基于單片機對氧氣濃度的檢測

基于單片機的氧氣濃度檢測控制系統(tǒng)設(shè)計目錄TOC\o"1-3"\h\u9140第一章系統(tǒng)方案論證 44031.1檢測方案確定 43861.1.1方案介紹 4272031.1.2方案比較558311.1.3方案確定 5152511.2單片機的選擇6292051.3顯示器的選擇 613323第2章硬件設(shè)計82992.1總體設(shè)計方案 8221322.1.1系統(tǒng)框圖 86532.1.2系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu) 896662.2測氧原理 9224062.2.1氧化鋯測氧原理 946742.2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點 10193022.2.3氧值運算及輸出 102.2.4氧探頭的選擇及介紹 1060462.3A/D轉(zhuǎn)換電路 10289222.3.1.ADC0809的說明 11317592.3.2．ADC0809應(yīng)用說明 12250292.4單片機的選擇 13303182.4.1AT89S51的介紹 1358902.4.2AT89S51主要特性 13188922.4.3AT89S51管腳說明 1590392.4.4晶振電路 18293952.4.5復(fù)位電路 1869252.5報警電路的選擇 19103722.5.2報警電路 2025242.6靜態(tài)顯示電路 21292472.6.174LS138譯碼器 2146162.6.274HC4511譯碼器 2270332.6.4上拉電阻的選擇 26169152.7按鍵選擇與簡介 26101832.8時鐘芯片選擇與設(shè)計27252332.9電源的選擇29177142.9.1主電源 2982612.9.2備用電源 3047002.10控制單元302.11網(wǎng)絡(luò)傳輸單元 3119862第三章軟件設(shè)計32217843.1軟件設(shè)計結(jié)構(gòu) 3225433.2主程序模塊的設(shè)計 32257323.3模數(shù)轉(zhuǎn)換的設(shè)計3361203.4按鍵模塊的設(shè)計 34326876.5時鐘模塊的設(shè)計 35220023.6顯示模塊的設(shè)計 3618608第四章結(jié)論 3729965參考文獻 38第一章系統(tǒng)方案論證1.1檢測方案確定在目前檢測氧濃度的方法中，有很多的方法都可以檢測到氧氣濃度，比方電化學(xué)、順磁氧、氧化鋯方法及超聲波流量濃度檢測法。1.1.1方案介紹方案一：氧化鋯測氧法原理：穩(wěn)定氧化鋯在高溫下呈現(xiàn)的離子導(dǎo)電現(xiàn)象。在氧化鋯電解質(zhì)(ZrO2管)的兩側(cè)面分別燒結(jié)上多孔鉑〔Pt〕電極。檢測方式是通過導(dǎo)引管，將被測氣體導(dǎo)入氧化鋯檢測室，再通過加熱元件把氧化鋯加熱到工作溫度〔650℃以上〕。氧化鋯一般采用管狀，電極采用多孔鉑電極。方案二：流量濃度原理：在充滿流體的管道內(nèi)，超聲脈沖經(jīng)流體傳播，在順流方向和逆流方向有不同的傳播時間，氣體流速不同逆流和順流的時間差就不同，通過時間差就能檢測到氣體的流速。濃度的檢測也是用同樣的超聲波脈沖，在二元氣體的組分下，兩種組分的濃度比不同，超聲脈沖在氣體中的傳播速度也不同。超聲測量儀表的流量測量準確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響，可制作成非接觸及便攜式測量儀表，故可解決其它類型儀表所難以測量的強腐蝕性、非導(dǎo)電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)的流量測量問題。另外，鑒于非接觸測量特點，再配以合理的電子線路，一臺儀表可適應(yīng)多種管徑測量和多種流量范圍測量。超聲波流量計的適應(yīng)能力也是其它儀表不可比較的。超聲波流量計具有上述一些優(yōu)點因此它越來越受到重視并且向產(chǎn)品系列化、通用化開展，現(xiàn)已制成不同聲道的標準型、高溫型、防爆型、濕式型儀表以適應(yīng)不同介質(zhì)，不同場合和不同管道條件的流量測量。方案三：電化學(xué)原理：電化學(xué)傳感器通過與被測氣體發(fā)生反響并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號來工作。典型的電化學(xué)傳感器由傳感電極〔或工作電極〕和反電極組成，并由一個薄電解層隔開。氣體首先通過微小的毛管型開孔與傳感器發(fā)生反響，最終到達電極外表。