基于單片機的便攜式有害氣體檢測裝置畢業(yè)設(shè)計

1、畢業(yè)設(shè)計說明書基于單片機的便攜式艙室有害氣體采集裝置學(xué)生姓名： 趙亞西 學(xué)號： 09020341X26 學(xué) 院： 信息商務(wù)學(xué)院 系 名： 機械工程與自動化 專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 指導(dǎo)教師： 黃晉英 2013年6月摘 要隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對生活水平和空氣質(zhì)量提出了更大挑戰(zhàn)。通常，密閉空間內(nèi)都可能會存在很多的有毒氣體，它既可以是在密閉空間內(nèi)已經(jīng)存在的，也可能是在工作過程中產(chǎn)生的。有時，某些物質(zhì)的短期突然揮發(fā)還會出現(xiàn)一些莫名其妙的物質(zhì)，因此密閉空間內(nèi)的有毒氣體的種類可能是多種多樣的?？諝庵械挠卸疚镔|(zhì)一般是根據(jù)它們對于處在其空間中的人的生理學(xué)影響分為兩類：（1）刺激性氣體，是指對眼和

2、呼吸道粘膜有刺激作用的氣體，它是化學(xué)工業(yè)常遇到的有毒氣體。刺激性氣體的種類甚多，最常見的有氯、氨、氮氧化物、光氣、氟化氫、二氧化硫、三氧化硫和硫酸二甲酯等。（2）窒息性氣體，是指能造成機體缺氧的有毒氣體，窒息性氣體可分為單純窒息性氣體、血液窒息性氣體和細(xì)胞窒息性氣體。如氮氣、甲烷、乙烷、乙烯、一氧化碳、硝基苯的蒸氣、氰化氫、硫化氫等。有毒物質(zhì)可以對人造成兩種時間段的癥狀：急性或慢性。因此必須制訂工作空間中各類物質(zhì)的暴露水平為安全防護提供依據(jù)。在其中所待的時間和有毒氣體的存在濃度有一定的關(guān)系，超過這些規(guī)定的暴露水平就會對人身安全構(gòu)成極大的威脅?；谝陨峡梢钥闯觯嘘P(guān)氣體的濃度問題顯得尤為重要。為

3、便于設(shè)計和測量，本文選取了CH4和酒精傳感器（本設(shè)計為四通道，可按需要自由添加其它傳感器），研究設(shè)計了一種可以測量多種氣體濃度的便攜式艙室有害氣體采集裝置，其設(shè)計方案基于STC89C52單片機，有關(guān)氣體濃度傳感器來實現(xiàn)。系統(tǒng)將傳感器回路輸出的信號通過A/D轉(zhuǎn)換電路調(diào)理后，經(jīng)由單片機進行數(shù)據(jù)處理，由LCD顯示濃度值。考慮到單片機計算能力有限，難以進行復(fù)雜數(shù)據(jù)處理，故單片機系統(tǒng)與PC機系統(tǒng)通過USB通信端口進行互連，從而單片機用作下位機進行數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制，而PC機用做上位機進行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和對單片機的控制。文中詳細(xì)介紹了數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理過程、數(shù)據(jù)顯示子系統(tǒng)以及單片機與PC機通信的設(shè)計

4、方法和過程。關(guān)鍵詞：有害氣體，數(shù)據(jù)采集，單片機，多通道，USB通信、VCAbstractWith China's rapid economic development, people put forward more challenges to living standards and air quality.Usually, there may be many poisonous gases within an enclosed space, it can be both already exists in a confined space, may also be produced

5、 in the course of their work. Sometimes, some substances volatile short-term suddenly will appear some be rather baffling material, so the species of poisonous gas in closed space may be varied. Toxic substances in the air is generally based on their physiological in its space for people's influ

6、ence is divided into two categories: (1) irritant gas, refers to a gas stimulation irritating to eyes and respiratory tract, it is a toxic gas chemical industry encountered. Many kinds of irritant gas, the most common are chlorine, ammonia, nitrogen oxides, phosgene, hydrogen fluoride, sulfur dioxid

7、e, sulfur dioxide and two acid methyl ester, three. (2) suffocating gas, refers to toxic gases can cause hypoxia, asphyxiating gas can be divided into simple asphyxiant gases, blood asphyxiating gas and cell asphyxiating gases. Such as nitrogen, methane, ethane, ethylene, carbon monoxide, nitrobenze

8、ne vapor, hydrogen cyanide, hydrogen sulfide. Toxic substances can cause two kinds of time of the symptoms: acute or chronic. So we must provide the basis for all kinds of material exposure levels in the workspace for safety protection. There is a certain relationship in the presence of concentratio

