基于單片機的便攜式有害氣體檢測裝置畢業設計-資料下載頁

【導讀】隨著我國經濟的快速發展，人們對生活水平和空氣質量提出了更大挑戰。的，也可能是在工作過程中產生的。有時，某些物質的短期突然揮發還會出現一些。莫名其妙的物質，因此密閉空間內的有毒氣體的種類可能是多種多樣的。刺激性氣體的種類甚多，最常見的有氯、氨、氮氧化物、光氣、氟化氫、二氧。化硫、三氧化硫和硫酸二甲酯等。窒息性氣體，是指能造成機體缺氧的有毒。氣體，窒息性氣體可分為單純窒息性氣體、血液窒息性氣體和細胞窒息性氣體。質可以對人造成兩種時間段的癥狀：急性或慢性。因此必須制訂工作空間中各類物。質的暴露水平為安全防護提供依據。在其中所待的時間和有毒氣體的存在濃度有一。定的關系，超過這些規定的暴露水平就會對人身安全構成極大的威脅。基于以上可以看出，有關氣體的濃度問題顯得尤為重要。為便于設計和測量，案基于STC89C52單片機，有關氣體濃度傳感器來實現。信號通過A/D轉換電路調理后，經由單片機進行數據處理，由LCD顯示濃度值。

　　

【正文】 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。電路圖見圖 ： 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 圖 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。 中北大學信息商務學院畢業設計說明書 22 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。它與單片機的接口方法分為直接訪問方式和間接控制方式。 直接訪問方式是把液晶模塊作為存儲器或 I/O 設備直接接在單片機的總線上，單片機以訪問存儲器或 I/O 設備的方 式操作液晶顯示模塊的工作。間接控制方式則不使用單片機的數據系統，而是利用它的 I/0 口來實現與顯示模塊的聯系。即將液晶顯示模塊的數據線與單片機的 P0 口連接作為數據總線，另外三根時序控制信號線通常利用單片機的 P2 口中未被使用的 I/O 口來控制。這種訪問方式不占用存儲器空間，它的接口電路與時序無關，其時序完全靠軟件編程實現。本系統采用間接控制方式： 以下為液晶顯示電路接線原理圖見圖 : 圖 LCD 電路接線圖 在主電路圖中接在 P0 口處有一個排阻 RP1 ，由于 P0 口沒有內接上拉電阻，為了為 P0 口外接 線路有確定的高電平，所以要接上排阻 RP1，使用的是 10K 的排阻，以確保有 P0 口有穩定的電平。 差動放大器與濾波電路設計 由于采樣過來的信號，總摻雜著一些干擾信號，故需要一定的線路對其處理。在本設計中，采用差動放大器對兩個信號的差值進行放大。另外采用二級有源低通濾波器，進行濾波。線路圖如下圖 所示。其中對于低通濾波器，截止頻率中北大學信息商務學院畢業設計說明書 23 f=1/RC=1/（ 10K*） =10K Hz。 圖 信號調理電路 通信 電路設計 串口通信基礎理論 隨著微機特別是單片機的發展，其應用已從單機 逐漸向多機或聯網，而多機應用的關鍵又在于微機之間的相互通訊，互傳數據信息。在微型計算機系統中， CPU與外部的基本通訊方式有兩種 :并行通訊 —— 數據的各位同時傳送 。串行通訊 ——數據一位一位順序傳送。在并行通訊中，數據有多少位就需要多少條傳送線，而串行通訊只需要一對傳送線，故串行通訊能節省傳送線，特別是當數據位數很多和遠距離數據傳送時，這一優點更加突出。但串行數據也有缺點，那就是速度比并行通訊要慢。 ，依據一定的順序逐位進行傳送的通訊方法。在串行通訊中，有二種基本的通訊 方式 :異步通訊和同步通訊。 ，要把數據從一個地方傳送到另一個地方，必須使用通訊線路。數據在通訊線路兩端的工作 (通訊線路或計算機 )之間傳送。按通訊方式，可將數據傳輸線路分成三種 : 單工方式 ， 半雙工方式 和 全雙工方式 。 兩種常用接口方式 并行接口是指 8 位數據同時通過并行線進行傳送，這樣數據的傳輸率能得到極大的提高。但在并行傳輸中，干擾會隨線路長度的增加而增加，產生傳輸錯誤。