單片機(jī)的石化企業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)說(shuō)明書(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 要像往常那樣把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)再行輸出了。理論上，這會(huì)使色彩和定位都更加準(zhǔn)確完美。 (6)“身材”勻稱小巧：傳統(tǒng)的陰極射線管顯示器，后面總是拖著一個(gè)笨重的射線管。液晶顯示器突破了這一限制，給人一種全新的感覺(jué)。傳統(tǒng)顯示器是通過(guò)電子槍發(fā)射電子束到屏幕，因而顯像管的管頸不能做得很短，當(dāng)屏幕增加時(shí)也必然增大整個(gè)顯示器的體積。而液晶顯示器通過(guò)顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來(lái)達(dá)到顯示目的，即使屏幕加大，它的體積也不會(huì)成正比的增加，而且在重量上比同等顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。(7)功率消耗小：傳統(tǒng)的顯示器內(nèi)部由許多電路組成，這些電路驅(qū)動(dòng)著陰極射線顯像管工作時(shí)，需要消耗很大的功率，而且隨著體積的不斷增大，其內(nèi)部電路消耗的功率肯定也會(huì)隨之增大。相比而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動(dòng)IC上，因而耗電量比傳統(tǒng)顯示器也要小得多。LED數(shù)碼管顯示，它是一種通過(guò)控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管的顯示方式，用來(lái)顯示文字、圖形、圖像、動(dòng)畫、行情、視頻、錄像信號(hào)等各種信息的顯示屏幕。LED數(shù)碼管顯示與LCD顯示相比，LED在亮度、可視角度和刷新速率等方面，都更具優(yōu)勢(shì)。LED與LCD的功耗比大約為10：1，而且更高的刷新速率使得LED在視頻方面有更好的性能表現(xiàn)，能提供寬達(dá)160176。的視角，可以顯示各種文字、數(shù)字、彩色圖像及動(dòng)畫信息，也可以播放電視、錄像、VCD、DVD等彩色視頻信號(hào)，多幅顯示屏還可以進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)播出。有機(jī)LED顯示屏的單個(gè)元素反應(yīng)速度是LCD液晶屏的1000倍，在強(qiáng)光下也可以照看不誤，并且適應(yīng)零下40度的低溫。綜合分析，本設(shè)計(jì)選用了液晶顯示屏，由于本設(shè)計(jì)是為了設(shè)計(jì)便于攜帶的一種環(huán)境監(jiān)測(cè)儀，其電源是由兩節(jié)電池提供，所以需要用功耗比較低的顯示屏，相對(duì)于數(shù)碼管顯示，液晶顯示屏驅(qū)動(dòng)電壓低、功耗微小、無(wú)閃爍、對(duì)人體無(wú)危害、生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、成本低廉等都更具優(yōu)勢(shì)， 更適合設(shè)計(jì)。 本論文的內(nèi)容 本設(shè)計(jì)簡(jiǎn)要介紹本文設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的石化企業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、易于操作等特點(diǎn)。它利用8051 系列單片機(jī)的強(qiáng)大功能和可擴(kuò)充性為后盾，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)石化企業(yè)前端環(huán)境監(jiān)測(cè)，可有效實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境中溫濕度和硫化氫氣體濃度，能夠?qū)崟r(shí)顯示環(huán)境中的溫濕度和硫化氫氣體濃度，當(dāng)檢測(cè)到環(huán)境中溫濕度超出所限制的范圍內(nèi)或硫化氫氣體濃度超限時(shí)，監(jiān)測(cè)儀自帶的蜂鳴器發(fā)出報(bào)警提示和LED報(bào)警提示，有利于提醒工作人員現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境情況，有效地防止了各種損失及事故的發(fā)生。 本論文的內(nèi)容結(jié)構(gòu)第一章緒論，介紹該課題的研究背景，說(shuō)明研究的目的與意義，并對(duì)該課題相關(guān)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀分析及對(duì)不同方案做出說(shuō)明和比較，最后簡(jiǎn)述了本論文的內(nèi)容與結(jié)構(gòu)。