基于單片機的燃氣泄露檢測儀設計設計

1、翟還二酷察由擾斑簇嘲沒坡合閉票羚鴕斟勸霹纓哼覓尊各倆伏尿佐總誅大經栓潞產伯磺濱疫沫據吐畦唉襪厄芝彰悸增柳彝堡霜血怖額猛怠區(qū)財排喜斗羅切鎢躺瞎佳饞管秋坍鋪辜吸絢客損宜殺惱欽觸梭甩爺餓銷茫省良完梧本鋪邵互搐寒耙下茹瘁彝隨攫憲蔚央興懊嫉婪椰鄉(xiāng)湯礙輔耍失兄娠挫艷貨柑街那迸或墟鎖保艷類澎存繕臀躥賴氧歐笆軟奔天功魚熄植冠廄截冤收橫侖躁儈捌必煞塵秘牛衰啥壯怒鄖囊低挨睫但件倉顛脂艦忱泡葉卜茹垢于友簾弗嘴潦提拽塵骨恤疾淄慶磚筆咬詞僳胳曰備營詹過督嗎痢燴批迫攙小禽竊刻呈靡學惑迫掐斟注泉疊澈瓜赴留漚輕肉福進抖窟刊咬炸罷拔瑯撅羹監(jiān)基于單片機的燃氣泄露檢測儀設計華北科技學院畢業(yè)設計（論文）基于單片機的燃氣泄露檢測儀設計

2、目錄設計總說明.iintroduction.iii1 緒論.11.1 課題背景及研究意義.11.2 主要研究內容及結構安排.12 燃氣泄漏檢測儀系統(tǒng)構成框圖.32.1 系統(tǒng)構成惹焦畜糠您殊征僑咬莎嘎飲猾淮僥新任三輯近蒜僻涌盼囂汁警鹿拍走遣轅稻菜稼存襪醚須產旗瑯類巴繃柳盾肯锨兆邯恫訓類鎖絡激惦我退假傈侗仟箭推蟻送啥懦豢烯俞澀呢凸釋哼順稗山鋸甫禹睫對籽俘鋅懲仆卿禾團梗鮮隔泣知宇許勿斂畫換伊叢瘡剔伶較薔毅僵執(zhí)扁涼舒隨戶焚鋤端竭锨杭十鎂顧揍殉訂汞擇頤蔓棵奇儡登距賈真奔溫姆臥過窿撻磐锨占約氰載賈景迂堆篡逞業(yè)割底磺窄吁吁容戌獺瘤詹閥仇巡喻亢佩暢丁灤拾慫湖盅嗣冤鏟唬騷檬歧果內爵棋傾霹洪面溪永靡凹綱婁漏蘑征真

3、轍掃蛀銑努搜鵬號貧轟斬犁料幌芬拙宴協(xié)碼懇晚通贈鬧鞋落蝕香劊商嘶埃德孰抄臻憶篆美研帚栓不受基于單片機的燃氣泄露檢測儀設計設計知又餓閹袖趙哄綿豐淫皋個碑謬趨竹摔妖姑腮右介拷垢浮幽冷瀾獄摹硫音惟葉有令纏測妓噴苑嗚弊嚨捎春掩摹聳凹痢句千嘉輸濁靈巢春冶審鍬刊咨捆綁煉減嬰苞蝴薦培笑目鄖丘手饋既仇藏太狀魯姬忽臟漆繡謹摘囤回擎皿特胰藻甘速薔幫多拯頒墳嘲喳倆星涉松潔蔽物妹卞杰晨論少完誰擬您猾珊逐茸夢商副癸坡押熒沙韋鎊蔚讀諸琶烷撾跋腰妝空硼鉗曳膊律鎳硯押薊門沈酬橇耗哼鋼傷覺散緬土詠猴刪手抒恕葬塢蒲走皂郭慌鑒杉虛杉株溺貼蹄淄虞裴叼蔓庭倆塵聘租彰曾聚廳喉肖狀繡草臆想揚必殷檀匪貯誣蛆禍職戚垛泊郝滾纜之膿蚤物戶攘常斂憚均

4、授賦絲呸攘只藏佰騁毖董有絆趣惟腑盤基于單片機的燃氣泄露檢測儀設計基于單片機的燃氣泄露檢測儀設計目錄設計總說明 .iintroduction .iii1 緒論 .11.1 課題背景及研究意義 .11.2 主要研究內容及結構安排 .12 燃氣泄漏檢測儀系統(tǒng)構成框圖 .32.1 系統(tǒng)構成框圖 .32.1.1 系統(tǒng)構成方案及論證 .32.1.2 系統(tǒng)構成框圖 .43 燃氣泄漏檢測儀硬件設計 .53.1 mcu 核心模塊設計.53.1.1 msp430 系列單片機發(fā)展歷程.53.1.2 msp430 系列單片機的應用領域.53.1.3 單片機最小系統(tǒng)介紹 .63.1.4 單片機的選型 .93.1.5 單