9、n of the stay time and toxic gases, exceeding exposure level will these regulations pose a great threat to personal safety.Based on the above can be seen, concentration problems related to gas is very important. In order to facilitate the design and measurement, this paper selects CH4 and alcohol se

10、nsor (the design of four channel, can be free to add other sensor), the research and design of the gas collection device is harmful to a portable cabin can be a variety of gas concentration measurement, the design scheme based on STC89C52 microcontroller, the gas concentration sensor to achieve. The

11、 system will signal sensor circuit output conversion circuit by A/D after conditioning, data processing by the MCU, the LCD display the concentration. Considering the limited computing capability of MCU, difficult to carry out complex data processing, the MCU system and PC system are interconnected

12、through the USB communication port, thus single-chip microcomputer for data acquisition and control equipment used for the lower position machine, PC machine used for data processing of complex upper machine and the control of mcu. This paper describes the data acquisition subsystem, data processing

13、, data display system and the design method of communication between PC and single chip microcomputer and process.Key Words: Harmful Gas, Data Acquisition, MCU, Multi-channel, USB, VC目錄第1章 緒論11.1選題的目的和選題的意義11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3 論文主要內(nèi)容2第2章 總體方案及元器件簡介32.1 MCU簡介32.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器簡介62.3液晶顯示器的簡介92.4 MQ2及其測量電路的特點102.5

14、MQ3特點及其測量電路原理122.6 數(shù)據(jù)選擇器142.7 USB轉(zhuǎn)接芯片142.8 KEIL軟件簡介152.9 PROTUES仿真軟件簡介16第3章 硬件設(shè)計163.1 最小系統(tǒng)的實現(xiàn)163.2 信號采集電路18關(guān)于氣體濃度單位的說明193.3 A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計203.4按鍵設(shè)計213.5 LCD1602液晶顯示設(shè)計223.6 差動放大器與濾波電路設(shè)計223.7通信電路設(shè)計23串口通信基礎(chǔ)理論233.7.2 兩種常用接口方式23通信模塊電路設(shè)計24第4章 軟件設(shè)計254.1 編譯語言的選擇254.2 程序設(shè)計254.2.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊254.2.2 按鍵模塊26液晶顯示模塊27通信模塊27

15、第5章 系統(tǒng)調(diào)試295.1 軟件仿真295.2 硬件調(diào)試30第6章 結(jié)束語31附錄1：硬件設(shè)計原理圖32附錄2：PROTEUS仿真33附錄3：PCB（112MM*160 MM）34附錄4：單片機程序35致 謝44參考文獻45第1章 緒論1.1選題的目的和選題的意義隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，全國機動車輛數(shù)量和駕駛員人數(shù)猛增，在各種密閉的移動艙室環(huán)境中，由于艙室空間較小，密閉性較強，強制通風(fēng)雖然可在一定程度上降低有害氣體的濃度，但在某些作業(yè)條件下，有害氣體濃度仍可維持在一定水平1。存在大量氣體狀態(tài)污染物，這些氣體污染物以分子狀態(tài)存在，大部分為無機氣體，例如CO、NO2、H2S、LEL、VOC等。在行

16、駛條件下，車內(nèi)CO、SO2、NO2、H2S和總烴冬季高于夏季，而TSP和苯夏季高于冬季，CO2，甲苯的濃度無顯著性季節(jié)差異2。而長期接觸低濃度CO者可出現(xiàn)頭痛、頭暈、耳鳴、無力、記憶力減退及睡眠障礙燈神經(jīng)系統(tǒng)癥狀；NO2雖不溶于水，但可經(jīng)O3氧化后與水結(jié)合形成酸，它對肺組織可產(chǎn)生劇烈的腐蝕和刺激作用，使肺泡毛細(xì)血管通透性增加，進而形成肺水腫，并可啟動細(xì)胞膜質(zhì)過氧化作用，進一步導(dǎo)致細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)損傷和功能障礙；其他氣體如NH3被大量吸入后可出現(xiàn)流淚、咽痛、聲音嘶啞、咳嗽等，并伴有頭暈、頭痛、惡心、嘔吐、乏力等,甲醛也有潛在的致癌危險性3-5。汽車內(nèi)有害氣體的污染主要由苯、甲苯、二甲苯、甲醛、丙酮等有