通過電極間連接的電阻器，與被測氣濃度成正比的電流會在正極與負極間流動。測量該電流即可確定氣體濃度。1.1.2方案比較氧化鋯測氧法：其優(yōu)點是不受檢測氣體溫度的影響，通過采用不同的導(dǎo)流管可以檢測各種溫度氣體中的氧含量，這種靈活性被運用在許多工業(yè)在線檢測上。其缺點是反響時間慢；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易影響檢測精度；加熱器一般用電爐絲加熱，壽命不長。超聲波流量濃度：目前所存在的缺點主要是可測流體的溫度范圍受超聲波換能器與管道之間的耦合材料耐溫程度的限制，以及高溫下被測流體傳聲速度的原始數(shù)據(jù)不全。目前我國只能用于測量200℃以下的流體。另外，超聲波流量計的測量線路比一般流量計復(fù)雜。這是因為，一般工業(yè)計量中液體的流速常常是每秒幾米，而聲波在液體中的傳播速度約為1500m／s左右，被測流體流速(流量)變化帶給聲速的變化量最大也是10－3數(shù)量級．假設(shè)要求測量流速的準確度為1％，那么對聲速的測量準確度需為10-5～10-6數(shù)量級，因此必須有完善的測量線路才能實現(xiàn)，這也正是超聲波流量計只有在集成電路技術(shù)迅速開展的前提下才能得到實際應(yīng)用的原因。1.1.3方案確定三種傳感器的檢測氧氣的方式各有優(yōu)缺點，但在實際制氧機行業(yè)應(yīng)用和測試中，超聲波氧氣流量濃度傳感器具有，壽命長、無消耗、免維護。尤其是免維護免校準，減少了最終用戶對儀器性能的疑問。其次連續(xù)檢測，具有流量、濃度同時測量的特點，有助于今后儀器功能的升級。比方今后流量、濃度數(shù)字顯示。經(jīng)過長期測試，超聲波氧氣濃度傳感器是能夠滿足制氧機的濃度檢測需要。氧化鋯傳感器被用于英維康公司，但據(jù)相關(guān)廠家介紹，定期給最終用戶郵寄氧化鋯電解池。電化學(xué)傳感器雖然檢測精度最高，但壽命和經(jīng)常需要校準的特點不適用于制氧機行業(yè)，最終客戶沒有能力校準。所以不建議大規(guī)模運用。首先否認電化學(xué)測氧濃度，方案定格在氧化鋯及超聲波流量測氧發(fā)。由于超聲波傳感器造價昂貴，這與我們的節(jié)約理念相悖，而且氧化鋯傳感器不僅造價低廉，而且工藝簡單，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。所以此處采用方案一。1.2單片機的選擇AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。而且AT89S51實現(xiàn)了ISP下載功能，取代了89C系列的下載方式，加之價格低廉，故而此處選用AT89S51單片機來控制。1.3顯示器的選擇目前廣泛使用的顯示器件主要有LED〔二極管顯示器〕、LCD〔液晶顯示器〕、和VFD〔真空熒光管〕等。LED顯示器造價低廉，與單片機接口方便靈活,技術(shù)易于實現(xiàn)，但只能顯示阿拉伯?dāng)?shù)字和少數(shù)字符，通常用于對顯示要求不高的場合。LCD和VFD顯示器本錢較高，可以顯示包括漢字在內(nèi)的多種字符，甚至是復(fù)雜的圖形，并且耗電極省，可廣泛用于各種終端設(shè)備，如PDA、、觸摸屏等等。由于此處只要求顯示器顯示數(shù)值，本著節(jié)約本錢因此選用LED作為顯示器件。第2章硬件設(shè)計2.1總體設(shè)計方案2.1.1系統(tǒng)框圖測量系統(tǒng)由單片機，傳感器，AD轉(zhuǎn)換電路，顯示電路和控制電路等組成?？刂茊卧刂茊卧鯕鈾z測調(diào)理單元處理單元網(wǎng)絡(luò)傳輸單元遠端顯示單元氧氣檢測調(diào)理單元處理單元網(wǎng)絡(luò)傳輸單元遠端顯示單元報警單元現(xiàn)場顯示單元電源單元圖2.1總體設(shè)計方案2.1.2系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)〔1〕氧氣檢測調(diào)理單元對信號進行采集，轉(zhuǎn)換，放大，輸出一個易于檢測的電壓信號?！?〕處理單元完成對前面單元向其輸入信號的AD轉(zhuǎn)換，處理顯示，串口輸出與存儲三方面的實現(xiàn)?！?〕網(wǎng)絡(luò)傳輸單元將串口輸出轉(zhuǎn)為網(wǎng)口輸出并通過有線傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)?！?〕現(xiàn)場顯示單元從處理單元得到數(shù)據(jù)后進行顯示。〔5〕遠端處理顯示單元將從網(wǎng)絡(luò)傳輸單元接收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行實時顯示。