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】 究現狀 、課題的研究意義 。 第 2 章主要 講述了系統的硬件設計，包括最小系統、 AD 轉換模塊、顯示模塊、聲音報警模塊和傳感器模塊。 第 3 章主要介紹了此次設計 的軟件部分，包括主程序、 AD 轉換程序、時鐘產生程序； 第 4 章主要介紹了 本次設計的實施過程，包括繪圖、編程、仿真和焊接實物。 第 2 章 硬件系統設計 5 第 2 章 硬件系統設計 硬件總體設計 單片機應用系統的結構分三個層次： (1)單片機：通常指應用系統主處理機，即所選擇的單片機器件。 (2)單片機系統：指按照單片機的技術要求和嵌入對象的資源要求而構成的基本系統，如時鐘電路、復位電路和擴展存儲器等與單片機構成了單片機系統。 (3)單片機應用系統：能滿足嵌入對象要求的全部電路系統。在單片機系統的基礎上加上面向對象的接口電路，如前向通道、后向通道、人機交互通道 (鍵盤、顯示器、打印機等 )和串行通行口 (RS232)以及應用程序等。 單片機應用系統三個層次的關系如 圖 21： 圖 21 單片機應用系統三個層次的關系 以此理解，一氧化碳報警器同樣具有單片機應用系統的三個層次。其中以 AT89C51 單片機為核心構成單片機系統。在此系統中，檢測信號進入單片機進行運算處理。為了更好的理清設計思路，將整個系統細分為三部分加以設計說明。整個報警器由三個部分組成，分為三大模塊：濃度檢測模塊、主控模塊和報警模塊。在本次設計中，使用的核心器件是單片機和一氧化碳燕 山大學本科生畢業設計（論文 ） 6 傳感器。為了保重整個系統可靠的運行，設計中必須明確三大部分的實際聯系：以單片機為中心，其他各大模塊一一展開。其中 ，濃度檢測及顯示模塊所實現的功能是將房間中的一氧化碳濃度值轉換成為單片機能夠處理的數字信號，并且濃度值顯示出來：主控模塊以單片機為主，對其他模塊的運行進行控制；報警模塊是此系統的外部電路，它的功能是實現報警。系統框圖如 圖 22 所示。 圖 22 系統框圖 下面就對各個模塊的功能和實現形式做簡單介紹 (1)氣體濃度檢測模塊 一氧化碳報警器主要采用高穩定一氧化碳氣體傳感器 MQ7 檢測房間氣體濃度，檢測結果送入模 /數轉換芯片 ADC0809 中進行轉換后，將得到的數字信號送入單片機進行分析處理。 (2)主控模塊 主控模塊即單片機最小系統。用的是 MCS51 單片機， MCS51 單片機是美國 Intel公司 1980 年推出的一種高性能 8 為單片微型計算機。內帶 4K字節的內存和程序保護系統，使用于程序的調試修改和保密。它的主要功能既是將經過 ADC0809 處理后的檢測結果進行數據分析。根據數據分析結果決定是否報警，若報警，則驅動報警系統工作。 (3)報警模塊 此模塊主要有蜂鳴器、 LED 數碼管組成，在氣體濃度過大，超過安全單片機AD 轉換傳感器 1傳感器 2傳感器 3傳感器 3顯示報警聲音報警第 2 章 硬件系統設計 7 值時，蜂鳴器工作，提供聲音報警服務；同時，數碼管顯示報警的傳感器號。 至此，本系統的三大模塊功能和 設計思路已經確立，下文將介紹整個硬件系統的詳細設計過程。并且給出設計電路。 單片機的最小系統 單片機最小系統原理圖如下： 圖 23 單片機最小系統原理圖 單片機的最小系統是由組成單片機系統必需的一些元件構成的，除了單片機之外，還需要包括電源供電電路、時鐘電路、復位電路。單片機最小系統電路 (單片機電源和地沒有標出 )如圖 22 所示。 單片機簡介 本課題所用單片機 采用 8051 核的 ISP(In System Programming)在系統可編程芯片，最高工作時鐘頻率為 80MHz，片內含 4K Bytes 的可反復擦寫 1000次的 Flash 只讀程序存儲器，器件兼容標準 MCS51 指令系統 ，芯片內集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元，具有在系統可編程 (ISP)特性，燕 山大學本科生畢業設計（論文 ） 8 配合 PC 端的控制程序即可將用戶的程序代碼下載進單片機內部，省去了購買通用編程器，而且速度更快。 