17、機溶劑蒸氣造成。有害氣體主要來自于兩個方面，首先是汽車本身的內(nèi)飾件。目前我國家庭汽車市場的需求十分旺盛，很多廠家的汽車下了生產(chǎn)線就直接進入市場。如果總裝廠對汽車零部件的質(zhì)量把關(guān)不嚴(yán)格，不符合環(huán)保要求的塑料件、地毯、車頂氈、座椅等會直接造成車內(nèi)的空氣污染。其次是源于車主選擇的汽車裝飾。含有有害物質(zhì)的真皮、海綿、地膠、地墊、黏合劑等不同程度地造成車內(nèi)的空氣污染，威脅到人體健康6,7。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀日本在車內(nèi)氣體檢測方面研究起步較早。自1962年，日本學(xué)者Seiyama等人首先報道了半導(dǎo)體金屬氧化物的氣敏特性，并進一步做了理論研究，他們首先導(dǎo)入了氣體檢測器(Gas Detector)概念。而后

18、，各國研究者相繼在這方面做了大量工作。上個世紀(jì)七八十年代，日本株式會社電裝設(shè)計出了一種基于粉塵有害氣體的傳感器的車載空調(diào)控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能控制車內(nèi)在粉塵有害氣體較多情況下啟動空調(diào)系統(tǒng)換氣8。1992年，意大利的Palazzetti等人申請了關(guān)于應(yīng)用于為車內(nèi)空調(diào)提供控制信息的傳感器單元的系統(tǒng)專利；1996年，加拿大Sorensen等人研究提出了基于氣體傳感器的車內(nèi)污染控制理論方法與系統(tǒng)設(shè)計；2005年，韓國HWANG INSUNG等人設(shè)計出一種應(yīng)用于汽車或室內(nèi)的多種傳感器集成系統(tǒng)，它集成了溫度檢測、濕度檢測、氣體檢測等多種功能，它可以應(yīng)用于有限空間的空氣參數(shù)提取，并應(yīng)用到相應(yīng)控制系統(tǒng)中9。在氣

19、體檢測方面的研究近些年在國內(nèi)外進展很快，但也問題不少，如檢測精度靈敏度穩(wěn)定性有限10。國內(nèi)目前有人研制出采用氣體類檢測模塊，通過無線遙測的方法，使遠(yuǎn)方的監(jiān)測站可靠地獲得移動艙室內(nèi)各種有害氣體的環(huán)境數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)采用無線遙測技術(shù)實時采集和記錄車輛在靜止和行進過程中艙室內(nèi)的有害氣體、溫濕度等狀態(tài)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，以便分析有害氣體對艙室人員身心健康的影響11,12。系統(tǒng)可實時監(jiān)測靜止及移動中密閉艙室環(huán)境中的多項指標(biāo)，測試數(shù)據(jù)可全部存儲，同時能通過無線方式實時傳送到數(shù)公里外監(jiān)控車上的監(jiān)測中心。 測試方法是讓監(jiān)測系統(tǒng)事先把有害氣體監(jiān)測儀安裝在艙室內(nèi)的固定位置上，在監(jiān)測過程中監(jiān)測儀將采集到的信號一方

20、面進行本地存貯，另一方面通過RS 485接口協(xié)議送入遙測發(fā)射裝置，遙測發(fā)射裝置將接收到的數(shù)據(jù)流進行編碼，形成標(biāo)準(zhǔn)的PCM數(shù)據(jù)流送人發(fā)射機。發(fā)射機變成無線電波向空間發(fā)射出去，遙測地面監(jiān)測中心把這些信號接收下來進行處理并繪成曲線，這樣就可直觀地實時監(jiān)測到艙室在移動過程中的環(huán)境變化情況。1.3 論文主要內(nèi)容本論文主要完成氣體濃度采集裝置的設(shè)計，設(shè)計的內(nèi)容包括：A/D轉(zhuǎn)換模塊、鍵盤檢測、數(shù)據(jù)顯示、接口通信等。本系統(tǒng)采用單片機為控制核心，以實現(xiàn)裝置的基本控制功能。系統(tǒng)主要功能內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)信號采集濾波、開始測量、鍵盤檢測控制、數(shù)據(jù)顯示、USB通信等。本系統(tǒng)設(shè)計采用功能模塊化的設(shè)計思想，本論文內(nèi)容分為以下

