基于单片机控制的一氧化碳报警器的毕业设计论文.doc

引 言.3 1 绪 论.4 1.1 课题背景.4 1.2 一氧化碳报警器的概述.5 1.3 课题研究的目的及意义.5 1.4 系统设计主要任务.6 2 2 方案设计方案设计.6 2.1 设计要求.6 2.2 初始方案.7 2.2.1 系统方案的选择8 2.2.2 系统方案的确定10 2.3 系统组成.10 2.3.1 一氧化碳报警器系统的三大部分11 2.3.2 系统各个模块功能说明12 2.3.3 系统功能扩展13 3 硬件电路设计.13 3.1 设计使用的基本知识介绍.13 3.2 芯片介绍4及相关电路模块设计14 3.2.1 主控电路原理14 3.2.2 电源电路18 3.2.3 传感器的选择及电路20 3.2.4 事故处理电路的设计23 3.2.5 显示电路的设计25 3.2.6 计算机串口通信的技术与其标准.28 3.3 设计的硬件电路34 4 软件部分.35 4.1 单片机编程.35 4.1.1 软件部分设计的功能35 4.1.2 程序框图和主要程序介绍36 4.2 上位机（PC 机）编程38 4.2.1 VB 下串行通信的方法.38 4.2.2 串行通信的控件 MSComm 及其使用方法.38 5 系统制作及调试.40 5.1 系统 PCB 板的设计40 5.1.1 确定 PCB 的大小40 5.1.2 布局40 5.1.3 布线40 5.2 硬件调试.41 5.2.1 检测元器件41 5.2.2 检测各个引脚信号41 5.3 软件调试.41 6 结论.42 谢 辞.43 参考文献.44 附录 145 附录 252 附录 355 附录 456 附录 557 引 言 当今，单片微型计算机技术迅猛发展，由单片机技术开发的智能化测控设备和产 品广泛应用到各个领域，单片机技术产品和设备促进了生产技术水平的提高。而此次 的气体浓度检测系统正是单片机应用系统中的一种。单片机应用系统由硬件和软件组 成。硬件是指单片机扩展的存储器、输入/出设备以及各种实现单片机系统控制要求的 接口电路和有关的外围电路芯片或部件；软件是指单片机应用系统实现其特定控制功 能的各种工作程序和管理程序。只有系统硬件和软件紧密配合、协调一致，才可能组 成高性能的单片机应用系统。在单片机应用系统开发的过程中，应不断调整软、硬件， 协调地进行软、硬件设计，以提高工作效率。单片机应用系统的开发过程一般包括系 统的总体设计、硬件设计、软件设计和系统调试几个阶段。这几个系统开发阶段并不 是相互独立、各自进行的，而应根据开发的实际需要，相互协调、交叉，有机的进行。 实现气体浓度检测离不开高性能的气体传感器。从广义上讲，传感器就是能感受 外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置。狭义上讲，传感器就是 能将外界信息转换成电信号的装置。随着新技术和自动化的发展，传感器的使用数量 越来越大，一切现代化仪器、设备几乎都离不开传感器2。在工业生产中，尤其是自 动化生产过程中，用各种传感器来检测和控制生产过程中的各个参数，如温度、压力、 流量、PH 值等，以便使设备工作在最佳状态，产品达到最好的质量。此次设计中所利 用到的气体传感器就是要测量一氧化碳气体浓度的动态信号，并且利用数模转换芯片 将浓度值转换为数字值，实现整个系统的检测与事故处理功能，实现智能控制。 本文的一氧化碳报警器就是单片机应用系统的一种典型应用，要求能够检测一氧 化碳气体浓度，并且在气体浓度超过给定值时能采取相关措施。由于一氧化碳中毒是 家庭小区以及矿工企业常见事故，给人们生命财产安全带来了极大的危害。为了能减 少事故的发生，提醒人们注意，迫切需要一氧化碳报警设备。 随着电子技术与计算机技术的发展，面对各种检测对象和大量的测试点，需要利 用数据采集系统将多路被测量值转换成数字量，再经过单片机或微型计算机进行数据 处理，实现实时测控。而此时采用单片机来实现一氧化碳报警不仅具有采集控制方便、 简单、灵活等优点，而且可以大幅度提高采集点的技术指标，从而大大提高系统的可 利用性。此次三路巡回检测系统正是把 ADC0809 与 8051 单片机有机的结合起来，实现 了三通道数据采集系统，也符合了本设计的要求。本人在此次设计中主要担任了系统 的硬件电路图的设计、硬件的焊接和调试、软件的设计、以及各个芯片资料查找与整 理等工作。设计中超出了任务书所给的任务，提出了本一氧化碳报警器在网络中的应 用方案。 1 绪 论 1.1 课题背景 随着国家经济的提高，现代化、智能化的多功能建筑越来越多，对建筑的防火安 全设计要求也愈来愈高。近年来，全国燃气行业发展迅猛，液化气、天然气、煤制气 等城市燃气作为清洁能源已在工商业和城镇居民用户中得到广泛应用，特别是随着 “西气东输”工程的快速进展，燃气行业发展潜力巨大。以“西气东输”工程为开端 的大规模天然气利用工程的实施，意味我国城市燃气将大踏步地进入“天然气时代” 。 我国天然气市场将迎来一个千载难逢的机会，城市燃气需求的主要增长点将体现在天 然气上。2000年党中央国务院提出“西部大开发”的重大战略部署，特别是2002年 “西气东输”第一期工程正式开工，这无疑为发展西部地区的燃气产业带来历史性的 机遇。西气东输工程，在西部优势资源和东部广阔市场之间架起了一座“金桥” ，西气 东输工程投入使用后，每年供应长三角地区100亿立方米天然气。城市燃气的普及与应 用无疑对改善城市的环境质量和提高居民的生活质量发挥了巨大的作用。但是随着燃 气的广泛应用，由于燃气泄漏所引发的爆炸、中毒和火灾事故也时有发生，这在某种 程度上增加了城市的不安全和不稳定因素。为了使燃气更好地造福于民，造福于社会， 减少并杜绝各种因燃气泄漏而引发的爆炸及火灾事故，各燃气使用单位及居民用户选 择一种适合的燃气报警器实为必要之举。 “报警早，损失少” ，进一步说明了及时报警的重要性，在家庭里面也是如此，一 旦发生火灾，提早报警，可以及时将火扑灭，以免小火酿成大灾。目前常用的有感烟、 感温和可燃气体火灾报警器。