基于單片機(jī)的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 體濃度超過設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)便會報(bào)警， 工人及時(shí)打開通風(fēng)裝置 加快空氣流動。該系統(tǒng)的可靠性強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)，但 FPGA 作為核心電路，成本比較昂貴，在實(shí)際產(chǎn)品中的應(yīng)用不是很廣泛。 總體方案二：基于單片機(jī)的總體設(shè)計(jì)模塊，如圖 。 圖 方案二總體框圖如圖 所示。本系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心，系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能幾乎與前面方案一樣，具有信號的監(jiān)控處理和報(bào)警顯示功能。用單片機(jī)完全可以取代了方案一的 FPGA 的功能，使整體的價(jià)格大幅度的下降，具有很高的實(shí)際開發(fā)價(jià)值。氣敏傳感器的電路的處理使其精度可能受到周圍的環(huán)境的影響比較 大，方案一也是一樣。 由圖可以看出煤礦瓦斯監(jiān)測報(bào)警器的硬件部分設(shè)計(jì)是以單片機(jī)系統(tǒng)為核心，用于整個(gè)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理、聲光報(bào)警電路等正常工作。在這里我們選用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 8位單片機(jī) AT89S51，該種單片機(jī)與以往所采用的 AT89C51 相比新增加了很多功能，性能有了較大提升，片內(nèi) 4K 的 FLASH 存儲空間也能滿足我們設(shè)計(jì)的要求，價(jià)格較之 AT89C51 基本不變甚至更低。 甲烷傳感器采用 MQ4 氣敏傳感器，用于探測采集瓦斯的濃度。由于該傳感器的輸出信號為模擬電氣敏傳感器 MQ4 放大電路 AT89S51 數(shù)碼模塊 報(bào)警模塊 復(fù)位電路 晶振電路 電源電路 按鍵電路 轉(zhuǎn)換電路A/D7109 6 壓信號，要想將采集到的數(shù)據(jù)送至單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理則需要 將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，所以在這里我們還要選用 ICL7109 芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理。這里的 ICL7109 是一種雙積分的 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，其性能價(jià)格比很高，是一種高精度、低噪聲、低漂移 A/D 轉(zhuǎn)換器。 瓦斯?jié)舛蕊@示部分采用四位的 LED 數(shù)碼管顯示，在這里我們采用動態(tài)掃描方法來顯示各種參數(shù)。 綜上所述， FPGA 的價(jià)格比較昂貴，而單片機(jī) 的 性價(jià)比 則 更 優(yōu)勢 ，并且本方案用單片機(jī)就能很好的實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，所以我們采用第二種方案。 工作原理 在 這里我們用甲烷傳感器 MQ4 來對煤礦瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測，由于其檢測所得數(shù)據(jù)模擬電壓 量而單片機(jī)只能對數(shù)字信號進(jìn)行處理，所以在送入單片機(jī)中進(jìn)行處理之前需先送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ICL7109 中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后才能將轉(zhuǎn)換所得數(shù)據(jù)送入單片機(jī) AT89S51 中處理，這里的處理主要是指將輸入進(jìn)來的數(shù)據(jù)與我們設(shè)置的瓦斯爆炸預(yù)警值進(jìn)行比較，在這里我們的預(yù)警值可通過鍵盤進(jìn)行設(shè)置，顯示其瓦斯?jié)舛戎怠?單片機(jī)處理部分作為本系統(tǒng)的核心部分，其主要的功能是檢測氣體濃度，并根據(jù)此信號來控制不同的操作。比如報(bào)警模塊的狀態(tài)、數(shù)碼管的 顯示 狀態(tài)和控制閥電路的工作狀態(tài)。 第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的基本組成單元包括：單片機(jī)控制單元 ，氣體采樣單元， A/D 轉(zhuǎn)換單元，數(shù)據(jù)顯示單元，調(diào)節(jié)執(zhí)行單元，電源、報(bào)警單元六部分，本章將逐一進(jìn)行介紹。 