21、幾個章節(jié)：設(shè)計器件簡介和選擇；硬件的設(shè)計；軟件的設(shè)計和系統(tǒng)調(diào)試。第2章 總體方案及元器件簡介本次設(shè)計的總體框圖如下圖2.1：CH4傳感器LCD顯示單片機A/D轉(zhuǎn)換電路甲醛傳感器其他傳感器多路數(shù)據(jù)選擇鍵盤PC機 2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件基本組成硬件設(shè)計部分主要模塊包括采集模塊、轉(zhuǎn)換模塊、處理模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及控制模塊，主要元器件包括：MCU、A/D、LCD、電源、數(shù)據(jù)選擇器、傳感器、USB等芯片，以下做一些器件的簡介。2.1 MCU簡介本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集以及控制部分以單片機為核心。我們選擇單片機STC89C52為控制核心，主要基于考慮STC89C52低功耗、超低價高速度、高可靠、超強

22、抗靜電，超強抗干擾、無法解密等優(yōu)點。此外，其8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器，512字節(jié)RAM對于本系統(tǒng)的程序大小而言，已基本夠用。STC89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路，STC89C5X可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。同時STC89C52可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，

23、直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)本。STC單片機有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。STC89C52單片機引腳功能圖如圖2.2所示:VCC:電源電壓VSS:即地XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。圖2.2單片機引腳圖P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口P0寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問

24、外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問器件激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。P1口：P1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。P1.0和P1.1還可分別作為定時/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和輸入(P1.1/T2EX)。Flash編程和程序校驗期間，P1

25、接收低8位地址。表2.1為 P1.0和P1.1的第二功能。 表2.1引腳號功能特性P1.0T2： 定時器/計數(shù)器2外部計數(shù)脈沖輸入，時鐘輸出P1.1T2EX： 定時器/計數(shù)器2捕獲重裝載觸發(fā)和方向控制 P2口：P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口P2寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，同時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVXDPTR指令）時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址

26、的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVXRI指令）時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。Flash編程或校驗時，P2亦接收高位地址和一些控制信號。P3口：P3口時一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入1時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3口作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表2.2所示。此外，P3口還接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。AL

27、E/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE(地址鎖存允許)輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對Flash存儲器編程器件，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位復(fù)位，可禁止ALE操作。該位置復(fù)位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無效。 PSEN ：程序儲存允許輸出是外部程序存儲器的

28、讀選通信號，當(dāng)89C5X單片機由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。 EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為000H-FFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。需要注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA 端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。Flash存儲器編程時，該引腳加上12V的編程允許電源Vpp,當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。表2.2 P3口的第二功能端口引腳具體第二功能P3.0RXD（串行輸入口）

29、P3.1TXD（串行輸出口）P3.2INT0（外中斷0）P3.3INT1（外中斷1）P3.4T0（定時/計數(shù)器0）P3.5T1（定時/計數(shù)器1）P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7RD (外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通) 2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器簡介實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的基本方法很多，有計數(shù)法、逐次逼近法、雙斜積分法和并行轉(zhuǎn)換法。由于逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換具有速度快，分辨率高等優(yōu)點，而且采用這種方法的ADC芯片成本低，所以我們采用逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。逐次逼近型ADC包括1個比較器、一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器、1個逐次逼近寄存器（SAR）和1個邏輯控制單元。逐次逼近型是將采樣信號和已知電壓不斷進行比較，一個時鐘周期完成

30、1位轉(zhuǎn)換，依次類推,轉(zhuǎn)換完成后，輸出二進制數(shù)。這類型ADC的分辨率和采樣速率是相互牽制的。優(yōu)點是分辨率低于12位時，價格較低，采樣速率也很好。ADC0832 為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在0-5V之間。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為32S，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。其具體特點如下：.8位分辨率； .雙通道A/D轉(zhuǎn)換； .輸入輸出電平與TTL/CMOS

31、相兼容； .5V電源供電時輸入電壓在05V之間； .工作頻率為250KHZ，轉(zhuǎn)換時間為32S； .一般功耗僅為15mW； .8P、14PDIP（雙列直插）、PICC 多種封裝； .商用級芯片溫寬為0°C to +70°C，工業(yè)級芯片溫寬為40°C to +85°C； 芯片接口說明： .CS 片選使能，低電平芯片使能。 .CH0 模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用。 .CH1 模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用。 .GND 芯片參考0 電位（地）。 .DI 數(shù)據(jù)信號輸入，選擇通道控制。 .DO 數(shù)據(jù)信號輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。 .CLK 芯片時鐘輸入。 .