像家庭中在使用煤气、液化石油气和天然气等燃料时， 安装一个可燃气体报警器，当出现漏气或着火时，报警器能够立即鸣笛报警，告之主 人及时采取措施。 日本早在 1980 年 1 月开始实行安装城市煤气、液化石油气报警器的法规，1986 年 5 月日本通产省又实施了安全器具普及促进基本方针。美国目前已有 7 个州 11 个城 市通过立法，规定家庭、公寓等都要安装一氧化碳报警器。随着城市燃气化的扩大， 我国已有北京市、辽宁省、黑龙江省、山西省、哈尔滨市、青岛市、大连等省市相继 发布燃气安全管理文件，做到政府立法和百姓自身提高安全保护意识有机结合。 一氧化碳（CO）为无色、无味、无臭、无刺激气体，比重 0.967，几乎不溶于水， 不易被活性炭吸附。当碳物质燃烧不完全时，可产生 CO，如人体短时间内吸入较高浓 度的 CO，或浓度虽低，但吸时间较长，均可造成急性中毒。CO 主要来自取暖燃料的燃 烧，CO 对人体的损害主要表现在损害血液输送氧气的能力，CO 与血红蛋白结合能力超 过氧和血红蛋白的结合能力的 200-300 倍，当 CO 与血红蛋白结合形成的碳氧血红蛋 白含量达到 5%时，就会对人体产生慢性损害，达到 60%时就会昏迷，达到 90%就会死亡 15。 由于发生一氧化碳中毒事件的普遍性和隐蔽性，迫切需要一种能够很好的监控室 内一氧化碳浓度的仪器，并且在一氧化碳浓度过高时能够采取相关措施防止火灾的发 生，保护人们的生命财产安全。 本文正是通过分析目前燃气报警器的现状，设计制作一氧化碳报警器，保障人们 的生命财产安全。 1.2 一氧化碳报警器的概述 首先我们应对国家标准规定的燃气报警器的种类有所了解。燃气报警器可分为可 燃气体检漏仪（简称“检漏仪” ）,可燃气体报警控制器（简称“控制器” ） 、可燃气体 探测器（简称“探测器” ） 、家用可燃气体报警器（简称“报警器” ）四大系列产品。报 警器为居民家庭用的燃气报警器,一般安装在厨房，遇燃气泄漏时，报警器可发出声光 报警，或同时伴有数字显示，同时联动外部设备。有的报警器可自动开启排风扇，把 燃气排出室外。有的报警器在报警时可自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏。 燃气报警器的核心是气体传感器，俗称“电子鼻”。当气体传感器遇到燃气时， 传感器电阻随燃气浓度而变化，随之产生电信号，供燃气报警器后级线路处理。经过 电子线路处理变成浓度成比例变化的电压信号，由线性电路加以补偿，使信号线性化， 经微机处理、逻辑分析，输出各种控制信号，即当燃气浓度达到报警设定值时，燃气 报警器发出声光报警信号并可显示燃气浓度或启动外部联运设备（如排风扇、电磁阀） 。 选择一款优质的燃气报警器，首先要选择质量过关的传感器。质量不过关的传感 器，一般 16 个月性能就下降，因而失去报警器的安全性，出现不报警或误报警现象， 而一种好的传感器可连续使用十几年，特性也不会有什么变化。但是，报警器中的其 它电子元件的寿命都是有限，先进国家也规定燃气报警器的有效期最多为五年。 报警器都存在着检测误差，只要当着误差降低在 5%以内这个报警器才符合使用要 求。这就要求了一氧化碳传感器性能必须符合这个条件，高精度的传感器是系统的灵 魂。气体传感器受湿度、温度的影响较大，在条件需要的时候应该采用温度、湿度补 偿来提高测量精度。 1.3 课题研究的目的及意义 设计出性能更加可靠，经济实惠的程控一氧化碳报警器。 目前，现有一氧化碳检测仪器主要是面对工矿企业或公共场所的检测，价格高昂， 对家庭也是不适应的。因此，本次设计所面对的是广大居民，其优点在于： （1）成本低廉并能对一氧化碳准确报警。 （2）该产品无需专业人员操作，只要放在合适位置，通电即可，连续使用、方便 简捷。 （3）能起到预防一氧化碳中毒的效果，使人们高枕无忧。该产品必须能够有效预 防广大农村居民的冬季燃煤取暖一氧化碳中毒事件的发生，同时也能够给城镇居民安 全使用天然气提供有力的保障。 1.4 系统设计主要任务 本文利用单片机电路制作程控一氧化碳报警器。设计过程中最关键的两个部分： 系统硬件的设计和控制软件的编写。这也是在设计过程中需要解决的最关键的问题。 （1）硬件问题 程控一氧化碳报警器的硬件主要有3大部分，即浓度检测及显示模块、主控模块和 报警及事故处理模块。浓度检测模块主要由燃气传感器组成，它是整个系统中最关键 的元件。主控模块由单片机及其相关软件组成，由程序对单片机进行控制。事故处理 模块主要由蜂鸣器和排气扇等组成，这个模块是对燃气浓度过高的时候进行紧急处理。 硬件的设计需要单片机、模电及其数电的相关知识。在解决这一问题的过程中，需要 查阅大量资料，结合所学知识，向老师获取帮助。 （2）软件问题 它的软件设计主要包括主程序和中断处理两大部分：主程序要完成IO口，定时 器的初始化及对中断输入的设定，然后延时使传感器进入稳定工作状态，等待定时器 的中断；中断处理程序根据具体情况需要有相应的子程序。要对程序进行多次调试， 分块编程。对各个子程序块所解决的问题要相当明确。最后在制作完成硬件电路板后 要调试出设计要求的功能。 2 2 方案设计方案设计 设计就是根据题目的要求而对硬件和软件进行规划，并选择最合适的硬件电路和 软件程序来达到目的。 硬件设计是通过对设计要求的分析，对各种元器件的了解，而得出分立元件与集 成块的某些连接方法，以达到设计的功能要求。并且把这些元器件焊接在一块电路板 上。它包括对各种元器件的功能和接法的了解，以及对各种元器件的选择和设计方案 的选择。软件设计是分析设计的硬件用程序实现其功能，并且调试优化产品功能。 2.1 设计要求 设计的报警器应实现如下功能：报警器需在一氧化碳浓度达到 100ppm 时系统应启 动报警，2min 报警无效后系统应启动排风扇进行通风排气、关闭电磁阀切断气源；系 统进入正常工作状态后,先启动排风扇进行通风,然后启动电磁阀供给煤气。 具体要实现如下功能： （1）系统要求设置正常工作状态，除正常工作状态外，电磁阀要求处于关闭状态， 以切断煤气通道，防止煤气外泄。 （2）在非正常工作状态下，当室内一氧化碳的浓度达到100ppm 时系统应启动音 乐报警，若2min 报警无效，系统应启动排风扇进行通风排气、关闭电磁阀切断气源。 （3）系统进入正常工作状态后，先启动排风扇进行通风，然后启动电磁阀供给煤 气。 2.2 初始方案 本设计拟按以下思路展开研究： （1）根据该设计要实现的基本功能，设计大致应该分为信号接收，信号处理，信 号控制和信号响应四个部分。 信号采集接收部分即通过一氧化碳传感器检测房间气体浓度，并将这种变化量 转化成电压或电流等模拟量的变化。 信号处理部分是将接收部分得到的电压或电流等变化进行必要的放大，为后一 部分信号控制提供准备。 信号控制部分是通过一预定控制方式等实现对设计要求的准确操作。 信号响应是通过事故处理部分和显示部分实现控制部分的要求。 （2）对上述四个部分进行分析，得到如下一些基本的结论： 信号接收部分为了能准确采集到气体浓度的变化应选用传感器敏感器件，为使 其实有效的检测房间中气体浓度，必须选用高温一氧化碳传感器。 信号处理部分应该根据实际情况选用电荷放大，或比较器等装置，这部分电路 将包含在传感器接口电路中。 控制部分为了实现精确控制，采用单片机较为合适。 信号响应可以考虑采用排风扇调节房间中一氧化碳气体浓度，并且需要对电磁 阀进行控制，实现一氧化碳气体的排出量。 在实现控制功能的单片机与响应过程的 LED 显示管之间应该有接口电路以实现 驱动功能。 根据对上面设计系统的分析，我们得到该设计思想框图如下图 2.1 所示： 图 2.1 设计思想框图 将上述设计思想结合设计要求总结为：程控一氧化碳报警器采用三路巡回检测的 方法，通过高温一氧化碳气体传感器检测房间气体浓度，检测结果经过高精度运放器 放大后送入 ADC0809 模/数芯片中进行模数转换；利用单片机进行控制，控制声音报 警以及控制电磁阀和排风扇，并且将气体传感器检测到的浓度值在 LED 数码显示管上 显示出来。 2.2.1 系统方案的选择 鉴于此系统所要实现的功能，提出方案进行分析。 方案一：方案一：采用单个传感器检测房间气体浓度，将检测的到浓度结果通过运算放大 器放大后送入模/数芯片中进行模数转换，利用 MCS51 单片机控制声音报警以及控 制电磁阀和排风扇，并且将气体传感器检测到的浓度值在 LED 数码显示管上显示出来。 分析：此设计虽然简单，但是存在着严重的问题。采用单个传感器检测房间气体 浓度是不合适的。气体传感器所测量的值经常会发生变化。在一段短时间内可能很稳 定，而在一段较长时间内则可能有缓慢起伏，或呈周期性的脉动变化，甚至出现突变 的尖峰。气体传感器主要通过两个基本特性-静态特性和动态特性来反映传感器的这 种变动性。 静态特性通常反映在灵敏度上。所谓的灵敏度，是指在静态工作条件下，其单位 输入所产生的输出，用 S 表示。 （2-1） 动态特性是气体传感器的特有问题，反映气体传感器对随时间变化的输入响应特 性。动态特性好的气体传感器，其输出特性曲线随时间变化很小。动态特性的输入与 输出关系不是一个常数，而是时间的函数，随时间的变化而变化，因此常用“传递函数 “表征。 （2-2） 由此可见，气体传感器的输入和输出关系并非简单的线性或曲线关系，要对气体 传感器建立一个准确的温度修正数学模型是很困难的。通常应用时，都忽略气体传感 器的动态特性，根据其静态温度响应灵敏度，采取一定的措施对其进行补偿。如通过 温度传感器测出环境的温度，对气体传感器的输出特性曲线进行修正；或者直接对传 感器进行硬件补偿。气体传感器特性总是会受到环境温度、湿度的影响而变化，气体 0 lim x ydy S xdx 报警器要能够有效实现对环境气氛的监控，有效避免误报、漏报，提高测量的准确性， 必须对气体传感器进行有效的温、湿度补偿和修正。由于本次课题要求检测一氧化碳 浓度超过 100ppm 时报警提示，而气体传感器在测量气体浓度大于 60ppm 时，环境湿度 的变化对一氧化碳传感器特性的影响较小，故忽略对传感器湿度修正。那么主要考虑 如何有效实现传感器的温度补偿。传统补偿方式一般有硬件补偿和软件补偿两种。所 谓硬件补偿是指直接使用温度传感器在电路中对气体传感器进行补偿，这种方式虽然 简单，但只有在温度传感器和气体传感器的温度特性一致时，才能很好地补偿；很难 实现宽范围的气体传感器和温度传感器的特性匹配。软件补偿方式通过传感器的温度 特性曲线拟合进行算法补偿，这种方式是以一定的特性曲线作为基础，对不同的工作 环境和不同传感器的温度特性，用算法处理和查表修正以得到不同的补偿效果。该方 式较为复杂，对特性离散的传感器，拟合效果差。为了解决这个问题，提出采用双传 感器补偿方式，具体来说就是选用两个特性一致（实际上只能做到非常接近）的气体 传感器来实现补偿，把其中一个气体传感器 A 密封代替温度传感器，对另一气体传感 器 B 进行补偿。这样的补偿方式，不仅能较好地拟合气体传感器的静态温度特性，而 且对传感器的动态温度响应也能同步实现补偿12。 由于本设计方案传感器测量精度不高，所以不予采纳。 方案二：方案二：采用双传感器，采用相互补偿的方法检测房间气体浓度，将检测的到浓 度结果通过运算放大器放大后送入模/数芯片中进行模数转换，利用 MCS51 单片机 控制声音报警以及控制电磁阀和排风扇，并且将气体传感器检测到的浓度值在 LED 数 码显示管上显示出来。 分析：此设计方法虽然解决了传感器检测气体浓度时温度和湿度对测量值的影响， 但是，在实际制作的过程中，需要利用的核心控制芯片必须最少具有 4 路 8 位 A/D 口， 气体和温度敏感信号直接由 A/D 口采集后，进行一定的算法修正和软件补偿。由于此 次课题要求采用三路巡回检测，如果采用本方案那么就需要 6 个特性相同的一氧化碳 气体传感器（3 个密封检测气体浓度，另外 3 个做补偿），为了达到更好的温度修正效 果，往往需要传感器厂家的配合，在生产时对传感器进行成对生产，以保证传感器特 性的一致性。