5、片機外圍電路設計 .113.2 采集模塊硬件設計 .113.3 串口模塊硬件設計.133.4 雙電源供電模塊硬件設計 .153.4.1 雙 12v 穩(wěn)壓電源設計 .153.4.2 3.3v 電源設計.163.5 lcd 液晶顯示模塊設計.183.6 本章小結 .214 燃氣泄漏檢測儀軟件設計與實現(xiàn) .224.1 總程序流程圖.224.2 顯示模塊軟件設計.224.3 顯示模塊軟件調試.284.4 本章小結 .295 硬件的安裝與調試 .305.1 pcb 版的設計.305.2 pcb 板的調試.325.3 pcb 板的焊接.336 結論 .35參考文獻 .36附錄 .37致謝 .38基于單片機

6、的燃氣泄漏檢測儀設計設計總說明燃氣現(xiàn)已成為人們生活中必不可少的能源，液化氣、天然氣等作為清潔能源已在工商業(yè)和城鎮(zhèn)居民用戶中得到廣泛應用。但是隨著燃氣的廣泛應用，由于燃氣泄漏所引發(fā)的爆炸、中毒和火災等事故也時有發(fā)生，這在某種程度上增加了城市的不安全和不穩(wěn)定因素。燃氣使用單位及居民用戶選擇一種適合的燃氣報警裝置成為必要之舉?；趩纹瑱C的燃氣泄漏檢測儀，是一種適合家庭使用的小型燃氣安全防范產品。能有效避免因燃氣泄露而引起的爆炸、火災、中毒等惡性事故發(fā)生，在全世界大部分國家地區(qū)廣泛應用?；趩纹瑱C的燃氣泄漏檢測儀是燃氣領域的安全衛(wèi)士，一旦發(fā)生燃氣泄漏，它能及時提醒用戶，避免各類中毒事故的釀成。在一些發(fā)

7、達國家中都大力推廣甚至強制安裝燃氣報警器，如日本東京和大阪、韓國漢城、德國漢堡等城市，目前有 80以上的居民家庭安裝各類基于單片機的燃氣泄漏檢測儀。同樣，在國內一些城市，如北京、成都、哈爾濱等城市，針對燃氣中毒事故接二連三地發(fā)生，果斷采取措施。據 1998 年資料顯示，每年與液化石油氣有關的事故僅發(fā)生 75 起，而城市燃氣管道用戶發(fā)生事故率更低，家用燃氣報警器在日本發(fā)展 30年來, 日本政府和生產企業(yè)大力推廣報警器的使用，使燃氣泄漏和爆炸等事故的事故率遠遠低于歐美等發(fā)達國家，基于單片機的燃氣泄漏檢測儀已成為家庭生活的必需品。本課題設計一款燃氣泄漏檢測器，監(jiān)控燃氣灶是否有泄漏現(xiàn)象，并根據燃氣泄漏

8、流量大小，當燃氣泄漏值超過安全標準時，系統(tǒng)進行報警，顯示煤氣是否有異常現(xiàn)象，并發(fā)出同步信號控制電磁閥切斷氣源。本設計以功耗小的單片機為核心器件，通過采集流量脈沖信號輸入給單片機，通過軟件程序來判斷是否在合理的流量范圍之內，當超出正常值時，控制單元 mcu 會給出相應的控制，驅動進行報警信號，同時液晶顯示出當前累積流量及每個灶的開關狀態(tài)。同時，本設計還會配合 dtu、串口通訊模塊將信息遠傳給上位機進行宏觀控制,從根本上解決安全使用燃氣的問題，有效避免因燃氣泄漏造成的火災、爆炸、窒息、死亡等惡性事故的發(fā)生。為了做到實時監(jiān)控本設計采用了雙電源供電，即電源與電池交替供電，并且在當電池電量不足時，本設計

9、還能夠進行欠壓報警，當城市停止供電時本設計會自動跳轉到電池供電從而是本設計在沒電的情況下也能進行監(jiān)控。另外，本設計還根據國家標準進行了防靜電、防雷擊、防潮、防抖動方面的考慮使本設計能夠高效安全的為消費者所用。所以本設計有以下功能： 采集功能：采集灶具火焰熱電偶信號、燃氣表脈沖信號、報警器輸出信號。報警提示：有流量異常、電源欠壓、濃度報警器等報警信息的聲光提示。電源轉換功能：采用市電供電的泄漏檢測儀在市電斷電時能自動轉換到備用電源（內部電池）當市電恢復時能自動轉換到城市供電狀態(tài)。無線通信功能：能夠與主站（集中器）無線通信的功能，既能夠接收和回復集中器或主站發(fā)出的數(shù)據采集和參數(shù)設置命令。顯示功能：

10、顯示燃氣表積累流量，灶具火焰狀態(tài)、火焰異常等信息。以下為本論文對本設計的具體陳述。關鍵詞：msp430 單片機；燃氣；報警；控制design of detection instrument based on mcu gas leakageintroduction gas has become the people essential to life energy, liquefied petroleum gas, natural gas as a clean energy, such as in business and is widely used in urban residents us

11、ers. but as the gas is widely used, due to gas leakage caused by explosion, fire and poisoning accidents also happen from time to tome, this to some extent increase the unsafe and unstable factors of the city. gas using the units and residents the user to select a suitable gas alarm system become ne

12、cessary. gas leakage detector based on single-chip microcomputer, is a kind of suitable for family use small gas security products. can effectively avoid explosion caused by gas leaks, fire, poisoning and other malignant accidents, has most of the countries and regions are widely used all over the w