〔6〕報警單元完成超限濃度報警任務(wù)，由軟件控制其報警值?！?〕電源單元完成對整個系統(tǒng)的供電，需要同時向氧氣檢測調(diào)理單元，處理單元，現(xiàn)場單元顯示和報警單元供電。2.2測氧原理2.2.1氧化鋯測氧原理氧氣濃度的上下與氧分壓、溫度、氣體常數(shù)等多種因素有關(guān)。氧化鋯定氧探頭首先把氧分壓轉(zhuǎn)換為電壓Eo,溫度傳感器把室內(nèi)溫度T轉(zhuǎn)換為溫度電壓,送入單片機,在單片機內(nèi)進行計算即可得到氧氣濃度的大小,即:(3-1)式中:Px為氧分壓,反映氧氣濃度的大小;R為氣體常數(shù);F為Farady常數(shù);Pa為參考氣體中的氧分壓,可以事先用標準儀器測定。Px值與設(shè)定值進行比較,可以確定是否啟動或停止換氣扇。氧化锫測氧是利用氧化鋯濃差電池原理來測定氣體中氧含量的電化學(xué)分析方法。如圖2示，測氧系統(tǒng)的氧敏感元件——氧化鋯元件是由氧化釔或氧化鈣穩(wěn)定的氧化鋯材料組成。在高溫條件下，它是良好的氧離子導(dǎo)體。在理想狀態(tài)下，當(dāng)氧化鋯元件內(nèi)、外電極外表氧含量不同時．便形成一個氧濃差電池，產(chǎn)生電池電動勢。圖2.2氧化鋯濃差電池原理2.2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點由測氧原理可知．氧量測量系統(tǒng)重點要考慮的問題有：〔1〕氧化鋯元件兩電極間存在濃度差時才會產(chǎn)生差電勢，所以測量系統(tǒng)中傳感器結(jié)構(gòu)需要考慮把被測氣體與空氣完全隔絕才能進行準確測量。〔2〕氧化鋯元件具有在高溫條件下才會電解的特性．所以單片機系統(tǒng)除了分析及運算的局部外還要有溫度檢測及加熱控制單元。2.2.3氧值運算及輸出氧量及溫度毫伏信號經(jīng)過放大后與室溫信號一同進入通道選擇器，由A／D轉(zhuǎn)換模塊循環(huán)選擇進行轉(zhuǎn)換，中央處理單元MCU讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果并計算相應(yīng)溫度及氧量值。MCU計算結(jié)果一路經(jīng)光電耦合隔離后進入D／A轉(zhuǎn)換變?yōu)槟M信號。再經(jīng)過V／I轉(zhuǎn)換變?yōu)?mA～20mA和0～10mA電流信號輸出：另一路MCU輸出串行輸入到顯示驅(qū)動專用集成模塊后控制4位LED顯示測量結(jié)果。2.2.4氧探頭的選擇及介紹由于需要將氧化鋯直接插入檢測氣氛中，對氧探頭的長度有較高要求，一般直插式氧探頭的有效長度在500-1000mm左右，特殊的環(huán)境長度可達1500mm。因此直插式氧探頭很難采用傳統(tǒng)氧化鋯氧探頭的整體氧化鋯管狀結(jié)構(gòu)，而多采取技術(shù)要求較高的氧化鋯和氧化鋁管連接的結(jié)構(gòu)。因此密封性能是這種氧化鋯氧探頭的最關(guān)鍵技術(shù)之一。目前國際上最先進的連接方式，是將氧化鋯與氧化鋁管永久的焊接在一起，其密封性能極佳。與采樣式檢測方式比，直插式檢測有顯而易見的優(yōu)點：氧化鋯直接接觸氣氛，檢測精度高，反響速度快，維護量較小。氧傳感器使用時，引入被測氣體的方式有直插式和擴散式兩種。直插式響應(yīng)時間短，不需要加熱器，結(jié)構(gòu)簡單，小型輕便，但要求同時檢測被測氣體的溫度。擴散式由于氧探頭的溫度由加熱器控制，因此測量精度高，工作可靠，但響應(yīng)時間取決于氣體的流量。直插式氧探頭的工作環(huán)境惡劣，且對檢測精度、工作穩(wěn)定性和工作壽命都要求較高，采用新的技術(shù)，克服了傳統(tǒng)氧化鋯氧探頭的缺乏。2.3A/D轉(zhuǎn)換電路2.3.1.ADC0809的說明ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機直接接口。ADC0809由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。圖2.3ADC0809引腳圖IN0－IN7：8條模擬量輸入通道ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0－5V，假設(shè)信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如假設(shè)模擬量變化太快，那么需在輸入前增加采樣保持電路。