并且主控制芯片采用常规的 ADC0809 和单片机并不支持，且制作硬件极 其复杂，系统整体设计体积过大、功耗高、成本太高。单单采用此种方法并不能更好 的提高测量性能，还需要加以软件补偿。所以不采用方案二。现今传感器技术的飞速 发展，设计出了性能更佳，使用范围更广的气体传感器。通过搜集信息，提出本次设 计采用 TP-2 型高温一氧化碳传感器。特将此传感器介绍如下： (1)特点：TP-2 高温型一氧化碳传感器由 SnO2多晶体及适当添加混合剂烧结 而成。具有微珠式结构，电导振荡响应，极好的选择性和良好的环境适应 能力，应用电路简单，本质安全等特点。用它做成的报警器完全可以达到 UL2034 标准，不需温、湿度补偿。 (2)工作条件：工作电压：3.5V6.5V 静态功耗：15mW 环境条件：温度-10+50,相对湿度95% 初期稳定时间：15 分钟 检测一氧化碳浓度范围：02000ppm (3)对一氧化碳反应的敏感度： 图 2.2 系列一氧化碳浓度的条件下 RL电压的振荡曲线。 (4)高湿高温对传感器的影响：根据测试结果表明，此传感器可承受 96%RH 相 对湿度、70的环境条件，但基电平升高。 由于采用此方案制作硬件极其复杂，系统整体设计体积过大、功耗高、成本太高， 所以不予采纳。 方案三：方案三：采用 TP-2 型传感器，采用三路巡回检测的方法检测房间气体浓度，将检 测的到浓度结果通过运算放大器放大后送入模/数芯片中进行模数转换，利用 MCS51 单片机控制声音报警以及控制电磁阀和排风扇，并且将气体传感器检测到的浓 度值在 LED 数码显示管上显示出来。 分析：选用此方法设计电路不仅解决了温度、湿度的影响，并且简化了设计电路， 降低了成本，采用此种方法设计主体电路。具体电路设计将在下文中给出。 2.2.2 系统方案的确定 现今一氧化碳传感器技术的不断提高，使得在应用此类传感器时不必采用温度、 湿度补偿，极大的简化了电路和降低了成本。鉴于对以上三个方案的对比分析，方案 三最符合设计要求，所以我选择使用方案三来设计本次毕业设计的主体电路。 2.3 系统组成 本设计属于单片机应用系统。它是单片机在系统检测以及工程控制方面的应用， 是典型的嵌入式系统。通常将满足海量高速数值计算的计算机称为通用计算机系统； 而把面向工控领域对象，嵌入到工控应用系统中，实现嵌入式应用的计算机称之为嵌 入式计算机系统，简称嵌入式系统。嵌入式系统一般分为四种:工控机，通用 CPU 模块， 嵌入式微机处理，单片机。嵌入式系统具有以下特点： (1)面对控制对象。如传感信号输入、人机交互操作,伺服驱动等。 (2)嵌入到工控应用系统中的结构形态。 (3)能在工业现场环境中可靠运行的品质。 (4)突出控制功能。如对外部信息的捕捉、对控制对象实时控制和有突出控制功能 的指令系统(I/O 控制、位操作和转移指令等)。 单片机有惟一的专门为嵌入式应用系统设计的体系结构与指令系统，最能满足嵌 入式应用要求。单片机是完全按嵌入式系统要求设计的单芯片形态应用系统，能满足 面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行及非凡的控制品质等要求，是发展 最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统。 2.3.1 一氧化碳报警器系统的三大部分 单片机应用系统的结构分三个层次。 (1)单片机：通常指应用系统主处理机，即所选择的单片机器件。 (2)单片机系统：指按照单片机的技术要求和嵌入对象的资源要求而构成的基本系 统,如时钟电路、复位电路和扩展存储器等与单片机构成了单片机系统。 (3)单片机应用系统：指能满足嵌入对象要求的全部电路系统。在单片机系统的基 础上加上面向对象的接口电路，如前向通道、后向通道、人机交互通道(键盘、显小器、 打印机等)和串行通信口(RS232)以及应用程序等。 单片机应用系统三个层次的关系如图 2.3: 图 2.3 单片机应用系统三个层次的关系（注：该图应自己绘制，不要现成图片！ ） 以此理解，程控一氧化碳报警器同样具有单片机应用系统的三个层次。其中以 MCS-8051 单片机为核心构成单片机系统。在此系统中，检测信号进入单片机进行运算 处理，控制外围电路。为了更好的理清设计思路，将整个系统细分为三部分加以设计 说明。整个报警器由三个部分组成，分为三大模块：浓度检测及显示模块、主控模块 和报警及事故处理模块。在本次设计中，使用的核心器件是单片机和一氧化碳传感器。 为了保证整个系统可靠的运行，设计中必须明确三大部分的实际联系：以单片机为中 心，其他各大模块一一展开。其中，浓度检测及显示模块所实现的功能是将房间中的 一氧化碳浓度值转换成为单片机能够处理的数字信号，并且将浓度值显示出来；主控 模块以单片机为主，对其他模块的运行进行控制；报警及事故处理模块是此系统的外 围电路，它的功能实现形式最人性化，体现了智能控制，在检测到一氧化碳浓度超过 指定值时会启动蜂鸣器报警，报警无效后即会进行处理，启动排气扇和关闭电磁阀来 防止事故的发生。系统框图如图 2.3 所示。 图 2.3 一氧化碳报警器系统组成框图 下面就对各个模块的功能和实现形式作简单介绍。 2.3.2 系统各个模块功能说明 （1）气体浓度检测模块 程控一氧化碳报警器采用三路巡回检测的方法，可以检测三个不同的房间也可以 用来检测同一个房间三个不同的方位。检测器件采用高温一氧化碳气体传感器 TP-2 检 测房间气体浓度，检测结果将经过高精度运放器放大后送入模/数芯片 ADC0809 中进行 模数转换，单个传感器的检测电路如图 2.4 所示。 图 2.4 单个传感器电路图 （2）主控模块 系统选用单片机控制，采用MCS51单片机。MCS51系列单片机是美国Intel公司 1980年推出的一种高性能8位单片微型计算机。内带4K字节的内存和程序保护系统，便 于程序的调试修改和保密，各管脚的功能将在随后的知识中加以介绍。它的主要功能 既是和ADC0809芯片一起共同接收检测信号，又可以通过对数字信号的处理来控制外围 电路以及显示电路。