基于單片機的有毒氣體檢測系統的設計本科畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 的性能指標：(1)輸入和輸出之間成比例，直線性好、靈敏度高、分辨力強、測量范圍寬。 (2)滯后、漂移誤差小 (3)動態特性好 (4)功耗小 (5)時間老化特性優良 (6)與被測體匹配良好，既不因接入傳感器而使得被測對象受到影響，受被測量之外的影響小。(7)體積小、重量輕、價格低廉。(8)故障率低，易于校準和維護。(9)由于傳感元件的輸出信號一邊比較小，為了便于能夠驅動控制電路，在傳感器電路中還應該包括放大器。[2]鑒于以上選擇要點，本文中用到的傳感器必須具備良好的測量效果、功耗小、動態特性良好和體積小、重量輕、價格低廉等幾個主要特性。為此我們選擇了MQ7系列傳感器。半導體一氧化碳傳感器MQ7所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。采用高低溫循環檢測方式低溫()檢測一氧化碳，傳感器的電導率隨空氣中一氧化碳氣體濃度增加而增大，高溫()清洗低溫時吸附的雜散氣體。使用簡單的電路即可將電導率的變化，轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。MQ7氣體傳感器對一氧化碳的靈敏度高，這種傳感器可檢測多種含一氧化碳的氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器。主要特點及應用：l 對一氧化碳的高靈敏度。l 長壽命，低成本。l 簡單的驅動電路即可l 家用氣體泄漏報警器l 工業用一氧化碳報警器l 便攜式氣體檢測器MQ7氣敏元件的結構和外形如圖27所示，由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感層，測量電極和加熱器構成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內，為了改善傳感器的選擇性，傳感器氣室用活性炭過濾層與外界隔開。加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。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。圖27 MQ7實物圖圖28是傳感器的基本測試電路。該傳感器需要施加2個電壓：加熱器電壓(VH)和測試電壓(VC)。其中VH用于為傳感器提供特定的工作溫度。VC則是用于測定與傳感器串聯的負載電阻(RL)上的電壓(VRL)。這種傳感器具有輕微的極性，VC需用直流電源。在滿足傳感器電性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一個電源電路。為更好利用傳感器的性能，需要選擇恰當的RL值。圖28 MQ7原理圖　顯示電路顯示模塊的電路原理圖如下：圖25 顯示模塊原理圖為了清晰明了的顯示報警房間號，采取數碼管顯示。Led數碼管(LED Segment Displays)是由多個發光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內部連接完成，只需引出它們的各個筆劃，公共電極。Led數碼管常用段數一般為7段有的另加一個小數點，Led數碼管根據LED的接法不同分為共陰和共陽兩類，了解LED的這些特性，對編程是很重要的，因為不同類型的數碼管，除了它們的硬件電路有差異外，編程方法也是不同的。顏色有紅，綠，藍，黃等幾種。本課題選用共陽極七段紅色數碼管。[4]數碼管要正常顯示，就要用驅動電路來驅動數碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數字，因此根據數碼管的驅動方式的不同，可以分為靜態式和動態式兩類。本課題采用靜態態驅動模式。靜態驅動也稱直流驅動。靜態驅動是指每個數碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O端口進行驅動，或者使用如BCD碼二十進制譯碼器譯碼進行驅動。靜態驅動的優點是編程簡單，顯示亮度高。圖26 數碼管顯示原理圖根據數碼管顯示原理，如圖25連線，即可顯示報警傳感器號碼。　