基于單片機的瓦斯監控的硬件設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 次，數據保存時間為十年。它與 MCS51 系列單片機在指令系統和引腳上完全兼容，不僅可完全代替 MCS51 系列單片機，而且能使系統具有許多 MCS51 系列產品沒有的功能。AT89C51 可構成真正的單片機最小應用系統，縮小系統體積 , 增加系統的可靠性，降低了系統成本。只要程序長度小于 4k, 四個 I/O 口全部提供給用戶。可用 5V 電壓編程，而且擦寫時間僅需 10 毫秒 , 僅為 8751/87C51 的擦除時間的百分之一，與 8751/87C51的 12V 電壓擦寫相比 , 不易損壞器件 , 沒有兩種電源的要求，改寫時不拔下芯片，適合許多嵌入式控制領域。工作電壓范圍寬 ～ 6V，全靜態工作，工作頻率寬，在 024MHz 內 , 比 8751/87C51 等 51 系 6MHz12MHz 更具靈活性，系統能快能慢。 AT89C51 芯片提供三級程序存儲器加密 , 提供了方便靈活而可靠的硬加密手段 , 能完全保證程序或系統不被仿制。另外 ,AT89C51 還具有 MCS51系列單片機的所有優點。 128 8 位內部 RAM, 32 位雙向輸入輸出線 , 兩個十六位定時器 /計時器 , 5 個中斷源 , 兩級中斷優先級 , 一個全雙工異步串行口及時鐘發生器等。另外， AT89C51 有間歇和掉電兩種工作模式。間歇模式是由軟件來設置的 , 當外圍器件仍然處于工作狀態時 , CPU 可根據工作情況適時地進入睡眠狀態 , 內部 RAM 和所有特殊的寄存器值將保持不變。這種狀態可被任何一個中斷所終止或通過硬件復位。掉電模式是 VCC 電壓低于電源下限 , 振蕩器停振 , CPU 停止執行指令。該芯片內 RAM 和特殊功能 寄存器值保持不變 , 直到掉電模式被終止。只有VCC 電壓恢復到正常工作范圍而且在振蕩器穩定振蕩后，通過硬件復位、掉電模式可被終止。 采樣單元 的設計 瓦斯傳感器是煤礦重要的安全儀器 , 國外從 30 年代開始研究開發氣體傳感器。過去氣體傳感器主要用于煤氣、液化石油氣、天然氣及礦井中的瓦斯氣體的檢測與報警，目前需要檢測的氣體種類由原來的還原性氣體 (H2,C4H10,CH4)等擴展到毒性氣體(CO,NO2,H2S,NO,NH3,PH3)等。 在本設計中瓦斯檢測采用電阻式半導體氣體傳感器作為檢測元件。與其他類型的瓦斯傳感器相比，其優點是在測爆炸范圍內的可燃性氣體精度高，受背景氣體、濕度、氣壓影響小，輸出信號大，成本底，制作方便。 電阻式半導體氣體傳感器是通過檢測氣敏元件隨氣體含量的變化情況而工作的。主要使用金屬氧化物陶瓷氣敏材料。隨著近年來復合金屬氧化物、混合金屬氧化物等新型材料的研究和開發，大大提高了這種氣體傳感器的特性和應用范圍。 氣體采樣單元如圖 4 所示。 氣體的采樣方法直接影響傳感器的響應時間。目前，氣體的采樣方式主要是通過簡單擴散法，或是將氣體吸入檢測器。它由采樣電壓轉換、小信號放大及 A/D 轉換三部分組成。其中，將氣體轉化為電量的氣體電壓轉換由氣敏傳感器 氣敏電阻實現，小信號放大由橋式放大電路實現， A/D 轉換選擇模數轉換器 ADC0809， 7 將采集到的氣體濃度模擬信號轉換為 AT89C51 能夠處理的二進制數字信號。 圖 4 氣體采樣單元 氣敏傳感器采用 MQ7 型。因氣體傳感器的基本特征，即靈敏度、選擇性以及穩定性等，主要通過材料的選擇來確定。所以選擇適當的材 料和開發新材料，使氣體傳感器的敏感特性達到最優。 穩定性 穩定性是指傳感器在整個工作時間內基本響應的穩定性，取決于零點漂移和區間漂移。零點漂移是指在沒有目標氣體時，整個工作時間內傳感器輸出響應的變化。區間漂移是指傳感器連續置于目標氣體中的輸出響應變化，表現為傳感器輸出信號在工作時間內的降低。理想情況下，一個傳感器在連續工作條件下，每年零點漂移小于 10%。 靈敏度 靈敏度是指傳感器輸出變化量與被測輸入變化量之比，主要依賴于傳感器結構所使用的技術。大多數氣體傳感器的設計原理都采用生物化學、電化學、 物理和光學。首先要考慮的是選擇一種敏感技術，它對目標氣體的閥限制 (TLVthreshold limit value)或最低爆炸限 (LELlower explosive limit)的百分比的檢測要有足夠的靈敏性。 