模数转换芯片采用ADC0809，接收经过运算放大器处理后的一氧化 碳传感器的检测值，三路检测结果经过ADC0809处理后送单片机进行数据处理。处理后 的信息将通过单片机控制，在LED显示管上显示出来，并且控制事故处理模块。 （3）报警及事故处理模块 此模块主要由蜂鸣器、电磁阀和排气扇组成。在气体浓度过大，超过安全值时蜂 鸣器工作，提供报警服务。这个时候，用户可以自行关闭煤气，并通过对房间通风来 解决。如若 5 分钟内气体浓度依然超过安全值，系统自动启动排气扇来降低房间一氧 化碳浓度，并且关闭电磁阀来防止煤气泄漏造成事故。 至此，本系统三大模块功能和设计思路已经确立，下文将介绍整个系统的详细设 计过程，并且给出设计电路。 2.3.3 系统功能扩展 由于设计的一氧化碳报警器为单机产品，而现实中的应用多为小区型应用。所以， 在设计中，我考虑到将此一氧化碳报警器添加网络技术，使其能够和主机相连，从主 机中能够获得分机所检测的信息。单片机在网络中的应用主要是应用了串口通信技术， 这种技术是在智能型领域的综合应用，是值得发展的新技术。在下文中将详细介绍串 口通信技术。 3 硬件电路设计 每一个设计都要以一定的知识为基础，知识的多少在一定程度上决定了设计出来 的东西的好坏程度，这些知识包括硬件知识和软件知识。硬件知识用来设计硬件电路， 以实现电路的放大、驱动、采集、隔离、匹配等功能。软件知识用来设计芯片处理数 据的先后顺序，数据的获得途径以及对数据做怎样的处理，还有其他的一些驱动和显 示功能等等。当然，在硬件电路里一些芯片是必不可少的，软件设计也需要对芯片进 行编程序。本章将介绍本次设计用到的一些基本知识和主要芯片。 3.1 设计使用的基本知识介绍 我们在学校里学到的几乎都属于基本知识，它是指最最基础的东西，我们只有掌 握了它才能作更深一步的学习。在实际的应用中，基本知识的掌握程度至关重要，它 影响到应用的好坏。本设计应用到的基本的硬件和软件知识将在本节里作简单的介绍。 本设计用到的硬件知识主要有：模拟电子技术、数字电子技术、电子线路的设计 与调试、单片机的输入输出、串口通信技术、ADC0809 模数转换器的使用方法。 在模拟电子技术方面，主要用来放大传感器检测信号和驱动发光二极管以显示传 感器检测到气体浓度。数字电子技术用来把模拟量转换成数字量，把从传感器检测到 的模拟量转换成数字值。利用单片机实现综合控制。 3.2 芯片介绍4及相关电路模块设计 集成块出现使硬件电路设计更加简单易懂，从而得到了广泛的应用。在这次毕业 设计中用到的主要芯片有单片机 MCS8051、模数转换器 ADC0809、LED 数码显示器等。 下面详细介绍它们具体的应用方法。 3.2.1 主控电路原理 主控电路中，以单片机为主体，通过分析 A/D 转换得到的数字值，控制事故处理 模块的运行。它是系统的大脑。 单片机（MICROCONTROLLER，又称微控制器）是在一块硅片上集成了各种部件的微 型机算计，这些部件包括中央处理器 CPU、数据存贮器 RAM、程序存贮器 ROM、定时器/ 计数器和多种 I/O 接口电路。 主机电路由 8051 作为程序存储器。8051 的封装管脚如图 3.1 所示2。 图 3.1 8051 封装引脚图（注：该图应自己绘制，不要现成 图片！） 8051 的主要的特点： 1.采用高性能的 HMOs 生产工艺生产。 2.内部含定时计数器。 3.有二级中断优先处理结构。 4.有 32 条 IO 线，输出输入能力强。 5.程序寻址空间达 64K 字节。 6.内 EPROM 有保险功能，可保护 EPROM 防止软件误写入 7.有布尔处理功能，可扩展用途。 8.对内部 RAM 有位寻址功能。 9.有可编程的全双工串行接口。 8051 的内部结构主要包括有 ALU 部件、定时和控制部件、并行 IO 接口、串行 IO 接口、定时器部件、程序存储器、数据存储器等七个部分。 ALU 部件含有 ALU 单 元以及累加器 Acc、寄存器 B、栈指针 SP、数据指针 DPTR、程序状态字 PSW、暂时寄存 器 TMP1、TMP2 等。ALU 除了可以进行四则算术运算之外，还可以进行布尔运算。 定时和控制部件用于产生指令执行的同步信号及微操作信号。它和 ALU 部件形成 了 8051 的 CPU14。 并行 IO 接口有 P0、P1、P2 和 P3 共四个，它们都是 8 位并行端口。它们都是双 向通道，每一条 I/O 线都能独立地用作输入或输出。作输出时数据可以锁住；作输入 时数据可以缓冲。但这四个通道的功能不完全相同。其中，P0 口是地址数据复合总 线，它用于传送低 8 位地址 A0A7；也用于传送数据 D0D7。P2 口是高 8 位地址 A8A15 的地址总线，但也可作一般的 IO 口。P1 是一个纯 IO 口，它只用于数据 的输入输出。P3 是控制信号及 IO 信号复用口，它除了用作 1O 口之外，还用于传 送控制信号。P3 口对应引脚用于控制信号时的情况如表 3.1 所示。 表 3.1 P3 口的引脚功能 引脚信号 控制信号说明 P3.0RXD串行数据输入 P3.1TXD串行数据输出 P3.2INT0外部中断 0 P3.3INT1外部中断 1 P3.4T0定时器 0 输入 P3.5T1定时器 1 输入 P3.6WR写存储器信号 P3.7RD读存储器信号 这个系列的技术性能如下：工作环境温度 070，存储环境温度65C十 1500。EAVpp 端对 Vss 的电压为-05十 215v，任何脚到 Vss 的电压为- 05十 7v，电源电压十 5V 土 10，电源电流为 125250mA，电源功耗为 1.5w。 MCS-51 单片机通常采用上电复位和按钮复位两种复位方式。上电复位是利用电容 的充放电来实现。按钮复位又分为按钮电平复位和按钮脉冲复位。前者，将复位端通 过电阻与 VCC相接；后者，利用微分产生正脉冲来达到复位的目的。复位电路参数RC 的选择，应能保证复位高电平持续时间大于两个机器周期3。