本科畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 題 目：基于單片機(jī)的家用煤氣報(bào)警器裝置學(xué) 院： 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 學(xué) 號(hào)： 080802324 學(xué)生姓名： 楊 程 指導(dǎo)老師： 王曉斐 摘要 煤氣，如今已經(jīng)成為人們生活生產(chǎn)應(yīng)用最廣泛的燃料之一。不僅工業(yè)上常用到煤氣，人們的日常生活更是離不開(kāi)煤氣。人們?cè)谑褂妹簹獾臅r(shí)候，安全問(wèn)題就顯得格外重要。那么，如何確保人們處于安全的環(huán)境之中呢？煤氣報(bào)警器，就為人們的安全加了一把鎖。 本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的家用煤氣報(bào)警器。利用半導(dǎo)體式CO氣體傳感器，將空氣中CO氣體的濃度轉(zhuǎn)換成為模擬電壓輸出，然后通過(guò)ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)輸出，該信號(hào)傳

2、入單片機(jī)AT89C51中，進(jìn)行進(jìn)一步的處理并與預(yù)設(shè)的報(bào)警值進(jìn)行比較。當(dāng)達(dá)到報(bào)警值的時(shí)候，輸出報(bào)警信號(hào)，觸發(fā)光電隔離電路，控制外接排風(fēng)扇的開(kāi)啟與煤氣閥門(mén)的關(guān)閉。與此同時(shí)，聲光報(bào)警電路也被觸發(fā)，進(jìn)行聲光報(bào)警，從而，實(shí)現(xiàn)煤氣報(bào)警器控制與報(bào)警功能。AbstractGas, has now become one of the most widely used fuel in peoples lives, production and application. Not only the industrial gas, peoples daily life is inseparable from the g

3、as. People in the use of gas, security issues, it is particularly important. Then ,how to ensure that people in a safe environment? Gas alarm, made a lock to the security of the people.This design is a microcontroller-based household gas alarm. By using the Semiconductor-type CO gas sensor, the conc

4、entration of CO gas in air is converted into an analog voltage output, and then through the ADC0809 A / D converter, the analog voltage signal into a digital signal output. The signals into the AT89C51, for further processing and to compare with the preset alarm value. When it reaches the alarm valu

5、e, alarm output, optical isolation circuit is triggered to control the external exhaust fan opening and Close the gas valve. At the same time, sound and light alarm circuit is triggered for sound and light alarm, in order to achieve a certain degree of control and alarm functions by the Gas alarm.目錄

6、第1章 前言51.1 論文研究目的及意義51.2 煤氣報(bào)警器的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀51.3 本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)61.4 方案論證6第2章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)92.1 總設(shè)計(jì)圖92.2 硬件設(shè)計(jì)思路102.3 系統(tǒng)框圖10第3章 各個(gè)模塊及功能123.1 CO氣體傳感器123.1.1 傳感器的概述123.1.2 CO氣體傳感器的工作原理133.2 溫度補(bǔ)償電路143.2.1 溫度補(bǔ)償電路143.2.2 OP07低噪聲高精度運(yùn)算放大器163.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊173.3.1 ADC0809的介紹173.3.2 ADC0809的工作過(guò)程183.3.3 ADC0809的引腳及其功能193.3.4 ADC08089芯片的性能

7、特點(diǎn)203.4 單片機(jī)AT89C51203.4.1 AT89C51 簡(jiǎn)介203.4.2 AT89C51的功能特性概述213.4.3 管腳說(shuō)明213.4.4 AT89C51的主要性能參數(shù)243.5 光電隔離控制電路243.5.1 使用光電隔離電路的背景原因243.5.2 光電隔離概述243.5.3 光電隔離電路工作過(guò)程253.5.4 光電耦合器263.5.5 繼電器概述273.6 聲光報(bào)警單元28第4章 軟件設(shè)計(jì)304.1 軟件設(shè)計(jì)總流程圖304.2 數(shù)據(jù)處理314.2.1 傳感器的非線性信號(hào)的處理314.2.4 數(shù)據(jù)處理步驟324.3 A/D轉(zhuǎn)換控制設(shè)計(jì)流程334.4 光電隔離電路程序設(shè)計(jì)流程

8、圖344.5 報(bào)警電路的控制程序設(shè)計(jì)流程圖344.6 設(shè)計(jì)結(jié)果354.6.1 仿真效果展示354.6.2 實(shí)物效果展示37總結(jié)39致謝40參考文獻(xiàn)41附錄421. 工程圖紙422. 部分程序清單43主程序：43數(shù)據(jù)采集程序：44第1章 前言1.1 論文研究目的及意義 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展，西氣東輸工程的進(jìn)行和煤氣、天然氣的變革，煤氣等可燃?xì)庖殉蔀榇蟛糠种袊?guó)家庭的燃料，為人們生活質(zhì)量的提高與生活環(huán)境的改善做出巨大貢獻(xiàn)。雖然，現(xiàn)在人們已經(jīng)意識(shí)到安全使用煤氣的重要性，但是，每年仍舊不斷有因煤氣泄露而造成的煤氣中毒事故發(fā)生。全國(guó)各地也還有不少因使用熱水器等各種家用電氣不當(dāng)或電器產(chǎn)品本身存在質(zhì)量問(wèn)題

9、，而造成的一氧化碳中毒事故的事例。甚至，因?yàn)槭覂?nèi)的煤氣濃度過(guò)高，而引起煤氣爆炸的事故也屢見(jiàn)不鮮。所以，怎樣防止煤氣中毒與爆炸從而保護(hù)人們自身與他人的安全已成為人們的迫切需要。因此，煤氣報(bào)警器的開(kāi)發(fā)與研究就顯得格外重要。1.2 煤氣報(bào)警器的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀國(guó)外對(duì)煤氣報(bào)警器的研究開(kāi)發(fā)從20世紀(jì)30年代就開(kāi)始了，并且發(fā)展比較迅速。究其原因，一方面，是因?yàn)槿藗兊陌踩庾R(shí)增強(qiáng)，在物質(zhì)生活質(zhì)量日益提高的基礎(chǔ)上，對(duì)環(huán)境的健康安全程度以及生活的舒適度要求也進(jìn)一步提高；另一方面，是因?yàn)榉煞ㄒ?guī)的不斷健全，政府部門(mén)積極推動(dòng)傳感器市場(chǎng)的發(fā)展。在科技與工藝發(fā)展的帶動(dòng)下，傳感器生產(chǎn)工藝水平也得到了穩(wěn)步提升，傳感器的集成度不斷

