展成为使用煤气模式,这标志着人类的进步,证明人类越来越重视自己的生活质量。在现代生活中,管道煤气和液化石油气的使用越来越广,然而管道煤气和液化石油气煤气在给我们的生活带来便利的同时,危险也随之而来。世界上每天都有煤气中毒的事件发生,煤气泄漏所带来的危害已经让人们认识到问题的严重性。近年来,全国燃气行业发展迅猛,液化气、天然气、煤制气等城市燃气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,特别是2002年“西气东输”第一期工程正式开工,这无疑为发展西部地区的燃气产业带来历史性的机遇。西气东输工程,在西部优势资源和东部广阔市场之间架起了一座“金桥”,西气东输工程投入使用后,每年供应长三角地区100亿立方米天然气。城市燃气的普及与应用无疑对改善城市的环境质量和提高居民的生活质量发挥了巨大的作用。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。为了使燃气更好地造福于民,造福于社会,减少并杜绝各种因燃气泄漏而引发的爆炸及火灾事故,各燃气使用单位及居民用户选择一种适合的燃气报警器实为必要之举。日本早在1980年1月开始实行安装城市煤气、液化石油气报警器的法规,1986年5月日本通产省又实施了安全器具普及促进基本方针。美国目前已有7个州11个城市通过立法,规定家庭、公寓等都要安装一氧化碳报警器。随着城市燃气化的扩大,我国已有北京市、辽宁省、黑龙江省、山西省、哈尔滨市、青岛市、大连等省市相继发布燃气安全管理文件,做到政府立法和百姓自身提高安全保护意识有机结合。由于发生煤气中毒或爆炸事件的普遍性和隐蔽性,迫切需要一种能够很好的监控室内煤气浓度的仪器,并且在煤气浓度过高时能够采取相关措施防止火灾的发生,保护人们的生命财产安全。经过调查和查阅相关资料,目前市场上的煤气报警器主要分两类:一类是低档的,它只具有报警的功能,这种报警器一般都是面向家庭使用。它主要是价格便宜,结构简单。另一类是比较高档的,使用了专门的煤气浓度传感器,能够实时监测煤气的浓度并且用液晶屏显示出来。一旦监测到煤气的浓度超标,也能进行报警。这种产品结构稍微复杂,功能也相对多一些,但是价格一般都在千元以上,主要面向企业应用等要求比较严格的场合。如果能够设计出一个既能检测煤气超标,又能驱动相应的机械结构来保障人们的生命财产安全的机电一体化系统,将自动开窗等一些新的功能加入到煤气超标报警器中,设计出一种新型的煤气超标自动开窗器。在生产成本得以控制的情况下,面向广大的家庭用户,煤气超标自动开窗器将会具有广阔的市场前景。1.2 课题研究的目的及意义为了方便人们的需要,提高人们的日常生活水平,要求设计出性能更加可靠、经济更实惠实惠的煤气超标自动开窗器,以保障人民的生命财产安全。目前,现有的煤气报警器主要是面对工矿企业或公共场所的检测,价格高昂,对家庭也是不适应的。市场上的煤气超标报警器要么只具有单纯的报警的功能,要么就是商业用途的高精度报警器。对于一般的消费者来说,买个只能报警的煤气报警器又显得太庸俗,买个高精度的煤气报警器,虽然能够精确地测量出煤气泄漏的浓度,但是价格又太昂贵,其他的一些功能显得华而不实。因此,设计一个具有多功能的煤气超标自动报警开窗器具有重要的意义。本次设计就是在普通煤气报警器的基础上增加一些相关的功能,以设计出一种更适合在家庭用户使用的煤气超标自动报警开窗器,其优点在于:(1)使用高精度的煤气传感器,对煤气泄漏超标能够精确检测,而且成本低廉。(2)产品的安装和使用方便,无需专业人员操作,只要安装在合适的位置,通电即可进行煤气的自动监测。(3)能起到预防煤气中毒和煤气爆炸的效果,保障人民生命财产安全。(4)可通过程序设定报警点,还具有浓度显示、报警等功能。(5)它体积小,有着巨大的实用价值和性价比,可以转化为产品,投入市场。1.3 系统设计的主要任务本次设计的主要任务包括两个大的方面,分别是煤气超标自动报警开窗器的开窗机构设计和控制电路的软硬件设计。(1)煤气超标自动报警开窗器的机械机构设计这一部分主要是设计出能够自动将窗户打开的机构,这要考虑到打开窗户所需要的力,所设计的机构应尽可能简单,所用的电机数量尽可能少。另一方面,还要考虑到现在大部分家庭用户的厨房窗户使用的都是推拉窗,这种窗户的结构简单,设计时尽量不要改动现有的结构,只要在这个基础上进行改进即可。(2)煤气超标自动报警开窗器的控制电路设计煤气超标自动报警开窗器的控制电路板的设计是本次设计的重点,这个部分又分为两个方面:控制电路的硬件设计和控制程序的编写。控制电路的硬件设计主要包含电源模块、传感器浓度检测及显示模块和报警及事故处理模块。电源模块主要为系统提供稳定的电源,保证系统正常工作。浓度检测模块主要由燃气传感器组成,它是整个系统中最关键的元件,其中包含了传感器信号的采集和处理(A/D转换)。报警及事故处理模块主要由蜂鸣器、电磁阀和排气扇等组成,这个模块是对煤气浓度过高的时候进行紧急处理。硬件电路的设计需要综合大学所学的单片机应用、电子技术的相关知识。在解决这一问题的过程中,需要查阅大量资料,结合所学知识,向老师获取帮助。控制电路的编写主要包括主程序和煤气超标事故处理子程序两大部分:主程序要完成I/O口,定时器的初始化及对对系统进行初始化设定。在煤气传感器进入稳定工作状态时,不断对传感器的信号进行采样,经过A/D转换后送到单片机进行处理,将煤气的浓度值在LED上显示出来。一旦检测到煤气超标,发出报警,并发出指令将阀门关闭,将窗户和排气扇打开进行排气。在程序的设计中,分别对每个编程模块进行单独编程,以测试硬件电路功能是否完好,最后在制作完成的硬件电路板调试出要求的功能。2 煤气超标自动开窗器的开窗结构设计一般来说,对机器的基本要求包括使用功能要求、经济性要求、劳动保护和环境保护要求、可靠性要求和其它专用要求。机器产品的设计过程如图2-1所示,先进行产品规划,然后设计方案,再进行总体设计,加工制造,最后进行试制和批量生产。试制、批量生产产品规划总体设计加工制造结构方案设计原理方案设计图2-1 机械产品设计过程其中原理方案的设计和结构方案的设计是比较重要的,因为方案设计合理与否将直接影响到后面的总体设计和施工设计。方案设计过程一般先要进行的是设计要求的抽象化,然后确定系统的功能结构,再寻求实现各分功能的工作原理,最后再把各个模块组合起来,进行方案的评价和决策。其工作流程如图2-2所示。设计要求的抽象化确定系统的功能结构寻求实现各分功能的工作原理各原理模块进行组合形成一个系统方案的评价与决策图2-2 方案设计过程根据课题的要求,煤气超标自动开窗器的设计在机械方面的设计比较简单,只要求设计出能够将窗户打开或者关闭的的机械结构即可。现代的家庭厨房一般使用推拉门窗,本次设计就从这点出发,设计一种新的开窗机构。2.1 目前市场上同类产品的市场调研经过调查研究,目前市场上虽然有与电动开窗器相关的产品出现,但是品种都比较单一,而且主要是面向企业级应用。而合适家庭用户使用的开窗器就很少见了,下面我们来看一看几种典型的电动开窗器结构,如图2-3所示。(a)长轴驱动齿条式电动开窗器 (b)滑臂式电动开窗器 (c)螺杆式电动开窗器 (d)气动式开窗器图2-3 几种典型的电动开窗器结构从上面的图片中可以看到,目前市场上出售的电动开窗器具有如下的特点:结构复杂,体积比较大,使用大功率电机驱动;一般应用于企业,用来打开合页式窗户;成本较高,不适宜家庭应用。其实,针对现代家庭厨房的推拉窗,为了降低生产成本,可以在原来推拉窗的结构上稍微进行改进,就能设计出符合我们使用要求的电动式推拉窗。2.2 电动式推拉窗开窗机构的方案设计要将推拉式窗户打开或者关闭,要求结构简单,运动平稳和控制方便。经过思考和上网查资料,设计出以下几种能将推拉窗顺利打开的开窗机构:方案一:电机直接驱动式开窗机构图2-4 电机直接驱动式开窗机构这种开窗机构对原来窗体结构的改动比较少,用螺钉将电机固定在窗框底梁上,电机轴与安装在窗体内部的滑轮连接。当电机转动时,内部的滑轮也一起运动,滑轮沿着窗体的滚道上运动,只要能控制电机的正反转,就能将窗口打开或者关闭了。这种开窗机构的优点是结构简单,安装方便。缺点是为了平衡窗体的受力,一扇窗叶前后两个滑轮都要一个电机驱动,也就是说要两个电机驱动。另一方面,滑轮与电机轴是过盈配合,对零件加工和制造精度有一定的要求,否则会影响寿命。方案二:齿轮齿条式开窗机构齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一,型式很多,应用广泛,传递的功率可达近十万千瓦,圆周速度可达200m/s。齿轮传动的主要特点有:(1)效率高 在常用的机械传动中,以齿轮传动的效率为最高。如一级圆柱齿轮传动的效率可达99%。(2)结构紧凑 在同样的使用条件下,齿轮传动所需的空间尺寸一般较小。(3)工作可靠、寿命长 设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动,工作十分可靠,寿命可长达一、二十年,这也是其他机械传动所不能比拟的。(4)传动比稳定 传动比稳定往往是对传动性能的基本要求。齿轮传动获得广泛应用,也就是由于具有这一特点。用三维画图软件画出该方案的实体模型如图2-5所示: 图2-5 齿轮齿条式开窗机构这种方案将齿条用螺钉固定在窗叶上,通过电机驱动小齿轮,小齿轮与齿条啮合,就能将电机的旋转运动转化成窗叶的直线运动。该方案的优点是结构简单,安装和调试方便,控制简单,能够灵活地将窗户打开,方案三:丝杠螺母式开窗机构螺旋传动是利用螺杆和螺母的相对运动来传递运动和动力的一种传动机构。在精密机械中主要是用来将螺杆的回转运动转变为螺母的直线运动。滑动螺旋传动的特点如下:1) 降速传动比大,即螺杆(或螺母)转动一圈,螺母(或螺杆)移动一个螺距(单头)。一般的螺距都比较小,例如t=0.5,故降速传动比大。由于降速比较大,故可以大大缩小传动链。2) 传动精度高 由于传动比大,所以实现同样的传动比,与其他传动形式相比较,传动环节少,故螺旋传动结构简单、紧凑,因而具有较高的传动精度,且运动灵活、平稳。3) 牵引力大 由于传动比大,根据在功率在一定的条件下降速增矩的原则,给螺杆一个很小的扭矩便可以得到较大的轴向牵引力。4) 能自锁 当螺纹升角小于当量摩擦角时,螺旋传动具有自锁能力。5) 效率低、易磨损、低速存在爬行 由于工作表面为滑动摩擦,其传动效率,不适于高速大功率传动。用三维软件制作的实体造型图如图2-6所示:图2-6 丝杠螺母式开窗机构本方案也是采用一个电机驱动,电机通过连轴器连接到丝杠,丝杠两端由采用轴承固定,在精度要求不是很高的情况下,可以采用丝杠螺母机构。这个方案与前面两个方案相比,具有如下的一些特点:(1)机构简洁明了,运动传递平稳。(2)丝杠兼作导向和动力传递,可减小机构所占的空间。本次开窗机构的设计决定采用方案三,如果考虑到丝杠螺母机构摩擦力矩大,容易磨损,可以将丝杠螺母机构改为滚珠丝杠螺母机构。使用滚珠丝杠螺母机构传动轻便灵敏,摩擦力矩小,同时运动噪音小,但是成本会稍为增加。2.3 本章小结本章节主要介绍了煤气超标时自动开窗器的开窗机构方案设计。从方案的构想,改进和确定等过程进行了较为详细的描述。开窗机构的设计采用三维软件,所以文章中的图大多为三维图,更直观的表达了作者的思想。在课题的设计任务书中,本课题在机械方面只要求用三维软件设计出开窗机构的三维造型,所以在本节中不考虑机械零件的加工和制造等问题。3 硬件电路系统设计概述硬件电路和控制程序的设计是本课题的设计重点,没有控制电路的机电一体化系统发挥不了任何功能,系统要正常工作,控制电路是必不可少的。本课题的电路控制系统比较复杂,因为系统要控制的动作较多,所需考虑的地方也很多。这一章先从整体上介绍控制电路的设计方案,具体的电路设计部分在后面的章节中再详细介绍。3.1 控制系统设计的主要原理控制系统必须能够实现如下功能:系统供电复位后进入正常工作状态,在正常工作状态下,,煤气的阀门是打开的,窗户在打开或者关闭的状态均可,但是电机不能动作,排风扇也没必要启动。