主控單元單片機(jī)的設(shè)計(jì) 主控單元我們選用 ATMEL 公司 生產(chǎn)的單片機(jī) AT89S51。 單片機(jī)簡介 單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU 隨機(jī)存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器 /計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、 A/D 轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 。 單片機(jī)自動完成賦予它的任務(wù)的過程，也就是單片機(jī)執(zhí)行程序的過程，即一條條 的 執(zhí)行指令的過程 。 所謂指令就是把要求單片機(jī)執(zhí)行的各種操作的命令寫下來，這是在設(shè)計(jì)人員賦予它的指令系統(tǒng)所決定的，一條指令對應(yīng)著一種基本操作 。 單片機(jī)所能執(zhí)行的全部指令，就是該單片機(jī)的指令系統(tǒng)，不同種類的單片機(jī)，其指令系統(tǒng)亦不同。為使單片機(jī)能自動完成某一特定任務(wù)，必須把要解決的問題編成一系列指令（這些指令必須是選定單片機(jī)能識別和執(zhí)行的指令），這一系列指令的集合就成為程序，程序需要預(yù)先存放在具有存儲功能的部件存儲器中。存儲器由許多存儲單元（最 小的存儲單位）組成，就像大樓房有許多房間組成一樣，指令就存放在這些單元里，單元里的指令取出并執(zhí)行就像大樓房的每個(gè)房間的被分配到了唯一一個(gè)房間號一樣，每一個(gè)存儲單元也必須被分配到唯一的地址號，該地址號稱為存儲單元的地址，這樣只要知道了存儲單元的地址，就可以找到這個(gè)存儲單元，其中存儲的指令就可以被取出，然后再被執(zhí)行。 7 程序通常是順序執(zhí)行的，所以程序中的指令也是一條條順序存放的，單片機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)要能把這些指令一條條取出并加以執(zhí)行，必須有一個(gè)部件能追蹤指令所在的地址，這一部件就是程序計(jì)數(shù)器 PC（包含在 CPU 中） ，在開始執(zhí)行程序時(shí)，給 PC 賦以程序中 每 一條指令所在的地址，然后取得每一條要執(zhí)行的命令， PC 在中的內(nèi)容就會自動增加，增加量由本條指令長度決定，可能是 2 或 3，以指向下一條指令的起始地址，保證指令順序執(zhí)行。 單片機(jī)的發(fā)展趨勢 現(xiàn)在可以說單片機(jī)是百花齊放的時(shí)期 ， 世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機(jī) ， 從 8 位、16 位到 32 位 ， 它們各具特色 ， 互成互補(bǔ) ， 為單片機(jī)的應(yīng)用提供廣闊的天地。縱觀單片機(jī)的發(fā)展過程 ，可以預(yù)示單片機(jī)的發(fā)展趨勢正朝著高性能和多產(chǎn)品方向發(fā)展。今后的發(fā)展趨勢將進(jìn)一步向低功耗、小體積、大容 量、高性能、低價(jià)格、高速化、高可靠行方向發(fā)展。 低功耗 CMOS 化 CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝 )電路的特點(diǎn)是低功耗、高密度、低價(jià)格。近年來隨著 CMOS 技術(shù)的進(jìn)步，單片機(jī)全面 COMS 化，這種工藝的單片機(jī)功耗低，可控性 強(qiáng) ，能夠工作在功耗精細(xì)管理狀態(tài)。目前生產(chǎn) CHMOS(互補(bǔ)高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝 )電路意境能夠達(dá)到 LSTTL 的傳輸速度，延遲時(shí)間小于 2ns，其綜合優(yōu)勢已大于 TTL 電路，所以單片機(jī)領(lǐng)域 CMOS 正逐漸取代 TTL 電路。 MCS51系列的 8031 推出時(shí)的功耗達(dá) 630mw， 而現(xiàn)在的單片機(jī)普遍都 在 100mW 左右 ， 隨著對單片機(jī)功耗要求越來越低 ， 現(xiàn)在的各個(gè)單片機(jī)制造商基本都采用了 CMOS。 80C51 就采用了 HMOS(即高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝 )和 CHMOS。 CMOS 雖然功耗較低 ， 但由于其物理特征決定其工作速度不夠高 ， 而 CHMOS則具備了高速和低功耗的特點(diǎn) ， 這些特征 ， 更適合于在要求低功耗 ， 電池供電的應(yīng)用場合。