基于单片机的燃气泄露检测仪设计毕业设计(论文)

华北科技学院毕业设计（论文）基于单片机的燃气泄露检测仪设计目录设计总说明 .IIntroduction .III1 绪论 .11.1 课题背景及研究意义 .11.2 主要研究内容及结构安排 .12 燃气泄漏检测仪系统构成框图 .32.1 系统构成框图 .32.1.1 系统构成方案及论证 .32.1.2 系统构成框图 .43 燃气泄漏检测仪硬件设计 .53.1 MCU 核心模块设计.53.1.1 MSP430 系列单片机发展历程.53.1.2 MSP430 系列单片机的应用领域.53.1.3 单片机最小系统介绍 .63.1.4 单片机的选型 .93.1.5 单片机外围电路设计 .113.2 采集模块硬件设计 .113.3 串口模块硬件设计.133.4 双电源供电模块硬件设计 .153.4.1 双 12V 稳压电源设计 .153.4.2 3.3V 电源设计.163.5 LCD 液晶显示模块设计.183.6 本章小结 .214 燃气泄漏检测仪软件设计与实现 .22基于单片机的燃气泄露检测仪设计4.1 总程序流程图.224.2 显示模块软件设计.224.3 显示模块软件调试.284.4 本章小结 .295 硬件的安装与调试 .305.1 PCB 版的设计.305.2 PCB 板的调试.325.3 PCB 板的焊接.336 结论 .35参考文献 .36附录 .37致谢 .38华北科技学院毕业设计（论文）I基于单片机的燃气泄漏检测仪设计设计总说明燃气现已成为人们生活中必不可少的能源，液化气、天然气等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。但是随着燃气的广泛应用，由于燃气泄漏所引发的爆炸、中毒和火灾等事故也时有发生，这在某种程度上增加了城市的不安全和不稳定因素。燃气使用单位及居民用户选择一种适合的燃气报警装置成为必要之举。基于单片机的燃气泄漏检测仪，是一种适合家庭使用的小型燃气安全防范产品。能有效避免因燃气泄露而引起的爆炸、火灾、中毒等恶性事故发生，在全世界大部分国家地区广泛应用。基于单片机的燃气泄漏检测仪是燃气领域的安全卫士，一旦发生燃气泄漏，它能及时提醒用户，避免各类中毒事故的酿成。在一些发达国家中都大力推广甚至强制安装燃气报警器，如日本东京和大阪、韩国汉城、德国汉堡等城市，目前有 80以上的居民家庭安装各类基于单片机的燃气泄漏检测仪。同样，在国内一些城市，如北京、成都、哈尔滨等城市，针对燃气中毒事故接二连三地发生，果断采取措施。据 1998 年资料显示，每年与液化石油气有关的事故仅发生 75 起，而城市燃气管道用户发生事故率更低，家用燃气报警器在日本发展 30年来, 日本政府和生产企业大力推广报警器的使用，使燃气泄漏和爆炸等事故的事故率远远低于欧美等发达国家，基于单片机的燃气泄漏检测仪已成为家庭生活的必需品。本课题设计一款燃气泄漏检测器，监控燃气灶是否有泄漏现象，并根据燃气泄漏流量大小，当燃气泄漏值超过安全标准时，系统进行报警，显示煤气是否有异常现象，并发出同步信号控制电磁阀切断气源。本设计以功耗小的单片机为核心器件，通过采集流量脉冲信号输入给单片机，通过软件程序来判断是否在合理的流量范围之内，当超出正常值时，控制单元 MCU 会给出相应的控制，驱动进行报警信号，同时液晶显示出当前累积流量及每个灶的开关状态。同时，本设计还会配合 DTU、串口通讯模块将信息远传给上位机进行宏观控制,从根本上解决安全使用燃气的问题，有效避免因燃气泄漏造成的火灾、爆炸、窒息、死亡等恶性事故的发生。为了做到实时监控本设计采用了双电源供电，即电源与电池交替供电，并且在当电池电量不足时，本设计还能够进行欠压报警，当城市停止供电时本设计会自动跳转到电池供电从而是本设计在没电的情况下也能进行监控。另外，本设计还根据国家标基于单片机的燃气泄露检测仪设计II准进行了防静电、防雷击、防潮、防抖动方面的考虑使本设计能够高效安全的为消费者所用。所以本设计有以下功能： 采集功能：采集灶具火焰热电偶信号、燃气表脉冲信号、报警器输出信号。报警提示：有流量异常、电源欠压、浓度报警器等报警信息的声光提示。电源转换功能：采用市电供电的泄漏检测仪在市电断电时能自动转换到备用电源（内部电池）当市电恢复时能自动转换到城市供电状态。无线通信功能：能够与主站（集中器）无线通信的功能，既能够接收和回复集中器或主站发出的数据采集和参数设置命令。显示功能：显示燃气表积累流量，灶具火焰状态、火焰异常等信息。以下为本论文对本设计的具体陈述。关键词：MSP430 单片机；燃气；报警；控制华北科技学院毕业设计（论文）IIIDesign of detection instrument based on MCU gas leakageIntroduction Gas has become the people essential to life energy, liquefied petroleum gas, natural gas as a clean energy, such as in business and is widely used in urban residents users. But as the gas is widely used, due to gas leakage caused by explosion, fire and poisoning accidents also happen from time to tome, this to some extent increase the unsafe and unstable factors of the city. Gas using the units and residents the user to select a suitable gas alarm system become necessary. Gas leakage detector based on single-chip