传感器也正在工作,单片机将送进来的信息进行处理,并将处理的结果在显示模块上显示出来。在煤气浓度达到100ppm (这个值可以自行设定)时系统应启动报警进行声音报警,报警一分钟后如果没有人来进行现场处理,系统将煤气阀门关闭切断气源,驱动电机将窗户打开、启动排气扇进行排气,以防止发生煤气中毒或煤气爆炸事故。具体要实现如下功能:(1)控制系统进入正常工作状态后,先打开煤气阀门将气源接通,窗户在打开或者关闭的状态均可,但是电机不能动作,排风扇也没必要启动。(2)控制系统在非正常工作状态下,煤气阀门要求处于关闭状态,以切断煤气通道,防止煤气外泄。(3)控制系统在非正常工作状态下,当厨房煤气的浓度达到100ppm (报警点的设定可以通过程序来修改)时系统应启动蜂鸣器进行声音报警,若一分钟声音报警无效,系统应关闭煤气阀门切断气源,驱动电机将窗户打开,启动排风扇进行通风排气。本设计拟按以下思路展开研究:(1)根据本课题要实现的基本功能,设计大致应该分为信号采样,信号转换,信号处理和信号响应四个部分。信号采样部分即通过对气体传感器的输出信号进行采样,采样的结果可能是数字量或者模拟量,气体传感器一般输出的都是电压或者电流模拟量。信号转换部分是将采样得到的模拟量进行必要的放大,再经过A/D转换成为数字量,以供给单片机进行处理。信号处理部分是对外部模块输入的数字信号进行处理,再判断作出相应的动作。信号响应是由单片机输出控制信号来进行事故处理,实现实时控制的要求。(2)对上述四个部分进行分析,得到如下一些基本的结论:信号采样部分为了能准确采集到气体浓度的变化应选用传感器敏感器件,为使其实有效的检测厨房中煤气的浓度,必须选用专用的煤气传感器。信号转换部分应该根据实际情况选用电荷放大、电压比较器和A/D转换等装置,这部分电路将包含在传感器接口电路中。信号处理部分为了实现精确控制,降低生产成本,采用我们比较熟悉的51系列单片机较为合适。信号响应可以考虑通过光电隔离,继电器控制等方法来控制电机的转动和停止、排气扇的启动和关闭、煤气阀的打开和关闭。在控制系统对煤气泄漏的实时检测过程中,可以通过LED和液晶显示等方式将煤气浓度实时显示出来。根据对上面课题设计要求的分析,我们得到本课题设计原理框图如下图3-1所示:图3-1 控制系统设计原理框图将上述设计原理结合设计要求总结为:煤气超标自动报警开窗器通过气体传感器检测厨房煤气浓度,采用巡回采样的方法,采样结果送到A/D(模/数)芯片中进行模数转换。利用单片机进行数据处理,控制声音报警、窗户的打开和关闭以及控制煤气阀和排风扇的启动和关闭。并且将气体传感器检测到的浓度值在显示模块上实时显示出来。3.2 硬件电路系统的方案设计及比较在明白了控制系统设计的原理之后,我们就可以开始设计硬件电路系统。在本课题中,我提出了三种具体的方案,我们可以选择比较好的方案进行设计。方案一:采用单传感器进行煤气浓度的监测,NGS379气体传感器是高精度传感器,能够有力地保证实时监测煤气泄漏的情况,但其要使用专用的供电模块。方案一的硬件电路系统设计图如图3-2:图3-2 方案一硬件电路系统设计图优点:(1) 能够实现课题要求的基本功能。(2) TL549 A/D转换芯片为单通道8位芯片,占用单片机I/O口少。(3) NGS379 气体传感器精度高,动态性能好,同时对CO和CH4气体相当敏感。缺点:(1) 采用单一传感器缺少温度补偿,对测量的结果有一定的影响。(2) NGS379传感器的工作要使用专用的电源供电,使得外围电路设计变得更加复杂。(3) NGS379气体传感器价格比较贵,在市场上可能比较难买到,通用性不强。方案二:这种方案的系统电路设计可以说是比较“时尚”的一种,LCD1602 液晶显示模块,IDS1420语音芯片的使用等等,都是现代电子仪器设计中比较流行使用的元器件,令人看到斗觉得是高科技产品。当然在其“时尚”的背后也隐藏着高成本的缺点。另外双传感器的应用克服了单传感器中采样信号可能出现突变尖峰的现象,同时两个传感器能够相互进行温度的补偿,提高了测量的精度。要不是要控制生产成本,我真的要选择这种方案了。方案二的硬件电路系统设计图如图3-3: 图3-3 方案二硬件电路系统设计图优点: (1) 能够实现课题要求的基本功能。(2) 使用了双传感器测量,对温度进行了补偿,测量精度高。(3) ADC0832芯片是双通道8位A/D转换芯片,占用单片机I/O口少,而且本方案使用双传感器模式,刚好做到“物尽其用”。(4) LCD1602液晶模块和ISD1420语音芯片的使用比较符合现代电子仪器发展的趋势。缺点:(1) ISD1420 语音芯片的价格比较高,外围电路的设计也比较复杂,增加了编程的难度。(2) LCD1602虽然占用的单片机I/O口要比使用LED数码管占用的单片机I/O口要少,但其显示信息的可见性不如LED数码管。方案三:这种方案同样是采用双传感器模式,考虑到方案二的成本问题,在方案三中采用LED数码管显示信息,在报警电路设计方面减少了ISD1420语音芯片的使用,其实就是方案二“缩减成本”的版本。即使是缩减了成本,其要求的功能还是能够实现的。下面我们来看一下方案三的硬件电路系统设计图,如图3-4:图3-4方案三硬件电路系统设计图优点:(1) 能实现课题要求的基本功能。(2) ADC0832芯片是双通道8位A/D转换芯片,占用单片机I/O口少,而且本方案使用双传感器模式,刚好做到“物尽其用”。(3) 使用了双传感器测量,对温度进行了补偿,测量精度高。3.3 硬件电路系统的方案选择在上一节中已经介绍了三种硬件电路系统的设计方案。考虑到本课题为毕业设计的课题,要努力控制成本。在另一方面,在现有的条件下,所使用的气体传感器自己必须要懂得怎么用,而且要能买得到才好。基于这些原因的考虑,我决定使用第三种方案进行硬件电路的设计。本系统的工作过程介绍如下: 电源开始供电后,单片机上电复位后,系统进入正常工作状态,这时候煤气阀门处于开通状态、开窗用的两个电机均不动作、蜂鸣器也不发出报警声。此外,系统在工作时,气体传感器也是不停地工作的,单片机不断采样传感器的输出电压,送到ADC0832芯片进行模数转换,提供给单片机进行处理。单片机处理由A/D芯片送过来的数字量,这些数字量的大小就代表了传感器输出电压的大小。单片机通过相应的转换关系式将这些数字量转换成煤气的浓度值,送到LED数码管显示模块进行显示。在另一方面,由于开窗的电机具有自锁的功能,也就是说当窗户处于打开或者关闭状态的时候,人们如果想自己动手把窗户打开,那是不可能的。那人们要是想在煤气不超标的情况下将窗户打开,该怎么办呢?于是我们就想到了在控制系统中增加一个手动开关。当系统进入正常工作状态后,单片机优先不断检测手动按钮是否按下。如果是按下了,再检测左限位开关和右限位开关哪个是闭合的,这样系统就能够判断出人们是要将窗户打开还是关闭了。然后驱动电机将窗户打开或者关闭,实现了人们的意愿。当系统检测到煤气超标时,蜂鸣器发出报警声进行报警。报警一分钟后如果没有人来处理,则系统将煤气阀门关闭,同时驱动电机将窗户打开和打开排气扇进行排气。这时候的煤气浓度值还是一直在显示模块上面显示的,窗户是否已经完全打开了可以由限位开关的闭合来判断。根据课题设计任务书的要求,使用方案三能够实现了课题的基本功能,而且成本低,在现有的条件下也不失为一种好选择。接下来我将会就系统硬件电路图的每个模块进行详细的设计说明。4 系统硬件电路设计在我们进行一个电路的设计时,要以一定的知识为基础,知识的多少在一定程度上决定了设计出来的东西的好坏程度。在大学的四年中,我们学习了电路与电机控制、电子技术、单片机原理及其应用等这些课程。同时我们也做过微机原理课程设计和微机综合设计这两个大型的设计,通过这些实践活动和我自己平时动手做一些电路,自己也积累了一些经验。这些知识和经验对我们完成毕业设计这个课题很有帮助,同时、我也会在本课题的电路设计过程中使用一些以前没使用过的芯片或者控制方法,以达到进一步提高自身设计能力的目的。本节将详细介绍本课题硬件电路系统设计过程。4.1 微控制器的选型和AT89S52芯片介绍 在任何控制系统中,控制器绝对充当着主角的角色。一个完整的机电一体化系统就好像一个人一样。其中控制器就相当于人的大脑,人的四肢所发出的各种动作都是由大脑来控制的。同时控制器又需要从外界获取信息,这就要靠外部的元件了。只有外部元件和控制器能够很好地协调起来工作,控制系统才能正常工作。4.1.1微控制器的选型单片机(MICROCONTROLLER,又称微控制器)是在一块硅片上集成了各种部件的微型机算计,这些部件包括中央处理器CPU、数据存贮器RAM、程序存贮器ROM、定时器/计数器和多种I/O接口电路。目前在市场上能够买到各种各样功能的单片机,或是专用或是通用,感觉眼花缭乱无从比较。要对微控制器进行选型,首先要了解各系列单片机的主要特点和自己控制系统要实现的功能,下面我们先来看一下几种常见的系列单片机的主要特点。PIC系列单片机:CPU采用RISC结构,最多只有几十条条指令,采用Harvard双总线结构,运行速度快,低工作电压,低功耗,较大的输入输出直接驱动能力,价格低,一次性编程,小体积。 适用于用量大,档次低,价格敏感的产品,在办公自动化设备、消费电子产品、电讯通信、智能仪器仪表、汽车电子、金融电子、工业控制不同领域都有广泛的应用。MCS51系列单片机:集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能I/O等基本功能部件,拥有基于复杂指令集(CISC)的单片机内核,虽然其速度不算快,12个振荡周期才执行一个单周期指令,但其端口结构为准双向并行口,可兼有外部并行总线,故使其扩展性能非常强大,是最常见的一种单片机。AVR系列单片机:AVR系列单片机是ATMEL公司研制开发的一种新型单片机,它与51单片机、PIC单片机相比运行效率高很多。芯片内部的Flsah、EEPROM、SRAM容量较大、全部支持在线编程烧写(ISP、每个I/O口都可以以推换驱动的方式输出高、低电平,驱动能力强、内部资源丰富,一般都集成AD、DA模数转换器;PWM;SPI、USART、TWI、I2C通信口;丰富的中断源等。主要现在使用的型号是ATMEGA8/16。ARM处理器内核:ARM不是单片机,准确来讲ARM是一种处理器的IP核。ARM系列处理器很少集成片上硬件资源,更接近今天的处理器范畴,基本不被认为是单片机。其处理器技术上具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域,比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。分析以上的各类单片机的一些特点,结合我自身的能力,可以得出几点关于微控制器选型的原则:(1) 首先要了解单片机的内部结构和使用特点。(2) 自己要熟悉所选择的单片机的指令系统,这一点很关键,否则后面编写控制程序会有很大的困难。(3) 要考虑到成本的要求,力求以最简单的电路来实现预期的功能。在了解了各系列单片机的特点后,结合我自身的对单片机应用知识的了解,在本课题的系统硬件电路设计中,我决定使用51系列单片机作为微控制器。51单片机已经能完全实现本课题要求实现的所有功能了,而且我对这个系列的单片机比较熟悉,使用起来也比较顺手,价格也便宜。4.1.2AT89S52单片机简介即使是同一个系列的单片机,还是有很多型号可以选择的。例如8位的51系列单片机还可以分为两类,一类是基本型的51单片机,如8031、8051和8751等,还有一类是增强型的51单片机,如8032、8052和8752。增强型的51单片机和基本型的51单片机在指令上完全兼容,只是在硬件上有所增强,例如增加了看门狗电路等等。本次设计所使用的微控制器选择由Atmel公司生产的AT89S52单片机。AT89S52是ATMEL公司推出的高档型AT89S系列单片机中的增强型产品,是一款低功耗,高性能的8位单片机。片内含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构。芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。此外,AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下,CPU暂停工作, 而RAM定时计数器,串行口,外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。工作环境温度070,存储环境温度65C十1500。EAVpp端对Vss的电压为-05十215v,任何脚到Vss的电压为-05十7v,电源电压十5V土10,电源电流为125250mA,电源功耗为1.5w。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式,以适应不同产品的需求。表4-1 AT89S52单片机主要功能特性兼容MCS-51指令系统 8k可反复擦写(1000次)ISP Flash ROM32个双向I/O口 4.5-5.5V工作电压 3个16位可编程定时/计数器 时钟频率0-33MHz全双工UART串行中断口线 256x8bit内部RAM2个外部中断源 低功耗空闲和省电模式 中断唤醒省电模式 3级加密位 看门狗(WDT)电路 软件设置空闲和省电功能 灵活的ISP字节和分页编程 双数据寄存器指针 4.1.3AT89S52单片机引脚功能介绍本课题的硬件电路板为手工制作的单面PCB板,所采用的元器件都为通孔插装件,所以选取的AT89S52单片机也是40引脚的双列直插式封装。下面我来介绍一下40引脚DIP封装的AT89S52单片机的引脚功能。AT89S52单片机引脚分布图如图4-1所示:40个引脚中,正电源和地线两根,外置石英振荡器的时钟线两根,4组8位共32个I/O口,中断口线与P3口线复用。复位引脚一根,还有一根是片外存储器片选引脚。各个引脚的具体功能介绍如下:l VCC:供电电压。l GND:接地端。 l P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。 图4-1 AT89S52单片机引脚图l P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作 输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。 l P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻 拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存 储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器 的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。l P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89S52的一些特殊功能口,如下表格4-2所示:表4-2 P3口引脚第二功能管脚功能管脚功能P3.0RXD(串行输入口)P3.4T0(计数器0外部输入)P3.1TXD(串行输出口)P3.5T1(计数器1外部输入)P3.2/INT0外部中断0请求输入P3.6/WR(外部数据存储器写选通)P3.3/INT1外部中断1请求输入P3.7/RD(外部数据存储器读选通)l RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器 时,将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时, ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。RESET复位信号复用脚,当At89S51通电,时钟电路开始工作,在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平,系统即初始复位.初始化后,程序计数器PC指向0000H,P0-P3输出口全部为高电平,堆栈指针写入07H,其它专用寄存器被清0.RESET由高电平下降为低电平后,系统即从0000H地址开始执行程序.然而,初始复位不改变RAM(包括工作寄存器R0-R7)的状态。At89S51的复位方式可以是自动复位,也可以是手动复位,Vcc掉电其间,此脚可接上备用电源,以保证单片机内部RAM的数据不丢失。l /PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。l /EA/VPP:当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时, /EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。l XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。l XTAL2:来自反向振荡器的输出。4.2 煤气浓度检测电路设计随着近代工业的进步,特别是石油、化工、煤炭、汽车等工业部门的迅速发展,使人民的生活及社会活动都发生了相应的变化。被人们所利用的和在生活、工业中排放出的气体种类、数量都日益增加,气体传感器也就随着人们的要求提高而快速发展着。气体传感器是一种能将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电气信号的装置。根据这些电气信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息,从而可以进行测量、监测、报警。还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制、报警系统。4.2.1气体传感器原理与选型要使用气体传感器,首先要对传感器有一定的了解。传感器的定义:我国国家标准(GB766587)中说,传感器(Transducer/Sensor)的定义是:能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。我们的定义是:传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。这一定义包含了以下几方面的意思:(1)传感器是测量装置,能完成检测任务;(2)它的输出量是某一被测量,可能是物理量,也可能是化学量、生物量等;(3)它的输出量是某种物理量,这种量要便于传输、转换、处理、显示等等,这种量可以是气、光、电量,但主要是电量;(4)输出输入有对应关系,且应有一定的精确程度。人们通常将能把非电量转换为电量的器件称为传感器,传感器实质是一种功能块,其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号:它是实现测试与自动控制系统的首要环节。如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量,那么,无论是信号转换或信息处理,或者最佳数据的显示和控制部将无法实现。同时传感器技术是现代信息技术的主要内容之。传感器的应用主要有如下的作用:(1)信息的收集在科学研究中的计量测试、产品加工制造或者销售中所需的计量等都要由测量而获得准确的定量数据。为了检测目标物的存在状态,把某状态的信息转换为数据,对系统或装置的运行状态进行监测,通常使用传感器来实现。(2)信息数据的交换把以文字、符号、代码、图形等多种形式记录在纸或胶片上的信号数据转换成计算机、传真机等易处理的信号数据。或者读出记录在各种媒介体上的信息并进行转换。(3)控制信息的采集检测控制系统处于某种状态的信息,并由此控制系统的状态,或者跟踪系统变化的目标值。传感器的组成:传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路三部分组成有时还加上辅助电源。通常可用方块图来表示,如下图4-2所示: 图4-2 传感器组成框图敏感元件:它是直接感受被测量,并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。传感元件:又称为转换器,敏感元件的输出就是它的输入,它把输入抟换成电路参量。测量电路:能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、控制和处理的有用电传号的电路。测量电路视传感元件的类型而定。使用较多的是电桥电路,也使用其他特殊电路,如高阻抗输入电路、脉冲调宽电路、维持振荡的激振电路等。由于传感元件的输出信号一般比较小,为了便于显示和记录,大多数测量电路还包括了放大器。敏感元件与转换元件在结构上常是装在一起的,而转换电路为了减小外界的影响也希望和它们装有一起,不过由于空间的限制或者其它原因,转换电路常装入电箱中。尽管如此,因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电量信号,从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。气体传感器介绍:在现代社会的的生产和生活中,人们往往会接触到各种各样的气体,需要对它们进行检测和控制。比如化工生产中气体成分的检测与控制;煤矿瓦斯浓度的检测与报警;环境污染情况的监测;煤气泄漏:火灾报警;燃烧情况的检测与控制等等。气体电阻传感器就是一种将检测到的气体的成分和浓度转换为电信号的传感器。被测气体的种类繁多,它们的性质也各不相同。所以不可能用一种方法来检测各种气体,其分析方法也随气体的种类、浓度、成分和用途而异。气敏元件性能与敏感功能材料的种类、结构及制作工艺密切相关。用金属氧化敏感材料制作的半导体式气敏元件具有灵敏度高,结构简单,体小质轻,坚固耐用等优点而得到广泛的应用,目前仍以SnO2 材料为主。常用的气体传感器主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气敏传感器和半导体气敏传感器三种。接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝(也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层),使用时对铂丝通以电流,保持300400的高温,此时若与可燃性气体接触,可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧,因此,铂丝的温度会上升,铂丝的电阻值也上升;通过测量铂丝的电阻值变化的大小,就知道可燃性气体的浓度。电化学气敏传感器一般利用液体(或固体、有机凝胶等)电解质,其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流,也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点,应用极其广泛。半导体气敏元件有N型和P型之分。N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小;P型阻值随气体浓度的增大而增大。像SnO2金属氧化物半导体气敏材料,属于 N型半导体,在200300温度它吸附空气中的氧,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。当遇到有能供给电子的可燃气 体(如CO等)时,原来吸附的氧脱附,而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表面;氧脱附放出电子,可燃行气体以正离子状态吸附也要放出电子,从而使氧化物半导体导带电子密度增加,电阻值下降。可燃性气体不存在了,金属氧化物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。