STC89C52RC 系列單片機是單時鐘 / 機器周期 (1T)的兼容 8051 內核單片機，是高速 / 低功耗的新一代 8051 單片機，全新的流水線 / 精簡指令集結構 ,內部集成 MAX810 專用復位電路。 主要特性有 ： (1)增強型 1T 流水線 / 精簡指令集結構 8051 CPU (2)工作電壓： (5V 單片機 )/ (3V 單片機 (3)工作頻率范圍： 0 35 MHz，相當于普通 8051 的 0～ 作頻率可達 48MHz. (4)用戶應用程序空間 12K / 10K / 8K / 6K / 4K / 2K 字節 (5)片上集成 512 字節 RAM (6)通用 I/O 口 (27/23 個 )，復位后為：準雙向口 / 弱上拉 (普通 8051 傳統 I/O 口 )可 設置成四種模式：準雙向口 / 弱上拉，推挽 / 強上拉，僅為輸入/ 高阻，開漏每個 I/O 口驅動能力均可達到 20mA，但整個芯片最大不得超過 55mA (7)ISP(在系統可編程 )/IAP(在應用可編程 )，無需專用編程器可通過串口()直接下載用戶程序，數秒即可完成一片 (8)EEPROM 功能 (9)看門狗 (10)內部集成 MAX810 專用復位電路 (外部晶體 20M 以下時，可省外部復位電路 ) (11)時鐘源：外部高精度晶體 / 時鐘，內部 R/C 振蕩器。用戶在下載用戶程序時， 可選擇是使用內部 R/C 振蕩器還是外部晶體 / 時鐘。常溫下內部 R/C 振蕩器頻率為： ～ 。精度要求不高時，可選擇使用內部時鐘，因為有溫漂，請選 4MHz ～ 8MHz (12)有 2 個 16 位定時器 / 計數器 (13)外部中斷 2 路 ,下降沿中斷或低電平觸發中斷 ,Power Down 模式可由外部中斷低電平觸發中斷方式喚醒 (14)PWM( 4 路 )/ P C A(可編程計數器陣列 )，也可用來再實現 4 個定時第 2 章 硬件系統設計 9 器或 4 個外部中斷 (上升沿中斷 / 下降沿中斷均可支持 ) (15)STC89Cc516AD 具有 ADC 功能。 10 位精度 ADC，共 8 路 (16)通用異步串行口 (UART) (17)SPI 同步通信口，主模式 / 從模式 (18)工作溫度范圍： 0 75℃ / 40 +85℃ (19)封裝： PDIP28， SOP28， PDIP20， SOP20， PLCC32,TSSOP20(超小封狀，定貨 ) 振蕩器特性 :： XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件， XTAL2 應不接 。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 [1] 時鐘電路和復位電路 時鐘電路和復位電路的原理如下： 1)時鐘電路 圖 24 時鐘電路原理圖 單片機工作時，從取指令到譯碼再進行微操作，必須在時鐘信號控制下才能有序地進行，時鐘電路就是為單片機工作提供基本時鐘的。單片機的時燕 山大學本科生畢業設計（論文 ） 10 鐘信號通常有兩種產生方式：內部時鐘方式和外部時鐘方式。 本課題采用內部時鐘方式。 在單片機 XTAL1 和 XTAL2 引腳上跨接上一個晶振和兩個穩頻電容，可以與單片機片內的電路構成一個穩定的自激振蕩器。晶振頻率 取 12 MHz。外接電容的作用是對振蕩器進行頻率微調，使振蕩信號頻率與晶振頻率一致，同時起到穩定頻率的作用， 本課題選用 33pF 的 電容。 易知：本單片機最小系統的 振蕩周期 =1/(12MHz)=1/12us，時鐘周期=1/6us，機器周期 =1us。 2)復位電路 圖 25 復位電路原理圖 無論是在單片機剛開始接上電源時，還是運行過程中發生故障都需要復位。復位電路用于將單片機內部各電路的狀態恢復到一個確定的初始值，并從這個狀態開始工作。 