10、增大，使其體積也日益小型化，進(jìn)而促使氣體檢測(cè)儀器的整體體積也越來(lái)越小，直接令各種氣體檢測(cè)儀器更加輕巧便攜，對(duì)于生產(chǎn)、運(yùn)輸、實(shí)際應(yīng)用與市場(chǎng)推廣等方面也有極好的效果。而我國(guó)，由于時(shí)代背景以及科學(xué)技術(shù)受限等原因，是在70年代初期才開(kāi)始進(jìn)行研制開(kāi)發(fā)可燃性氣體報(bào)警器的。經(jīng)過(guò)不斷地研究與開(kāi)發(fā)，我國(guó)的可燃性氣體報(bào)警器發(fā)展也比較迅速，如今，可燃?xì)怏w報(bào)警器的生產(chǎn)型號(hào)多樣而且品種較為齊全，連應(yīng)用的范圍也從原本簡(jiǎn)單單一的煉油系統(tǒng)擴(kuò)展到甚至絕大部分危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境也可以適用的報(bào)警器。其不同種類的氣體報(bào)警器的產(chǎn)品數(shù)量更是在不斷的增加。但是，由于我國(guó)技術(shù)手段還不夠先進(jìn)，科技仍需進(jìn)一步提高，目前，我國(guó)可燃?xì)怏w報(bào)警器主要還是依賴

11、于國(guó)外先進(jìn)的生產(chǎn)工藝以及傳感器技術(shù)。值得高興的是，近年來(lái)，我國(guó)的可燃?xì)怏w報(bào)警器在產(chǎn)品的穩(wěn)定性與氣體選擇性上有了質(zhì)的飛躍。 目前，氣體報(bào)警器按檢測(cè)氣體劃分可分為：可燃?xì)怏w報(bào)警器，有毒氣體報(bào)警器以及復(fù)合式氣體報(bào)警器。通過(guò)使用不同的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)各種氣體報(bào)警器對(duì)不同氣體的檢測(cè)，而復(fù)合式氣體報(bào)警器技術(shù)比較全面，可以同時(shí)檢測(cè)可燃和有毒氣體。從應(yīng)用范圍上講，煤氣報(bào)警器又可以分為：家用燃?xì)鈭?bào)警器、工業(yè)用燃?xì)鈭?bào)警器以及有毒有害氣體報(bào)警器。家用燃?xì)鈭?bào)警器是一種功能比較簡(jiǎn)單的易安裝維護(hù)的居民家庭用的燃?xì)鈭?bào)警器，如果遇到燃?xì)庑孤┑那闆r，報(bào)警器可以自動(dòng)進(jìn)行聲光報(bào)警，或者聯(lián)動(dòng)其他外部設(shè)備等。有些更加智能化的報(bào)警器甚至可以

12、自動(dòng)開(kāi)啟排風(fēng)扇，或者關(guān)閉燃?xì)獾拈y門(mén)。而工業(yè)用燃?xì)鈭?bào)警器以及有毒有害氣體報(bào)警器則只是在檢測(cè)探頭部分有些差異，但其整體在工作原理與實(shí)際應(yīng)用中還是十分相近的。再細(xì)劃分，根據(jù)檢測(cè)環(huán)境的不同，工業(yè)燃?xì)鈭?bào)警器又可分為檢漏儀、控制器和探測(cè)器。1.3 本設(shè)計(jì)的主要任務(wù) 本設(shè)計(jì)是對(duì)基于單片機(jī)的煤氣報(bào)警器的設(shè)計(jì)研究，主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)家庭煤氣濃度的檢測(cè)以及報(bào)警。主要經(jīng)過(guò)以下幾部分來(lái)實(shí)現(xiàn)：首先，利用傳感器進(jìn)行CO氣體濃度的采集并輸出相應(yīng)的電壓模擬信號(hào)，CO氣體濃度與輸出電壓VOUT呈線性關(guān)系，CO濃度越高，輸出電壓VOUT越高。該信號(hào)經(jīng)過(guò)校正作為A/D轉(zhuǎn)換的輸入信號(hào)傳送到數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信

13、號(hào)，然后傳送到單片機(jī)中，在達(dá)到門(mén)限值時(shí)，通過(guò)報(bào)警子程序來(lái)輸出報(bào)警信號(hào)。并對(duì)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而分別控制蜂鳴器、報(bào)警燈的運(yùn)行以及切斷電路的工作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭煤氣濃度是否超標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。1.4 方案論證 CO氣體傳感器是本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵元件之一，是整個(gè)煤氣報(bào)警器的重要組成部分。煤氣報(bào)警器種類繁多，設(shè)計(jì)方案多樣，按所使用的傳感器可以分為：a 紅外式：利用紅外光照射到被測(cè)氣體上時(shí)，不同氣體對(duì)紅外光進(jìn)行不同的選擇吸收的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行測(cè)量與報(bào)警。它的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度比較高，具有較好的穩(wěn)定性，有較強(qiáng)的抗交叉氣體干擾能力；其缺點(diǎn)是維護(hù)較為復(fù)雜，價(jià)格比較昂貴，通常適合實(shí)驗(yàn)室使用。b 半導(dǎo)體式：利用一些半導(dǎo)體材料（

14、如金屬氧化物等），在一定溫度條件下，吸附被測(cè)氣體后，其電阻率發(fā)生顯著變化這一特點(diǎn)來(lái)檢測(cè)氣體中某種氣體的含量。其優(yōu)點(diǎn)是比較靈敏，響應(yīng)速度很快，使用壽命較長(zhǎng)且成本比較低廉；缺點(diǎn)是受溫度的影響較大，容易受到環(huán)境的干擾，不適宜用來(lái)進(jìn)行精確度要求較高的測(cè)量。 c 催化燃燒式：催化燃燒式氣體報(bào)警器是利用催化燃燒的熱效應(yīng)原理，由檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件配對(duì)構(gòu)成測(cè)量電橋，在一定溫度條件下，可燃?xì)怏w在檢測(cè)儀元件載體表面及催化劑的作用下發(fā)生無(wú)焰燃燒，通過(guò)內(nèi)部電阻的變化，進(jìn)而輸出電信號(hào)。其優(yōu)點(diǎn)是輸出信號(hào)線性好，指數(shù)可靠，價(jià)格便宜，不會(huì)與其他非可燃性氣體發(fā)生交叉感染；缺點(diǎn)是電流功耗大，不易做成總線連接，缺氧環(huán)境下檢測(cè)值誤差