这就是半导体气敏元件检测可燃气体的基本原理。目前国产的气敏元件有两种。一种是直热式,加热丝和测量电极一同烧结在金属氧化物半导体管芯内;另一种是旁热式,这种气敏元件以陶瓷管为基底,管内穿加热丝,管外侧有两个测量极,测量极之间为金属氧化物气敏材料,经高温烧结而成。以SnO2气敏元件为例,它是由0.1-10um的晶体集合而成,这种晶体是作为N型半导体而工作的。在正常情况下,是处于氧离子缺位的状态。当遇到离解能较小且易于失去电子的可燃性气体分子时,电子从气体分子向半导体迁移,半导体的载流子浓度增加,因此电导率增加。而对于P型半导体来说,它的晶格是阳离子缺位状态,当遇到可燃性气体时其电导率则减小。此外,在气敏元件的材料中加入微量的铅、铂、金、银等元素以及一些金属盐类催化剂可以获得低温时的灵敏度,也可增强对气体种类的选择性。气敏电阻根据加热的方式可分为直热式和旁热式两种,直热式消耗功率大,稳定性较差,故应用逐渐减少。旁热式性能稳定,消耗功率小,其结构上往往加有封压双层的不锈钢丝网防爆,因此安全可靠,其应用面较广。综合以上对气体传感器相关知识的介绍,我们可以明确传感器是测量、控制系统的入口,必须具备良好的性能。在本课题的硬件电路设计中,我们应该注意一下的一些气体传感器选择的原则:(1)灵敏度高、分辨力强、测量范围宽。(2)滞后、漂移误差小。(3)动态特性良好。(4)功耗小,输入和输出之间最好成比例,线性好。(5)时间老化特性优良,抗腐蚀性强。(6)与被测体匹配良好,即不因接入传感器而使被测对象受到影响,受被测量之外的量影响小。(7)体积小、重量轻、价格低廉。(8)故障率低,易于校准和维修,通用性好。(9)外围电路简单,使用和安装方便。鉴于上述选择要点,本课题中用到的煤气传感器必须具备测量效果好、功耗小、动态特性良好和体积小、重量轻、价格低廉几个主要特征。为此我们选择半导体型MQ-5煤气传感器和MQ-6液化石油气传感器。它完全符合上述条件,并且最为主要的特点是此传感器精度高,当使用双传感器设计时无需温度补偿,这样不仅简化了电路,而且还降低了成本,实为良好的选择。4.2.2MQ-5型煤气传感器介绍MQ-5型气体传感器为煤气专用传感器,下面我们来详细介绍MQ5型气体传感器的参数特点及其使用方法。特点: 对液化气,天然气,城市煤气有较好的灵敏度。 对乙醇,烟雾几乎不响应。 快速的响应恢复特性。 长期的使用寿命和可靠的稳定性。 简单的测试电路。应用场合: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。规格:A.标准工作条件符号 参数名称 技术条件 备注 Vc 回路电压 15V AC or DC VH 加热电压 5.0V0.2V AC or DC RL 负载电阻 可调 RH 加热电阻 313 室温 PH 加热功耗 900mW B.环境条件符号 参数名称 技术条件 备注 Tao 使用温度 -10-50 Tas 储存温度 -20-70 Rh 相对湿度 小于95%Rh O2 氧气浓度 21%(标准条件) 氧气浓度会影响灵敏度特性 最小值大于2% C.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 ) 探测范围: 300-5000ppm 液化气,天然气,煤气。 (1000ppm/5000ppm CH4) 浓度斜率 0.6 标准工作条件 温度: 202 Vc: 5.0V0.1V 相对湿度:65%5% Vh: 5.0V0.1V 预热时间 不少于24小时 D.结构,外形,测试电路MQ-5气敏元件的结构和外形如上图所示(结构A或B),由微型AL2O3陶瓷管、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内,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,4个用于提供加热电流。测量电路如上图所示。E.灵敏度特性曲线左图给出了MQ-5型气体传感器的灵敏度特性。其中:温度: 20、相对湿度:65%、氧气浓度:21% RL=20k Rs:器件在不同气体,不同浓度下的电阻值。R0:器件在洁净空气中的电阻值。左图给出了MQ-5型气体传感器的温湿度特性。Ro:20,33%RH条件下,1000ppm氢气中器件电阻。Rs:不同温度和湿度下,1000ppm氢气中器件电阻。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。当精确测量时,报警点的设定应考虑温湿度的影响。4.2.3MQ-6型煤气传感器介绍MQ-6型气体传感器为液化石油气专用传感器,下面我们来详细介绍MQ5型气体传感器的参数特点及其使用方法。特点:* 对液化气,丁烷,丙烷有较高的灵敏度。* 对乙醇蒸汽,烟雾几乎不响应。* 快速的响应恢复特性。* 具有长期的使用寿命和可靠的稳定性。* 简单的驱动电路。应用场合:适用于家庭或工业上对LPG,丁烷,丙烷,LNG的检测装置。优良的抵抗乙醇蒸汽、烟雾干扰能力。规格A.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 DC VH加热电压5.0V0.2VAC or DC RL负载电阻可调 RH加热电阻313室温 PH加热功耗900mW B.环境条件符号参数名称技术条件备注 Tao使用温度-10-50 Tas储存温度-20-70 Rh相对湿度小于95%Rh O2氧气浓度21%(标准条件)氧气浓度会影响灵敏度特性最小值大于C.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 LPG )探测范围:100-10000ppmLPG ,丁烷,丙烷,LNG (1000ppm/4000ppm LPG)浓度斜率 0.6标准工作条件 温度: 202 Vc:5.0V0.1V 相对湿度: 65%5% Vh: 5.0V0.1V预热时间 不少于24小时D.结构,外形,测试电路MQ-6气敏元件的结构和外形如上图所示(结构 A 或 B), 由微型AL2O3陶瓷管、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内,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。测量电路如上图所示。E. 灵敏度特性曲线左图给出了MQ-6型气敏器件的灵敏度特性。其中:温度:20、相对湿度:65%、氧气浓度:21% RL=20k Rs:器件在不同气体,不同浓度下的电阻值。R0:器件在洁净空气中的电阻值。左图给出了MQ-6型气敏器件的温湿度特性。Ro: 20,33%RH条件下,1000ppmLPG中器件电阻。Rs: 不同温度,湿度下,1000ppmLPG中器件电阻。灵敏度调整:MQ-6型气敏器件对不同种类,不同浓度的气体有不同的电阻值。 因此,在使用此类型气敏器件时,灵敏度的调整是很重要的。 我们建议您用1000ppm液化气或1000ppm丁烷校正传感器。当精确测量时,报警点的设定应考虑温湿度的影响。4.2.4气体传感器接口电路按照上面所选择的传感器的使用方法,我们可以在硬件电路中进行电路的连接,连接的方法如图4-3所示:图4-3 气体传感器接口电路图说明:本系统的设计中使用了两种传感器,这样做的原因是考虑到每个家庭用户使用的气源不同,有的家庭使用管道煤气作为燃气,有的家庭使用液化石油气作为燃气。为了能够更准确地监测可燃气体的泄漏,使用不同气源的用户可用选择专用的气体传感器。MQ-5、MQ-6型气体传感器都有六个引脚,其中两个用于加热,为传感器正常工作创造条件,其余四个引脚用于信号的输出。接口电路部分设计成可拔插的方式,方便体统的扩展。图中传感器的引脚1和6是加热端,引脚2和3为一组,引脚4和5为一组,用于将信号输出。传感器输出的是电压信号,由引脚2和3输出后经过一个可调电阻来调节输出信号的大小,然后把信号送到ADC0832进行模数转换。4.3 ADC0832模数转换接口电路设计由于气体传感器一般都是输出电压和电流等模拟量,而单片机能够处理的信号是数字量。所以要将传感器采样到的信号送到单片机进行处理,首先要将它输出的模拟量转化成数字量,然后才能送到单片机进行处理,这就要用到A/D转换芯片了。4.3.1AD转换芯片的比较与选型说到A/D转换的原理,其实我们在电子技术、单片机原理及其应用和微机原理中都有学习过了,但是今天我们要用到具体的芯片,我们还是很有必要复习一下下A/D转换的原理。ADC芯片型号很多,在精度、速度和价格方面千差万别,较为常见的ADC主要是逐次比较型和双积分型。还有电压频率变换器(VF变换器)构成的ADC。双积分型ADC,一般精度高,对周期变化的干扰信号积分为零,因而具有抗干扰性好、价格便宜等优点,但转换速度慢。逐次比较型ADC,在转换速度上同双积分型相比要快得多。精度较高(例如12位及12位以上的),价格较高。VF变换型ADC,突出优点是高精度,其分辨率可达16位以上,价格低廉,但转换速度不高。ADC的主要性能指标是:分辨率;转换时间;精度;输入电压范围;输入电阻(阻值);供电电源;数字输出特性;工作环境(周围的温度、湿度);保存环境等。要使用一种ADC芯片,我们最熟悉的当然要数ADC0809了,它是8位A/D转换芯片,是采用逐次逼近的方式完成A/D转换的。我们在微机原理等课程中学习过,而且在多个实验中也使用过,对这个芯片,我还是比较熟悉的。下面我来简单介绍几种常见的模数转换芯片的主要特点。第一种:ADC0809 ADC0809是CMOS的8位单片A/D 转换器。片内有8路模拟开关,可控制选择8个模拟量中的一个。A/D转换采用逐次逼近原理。输出的数字信号有TTL三态缓冲器控制,故可直接连至数据总线。主要功能有:分辨率为8位总的不可调误差在1/2 LSB和1 LSB范围内。转换时间为100us。具有锁存控制的8路多路开关。输出有三态缓冲器控制。单一5V电源供电,此时模拟输入范围为05V。输出与TTL兼容。工作温度范围为4085。第二种:TLC 549TLC 549是CMOS的8位A/D转换芯片,是一种基于逐次逼近原理的ADC芯片。这种器件是专为微处理器和周边器件的三态数据输出和模拟输入提供串行接口。TLC 549只需要两个引脚就能控制数据的输入或者输出,分别是CLK芯片时钟输入端和CS芯片使能端。TLC 549数据输入的最大频率能达到1.1 MHz。其主要特点如下: 8位A/D转换芯片差分参考电压输入。最大转换时间为17us,速度相当高。具有锁存控制的8路多路开关。每秒钟转换频率高达4万次。最大转换误差0.5 LSB。供电范围3V到6V之间,最大功耗15 Mw。采用CMOS低功耗技术。第三种:ADC 0832ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种8 位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小,兼容性强,性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎,其目前已经有很高的普及率。其主要特点如下: 8位分辨率; 双通道A/D转换; 输入输出电平与TTL/CMOS相兼容; 5V电源供电时输入电压在05V之间; 工作频率为250KHZ,转换时间为32S; 一般功耗仅为15mW; 8P、14PDIP(双列直插)、PICC 多种封装; 商用级芯片温宽为0C to +70C,工业级芯片温宽为40C to +85C;上面简单介绍了几种常见的A/D转换芯片,他们都是8位的A/D,但是各自有各自的特点。首先ADC0809 是8个通道的芯片,能够同时进行8路信号的转换,其转换的时间相对来说要长一点,同时要占用比较多的单片机I/O口,这个问题当然可以用单片机I/O口分时复用的方法来解决,但是这样做无疑增加了程序设计的难度,所以在本次硬件电路的设计中不考虑使用ADC0809模数转换芯片。