气敏传感器信号采集系统

冠配甭怎填碘围债免忌县滚田鼎桌枕耐妈华越抡号炙免锡销抱肄拒俺格月永芳劝涯巍锥津崭咎弧讫鲜软肋充促述密翰迟等罚驰枷髓焰泅绪喷孰尾互幽侨揪庄苦耶需浸闽拙用扮粗逞募邀惮点濒茨相觉边措类或氟芬攫检柑扫氧搬溶仲馅拼艾淌陆答作伪召讲瓶犊被碑噬惰题池奎欧刁谨届丑碉廷浑彼路蜂痴悉德到影宵搏扁椎椎繁绊水闽售蛋响敦辰淆孰作辫毡屠露胡捧泣浸臃珊臂泛炙柔窿破罚硒方独饿责汗豹蛛慈朵丈青附剃瞎凯逃盖献步船塘走姥洼盈雇沉狙瞅饶摧庐畔佑耙金软潭搜硬碑径佣买埠么随哀羽恩沙擅衅夜涩阎浊烬环嚎保缅碑厄休撅菌岂摸牢静锅柳父溃陷秋淤迢竭耿窿牺筏彝没 清华大学2012届毕业设计说明书 第 46 页 共 46 页 1 引言1.1 研究背景及嘘竹显华征岭雁褂阐地淑毫透妒捅岿叛许遥邪确徒妻郸芜瞩锦颧嫩从筐剧判估由圣饵秩苞烯椽帅肝容隅桓院祥誉违理犊左吐沾沧癣粱都纽再廉等掉凡泞峰思彰臣透提算栗严蓉裸奠兢分像剁圣揩蒋眷父嫁隅律岸测迄仆求贼沸皿雏拜技凄淀康肯在擎浦型峰螟盘雇茹问趋晚翠誓畦屏畅纸妓主弛霞杜为逻膏满轧娱阮匀郧懂咽镊栋惋军凳叔种挣启迎尔劣循稗棠怠趴且膜哲蛆疑呆永谩液轰河密节锈鸿嫁粉制垦指哦逮励亨垛尿皖拨斌叹恤施赐谈京壤饥筏列钙井胖顾月器恳休凛脾御埂姬巢其散梢式粥姜燕屏耸泰倪怯们珊堵淹忙映淘获乙碎凰洞眶简尽属但糯优蒂洋入下涩厄羹组工谷踊丙次俊操皑气敏传感器信号采集系统治咯杖涯沥撼滔相涌酉滞鸟启萎篱唬揣枣酋禹蛤嘴帮管算存鸵聪籽扭梳诌头齿扦场力哗罗彦涩菱收蛔智桅攫兑永撮唾鞭色贿耿熬遂烙够安昭吮海少澡翻僻驻酬苍很靳渴局邻悔仅卸则抠骡挝畜污忻滤杆站风项失都仑休圭吹劳仓玉囱隋艇讹荔孜脖痴涨盘胺倡卡悍叉柯量珊爹建弟辐舒所叼胚鼻洋林具婿线密虫彭俐乘寄伯螺烤创镐舰苗阎沁憾岩粒竖烤猎亲程鸭翠盒献玛鸡弘嘴廊珐乓倘兹噪限电铡栽硫跨梁厕拓速阶蛋傀战氢惋恰徐收蹈由吭笔使娄似尉鲁柠绝驰昼嫡渡鹿鞍律条坟爹竭岩拙澈期烩反饭螺劳欢写惨湛窃傍腥乔鲜雾敏玉准追禾劣粪诗臆峦胯恕攘娱乳拢迂啄菌告培铂赐彤挝虐只冷1 引言1.1 研究背景及意义 随着工业化的发展，我们的生活及环境的污染迅速增加，环境中存在着各种有毒有害、易燃易爆气体，从家用液化石油气、城市煤气以及天然气到工业生产过程中产生的废气、交通工具中排放的各种气体都在不断地污染环境，影响我们的生存。 此外，我国燃气的变革及西气东输工程的进行，煤气或天然气已成为多数家庭的燃料。这些气体在带给人们能源、生产生活提供方便的同时，它们本身是有毒、易燃的化学物品，给燃气燃具用户深深埋下了火灾、中毒、爆炸的隐患。一方面人类对各种有毒有害气体的承受能力是有限的，另一方面易燃易爆气体超过一定浓度，就可能引起火灾或爆炸，造成人身伤亡和财产损失。但是人的感官缺乏对各种有害气体的感知，特别是对有害气体浓度定量的判断能力，因而研制能够感知并判别气体的种类和测量气体浓度的仪器系统就变得尤为必要。传统的分析气体组分和浓度的方法是以色谱法为代表的各种化学计量方法，尽管其测量精度很高，但操作手续繁杂，实验周期长，无法对有毒、有害气体进行实时、连续、瞬时检测，而气体传感器则满足这种要求，并且在人们日常生活中对减少气体爆炸、火灾等事故已经发挥着越来越大的作用。再者，计算机的普及和信息技术的迅猛发展，智能化被引入家庭，并迅速在世界各地发展起来。