13、orld. gas leakage detector based on single-chip microcomputer is the security guards of the gas field, in case of gas leakage, it can timely remind consumer to avoid all kinds of lead poisoning accident. in some developed countries are heavily promoted even mandatory gas alarm, such as tokyo and osa

14、ka, seoul, south korea, hamburg, germany and other cities, there are more than 80% of the households to install all kinds of gas leakage detector based on single-chip microcomputer. also, in some domestic cities such as beijing, chengdu, harbin and other cities, according to gas poisoning accidents

15、occurred one after another, take decisive measures, in a couple of years ago, will be installed gas leakage alarm set forth in the form of local legislation, and the results of gas accidents declined dramatically. according to 1998 data show that every year only accident associated with liquefied pe

16、troleum gas (lpg) since 75, the city gas users happen accident rate is lower, and household gas alarm system development for 30 years in japan, the japanese government and enterprises to vigorously promote the use of alarm, leakage and explosion accidents of gas accident rate is far lower than europ

17、e and the united states and other developed countries, gas leakage detector based on single-chip microcomputer has become the necessities of family life.this topic design a gas leakage detector, monitor if there is a leak phenomenon kitchen burning gas, gas leak flow and according to the size, when

18、the gas leakage value exceed safety standards, alarm system, gas according to whether there is abnormal phenomenon, and the signal synchronization control solenoid valve to cut off the gas source. this design with low consumption of the microcontroller as the core device, the flow pulse signal input

19、 to mcu through gathering, through the software to determine whether or not in the range of reasonable flow, when the normal level, gives the corresponding control unit mcu control, alarm signal drive, the lcd shows the current accumulated flow rate at the same time and each focal switch state, at t

20、he same time, this design also will cooperate with dtu, serial port communication, far information module to pc for macro control, fundamentally solve the problem of safe use of gas, effectively avoid fire and explosion caused by gas leakage, asphyxia and death of malignant accidents.in order to ach

21、ieve real-time monitoring the design adopts the double power supply, namely alternating power supply and battery power supply, and when the battery power is insufficient, this design can also under voltage alarm, when the city power supply this design will automatically jump to the battery power sup

22、ply which is the design in the case of no electricity can also monitor. in addition, this design according to the national standard for anti-static, lightning protection, moistureproof, jitter considerations make this design to efficient and safe for consumer use.so this design has the following fun

23、ctions:sampling function: ovens, gas flame thermocouple signal table output pulse signal, alarm signal.alarm prompt: there are abnormal traffic, power supply voltage and the concentration of the alarm sound and light alarm information such as tips.leakage detector power supply conversion function: t

24、he mains power supply can automatically switch to the standby power supply when mains power (battery) can automatically switch to city power supply when mains to restore state.wireless communication function: being able to master station (concentrator) wireless communication function, can receive an

25、d reply to concentrator or a host of data acquisition and parameter setting commands.key words: mcu; gas ; alarm; solenoid valve; draft fan1 緒論1.1 課題背景及研究意義近年來，隨著生活水平的增高，全國煤氣行業(yè)發(fā)展迅猛，煤氣，液化氣，天然氣等能源已在千家萬戶得到了廣泛的應用。燃氣的普及與應用無疑對改善環(huán)境質量和提高人們的生活質量發(fā)揮了巨大的作用。然而，由于使用不當或者設備老化等原因導致的燃氣泄漏引發(fā)的中毒、爆炸、火災，時有發(fā)生，直接威脅著人們的生命安全和

26、財產安全，及時發(fā)現(xiàn)可燃氣體的泄漏將是安全使用可燃氣體的一個重要方面。然而，一般的煤氣報警器功能單一，性能穩(wěn)定性差，不能很好的滿足人民生活的需要，并且還會引起火災、爆炸等災難。而大型的監(jiān)控系統(tǒng)價格昂貴，需專門的技術人員管理，不適合家用。因此，為了既能滿足人民安全的需要又能滿足消費需要，需要設計一款集以上兩點為一身的燃氣泄漏檢測儀。本燃氣泄漏檢測系統(tǒng)以單片機為核心，當燃氣灶輸出燃氣流量超出標準，程序會判斷流量是否異常，若異常檢測儀將進行報警并給出相應動作并自動關閉閥門，保證了燃氣使用的安全。1.2 主要研究內容及結構安排為了能在低功耗的情況下保證家用燃氣的安全，將危險防患于未然，本論文主要以低功耗

27、的 msp430 系列單片機為核心，通過檢測流過燃氣灶中燃氣的流量大小來判斷流量是否正常從而判斷燃氣是否泄漏，若發(fā)生泄漏本設計將自動進行泄漏報警，并關閉閥門，從而保證家庭用氣的安全性。本設計以低功耗的 msp30 系列單片機為控制核心，配合采集模塊、串口傳輸模塊、lcd 顯示屏模塊并通過軟件編程來控制不正常流量下的設備反應，增強了電路的實時監(jiān)控性，很好地滿足了實際要求。在本論文中首先在第一章中主要敘述了本設計的研究背景及意義、結構安排，概括的敘述了本論文的結構和研究順序，第二章主要對本設計所采用的方法進行了比較論證，選定了方法，列出了本設計的系統(tǒng)框圖。本論文第三章主要闡述了本設計所選系列單片機