其次,TLC 549和 ADC 0832都是8个引脚的AD芯片,占用单片机资源也相当少。TLC 549是单通道的串行转换芯片,而ADC 0832是双通道的转换芯片。这两个芯片的转换速度快,功耗低,但是由于硬件电路的设计为双传感器设计,需要两路信号采集,在同样的转换精度的前提下,选择两路的ADC 0832 转换芯片要比使用两个单通道的TLC 549在成本上有很大的优越性,所以我选择ADC 0832模数转换芯片。下面的一小节将会详细地介绍这个芯片原理和使用方法。4.3.2ADC0832模数转换芯片简介ADC0832 为8位分辨率A/D转换芯片,其最高分辨可达256级,可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用,使得芯片的模拟电压输入在05V之间。芯片转换时间仅为32S,据有双数据输出可作为数据校验,以减少数据误差,转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入,使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI 数据输入端,可以轻易的实现通道功能的选择。ADC0832的引脚图如图4-3所示。图4-4 ADC0832引脚图芯片引脚说明: CS_ 片选使能,低电平芯片使能。 CH0 模拟输入通道0,或作为IN+/-使用。 CH1 模拟输入通道1,或作为IN+/-使用。 GND 芯片参考0 电位(地)。 DI 数据信号输入,选择通道控制。 DO 数据信号输出,转换数据输出。 CLK 芯片时钟输入。 Vcc/REF 电源输入及参考电压输入(复用)。单片机对ADC0832 的控制原理:正常情况下ADC0832 与单片机的接口应为4条数据线,分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的,所以电路设计时可以将DO和DI 并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平,此时芯片禁用,CLK 和DO/DI 的电平可任意。当要进行A/D转换时,须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作,同时由处理器向芯片时钟输入端CLK 输入时钟脉冲,DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1 个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平,表示启始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2 位数据用于选择通道功能,其功能项见图4-5。如表1 所示,当此2 位数据为“1”、“0”时,只对CH0 进行单通道转换。当2位数据为“1”、“1”时,只对CH1进行单通道转换。当2 位数据为“0”、“0”时,将CH0作为正输入端IN+,CH1作为负输入端IN-进行输入。当2 位数据为“0”、“1”时,将CH0作为负输入端IN-,CH1 作为正输入端IN+进行输入。到第3个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用,此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7,随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0,一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据,即从第11个字节的下沉输出DATD0。随后输出8位数据,到第19 个脉冲时数据输出完成,也标志着一次A/D转换的结束。最后将CS置高电平禁用芯片,直接将转换后的数据进行处理就可以了。更详细的时序说明请见图4-6。图4-5 ADC0832通道选择字图4-6 ADC0832时序图作为单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是05V且8位分辨率时的电压精度为19.53mV。如果作为由IN+与IN-输入的输入时,可是将电压值设定在某一个较大范围之内,从而提高转换的宽度。但值得注意的是,在进行IN+与IN-的输入时,如果IN-的电压大于IN+的电压则转换后的数据结果始终为00H。4.3.3ADC0832模数转换电路设计ADC0832 与单片机连接的电路非常简单,正常情况下只占用单片机的三个I/O口,分别是时钟输入端CLK、片选端CS和数据输入输出端DI和DO。数据输入输出端DI和DO引脚可以共同占用单片机一个I/O口,本次电路设计中将他们分开占用单片机两个I/O口,电路图如图4-7所示:图4-7 ADC0832电路连接图4.4 LED数码管显示电路设计在仪器的硬件电路设计中,信息显示模块的设计是一个很重要的部分。现在比较常见的显示器件有LED发光二极管、LED数码管和LCD液晶显示模块等等。一般来说,使用LED发光二极管进行信息显示,接口电路简单,但是能够显示的信息也简单,常见用于要求不高的场合;使用LED数码管进行信息显示,能够显示一些数字和字符,但占用单片机资源较多,在要求一般的场合比较适用,成本也适中;而使用LCD液晶显示模块进行电路设计,能够显示比较丰富的信息,比如LCD1602能够显示数字和字符,LCD12864则能够显示字符、数字和汉字等,是一种现在比较流行的元器件,设计成本自然也会高一点。在本课题中,我们选择使用8位LED数码管来进行信息的显示,具体的电路设计将会在下面的一小节中介绍。4.4.1LED数码管的结构和工作原理LED数码管的结构:八段LED显示管有八只发光二极管组成,编号是a、b、c、d,e,f和SP,分别和同名管脚相连。七段LED显示管比八段LED少一只发光二极管SP,其它和八段LED相同。在给每个二极管通电后,二极管发光后表示要显示的数字的一部分,当组成这个数字的所有二极管都发亮时,才能正确的显示这个数字。LED显示器是单片机应用系统中常用的廉价输出设备。它是由若干个发光二极管组成的,当发光二极管导通时,相应的一个点或一段笔画发亮。控制不同组合的二级管导通,就能显示出各种字符。使用LED显示器的时候,为了显示数字或是字符,要为LED显示器提供代码,因为这些代码是通过各个段的亮与灭来显示不同字符的,因此称之为段码。LED 数码管的工作原理:由N个LED显示块可以接成N位LED显示器。N个LED显示块有N根位选线和8*N根段选线。根据显示方式的不同,位选线和段选线的连接方法也各不同。段选线控制显示字符的字型,而位选线为各个LED显示块的公共端,它控制该LED显示位的亮或暗。LED 数码管的显示方式: LED 数码管的显示方式可以分为静态显示和动态显示两种,介绍如下:LED显示器工作于静态显示方式时,各位的共阴极或是共阳极连接在一起并接地(或是+5V);每段的段选线(adp)分别与一个8位的锁存器输出连接。所以称为静态显示。LED的显示字符一经确定,相应锁存器的输出将维持不变,直到显示另一个字符为止。也正是因为如此,静态显示的亮度都较高。在多位LED显示时,为了简化硬件电路,通常将所有位的段选线相应的并联在一起,由一个8位I/O口控制,形成段选线的多路复用。而各位的共阴极或是共阳极分别由相应的I/O线冬至,实现各位的分时选通。如以一个四位段显示为例来说明,其中段选线占用一个8位I/O口,而位选线占用一个4位I/O口。由于各位的段选线并联,段码的输出对于各位来说都是相同的。因此次,同一时刻,如果各位位选线都处于选通状态的话,4位LED将显示相同的字符。若要各位LED能够显示出与本位相应的显示字符,就必须采用扫描显示方式,即在某一时刻,只要让某一位的位选线处于选通状态,而其他各位的为选线处于关闭状态,同时,段选线上输出相应位要显示字符的段码。这样同一时刻,只让下一位的位选线处于选通状态,而其他各位的位选通处于关闭状态,同时,在段选线上输出相应位将要显示字符的段码,则同一时刻,只有选通位显示出相应的字符,而其他各位都是熄灭的。如此循环下去,就可以使各位显示出将要显示的字符。虽然这些字符上在不同时刻出现的,而且同一时刻,只有一个位显示,其他各位熄灭,但是LED显示器的余辉和人眼的视觉暂留作用,只要每位显示间隔足够短,则可以造成多位同时亮的假象,达到同时显示的目的。4.4.2LED数码管显示电路设计本课题要求能够实时检测煤气的浓度,所以LED数码管显示模块的电路设计要使用动态显示的方式。而数码管的连接采用共阴或者共阳的接法均可,本次设计中数码管的接法采用共阳接法。 共阳极数码管的8个发光二极管的阳极(二极管正端)连接在一起,通常,公共阳极接高电平(一般接电源),其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为低电平时,则该端所连接的字段导通并点亮,根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时,要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流,还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。下面我们来看一下数码管显示电路图,如图4-8所示:图4-8 数码管显示电路设计说明:在单片机的内部结构中,P0口内部没有强上拉,输出电流比较小,所以驱动能力也比较小。而P1、P2和P3口内部有强上拉,能够输出较大的电流,驱动能力也比较强。在上面的电路设计中,数码管的驱动采用共阳接法,数码管的段码由单片机的P0口输出,而位码则由单片机的P2口输出。为了进一步增强单片机的驱动能力,在单片机的I/O口中串接一个2K的上拉电阻,根据我们的经验,串接这样大小的一个电阻,数码管的亮度比较合适。在单片机P0口输出段码后,每位数码管都接受段码,然后由单片机的P2口输出位码,用来决定哪一位数码管显示字形。在段码和位码都输出后,延时2到8毫秒,显示的字形不会有闪烁感。在次输出段码和位码,如此循环扫描,就成了数码管的动态显示。4.5 直流稳压电源电路设计在电子电路中,通常都需要电压稳定的直流电源供电。本次课题的煤气超标自动开窗器的设计一般安装在家庭的厨房,如果是和往常那样电路的供电来自电脑的USB取电,显然是不合理的,所以我们要为控制电路板的供电单独设计一个直流稳压电源。一般而言,中小功率的直流稳压电源一般由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。在电源的设计中,电源变压器一般能在电子商店里买到,下面重点介绍一下整流电路、滤波电路和稳压电路的设计。一、整流电路整流电路是中小功率直流稳压电路电源的组成部分,其主要功能是利用二极管的单向导电性,将正弦交流电转变成单方向的脉动直流电。常用的整流电路有:1、半波整流电路半波整流就是利用二极管的单向导电性能,使经变压器出来的电压Vo只有半个周期可以到达负载,造成负载电压VL是单方向的脉动直流电压。2、全波整流电路利用副边有中心抽头的变压器和两个二极管构成如下图所示的全波整流电路。从图中可见,正负半周都有电流流过负载,提高了整流效率。全波整流的特点:输出电压VO高;脉动小;正负半周都有电流供给负载,因而变压器得到充分利用,效率较高。3、桥式整流电路桥式整流属于全波整流,它不是利用副边带有中心抽头的变压器,而是用四个二极管接成电桥形式,使在电压V2的正负半周均有电流流过负载,在负载形成单方向的全波脉动电压。二、滤波电路整流电路输出波形中含有较多的纹波成分,与所要求的波形相去甚远。所以通常在整流电路后接滤波电路以滤去整流输出电压的纹波。滤波电路常有电容滤波,电感滤波和RC滤波等。1、电容滤波电路由于电容的储能作用,使得输出波形比较平滑,脉动成分降低输出电压的平均值增大。