15、較大。 d 電化學(xué)式：電化學(xué)式傳感器是以離子導(dǎo)電為基礎(chǔ)制成的。根據(jù)其電特性的形成不同,電化學(xué)傳感器又可以分為：電位式傳感器、電量式傳感器、電導(dǎo)式傳感器、電解式傳感器以及極譜式傳感器等。電化學(xué)式傳感器的靈敏度高，準(zhǔn)確性好，具有極好的線性度，本身工作不消耗電能，并且氣體選擇性極為出色，體積小，操作簡(jiǎn)單，攜帶方便，可以用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)并且價(jià)格比較低廉。缺點(diǎn)是：易受環(huán)境溫度及濕度的影響。影響半導(dǎo)體氣體傳感器靈敏度的因素：工作環(huán)境對(duì)報(bào)警器的影響，如存在高熱、高溫氣體，濕度大等；部分化合物對(duì)傳感器的影響；傳感器的安裝位置；設(shè)備維護(hù)是否及時(shí)；檢測(cè)介質(zhì)對(duì)傳感器的影響。氣體傳感器需滿足以下基本條件：(1)可以有選擇

16、性地檢測(cè)某種單一氣體， 而對(duì)共存的其它氣體不響應(yīng)或低響應(yīng)；(2)對(duì)被測(cè)氣體具有比較高的靈敏度，并且能有效地檢測(cè)在允許范圍內(nèi)的氣體濃度；(3)對(duì)檢測(cè)信號(hào)的響應(yīng)速度比較快，重復(fù)性較好；(4)長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性好；(6)制造成本低，使用與維護(hù)方便；(5)使用壽命長(zhǎng)；每種煤氣報(bào)警器都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮到要適用于家庭，實(shí)際操作簡(jiǎn)單易行，以及盡可能降低成本的問(wèn)題，本設(shè)計(jì)選擇了半導(dǎo)體式氣體傳感器。半導(dǎo)體式氣體傳感器靈敏度較高、對(duì)CO氣體的選擇性好、成本較低。第2章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 總設(shè)計(jì)圖圖2.1 總硬件設(shè)計(jì)圖2.2 硬件設(shè)計(jì)思路 在本設(shè)計(jì)中，基于單片機(jī)的煤氣報(bào)警裝置的主要功能就是能夠準(zhǔn)確而又快速的檢測(cè)出被

17、測(cè)氣體中CO氣體的含量，并判斷其是否超標(biāo)。當(dāng)氣體濃度達(dá)到預(yù)定的門(mén)限值時(shí)，聲光報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)以進(jìn)行報(bào)警，并且實(shí)現(xiàn)切斷閥排氣的功能。為了實(shí)現(xiàn)以上功能，系統(tǒng)應(yīng)該具備：CO氣體傳感器模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)系統(tǒng)模塊、光電隔離技術(shù)和切斷閥模塊、聲光報(bào)警模塊以及數(shù)據(jù)采集處理模塊。2.3 系統(tǒng)框圖 CO傳感器溫度補(bǔ)償運(yùn)算放大A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)參數(shù)設(shè)置光電隔離接口繼電器切斷器排氣扇圖2.2 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)整體工作流程介紹：如圖2.2所示。首先，由CO氣體傳感器獲取室內(nèi)CO濃度的原始信號(hào)，經(jīng)傳感器內(nèi)部作用，改變傳感器內(nèi)部電阻，從而輸出該CO氣體濃度下對(duì)應(yīng)的輸出電壓，再經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償電路的校正，得到一個(gè)較真實(shí)的模擬電

18、壓值。經(jīng)過(guò)放大電路的放大，得到一個(gè)可以匹配的電壓模擬信號(hào)，并將信號(hào)送入到A/D轉(zhuǎn)換模塊，獲得相對(duì)應(yīng)的數(shù)字量信號(hào)，再由單片機(jī)對(duì)得到的數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行處理。最后，根據(jù)系統(tǒng)事先已經(jīng)設(shè)定好的限值參數(shù)與該數(shù)字量進(jìn)行比較判斷，以確定CO濃度是否超標(biāo)。若超標(biāo)，則單片機(jī)立即向光電隔離接口輸出控制信號(hào)，啟動(dòng)光電隔離電路，然后通過(guò)繼電器打開(kāi)排氣扇，關(guān)閉閥門(mén)。同時(shí)啟動(dòng)預(yù)警信號(hào)進(jìn)行聲光報(bào)警。若未超標(biāo)，則光電隔離部分與報(bào)警系統(tǒng)均處于關(guān)閉狀態(tài)。目標(biāo)參數(shù)如下：檢測(cè)對(duì)象：CO氣體；應(yīng)用范圍：家庭；檢測(cè)范圍：01000ppm的CO氣體；工作濕度范圍：1095%RH；報(bào)警濃度：電池電壓：+12V；工作溫度范圍：-20+70攝氏度；

19、響應(yīng)時(shí)間：30msppm：濃度單位，表示百萬(wàn)分之一，常用來(lái)表示氣體/液體濃度；%RH：表示相對(duì)濕度的單位名稱。第3章 各個(gè)模塊及功能3.1 CO氣體傳感器3.1.1 傳感器的概述 在半導(dǎo)體式傳感器中，我選用了Motorola生產(chǎn)的一種專門(mén)適合家庭使用的應(yīng)用了全微電子工藝制成的半導(dǎo)體氣體傳感器，即MGS1100型CO氣體傳感器。其結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。最下邊是微型Si橋底座，其中嵌入一個(gè)加熱器，再在加熱器上面制作一層SnO2薄膜。CO與SnO2薄膜有一定的接觸面，并發(fā)生反應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)可以使得SnO2薄膜對(duì)CO氣體具有較高的敏感性,而且硅膜是熱的不良導(dǎo)體，能夠減少熱傳導(dǎo)的損失,從而大大降低了功耗。作

20、為CO氣體敏感元件，MGS1100具有穩(wěn)定性好、對(duì)CO響應(yīng)的選擇性好，靈敏度高等特點(diǎn)。圖3.1 MGS1100 CO傳感器橫截面圖 傳感器的封裝外表如圖3.2所示。共有4個(gè)管腳，其中，2個(gè)為加熱端（管腳1和3，腳3接地），2個(gè)為傳感器輸出端（管腳2和4），引腳圖如圖3.3所示。 圖3.2 封裝外形圖 圖3.3 MGS1100等效電路引腳圖（頂視圖）3.1.2 CO氣體傳感器的工作原理 圖3.4 MGS1100典型測(cè)量電路本設(shè)計(jì)中采用串聯(lián)電阻檢測(cè)電路，把傳感器輸出電阻Rs與負(fù)載電阻RL串聯(lián)后加到一電壓源Vc上，如圖3.4所示。RL上的壓降為測(cè)量的輸出電壓Vout，通過(guò)傳感器的輸出電阻的計(jì)算公式：