地址輸入和控制線：4條ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道模擬量輸入轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0－IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如下表1所示。數(shù)字量輸出及控制線：11條ST為轉(zhuǎn)換啟動信號。當(dāng)ST到上跳沿時，所有內(nèi)部存放器清零；下跳沿時，開始進行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應(yīng)保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當(dāng)EOC為高電平時，說明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否那么，說明正在進行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE＝1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE＝0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7－D0為數(shù)字量輸出線。CLK為時鐘輸入信號線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ，VREF〔＋〕，VREF〔－〕為參考電壓輸入。表2.1通道的選擇CBA通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN5111IN62.3.2．ADC0809應(yīng)用說明〔1〕ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與AT89S51單片機直接相連?！?〕初始化時，使ST和OE信號全為低電平?！?〕送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到A，B，C端口上。〔4〕在ST端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號?！?〕是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號來判斷?！?〕當(dāng)EOC變?yōu)楦唠娖綍r，這時給OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機了。2.4單片機的選擇2.4.1AT89S51的介紹AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。AT89S51具有如下特點：40個引腳，4kBytesFlash片內(nèi)程序存儲器，128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器〔RAM〕，32個外部雙向輸入/輸出〔I/O〕口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗〔WDT〕電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。此外，AT89S51設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。2.4.2AT89S51主要特性(1)8031CPU與MCS-51兼容。(2)4K字節(jié)可編程FLASH存儲器(壽命：1000寫/擦循環(huán))。(3)全靜態(tài)工作：0Hz-33MHz。(4)三級程序存儲器保密鎖定。(5)128*8位內(nèi)部RAM。(6)32條可編程I/O線。(7)兩個16位定時器/計數(shù)器。(8)6個中斷源。(9)可編程串行通道。(10)低功耗的閑置和掉電模式。(11)片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。2.4.3AT89S51管腳說明圖2.4AT89S51管腳圖VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1〞時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1〞時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能存放器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1〞后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流〔ILL〕這是由于上拉的緣故。