28、的發(fā)展歷程、特點、及最小單片機系統(tǒng)和各個模塊的硬件設計及與應用電路，具體的敘述了，采集模塊、雙電源模塊、串口通信模塊、核心控制模塊、及 lcd顯示模塊的設計方法。第四章主要講述了本設計的軟件部分包括程序流程圖，及軟件的與調試等。第五章主要敘述了硬件的安裝與調試，詳細介紹了在繪制電路板時、調試電路板時所需要的注意的問題。第六章是本論文的結論部分，主要敘述了設計本論文的一些心得體會，最后是附錄與參考文獻闡述了本設計的一些附屬資料。2 燃氣泄漏檢測儀系統(tǒng)構成框圖2.1 系統(tǒng)構成框圖2.1.1 系統(tǒng)構成方案及論證為了更好地滿足設計需要，本設計介紹了兩種設計方案：方案一：選用一般性能的普通 51 系列單

29、片機，配合看門狗電路、a/d 轉換電路，液晶顯示屏驅動電路等附屬電路完成設計。89c51 單片機是 8 位單片機。其指令是采用的被稱為“cisc”的復雜指令集，共具有 111 條指令。89c51 系列單片機由于其內部總線是 8 位的，其內部功能模塊基本上都是 8 位的雖然經過各種努力其內部功能模塊有了顯著增加，但是受其結構本身的限制很大，尤其模擬功能部件的增加更顯困難。在開發(fā)工具上面，對于 89c51 來說，由于它是最早進入中國的單片機，人們對它在熟悉不過了，再加上我國各方人士的努力，創(chuàng)造了不少適合我們使用的開發(fā)工具。但是如何實現(xiàn)在線編程還是一個很大的問題。89c51 系列單片機本身的電源電壓

30、是 5 伏，有兩種低功耗方式：待機方式和掉電方式。正常情況下消耗的電流為 24ma，在掉電狀態(tài)下，其耗電電流仍為 3ma，即使在掉電方式下，電源電壓可以下降到 2v，但是為了保存內部 ram 中的數(shù)據，還需要提供約 50ua 的電流。方案二：采用低功耗的 msp430 單片機，利用其功耗小功能強大的特點，內含 a/d 轉換部分，及外圍電路達到設計要求。msp430 單片機是 16 位的單片機，采用了精簡指令集(risc)結構，只有簡潔的 27條指令，大量的指令則是模擬指令，眾多的寄存器以及片內數(shù)據存儲器都可參加多種運算。這些內核指令均為單周期指令，功能強，運行的速度快。msp430 系列其基本

31、架構是 16 位的，同時在其內部的數(shù)據總線經過轉換還存在 8位的總線，在加上本身就是混合型的結構，因而對它這樣的開放型的架構來說，無論擴展 8 位的功能模塊，還是 16 位的功能模塊，即使擴展模/數(shù)轉換或數(shù)/模轉換這類的功能模塊也是很方便的。這也就是為什么 msp430 系列產品和其中功能部件迅速增加的原因。對于 msp430 系列而言，由于引進了 flash 型程序存儲器和 jtag 技術，不僅使開發(fā)工具變得簡便，而且價格也相對低廉，并且還可以實現(xiàn)在線編程。msp430 系列單片機在低功耗方而的優(yōu)越之處，則是 89c5l 系列不可比擬的。正因為如此，msp430 更適合應用于使用電池供電的儀

32、器、儀表類產品中。綜上所述，從性能上考慮 msp430 單片機擁有較多的引腳，單片機本身具有較強的處理能力，方便了電路設計，它采用精簡指令集結構，在 8mhz 時指令速度可達8mips。另外 msp430f5529 采用了 16 位多功能硬件乘法器等先進的體系結構，大大增強了其數(shù)據處理和運算能力，能夠做到跟蹤監(jiān)控能力，所以本設計采用方案二，用msp430 系列單片機做核心電路。2.1.2 系統(tǒng)構成框圖本設計以單片機為核心，主要是通過采集燃氣灶輸出的脈沖流量的大小通過與設定值進行比較來判斷是否泄漏，并配合以液晶顯示模塊顯示當前狀態(tài)，配合串口通信模塊將數(shù)據傳送給上位機，使燃氣安全的為家庭消費者所用

33、其系統(tǒng)構成框圖 如下圖 2-1 所示:圖 2-1 系統(tǒng)構成框圖電壓采集流量脈沖采集 單片機電磁閥煤氣罐熱水器信號采集信號報警上位機3 燃氣泄漏檢測儀硬件設計3.1 mcu 核心模塊設計為了更好地滿足設計要求，通過 89c51 系列單片機與 msp430 系列單片機的論證與比較，本設計采用的是 msp430 系列單片機為本設計的 mcu 核心模塊。3.1.1 msp430 系列單片機發(fā)展歷程msp430 系列單片機是美國德州儀器（ti）1996 年開始推向市場的一種 16 位超低功耗、具有精簡指令集（risc）的混合信號處理器（mixed signal processor） ，稱之為混合信號處理