microcomputer, is a kind of suitable for family use small gas security products. Can effectively avoid explosion caused by gas leaks, fire, poisoning and other malignant accidents, has most of the countries and regions are widely used all over the world. Gas leakage detector based on single-chip microcomputer is the security guards of the gas field, in case of gas leakage, it can timely remind consumer to avoid all kinds of lead poisoning accident. In some developed countries are heavily promoted even mandatory gas alarm, such as Tokyo and Osaka, Seoul, South Korea, Hamburg, Germany and other cities, there are more than 80% of the households to install all kinds of gas leakage detector based on single-chip microcomputer. Also, in some domestic cities such as Beijing, chengdu, Harbin and other cities, according to gas poisoning accidents occurred one after another, take decisive measures, in a couple of years ago, will be installed gas leakage alarm set forth in the form of local legislation, and the results of gas accidents declined dramatically. According to 1998 data show that every year only accident associated with liquefied petroleum gas (LPG) since 75, the city gas users happen accident rate is lower, and household gas alarm system development for 30 years in Japan, the Japanese government and enterprises to vigorously promote the use of alarm, leakage and explosion accidents of gas accident rate is far lower than Europe and the United States and other developed countries, gas leakage detector based on single-chip microcomputer has become the necessities of family life.This topic design a gas leakage detector, monitor if there is a leak phenomenon kitchen burning gas, gas leak flow and according to the size, when the gas leakage value exceed safety standards, alarm system, gas according to whether there is abnormal phenomenon, and 基于单片机的燃气泄露检测仪设计IVthe signal synchronization control solenoid valve to cut off the gas source. This design with low consumption of the microcontroller as the core device, the flow pulse signal input to MCU through gathering, through the software to determine whether or not in the range of reasonable flow, when the normal level, gives the corresponding control unit MCU control, alarm signal drive, the LCD shows the current accumulated flow rate at the same time and each focal switch state, at the same time, this design also will cooperate with DTU, serial port communication, far information module to PC for macro control, fundamentally solve the problem of safe use of gas, effectively