P3.0RXD〔串行輸入口〕P3.1TXD〔串行輸出口〕P3.2/INT0〔外部中斷0〕P3.3/INT1〔外部中斷1〕P3.4T0〔記時器0外部輸入〕P3.5T1〔記時器1外部輸入〕P3.6/WR〔外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通〕P3.7/RD〔外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通〕P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。I/O口作為輸入口時有兩種工作方式，即所謂的讀端口與讀引腳。讀端口時實際上并不從外部讀入數(shù)據(jù)，而是把端口鎖存器的內(nèi)容讀入到內(nèi)部總線，經(jīng)過某種運算或變換后再寫回到端口鎖存器。只有讀端口時才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線。上面圖中的兩個三角形表示的就是輸入緩沖器CPU將根據(jù)不同的指令分別發(fā)出讀端口或讀引腳信號以完成不同的操作。這是由硬件自動完成的，不需要我們操心，1然后再實行讀引腳操作，否那么就可能讀入出錯，為什么看上面的圖，如果不對端口置1端口鎖存器原來的狀態(tài)有可能為0Q端為0Q^為1加到場效應(yīng)管柵極的信號為1，該場效應(yīng)管就導(dǎo)通對地呈現(xiàn)低阻抗，此時即使引腳上輸入的信號為1，也會因端口的低阻抗而使信號變低使得外加的1信號讀入后不一定是1。假設(shè)先執(zhí)行置1操作，那么可以使場效應(yīng)管截止引腳信號直接加到三態(tài)緩沖器中實現(xiàn)正確的讀入，由于在輸入操作時還必須附加一個準備動作，所以這類I/O口被稱為準雙向口。89C51的P0/P1/P2/P3口作為輸入時都是準雙向口。接下來讓我們再看另一個問題，從圖中可以看出這四個端口還有一個差異，除了P1口外P0P2P3口都還有其他的功能。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，那么在此期間外部程序存儲器〔0000H-FFFFH〕，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源〔VPP〕。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。2.4.4晶振電路晶振電路在各種指令的微操作在時間上有嚴格的次序，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，89c51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89C51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那么，采用了內(nèi)部時鐘方式。電路圖見圖3.5。圖3.5晶振電路圖在AT89S51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，晶振CRY選擇的是12MHz。2.4.5復(fù)位電路①復(fù)位的意義復(fù)位電路在單片機工作中仍然是不可缺少的主要部件中，單片機工作時必須處于一種確定的狀態(tài)。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)致嚴重事故的發(fā)生；內(nèi)部一些控制存放器〔專用存放器〕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)。②復(fù)位電路原理圖3.6上電復(fù)位電路圖本設(shè)計中復(fù)位電路采用的是上電復(fù)位與手動復(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AT89C52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3.7。圖3.7復(fù)位電路圖2.5報警電路的選擇2.5.1蜂鳴器介紹蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場，振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性的振動發(fā)聲。壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。