32、VCC/VREF 電源輸入及參考電壓輸入（復(fù)用）。ADC0832引腳圖如圖2.4所示圖2.4 ADC0832引腳圖ADC0809是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。主要特點：ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器, 它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時電路組成。ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝。其引腳圖如圖2.5所示。圖2.5 ADC0809引腳下面說明各引腳功能：IN0I

33、N7：8路模擬量輸入端。 .8位數(shù)字量輸出端。 .ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路 .ALE：地址鎖存允許信號，輸入高電平有效。 .START： A/D轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換）。 .EOC： A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 .OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 .CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。 .REF（+

34、）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓。 .VCC：電源，單一5V。 .GND：地。鑒于ADC0832 8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換、輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容、5V電源供電時輸入電壓在05V之間、工作頻率為250KHZ、轉(zhuǎn)換時間為32 微秒、一般功耗僅為15MW等特點完全能滿足設(shè)計所需要求，并且價格便宜，所以在本設(shè)計中采用ADC0832作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器件。2.3液晶顯示器的簡介 為了從單片機上直接了解當(dāng)前采集信號的信息和機器狀態(tài)，可在單片機上安裝數(shù)碼管（LED）或液晶屏（LCD）。數(shù)碼管只能顯示一些數(shù)字信息，很難從這些數(shù)字了解機器的狀態(tài)。液晶顯示模塊是一種常用的人機界面，其在單片機系統(tǒng)中應(yīng)用極為

35、廣泛。液晶顯示模塊既可顯示字符，又可顯示簡單圖形。在本設(shè)計中選用液晶屏LCD1602來作為顯示模塊。LCD1602字符型液晶顯示器的特點及其用法：.單5V電源電壓，低功耗、長壽命、高可靠性。.內(nèi)置192種字符(160個5×7點陣字符和32個5×10點陣字符)。.具有64個字節(jié)的自定義字符RAM，可自定義點陣字符。.顯示方式：STN、半透、正顯。.驅(qū)動方式：1/16并口，1/5串口。.背光方式：底部LED。.通訊方式：4位或8位并口可選。.標(biāo)準(zhǔn)的接口特征：適配MC51和M6800系統(tǒng)MPU的操作時序。LCD1602液晶顯示屏的主要技術(shù)參數(shù)如下表所示：（表2.3）表2.3 LC

36、D1602液晶主要參數(shù)顯示容量16×2個字符芯片工作電壓工作電流2.0mA(5.0V)模塊最佳工作電壓5.0V字符尺寸2.95×4.35(mm)帶中文字庫的128X64是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64, 內(nèi)置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示8×4行16×16點陣的漢字. 也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該

37、模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊；基本特性:.低電源電壓（VDD:+3.0-+5.5V）.顯示分辨率:128×64點.內(nèi)置漢字字庫，提供8192個16×16點陣漢字(簡繁體可選).內(nèi)置 128個16×8點陣字符，2MHZ時鐘頻率.顯示方式：STN、半透、正顯，驅(qū)動方式：1/32DUTY，1/5BIAS.視角方向：6點，背光方式：側(cè)部高亮白色LED，功耗僅為普通LED的1/51/10.通訊方式：串行、并口可選，內(nèi)置DC-DC轉(zhuǎn)換電路，無需外加負(fù)壓.無需片選信

38、號，簡化軟件設(shè)計，工作溫度: 0度 - +55度 ,存儲溫度: -20度 - +60度。在單片機系統(tǒng)中應(yīng)用液晶顯示器作為輸出器件有以下幾個有點：顯示質(zhì)量高；數(shù)字式接口：液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機系統(tǒng)的接口更加簡單可靠，操作更加方便；體積小、重量輕 ；功耗低：相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動IC上，因而耗電量比其他顯示器要少的多。2.4 MQ2及其測量電路的特點MQ2氣敏元件響應(yīng)速度快，具有良好的重復(fù)性、選擇性。元件工作穩(wěn)定、可靠.抗H2S 中毒。其特性圖和響應(yīng)曲線見圖2.6。應(yīng)用：工業(yè)現(xiàn)場的天然氣、液化氣、煤氣、烷類等可燃性氣體及汽油、醇、酮、苯等有機溶劑蒸汽的濃度

39、檢測；可燃性氣體泄漏報警器；可燃性氣體探測器；氣體濃度計等。其模塊詳細(xì)參數(shù)見表2.4。圖2.6 MQ2的靈敏度特性及響應(yīng)恢復(fù)特性表2.4 MQ2模塊詳細(xì)參數(shù)指標(biāo)A：標(biāo)準(zhǔn)工作條件符號 參數(shù)名稱 技術(shù)條件 備注 Vc 回路電壓 5.0V±0.1VAC or DC VH 加熱電壓 5.0V±0.1V AC or DC RL 負(fù)載電阻 可調(diào)   RH 加熱電阻 33±5%室溫 PH 加熱功耗 800mW  工作電壓(V) 2.8±0.1工作電流(mA)90±10靈敏度（mv）1%甲烷15-401%丁烷30-501%氫氣20-40線形