聲音報警電路聲音報警電路原理圖如下：蜂鳴器發聲原理是電流通過電磁線圈，使電磁線圈產生磁場來驅動振動膜發聲的，因此需要一定的電流才能驅動它，單片機IO引腳輸出的電流較小，單片機輸出的TTL電平基本上驅動不了蜂鳴器，因此需要增加一個電流放大的電路。S51增強型單片機實驗板通過一個三極管C8550來放大驅動蜂鳴器。圖26 聲音報警原理圖當某路或多路傳感器報警時，蜂鳴器發出聲音報警信號。　本章小結本章主要敘述了基于單片機的毒氣檢測系統的硬件電路設計，包括各個模塊的工作原理，各個模塊與單片機的鏈接。然后，將基于已有的硬件電路編寫軟件程序，完成系統的整體設計21 第3章 軟件系統設計 第3章　軟件系統設計　軟件總體設計思想基于已有的電路，將采用C語言編寫程序。總體思路是首先定義相關的硬件接口，然后進行初始化，包括AD控制端和定時器的初始化。初始化后開始無限無限循環，以保證24小時全天候的檢測一氧化碳的濃度，及時發現險情并報警。無限循環中將依次調用AD轉換函數、比較判斷函數、聲音報警函數和顯示報警函數。主程序流程圖如下：圖31 主函數流程圖下面介紹本軟件系統的幾個主要函數，對于硬件端口定義和初始化部分不做詳細介紹。　AD轉換函數ADC0809芯片需要在單片機的驅動下進行工作，AD轉換函數既是用來驅動ADC0809的程序。程序流程圖如下：圖32 AD轉換函數流程圖另外，ADC0809的時鐘信號也由單片機提供。ADC0809的工作頻率在500K以下即可。利用軟件對定時器T0進行初始化，設定定時器T0工作于方式2，計數初值為250，開總中斷和定時器中斷，最后啟動定時器。中斷服務程序對CLK取反，　比較判斷函數比較判斷函數是將AD轉換得到的數據與門限值比較，根據比較結果設置報警數組的對應位。程序流程圖如下：圖33 時鐘程序流程圖　顯示報警函數顯示報警函數根據報警數組控制相應數碼管顯示報警傳感器號碼。流程圖如下：圖34 顯示報警函數流程圖　聲音報警函數聲音報警函數將報警數組的所有數值相加，若不等于4則報警，否則停止報警。流程圖如下：圖35 顯示報警函數流程圖　本章小結本章主要介紹了軟件系統的整體設計，以及各個功能模塊的子程序的設計思路。軟件就像整個系統的靈魂，擔當這控制整個系統穩定、正常的工作的任務。而且，由于程序采用C語言編寫，所以可移植性好，僅需更改軟件中硬件接口部分。第4章 實驗過程 第4章　實驗過程本課題屬于生產實際題目，涉及硬件的實物制作。為了保證實物制作的順利進行，先利用軟件仿真，仿真成功后再制作硬件。　軟件仿真軟件仿真大致分三步，首先在Protues中畫電路圖，然后根據已有的電路圖在Keil中編寫程序，程序編譯成功后，將程序下載到Protues的單片機中進行仿真調試。　軟件簡介本課題將用到兩款軟件：Protues和Keil，下面簡單介紹這兩款軟件。Proteus軟件是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。從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協同仿真，一鍵切換到PCB設計。其處理器模型支持805HC1PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC3AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢，因而易學易用。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試器等在內的完整開發方案，通過一個集成開發環境(uVision)將這些部分組合在一起。　繪制電路原理圖首先，按照安裝說明安裝并破解Protues軟件，然后打開Protues軟件中的ISIS Professional。在ISIS Professional中首先搜索元件，選中的元件會顯示在左邊欄，然后逐個的放置元件，并連線，最后完成電路圖如下：圖41完整的電路原理圖　編寫程序本次畢業設計使用Keil軟件編程，過程如下：1)建立工程。2)選擇單片機型號，考慮到兼容性問題，編程時選擇Atmel 的89C51單片機。3)新建C語言文件，并將文件添加到工程下。