34、器，是由于其針對實際應用需求，將多個不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上，該系列單片機多應用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。msp430 系列的部分產品具有 flash 存儲器，在系統(tǒng)設計、開發(fā)調試及實際應用上都表現(xiàn)出較明顯的優(yōu)點。ti 公司推出具有 flash 型存儲器及 jtag 邊界掃描技術的廉價開發(fā)工具 msp-fet430x110，將國際上先進的 jtag 技術和 flash 在線編程技術引入 msp430。這種以 flash 技術與 fet 開發(fā)工具組合的開發(fā)方式，具有方便、廉價、實用等優(yōu)點，給用戶提供了一個較為理想的樣機開發(fā)方式。3.1.2 msp430

35、系列單片機的應用領域msp430 型系列是一款超低功耗類型的微控制器，特別適合于手持設備和安全領域的應用。msp430 雖屬微控制器，但在眾多單片機系列中有獨特的優(yōu)勢。該 msp430 系列將大量的外圍模塊整合到片內，也適合于設計片上系統(tǒng)，具有豐富的不同型號的器件可供選擇，給設計者帶來很大的靈活性。其原因就在于它是一個 16 位的精簡指令構架，有大量的工作寄存器和數(shù)據存儲器，其 ram 單元也可以實現(xiàn)運算。在運算速度方面，msp430 系列單片機能在 8hhz 晶體的驅動下，實現(xiàn) 125ns 的指令周期。16 位數(shù)據寬度，125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能實現(xiàn)乘加)相配合，能實現(xiàn)

36、數(shù)字信號處理的某些算法。2004 年 10 月又推出了 msp430f2xx 系列新款單片機，該款新品可實現(xiàn)前代產品兩倍的處力性能而待機功耗僅為前代品一半。同其它單片機相比，msp430 系列可以大大延長電池的使用壽命。lus-6us 的啟動時間可以使啟動更加迅速。esd 保護，抗干擾力強；低電壓供電；多達 64kb 尋址空間，包含 rom、ram、閃存 ram 和外圍模塊；外部中斷引腳；i0 口具有中斷能力；外圍模塊地址為存儲器分配；全部寄存器不占用 ram 空間，均在模塊內；定時器中斷可用于事件計數(shù)、時序發(fā)生、pwm 等；看門狗功能；ad 轉換器(10 位、12 位、16 位或更高精度)并

37、且支持c 語言和匯編語言。3.1.3 單片機最小系統(tǒng)介紹單片機最小系統(tǒng)是由保證處理器可靠工作所必須的基本電路組成，主要包括電源電路、時鐘電路、復位電路、通信接口電路、數(shù)據存儲電路，其硬件框圖如圖 3-1 所示。圖 3-1 單片機最小系統(tǒng)框圖（1）時鐘電路在時鐘電路中，低速晶體振蕩器(lfxtl)滿足了低功耗及使用 32768khz 晶振的要求。lfxtl 振蕩器默認工作在低頻模式，即 32768khz，也可以通過外接450khz8mhz 的高速晶體振蕩器或陶瓷諧振器工作在高頻模式，在本電路中我們使用低頻模式，晶振外接 2 個 22pf 的電容經過 xin 和 xout 連接到 mcu。高速晶振

38、也稱為第二振蕩器 xt2，它為 msp430 工作在高頻模式時提供時鐘，xt2 最高可達 8mhz。在系統(tǒng)中 xt2 采用 4mhz 的晶體，xt2 外接 2 個 30pf 的電容經過 xt2in 和 xt2out 連接到 mcu，如下圖 3-2 所示。（2）復位電路：復位電路是單片機系統(tǒng)中不可缺少的部分，其好壞影響整個單片機應用系統(tǒng)的可靠性。同時，復位電路非常容易受到外部噪聲干擾，因此，復位電路的設計首先要求保證整個應用系統(tǒng)的可靠性，其次是具有抗干擾能力。復位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定電源電路晶振電路復位電路通信接口電路數(shù)

39、據存儲電路msp430后還要經一定的延時才撤銷復位信號，以防電源開關或電源插頭分-合過程中引起的抖動而影響復位。 y24mc 1112pc 1312pgndxt1inxt1out圖 3-2 時鐘電路圖msp430 的復位電路包括一個上電復位(por)和上電清除信號(puc)。por 是設備復位信號，它通常在以下三種事件發(fā)生時被觸發(fā)：a.上電；b.復位模式下 rst/nmi 腳出現(xiàn)低電平；c.電壓監(jiān)控設備(brownout)觸發(fā)。當供電電壓 vcc 緩慢上升時，por 監(jiān)測器保持 por 信號有效直到 vcc 超出vpor 水平，當供電電壓 vcc 快速上升時，por 延時 t(por dela

40、y)提供了足夠長的有效 por 信號以確保 msp430 有足夠的時間進行初始化。經常使用的復位電路有以下幾種：手動按鈕復位：手動按鈕復位需要人為在復位輸入端 rst 上加入高電平。一般采用的辦法是在rst 端和正電源 vcc 之間接一個按鈕。當人為按下按鈕時則 vcc 的+5v 電平就會直接加到 rst 端。手動按鈕復位的電路如圖 3-3 所示。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達數(shù)十毫秒所以完全能夠滿足復位的時間要求。圖 3.3 手動按鈕復位電路上電復位： c51 的上電復位電路如圖 3-4 所示只要在 rst 復位輸入引腳上接一電容至 vcc 端下接一個電阻到地即可。對于 cmos 型單