电容放电的时间=RLC越大,放电过程越慢,输出电压中脉动(纹波)成分越少,滤波效果越好。一般取(35)T/2,T为电源交流电压的周期。2、电感滤波电路电感滤波电路利用电感器两端的电流不能突变的特点,把电感器与负载串联起来,以达到使输出电流平滑的目的。从能量的观点看,当电源提供的电流增大(由电源电压增加引起)时,电感器L把能量存储起来;而当电流减小时,又把能量释放出来,使负载电流平滑,所以电感L有平波作用。优点:整流二极管的导电角大,峰值电流小,输出特性较平坦。缺点:存在铁心,笨重、体积大,易引起电磁干扰,一般只适应于低电压、大电流的场合。图4-9 三端稳压集成电路三、三端稳压集成电路以7800系列和7900系列为例,其封装形式和引脚功能如图4-9所示。应用时必须注意引脚功能不能接错,否则电路将不能正常工作,甚至损坏集成电路。本设计中的稳压电源设计如图4-10所示;图4-10 直流稳压电路设计说明:使用一个输出为1518V的变压器,将220V的市电变压到所要求的电压,然后接入到上面的电路中。经过整流、滤波和三端稳压器件后就能获得所需电压。因为本电路中要使用到两种电压值的电压,分别是+12V和+5V的电压,所以使用了LM7812和LM7805两个稳压管。4.6 限位开关和报警电路设计限位开关的作用主要是用来传递一个信号,当微处理器发出指令驱动电机来将窗户打开,当碰到限位开关闭合,说明窗户已经完全打开或者关闭。微处理器家接收到这个信号后就发出指令将电机停止下来。而报警电路则是控制系统中比较重要的部分,当系统检测到厨房煤气浓度超标时,报警器发出报警声,以引起主人的注意。这部分的电路设计如图4-11所示:图4-11 限位开关和报警电路说明:两个限位开关,分别安装在窗户的左边和右边。当限位开关没有闭合时,单片机引脚检测到引脚电位为高电平,当限位开关闭合时,单片机引脚检测到引脚电位为低电平,单片机根据检测到的信息以一定的逻辑进行判断。在报警电路部分,当单片机的输出高电平时,PNP三极管不能导通,因此蜂鸣器也不会发出声音。在检测到厨房煤气浓度超标时,单片机输出低电平,蜂鸣器就会响起来。如果按照一定的频率来控制单片机引脚轮流输出高低电平,那么蜂鸣器也就会发出一定频率的声音了。4.7 应急处理电路设计当系统检测到厨房的煤气浓度超标时,系统会驱动蜂鸣器发出报警声。在报警声响起一份钟过后,如果还没有人来到现场进行处理,那么煤气中毒和煤气爆炸的危险依然存在。因此我们必须在控制系统中加入一些防止出现意外事故的应急处理措施。在厨房煤气浓度超标的情况下,如果没有人来到现场进行处理,那么系统就要启动应急措施,包括启动煤气阀门将气源关闭、驱动电机将窗户打开和启动排气扇进行排气等等。这三个模块的电路设计将会在以下三个小节中具体介绍。4.7.1直流电机控制电路设计要用单片机对直流电机进行控制,为了防止外部电流对单片机的影响,在控制电路的设计中,我们通常采用光藕来进行光电隔离。光电耦合器件有很多用处,可用做隔离、控制作用,可用于接口电路、监视电路、光电计数器等装置。在本设计中,主要是起隔离、控制的作用,一头连接单片机,另一头连接电动机的驱动电路。使两部分的电流相互独立,这样驱动电路中较大的电流。不至于回馈、影响另一端的电路。下面我们先来看一下光藕的基本原理。光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电光电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内,彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端,受光器的引脚为输出端,常见的发光源为发光二极管,受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。光电耦合器的种类较多,常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。光藕的工作原理是在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光,光的强度取决于激励电流的大小,此光照射到封装在一起的受光器上后,因光电效应而产生了光电流,由受光器输出端引出,这样就实现了电光电的转换。它具有如下一些主要特点:共模抑制比很高在光电耦合器内部,由于发光管和受光器之间的耦合电容很小(2pF以内)所以共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小,因而共模抑制比很高。输出特性光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流IF下,光敏管所加偏置电压VCE与输出电流IC之间的关系,当IF=0时,发光二极管不发光,此时的光敏晶体管集电极输出电流称为暗电流,一般很小。当IF0时,在一定的IF作用下,所对应的IC基本上与VCE无关。IC与IF之间的变化成线性关系,用半导体管特性图示仪测出的光电耦合器的输出特性与普通晶体三极管输出特性相似。光电耦合器可作为线性耦合器使用在发光二极管上提供一个偏置电流,再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上,这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号,其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。光电耦合器也可工作于开关状态,传输脉冲信号。在传输脉冲信号时,输入信号和输出信号之间存在一定的延迟时间,不同结构的光电耦合器输入、输出延迟时间相差很大。在介绍了光藕的基本原理后,我们可以开始进行电机驱动电路的设计了,下面我们来看一下电机驱动电路的设计原理图,如图4-12所示:图4-12 直流电机驱动电路说明:在本次的电路设计中,直流电机的作用主要是将窗户打开,没有速度控制的要求,只要求能够实现正反转即可。上面的电路中,一共要控制两个直流电机,分别由单片机的P1.4和P1.5口控制直流电机1,由P1.6 和P1.7口控制直流电机2。在光藕的发光端接一个LED发光二极管用于显示哪个电机是正转还是反转。其工作原理如下:在单片机的控制口输出高电平时,光藕发光端不亮,接收端接收不到光线也不导通,这时候PNP三极管基极的电压基本为零,而集电极的电压为+12V。三极管不能导通,继电器的线圈没有电流流过,继电器没有动作。在继电器没有动作的情况下,直流电机的两端都是接地的,所以直流电机也不转动。当单片机的控制口输出低电平时,光藕发光端亮,接收端接收到光线后光藕导通,这时候PNP三极管基极电压约为+9V,而集电极电压为+12V,三极管导通,继电器的线圈有电流流过,继电器动作,直流电机也就转动起来。由上面的分析可知,在控制同一个直流电机的两个单片机I/O口中,当其中一个I/O口输出高电平,而另一个单片机I/O口输出低电平时,就能控制一个直流电机的正反转了。另外一个直流电机的控制原理也如此,这里就不再复述了。4.7.2煤气阀门控制电路设计在正常工作条件下,煤气阀门是常开的。煤气阀门的主要作用是在系统检测到煤气浓度超标时,由微处理器发出指令将煤气阀门关闭,以切断气源。这一部分的设计电路如图4-13所示图4-13 煤气阀门控制电路说明:由单片机的P3.7口控制煤气阀门的打开和关闭。当控制口输出高电平时,PNP三极管是不导通的,所以NPN三极管也不导通,阀门不动作。当控制口输出低电平时,PNP三极管导通,继而NPN三极管也导通,于是阀门动作。4.7.3排气扇控制电路设计厨房煤气浓度超标时,启动排气扇将可燃气体排出室外,以防止煤气中毒或者煤气爆炸事故的发生。下面是排气扇控制电路设计图,如图4-14所示:图4-14 排气扇控制电路设计说明:在这个电路设计中同样使用了光藕和继电器。排气扇由单片机的P3.7口来控制,当控制口输出高电平时,光藕导通,继电器线圈通电后将开关吸合,排气扇就能启动了。其中J?这个接口用于排气扇的供电,J18接口用于接排气扇。4.8 单片机串口通讯电路设计单片机串口通讯这部分电路的设计属于设计任务不作要求的部分,因此这个部分是额外完成的部分。串行通信接口标准经过使用和发展,目前已经有几种。但都是在RS-232标准的基础上经过改进而形成的。所以,以RS-232C为主来讨论。RS-323C标准是美国EIA(电子工业联合会)与BELL等公司一起开发的1969年公布的通信协议。它适合于数据传输速率在020000b/s范围内的通信。这个标准对串行通信接口的有关问题,如信号线功能、电器特性都作了明确规定。由于通行设备厂商都生产与RS-232C制式兼容的通信设备,因此,它作为一种标准,目前已在微机通信接口中广泛采用。4.8.1串行通讯的基本知识串行通讯的基本概念:与外界的信息交换称为通讯。基本的通讯方式有并行通讯和串行通讯两种。一条信息的各位数据被同时传送的通讯方式称为并行通讯。并行通讯的特点是:各数据位同时传送,传送速度快、效率高,但有多少数据位就需多少根数据线,因此传送成本高,且只适用于近距离(相距数米)的通讯。一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。串行通讯的特点是:数据位传送,传按位顺序进行,最少只需一根传输线即可完成,成本低但送速度慢。串行通讯的距离可以从几米到几千米。根据信息的传送方向,串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。信息只能单向传送为单工;信息能双向传送但不能同时双向传送称为半双工;信息能够同时双向传送则称为全双工。串行通讯又分为异步通讯和同步通讯两种方式。在单片机中,主要使用异步通讯方式。MCS-51单片机有一个全双工串行口。全双工的串行通讯只需要一根输出线和一根输入线。数据的输出又称发送数据(TXD),数据的输入又称接收数据(RXD)。串行通讯中主要有两个技术问题,一个是数据传送、另一个是数据转换。数据传送主要解决传送中的标准、格式及工作方式等问题。数据转换是指数据的串并行转换。具体说,在发送端,要把并行数据转换为串行数据;而在接收端,却要把接收到的串行数据转换为并行数据。如果在通信过程的任意时刻,信息只能由一方A传到另一方B,则称为单工。如果在任意时刻,信息既可由A传到B,又能由B传A,但只能由一个方向上的传输存在,称为半双工传输。如果在任意时刻,线路上存在A到B和B到A的双向信号传输,则称为全双工。由于单工通讯现在已经很少用到了,下面我们介绍一下全双工通讯和半双工通讯。1、全双工方式(full duplex)当数据的发送和接收分流,分别由两根不同的传输线传送时,通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作,这样的传送方式就是全双工制,如图1所示。在全双工方式下,通信系统的每一端都设置了发送器和接收器,因此,能控制数据同时在两个方向上传送。全双工方式无需进行方向的切换,因此,没有切换操作所产生的时间延迟,这对那些不能有时间延误的交互式应用(例如远程监测和控制系统)十分有利。这种方式要求通讯双方均有发送器和接收器,同时,需要2根数据线传送数据信号。(可能还需要控制线和状态线,以及地线)。图4-15 为全双工通讯示意图。图4-15 全双工通讯(收发双方的波特率要相同)2、半双式方式(half duplex)若使用同一根传输线既作接收又作发送,虽然数据可以在两个方向上传送,但通信双方不能同时收发数据,这样的传送方式就是半双工制,如图2所示。采用半双工方式时,通信系统每一端的发送器和接收器,通过收/发开关转接到通信线上,进行方向的切换,因此,会产生时间延迟。收/发开关实际上是由软件控制的电子开关。图4-16为半双工通讯示意图。 图4-16 半双工通讯4.8.2RS-232串口通讯标准介绍RS-232C标准(协议)的全称是EIA-RS-232C标准,其中EIA(Electronic Industry Association)代表美国电子工业协会,RS(recommeded standard)代表推荐标准,232是标识号,C代表RS232的最新一次修改(1969),在这之前,有RS232B、RS232A。