多諧振蕩器由晶體管或集成電路構(gòu)成，當(dāng)接通電源后〔1.5~15V直流工作電壓〕，多諧振蕩器起振,輸出1.5～2.5kHZ的音頻信號，阻抗匹配器推動蜂鳴片發(fā)聲。見下列圖圖3.8蜂鳴器電路圖蜂鳴器用來作為報警指示，選用直流型FM12—5V型號。蜂鳴器工作電壓為+5V，工作電流在20mA以上。單片機的驅(qū)動電流不夠，不能直接驅(qū)動，必須外接功率驅(qū)動。因此，選用PNP型三極管9012作為蜂鳴器的功率驅(qū)動，與基極相連的電阻取2kΩ，保證三極管工作在飽和狀態(tài)。2.5.2報警電路圖3.9報警電路在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，一般的工作狀態(tài)可以通過指示燈或數(shù)碼顯示來指示，供操作人員參考，了解系統(tǒng)的工作狀況。但對于緊急狀態(tài)，比方系統(tǒng)檢測到的錯誤狀態(tài)等，往往還需要有某種更能引人注意，及時采取措施，往往還需要有某種更能引人注意，提起警覺的報警信號。這種報警信號通常有三種類型：一是閃光報警，因為閃動的指示燈更能提醒人們注意；二是鳴音報警，發(fā)出特定的音響，作用于人的聽覺器官，易于引起和加強警覺；三是語音報警，不僅能起到報警作用，還能直接給出警報種類的信息。其中，前兩種報警裝置因硬件結(jié)構(gòu)簡單，軟件編程方便，常常在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中使用；而語音報警雖然警報信息較直接，但硬件本錢高，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。單頻音報警的接口電路比較簡單，其發(fā)音元件通常可采用壓電蜂鳴器，當(dāng)在蜂鳴器兩引腳上加3～15V直流工作電壓，就能產(chǎn)生3kHZ左右的蜂鳴振蕩音響。壓電式蜂鳴器，約需10mA的驅(qū)動電流，可在某端口接上一只三極管和電阻組成的驅(qū)動電路來驅(qū)動，如圖3-14所示。在圖3-14中，P1.0接三極管基極輸入端，當(dāng)P1.0輸出高電平“1〞時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器的通電而發(fā)音，當(dāng)P1.0輸出低電平“0〞時，三極管截止，蜂鳴器停止發(fā)音。2.6靜態(tài)顯示電路2.6.174LS138譯碼器用與非門組成的3線-8線譯碼器74LS138圖2.1074LS138管腳圖功能介紹：38譯碼器，是TTL系列的，也就是74系列。有三個輸入端A0，A1,A2,其中A2是高位，輸出是八個低電平輸出Y0~Y7，工作電壓一般的5V就可以了，舉個例子，你A0，A1,A2依次輸入000，輸出就是Y0，輸入依次是001，輸出就是Y1。表2.23線-8線譯碼器74LS138的功能表輸入輸出S1S2'+S3'A2A1A0?0?1?2?3?4?5?6?70XXXX11111111X1XXX11111111100000111111110001101111111001011011111100111110111110100111101111010111111011101101111110110111111111102.6.274HC4511譯碼器74HC4511是8421BCD碼七段顯示譯碼器。圖2.1174HC4511管腳圖2.6.3數(shù)碼顯示七段顯示器主要有熒光數(shù)碼管和半導(dǎo)體顯示器、液晶數(shù)碼顯示器。半導(dǎo)體〔發(fā)光二極管〕顯示器是數(shù)字電路中比較方便使用的顯示器。它有共陽極和共陰極兩種接法，如下圖。圖2.12半導(dǎo)體顯示器接法數(shù)字顯示譯碼器將BCD代碼譯成數(shù)碼管顯示字所需要的相應(yīng)高、低電平信號，使數(shù)碼管顯示出BCD代碼所表示的對應(yīng)十進制數(shù)，這是一種代碼譯碼器。圖2.1374HC4511與顯示器的連接示意圖2.6.4上拉電阻的選擇在主電路圖中接在P0口處有一個排阻RP1，由于P0口沒有內(nèi)接上拉電阻，為了為P0口外接線路有確定的高電平，所以要接上排阻RP1，以確保有P0口有穩(wěn)定的電平。電路連接圖見圖3-14。圖2.14上拉電阻的接法2.7按鍵選擇與簡介〔1〕本系統(tǒng)選擇獨立式按鍵。鍵盤分為：獨立式和矩陣式兩類，每一類按其編碼方法又可以分為編碼和非編碼兩種。本系統(tǒng)具有人機對話功能，該功能即能隨時發(fā)出各種控制命令和數(shù)據(jù)輸入以及和LCD連接顯示運行狀態(tài)和運行結(jié)果。由于本系統(tǒng)只有UP、DOWN、OK、CANCEL4個控制命令，所需按鍵較少，所以本系統(tǒng)選擇獨立式按鍵。電路圖見圖3-15。圖2.15按鍵電路圖〔2〕獨立式按鍵是直接用I/O口線構(gòu)成的單個按鍵電路。