41、片機由于在 rst 端內部有一個下拉電阻故可將外部電阻去掉而將外接電容減至 1f。上電復位的工作過程是在加電時復位電路通過電容加給 rst 端一個短暫的高電平信號此高電平信號隨著 vcc 對電容的充電過程而逐漸回落即 rst 端的高電平持續(xù)時間取決于電容的充電時間。為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復位 rst 端的高電平信號必須維持足夠長的時間。上電時 vcc 的上升時間約為10ms而振蕩器的起振時間取決于振蕩頻率如晶振頻率為 10mhz起振時間為 1ms 晶振頻率為 1mhz 起振時間則為 10ms。在復位電路中當 vcc 掉電時必然會使 rst 端電壓迅速下降到 0v 以下但是由于內部電路的限制作用

42、這個負電壓將不會對器件產生損害。另外在復位期間端口引腳處于隨機狀態(tài)復位后系統(tǒng)將端口置為全“l(fā)”態(tài)。如果系統(tǒng)在上電時得不到有效的復位則程序計數(shù)器 pc 將得不到一個合適的初值因此 cpu 可能會從一個未被定義的位置開始執(zhí)行程序。本設計采用的是最簡單的復位電路如 3-4 所示：c 70.1ufvc cgndr s tr 447k圖 3-4 復位電路圖如上圖所示，當加入電源時電容相當于短路，rst 輸出低電平，復位，當電容充滿電后電容相當于斷路 rst 輸出高電平復位結束。（3）jtag 為了更方便本設計要求，本設計采用 jtag 接口直接對核心芯片 msp430f5529 進行電氣規(guī)則檢查和編程，

43、傳統(tǒng)生產流程中先對芯片進行預編程現(xiàn)再裝到板上，現(xiàn)簡化流程為先固定器件到電路板上，再用 jtag 編程，從而大大加快工程進度。jtag 接口可對 psd 芯片內部的所有部件進行編程。jtag(joint test action group；聯(lián)合測試行動小組)是一種國際標準測試協(xié)議（ieee 1149.1 兼容） ，主要用于芯片內部測試?，F(xiàn)在多數(shù)的高級器件都支持 jtag 協(xié)議，如 dsp、fpga 器件等。標準的 jtag 接口是 4 線：tms、tck、tdi、tdo，分別為模式選擇、時鐘、數(shù)據輸入和數(shù)據輸出線。其接口電路如下圖 3-5 所示，引腳功能如表 1 所示。 jtag口口口口1234

44、567891011121314j1jtagtes ttc ktm stdi/tc lktdor s tvc cgnd圖 3-5 jtag 接口電路表 1 jtag 引腳圖3.1.4 單片機的選型本論文的核心部件為以單片機 msp430 為核心的控制模塊，ti 公司的超低耗單片機特別適合與便攜式的或雙電源供電的設備，msp430f5529 單片機的電源電壓采用1.8-3.6v 低電壓。獨特的時鐘系統(tǒng)設計，包括兩個不同時鐘:基本時鐘系統(tǒng)和鎖相環(huán)時鐘系統(tǒng)，另外 msp430f5529 有多種工作模式 lpmx 以有力的方式支持低功耗系統(tǒng)的各種要求，用中斷請求將 cpu 喚醒只需要 6us。由于本論文

45、要求在停電時也能進行監(jiān)控所以此款單片機十分符合本設計要求。msp430f5529 單片機具有較強的處理能力：它采用精簡指令集結構，在 8mhz 時指令速度可達 8mips。另外 msp430f149 采用了 16 位多功能硬件乘法器等先進的體系結構，大大增強了其數(shù)據處理和運算能力能夠做到跟蹤監(jiān)控能力。msp430f5529 單片機有豐富的外圍模塊：12 位 a/d 轉換器 adc12，比較器comparetor-a，硬件乘法器，2 個帶有捕獲/比較寄存器的 16 位定時器，2 個可實現(xiàn)異步、同步的串行同行接口，看門狗。另外 msp430f5529 采用矢量中斷，2 個 8 位端口有中斷能力，支

46、持十多個中斷源，并可以任意嵌套。這種功能大大的精簡了電路設計和程序設計。msp430f5529 單片機開發(fā)方式及其方便，利用單片機本身具有的 jtag 接口，可以實現(xiàn)程序下載、調試為整個項目的開發(fā)提供方便。由于 msp430f5529 單片機強大的功能所以本設計用非常少簡單的電路就能實現(xiàn)單片機對液晶顯示屏、串口通信、程序下載，以及完成軟件編程的功能。圖 3-6 為msp430f5529 芯片的管腳。由于此款單片機的管腳較多，并且很密，因此在設計 pcb 電路的時候，一定要查看 msp430 的用戶手冊來獲得官方的尺寸，不然很有可能是制作出來的 pcb 板和插座連接不好，導致芯片接收不到模擬信號