因此，并行傳輸主要應用在近距離數據傳輸中，如連接打印機端口。并行接口主要使用 36 針接頭和 25 針 D 形接頭 ，目前以 25 針 D 形接頭為主。 中北大學信息商務學院畢業設計說明書 24 串行口也是計算機的一種標準接口， PC 機一般至少有兩個串行口 Com1 和Com2。串行口不同于并行口，它的數據和控制信息是一位接一位在一根傳輸線上傳送的，這樣串行口較并行口能夠進行遠距離傳送信息。 由于 CPU 與接口間按并行方式傳輸，接口與外設之間按串行方式傳輸，因此，在串行接口中，要由接收移位寄存器把串行方式轉換成并行方式，由發送移位寄存器把并行方式轉換成串行方式。完成這種轉換功能的電路叫做通用異步收發機UART。 通信模塊電路設計 CP2102， USB 轉串 口芯片，體積小巧，外圍可以不需要任何元件即可夠成一個最簡單的 USBUART 方案，通信速率可達 1Mbps，很容易把串口產品升級到 USB 口。本設計引出接口包括 5V、 、 TXD、 RXD、 GND、 RST，其中 TXD， RXD 可直接接 MCU串口， RXD 接 MCU 的 TXD， TXD 接 MCU 的 RXD 即可，也可以接各種帶串口的設備。RST 用于復位 CP2102，一般不用，方便用于初期產品的調試。在本設計中 接口不用。該模塊使用 USB 公座，可直接接到電腦的 USB 端口。電路圖見圖 ： 圖 CP2102 轉接芯片接線圖 硬件設計總結 ： 這一章比較具體的說明了系統硬件設計的內容，通過模塊化的設計思想，把一個復雜的單片機系統按照功能劃分成一個個單獨的電路模型，分別進行設計，最后在集成到一起。這種方法對于設計復雜的單片機系統很有效。大大提高系統設計的效率與質量。 中北大學信息商務學院畢業設計說明書 25 第 4 章 軟件設計 編譯語言的選擇 對于單片機的開發應用中，逐漸引入了高級語言， C語言就是其中的一種。匯編語言的可控性較高級語言來說更具優越性。程序編寫語言比較常見的有 C語言、匯編語言。匯編語言的機器代碼生成效率 高，控制性好，但就是移植性不高。 C語言編寫的程序比用匯編編寫的程序更符合人們的思考習慣。還有很多處理器都支持 C編譯器，這樣意味著處理器也能很快上手。且具有良好的模塊化、容易閱讀、維護等優點，且編寫的模塊程序易于移植。基于 C語言和匯編語言的優缺點，本系統采用 C語言編寫方法。 程序設計 軟件編寫的主體思路是將系統按功能模塊化劃分，然后根據模塊要實現的功能 ,按一定的順序組合成一個整體。下面介紹各模塊的具體功能、工作時序等。 A/D 轉換模塊 模數轉換模塊的主要功能就是將經放大濾波后的模擬電壓 信號轉化為 MCU 能夠處理的數字信號，并傳送給 MCU。 A/D 芯片的數據 CS 口，連接單片機的 口，CLK 接 口， D1 和 D0 接 口。 工作時序如下所示： ADC0832 有 8 只引腳， CH0 和 CH1 為模擬輸入端， CS 為片選引腳，只有 CS 置低才能對 ADC0832 進行配置和啟動轉換。 CLK 為 ADC0832 的時鐘輸入端。 CS 在整個轉換過程中都必須為低，當 CS 為低時，在數據輸入端 DI（數據輸入端）加一個高電平，接著在 CLK 上加一個時鐘， DI 上的邏輯 1 就會使ADC0832 的 DI 脫離高阻態，然后通道配置數據伴隨 著時鐘通過 DI 端移入多路器，當最后一位數據移入多路器時， DI 變為高阻態，在這以前 DO（數據輸出端）都為高阻態。在經過一個時鐘， DO 脫離高阻態，從而啟動轉換。接著從處理器接收時鐘信號，每經過一個時鐘，轉換后的數據就會從高位到低位依次從 DO 移出，經過8 個時鐘后，數據又以從低位到高位的形式從 DO 移出（也是每個時鐘移一位）。當最后一位數據移出時轉換完成。當 CS 從低變為高時， ADC0832 內部所有寄存器清零。如想要進行下一次轉換， CS 必須做一個從高到低的跳變，后跟著地此配置數據重復上面的過程。 中北大學信息商務學院畢業設計說明書 26 模塊轉換流程圖 見 ： 圖 AD 轉換模塊 流程圖 按鍵模塊 按鍵時顯現人機對話的一個控制按鈕，通過按鍵的操作，對系統進行發送指令，后經與 MCU 串行通信，然后在液晶上顯示。