21、Rs=（Vc-Vout）/Vout*RL 可以計(jì)算出輸出電壓Vout。為了減小濕度的影響，使傳感器對(duì)CO能夠具有最佳的敏感特性并且具有較好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。使SnO2層能夠達(dá)到預(yù)定的最佳溫度是非常重要的。在實(shí)驗(yàn)前需要給加熱器通電，使傳感器在高溫狀態(tài)下清除SnO2表層的雜質(zhì)與水分。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將傳感器放置在室內(nèi)，若有CO泄漏到空氣中，則空氣中的CO氣體會(huì)與傳感器的SnO2薄膜層反應(yīng)，從而薄膜層變小，導(dǎo)致電阻隨CO濃度的增大而減小，輸出負(fù)載電壓VRL（即式子中的Vout）則逐漸變大，因而，通過(guò)測(cè)量負(fù)載電壓就可以反應(yīng)出被測(cè)對(duì)象的一氧化碳濃度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3.5 。圖3.5 CO濃度下的Rs值MGS110

22、0型一氧化碳?xì)怏w傳感器的特點(diǎn)：測(cè)量濃度范圍：0-1000ppm；測(cè)量精度：3%；分辨率：1ppm；工作溫度：-2070；零點(diǎn)漂移：ppm10。3.2 溫度補(bǔ)償電路3.2.1 溫度補(bǔ)償電路由于傳感器電阻Rs本身容易受到溫度的影響，若直接使用會(huì)產(chǎn)生誤差，經(jīng)過(guò)放大器的放大之后，原本很小的誤差就會(huì)被擴(kuò)大，從而影響最終的結(jié)果。所以，在這里，本設(shè)計(jì)使用了一個(gè)對(duì)稱的電橋溫度補(bǔ)償電路，RT為熱敏電阻，隨室內(nèi)溫度而改變。如圖3.6所示，運(yùn)用電橋補(bǔ)償法進(jìn)行溫度補(bǔ)償。其中， RS為傳感器電阻，RL為負(fù)載電阻，R1為滑動(dòng)變阻器，并選取OP07（在下面再做介紹）放大器組成差分放大電路。圖3.6 電橋式溫度補(bǔ)償電路電路工

23、作原理：溫度升高時(shí)，由于溫度的影響，傳感器電阻Rs變大，而負(fù)載電阻RL不變，由Vi1=Vcc/（RL+Rs）*RL可知，傳感器輸出的電壓Vi1減小了。即傳感器發(fā)生零點(diǎn)漂移。為了消除該漂移的影響，在此，本設(shè)計(jì)采用了電橋式溫度補(bǔ)償電路。熱敏電阻RT隨溫度的升高，其電阻變大。根據(jù)電橋式溫度補(bǔ)償電路的原理，當(dāng)RS、RT均隨溫度升高而增加的時(shí)候，只需調(diào)整滑動(dòng)變阻器R1的阻值，即可保持RT/RS=R1/RL。滑動(dòng)變阻器R1上的電壓為Vi2，則有： Vi2=Vcc/(RT+R1)*R1。而輸出電壓Vi=Vi1-Vi2=0，即保證了傳感器在零點(diǎn)輸出為0，消除了零點(diǎn)漂移的問(wèn)題。此后，保持滑動(dòng)變阻器阻值不變，傳感

24、器電阻RS只隨CO氣體濃度變化而改變，導(dǎo)致輸出電壓Vi1變動(dòng)，電壓差Vi=Vi1-Vi2作為輸入信號(hào)，經(jīng)放大電路放大：Vout=100k/10kVi=10（Vi2-Vi1），得到放大后的電壓信號(hào)Vout，作為A/D轉(zhuǎn)換的輸入信號(hào)。電壓增益Av=Vout/（Vi2-Vi1），本實(shí)驗(yàn)中，放大10倍。3.2.2 OP07低噪聲高精度運(yùn)算放大器 本設(shè)計(jì)選用OP07放大器組成一個(gè)差分放大電路。OP07作為一種低噪聲非斬波穩(wěn)零的高精度雙極性運(yùn)算放大器，具有極低的輸入失調(diào)電壓，因?yàn)榭梢詿o(wú)需額外的調(diào)零措施。另外，OP07還具有開(kāi)環(huán)增益高以及長(zhǎng)期穩(wěn)定等特點(diǎn)?？梢詮V泛應(yīng)用于精密絕對(duì)值電路、高增益的測(cè)量設(shè)備、比較器

25、以及微弱信號(hào)的精確放大等。 圖3.7 OP07 D-8線圖 圖3.8 OP07 電路圖OP07的特點(diǎn)：3.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊3.3.1 ADC0809的介紹ADC0809是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，它由8路模擬開(kāi)關(guān)、地址鎖存與譯碼器、8位開(kāi)關(guān)樹(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器、比較器以及逐次逼近寄存器、三態(tài)輸出鎖存器、邏輯控制和定時(shí)電路等其它一些電路組成。因此，ADC0809可處理8路模擬量的輸入，并且具有三態(tài)輸出能力，既可以與各種微處理器相連接，又可以單獨(dú)工作。其輸入輸出與TTL兼容。圖3.9 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖模擬輸入部分，ADC0809具有8個(gè)通道的模擬輸入線(

26、IN0-IN7)，可以選通8路模擬開(kāi)關(guān)，允許8路模擬量輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。ALE為地址鎖存信號(hào)，在高電平時(shí)有效。當(dāng)ALE線為高電平的時(shí)候，可以由3位地址輸入ADDA、ADDB、ADDC的不同組合來(lái)選擇地址信號(hào)來(lái)進(jìn)行鎖存。經(jīng)譯碼后，被選中的通道的模擬量進(jìn)入轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。ADDA,ADDB,ADDC均為地址輸入線，用于選通IN0-IN7間的一路模擬量輸入。具體通道的選擇表如圖3.10所示。圖3.10 通道選擇表主體部分，ADC0809采用的是逐次逼近式的A/D轉(zhuǎn)換電路，由CLK控制內(nèi)部電路的工作。START為啟動(dòng)命令，在高電平時(shí)，所有內(nèi)部寄存器清零；在低電平時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

27、并且，在轉(zhuǎn)換期間，START需保持低電平。當(dāng)轉(zhuǎn)換完成時(shí)，輸出信號(hào)EOC變?yōu)楦唠娖?。OE為輸出允許信號(hào)（轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)），高電平有效，用來(lái)打開(kāi)輸出三態(tài)緩沖器,把轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送到數(shù)據(jù)總線上。OE=1時(shí)，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；0E=0時(shí)，輸出數(shù)據(jù)線呈現(xiàn)高阻態(tài)。 3.3.2 ADC0809的工作過(guò)程 首先，當(dāng)模擬量送至某一輸入通道（IN0IM7）后，CPU將標(biāo)識(shí)該通道編碼的三位地址信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)線或地址線分別輸入到ADDA、ADDB、ADDC的引腳上。然后輸入3位地址，并使ALE=1，從而將地址存入地址鎖存器之中。此地址經(jīng)過(guò)譯碼，選通8路模擬輸入其中之一到比較器。START于上升沿，將逐次逼近寄存器復(fù)位，使