40、度（%）5測量范圍（LEL）0100響應(yīng)時間(90%)小于10 秒恢復(fù)時間(90%)小于30 秒使用環(huán)境 -40+70 低于95%RH 儲存環(huán)境-20+70 低于95%RH外形尺寸（mm）MQ2:9.5×14×19 MQ2C: 8×10×14B：環(huán)境條件符號 參數(shù)名稱 技術(shù)條件 備注 Tao 使用溫度 -20-50   Tas 儲存溫度 -20-70 RH 相對濕度 小于95% RH O2 氧氣濃度 21%(標(biāo)準(zhǔn)條件) 氧氣濃度會影響靈敏度特性 最小值大于 C：靈敏特性符號參數(shù)名稱技術(shù)參數(shù)備注Rs敏感體電阻1M- 8 M(200ppm alco

41、hol )適用范圍： 0.05mg/L10mg/LAlcohol（200/100）alcohol濃度斜率0.6標(biāo)準(zhǔn)工作條件溫度：20±2 Vc:5.0V±0.1V 相對濕度： 65%±5% Vh:5.0V±0.1V預(yù)熱時間不少于24小時2.5 MQ3特點及其測量電路原理MQ3特點如下：.對乙醇蒸氣有很高的靈敏度和良好的選擇性.快速的響應(yīng)恢復(fù)特性.長期的壽命和可靠的穩(wěn)定性.簡單的驅(qū)動回路MQ-3 氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖2.7所示,由微型AL2O3陶瓷管、SnO2 敏感層,測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了

42、必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳，其中4個用于信號取出，2個用于提供加熱電流。測量電路如圖2.8所示。圖2.7 MQ-3結(jié)構(gòu)和外形圖2.8 MQ-3基本測量電路圖2.9 MQ-3型氣敏元件的靈敏度特性圖2.9 給出了MQ-3氣敏元件的靈敏度特性。其中：溫度：20、相對濕度：65%、氧氣濃度：21%、RL=50k(在本設(shè)計中，其值固定)、Rs：元件在不同氣體，不同濃度下的電阻值、R0:元件在潔凈空氣中的電阻值。 圖2.10 MQ-3型氣敏元件的溫濕度特性圖2.10給出了MQ-3型氣敏元件的溫濕度特性。Ro: 20，33%RH條件下，0.4mg/L濃度的乙醇蒸氣中元件電阻。Rs: 不

43、同溫度，濕度下，0.4mg/L 濃度的乙醇蒸氣中元件電阻。靈敏度調(diào)整：MQ-3 型氣敏元件對不同種類，不同濃度的氣體有不同的電阻值。因此，在使用此類型氣敏元件時，靈敏度的調(diào)整是很重要的。我們建議您用0.4mg/L(約200ppm)濃度的乙醇蒸氣校準(zhǔn)傳感器。當(dāng)精確測量時，報警點的設(shè)定應(yīng)考慮溫濕度的影響。2.6 數(shù)據(jù)選擇器在多路數(shù)據(jù)傳送過程中，能夠根據(jù)需要將其中任意一路選出來的電路，叫做數(shù)據(jù)選擇器，也稱多路選擇器或多路開關(guān)。數(shù)據(jù)選擇器(MUX)的邏輯功能是在地址選擇信號的控制下，從多路數(shù)據(jù)中選擇一路數(shù)據(jù)作為輸出信號。有2選1，4選1、8選1和16選1等類型的數(shù)據(jù)選擇器。 有數(shù)字信號的數(shù)據(jù)選擇器，如

44、74LS151，74HC151，也有針對模擬信號的數(shù)據(jù)選擇器，如74HC4051。在本設(shè)計中，主要是選通模擬輸入信號，故用74HC4051。2.7 USB轉(zhuǎn)接芯片CP2102 - 性能參數(shù)：采用MLP-28封裝，尺寸僅為5mm*5mm，是CP2101的升級產(chǎn)品。其集成度高，內(nèi)置USB2.0全速功能控制器、USB收發(fā)器、晶體振蕩器、異步串行數(shù)據(jù)總線，支持調(diào)制調(diào)節(jié)器全功能信號，無需要任何外部的USB器件。CP2102 - 特性如下：.內(nèi)含USB收發(fā)器，無需外界電路器 .內(nèi)含時鐘電路，無需外接電路器 .其內(nèi)部512字節(jié)的EEPROM可用于存儲產(chǎn)品生廠商的ID、產(chǎn)品的ID序列號、電