avoid fire and explosion caused by gas leakage, asphyxia and death of malignant accidents.In order to achieve real-time monitoring the design adopts the double power supply, namely alternating power supply and battery power supply, and when the battery power is insufficient, this design can also under voltage alarm, when the city power supply this design will automatically jump to the battery power supply which is the design in the case of no electricity can also monitor. In addition, this design according to the national standard for anti-static, lightning protection, moistureproof, jitter considerations make this design to efficient and safe for consumer use.So this design has the following functions:Sampling function: ovens, gas flame thermocouple signal table output pulse signal, alarm signal.Alarm prompt: there are abnormal traffic, power supply voltage and the concentration of the alarm sound and light alarm information such as tips.Leakage detector power supply conversion function: the mains power supply can automatically switch to the standby power supply when mains power (battery) can automatically switch to city power supply when mains to restore state.Wireless communication function: being able to master station (concentrator) wireless communication function, can receive and reply to concentrator or a host of data acquisition and parameter setting commands.Key words: MCU; gas ; alarm; solenoid valve; draft fan华北科技学院毕业设计（论文）第 1 页 共 38 页 1 绪论1.1 课题背景及研究意义近年来，随着生活水平的增高，全国煤气行业发展迅猛，煤气，液化气，天然气等能源已在千家万户得到了广泛的应用。燃气的普及与应用无疑对改善环境质量和提高人们的生活质量发挥了巨大的作用。然而，由于使用不当或者设备老化等原因导致的燃气泄漏引发的中毒、爆炸、火灾，时有发生，直接威胁着人们的生命安全和财产安全，及时发现可燃气体的泄漏将是安全使用可燃气体的一个重要方面。然而，一般的煤气报警器功能单一，性能稳定性差，不能很好的满足人民生活的需要，并且还会引起火灾、爆炸等灾难。而大型的监控系统价格昂贵，需专门的技术人员管理，不适合家用。因此，为了既能满足人民安全的需要又能满足消费需要，需要设计一款集以上两点为一身的燃气泄漏检测仪。本燃气泄漏检测系统以单片机为核心，当燃气灶输出燃气流量超出标准，程序会判断流量是否异常，若异常检测仪将进行报警并给出相应动作并自动关闭阀门，保证了燃气使用的安全。1.2 主要研究内容及结构安排为了能在低功耗的情况下保证家用燃气的安全，将危险防患于未然，本论文主要以低功耗的 MSP430 系列单片机为核心，通过检测流过燃气灶中燃气的流量大小来判断流量是否正常从而判断燃气是否泄漏，若发生泄漏本设计将自动进行泄漏报警，并关闭阀门，从而保证家庭用气的安全性。本设计以低功耗的 MSP30 系列单片机为控制核心，配合采集模块、串口传输模块、LCD 显示屏模块并通过软件编程来控制不正常流量下的设备反应，增强了电路的实时监控性，很好地满足了实际要求。在本论文中首先在第一章中主要叙述了本设计的研究背景及意义、结构安排，概括的叙述了本论文的结构和研究顺序，第二章主要对本设计所采用的方法进行了比较论证，选定了方法，列出了本设计的系统框图。本论文第三章主要阐述了本设计所选系列单片机的发展历程、特点、及最小单片机系统和各个模块的硬件设计及与应用电路，具体的叙述了，采集模块、双电源模块、串口通信模块、核心控制模块、及 LCD显示模块的设计方法。第四章主要讲述了本设计的软件部分包括程序流程图，及软件的与调试等。第五章主要叙述了硬件的安装与调试，详细介绍了在绘制电路板时、调基于单片机的燃气泄露检测仪设计第 2 页 共 38 页 试电路板时所需要的注意的问题。第六章是本论文的结论部分，主要叙述了设计本论文的一些心得体会，最后是附录与参考文献阐述了本设计的一些附属资料。