第二章主要介紹了本設(shè)計(jì)當(dāng)中用到的相關(guān)知識(shí)和原理，需要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，然后簡(jiǎn)述了設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的技術(shù)問(wèn)題。第三章主要對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括傳感器的檢測(cè)模塊，電源的供電模塊、顯示模塊等各部分硬件的設(shè)計(jì)。第四章主要對(duì)系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括總體軟件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖和各個(gè)模塊的流程圖及驅(qū)動(dòng)程序代碼。第五章簡(jiǎn)述對(duì)本設(shè)計(jì)的總結(jié)。第二章 系統(tǒng)組成及工作原理本設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的石化企業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀的硬件電路主要由溫濕度檢測(cè)電路、硫化氫氣體檢測(cè)電路、顯示電路、報(bào)警電路、按鍵電路等部分組成。當(dāng)監(jiān)測(cè)儀檢測(cè)到空氣中的硫化氫時(shí)，硫化氫氣體擴(kuò)散到傳感器中，與其中的電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電信號(hào)。電子線路板將電信號(hào)處理成大小與硫化氫氣體濃度成線性關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。溫濕度傳感器用于把溫濕度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，而硫化氫氣敏傳感器用于把氣體濃度轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由于該電壓非常小，因此添加了放大電路對(duì)電壓進(jìn)行放大，隨后采用ADC 模塊，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行采樣數(shù)值的處理，然后驅(qū)動(dòng)顯示電路顯示溫濕度和測(cè)量的氣體的濃度值，并且如果當(dāng)被測(cè)氣體中有毒氣體濃度比報(bào)警電路設(shè)置的值大時(shí)，驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)，提示操作人員及時(shí)采取安全處理措施。本設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如下圖。 監(jiān)測(cè)儀的硬件結(jié)構(gòu)框圖 工作的主要技術(shù)指標(biāo)本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的石化企業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、易于操作等特點(diǎn)。它利用8051 系列單片機(jī)的強(qiáng)大功能和可擴(kuò)充性為后盾，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)前端有毒氣體檢測(cè)系統(tǒng)的有效對(duì)工業(yè)環(huán)境中的有毒氣體的檢測(cè)。具體需要達(dá)到的指標(biāo)如下：(1)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境中的有毒氣體濃度；(2)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境中的溫濕度；(3)LCD顯示功能，能夠?qū)崟r(shí)顯示環(huán)境的有毒氣體濃度和溫濕度；(4)具備報(bào)警功能，當(dāng)檢測(cè)到環(huán)境中的有毒氣體濃度超限時(shí)，或當(dāng)檢測(cè)到溫濕度超出所限范圍時(shí)，監(jiān)測(cè)儀可通過(guò)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警和LED光報(bào)警提示。 需注意的技術(shù)問(wèn)題本設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)儀是設(shè)計(jì)為便攜式設(shè)備，因此儀器是靠電池供電的，所以必須仔細(xì)考慮如何延長(zhǎng)儀器的工作時(shí)間。研發(fā)過(guò)程中，除了考慮在硬件電路上使用低功耗器件外，在軟件程序編寫上更是要注意低功耗原則的應(yīng)用。首先，在滿足數(shù)據(jù)計(jì)算和事件處理要求的前提下，盡量降低MCU的工作時(shí)鐘，因?yàn)檩^高的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘就意味著較大的電流消耗。