它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。目前在IBM PC机上的COM1、COM2接口,就是RS-232C接口。(1)电气性能EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。在TxD和RxD上:逻辑1(MARK)=-3V-15V逻辑0(SPACE)=+315V在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上:信号有效(接通,ON状态,正电压)+3V+15V信号无效(断开,OFF状态,负电压)=-3V-15V以上规定说明了RS-323C标准对逻辑电平的定义。对于数据(信息码):逻辑“1”(传号)的电平低于-3V,逻辑“0”(空号)的电平高于+3V;对于控制信号;接通状态(ON)即信号有效的电平高于+3V,断开状态(OFF)即信号无效的电平低于-3V,也就是当传输电平的绝对值大于3V时,电路可以有效地检查出来,介于-3+3V之间的电压无意义,低于-15V或高于+15V的电压也认为无意义,因此,实际工作时,应保证电平在(315)V之间。(2)电平转换EIA-RS-232C与TTL转换:EIA-RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态,与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此,为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接,必须在EIA-RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可用分立元件,也可用集成电路芯片。目前较为广泛地使用集成电路转换器件,MAX232芯片可完成TTLEIA双向电平转换,本系统中由于下载器单片机输入输出采用COMS电压,因此在串口与其接口部分即采用MAX232作为电平转换,图3.14显示了MAX232的内部结构、引脚和具体连接方法。(3)接口物理定义连接器:由于RS-232C并未定义连接器的物理特性,因此,出现了DB-25、DB-15和DB-9各种类型的连接器,其引脚的定义也各不相同。图3.15分别介绍两种连接器。DB-25: PC和XT机采用DB-25型连接器。DB-25连接器定义了25根信号线,分为4组:异步通信的9个电压信号(含信号地SG)2,3,4,5,6,7,8,20,2220mA电流环信号 9个(12,13,14,15,16,17,19,23,24)空6个(9,10,11,18,21,25)保护地(PE)1个,作为设备接地端(1脚)DB-9连接器它提供异步通信的9个信号。DB-25型连接器的引脚分配与DB-25型引脚信号完全不同。因此,若与配接DB-25型连接器的DCE设备连接,必须使用专门的电缆线。电缆长度:在通信速率低于20kb/s时,RS-232C所直接连接的最大物理距离为15m(50英尺)。最大直接传输距离说明:RS-232C标准规定,若不使用MODEM,在码元畸变小于4%的情况下,DTE和DCE之间最大传输距离为15m(50英尺)。可见这个最大的距离是在码元畸变小于4%的前提下给出的。为了保证码元畸变小于4%的要求,接口标准在电气特性中规定,驱动器的负载电容应小于2500pF。4.8.3单片机串口通讯电路设计通过上面对串口通讯原理的介绍和连接器的使用说明,我们设计的串口通讯电路如图4-17所示。RS-232C规标准接口有25条线,4条数据线、11条控制线、3条定时线、7条备用和未定义线,常用的只有9根,它们是:联络控制信号线:数据装置准备好(Data set ready-DSR)有效时(ON)状态,表明MODEM处于可以使用的状态。数据终端准备好(Data set ready-DTR)有效时(ON)状态,表明数据终端可以使用。这两个信号有时连到电源上,一上电就立即有效。这两个设备状态信号有效,只表示设备本身可用,并不说明通信链路可以开始进行通信了,能否开始进行通信要由下面的控制信号决定。请求发送(Request to send-RTS)用来表示DTE请求DCE发送数据,即当终端要发送数据时,使该信号有效(ON状态),向MODEM请求发送。它用来控制MODEM是否要进入发送状态。允许发送(Clear to send-CTS)用来表示DCE准备好接收DTE发来的数据,是对请求发送信号RTS的响应信号。当MODEM已准备好接收终端传来的数据,并向前发送时,使该信号有效,通知终端开始沿发送数据线TxD发送数据。这对RTS/CTS请求应答联络信号是用于半双工MODEM系统中发送方式和接收方式之间的切换。在全双工系统中作发送方式和接收方式之间的切换。在全双工系统中,因配置双向通道,故不需要RTS/CTS联络信号,使其变高。接收线信号检出(Received Line detection-RLSD)用来表示DCE已接通通信链路,告知DTE准备接收数据。当本地的MODEM收到由通信链路另一端(远地)的MODEM送来的载波信号时,使RLSD信号有效,通知终端准备接收,并且由MODEM将接收下来的载波信号解调成数字两数据后,沿接收数据线RxD送到终端。此线也叫做数据载波检出(Data Carrier dectection-DCD)线。振铃指示(Ringing-RI)当MODEM收到交换台送来的振铃呼叫信号时,使该信号有效(ON状态),通知终端,已被呼叫。数据发送与接收线发送数据(Transmitted data-TxD)通过TxD终端将串行数据发送到MODEM,(DTEDCE)。接收数据(Received data-RxD)通过RxD线终端接收从MODEM发来的串行数据,(DCEDTE)。地线有两根线SG、PG信号地和保护地信号线,无方向。图4-17 单片机串口通讯电路设计上述控制信号线何时有效,何时无效的顺序表示了接口信号的传送过程。例如,只有当DSR和DTR都处于有效(ON)状态时,才能在DTE和DCE之间进行传送操作。若DTE要发送数据,则预先将DTR线置成有效(ON)状态,等CTS线上收到有效(ON)状态的回答后,才能在TxD线上发送串行数据。这种顺序的规定对半双工的通信线路特别有用,因为半双工的通信才能确定DCE已由接收方向改为发送方向,这时线路才能开始发送。4.9 本章小结本章详细介绍了煤气超标自动开窗器控制系统硬件电路的设计。对每个部分的设计原理、元件的选用和电路的设计都进行了详细的说明,保证设计出来的硬件电路能够实现预定的功能。在电路的设计过程中,虽然遇到了很多的困难,但是通过查找了很多的资料,以及与老师和同学交流,最后问题都得到了很好的解决。5 系统软件设计为系统设计软件主要是为了配合系统硬件电路的正常工作。实际上编写程序就是将我们的控制思想用一种特定的语言表示出来,以达到控制的目的。单片机系统的开发,常用的编程语言有汇编语言和C语言,根据我平时的习惯,本次系统软件的设计采用C语言。C语言是一种编译型程序设计语言,它兼顾了多种高级语言的特点,并具备汇编语言的功能。C语言有功能丰富的库函数、运算速度快、编译效率高、有良好的可移植性,而且可以直接实现对系统硬件的控制。此外,C语言程序具有完善的模块程序结构,从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保障。因此,使用C语言进行程序设计已成为软件开发的一个主流。用C语言来编写目标系统软件,会大大缩短开发周期,且明显地增加软件的可读性,便于改进和扩充,从而研制出规模更大、性能更完备的系统。5.1 软件系统设计概述本课题软件系统的设计主要由如下几个部分组成:(1)手动模式程序设计:在系统监测到厨房煤气不超标的情况下,如果人们想要将窗户打开或者关闭,由于开窗机构具有自锁的能力,要人动手来打开窗户是不可能的,必须要控制系统驱动电机才能实现这个功能。手动模式程序的设计就是为了解决这个问题而产生的,它通过检测开关量来捕捉人的意图,能够轻松实现人的要求。(2)数据A/D转换程序设计:采样到的感器输出信号后,要进过A/D转换后才能够输入到单片机内部进行处理,这是控制系统中一个很重要的部分。(3)报警中断程序设计:当系统检测到厨房煤气浓度超标时,蜂鸣器发出报警声,一分钟后如果没有人来到现场处理,系统将会启动应急处理措施。这个一分钟报警声音的产生就由单片机内部的定时器T2中断来产生。(4)显示模块、串口通讯模块程序设计:要实现煤气浓度的实时检测,就必须要将采样到的数据实时显示在显示器上。此外,本系统还设计了一个串口通讯的模块,在厨房煤气超标和不超标两种情况下,将会发送不同的信息到PC上。5.2 手动模式程序设计手动模式的程序可以设计成一个独立的子程序,也可以放在主程序初始化后。当系统开机进行初始化后就不停检测是否要执行手动模式程序模块,其检测的原理是通过开关量来判断的。程序如下:/*手动模式程序模块*/if (manual=0) /判断手动开关是否按下delay_nms(10); /延时10ms再次判断按键是否真的按下if (manual=0) /如果手动开关真的按下 if (right=0) /如果窗户处于闭合状态 do motor1f = 0; /两电机反转将窗户打开 motor2f = 0; motor1z = 1; motor2z = 1; while (left!=0); /直到左限位开关闭合为止 motor1f = 1; /窗户关打开后电机停止 motor2f = 1; else /如果窗户处于打开状态 do motor1z = 0; /两电机正转将窗户关闭 motor2z = 0; motor1f = 1; motor2f = 1; while (right!=0) ; /直到右限位开关闭合为止 motor1z=1; /窗户关闭后电机停止 motor2z=1;/*/5.3 数据A/D转换程序设计本系统采用了8位的双通道串行AD转换芯片ADC0832,其主要特点是占用单片机资源少,成本低,读写时序要求比较严格,但是只要对它的时序了解清楚之后,还是能够编写出它的数据采集函数的。本次软件设计的ADC0832数据采集函数如下:/*ADC0832数据采集函数*/unsigned int Adc0832(unsigned char channel) uchar j,i=0, ndat=0;uint dat=0;if(channel=0)channel=2; /通道0控制字if(channel=1)channel=3; /通道1控制字 ADDI=1; /第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平,表示启始信号_nop_();_nop_();ADCS=0;/拉低CS端_nop_();_nop_();ADCLK=1;/拉高CLK端_nop_(); _nop_();ADCLK=0;/拉低CLK端,形成下降沿1_nop_();_nop_();ADCLK=1;/拉高CLK端ADDI=channel&0x1; /由DI口输入通道方式选择字_nop_();_nop_();ADCLK=0;/拉低CLK端,形成下降沿2_nop_();_nop_();ADCLK=1;/拉高CLK端ADDI=(channel1)&0x1;_nop_();_nop_();ADCLK=0;/拉低CLK端,形成下降沿3ADDI=1;/控制命令结束 _nop_();_nop_();dat=0;for(i=0;i8;i+) dat|=ADDO;/收数据 ADCLK=1; _nop_(); _nop_(); ADCLK=0;/形成一次时钟脉冲 _nop_(); _nop_(); dat=1; if(i=7) dat|=ADDO; for(i=0;i8;i+) j=0; j=j|ADDO;/收数据 ADCLK=1; _nop_(); _nop_(); ADCLK=0;/形成一次时钟脉冲 _nop_(); _nop_(); j=j7; ndat=ndat|j; if(i=1;ADCS=1;/拉低CS端ADCLK=0;/拉低CLK端ADDO=1;/拉高数据端,回到初始状态dat=20) /每溢出20次蜂鸣器响一下,即1s输出电平取反一次 T2count = 0; alarmFlag+; bell = bell; if(alarmFlag=10) /响5次后,关闭定时器2 TR2=0; /*/5.5 显示模块、串口通讯模块程序设计显示模块主要是将煤气的浓度动态地显示出来,串口通讯部分主要是定时地向PC发送信息。