每個獨立式按鍵占有一根I/O口線。各根I/O口線之間不會相互影響。在此電路中，按鍵輸入部采用低電平有效，上拉電阻保證了按鍵斷開時，I/O口線有確定的高電平，〔AT89C52.P1口內(nèi)部接有上拉電阻〕所以就不需要再外接上拉電阻?！?〕鍵盤抖動的消除：抖動的消除大致可以分為硬件削抖和軟件削抖。硬件削抖是采用硬件電路的方法對鍵盤的按下抖動及釋放抖動進行削抖，經(jīng)過削抖電路后使按鍵的電平信號只有兩種穩(wěn)定狀態(tài)。2.8時鐘芯片選擇與設(shè)計在本系統(tǒng)，我們選擇了DS1302時鐘芯片。因為此系統(tǒng)需要記錄測量發(fā)生的時間，所以需要時鐘芯片來記錄不同時間的監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此我們在系統(tǒng)中參加了時鐘芯片?！?〕我們時鐘電路選擇的芯片是DS1302，其內(nèi)含一個實時時鐘/日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM，可以通過串行接口與單片機通信。而通信時，僅需要3個口線：①RES〔復(fù)位〕，②I/O數(shù)據(jù)線，③SCLK〔串行時鐘〕。時鐘/RAM的讀/寫數(shù)據(jù)以一字節(jié)或多達31字節(jié)的字符組方式通信?！?〕DS1302主要性能有：時鐘能計算2100年之前的秒、分、時、日、日期、星期、月、年的能力，還有閏年的調(diào)整能力；讀/寫時鐘或RAM數(shù)據(jù)時，有單字節(jié)和多字節(jié)傳送兩種方式，與DS1202/TTL兼容?！?〕DS1302引腳概述：X1，X2；振蕩源，外接32.768KHZ晶振；SCLK：行時鐘輸入端。見表3.3。晶體振蕩器的選擇：一個32.768KHz的晶振可以直接接在DS1302的2、3管腳之間，可以設(shè)定規(guī)定載荷電容為6pf。電源控制：Vcc1可提供單電源控制也可以用來作為備用電源，Vcc2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也可以保持時鐘的連續(xù)運行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當(dāng)Vcc2大于Vcc1+0.2V時，Vcc2給DS1302供電；當(dāng)Vcc2小與Vcc1時，DS1302由Vcc1供電。表2.3時鐘控制字對照表存放器名命令字取值范圍各位內(nèi)容寫操作讀操作76543～0秒存放器80H81H00～59CH10SECSEC時存放器84H85H01～1200～2312/24010/〔A/P〕HRHR日存放器86H87H01～28，29、30、310010DATEDATE月存放器88H89H01～1200010MMONTH周存放器8AH8BH01～070000DAY年存放器8CH8DH01～9910YEARYEAR保護存放器8EH8FHWP0000慢充電存放器90H91HTCSTCSTCSTCSDSDSRSRS時鐘突發(fā)存放器BEHBFH〔4〕DS1302數(shù)據(jù)輸入/輸出時序數(shù)據(jù)輸入是在輸入寫命令字的8個SCLK周期之后，在接下來的8個SCLK周期中的每個脈沖的上升沿輸入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)從0位開始。如果有額外的SCLK周期，它們將被忽略。圖2.16時鐘電路圖數(shù)據(jù)輸出是在輸出命令字的8個SCLK周期之后，在接下來的8個SCLK周期中的每個脈沖的下降沿輸出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)從0位開始。需要注意的是，第一個數(shù)據(jù)位在命令字節(jié)的最后一位之后的第一個下降沿被輸出。只要RST保持高電平，如果有額外的SCLK周期，將重新發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)，即多字節(jié)傳送。其電路圖見圖3-10。2.9電源的選擇2.9.1主電源本系統(tǒng)主電源采用直流電源5V和6V供電,電源局部電路為典型的7805〔7806〕應(yīng)用電路，具有兩路電源輸出。該電路具有短路保護功能，變壓器輸出7V交流電，經(jīng)橋路整流，電容濾波，送入7805/7806輸入端，最后輸出5V/6V直流電。圖3.17電源連接2.9.2備用電源煤氣泄漏探測器應(yīng)實現(xiàn)24小時不間斷監(jiān)控，不允許出現(xiàn)停電故障，這就需要使用備用電源。