所以這種工藝將是今后一段時(shí)期單片機(jī)發(fā)展的主要途徑。 微型單片化 現(xiàn)在常規(guī)的單片機(jī)普遍都是將中央處理器 (CPU)、隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲 (RAM)、只讀程序存儲器(ROM)、并行和串行通信接口 ， 中斷系 統(tǒng)、定時(shí)電路、時(shí)鐘電路集成在一塊單一的芯片上 ， 增強(qiáng)型的單片機(jī)集成了如 A/D 轉(zhuǎn)換器、 PMW(脈寬調(diào)制電路 )、 WDT(看門狗 )、有些單片機(jī)將 LCD(液晶 )驅(qū)動電路都集成在單一的芯片上 ， 這樣單片機(jī)包含的單元電路就更多 ， 功能就越強(qiáng)大。甚至單片機(jī)廠商還可以根據(jù)用戶的要求量身定做 ，制造出具有自己特色的單片機(jī)芯片。 此外 ， 現(xiàn)在的產(chǎn)品普遍要求體積小、重量輕 ， 這就要求單片機(jī)除了功能強(qiáng)和功耗低外 ， 還要求其體積要小。現(xiàn)在的許多單片機(jī)都具有多種封裝形式 ， 其中 SMD(表面封裝 )越來越受歡迎 ， 使得由單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)正朝微型化方向發(fā)展。 主流與多品種共存 現(xiàn)在雖然單片機(jī)的品種繁多 ， 各具特色 ， 但仍以 80C51 為核心的單片機(jī)占主流 ， 兼容其結(jié)構(gòu)和指 8 令系統(tǒng)的有 PHILIPS 公司的產(chǎn)品 ， ATMEL 公司的產(chǎn)品和中國臺灣的 Winbond 系列單片機(jī)。所以 C8051為核心的單片機(jī)占據(jù)了半壁江山。而 Microchip 公司的 PIC 精簡指令集 (RISC)也有著強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭 ，中國臺灣的 HOLTEK 公司近年的單片機(jī)產(chǎn)量與日俱增 ， 與其低價(jià)質(zhì)優(yōu)的優(yōu)勢 ， 占據(jù)一定的市場分額。此外還有 MOTOROLA 公司的產(chǎn)品 ， 日本幾大公司的專用單片機(jī)。在一定的時(shí)期內(nèi) ， 這種情形將得以延續(xù) ， 將不存在某個(gè)單片機(jī)一統(tǒng)天下的壟斷局面 ， 走的是依存互補(bǔ) ， 相輔相成、共同發(fā)展的道路。 大容量、高性能 以往單片機(jī)內(nèi)的 ROM 為 1KB～ 4KB， RAM 為 64～ 128B。但在需要復(fù)雜控制的場合 ， 該存儲容量是不夠的 ， 必須進(jìn)行外接擴(kuò)充。為了適應(yīng)這種領(lǐng)域的要求 ， 須運(yùn)用新的工藝 ， 使片內(nèi)存儲器大容量化。目前 ， 單片機(jī)內(nèi) ROM 最大可達(dá) 64KB， RAM 最大為 2KB。另外單片機(jī)進(jìn)一步改變 CPU 的性能 ， 加快指令運(yùn)算的速度和提高系統(tǒng)控制的可靠性。采用精簡指令集 (RISC)結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù) ， 可以大幅度提高運(yùn)行速度。現(xiàn)指令速度最高者已達(dá) 100MIPS(Million Instruction Per Seconds， 即兆指令每秒 )， 并加強(qiáng)了位處理、中斷和定時(shí)控制功能。這類單片機(jī)的運(yùn)算速度比標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)高出 10 倍以上。由于這類單片機(jī)有極高的指令速度 ， 可以使用軟件模擬其 I/O 功能 ， 由此引入了虛擬外設(shè)的新概念。 串行擴(kuò)展技術(shù) 在很長一段時(shí)間里 ， 通用型單片機(jī)通過三總線結(jié)構(gòu)擴(kuò)展外圍器件成為單片機(jī)應(yīng)用的主流結(jié)構(gòu)。隨著低價(jià)位 OTP(One Time Programble)及各種特殊類型片內(nèi)程序存儲器的 發(fā)展 ， 加之處圍接口不斷進(jìn)入片內(nèi) ， 推動了單片機(jī) “單片 ”應(yīng)用結(jié)構(gòu)的發(fā)展。特別是 I2C、 SPI 等串行總線的引入 ， 可以使單片機(jī)的引腳設(shè)計(jì)得更少 ， 單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡化及規(guī)范化。隨著集成度的不斷提高，越來越多單片機(jī)把各種外圍設(shè)備的功能器件集成在片內(nèi)。除了一般必須具有的 CPU、 ROM、 RAM 和定時(shí) /計(jì)數(shù)器等以外，片內(nèi)集成的部件常見的還有 A/D 轉(zhuǎn)換器、 D/A 轉(zhuǎn)換器、 I2C 總線、 CAN 總線、 SPI 總線、 DMA 控制器、 PWM控制器、聲音制造器、監(jiān)測定時(shí)器和鎖相電路等。 