28、內(nèi)部所有寄存器清零；START于下降沿時(shí)，啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換，然后EOC輸出信號(hào)變低，用來(lái)指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行中。保持START處于低電平，直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖剑甘続/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)已存入鎖存器，同時(shí)，EO=1這個(gè)信號(hào)可以用作中斷申請(qǐng)。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),OE輸入高電平（即0E=1），可以通過(guò)執(zhí)行IN指令，在輸出允許OE腳上形成一個(gè)正脈沖，使輸出三態(tài)門(mén)打開(kāi)，首先送出地址，然后將轉(zhuǎn)換好的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上，來(lái)供單片機(jī)使用。3.3.3 ADC0809的引腳及其功能圖3.11 ADC0809管腳圖ADC0809芯片共有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖3.11所示。各引腳功能:

29、 IN0IN7： 8路模擬量輸入端；D0D7： 8位數(shù)字量輸出端；ALE： 地址鎖存選通信號(hào)，輸入高電平有效；CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于640KHZ（一般為500kHz）；ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路；VCC：電源，接5V；OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開(kāi)輸出三態(tài)門(mén)，輸出數(shù)字量；START： A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入高電平的時(shí)候有效（即輸入一個(gè)正脈沖，脈沖上升沿使ADC08009復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換）； EOC： A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，轉(zhuǎn)換期間一直為低電平，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)

30、換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平；REF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓輸入端,它們決定了輸入模擬電壓的最大值與最小值.；GND：接地。3.3.4 ADC08089芯片的性能特點(diǎn)單個(gè)+5V電源供電；具有轉(zhuǎn)換起停控制端；不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)；低功耗，約15mV；8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位；微處理器兼容（三態(tài)輸出）。轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s(時(shí)鐘為640kHz時(shí))，130s（時(shí)鐘為500kHz時(shí)）；工作范圍為-40+85攝氏度；模擬輸入電壓范圍為0+5V。3.4 單片機(jī)AT89C513.4.1 AT89C51 簡(jiǎn)介AT89C51是一種低電壓、高性能的CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。本器

31、件采用了ATMEL高密度、非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集以及輸出管腳相兼容，自帶4K字節(jié)可閃爍可擦出可編程只讀存儲(chǔ)器。因?yàn)閷⒍喙δ?位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在了單個(gè)芯片之中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。AT89C51單片機(jī)已為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性較高并且價(jià)格低廉的方案。3.4.2 AT89C51的功能特性概述AT89C51能夠提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4K字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器；32個(gè)I/O口線；128字節(jié)內(nèi)部RAM；兩個(gè)16位定時(shí)器；一個(gè)全雙工串行通信口；片內(nèi)振蕩器；一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷機(jī)構(gòu)；時(shí)鐘電路。與此同時(shí)，AT89C51可降至0Hz進(jìn)行

32、靜態(tài)邏輯操作，并且支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式：掉電方式與空閑方式。掉電方式時(shí)，振蕩器停止工作并且禁止其它所有部件的工作，但保存RAM中的內(nèi)容，直到下一個(gè)硬件復(fù)位；空閑方式時(shí)，停止CPU的工作，但允許計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，串行通信中斷系統(tǒng)以及RAM保持繼續(xù)工作。3.4.3 管腳說(shuō)明管腳圖如圖3.12所示圖3.12 89C51的引腳排列圖管腳介紹：VCC：供電電壓,接+5V電源；GND：接地；P0口：是一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8個(gè)TTL門(mén)電流（TTL電路中流過(guò)的電流，TTL是晶體管-晶體管邏輯電路），即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。當(dāng)P0口的管腳第一次寫(xiě)入1時(shí)，被定義為高阻輸入。在訪問(wèn)外部程

33、序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在FLASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，接收指令字節(jié)；當(dāng)FLASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高（即外接上拉電阻）。P1口：是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL門(mén)電流。P1口管腳寫(xiě)入1時(shí)，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入；P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為低八位地址接收。P2口：是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口的緩沖器可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)P2口被寫(xiě)“1”時(shí)，被內(nèi)部上拉電阻拉到高電平，可以作為輸入。并

34、因此，P2口被外部拉低，將輸出電流； 當(dāng)P2口用于16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或者外部程序存儲(chǔ)器來(lái)存取數(shù)據(jù)時(shí)，P2口用來(lái)輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，P2口利用其內(nèi)部上拉的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)讀寫(xiě)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出它特殊功能寄存器里邊的內(nèi)容。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P2口能夠接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。P3口：是8個(gè)提供內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)P3口寫(xiě)入“1”時(shí)，被內(nèi)部上拉為高電平，并且用作輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P3口能夠接收一些控制信號(hào)。P3口除了做一般的I/O口線外，還具有更重要的第二

35、功能：如表格3.13所示。表3.13 P3口第二功能表XTAL1：內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入以及反向振蕩放大器的輸入。XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。ALE/PROG：在FLASH編程時(shí)，此引腳用來(lái)輸入編程脈沖；在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存所允許的輸出電平用來(lái)鎖存地址的低位字節(jié)。而平時(shí)，ALE端則以不變的頻率輸出正脈沖信號(hào)，并且頻率為振蕩器頻率的1/6。因此，它可以用作定時(shí)或者對(duì)外部輸出的脈沖。值得注意的是：當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，需要跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。另外，該引腳被略微的拉高，因而如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE則禁止，置位無(wú)效。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，需保持RST兩個(gè)機(jī)器周期

36、的高電平狀態(tài)。EA/VPP：外部訪問(wèn)允許。當(dāng)EA保持低電平時(shí)，CPU僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。需注意的是，加密方式1時(shí)， 復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)所存EA端的狀態(tài)；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。在FLASH編程期間，此引腳用于施加+12V的編程允許電源（VPP）。PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。在AT89C51由外部程序存儲(chǔ)器讀取指令時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期輸出兩個(gè)脈沖（兩次PSEN有效）；在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將不出現(xiàn)這兩次有效的/PSEN信號(hào)。3.4.4 AT89C51的主要性能參數(shù)可編程串行通道；低功耗的閑置和掉電模式；4K字