用備用電源作為主電源對單片機系統(tǒng)供電的補充，可以使單片機系統(tǒng)在工作期間，不致因電網(wǎng)突然斷電，導(dǎo)致計算機系統(tǒng)RAM中的數(shù)據(jù)喪失而中斷工作，更主要的是它可以防止因電源中斷造成整個計算機系統(tǒng)的癱瘓。備用電源的主要作用是在輸入回路斷電時，將電池的電能供應(yīng)負載，當(dāng)電源恢復(fù)正常后，輸入回路既負責(zé)向負載提供電源還要負貴向電池充電。是可以實現(xiàn)及時、正確、可靠地產(chǎn)生交/直流掉電預(yù)警信號的直流在線式備用電源。2.10控制單元控制電路采用雙向可控硅控制電機的啟動與停止,由于交流電路屬于強電,為防止交流電對單片機的干擾,采用光電耦合器隔離。單片機計算出氧氣濃度后,與設(shè)定值比較,如果低于設(shè)定值,就置P2.7為高電平,控制可控硅導(dǎo)通,換氣扇工作;反之,P2.7為低電平,使換氣扇停止?？刂茊卧c單片機的接法參見下列圖3.18。圖2.18控制單元與單片機的連接2.11網(wǎng)絡(luò)傳輸單元嵌人式RS485／ILI45串網(wǎng)口轉(zhuǎn)換器一端接AT89S51的串口另一端接PC機的網(wǎng)口，利用附帶的軟件，進行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，串網(wǎng)口參數(shù)設(shè)置為和485設(shè)備相匹配，參數(shù)設(shè)置好后連接建立，這樣RS一485通信串口就可以通過IP網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控主機的網(wǎng)絡(luò)接口進行數(shù)據(jù)通信，從而進行遠程網(wǎng)絡(luò)顯示。第三章軟件設(shè)計3.1軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)軟件設(shè)計局部主要包括：主程.序/子程序流程的設(shè)計、功能模塊程序的編寫、軟/硬件結(jié)合調(diào)試與演示。主要包括以下功能模塊：51驅(qū)動、檢測、液晶顯示、時鐘、鍵盤、模數(shù)軟換，軟件結(jié)構(gòu)框圖4.1。系統(tǒng)初始化、按鍵掃描系統(tǒng)初始化、按鍵掃描顯示選擇菜單測量相關(guān)設(shè)置數(shù)據(jù)處理串行通信對軟件進行處理圖3.1軟件結(jié)構(gòu)框圖3.2主程序模塊的設(shè)計主程序?qū)崿F(xiàn)的功能：與硬件相結(jié)合實現(xiàn)便攜式一氧化碳檢測儀的各個功能。主要是檢測與顯示，時間調(diào)整與顯示，數(shù)據(jù)存儲，功能子函數(shù)的調(diào)用，見圖3.2。開始開始初始化CPU初始化時鐘初始化LED屏顯示開機畫面顯示時間顯示主菜單讀鍵圖3.2主程序流程圖檢測主程序程序見附錄二。3.3模數(shù)轉(zhuǎn)換的設(shè)計模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的主要功能就是將經(jīng)放大器放大的模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為MCU能夠處理的數(shù)字信號，并傳送給單片機。ADC0809轉(zhuǎn)換的流程圖見下列圖3.3。ADC0809程序見附錄三。開始開始使能芯片產(chǎn)生時鐘信號輸入通道控制字讀取2字節(jié)數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)據(jù)校正送入指定存放器結(jié)束圖3.3數(shù)轉(zhuǎn)換流程圖3.4按鍵模塊的設(shè)計按鍵時顯現(xiàn)人機對話的一個控制按鈕，通過按鍵的操作，對系統(tǒng)進行發(fā)送操作指令，后經(jīng)與MCU串行通信，然后在液晶上顯示?！?〕按鍵查詢式的流程圖見下列圖：鍵值傳送按鍵釋放調(diào)用延時程序按鍵按下案件程序入口鍵值傳送按鍵釋放調(diào)用延時程序按鍵按下案件程序入口圖3.4按鍵查詢式的流程圖〔3〕按鍵程序見附錄四。3.5時鐘模塊的設(shè)計〔1〕DS1302模塊主要是用于設(shè)置時間和與MCU通信經(jīng)LCD顯示時間?！?〕時鐘模塊操作流程圖見下列圖〔3〕時鐘程序見附錄五。開始開始初始化保護存放器操作向DS寫入字節(jié)數(shù)據(jù)向DS讀取字節(jié)數(shù)據(jù)開始圖3.5時鐘模塊操作流程圖3.6顯示模塊的設(shè)計〔1〕LCD模塊在本系統(tǒng)中主要起著開界面漢字顯示，以及各控制效果的顯示。采用直接訪問