华北科技学院毕业设计（论文）第 3 页 共 38 页 2 燃气泄漏检测仪系统构成框图2.1 系统构成框图2.1.1 系统构成方案及论证为了更好地满足设计需要，本设计介绍了两种设计方案：方案一：选用一般性能的普通 51 系列单片机，配合看门狗电路、A/D 转换电路，液晶显示屏驱动电路等附属电路完成设计。89C51 单片机是 8 位单片机。其指令是采用的被称为“CISC”的复杂指令集，共具有 111 条指令。89C51 系列单片机由于其内部总线是 8 位的，其内部功能模块基本上都是 8 位的虽然经过各种努力其内部功能模块有了显著增加，但是受其结构本身的限制很大，尤其模拟功能部件的增加更显困难。在开发工具上面，对于 89C51 来说，由于它是最早进入中国的单片机，人们对它在熟悉不过了，再加上我国各方人士的努力，创造了不少适合我们使用的开发工具。但是如何实现在线编程还是一个很大的问题。89C51 系列单片机本身的电源电压是 5 伏，有两种低功耗方式：待机方式和掉电方式。正常情况下消耗的电流为 24mA，在掉电状态下，其耗电电流仍为 3mA，即使在掉电方式下，电源电压可以下降到 2V，但是为了保存内部 RAM 中的数据，还需要提供约 50uA 的电流。方案二：采用低功耗的 MSP430 单片机，利用其功耗小功能强大的特点，内含 A/D 转换部分，及外围电路达到设计要求。MSP430 单片机是 16 位的单片机，采用了精简指令集(RISC)结构，只有简洁的 27条指令，大量的指令则是模拟指令，众多的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算。这些内核指令均为单周期指令，功能强，运行的速度快。MSP430 系列其基本架构是 16 位的，同时在其内部的数据总线经过转换还存在 8位的总线，在加上本身就是混合型的结构，因而对它这样的开放型的架构来说，无论扩展 8 位的功能模块，还是 16 位的功能模块，即使扩展模/数转换或数/模转换这类的功能模块也是很方便的。这也就是为什么 MSP430 系列产品和其中功能部件迅速增加的原因。基于单片机的燃气泄露检测仪设计第 4 页 共 38 页 对于 MSP430 系列而言，由于引进了 Flash 型程序存储器和 JTAG 技术，不仅使开发工具变得简便，而且价格也相对低廉，并且还可以实现在线编程。MSP430 系列单片机在低功耗方而的优越之处，则是 89C5l 系列不可比拟的。正因为如此，MSP430 更适合应用于使用电池供电的仪器、仪表类产品中。综上所述，从性能上考虑 MSP430 单片机拥有较多的引脚，单片机本身具有较强的处理能力，方便了电路设计，它采用精简指令集结构，在 8MHZ 时指令速度可达8MIPS。另外 MSP430F5529 采用了 16 位多功能硬件乘法器等先进的体系结构，大大增强了其数据处理和运算能力，能够做到跟踪监控能力，所以本设计采用方案二，用MSP430 系列单片机做核心电路。2.1.2 系统构成框图本设计以单片机为核心，主要是通过采集燃气灶输出的脉冲流量的大小通过与设定值进行比较来判断是否泄漏，并配合以液晶显示模块显示当前状态，配合串口通信模块将数据传送给上位机，使燃气安全的为家庭消费者所用其系统构成框图 如下图 2-1 所示:图 2-1 系统构成框图电压采集流量脉冲采集 单片机电磁阀煤气罐热水器信号采集信号报警上位机华北科技学院毕业设计（论文）第 5 页 共 38 页 3 燃气泄漏检测仪硬件设计3.1 MCU 核心模块设计为了更好地满足设计要求，通过 89C51 系列单片机与 MSP430 系列单片机的论证与比较，本设计采用的是 MSP430 系列单片机为本设计的 MCU 核心模块。3.1.1 MSP430 系列单片机发展历程MSP430 系列单片机是美国德州仪器（TI）1996 年开始推向市场的一种 16 位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor） ，称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。MSP430 系列的部分产品具有 Flash 存储器，在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优点。TI 公司推出具有 Flash 型存储器及 JTAG 边界扫描技术的廉价开发工具 MSP-FET430X110，将国际上先进的 JTAG 技术和 Flash 在线编程技术引入 MSP430。这种以 Flash 技术与 FET 开发工具组合的开发方式，具有方便、廉价、实用等优点，给用户提供了一个较为理想的样机开发方式。3.1.2 MSP430 系列单片机的应用领域MSP430 型系列是一款超低功耗类型的微控制器，特别适合于手持设备和安全领域的应用。MSP430 虽属微控制器，但在众多单片机系列中有独特的优势。该 MSP430 系列将大量的外围模块整合到片内，也适合于设计片上系统，具有丰富的不同型号的器件可供选择，给设计者带来很大的灵活性。其原因就在于它是一个 16 位的精简指令构架，有大量的工作寄存器和数据存储器，其 RAM 单元也可以实现运算。在运算速度方面，MSP430 系列单片机能在 8HHz 晶体的驱动下，实现 125ns 的指令周期。16 位数据宽度，125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能实现乘加)相配合，能实现数字信号处理的某些算法。2004 年 10 月又推出了 MSP430F2XX 系列新款单片机，该款新品可实现前代产品两倍的处力性能而待机功耗仅为前代品一半。同其它单片机相比，MSP430 系列可以大大延长电池的使用寿命。lus-6uS 的启动时间可以使启动更加迅速。ESD 保护，抗干扰力强；低电压供电；多达 64KB 寻址空间，包含 ROM、RAM、闪存 RAM 和外围模块；外部中断引脚；I0 口具有中断能力；外围模块地址为存储器分配；全部寄存器不占用 RAM 空间，均在模块内；定时器中断可用于事件计数、时序基于单片机的燃气泄露检测仪设计第 6 页 共 38 页 发生、PWM 等；看门狗功能；AD 转换器(10 位、12 位、16 位或更高精度)并且支持C 语言和汇编语言。