在设计中，用到了单片 机对输入口进行查询并输出相应的高低电平实现后续工作的控制功能，这将着重在软 件设计部分讲到。 下面介绍设计中如何使用 ADC0809 的功能。 ADC 芯片型号很多，在精度、速度和价格方面千差万别，较为常见的 ADC 主要是逐 次比较型和双积分型。还有电压频率变换器(VF 变换器)构成的 ADC。双积分型 ADC，一般精度高，对周期变化的干扰信号积分为零，因而具有抗干扰性好、价格便宜 等优点，但转换速度慢。逐次比较型 ADC，在转换速度上同双积分型相比要快得多。精 度较高（例如 12 位及 12 位以上的） ，价格较高。VF 变换型 ADC，突出优点是高精度， 其分辨率可达 16 位以上，价格低廉，但转换速度不高。 ADC 的主要性能指标是：分辨率；转换时间；精度；输入电压范围；输入电阻（阻 值） ；供电电源；数字输出特性；工作环境（周围的温度、湿度） ；保存环境等。 要选择适当的 ADC，要看其使用目的。在本次设计中，使用的是 ADC0809。ADC0809 是 8 位 A/D 转换芯片，它是采用逐次逼近的方法完成 A/D 转换的。 ADC 0809 是 CMOS 的 8 位单片 A/D 转换器。片内有 8 路模拟开关，可控制选择 8 个模拟量中的一个。A/D 转换采用逐次逼近原理。输出的数字信号有 TTL 三态缓冲器控 制，故可直接连至数据总线。主要功能有： 分辨率为 8 位 总的不可调误差在1/2 LSB 和1 LSB 范围内。 转换时间为 100us。 具有锁存控制的 8 路多路开关。 输出有三态缓冲器控制。 单一 5V 电源供电，此时模拟输入范围为 05V。 输出与 TTL 兼容。 工作温度范围为4085。 （1）ADC 0809 功能方框图 模拟输入部分有 8 路多路开关，可由三位地址输入 ADDA、ADDB、ADDC 的不同组合 来选择（这三条地址输入信号可锁存） 。 主体是采用逐次逼近式的 A/D 转换电路，由 CLK 信号控制内部电路的工作，由 START 信号控制转换开始。转换后的数字信号在内部锁存，通过三态缓冲器接至输出端。 其引脚如图 3.2 所示。 其中，START 为启动命令，高电平有效。由它启动 ADC 0809 内部的 A/D 转换过程。 当转换完成，输出信号(End of Convert)有效（低电平有效） 。OE（Output EOC Enable）为输出允许信号，高电平有效。当在此输入端供给一个有效信号时，打开输 出三态缓冲器，把转换后的结果输至数据总线。 图 3.2 0809 的引脚 （2）ADC 0809 时序 当模拟量送至某一输入端后，由三位 地址信号来选择，地址信号由地址锁存允许 ALE（Address Latch Enable）锁存。由 启动命令 START 启动转换。 转换完成输出一个负脉冲，外EOC 界的输出允许信号 OE，打开三态缓冲器把 转换的结果输至数据总线。一次 A/D 转换 的过程就完成了。 （3）ADC 0809 与 CPU 的接 口 当 A/D 转换片子与 CPU 接口时除了数据的输出（至 CPU）外，与通常的 I/O 接口一 样，还需要有控制和状态信息。 在实际应用时，A/D 的输入端接至采样保持电路的输出。但转换的开始，要由 CPU 用软件来控制（输出一条指令） ；而转换总是需要一定的时间才能完成，故 A/D 转 换电路必须给出一个 DONE/BUSY 的状态信息7。 此次设计是单片机应用的一个最小系统。设计中主要解决的问题有：由于 MCS8051 单片机是 8 位机，在显示模块中显示气体浓度的数字有 3 位，需要在软件系统 中对数字进行处理，这样才能够正常运行；单片机中 P0，P1，P2 以及 P3 口都能用于 和 ADC 0809 之间进行连接，本次设计采用 P1 口和 ADC0809 进行连接；使用 INT0 口通 过一个非门与 ADC0809 的 EOC 相连接，目的是利用单片机的中断口来调节控制整个系 统并且给软件设计中写中断程序带来方便；ADDA、ADDB、ADDC 分别与单片机的 P2.0,P2.1,P2.2 相连，用于控制 ADC 0809 的八路模拟转换。由于应用 0809 的时序和 单片机时序的不同，时钟端不能直接相连，之间应加入一个分频电路，采用 D 触法器。 时钟连接图如图3.3所示： 图3.3 ADC0809与单片机时钟端的连接 ADC0809芯片与单片机的连接图如图3.4： 图 3.4 ADC0809 与单片机的连接 在本次设计中，为了能对单片机直接写入程序，避免调试过程中不断的插拔单片 机，特制作了一个数据接口，用于和编程器相连。在写入程序时，应用单片机的 P1.5,P1.6,P1.7 以及 RESET 四个端口。写程序的过程中应将 ADC0809 的 OE 使能端接地。 编程器接口电路如图 3.5： 3.2.2 电源电路 本次设计中应用的电源为+5V 直流电压源。电源电路如图 3.6 所示 为了使硬件调试方便，应用电脑 USB 接口提供硬件电源。下面对 USB 供电做简单 介绍。 现在主板对于 USB 设备大多使用两种供电方式，使用 5VSB 供电和 5V 供电。两种 供电模式的主要区别为： 1. 5VSB 供电模式下，系统关机（S5）或进入休眠（S3）后 5VSB 仍然存在，USB 端 口仍然会有 5V 电压；使用 5V 供电（不论是直接使用电源的 5V 还是由其它地方分压而 来）在休眠后 USB 端口没有电压。 图 3.5 编程器接口电路 图 3.6 常规供电示意图 2. 只有在使用 5VSB 供电模式下，才能在休眠的情况下使用 USB 设备唤醒系统 （当然主板 BIOS 中一定要对 Wakeup By USB Device 选项进行设置） 。 在过去由于商用机型很少使用 USB 设备，因此对于 USB 供电模式并没有严格的要求， 随着 USB 设备的大量出现，不得不考虑这个问题。目前 5VSB 供电和 5V 供电都存在一 定的不足。 A.5VSB 供电模式：所有电源对 5VSB 的最大电流都有规格定义，一般为 1A2A。