基于單片機的便攜式有害氣體檢測裝置畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 5%RH外形尺寸（mm）MQ2:1419 MQ2C: 81014B：環境條件符號 參數名稱 技術條件 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%(標準條件) 氧氣濃度會影響靈敏度特性 最小值大于２％ C：靈敏特性符號參數名稱技術參數備注Rs敏感體電阻1MΩ 8 MΩ(200ppm alcohol )適用范圍： —10mg/LAlcoholα（200/100）alcohol濃度斜率≤標準工作條件溫度：20℃177。2℃ Vc:177。 相對濕度： 65%177。5% Vh:177。預熱時間不少于24小時 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.快速的響應恢復特性.長期的壽命和可靠的穩定性.簡單的驅動回路MQ3 ,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，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。 MQ3結構和外形 MQ3基本測量電路 MQ3型氣敏元件的靈敏度特性 給出了MQ3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=50kΩ(在本設計中，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。 MQ3型氣敏元件的溫濕度特性。Ro: 20℃，33%RH條件下。Rs: 不同溫度，濕度下。靈敏度調整：MQ3 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，靈敏度的調整是很重要的。(約200ppm)濃度的乙醇蒸氣校準傳感器。當精確測量時，報警點的設定應考慮溫濕度的影響。 數據選擇器在多路數據傳送過程中，能夠根據需要將其中任意一路選出來的電路，叫做數據選擇器，也稱多路選擇器或多路開關。數據選擇器(MUX)的邏輯功能是在地址選擇信號的控制下，從多路數據中選擇一路數據作為輸出信號。有2選1，4選8選1和16選1等類型的數據選擇器。 有數字信號的數據選擇器，如74LS151，74HC151，也有針對模擬信號的數據選擇器，如74HC4051。在本設計中，主要是選通模擬輸入信號，故用74HC4051。 USB轉接芯片CP2102 性能參數：采用MLP28封裝，尺寸僅為5mm*5mm，是CP2101的升級產品。其集成度高，、USB收發器、晶體振蕩器、異步串行數據總線，支持調制調節器全功能信號，無需要任何外部的USB器件。CP2102 特性如下：.內含USB收發器，無需外界電路器　　.內含時鐘電路，無需外接電路器　　.其內部512字節的EEPROM可用于存儲產品生廠商的ID、產品的ID序列號、電源參數、器件版本號和產品說明。　　.內含上電復位電路　　.　　.　　.SUSPEND引腳支持USB狀態掛起　　.異步串行數據總線兼容所有握手和調制調節器接口信號　　.支持的數據格式為數據位停止位2和校驗位　　.波特率范圍為300b/s~~　　.內含512字節接收緩沖器和512字節發送緩沖器　　 Keil軟件簡介單片機開發中除必要的硬件外，同樣離不開軟件，我們寫的匯編語言源程序要變為CPU可以執行的機器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機器匯編，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為機器碼。 Keil軟件是目前最流行開發MCS51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。用過匯編語言后再使用C來開發，體會更加深刻。Keil C51軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具，全Windows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生成的目標代碼效率非常之高，多數語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發大型軟件時更能體現高級語言的優勢。 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、代碼調試到單片機與外圍電路協同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現了從概念到產品的完整設計，是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持805HC1PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC3AVR、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 硬件設計 最小系統的實現單片機的最小系統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來實現一個單片機系統能運行起來的最小系統。由晶振電路和復位電路，STC89C52芯片組成，構成最小的單片機系統。 最小系統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部各種微操作提供時間基準。89C52的時鐘產生方式有兩種，一種是內部時鐘方式，一種是外部時鐘方式。內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，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。對于CHMOS工藝的單片機，外部時鐘要由XTAL1端引入，而XTAL2端應懸空。本系統中為了盡量降低功耗的原則，采用了內部時鐘方式。： 內部時鐘電路在89C52單片機的內部有一個震蕩電路，只要在單片機的XTAL1和XTAL2引腳外接石英晶體（簡稱晶振）就構成了自激振蕩器并在單片機內部產生時鐘脈沖信號，圖中電容器C1和C2穩定頻率和快速起振，電容值在530pF，典型值是22pF，晶振CYS選擇的是12MHz。復位電路：單片機開始工作的時候，必須處于一種確定的狀態，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不確定可能使外圍設備誤動作，導致嚴重事故的發生；內部一些控制寄存器（專用寄存器）內容不確定可能導致定時器溢出、程序尚未開始就要中斷及串口亂傳向外設發送數據。