3.1.3 单片机最小系统介绍单片机最小系统是由保证处理器可靠工作所必须的基本电路组成，主要包括电源电路、时钟电路、复位电路、通信接口电路、数据存储电路，其硬件框图如图 3-1 所示。图 3-1 单片机最小系统框图（1）时钟电路在时钟电路中，低速晶体振荡器(LFXTl)满足了低功耗及使用 32768kHz 晶振的要求。LFXTl 振荡器默认工作在低频模式，即 32768kHz，也可以通过外接450kHz8MHz 的高速晶体振荡器或陶瓷谐振器工作在高频模式，在本电路中我们使用低频模式，晶振外接 2 个 22pF 的电容经过 XIN 和 XOUT 连接到 MCU。高速晶振也称为第二振荡器 XT2，它为 MSP430 工作在高频模式时提供时钟，XT2 最高可达 8MHz。在系统中 XT2 采用 4MHz 的晶体，XT2 外接 2 个 30pF 的电容经过 XT2IN 和 XT2OUT 连接到 MCU，如下图 3-2 所示。（2）复位电路：复位电路是单片机系统中不可缺少的部分，其好坏影响整个单片机应用系统的可靠性。同时，复位电路非常容易受到外部噪声干扰，因此，复位电路的设计首先要求保证整个应用系统的可靠性，其次是具有抗干扰能力。复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定电源电路晶振电路复位电路通信接口电路数据存储电路MSP430华北科技学院毕业设计（论文）第 7 页 共 38 页 后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。 Y24MC 1112PC 1312PGNDXT1INXT1OUT图 3-2 时钟电路图MSP430 的复位电路包括一个上电复位(POR)和上电清除信号(PUC)。POR 是设备复位信号，它通常在以下三种事件发生时被触发：a.上电；b.复位模式下 RST/NMI 脚出现低电平；c.电压监控设备(Brownout)触发。当供电电压 VCC 缓慢上升时，POR 监测器保持 POR 信号有效直到 VCC 超出VPOR 水平，当供电电压 VCC 快速上升时，POR 延时 t(POR DELAY)提供了足够长的有效 POR 信号以确保 MSP430 有足够的时间进行初始化。经常使用的复位电路有以下几种：手动按钮复位：手动按钮复位需要人为在复位输入端 RST 上加入高电平。一般采用的办法是在RST 端和正电源 Vcc 之间接一个按钮。当人为按下按钮时则 Vcc 的+5V 电平就会直接加到 RST 端。手动按钮复位的电路如图 3-3 所示。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒所以完全能够满足复位的时间要求。基于单片机的燃气泄露检测仪设计第 8 页 共 38 页 图 3.3 手动按钮复位电路上电复位： C51 的上电复位电路如图 3-4 所示只要在 RST 复位输入引脚上接一电容至 Vcc 端下接一个电阻到地即可。对于 CMOS 型单片机由于在 RST 端内部有一个下拉电阻故可将外部电阻去掉而将外接电容减至 1F。上电复位的工作过程是在加电时复位电路通过电容加给 RST 端一个短暂的高电平信号此高电平信号随着 Vcc 对电容的充电过程而逐渐回落即 RST 端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。为了保证系统能够可靠地复位 RST 端的高电平信号必须维持足够长的时间。上电时 Vcc 的上升时间约为10ms而振荡器的起振时间取决于振荡频率如晶振频率为 10MHz起振时间为 1ms 晶振频率为 1MHz 起振时间则为 10ms。在复位电路中当 Vcc 掉电时必然会使 RST 端电压迅速下降到 0V 以下但是由于内部电路的限制作用这个负电压将不会对器件产生损害。另外在复位期间端口引脚处于随机状态复位后系统将端口置为全“l”态。如果系统在上电时得不到有效的复位则程序计数器 PC 将得不到一个合适的初值因此 CPU 可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。本设计采用的是最简单的复位电路如 3-4 所示：C 70.1uFVC CGNDR S TR 447K华北科技学院毕业设计（论文）第 9 页 共 38 页 图 3-4 复位电路图如上图所示，当加入电源时电容相当于短路，RST 输出低电平，复位，当电容充满电后电容相当于断路 RST 输出高电平复位结束。（3）JTAG 为了更方便本设计要求，本设计采用 JTAG 接口直接对核心芯片 MSP430F5529 进行电气规则检查和编程，传统生产流程中先对芯片进行预编程现再装到板上，现简化流程为先固定器件到电路板上，再用 JTAG 编程，从而大大加快工程进度。JTAG 接口可对 PSD 芯片内部的所有部件进行编程。JTAG(Joint Test Action Group；联合测试行动小组)是一种国际标准测试协议（IEEE 1149.1 兼容） ，主要用于芯片内部测试。现在多数的高级器件都支持 JTAG 协议，如 DSP、FPGA 器件等。标准的 JTAG 接口是 4 线：TMS、TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。其接口电路如下图 3-5 所示，引脚功能如表 1 所示。 JTAG口口口口1234567891011121314J1JTAGTES TTC KTM STDI/TC LKTDOR S TVC CGND图 3-5 JTAG 接口电路表 1 JTAG 引脚图基于单片机的燃气泄露检测仪设计第 10 页 共 38 页 3.1.4 单片机的选型本论文的核心部件为以单片机 MSP430 为核心的控制模块，TI 公司的超低耗单片机特别适合与便携式的或双电源供电的设备，MSP430F5529 单片机的电源电压采用1.8-3.6V 低电压。