如 果严格按照 USB SPEC 考虑 USB 设备供电要求（即耗电流500MA 的设备需要使用外置电源供电） ，1A 可以满足 USB 设备对电流的要求（USB 键盘 100mA，USB 鼠标 100mA） 。但是目前 USB 设备生产厂家混杂，很多厂家生产的设备超出 了 USB SPEC 的要求同时为了 COSTDOWN 没有使用外置电源。这样在 5VSB 供电的情况下 可能会出现个别 USB 设备无法正常工作的情况。 B.5V 供电模式：进行 STR 休眠唤醒后返回系统时因 USB 设备经过从失电至得电过程， 有可能出现唤醒后 USB 设备无法工作必须重新插拔 USB 设备才能重新使用，虽然可以 修改 BIOS 使得 USB 设备在这种情况下能使用，但将经常发生 STR 后重新查找 USB 设备 的问题。 5V 可以提供较大的电流、兼容更多的非标准 USB 设备但会存在休眠唤醒的问题， 5VSB 虽然无问题但是对非标准 USB 设备的兼容性不好。左右权衡之后，使用 5VSB 为 USB 供电。目前使用的主板多数通过跳线控制是否使用 5VSB 为 USB 供电（QDI 使用 JUSB 和 JFUSB 两个跳线） 。使用的 810E2U 主板已经使用 5VSB 为 USB 设备供电。在使用 5VSB 供电后还需要进行一些工作，首先是电源部分需要引入对 5VSB 电流的规格限定， 最小也要有 2A， 以下是 USB 的供电示意图。 图 3.7 USB 供电示意图 3.2.3 传感器的选择及电路 3.2.3.1 传感器概述 (1)传感器的定义 人们通常将能把非电量转换为电量的器件称为传感器，传感器实质是一种功能块， 其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号：它是实现测试与自动控制系统的首要 环节。如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么，无论是信号转换或信 息处理，或者最佳数据的显示和控制部将无法实现。同时传感器技术是现代信息技术 的主要内容之。 (2)传感器的作用 信息的收集 科学研究中的计量测试，产品制造与销售中所需的计量等都要由测量而获得准确 的定量数据对某种特定要求，需检测目标物的存在状态，把某状态的信息转换为数据： 对系统或装置的运行状态进行监测，也由传感器来实现，发现异常情况时，发出警告 信号并启动保护电路工作。这样可以对系统或装置进行正常运行与安全管理。判断产 品是否合格，或人体某部位的异常诊断等都需由传感器的测量来完成。 信息数据的交换 把以文字、符号、代码、图形等多种形式记录在纸或胶片上的信号数据转换成计 算机、传真机等易处理的信号数据。或者读出记录在各种媒介体上的信息并进行转换。 例如，磁盘与光盘的信息读出磁头就是一种传感器。 控制信息的采集。检测控制系统处于某种状态的信息，并由此控制系统的状态， 或者跟踪系统变化的目标值。 (3)传感器的组成 传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路三部分组成有时还加上辅助电源。 通常可用方块图来表示，如下图 3.8 所示： 图 3.8 传感器的组成 敏感元件直接感受被测量(一般为非电量)，并输出与被测量成确定关系的其 它量(也可以包括电量)的元件。 传感元件又称变换器，是传感器的重要组成元件。 传感元件可以直接感受被 测量(般为非电量)而输出与被测量成确定关系的电量。也可以不直接感受被测量， 而只感受与被测量成确定关系的其它非电量。 测量电路能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、控制和处理的 有用电传号的电路。测量电路视传感元件的类型而定。使用较多的是电桥电路，也使 用其他特殊电路，如高阻抗输入电路、脉冲调宽电路、维持振荡的激振电路等。由于 传感元件的输出信号一般比较小，为了便于显示和记录，大多数测量电路还包括了放 大器。 (4)传感器的分类 传感器的分类见表 3.2 所示： 3.2.3.2 传感器设计要点 根据以上对传感器相关知识的介绍，我们可以明确传感器是测量、控制系统的入 口，必须具备良好的性能。在设计中，应该注意以下要点12： (1)输入和输出之间成比例，直线性好、灵敏度高、分辨力强、测量范围宽。 (2)滞后、漂移误差小， (3)动态特性良好。 (4)功耗小。 (5)时间老化特性优良，抗腐蚀性强。 (6)与被测体匹配良好，即不因接入传感器而使被测对象受到影响，受被测量之外 的量影响小。 (7)体积小、重量轻、价格低廉。 (8)故障率低，易于校准和维修。 (9)由于传感元件的输出信号一般比较小，为了便于能够驱动控制电路，在传感器 电路中还应该包括放大器。 鉴于上述选择要点，本文中用到的一氧化碳传感器必须具备测量效果好、功耗小、 动态特性良好和体积小、重量轻、价格低廉几个主要特征。为此我们选择高温型一氧 化碳传感器 TP-2。它完全符合上述条件，并且最为主要的特点是此传感器精度高，无 需温度补偿。这样不仅简化了电路，而且还降低了成本，实为良好的选择。 表 3.2 传感器的分类 3.2.3.3 传感器与 ADC0809 的连接 三路检测结果从IN1、IN2、IN4 输入,转换顺序由ADDA、ADDB、ADDC 控制，控制 方法如表3.3所示。 分类方法传感器的种类说 明 按输入量分类 位移传感器、速度传感器、 温度传感器、压力传感器 等 传感器按被测物理量命名 按工作原理分类 应变式、电容式、电感式、 压电式、热电式等 传感器以工作原理命名 结构型传感器 传感器依赖其结构参数变 化实现信息的变化 按物理现象分类 物性型传感器 传感器依赖其敏感元件的 物理特性来实现信息的变 化 能量转换型传感器 传感器直接将被测量的能 量直接转化成输出量的能 量 按能量关系分类 能量控制型传感器 由外部供给传感器能量， 而由被测量来控制输出能 量 模拟式传感器输出量为模拟量 按输出信号分类 数字式传感器输出量为数字量 转换结果送单片机P1 口供单片机进行数据处理。