45、源參數(shù)、器件版本號和產(chǎn)品說明。 .內(nèi)含上電復(fù)位電路 .片內(nèi)電壓調(diào)節(jié)可輸出3.3V電壓 .符合USB2.0規(guī)范的要求 .SUSPEND引腳支持USB狀態(tài)掛起 .異步串行數(shù)據(jù)總線兼容所有握手和調(diào)制調(diào)節(jié)器接口信號 .支持的數(shù)據(jù)格式為數(shù)據(jù)位8、停止位1、2和校驗位 .波特率范圍為300b/s921.6kb/s .內(nèi)含512字節(jié)接收緩沖器和512字節(jié)發(fā)送緩沖器 2.8 Keil軟件簡介單片機開發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開軟件，我們寫的匯編語言源程序要變?yōu)镃PU可以執(zhí)行的機器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機

46、器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。機器匯編是通過匯編軟件將源程序變?yōu)闄C器碼。 Keil軟件是目前最流行開發(fā)MCS-51系列單片機的軟件。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部份組合在一起。Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windo

47、ws界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。2.9 Protues仿真軟件簡介Protues軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件，是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。Proteus是世界上著名的EDA工具，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計，是目前世界上唯一將電路仿真軟件

48、、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。第3章 硬件設(shè)計3.1 最小系統(tǒng)的實現(xiàn)單片機的最小系統(tǒng)的就是要讓單片機里面的程序運行所需要的最小配置。用STC89C52來實現(xiàn)一個單片機系統(tǒng)能運行起來的最小系統(tǒng)，電路圖見圖3.1。由晶振電路和復(fù)位電路，STC89C52芯片組成，構(gòu)成最小的單片機系統(tǒng)。圖3.1 最小系統(tǒng)電路圖下面介紹其中的兩個電路。晶振電路:單片機工作的過程中各指令的微操作在時間上有

49、嚴(yán)格的次序，這種微操作的時間次序稱作時序，單片機的時鐘信號用來為單片機芯片內(nèi)部各種微操作提供時間基準(zhǔn)。89C52的時鐘產(chǎn)生方式有兩種，一種是內(nèi)部時鐘方式，一種是外部時鐘方式。內(nèi)部時鐘方式即在單片機的外部接一個晶振電路與單片機里面的振蕩器組合作用產(chǎn)生時鐘脈沖信號，外部時鐘方式是把外部已有的時鐘信號引入到單片機內(nèi)，此方式常用于多片89C52單片機同時工作，以便于各單片機的同步，一般要求外部信號高電平的持續(xù)時間大于20ns.且為頻率低于12MHz的方波。對于CHMOS工藝的單片機，外部時鐘要由XTAL1端引入，而XTAL2端應(yīng)懸空。本系統(tǒng)中為了盡量降低功耗的原則，采用了內(nèi)部時鐘方式。電路圖見圖3.2

50、：圖3.2 內(nèi)部時鐘電路在89C52單片機的內(nèi)部有一個震蕩電路，只要在單片機的XTAL1和XTAL2引腳外接石英晶體（簡稱晶振）就構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機內(nèi)部產(chǎn)生時鐘脈沖信號，圖中電容器C1和C2穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值在5-30pF，典型值是22pF，晶振CYS選擇的是12MHz。復(fù)位電路：單片機開始工作的時候，必須處于一種確定的狀態(tài)，否則，不知哪是第一條程序和如何開始運行程序。端口線電平和輸入輸出狀態(tài)不確定可能使外圍設(shè)備誤動作，導(dǎo)致嚴(yán)重事故的發(fā)生；內(nèi)部一些控制寄存器（專用寄存器）內(nèi)容不確定可能導(dǎo)致定時器溢出、程序尚未開始就要中斷及串口亂傳向外設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)。因此，任何單片機在開始工作前，都

51、必須進行一次復(fù)位過程，使單片機處于一種確定的狀態(tài)。當(dāng)在89C52單片機的RST引腳引入高電平并保持2個機器周期時，單片機內(nèi)部就執(zhí)行復(fù)位操作（若該引腳持續(xù)保持高電平，單片機就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)）。實際應(yīng)用中，復(fù)位操作有兩種基本形式：一種是上電復(fù)位，另一種是上電與按鍵均有效的復(fù)位，上電復(fù)位，要求接通電源后，單片機自動實現(xiàn)復(fù)位操作。常用的上電復(fù)位，上電瞬間RST引腳獲得高電平，隨著電容C1的充電，RST引腳的高電平將逐漸下降。本設(shè)計中復(fù)位電路采用的是開關(guān)復(fù)位電路，開關(guān)未按下是上電復(fù)位電路，上電復(fù)位電路在上電的瞬間，由于電容上的電壓不能突變，電容處于充電（導(dǎo)通）狀態(tài)，故RST腳的電壓與VCC相同。隨著電