其次，關(guān)閉MCU內(nèi)部未使用的外設(shè)資源，降低不必要的電流損耗。第三，開機(jī)狀態(tài)下充分利用MCU睡眠模式，通過(guò)定時(shí)喚醒的方式來(lái)處理數(shù)據(jù)和按鍵請(qǐng)求，可以有效降低MCU功耗。注意各類傳感器的壽命各類氣體傳感器都具有一定的使用年限，即壽命。一般來(lái)講，在便攜式儀器中，LEL 傳感器的壽命較長(zhǎng)，一般可以使用三年左右；光離子化檢測(cè)儀的壽命為四年或更長(zhǎng)一些；電化學(xué)特定氣體傳感器的壽命相對(duì)短一些，一般在一年到兩年；氧氣傳感器的壽命最短，大概在一年左右。電化學(xué)傳感器的壽命取決于其中電解液的干涸，所以如果長(zhǎng)時(shí)間不用，將其密封放在較低溫度的環(huán)境中可以延長(zhǎng)一定的使用壽命。固定式儀器由于體積相對(duì)較大，傳感器的壽命也較長(zhǎng)一些。因此，要隨時(shí)對(duì)傳感器進(jìn)行檢測(cè)，盡可能在傳感器的有效期內(nèi)使用，一旦失效，及時(shí)更換。傳感器輸出的弱小信號(hào)易受噪聲的影響，在繪制PCB板時(shí)要注意將模擬電路和數(shù)字電路分開布局，模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)在各自的區(qū)域內(nèi)走線，盡量相互遠(yuǎn)離、不能有交叉跨越，最后模擬地和數(shù)字地通過(guò)單點(diǎn)連接起來(lái)，以最大程度的降低數(shù)字電路對(duì)模擬信號(hào)的影響。注意監(jiān)測(cè)儀器的測(cè)量范圍，各類環(huán)境監(jiān)測(cè)儀都有其固定的檢測(cè)范圍。只有在其測(cè)定范圍內(nèi)完成測(cè)量，才能保證儀器準(zhǔn)確地進(jìn)行測(cè)定。而長(zhǎng)時(shí)間超出測(cè)定范圍進(jìn)行測(cè)量，就可能對(duì)傳感器造成永久性的破壞。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的這款基于單片機(jī)的便攜式石化企業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀選用了51系列的AT89S52這款單片機(jī)作為處理器，它的系統(tǒng)硬件電路主要包括溫濕度檢測(cè)電路、硫化氫氣體檢測(cè)電路、顯示電路、報(bào)警電路、按鍵電路、電源電路等。3. 1 單片機(jī)電路本設(shè)計(jì)選用了51系列的AT89S52這款單片機(jī)作為處理器，它主要是對(duì)傳感器傳輸來(lái)的信號(hào)行進(jìn)采集，并對(duì)信號(hào)處理，然后驅(qū)動(dòng)顯示電路顯示現(xiàn)場(chǎng)的溫濕度和硫化氫氣體的濃度值，并且當(dāng)環(huán)境的溫濕度超出所限的范圍或硫化氫氣體濃度超過(guò)了所設(shè)置的極限值時(shí)，則會(huì)驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)。 AT89S52單片機(jī)本文設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)儀以單片機(jī)為核心構(gòu)成了一個(gè)具有判斷、運(yùn)算和控制能力及具有存儲(chǔ)、顯示功能的智能儀表，它所處理的信息量和數(shù)據(jù)處理任務(wù)并不十分繁重，因此我們選擇了ATMEL公司的COMS工藝的低功耗單片機(jī)AT89S52，相對(duì)于89C51，AT89S52有更豐富的片內(nèi)資源。例如有8 k 字節(jié)的片內(nèi)EEPROM，以及256字節(jié)的片內(nèi)RAM，對(duì)于本系統(tǒng)的控制程序來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠，因此可以省去片外程序存儲(chǔ)器和片外RAM，降低了成本和簡(jiǎn)化了控制電路。AT89S52有3個(gè)16位的時(shí)鐘（計(jì)數(shù)器），而且32 個(gè)I /O 線全部可編程，時(shí)鐘可高達(dá)24M，和89C51相比，它的使用更加靈活[12]。AT89S52的主要管腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST（9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC（40 腳）和VSS（20 腳）為供電端口，分別接+5V電源和接地。P0~P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義，在本設(shè)計(jì)中，P0 端口（32~39 腳）被定義為N1 功能控制端口，分別與N1的相應(yīng)功能管腳相連接，13 腳定義為IR輸入端，10 腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12 腳、27 腳及28 腳定義為握手信號(hào)功能端口，連接主板CPU 的相應(yīng)功能端，用于當(dāng)前制式的檢測(cè)及會(huì)聚調(diào)整狀態(tài)進(jìn)入的控制功能[13]。 