其中三路检测结果由三个一氧化 碳传感器提供，在实际设计中，为了使编程方便，使用IN1、IN2、IN4口接收传感器信 号。单个传感器电路在上文中已经介绍到了，传感器与ADC0809的连接电路图如图 3.9。 表3.3 ADC0809的通道选择方法 ADDC ADDB ADDA选中通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 图3.9 传感器与ADC0809的连接电路图 3.2.4 事故处理电路的设计 在设计中，单片机的T1中断口连接音乐报警器，T2中断口连接电磁阀和排气扇。 为防止市电对系统的干扰，T1和T2端都经过光电耦合管对电磁阀和排风扇进行控制。 当检测到气体浓度超过100ppm时，音乐报警器开始报警，2分钟报警无效后关闭电磁阀 并启动排气扇。 3.2.4.1 光电耦合器概述 光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电光电转换器件。它由发光源和 受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘 体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极 管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。光电耦合器的种类较多，常见有光电二 极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。 (1)工作原理 在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小， 此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端 引出，这样就实现了电光电的转换。 (2)基本工作特性 共模抑制比很高 在光电耦合器内部，由于发光管和受光器之间的耦合电容很小（2pF 以内）所以共 模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小，因而共模抑制比很高。 输出特性 光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流 IF 下，光敏管所加偏置电压 VCE 与 输出电流 IC 之间的关系，当 IF=0 时，发光二极管不发光，此时的光敏晶体管集电极 输出电流称为暗电流，一般很小。当 IF0 时，在一定的 IF 作用下，所对应的 IC 基本 上与 VCE 无关。IC 与 IF 之间的变化成线性关系，用半导体管特性图示仪测出的光电耦 合器的输出特性与普通晶体三极管输出特性相似。 光电耦合器可作为线性耦合器使用 在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上， 这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号，其输出电流将随输入 的信号电压作线性变化。光电耦合器也可工作于开关状态，传输脉冲信号。在传输脉 冲信号时，输入信号和输出信号之间存在一定的延迟时间，不同结构的光电耦合器输 入、输出延迟时间相差很大。 (1)光电藕荷器在设计中的作用 光电耦合器件有很多用处，可用做隔离、控制作用，可用于接口电路、监视电路、 光电计数器等装置。在本设计中，主要是起隔离、控制的作用，一头连接单片机，另 一头连接电动机的驱动电路。使两部分的电流相互独立，这样驱动电路中较大的电流。 不至于回馈、影响另一端的电路。 3.2.4.2 光电藕荷器件的选用和设计 (1)器件的选用 结合上面对光电耦合器的简介、分析和替换原则。方案选用 4N25。4N25 内部结构 及管脚图如下图 3.10 所示： 管脚功能： 电源，输入断口，不接，输出口一，输出口二，不接 (2)电路的设计 电路图如下图 3.11 所示： 光电耦合器4N25起到耦合脉冲信号和隔离单片机MCS8051系统与输出部分的作用， 使两部分的电流相互独立。输出部分的地线接机壳或大地，MCS8051系统的电源地线浮 空、不与交流电源的地线相接，这样可以避免输出部分电源变化对单片机电源的影响， 减小系统所受的干扰，提高系统可靠性。 图 3.10 4N25 内部结构及管脚图（注：该图应自己绘制，不要现成图片！ ） 图 3.11 光电耦合部分的设计 事故处理电路如图3.12。 图3.12 事故处理电路 3.2.5 显示电路的设计 现在驱动 LED 数码管流行采用单片机设计电路，但发现一些显示（LED 数码管）电 路设计复杂，没有充分利用单片机的电器特点、没有采用“硬件软化”的方法。直接 用单片机的 8 位数据口作为数码管的 8 段显示驱动口。这种显示方式虽然简便，电路 也最简单，但显示的位数很少（最多四位） 。但已经满足了此次设计要求，所以选用此 种方式。 （1） LED 的结构原理 发光二极管是一种将电能转变成光能的半导体器件。简称 LED(Light Emitting Diode)。LED 数码管结构简单，价格便宜。 八段 LED 显示管有八只发光二极管组成，编号是 a、b、c、d，e，f 和 SP，分别和 同名管脚相连。七段 LED 显示管比八段 LED 少一只发光二极管 SP，其它和八段 LED 相 同。在给每个二极管通电后，二极管发光后表示要显示的数字的一部分，当组成这个 数字的所有二极管都发亮时，才能正确的显示这个数字。 LED 显示器是单片机应用系统中常用的廉价输出设备。它是由若干个发光二极管组 成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一段笔画发亮。控制不同组合的二级管 导通，就能显示出各种字符。使用 LED 显示器的时候，为了显示数字或是字