單片機(jī)改變了我們 生活 ， 縱觀我們現(xiàn)在生活的各個(gè)領(lǐng)域 ， 從導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置 ， 到飛機(jī)上各種儀表的控制 ， 從 計(jì)算 機(jī)的 網(wǎng)絡(luò) 通訊與數(shù)據(jù)傳輸 ， 到 工業(yè) 自動化過程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理 ， 以及我們生活中廣泛使用的各種智能 IC 卡、 電子 寵物等 ， 這些都離不開單片機(jī) ， 單片機(jī)有著廣闊的應(yīng)用前景。 單片機(jī) AT89S51 介紹 AT89S51是 ATMEL 公司生產(chǎn)的一個(gè)低功耗，高性能 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4kBytesISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲器。它采用了 CMOS 工藝和 ATMEL 公司的高密度非易失性存儲器技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)和 51 系列單片機(jī)兼容。片內(nèi)的存儲器允許在線重新編程或用常規(guī)的非易失性存儲器編程器來編程，同時(shí)已具有三級程 序存儲器保密的性能。在眾多的 51 系列單片機(jī)中，要算 ATMEL 公司的 AT89S51 更實(shí)用，因?yàn)樗粌H和 MCU51 系列單片機(jī)指令、 9 管腳完全兼容，而且它將通用 CPU 和在線可編程 Flash 集成在一個(gè)芯片上。這種單片機(jī)對開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時(shí)間也大大縮短。 AT89S51 的主要性能特點(diǎn)： （ 1） 4k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲器； （ 2） 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）； （ 3） 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口； （ 4） 5 個(gè)中斷優(yōu)先級、 2 層中斷嵌套中斷； （ 5） 6 個(gè)中斷源； （ 6） 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器； （ 7） 2 個(gè)全雙工串行通信口； （ 8）看門狗（ WDT）電路； （ 9）片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路； （ 10）與 MCS51 兼容； （ 11）全靜態(tài)工作： 0Hz33MHz； （ 12）三級程序存儲器保密鎖定； （ 13）可編程串行通道； （ 14）低功耗的閑置和掉電模式。 AT89S51 的內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)如圖 所示，該結(jié)構(gòu)按功能可劃分為 8 個(gè)組成部分，它們是通過片內(nèi)單一總線連接起來的。 AT89S51 具有 40 個(gè)引腳， 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含 2 個(gè)外中斷口， 2 個(gè) 16位 可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 ， 2 個(gè)全雙工串行通信口， AT89S51 可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和 Flash 存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash 存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 AT89S51 的引腳圖如如 所示。 VCC(40 腳 )：供電電壓。 GND(20 腳 )：接地。 P0口 (32 腳～ 39 腳 )： P0口為一個(gè) 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(shí)，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(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0外部必須被拉高。 P1口 (1 腳～ 8 腳 )： P1口是一個(gè)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 10 門電流。 P1 口管腳寫