單片機(jī)電路單片機(jī)電路是整個(gè)便攜式環(huán)境監(jiān)測(cè)儀的核心，它在設(shè)計(jì)中的功能主要是對(duì)傳感器傳輸來(lái)的信號(hào)行進(jìn)采集，并對(duì)信號(hào)處理，然后驅(qū)動(dòng)顯示電路顯示溫濕度和測(cè)量的氣體的濃度值，當(dāng)被測(cè)氣體中有毒氣體濃度比報(bào)警電路設(shè)置的值大時(shí)，驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)。為了保證單片機(jī)的正常工作必須給它提供時(shí)鐘，單片機(jī)的時(shí)鐘方式有兩種內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。常用的方式是內(nèi)部時(shí)鐘方式，在本單片機(jī)系統(tǒng)中采用的時(shí)鐘電路方式就是內(nèi)部時(shí)鐘方式。單片機(jī)芯片內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。外接晶體與電容Cl和C6構(gòu)成并聯(lián)式諧振電路，接在單片機(jī)內(nèi)部放大器的反饋回路中，這時(shí)內(nèi)部振蕩器便自激振蕩。復(fù)位電路也是單片機(jī)系統(tǒng)必需的部分，沒(méi)有正確的復(fù)位信號(hào)，單片機(jī)就不能正常工作。通常的單片機(jī)復(fù)位操作有上電復(fù)位、人工手動(dòng)復(fù)位和運(yùn)行監(jiān)視復(fù)位等。電復(fù)位是指單片機(jī)系統(tǒng)在上電時(shí)的復(fù)位操作，此復(fù)位必須保證單片機(jī)上電后能立即進(jìn)入規(guī)定的復(fù)位狀態(tài)。人工復(fù)位是指單片機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)異常或其它情形下，需要開始運(yùn)行程序時(shí)，在復(fù)位引腳RST加以復(fù)位信號(hào)而產(chǎn)生復(fù)位。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中，按鍵電平復(fù)位是通過(guò)使復(fù)位端經(jīng)電阻與VCC電源接通而實(shí)現(xiàn)的，本系統(tǒng)的復(fù)位電路采用按鍵電平復(fù)位方式。 單片機(jī)電路圖3. 2硫化氫濃度檢測(cè)電路本設(shè)計(jì)選用了7H2S50電化學(xué)式硫化氫傳感器，用來(lái)檢測(cè)硫化氫這種有毒氣體的濃度，并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，接著通過(guò)運(yùn)算放大電路對(duì)電壓進(jìn)行放大，隨后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后送進(jìn)單片機(jī)里處理。氣體傳感器的主要特性：第一穩(wěn)定性，穩(wěn)定性是指?jìng)鞲衅髟谡麄€(gè)工作時(shí)間內(nèi)基本響應(yīng)的穩(wěn)定性，取決于零點(diǎn)漂移和區(qū)間漂移。零點(diǎn)漂移是指在沒(méi)有目標(biāo)氣體時(shí)，整個(gè)工作時(shí)間內(nèi)傳感器輸出響應(yīng)的變化。理想情況下，一個(gè)傳感器在連續(xù)工作條件下，每年零點(diǎn)漂移小于10%。第二靈敏度，靈敏度是指?jìng)鞲衅鬏敵鲎兓颗c被測(cè)輸入變化量之比，主要依賴于傳感器結(jié)構(gòu)所使用的技術(shù)。大多數(shù)氣體傳感器的設(shè)計(jì)原理都采用生物化學(xué)、電化學(xué)、物理和光學(xué)。首先要考慮的是選擇一種敏感技術(shù)，它對(duì)目標(biāo)氣體的閥限制或最低爆炸限的百分比的檢測(cè)要有足夠的靈敏性。第三選擇性，選擇性也被稱為交叉靈敏度。可以通過(guò)測(cè)量由某一種濃度的干擾氣體所產(chǎn)生的傳感器響應(yīng)來(lái)確定。這個(gè)響應(yīng)等價(jià)于一定濃度的目標(biāo)氣體所產(chǎn)生的傳感器響應(yīng)。這種特性在追蹤多種氣體的應(yīng)用中是非常重要的，因?yàn)榻徊骒`敏度會(huì)降低測(cè)量的重復(fù)性和可靠性，理想傳感器應(yīng)具有高靈敏度和高選擇性。第四抗腐蝕性，抗腐蝕性是指?jìng)鞲衅鞅┞队诟唧w積分?jǐn)?shù)目標(biāo)氣體中的能力。在氣體大量泄漏時(shí)，探頭應(yīng)能夠承受期望氣體體積分?jǐn)?shù)10～20倍。在返回正常工作條件下，傳感器漂移和零點(diǎn)校正值應(yīng)盡可能小。氣體傳感器的基本特征，即靈敏度、選擇性以及穩(wěn)定性等，主要通過(guò)材料的選擇來(lái)確定。選擇適當(dāng)