選擇性 選擇性也被稱為交叉靈敏度。可以通過測量由某一種濃度的干擾氣體所產生的傳感器響應來確定。這個響應等價于一定濃度的目標氣體所產生的傳感器響應。這種特性在追蹤多種氣體的應用中是非常重要的，因為交叉靈敏度會降低測量的重復性和可靠性，理想傳感器應具有高靈敏度和高選擇性。 單片機 控制單元 的設計 按鍵電路 8 按鍵電路如圖 5 所示。 鍵盤分編碼鍵盤和非編碼鍵盤。鍵盤上閉合鍵的識別由專用的硬件編碼器實現，并產生鍵編碼號或鍵值的稱為編碼鍵盤，如計算機鍵盤；而靠軟件編程來識別的稱為非編碼鍵盤；在單片機組成的各種系統中，用的最多的是非編碼鍵盤。非編碼鍵盤有分為：獨立鍵盤和行列式（又稱為矩陣式）鍵盤。 因所需的按鍵數目不多，所以采用獨立按鍵，為了更好的區分按下的是哪一個按鍵，在每個按鍵按下時相應發光二極管亮。 圖 5 按鍵電路如圖 顯示電路 顯示電路采用數碼管顯示，數碼管顏 色鮮艷，視覺效果好，顯示電路如圖 6 所示。 LED 顯示器工作方式有兩種：靜態顯示方式和動態顯示方式。 靜態顯示的特點是每個數碼管的段選必須接一個 8 位數據線來保持顯示的字形碼。當送入一次字形碼后，顯示字形可一直保持，直到送入新字形碼為止。這種方法的優點是占用 CPU 時間少，顯示便于監測和控制。缺點是硬件電路比較復雜，成本較高。 動態顯示的特點是將所有位數碼管的段選線并聯在一起，由位選線控制是哪一位數碼管有效。這樣一來，就沒有必要每一位數碼管配一個鎖存器，從而大大地簡化了硬件電路。選亮數碼管采用動態掃描顯示。所謂動 態掃描顯示即輪流向各位數碼管送出字形碼和相應的位選，利用發光管的余輝和人眼視覺暫留作用，使人的感覺好像各位數碼管同時都在顯示。動態顯示的亮度比靜態顯示要差一些，所以在選擇限流電阻時應略小于靜態顯示電路中的。 工作原理：單片機 P0 口低 4 位作為數據輸出口， P05P07 為位選信號，數據送給7447 翻譯成 7 段數碼信號，顯示在數碼管上，位選信號經過 74138 編碼后，再經 8 個三極管組成反相器組送給共陰極數碼管的位選端，作為位控制信號。這樣就可以控制在哪一個位上面顯示什么樣的數了。 9 圖 6 顯示電路 數碼管原理： 7 段數碼管是由 7 個獨立的二極管采用共陰或共陽的方法連接而成。通常將這 7 個獨立的二極管做成 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g 這 7 個筆劃。數碼管顯示原理圖如圖 6 所示。 a bcdegGNDfdpGNDabcefgd dpabcdefgdpdpgfedcba＋ 5V（a ） （b ） 圖 7 數碼管顯示原理圖 通過一個 7 位的二進制電平信號就可以顯示出想要的結果。例如，點亮二極管 b、c，數碼管將會顯示數字 1，點亮 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g，數碼管將會顯示數字 0。所以，數碼管的顯示需要有 7 根連線。 顯示數字對應的二進制電平信號 如表 1 所示。 10 表 1 顯示數字對應的二進制電平信號 顯示 數字 a b c d e f g 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 2 1 1 0 1 1 0 1 3 1 1 1 1 0 0 1 4 0 1 1 0 0 1 1 5 1 0 1 1 0 1 1 6 0 0 1 1 1 1 1 7 1 1 1 0 0 0 0 8 1 1 1 1 1 1 1 9 0 0 0 1 1 0 1 然而，在實際的電路設計中，由處理器完成譯碼功能再輸出一個 7 位的二進制信號是非常浪費空間和影響效率的。因此，電子工程師一般采取用 7 段數碼管 與譯碼器相結合的方法來解決這個問題。 調節執行單元 的設計 調節執行單元如圖 8 所示。采用實時控制的方法，在主機 AT89C51 的 口輸出控制信號，由光耦 MOC3041（光電耦合器）和可控硅 SCR 組成。其中光電耦合器 MOC3041的作用是將單片機系統與可控硅 SCR 電路隔開，避免在高壓過程中的干擾信號影響單片機的運行；可控硅 SCR 的作用是相當于一個固態的觸點，使之有能力開啟或關斷電機，從而控制風扇通斷，以實現對