4)編寫程序并調試，直至無語法錯誤。　仿真調試為了檢測電路設計和軟件設計是否正確，采用Proteus軟件進行仿真。Proteus軟件具有獨特的單片機協同仿真功能(VSM)：支持主流的CPU類型：如ARM8051/5AVR、PIC10/1PIC1PIC1PIC2dsPIC3HC1BasicStamp、808MSP430等，CPU類型隨著版本升級還在繼續增加，如即將支持CORTEX、DSP處理器；支持通用外設模型：如字符LCD模塊、圖形LCD模塊、LED點陣、LED七段顯示模塊、鍵盤/按鍵、直流/步進/伺服電機、RS232虛擬終端、電子溫度計等等，其COMPIM(COM口物理接口模型)還可以使仿真電路通過PC機串口和外部電路實現雙向異步串行通信；實時仿真：支持UART/USART/EUSARTs仿真、中斷仿真、SPI/I2C仿真、MSSP仿真、PSP仿真、RTC仿真、ADC仿真、CCP/ECCP仿真；編譯及調試：支持單片機匯編語言的編輯/編譯/源碼級仿真，內帶805AVR、PIC的匯編編譯器，也可以與第三方集成編譯環境(如IAR、Keil和Hitech)結合，進行高級語言的源碼級仿真和調試。在電路原理圖已經畫完，程序也沒有語法錯誤的情況下，即可將程序下載到單片機中進行仿真；首先下載程序，圖42 將程序下載到單片機然后即可仿真。通過仿真，對電路和程序做出相應修改，直至成功；無報警時如下圖圖43 無報警報警時如下圖(3號報警)：圖43 3號報警由于Proteus軟件中沒有傳感器，所以利用電源和滑動變阻器向ADC0809輸入四路模擬電壓信號，來模擬實際系統中的一氧化碳傳感器傳來的信號。四路電壓信號均是可變的，變化范圍是0~5V。為了更細致地觀察仿真過程，仿真是使用了示波器和電壓表，這樣有利于修改電路圖和程序。　實物制作　繪制布線圖并焊接電路板由于本次實物制作采用通用電路板，所以需要用電線連接各個元件。為了保證能在有限面積的電路板上合理分布各個元件，使得電線連接方便，必須先繪制布線圖。電路板布線圖如下：圖44 電路板布線圖然后按照布線圖放置并焊接元件或元件底座。在實際焊接時，臨時改變了某些元件的位置，以保證焊接方便，接觸良好。為了焊接方便，焊接是修改了部分接口。，，數碼管和蜂鳴器接口也做了調整。根據焊接是接口調整的記錄，將對程序做相應修改。對于顯示模塊，由于之前設計的是共陽極數碼管，而實際的元件是共陰極的，所以將正負極交換。傳感器部分焊接在其他電路板上，然后用導線連接到ADC0809；電源和地分別在電路板的頂部和底部。電路板的實物圖片如下：圖44 電路板實物圖　下載程序進行實物測試焊接完成后，下載程序到單片機，然后將單片機和ADC0809芯片安裝在相應的底座，上電調試。上電后，數碼管即全部被點亮，不符合系統要求。用電壓表測試發現，選通數碼管的三極管并沒有導通，所以數碼管被點亮。通過對電路的分析，我認為原因在于數碼管分壓過高。因此，在電源和第一個選通三極管之間加一個10K的電阻。然后測試，在未報警時數碼管不發光，符合系統要求。　本章小結本章主要敘述了毒氣檢測系統的設計與調試過程，梳理了從理論到實際產品的制作過程。61 結論 結論本文主要論述了以單片機為核心的毒氣檢測系統的特點，從發展狀況來看，毒氣檢測系統具有很強的實用性。并且具有比較好的安全性。在各種各樣的生產生活中依然有很大的發展空間。在國外正在積極推動毒氣檢測裝置在工業和家庭等方面的應用。在國內基于單片機的毒氣檢測系統技術還不是非常成熟。本文對于基于單片機的毒氣檢測系統的工作原理做了深入的分析，提出了一種用單片機控制各個模塊的毒氣檢測報警的設計方案。本篇論文主要完成了以下內容的敘述：對目前毒氣檢測系統國內外的發展狀況進行了概括，進而闡明了課題研究的背景和意義。根據系統要實現的功能做出硬件設計，繪制出硬件電路圖，然后根據確定的電路圖編寫程序。考慮到程序的兼容性，采用C語言編程。軟硬件設計完成后，用Proteus軟件仿真，能夠成功報警和解除報警；理論設計完成后，焊接實物電路板，然后下載程序并調試。本論文主要以一氧化碳為例(其他氣體更換相應的傳感器即可)，闡述了基于單片機的毒氣檢測系統的設計與實現。參考文獻 參考文獻1 張志良. 單片機原理及控制技術[M.]. 北京:機械工業出版社. 2002:17~192 侯國章. 測試與傳感技術[