独特的时钟系统设计，包括两个不同时钟:基本时钟系统和锁相环时钟系统，另外 MSP430F5529 有多种工作模式 LPMX 以有力的方式支持低功耗系统的各种要求，用中断请求将 CPU 唤醒只需要 6us。由于本论文要求在停电时也能进行监控所以此款单片机十分符合本设计要求。MSP430F5529 单片机具有较强的处理能力：它采用精简指令集结构，在 8MHZ 时指令速度可达 8MIPS。另外 MSP430F149 采用了 16 位多功能硬件乘法器等先进的体系结构，大大增强了其数据处理和运算能力能够做到跟踪监控能力。MSP430F5529 单片机有丰富的外围模块：12 位 A/D 转换器 ADC12，比较器Comparetor-A，硬件乘法器，2 个带有捕获/比较寄存器的 16 位定时器，2 个可实现异步、同步的串行同行接口，看门狗。另外 MSP430F5529 采用矢量中断，2 个 8 位端口有中断能力，支持十多个中断源，并可以任意嵌套。这种功能大大的精简了电路设计和程序设计。MSP430F5529 单片机开发方式及其方便，利用单片机本身具有的 JTAG 接口，可以实现程序下载、调试为整个项目的开发提供方便。由于 MSP430F5529 单片机强大的功能所以本设计用非常少简单的电路就能实现单片机对液晶显示屏、串口通信、程序下载，以及完成软件编程的功能。图 3-6 为MSP430F5529 芯片的管脚。华北科技学院毕业设计（论文）第 11 页 共 38 页 由于此款单片机的管脚较多，并且很密，因此在设计 PCB 电路的时候，一定要查看 MSP430 的用户手册来获得官方的尺寸，不然很有可能是制作出来的 PCB 板和插座连接不好，导致芯片接收不到模拟信号通道所获得的数据。图 3-6 MSP430F5529 芯片管脚图3.1.5 单片机外围电路设计模拟地与数字地隔离电路在 MSP430 系列单片机中数字地与模拟地不能接在一起的，因为模拟信号和数字信号都要回流到地，因为数字信号变化速度快，从而在数字地上引起的噪声就会很大，而模拟信号是需要一个干净的地参考工作的。如果模拟地和数字地混在一起，噪声就会影响到模拟信号。一般来说，模拟地和数字地要分开处理，然后通过细的走线连在一起，或者单点接在一起。对于低频模拟电路，除了加粗和缩短地线之外，电路各部分采用一点接地是抑制地线干扰的最佳选择，主要可以防止由于地线公共阻抗而导致的部件之间的互相干扰。 而对于高频电路和数字电路，由于这时地线的电感效应影响会更大，一点接地会导致实际地线加长而带来不利影响，这时应采取分开接地和一点接地相结合的方式。 另外对于高频电路还要考虑如何抑制高频辐射噪声，方法是：尽量加粗地线，以基于单片机的燃气泄露检测仪设计第 12 页 共 38 页 降低噪声对地阻抗。满接地，即除传输信号的印制线以外，其他部分全作为地线。不要有无用的大面积铜箔。另外用磁珠连接、用电容连接、用电感连接、用 0 欧姆电阻连接。是常用的方法，本设计采用 0 欧姆电阻连接来进行数字地与模拟地分离，电路图如下图 3-7 所示：图 3-7 模拟数字地分离电路3.2 采集模块硬件设计本设计中的采集模块主要功能是采集灶具火焰模拟信号及燃气表流量脉冲信号和报警器的报警信号，其中流量信脉冲信号由燃气灶装置附属装置流量表直接输出并输入到控制单元，所以此处的采集模块主要是采集燃气灶输出的热电偶信号大小，输入给单片机通过单片机内置的 A/D 转换模块转换成数字信号，从而来判断燃气灶是出于关闭还是打开状态。由于燃气灶输出电压太小并不能识别，本设计采用放大模块进行放大，本设计中的采集模块由一个两级运算放大电路组成，主要用于放大输出电压到能使单片机识别的大小。采集模块电路通过调节电流中阻值的大小从而来控制放大倍数的大小，其电路原理图如下图 3-8 所示：本电路中可知电路的放大倍数为： （公式 3-1）) 12(3410VVRRV由此可知，为满足电路需要，电路中个电阻的组织应调至为 R1 为 4.8K，R2 为16.1K，R3 为 4.4K，R4 为 36.9K。LM358 芯片LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电华北科技学院毕业设计（论文）第 13 页 共 38 页 图 3-8 采集模块电路原理图源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模拟、音频放大器、工业控制、DC 增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358的封装形式有塑封 8 引线双列直插式和贴片式。特点：内部频率补偿。 直流电压增益高(约 100dB) 。 单位增益频带宽(约 1MHz) 。 电源电压范围宽：单电源(330V)；双电源(1.5 一15V) 。 低功耗电流，适合于电池供电。 低输入偏流。 低输入失调电压和失调电流。 共模输入电压范围宽，包括接地。 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围。 输出电压摆幅大（0 至 Vcc-1.5V) 。LM358 引脚图如下图 3-9 所示。基于单片机的燃气泄露检测仪设计第 14 页 共 38 页 图 3-9 LM358 引脚图3.3 串口模块硬件设计MSP430 系列微控制器都自带串行通信口，有几款还有两个串口。这样就方便了与PC 机接口，增强了与外界通信的能力。不过串口的电平和逻辑关系与 MSP430 存在很大的差别。以广泛应用的 EIA - RS - 232C 标准为例，对于数据（信息码）：逻辑“1”（传号）的电平为-3V -15V，逻辑“0” （空号）的电平为+3V +15V；对于控制信号：接通状态（ON） ，即信号有效的电平为+3V +15V，断开状态(OFF)，即信号无效的电平为-3V -15V。也就是说当传输电平的绝对值介于 3V 15V 时，认为是有效信号，其它电平均认为是无效的。