因此，任何單片機在開始工作前，都必須進行一次復位過程，使單片機處于一種確定的狀態。當在89C52單片機的RST引腳引入高電平并保持2個機器周期時，單片機內部就執行復位操作（若該引腳持續保持高電平，單片機就處于循環復位狀態）。實際應用中，復位操作有兩種基本形式：一種是上電復位，另一種是上電與按鍵均有效的復位，上電復位，要求接通電源后，單片機自動實現復位操作。常用的上電復位，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。本設計中復位電路采用的是開關復位電路，開關未按下是上電復位電路，上電復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（導通）狀態，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，就能保證在開關按下時是RST端有兩個機器周期以上的高電平從而使STC89C52內部復位。開關按下時是按鍵手動復位電路，RST端通過電阻與VCC電源接通，通過電阻的分壓就可以實現單片機的復位。： 復位電路 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位操作。 信號采集電路從傳感器過來的電壓信號，應經過濾波，采集，轉換才能被MCU識別和處理。由于假若每一路都設置放大、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計測量，設計中選取了一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/MQ濾波電路和ADC0832組成。所采集的信號經濾波電路和ADC0832后，被傳送至STC89C52單片機，在顯示器上顯示出對應的濃度值。MQ2是催化燃燒式氣敏元件，根據催化燃燒效應的原理工作。在使用中經常采用電橋電路的方式進行采樣檢測。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。 測量電路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（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=106。除ppm外，還有ppb和ppt， 他們之間的關系是： 1ppm=106=一百萬分之一， 1ppb=109=十億分之一 ， 1ppt=1012=萬億分之一， 1ppm=103ppb=106ppt （2）質量體積濃度 用每立方米大氣中污染物的質量數來表示的濃度叫質量體積濃度，單位是毫克/立方米 ，或克/立方米。 它與ppm的換算關系是： X=M*C/ …………… (31) 即： C= 式中： X—污染物以每立方米的毫克數表示的濃度值；C—污染物以ppm表示的濃度值； M—污染物的分子量。 本設計中，氣體濃度單位用到mg/L與ppm,則轉換關系如下： C=22400Y/M ……………（32）Y—污染物以每立方分米即每升的毫克數表示的濃度值；本設計的電壓顯示與酒精濃度之間的關系：由傳感器MQ3特性圖可以得到，式子：{㏒（Rs/Ro）㏒()}/（㏒Y㏒10）=(㏒㏒)/( ㏒㏒10),代入上式（1），并代入關系Vout=(RL/RS)*5,其中RL取50K，Ro經測量為600K,整理可得關系式： ㏒C=*㏒Vout + ……………(33) 在技術參數中，—4869ppm 。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，故可認為其在上式在線性范圍內成立。 A/D轉換設計正常情況下ADC0832 與單片機的接口應為4條數據線，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，所以電路設計時可以將DO和DI 并聯在一根數據線上使用。當ADC0832未工作時其CS輸入端應為高電平，此時芯片禁用，CLK 和DO/DI 的電平可任意。當要進行A/D轉換時，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉換完全結束。此時芯片開始轉換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端CLK 輸入時鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數據信號。在第1 個時鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平，表示啟始信號。在第3個脈沖下沉之前DI端應輸入2 位數據為“1”、“0”時，只對CH0 進行單通道轉換。當2位數據為“1”、“1”時，只對CH1進行單通道轉換。當2 位數據為“0”、“0”時，將CH0作為正輸入端IN+，CH1作為負輸入端IN進行輸入。當2 位數據為“0”、“1”時，將CH0作為負輸入端IN，CH1 作為正輸入端IN+進行。其連接圖， AD0832連接圖(1)為增強人機對話功能，發出各種控制命令控制系統運行，本設計采用鍵盤輸入指令和數據的方式，以及和LCD連接顯示運行狀態和運行結果。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。由于本系統所需按鍵較少，所以選擇獨立式按鍵。：鍵盤說明：S2 控制通道轉換S3 串口通信傳輸數據的開關S4 保留未用 按鍵電路圖(2)獨立式按鍵是直接用I/O口線構成的單個按鍵電路。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，（STC89C52 .P1口內部接有上拉電阻）所以就不需要再外接上拉電阻。(3)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。①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，經過削抖電路后使按鍵的電平信號只有兩種穩定狀態。②軟件削抖的基本原理是當檢測出鍵盤閉合時，先執行一個延時子程序產生數毫秒的延時，待接通時的前沿抖動消失后再判別是否有健按下。當按鍵釋放時，也要經過數毫秒延時，待后沿抖動消失后再判別鍵是否釋放。③由于應用硬件削抖還需要外加器件，成本相對較高，所以本系統選擇軟件延時削抖的方法。 LCD1602液晶顯示設計LCD1602液晶顯示模塊與計算機的接口電路有兩種方式。它與單