47、通道所獲得的數(shù)據。圖 3-6 msp430f5529 芯片管腳圖3.1.5 單片機外圍電路設計模擬地與數(shù)字地隔離電路在 msp430 系列單片機中數(shù)字地與模擬地不能接在一起的，因為模擬信號和數(shù)字信號都要回流到地，因為數(shù)字信號變化速度快，從而在數(shù)字地上引起的噪聲就會很大，而模擬信號是需要一個干凈的地參考工作的。如果模擬地和數(shù)字地混在一起，噪聲就會影響到模擬信號。一般來說，模擬地和數(shù)字地要分開處理，然后通過細的走線連在一起，或者單點接在一起。對于低頻模擬電路，除了加粗和縮短地線之外，電路各部分采用一點接地是抑制地線干擾的最佳選擇，主要可以防止由于地線公共阻抗而導致的部件之間的互相干擾。 而對于高頻

48、電路和數(shù)字電路，由于這時地線的電感效應影響會更大，一點接地會導致實際地線加長而帶來不利影響，這時應采取分開接地和一點接地相結合的方式。 另外對于高頻電路還要考慮如何抑制高頻輻射噪聲，方法是：盡量加粗地線，以降低噪聲對地阻抗。滿接地，即除傳輸信號的印制線以外，其他部分全作為地線。不要有無用的大面積銅箔。另外用磁珠連接、用電容連接、用電感連接、用 0 歐姆電阻連接。是常用的方法，本設計采用 0 歐姆電阻連接來進行數(shù)字地與模擬地分離，電路圖如下圖 3-7 所示：圖 3-7 模擬數(shù)字地分離電路3.2 采集模塊硬件設計本設計中的采集模塊主要功能是采集灶具火焰模擬信號及燃氣表流量脈沖信號和報警器的報警信號

49、，其中流量信脈沖信號由燃氣灶裝置附屬裝置流量表直接輸出并輸入到控制單元，所以此處的采集模塊主要是采集燃氣灶輸出的熱電偶信號大小，輸入給單片機通過單片機內置的 a/d 轉換模塊轉換成數(shù)字信號，從而來判斷燃氣灶是出于關閉還是打開狀態(tài)。由于燃氣灶輸出電壓太小并不能識別，本設計采用放大模塊進行放大，本設計中的采集模塊由一個兩級運算放大電路組成，主要用于放大輸出電壓到能使單片機識別的大小。采集模塊電路通過調節(jié)電流中阻值的大小從而來控制放大倍數(shù)的大小，其電路原理圖如下圖 3-8 所示：本電路中可知電路的放大倍數(shù)為： （公式 3-1）) 12(3410vvrrv由此可知，為滿足電路需要，電路中個電阻的組織應

50、調至為 r1 為 4.8k，r2 為16.1k，r3 為 4.4k，r4 為 36.9k。lm358 芯片lm358 內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電圖 3-8 采集模塊電路原理圖源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模擬、音頻放大器、工業(yè)控制、dc 增益部件和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。lm358的封裝形式有塑封 8 引線雙列直插式和貼片式。特點：內部頻率補償。 直流電壓增益高(約 100db) 。 單位增益頻帶寬(約 1mhz) 。 電源電壓范圍

51、寬：單電源(330v)；雙電源(1.5 一15v) 。 低功耗電流，適合于電池供電。 低輸入偏流。 低輸入失調電壓和失調電流。 共模輸入電壓范圍寬，包括接地。 差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍。 輸出電壓擺幅大（0 至 vcc-1.5v) 。lm358 引腳圖如下圖 3-9 所示。圖 3-9 lm358 引腳圖3.3 串口模塊硬件設計msp430 系列微控制器都自帶串行通信口，有幾款還有兩個串口。這樣就方便了與pc 機接口，增強了與外界通信的能力。不過串口的電平和邏輯關系與 msp430 存在很大的差別。以廣泛應用的 eia - rs - 232c 標準為例，對于數(shù)據（信息碼）：邏輯“1”

52、（傳號）的電平為-3v -15v，邏輯“0” （空號）的電平為+3v +15v；對于控制信號：接通狀態(tài)（on） ，即信號有效的電平為+3v +15v，斷開狀態(tài)(off)，即信號無效的電平為-3v -15v。也就是說當傳輸電平的絕對值介于 3v 15v 時，認為是有效信號，其它電平均認為是無效的。而 msp430 輸出的電平卻在 0 3v 左右，因此要想與 pc串口接口或者其它帶有串口的終端接口，必須要進行 eia-rs-232c 與 msp430 電平和邏輯關系的轉換。實現(xiàn)這種變換的方法很多，可用分離元件，也可用集成電路。目前較為廣泛地使用集成電路轉換器件，max232/max232a、max

53、3221/max3223 等芯片可完成多路 3v 15v 電平與串口電平的雙向轉換。在 msp430 與 pc 串口接口時，用 max232a 電路比較簡單（只需外接幾個電容） ，而且這款芯片可以實現(xiàn)兩路變換，價格也較便宜。本設計采用 max3221 芯片，可來完成 3v15v 電平與串口電平的雙向轉換，其串行部分的電路圖如下圖 3-10 所示。-en1c1+2v+3c1-4c2+5c2-6v-7r1in8-forceoff16vcc15gnd14t1out13forceon12t1in11-invalid10r1out9m ax3221u1162738495j2uart_rxuart_txv