而 MSP430 输出的电平却在 0 3V 左右，因此要想与 PC串口接口或者其它带有串口的终端接口，必须要进行 EIA-RS-232C 与 MSP430 电平和逻辑关系的转换。实现这种变换的方法很多，可用分离元件，也可用集成电路。目前较为广泛地使用集成电路转换器件，MAX232/MAX232A、MAX3221/MAX3223 等芯片可完成多路 3V 15V 电平与串口电平的双向转换。在 MSP430 与 PC 串口接口时，用 MAX232A 电路比较简单（只需外接几个电容） ，而且这款芯片可以实现两路变换，价格也较便宜。本设计采用 MAX3221 芯片，可来完成 3V15V 电平与串口电平的双向转换，其串行部分的电路图如下图 3-10 所示。华北科技学院毕业设计（论文）第 15 页 共 38 页 -en1C1+2V+3C1-4C2+5C2-6V-7R1in8-FORCEOFF16VCC15GND14T1OUT13FORCEON12T1IN11-INVALID10R1OUT9M AX3221U1162738495J2UART_RXUART_TXVCCGNDC20.1ufC30.1ufC50.1ufC40.1ufC10.1ufGNDGNDGNDGND图 3-10 串口部分电路图MAX3221 芯片MAX3221 包含一个线驱动器一个线接收器和一个带有15KV D 的 ESD 保护的双电荷汞，该器件可满足 TIA/EIA-232-F 要求并在一个异步通信控制器和串行端口连接器之间提供接口电荷汞和四个小型外接电容器可在单路 3V 至 5.5V 电源电压下工作这些器件在数据信号率达到 250 kbit/s 且最大的 30-V/s 驱动输出回转率时工作。当串行端口失效时可对电压管理进行灵活的控制选择在 FORCEON 为低且FORCEOFF 为高时自动掉电功能起作用在这种工作方式中若器件未感应到接收器输入端上的一个有效的 RS-232 信号则驱动器输出端被禁止若 FORCEOFF 置为低且 EN 为高则驱动器和接收器均被切断电源电流降至 1A 断开串行端口或关闭外围驱动器将会导致自动掉电；当 FORCEON 和 FORCEOFF 为高时自动掉电被禁止，当自动掉电被使能且在接收器输入端加一个有效信号时，器件被激活。无效 INVALID 输出告知用户查看RS-232 信号是否加在接收器输入端，如果接收器输入端电压高于 2.7 V 或低于-2.7 V或在+0.3 V 之间并持续少于 30 s，INVALID 为高数据有效；如果接收器输入端电压在+0.3 V 之间并持续超过 30 s 则 INVALID 为低数据无效接收器输入端电平。特点：（1） 能满足或超过 TIA/EIA-232-F 和 ITU v.28 标准的要求，工作电源电压为 3V至 5.5Vz 最多可处理 250 kbit/sz ，一个驱动器和一个接收器低待机电流典型值为 1 Az 外接电容器 0.1 F。基于单片机的燃气泄露检测仪设计第 16 页 共 38 页 （2） 接受 5V 逻辑输入电平和 3.3V 电源电压，可与 Maxim MAX3221 互换使用。（3） 可供选择的高速引脚可兼容器件(1 Mbit/s) SNx5C3221z RS-232 总线，引脚 ESD 保护超过15 kV 时，采用人体模型 HBMz 自动掉电特点可自动使驱动器失效以节约电源 12 应用范围。（4） 电池上电手持和便携式设备、掌上个人电脑、数码相机。（5） 移动电话和无线设备。3.4 双电源供电模块硬件设计3.4.1 双 12V 稳压电源设计随着社会发展现在城市供电已经变得趋于稳定，但是并不排除有停电的可能，当停电时并且电力系统无法短时间内恢复供电时会对燃气灶的流量监控带来不便，因此本设计本着安全周到的理念设计了双电源供电，当停电时启用备用电源，再停电的情况下也能进行量的监控、报警。一般的双电源供电采用两个互相独立的电源。双电源一般用于区域电源回路中，以保证该区域能够在一个电源故障时，仍能继续得到电源。一般双电源不允许并列运行，所以往往是一个电源投入运行，另一个电源备用。一旦工作电源失去后，备用电源自动或手动投入继续供电。以下为双电源供电的电路图，如图 3-11 所示：以上电路为双电源供电电路，主要提供的是 12V 电源，一方面 12V 电源有外设电源提供，当正常供电的情况下采用外电源供电，另一方面当停电时程序控制自动调转到电池供电，当电池电量不够达到设计所需电量时，由一个分压电路输入到控制模块中可以进行电池欠压报警。两种电源供电共同为单片机的驱动电源提供原电源保证了设计的稳定性。工作原理如下：首先，当有城市供电时，内部电源供电，220V 经过整流桥整流、滤波、稳压电路输出所需要的 12V 电压。华北科技学院毕业设计（论文）第 17 页 共 38 页 12J812v口口C 210.1uR 205MR 231MAIN0C 220.1u12VAGNDAGNDAGNDAGND132VVGNDINOUTU978L12D78D9D10C 340.33uF+C 332200uFTF11TO112VC 350.1uF220V+-AGND12J1012v口口+12J1712v口口 GNDC 290.1uAGND12V图 3-11 双电源供电原理图当停电时，12V 电池供电，当电池电量不充足时 AIN0 通过分压电路输出信号产生欠压报警信号提醒更换电池。本设计内部供电是由 78L12 三端稳压器组成，78L12 属于 78LXX 系列稳压器件，根据不同型号可以输出 5V、6V、12V 等不同电压。3.4.2 3.3V 电源设计单片机系统电源设计是单片机应用系统设计中的一项重要工作，电源的精度和可靠性等各项指标直接影响系统的整体性能。本设计采用三端稳压器组成稳压电路为单片机提供稳定的驱动电压。