37、節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器；壽命：1000寫(xiě)/擦循環(huán)；數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年；兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；1288位內(nèi)部RAM；32可編程I/O線；全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz；5個(gè)中斷源；3.5 光電隔離控制電路3.5.1 使用光電隔離電路的背景原因 在本設(shè)計(jì)中，由于電路的連接和芯片本身的運(yùn)行會(huì)造成許多不小的誤差，而這些誤差可以影響到數(shù)據(jù)的傳輸，進(jìn)而影響所連接的器件的響應(yīng)，以致影響到最終的結(jié)果。有時(shí)這些瞬變脈沖甚至能傷害到互聯(lián)的設(shè)備。因此，為了克服以上缺陷，本設(shè)計(jì)在控制排氣系統(tǒng)與切斷閥門(mén)這一模塊中采用了光電隔離技術(shù)。3.5.2 光電隔離概述光電隔離電路的作用是指，在電隔離的情況下，以光作為媒介來(lái)傳送信號(hào)

38、，從而能夠?qū)斎牒洼敵鲭娐愤M(jìn)行隔離，因此，光電隔離電路具有有效抑制系統(tǒng)噪聲的功能，并且可以消除接地回路的干擾，有體積小、耐沖擊、壽命長(zhǎng)且響應(yīng)速度快等好處。因而能夠廣泛應(yīng)用于強(qiáng)-弱電接口處，特別是在微機(jī)系統(tǒng)的后向與前向通道中。3.5.3 光電隔離電路工作過(guò)程如圖3.14所示。圖3.14 光電隔離電路（圖中包括兩部分：上半部分，即P2.3口所接電路為光電隔離控制閥門(mén)電路； 下半部分，即P2.2口所接電路為光電隔離控制排氣扇電路。）現(xiàn)以P2.3口所接電路為例，介紹下光電隔離電路的工作過(guò)程：如果，開(kāi)關(guān)量P2.3的輸出為高電平，經(jīng)過(guò)反向驅(qū)動(dòng)器7406之后，變?yōu)榈碗娖?，促使發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，從而激發(fā)對(duì)應(yīng)

39、的光敏三極管導(dǎo)通，然后使晶體管8050導(dǎo)通，D1截止，繼電器導(dǎo)通，因而使繼電器K1的線圈通電，繼電器繞組吸合，從而繼電器的觸點(diǎn)完成規(guī)定動(dòng)作，這樣就使220V電源接通，從而關(guān)閉閥門(mén)。反之，P2.3輸出的是低電平的話，經(jīng)反相器反向變?yōu)楦唠娖?，發(fā)光二級(jí)管不導(dǎo)通，繼電器K1處于釋放狀態(tài)，開(kāi)關(guān)保持?jǐn)嚅_(kāi)，閥門(mén)維持原狀。圖中電阻R12，R14均為限流電阻。二極管D1、D2的作用是保護(hù)晶體管8050，具體過(guò)程為：繼電器K吸合，此時(shí)二極管D截止，電路正常工作。繼電器釋放電流的時(shí)候，因繼電器線圈存在著電感，而此時(shí)晶體管D已經(jīng)截止了，因而會(huì)在線圈的兩端產(chǎn)生一個(gè)較高的上負(fù)下正的感應(yīng)電壓，而正端就連接在晶體管的集電極上

40、。該感應(yīng)電壓與VCC的和有時(shí)有可能過(guò)大，若比晶體管8050的集電極反向電壓大，那么，晶體管就有可能損壞。但加入一個(gè)二極管D后，繼電器線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流就可以通過(guò)二極管D流出了，因而二極管D能起到保護(hù)晶體管8050的作用。排氣扇裝置電路與切斷閥控制電路相類似，只是把切斷閥換成排氣扇就可以了，原理基本相似。電路圖即為圖3.14下半部分所示，由P2.2接出。3.5.4 光電耦合器光電耦合器也稱光耦合器，多用于開(kāi)關(guān)控制電路中。光電隔離器的工作原理與光電隔離電路相同，都是以光為媒介傳輸電信號(hào)，從而達(dá)到對(duì)輸入、輸出信號(hào)的隔離作用。 光電耦合器包括兩部分：發(fā)光源以及受光器。具體的構(gòu)造就是把發(fā)光源與受光器組裝

41、到同一個(gè)密閉的殼體內(nèi)，殼內(nèi)用透明絕緣體隔離。其中，發(fā)光源的引腳作為輸入端，而受光器的引腳作為輸出端。如圖3.15所示。 圖3.15 光電耦合器結(jié)構(gòu) （4腳封裝） 光電耦合器的分類：按通道： 單通道、雙通道以及多通道光電耦合器；按光路徑： 內(nèi)光路光電耦合器、外光路光電耦合器；按封裝形式：同軸型、扁平封裝型、雙列直插型、貼片封裝型、TO封裝型、光纖傳輸型；按傳輸信號(hào)：線性光電耦合器、數(shù)字型光電耦合器；按速度： 高速光電耦合器、低速光電耦合器；按工作電壓：高電源電壓型光電耦合器、低電源電壓型光電耦合器；輸出形式： NPN三極管輸出型、光敏器件輸出型、功率輸出型、達(dá)林頓三極管輸出型、邏輯門(mén)電路輸出型、

42、光開(kāi)關(guān)輸出型、低導(dǎo)通輸出型；按隔離特性：高壓隔離光電耦合器、普通隔離光電耦合器。3.5.5 繼電器概述作為光電隔離最重要的部分之一，繼電器起到了自動(dòng)化控制的作用。本設(shè)計(jì)采用的是12V的電磁繼電器。繼電器是一種電控制器件。其具有控制系統(tǒng)（也稱輸入回路）與被控制系統(tǒng)（也稱輸出回路）之間的一種互動(dòng)關(guān)系。通常繼電器應(yīng)用到自動(dòng)化的控制電路之中。繼電器實(shí)際上是一種能夠利用弱電流、低電壓電路去控制強(qiáng)電流、高電壓電路運(yùn)作的“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”。因而，它在電路中常常起著轉(zhuǎn)換電路、保護(hù)電路或器件安全以及自動(dòng)調(diào)節(jié)等作用。繼電器結(jié)構(gòu)圖如圖3.16所示。圖3.16 繼電器結(jié)構(gòu)圖繼電器的工作原理：當(dāng)在繼電器線圈兩端加上一定的電壓

43、時(shí)，線圈中會(huì)流過(guò)一定的電流，進(jìn)而產(chǎn)生電磁效應(yīng)。此時(shí)，銜鐵會(huì)在電磁力的吸引作用下克服掉返回彈簧的拉力，被吸向鐵芯，因而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)吸合（即如圖上的3點(diǎn)與5點(diǎn)吸合）。線圈斷電時(shí)，電磁吸力隨之消失，銜鐵則在彈簧的反作用力的作用下返回到原來(lái)的位置，從而使得動(dòng)觸點(diǎn)跟原來(lái)的靜觸點(diǎn)釋放。如此反復(fù)，便可以實(shí)現(xiàn)控制電路的導(dǎo)通或者切斷的目標(biāo)。繼電器的分類：光繼電器： 是一種AD/DC并用的半導(dǎo)體式的繼電器的，發(fā)光器與受光器一體化的器件。信號(hào)是通過(guò)光信號(hào)傳輸?shù)?，但是輸入?cè)與輸出側(cè)電氣性絕緣。優(yōu)點(diǎn)是微小電流驅(qū)動(dòng)信號(hào)、無(wú)接點(diǎn)、壽命半永久性、光傳輸、超小型；固態(tài)繼電器：是一種2個(gè)接線端輸入，另2個(gè)接線端輸出的