單片機的復位條件： 必須使其 RST 引腳上持續出現兩個 (或以上 )機器周期的高電平。 單片機的復位形式：上電復位、按鍵復位。 本課題采用按鍵復位。 在單片機啟動 后，電容 C 兩端的電壓持續充電為 5V，這是時候 10K電阻兩端的電壓接近于 0V， RST 處于低電平所以系統正常工作。當按鍵按下的時候，開關導通，這個時候電容兩端形成了一個回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個過程中，電容開始釋放之前充的電量。隨著時間的推移，電容的電壓在 內，從 5V 釋放到變為了 ，甚至更小。根據串聯電第 2 章 硬件系統設計 11 路電壓為各處之和，這個時候 10K 電阻兩端的電壓 為 ，甚至更大，所以 RST 引腳又接收到高電平。單片機系統自動復位。 A/D 轉換電路 A/D 轉換電路原理圖如下： 圖 26 AD 轉換 模塊原理圖 本 A/D 轉換電路 以 ADC0809 芯片為核心，該芯片在單片機的控制下 把模擬信號轉化為數字信號。 (由于 Proteus 軟件不能仿真 ADC0809，所以用ADC0808 代替。 ) 傳感器的模擬電壓信號通過 IN0~IM3 通道進入 ADC0809,， ADC0809的數據輸出接單片機的 P0 口，從低位到高位一次對應 ~。各個控制端口 接到單片機的 P2 口 。根據 ADC0809 的工作過程，通過軟件控制ADC0809 工作。 ADC0809 主要特性 (1)8 路輸入通道， 8 位 A/D 轉換器，即分辨率為 8 位。 (2)具有轉換起停控制端。 燕 山大學本科生畢業設計（論文 ） 12 (3)轉換時間為 100μs(時鐘為 640kHz 時 )， 130μs(時鐘為 500kHz 時 )。 (4)單個 +5V 電源供電 。 (5)模擬輸入電壓范圍 0～ +5V，不需零點和滿刻度校準。 (6)工作溫度范圍為 40～ +85 攝氏度 。 (7)低功耗，約 15mW。 ADC0809 引腳功能說明 IN0～ IN7： 8 路 模擬量輸入端。 D0~D7： 8 位數字量輸出端。 A、 B、 C： 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 ， 對應 ALE 上跳沿， A、B、 C 地址狀態送入地址鎖存器中。 START： A／ D 轉換啟動信號，輸入高電平有效 ， START 上升沿時，復位 ADC0809； START 下降沿時啟動芯片，開始進行 A/D 轉換；在 A/D 轉換期間， START 應保持 低電平。本信號有時簡寫為 ST.。 EOC： A／ D 轉換結束信號，輸出，當 A／ D 轉換結束時，此端輸出一個高電平 (轉換期間一直為低電平 )。 OE：數據輸出允許信號，輸入，高電平有效。當 A／ D 轉換結束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態門，輸出數字量 ， 用于控制三態輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數據。 OE=0，輸出數據線呈高阻； OE=1，輸出轉換得到的數據。 CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于 640KHZ， EOC=0,正在進行轉換； EOC=1,轉換結束。使用中該狀態信號即可作為查詢的狀態標志，又可作為中斷請求信號使用。 REF(+)、 REF()：基準電壓 ，本課題中分別為 +5V、 0V。 Vcc：電源，單一＋ 5V。 GND：地。 ADC0809 工作過程 電路連接： ADC0809 輸出接單片機的 P0 口，各個控制引腳及單片機的第 2 章 硬件系統設計 13 P2 口，參考電壓 REF(+)、 REF()分別接 +5V 電源和地，引腳 START 和 ALE相連。 具體工作過程如下： 首先，在程序的控制下，利用單片機的定時器 T0 以及中斷服務程序在 輸出一個方波信號，作為 ADC0809 工作的