52、容的充電，RST腳上的電壓才慢慢下降。選擇合理的充電常數(shù)，就能保證在開關(guān)按下時是RST端有兩個機器周期以上的高電平從而使STC89C52內(nèi)部復(fù)位。開關(guān)按下時是按鍵手動復(fù)位電路，RST端通過電阻與VCC電源接通，通過電阻的分壓就可以實現(xiàn)單片機的復(fù)位。電路圖見圖3.3： 圖3.3 復(fù)位電路 RST引腳的高電平只要能保持足夠的時間（2個機器周期），單片機就可以進行復(fù)位操作。3.2 信號采集電路從傳感器過來的電壓信號，應(yīng)經(jīng)過濾波，采集，轉(zhuǎn)換才能被MCU識別和處理。由于假若每一路都設(shè)置放大、濾波等器件，那么成本會很大，所以信號的采集一般用多路模擬通路進行選擇。為了成本的控制和便于設(shè)計測量，設(shè)計中選取了一

53、個酒精濃度傳感器和一個甲烷濃度傳感器。酒精濃度傳感器由MQ3傳感器組成。甲烷濃度傳感器由MQ2組成。測量電路由氣敏傳感器MQ3/MQ2、濾波電路和ADC0832組成。所采集的信號經(jīng)濾波電路和ADC0832后，被傳送至STC89C52單片機，在顯示器上顯示出對應(yīng)的濃度值。MQ2是催化燃燒式氣敏元件，根據(jù)催化燃燒效應(yīng)的原理工作。在使用中經(jīng)常采用電橋電路的方式進行采樣檢測?；倦娐啡鐖D3.4所示。由檢測元件和補償元件配對組成電橋的兩個臂，遇可燃性氣體時檢測元件電阻升高，橋路輸出電壓變化，該電壓變量隨氣體濃度增大而成正比例增大，補償元件起參比及溫濕度補償作用。圖3.4 測量電路3.2.1關(guān)于氣體濃度單

54、位的說明對于氣體濃度常見有兩種表示方法（1）體積濃度 體積濃度是用每立方米的大氣中含有污染物的體積數(shù)（立方厘米）或（ml/m3）來表示， 常用的表示方法是ppm，即1ppm=1立方厘米/立方米=10-6。除ppm外，還有ppb和ppt， 他們之間的關(guān)系是： 1ppm=10-6=一百萬分之一， 1ppb=10-9=十億分之一 ， 1ppt=10-12=萬億分之一， 1ppm=103ppb=106ppt （2）質(zhì)量-體積濃度 用每立方米大氣中污染物的質(zhì)量數(shù)來表示的濃度叫質(zhì)量-體積濃度，單位是毫克/立方米 ，或克/立方米。 它與ppm的換算關(guān)系是： X=M*C/22.4 (3-1) 即： C=22.

55、4X/M 式中： X污染物以每立方米的毫克數(shù)表示的濃度值；C污染物以ppm表示的濃度值； M污染物的分子量。 本設(shè)計中，氣體濃度單位用到mg/L與ppm,則轉(zhuǎn)換關(guān)系如下： C=22400Y/M （3-2）Y污染物以每立方分米即每升的毫克數(shù)表示的濃度值；本設(shè)計的電壓顯示與酒精濃度之間的關(guān)系：由傳感器MQ3特性圖可以得到，式子：（Rs/Ro）-(0.1)/（Y-10）=(2.1-0.1)/( 0.1-10),代入上式（1），并代入關(guān)系Vout=(RL/RS)*5,其中RL取50K，Ro經(jīng)測量為600K,整理可得關(guān)系式： C=1.52*Vout + 2.75(3-3) 在技術(shù)參數(shù)中，可知C的線性范圍

56、近似是48.8ppm4869ppm 。上式中C的理想最大值為6374ppm，由于一般不可能達到此值，且所測酒精濃度一般較小，故可認(rèn)為其在上式在線性范圍內(nèi)成立。3.3 A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計正常情況下ADC0832 與單片機的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設(shè)計時可以將DO和DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。當(dāng)ADC0832未工作時其CS輸入端應(yīng)為高電平，此時芯片禁用，CLK 和DO/DI 的電平可任意。當(dāng)要進行A/D轉(zhuǎn)換時，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時由處理器向芯