在下面的程序设计中,每隔3秒钟扫描一次数码管,实现煤气浓度的动态显示,串口通讯模块每隔5秒钟发送一次信息。/*T0中断服务程序*/void intsvr1(void) interrupt 1 TH0=(65535-3000)/256; /重装初值 TL0=(65535-3000)%256; send_count+;/*取数据进行转换*/ buffer = ADC ; /取数据 showdata2=buffer/100; /百位 buffer = buffer%100; showdata1=buffer/10; /十位 showdata0=buffer%10; /个位 a+; if(a=7) a=0; P0=baojingshowdataa; /由P0口输出数码管段码 P2=bitcodea; /由p2口输出相应的位码/*每5秒发送一次信息到电脑上*/ if (send_count=5000) / 5秒判断 if(send_allow=0) puts(煤气超标,请注意安全!); / 发送字符 puts(系统将会在一分钟后启动应急处理措施!); / 发送字符 puts(请尽快到现场进行处理!); / 发送字符 puts(*); /发送字符 send_count=0; else puts(这是我的毕业设计,请大家多多指导!); / 发送字符 puts(从桂电起航,Come On Baby!); / 发送字符 puts(感谢老师和学校的栽培,谢谢!); / 发送字符 puts(%);/ 发送字符 send_count=0; /*/6 硬件电路板制作及调试系统的制作和调试主要是对于硬件电路的制作和软件的调试,下面将对于这部分进行论述。一个系统的应用开发可分为以下五个过程。(1)硬件系统设计调试。根据设计的题目的要求以及系统的功能设计电路部分,在这个环节中要注意电路的合理布局以及对电路的保护。设计完电路后就要制作电路板,完成电路的焊接任务,并且检查电路可以使用。(2)应用程序的设计。根据功能设计程序框图,根据框图编制应用程序,在这个环节中要注意程序的模块化设计,这样可以给自己的程序编制带来很大的便利。 (3)应用程序的仿真调试。指用仿真器对硬件进行在线调试或软件仿真调试,在调试中不断修改、完善硬件及软件,在这个环节中同样要注意模块化的感念,先对于各个模块进行仿真,通过后在对整个系统进行仿真,这样可以在部分仿真中解决问题以节约时间。(4)应用程序的烧写。用专用烧写器可将编译过的二进制源程序文件写入芯片内。 (5)系统脱机运行检查。进行全面检查,针对出现的问题修正硬件、软件或总体设计方案。在这个环节中也要注意模块化的概念。 以上几点就是在调试本设计系统的时候得出的经验和总结,使自己的系统设计能力有了很大的提高。6.1 硬件电路板的制作在电路原理图设计好以后,PCB板的设计也是一个十分重要的内容。电路设计的合理,制成电路板后系统却工作不正常的事情屡见不鲜,究其原因,多半是PCB板的设计存在问题,特别是频率较高的电路和数字模拟混合电路的印刷线路板的设计。要自己动手制作一块质量比较好的PCB板,一般要经过如下的流程,如图6-1所示:图6-1 PCB板制作过程在设计PCB电路板时,首先要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时,印制线条长,阻抗增加,抗噪声能力下降,成本也增加;过小,则散热不好,且邻近线条易受干扰。在确定PCB尺寸后再确定特殊元件的位置。最后,根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行布局。元件布局应该注意的问题在元器件的布局方面,应该把相互有关的元件尽是放得近一些,例如:时钟发生器、晶振、CPU的时钟输入端都易产生噪音,在放置的时候应该把它们靠近些。对于那些易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路、开关电路等,应尽使其远离单片机的逻辑控制电路和存储电路(ROM、RAM),如果可能的话将这些电路另外制成电路板,更加有利于抗干扰,提高电路工作时的可靠性!尽量在关键元件,如ROM、RAM等芯片旁边安装去耦电容。实际上,印制电路板走线,引脚走线和接线等都可能含有较大的电感效应。大的电感可能会在VCC走线上引起严重的开关噪声尖峰。防止VCC走线上的开关尖峰的唯一方法是在VCC与电源地之间安放一个0.1UF的去耦电容。如果电路板上使用的是表面安装零件,可以用片状电容直接紧靠着元件,在VCC引脚上固定。最好是使用瓷片电容,这是因为这种电容有较低的静电损耗(ESL)和高频阻抗,另外这种电容温度和时间上的介质稳定性也很不错。尽量不要使用钽电容,因为它在高频下的阻抗较高。PCB电路板布线应该注意的问题(1)输入输出端用的导线尽量避免相邻平行。(2)印制导线拐弯处取圆弧形,因直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外,尽量避免使用大面积铜箔,否则,长时间受热时,易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时,在本系统中,用栅格状敷铜,这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。(3)在布线的过程中特别要注意,过孔尽量不要布在芯片的下面。特别是贴片形式的芯片。如果在贴片下有过孔,那么这个布线就是错误的。我们在布线的过程中考虑电路的特殊要求,以及为了更好的保护贴片和电路调试的方便,我们采用在贴片的地方,自己做一个DIP的封装,把贴片放在另外一块小板上,这个小板再插在大电路板的DIP上。在实际的制作过程中还要考虑焊芯片的方便。这样我们尽量将芯片的焊线布在底层,这样焊既方便又美观。(4)逻辑地和模拟地要分开布线,不能合用,将它们各处的地线分别与相应的电源地线相连。在设计时,模拟地线应尽量加粗,而且尽可能加大引出端的接地面积。一般来讲,对于输入输出的模拟信号,与单片机电路之间最好通过光耦进行隔离。本次课设的电路的12V和5V的地就应该分开的。(5)在设计逻辑电路的印制板时,其地线应构成闭环形式,提高电路的抗干扰能力。(6)地线应尽量粗。如果地线很细的话,则地线电阻将会很大,造成接地电位随电流的变化而变化,致使信号电平不稳,导致电路的抗干扰能力下降主。在布线允许的情况下,要保证主要地线的宽度至少在23MM心上,元件引脚上的接地线应在1.5MM左右。(7)要注意扫地点的选择。当板上信号频率低于1MHZ时,由于布线和元件之间的电磁感应影响很小,而接地电路形成的环流对于干扰的影响较大,所以要采用一点接地,使其不形成回路。当电路板上信号频率高于10MHZ时,由于布线的电感效应明显,地线阻抗变得很大,此时接地电路形成的环流就不再是主要问题了,所以应采用多点接地,尽是降低地线阻抗。(8)电源线的布置除了要根据电流的大小尽是加粗直线宽度外,在布线进还应使电源线、地线的走线方向与数据线的走线方向一致,在布线工作的,用地线将电路板的底层没有走线的地方铺满,这些方法都有助于增强电路的抗干扰能力。(9)数据线的宽度也应尽可能的宽,以减小阻抗。至少不小于0.3MM,如果采用0.46或者更大则更为理想。由于电路板的过孔会带来约10PF的电容效应,对于高频电路,将会引入太多的干扰,所以在布线的时候,应该注意!到了后期,经过仔细的检查后没有发现错误了就可以开始PCB电路板的制作了。把画好的PCB图用转印纸打印出来,然后把PCB图用电烫斗加热后印制在覆铜板上,电烫斗不要太热,压在板子上不要太久,不然铜板容易烫坏。然后把板子放到氯化铁溶液中把板子上多余的铜腐蚀掉,腐蚀时要小心,氯化铁腐蚀性很强,不要用手和身体其他部位去接触。板子腐蚀完后,用清水把腐蚀好的板子上的硫酸化铁溶液洗干净,把板子擦干。然后拿板子去钻空,钻空要小心仔细,注意保护好自己的安全。把钻好空的板子用砂布擦一擦,是为了把钻空时留下的细碎板沫摩掉。再就是焊接元器件了,安装前应检查器件的质量,焊接时要小心,分清要焊接元器件的正负极,也不要被电烙铁烫着。由于电路板子比较小,各元器件之间的距离比小,电路比较密,所以要防止板子上各电路之间被短路等错误。焊接时可先对电烙铁上焊锡,然后用烙铁对焊盘和元件管脚预热,注意焊接的时间要短,以免损坏元件。在所有的元件都焊接好了以后,下一步就可以进行体统的软硬件调试了。6.2 硬件电路板的调试在印制电路板工作完成之后,根据设计的步骤要求我对自己的硬件电路板进行了调试工作,这里将调试的过程及在调试的过程中所遇到的问题提出来进行讨论,以便能够进一步的掌握设计工作的要领。1、检测元器件检测所有元器件的好坏,是否正常工作,导线是否导通等。具体的实现方法是先检测电容、电阻及导线是否短接,采用的工具是万用表。2、检测各个引脚信号给电路接通电源,大概用手摸一下元器件是否发热,有的话,关掉电源,进行再次检测;没有的话,则测试所有芯片的VCC端电压是否达到要求,接地端是否都接地,无误后,则开始对电路中所用到的引脚进行信号波形测试,所使用的工具最好是示波器。当以上检测都没有什么问题的时候,就可以烧写单片机程序,进行整体调试了,调试的结果能达到设计的要求数据,就算硬件设计工作完成。6.3 软件调试本系统采用的编程语言采用的是C语言,编程所采用的软件是Keil uVision2 MCS-51编程软件。该软件最大的好处就是在单片机C语言软件调试过程中,在语句中出现的语法错误,软件会提示出来,以便于更正。因此,软件调试主要的工作是检查头文件是否正确,是否与单片机的端口地址相匹配。其次,就是检查初始化程序的正确性,根据设计的要求定义正确的初始化程序,为后面程序的执行做好铺垫作用。然后就是根据软件实现步骤逐个检查程序的可行性,以及程序的嵌套性是否都能达到设计的要求。在调试的过程中最好的方式就是模块化调试,即将整个系统分成若干的部分,分别对每个部分进行单独的调试,这样比较容易找出硬件电路设计中存在的问题。在每个模块都调试好后就可以进行总的调试,其实在各个部分调试成功之后总的调试不会出现很大的问题的。在总的调试工程中要注意总体变量和局部变量的区别。另一个需要调试的就是控制的准确性问题,因为在写程序初期并没有结合硬件电路,因为计算和实际有一定差距的,所以必须在总的调试和部分调试的时候进行修正,提高控制的准确性。最后,经过调试基本上达到设计要求。7 总结经过几个月的努力,终于完成了毕业设计任务的要求了,虽然本课题属于机电结合类的课题,但主要的工作还是在于单片机控制系统的设计。通过搜集气体传感器的相关资料,了解国内外气体传感器发展的现状和趋向。在控制体统的设计中,通过对设计方案的比较,提出了一种比较可行的方案。在软件系统的设计中,结合单片机的功能特点及其控制特性,利用简便的单片机C-51语言和其内部时钟,以单片机作为检测和控制的核心。根据设计方案,详细地阐述了单片机的控制原理、传感器使用方法、PCB板的制作,设计了相应的硬件电路和系统软件,制作了电路原理样机并进行调试。结果表明,所设计的电路和软件能完成基本的测试功能。本设计完成的工作超出了任务书中规定的设计任务。提出了应用串口技术实
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