本设计采用 LM2575 及外围电路组成单片机电源，其原理图本设计如图 3-12 所示：L1100uHVIN13OUT2FB456GNDGND ON/OFFU3LM 2575T-5.0C20100uFD1SS14C271000uF12VAVCCAGNDAGNDAGNDAGND基于单片机的燃气泄露检测仪设计第 18 页 共 38 页 图 3-12 LM2575 及外围电路(1) LM2575-5.0 芯片介绍LM2575 系列开关稳压集成电路是美国国家半导体公司生产的 1A 集成稳压电路，它内部集成了一个固定的振荡器， 只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路，可大大减小散热片的体积，而在大多数情况下不需散热片；内部有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等；芯片可提供外部控制引脚，是传统三端式稳压集成电路的理想替代产品其引脚功能图如下图 3-13 所示：图 3-13 LM2575-5.0 引脚图OUTPUT：开关电压输出，接电感及快恢复二极管； GND：公共端； FEEDBACK：反馈输入端； ON/OFF：控制输入端，接公共端时，稳压电路工作；接高电平时，稳压电路停止。该系列分为 LM1575、LM2575 及 LM2575HV 三个系列，其中 LM1575 为军品级产品，LM2575 为标准 电压产品，LM2575HV 为高电压输入产品。每一种产品系列均提供 3.3V、5V、12V、15V 及可调（ADJ）等多个电压档次产品。(2)电源电路中器件的选择电感的选择 根据输出的电压档次、最大输入电压 Vin(MAX)、最大负载电流 Iload（MAX）等参数选择电感时可参照相应的电感曲线图来查找所需采用的电感值。 输入输出电容的选择输入电容应大于 47F，并要求尽量靠近电路。而输出电容推荐使用的电容量为华北科技学院毕业设计（论文）第 19 页 共 38 页 100F470F，其耐压值应大于额定输出的 1.52 倍。对于 5V 电压输出，推荐使用耐压值为 16V 的电容。二极的选择二极管的额定电流值应大于最大负载电流的 1.2 倍，但考虑到负载短路的情况，二极管的额定电流值应大于 LM2575 的最大电流限制；另外二极管的反向电压应大于最大输入电压的 1.25 倍。综上所述，双电源供电设计与三端稳压电路设计相配合共同为单片机提供的稳定的驱动电压。3.5 LCD 液晶显示模块设计为了更好地监控灶火的安全性，本设计在当流量异常时进行报警的同时还能够显示当前监控系统当前各个阀的状态，例如显示” 灶 1 关” “正常”等中文字样，所以本论文采用 FYD12864 液晶显示作为核心部件用于显示电路。本设计液晶显示电路如下图 3-14 所示。由上图可知液晶显示电路的工作原理如下：MSP430F5529 片内外设有液晶控制模块可以直接控制液晶显示屏。选用 P3 口给液晶显示器提供控制信号，P0 口给液晶显示器传送数据。FYDl2864R 液晶显示器的控制信号有 RS、RW、E、PSB 其中 RS、RW、E 分别对应接在 MSP430F5529 的P5.7、P4.1、P4.0 上。背光灯的电源正极、液晶显示器模块的电源正极以及 LCD 驱动电压输入端都接在+5V 的稳压电源上,背光灯的电源负极接到稳压源的地上。当有信号时，单片机就会把信号传输给显示屏，由此显示屏就可以将显示的内容显示到液晶显示屏上。基于单片机的燃气泄露检测仪设计第 20 页 共 38 页 图 3-14 液晶显示电路显示电路所用元器件及资料FYD12864 芯片：带中文字库的 128X64 是一种具有 4 位/8 位并行、2 线或 3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864，内置 8192 个 16*16 点汉字，和 128 个 16*8 点 ASCII 字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84 行 1616 点阵的汉字.，也可完成图形显示。低电压低功耗是其又一显著特点，由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。基本特性： 低电源电压：（VDD:+3.0-+5.5V）显示分辨率：12864 点显示方式：STN、半透、正显 驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS 视角方向：6 点背光方式：侧部高亮白色 LED，功耗仅为普通 LED 的 1/51/10 通讯方式：串行、并口可选内置 DC-DC 转换电路，无需外加负压无需片选信号，简化软件设计华北科技学院毕业设计（论文）第 21 页 共 38 页 工作温度:：0 +55 ,存储温度: -20 +60 FYD12864 引脚功能如下表 2 所示表 2 FYD12864 引脚功能引脚号引脚名称方向功能描述1VSS-模块的电源地2VDD-模块的电源正端3V0-LCD 驱动电压输入端4RS(CS)H/L并行的数据/指令选择、串行的片选5R/W(SID)H/L并行的读/写选择信号、串行的数据口6E(CLK)H/L并行的使能信号、串行的同步时钟7DB0H/L数据 08DB1H/L数据 19DB2H/L数据 210DB3H/L数据 311DB4H/L数据 412DB5H/L数据 513DB6H/L数据 614DB7H/L数据 715PSBH/L并/串选择信号：H-并行、L-串行16NC空脚17/RETH/L复位：L18NC空脚19LED_A-背光源正极（LED+5V）20LED_K-背光源正极（LED+0V）*注释 1：如在实际应用中仅使用并口通讯模式，可将 PSB 接固定高电平，也可以将模块上的 J8 和“VCC”用焊锡短接。*注释 2：模块内部接有上电复位电路，因此在不需要经常复位的场合可将该端悬空。基于单片机的燃气泄露检测仪设计第 22 页 共 38 页 *注释 3：如背光和模块共用一个电源，可以将模块上的 JA、JK 用焊锡短接。 3.6 本章小结本燃气泄漏检测仪设计通过采集灶具火焰模拟信号