44、四端口器件。中間部分采用隔離器實(shí)現(xiàn)輸入與輸出隔離的。電磁繼電器：是一種由線圈、鐵芯、觸點(diǎn)簧片、銜鐵等組成的繼電器。通過(guò)在線圈的兩端加上電壓，是線圈充電，進(jìn)而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，因而銜鐵可以再電磁力的作用下吸合鐵芯，最后帶動(dòng)觸點(diǎn)吸合。其優(yōu)點(diǎn)是可以遠(yuǎn)距離控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，利用低電壓來(lái)控制高電壓；熱敏干簧繼電器：是一種通過(guò)用熱敏磁性材料來(lái)檢測(cè)并且控制溫度的新型熱敏開(kāi)關(guān)。熱敏干簧繼電器并不使用線圈勵(lì)磁，而是通過(guò)感溫磁環(huán)的溫控特性決定是否產(chǎn)生恒磁環(huán)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)控制開(kāi)關(guān)。時(shí)間繼電器：是一種通過(guò)利用機(jī)械原理或者電磁原理來(lái)實(shí)現(xiàn)延時(shí)控制的控制電器。本設(shè)計(jì)中采用的就是電磁繼電器。因其具有可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，響應(yīng)速度較快，

45、受外界干擾小，價(jià)格低廉，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。3.6 聲光報(bào)警單元聲光報(bào)警，又稱聲光警號(hào)，是一種通過(guò)聲音與各種光來(lái)向人們發(fā)送出警示信號(hào)的 報(bào)警信號(hào)裝置。作為一個(gè)合格的煤氣報(bào)警器，自然要起到報(bào)警作用，而聲光報(bào)警則是一種既安全又明顯的報(bào)警方式。在這里，本設(shè)計(jì)選擇了一種比較簡(jiǎn)單的聲光報(bào)警方式，如圖3.17所示。圖3.17 聲光報(bào)警電路 本設(shè)計(jì)選擇了2個(gè)報(bào)警燈，分別是黃色以及紅色。當(dāng)空氣中沒(méi)有較高濃度的CO溢出到空氣中時(shí)，即空氣中的CO含量未超過(guò)最低限制值時(shí)，兩盞燈均不亮，表示空氣環(huán)境正常，沒(méi)有發(fā)生煤氣泄漏；當(dāng)發(fā)生煤氣泄漏時(shí)，經(jīng)過(guò)信號(hào)的采集與處理后，得到報(bào)警信號(hào)，此時(shí)黃燈與紅燈交替閃亮，并且，單片機(jī)輸出低

46、電平，使三極管8550導(dǎo)通，從而激發(fā)蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警。第4章 軟件設(shè)計(jì)4.1 軟件設(shè)計(jì)總流程圖開(kāi)始程序初始化啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，采集數(shù)據(jù)數(shù)字濾波判斷是否超過(guò)報(bào)警值進(jìn)入報(bào)警處理子程序數(shù)據(jù)處理YN圖4.1 主程序設(shè)計(jì)流程圖 如圖4.1所示，傳感器檢測(cè)到CO氣體濃度并以電壓信號(hào)的形式傳送到ADC0809來(lái)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。ADC0809將轉(zhuǎn)換好的數(shù)字信號(hào)傳送給單片機(jī)AT89C51進(jìn)行數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理，然后將該數(shù)據(jù)與預(yù)定的報(bào)警值相比較，判斷是否報(bào)警。最后，若需要進(jìn)行報(bào)警，則進(jìn)入報(bào)警子程序，啟動(dòng)報(bào)警器；若無(wú)需報(bào)警，則輸出信號(hào)使ADC0809初始化，重復(fù)上述工作，繼續(xù)檢測(cè)。4.2 數(shù)據(jù)處理4.2.1 傳感器的非

47、線性信號(hào)的處理在人們使用傳感器時(shí)，希望傳感器的輸出量與其所測(cè)量的輸入量能夠呈現(xiàn)線性關(guān)系，但是，由于傳感器的測(cè)量誤差與內(nèi)部因素等各種干擾因素的存在，在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)，傳感器的輸入-輸出特性常常并不是嚴(yán)格的直線關(guān)系。本設(shè)計(jì)中是通過(guò)傳感器與采集電路變換的而測(cè)得的電壓信號(hào)，而為了能夠更為真實(shí)的反應(yīng)出CO濃度值，我選用了分段插值法來(lái)反應(yīng)CO濃度與輸出電壓之間的關(guān)系。如下圖4.2所示，傳感器電阻隨CO濃度的升高而減小，進(jìn)而傳感器電阻Rs分壓變小，RL負(fù)載上的輸出電壓變大。本設(shè)計(jì)選用的負(fù)載電阻大小為2.5K，分區(qū)間線性化對(duì)應(yīng)直線的關(guān)系，用X表示氣體濃度值，Y表示輸出電壓值：1.濃度范圍：8，40） Y=1.

48、4+0.00097X 電壓范圍：1.40776 , 1.4388）2.濃度范圍：40,80） Y=2.64+0.00065X 電壓范圍：2.666 ， 2.692）3.濃度范圍：80,240） Y=3.3+0.00076X 電壓范圍：3.3608 ， 3.4824）4.濃度范圍：240,400） Y=4.1+0.00025X 電壓范圍：4.16 ， 4.2）5.濃度范圍：400,800） Y=4.3+0.00027X 電壓范圍：4.408 ， 4.516）圖4.2 輸出電壓與氣體濃度的對(duì)應(yīng)曲線4.2.4 數(shù)據(jù)處理步驟開(kāi)始確定某些區(qū)間對(duì)應(yīng)的線性函數(shù)讀取電壓值Y確定Y所在電壓區(qū)間把電壓值Y帶入相應(yīng)