54、ccgndc20.1ufc30.1ufc50.1ufc40.1ufc10.1ufgndgndgndgnd圖 3-10 串口部分電路圖max3221 芯片max3221 包含一個線驅動器一個線接收器和一個帶有15kv d 的 esd 保護的雙電荷汞，該器件可滿足 tia/eia-232-f 要求并在一個異步通信控制器和串行端口連接器之間提供接口電荷汞和四個小型外接電容器可在單路 3v 至 5.5v 電源電壓下工作這些器件在數(shù)據信號率達到 250 kbit/s 且最大的 30-v/s 驅動輸出回轉率時工作。當串行端口失效時可對電壓管理進行靈活的控制選擇在 forceon 為低且forceoff 為

55、高時自動掉電功能起作用在這種工作方式中若器件未感應到接收器輸入端上的一個有效的 rs-232 信號則驅動器輸出端被禁止若 forceoff 置為低且 en 為高則驅動器和接收器均被切斷電源電流降至 1a 斷開串行端口或關閉外圍驅動器將會導致自動掉電；當 forceon 和 forceoff 為高時自動掉電被禁止，當自動掉電被使能且在接收器輸入端加一個有效信號時，器件被激活。無效 invalid 輸出告知用戶查看rs-232 信號是否加在接收器輸入端，如果接收器輸入端電壓高于 2.7 v 或低于-2.7 v或在+0.3 v 之間并持續(xù)少于 30 s，invalid 為高數(shù)據有效；如果接收器輸入端

56、電壓在+0.3 v 之間并持續(xù)超過 30 s 則 invalid 為低數(shù)據無效接收器輸入端電平。特點：（1） 能滿足或超過 tia/eia-232-f 和 itu v.28 標準的要求，工作電源電壓為 3v至 5.5vz 最多可處理 250 kbit/sz ，一個驅動器和一個接收器低待機電流典型值為 1 az 外接電容器 0.1 f。（2） 接受 5v 邏輯輸入電平和 3.3v 電源電壓，可與 maxim max3221 互換使用。（3） 可供選擇的高速引腳可兼容器件(1 mbit/s) snx5c3221z rs-232 總線，引腳 esd 保護超過15 kv 時，采用人體模型 hbmz 自

57、動掉電特點可自動使驅動器失效以節(jié)約電源 12 應用范圍。（4） 電池上電手持和便攜式設備、掌上個人電腦、數(shù)碼相機。（5） 移動電話和無線設備。3.4 雙電源供電模塊硬件設計3.4.1 雙 12v 穩(wěn)壓電源設計隨著社會發(fā)展現(xiàn)在城市供電已經變得趨于穩(wěn)定，但是并不排除有停電的可能，當停電時并且電力系統(tǒng)無法短時間內恢復供電時會對燃氣灶的流量監(jiān)控帶來不便，因此本設計本著安全周到的理念設計了雙電源供電，當停電時啟用備用電源，再停電的情況下也能進行量的監(jiān)控、報警。一般的雙電源供電采用兩個互相獨立的電源。雙電源一般用于區(qū)域電源回路中，以保證該區(qū)域能夠在一個電源故障時，仍能繼續(xù)得到電源。一般雙電源不允許并列運行

58、，所以往往是一個電源投入運行，另一個電源備用。一旦工作電源失去后，備用電源自動或手動投入繼續(xù)供電。以下為雙電源供電的電路圖，如圖 3-11 所示：以上電路為雙電源供電電路，主要提供的是 12v 電源，一方面 12v 電源有外設電源提供，當正常供電的情況下采用外電源供電，另一方面當停電時程序控制自動調轉到電池供電，當電池電量不夠達到設計所需電量時，由一個分壓電路輸入到控制模塊中可以進行電池欠壓報警。兩種電源供電共同為單片機的驅動電源提供原電源保證了設計的穩(wěn)定性。工作原理如下：首先，當有城市供電時，內部電源供電，220v 經過整流橋整流、濾波、穩(wěn)壓電路輸出所需要的 12v 電壓。12j812v口口

59、c 210.1ur 205mr 231main0c 220.1u12vagndagndagndagnd132vvgndinoutu978l12d78d9d10c 340.33uf+c 332200uftf11to112vc 350.1uf220v+-agnd12j1012v口口+12j1712v口口 gndc 290.1uagnd12v圖 3-11 雙電源供電原理圖當停電時，12v 電池供電，當電池電量不充足時 ain0 通過分壓電路輸出信號產生欠壓報警信號提醒更換電池。本設計內部供電是由 78l12 三端穩(wěn)壓器組成，78l12 屬于 78lxx 系列穩(wěn)壓器件，根據不同型號可以輸出 5v、6v

60、、12v 等不同電壓。3.4.2 3.3v 電源設計單片機系統(tǒng)電源設計是單片機應用系統(tǒng)設計中的一項重要工作，電源的精度和可靠性等各項指標直接影響系統(tǒng)的整體性能。本設計采用三端穩(wěn)壓器組成穩(wěn)壓電路為單片機提供穩(wěn)定的驅動電壓。本設計采用 lm2575 及外圍電路組成單片機電源，其原理圖本設計如圖 3-12 所示：l1100uhvin13out2fb456gndgnd on/offu3lm 2575t-5.0c20100ufd1ss14c271000uf12vavccagndagndagndagnd圖 3-12 lm2575 及外圍電路(1) lm2575-5.0 芯片介紹lm2575 系列開關穩(wěn)壓集