以查詢的方式進行工作。流程圖如 圖： 圖 按鍵流程圖 結束 選定通道號 開始轉換 轉換結束將得到的數據發送給串口 開始 初始化液晶、定時器，開中斷，設置串口波 特率 鍵盤檢測，控制液晶顯示內容 啟動 AD 轉換，并返回 AD 轉換的數據 處理 AD 轉換過來的數據，并送液晶顯示 若控制串口通信的鍵按下，則開中斷進行串口數據傳輸 開始 結束 中北大學信息商務學院畢業設計說明書 27 液晶顯示模塊 液晶顯示 D0到 D7 口接 到 ，單獨使用一個口，為了避免數據的干擾，由于 P0 口沒有上拉電阻，所以需要一個排阻進行電壓的擴大。在本設計中，由于不需要讀液 晶操作，故只介紹寫操作。 LCD1602 的寫工作時序圖如圖 所示： 圖 LCD1602 寫操作時序 當處于 寫指令 時， RS 為低脈沖 ， R/W 為低脈沖 ， D0D7=指令碼， E=高脈沖 。 當處于 寫數據 時， RS 為高脈沖 ， R/W 為低脈沖 ， E 為高脈沖， D0D7=數據 。 流程圖如圖 ： 圖 顯示模塊流程圖 通信模塊 CP2102 UART 接口包括 TX (發送 )和 RX(接收 )數據信號以及 RTS、 CTS、 DSR、DTR、 DCD 和 RI 控制信號。 UART 支持 RTS／ CTS、 DSR／ DTR 和 XOn／ XOff 握手。顯示個位 顯示十分位 顯示百分位 顯示小數點 開始 結束 中北大學信息商務學院畢業設計說明書 28 其 程序設計包括 3部分：單片機程序開發、 USB 設備的驅動程序開發、主機應用程序開發，三者相互配置才能完成可靠、快速的數據傳輸。其中 USB 設備驅動程序可以從 Silicon 公司的官方網站上下載，驅動程序安裝完后，系統會自動增加一個COM 口，用戶可以按照傳統的串行口控制方式來使用這個帶有 5V和 3V 供電的 COM口。 單片機 STC89C52 的串行通信程序，即對波特率、數據位、校驗位、有無奇偶校驗等通信協議及單片機串行通信功能的設置 ,其中 CP2102 芯片 可獲得的 數據格式和波特率見表 41。 波特率通常采取 9600；另一部分為上位機數據采集和界面應用程序，這一部分我們用 STCISP 的串口助手來采集數據， 按串行口方式設置，以實現接口通訊。 表 數據格式和波特率 數據位 8 停止位 1 校驗位 無校驗，偶校驗，奇校驗 波特率 300,600,1200,1800,2400,4800,7200,9600,14400，19200,28800,38400,56000,57600,115200,128000,230400,460800, 921600 流程圖如圖 ： 圖 串口流程圖 產生中斷并發送數據 對數據進行相關處理 結束 開始 中北大學信息商務學院畢業設計說明書 29 第 5 章 系統調試 在前面幾章中，詳細討論了氣體濃度測試儀的硬件和軟件設計，但是要系統真正的運行起來達到預期的指標和功能，就必須對系統進行調試。系統的調試包括系統的硬件和軟件設計。 軟件仿真 在進行焊接之前，并不能確認之前所畫的原理圖的正確性，所選器件的合適性以及所編程序是否可以實現相應的功能。在這里軟件仿真顯得尤為重要。我們采用Protues 進行仿真。在仿真過程中，傳感器用特定的激勵電壓源代替。此外，串口通信模塊不進行仿真。仿真連接圖見附錄圖一。仿真結果圖如下圖 。 圖 仿真圖 由以上兩圖可以看到液晶顯示、 AD 轉換、線路切換功能的實現。即此系統的功中北大學信息商務學院畢業設計說明書 30 能可基本實現。從而驗證了系統原理圖和程序的正確性。 硬件調試 焊接前對電阻、電容的量值要進行測量、篩選，選擇與電路中參數值一致的元器件，在選擇芯片時，要注意芯片與設計要求的型號、規格和安裝是否一致。在焊接時，應將印制的電路板認真對照原理圖，查看元器件的引腳 焊接是否正確。電路板焊接完成后，需要對每個元器件的引腳逐個進行檢查，一方面是檢查有沒有引腳虛焊或與其他信號線短路，另一方面是對器件引腳功能的再檢查，查看設計是否正