49、的區(qū)間函數(shù)，求出對(duì)應(yīng)的濃度值與門(mén)值電壓比較圖4.3 數(shù)據(jù)處理流程圖 如圖4.3所示，首先，根據(jù)傳感器測(cè)得的電壓信號(hào)，確定該電壓所在區(qū)間，找到電壓與氣體濃度相對(duì)應(yīng)的比例關(guān)系，然后讀取電壓值，并將該電壓值代入到區(qū)間內(nèi)的比例關(guān)系式中，計(jì)算得出相應(yīng)的濃度值，與預(yù)定的門(mén)值進(jìn)行比較，以此判斷是否進(jìn)行報(bào)警。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求75ppm時(shí)在60180分鐘內(nèi)報(bào)警，國(guó)內(nèi)要求超過(guò)150ppm時(shí)報(bào)警，由于CO氣體對(duì)人體影響很大，而本設(shè)計(jì)主要為了實(shí)現(xiàn)及時(shí)報(bào)警與控制的目的，并且考慮到傳感器的測(cè)量范圍，決定在CO濃度達(dá)到80ppm時(shí)進(jìn)行報(bào)警，即門(mén)值電壓設(shè)定為3.3608V。4.3 A/D轉(zhuǎn)換控制設(shè)計(jì)流程 如圖4.4所示。開(kāi)始啟動(dòng)

50、A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生中斷，讀取數(shù)據(jù)判斷一次A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束結(jié)束NY圖4.4 A/D轉(zhuǎn)換控制程序流程圖如圖，當(dāng)模擬量送至ADC0809輸入通道IN0以后，通過(guò)單片機(jī)控制，ALE置1，地址被所存在地址鎖存器中。START獲得一個(gè)脈沖，上升沿時(shí)使寄存器復(fù)位，下降沿時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。此時(shí)，EOC輸出低電平，表示ADC0809正在轉(zhuǎn)換。START與EOC均保持低電平，直至ADC0809完成轉(zhuǎn)換。然后進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換是否完成判斷，若完成，EOC輸出高電平，作為中斷請(qǐng)求信號(hào)，通過(guò)反相器，傳送到AT89C51的INT0端。最后，由單片機(jī)使ADC0809的OE端輸入高電平，打開(kāi)三態(tài)門(mén)，將轉(zhuǎn)換好的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)

51、總線上；若未完成，則在進(jìn)行判斷后繼續(xù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。4.4 光電隔離電路程序設(shè)計(jì)流程圖開(kāi)始讀取氣體濃度值是否大于報(bào)警值返回監(jiān)控狀態(tài)開(kāi)啟排氣扇、關(guān)閉閥門(mén)YN圖4.5 光電隔離電路程序設(shè)計(jì)流程圖4.5 報(bào)警電路的控制程序設(shè)計(jì)流程圖 報(bào)警電路的控制程序設(shè)計(jì)流程如圖4.6所示。圖4.6 報(bào)警子程序流程圖讀取可燃?xì)怏w的濃度值之后，與門(mén)值比較，判斷其值是否大于預(yù)定的報(bào)警值。若超過(guò)，則啟動(dòng)報(bào)警裝置；若沒(méi)超過(guò)，則返回監(jiān)控狀態(tài)。4.6 設(shè)計(jì)結(jié)果4.6.1 仿真效果展示本設(shè)計(jì)使用protues軟件進(jìn)行仿真，由于protues中缺少閥門(mén)與排氣扇的模擬器件，在此，使用了兩盞綠色的LED等來(lái)代替。不報(bào)警時(shí)，兩盞指示燈均

52、不亮；報(bào)警時(shí)，兩盞指示燈同時(shí)亮，表示閥門(mén)與排氣扇的控制同時(shí)啟動(dòng)。另有兩盞LED燈（黃色與紅色）用作聲光報(bào)警裝置，當(dāng)報(bào)警時(shí)，黃、紅亮燈交替閃亮，進(jìn)行報(bào)警指示。不報(bào)警時(shí)，LED燈不亮。圖4.7 CO濃度未超標(biāo)，不進(jìn)行報(bào)警，4盞燈均不亮圖4.8 發(fā)生報(bào)警時(shí)，黃燈閃亮，代表閥門(mén)與排氣扇的綠燈均亮圖4.9 發(fā)生報(bào)警時(shí)，紅燈閃亮，代表閥門(mén)與排氣扇的綠燈均亮4.6.2 實(shí)物效果展示本設(shè)計(jì)考慮到在家庭中固定地點(diǎn)的應(yīng)用，在發(fā)生煤氣泄漏時(shí)，煤氣報(bào)警器第一時(shí)間做出報(bào)警反應(yīng)，以方便人們進(jìn)行切斷煤氣源、撤離現(xiàn)場(chǎng)等一系列措施，CO濃度的顯示顯然只是增加成本而沒(méi)有起到實(shí)質(zhì)作用。因而，本設(shè)計(jì)并未使用LCD顯示系統(tǒng)，而是使用了

53、LED燈來(lái)發(fā)送報(bào)警信號(hào)。報(bào)警時(shí)，紅、黃兩燈交替閃亮，效果簡(jiǎn)單明了，如下圖所示。聲光報(bào)警展示：圖4.7 CO氣體濃度未超標(biāo)時(shí)，紅、黃報(bào)警指示等均不亮 圖4.8 CO氣體超標(biāo)時(shí)黃色報(bào)警燈閃亮 圖4.9 CO氣體超標(biāo)時(shí)，紅色報(bào)警燈閃亮圖4.10 報(bào)警整體效果圖總結(jié) 作為保護(hù)人們?nèi)粘Ｊ褂妹簹獍踩膱?bào)警設(shè)施，煤氣報(bào)警器已然成為了大多數(shù)家庭不可缺少的家用報(bào)警裝置。市場(chǎng)上的煤氣報(bào)警器種類繁多，原理功能各式各樣，可謂“爭(zhēng)奇斗艷”。本設(shè)計(jì)采用了基于單片機(jī)的煤氣報(bào)警設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、信號(hào)分析與處理技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)煤氣報(bào)警器自動(dòng)采集、分析數(shù)據(jù)并在CO氣體濃度超標(biāo)時(shí)自動(dòng)關(guān)閉閥門(mén)、開(kāi)啟排風(fēng)扇，同時(shí)觸發(fā)聲光報(bào)警的功能。本設(shè)計(jì)可以得到以下幾個(gè)方面的結(jié)論：1. 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面： 以單片機(jī)89C51為核心，配合ADC0809實(shí)現(xiàn)了煤氣檢測(cè)的數(shù)字化。傳感器部分采用半導(dǎo)體式CO傳感器，具有靈敏度高，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。通過(guò)溫度補(bǔ)償電路與放大電路，使輸出的電壓信號(hào)更加準(zhǔn)確。經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換電路，完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過(guò)單片機(jī)在光電隔離電路的保護(hù)下，實(shí)現(xiàn)了排氣扇與閥門(mén)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作、聲光報(bào)警控制等功能。2. 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面： 由于傳感器自身的限制以及周圍環(huán)境的影響，導(dǎo)致傳感器的輸