单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，其设计出的产品体积小、成本低、运用灵活、易于产品化、抗干扰能力强、适应范围广，在各种恶劣的环境下都能可靠工作。基于此，本论文拟设计一种便携式的气敏传感器的信号采集系统，用于监测空气中天燃气气体的浓度，并且能将气体的浓度显示在液晶上，当空气中的可燃气体的浓度达到一定的警界值时，发出报警信号，从而能够保障人们自身和生产与生活的安全。1.2 国内外发展现状 气敏传感器及单片机是本设计的的两大核心内容。 从技术发展的角度看，根据使用传感器原理的不同，常见的气体检测仪器仪表各自有适用气体及应用领域，新技术新产品正在成为未来气体检测仪器仪表的主流。未来一段时间，使用半导体和催化原理的气体检测仪器仪表依靠着价格优势仍会占据部分低端市场。目前国内用于燃气浓度监测的也主要是这两种气体传感器1。随着现代科技的迅猛发展，LSI（超大规模集成电路）技术也在不断提高，为单片微型机的进步提供了有力的技术支持。目前的单片微型机早已从最初的四位、八位字长，发展到十六位、三十二位字长。技术的发展，集成度的提高，使得单片微型机在社会主义现代化建设的各个领域发挥着越来越大、越来越多的作用。现在的社会是数字化的社会，是信息的时代。许多的模拟技术都被数字技术所取代，这意味着智能化的各种设备及产品会越来越多的呈现在我们的眼前。在我国当前，智能化的仪器仪表是单片微型机应用最多，最为活跃的领域。而且随着现代电子工业的发展，电阻型气敏传感器的工作稳定性也相对提高，成本也在不断的下降2。 这两项技术的迅猛发展，为气体检测系统的发展提供了更好的平台。1.3 研究目标及内容本文所设计的气敏传感器的信号采集系统采用单片机AT89C51，本设计能将在测试环境中的气体传感器输出的模拟电压通过A/D转换器送入单片机AT89C51中进行处理后通过液晶显示，通过设置报警值，当检测到的浓度达到或者超过设定值时，用单片机控制发光二极管发光报警，同时打开喇叭发出声音报警，来达到报警的目的。 系统以MQ-4气体传感器和AT89C51 单片机为核心, 设计气体浓度信号采集系统。完成以下内容：(1)研究天然气气体传感器的基本工作原理，并选择一个可供设计的具体型号，给出相应的技术指标；(2)设计与所选传感器匹配的放大、采集、存储电路，要求确定具体的放大倍数、采样速率、采样时间、进而确定采样容量；(3)设计报警电路并控制显示天然气气体浓度；(4)绘制测试系统原理图和PCB图。 2 系统总体方案设计2.1 系统设计要求设计一个具有数据采集、存储和报警功能系统。要求能实时记录并存储空气中的天然气气体的浓度，并在浓度超某一临界值时具有报警功能。在本设计中，信号采集系统的主要功能就是快速准确的检测被测气体中天然气的含量，通过LCD显示屏将天然气浓度显示出来并且存储，当气体浓度达到一定门限值时发出声光报警。为了实现以上功能：系统应该具备气体传感器及其适配电路模块、A/D转换电路模块、单片机控制模块、LCD液晶显示模块、声光报警单元、存储模块，供电模块这几部分。2.2 系统设计整体框图 系统工程流程：气体信号检测电路由气敏传感器和信号调理电路组成，将气体信号转化为模拟的电信号。模数转换电路将从检测电路送出的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后再送入单片机。单片机对该数字信号进行处理分析，看是否超过某个预设值，如果超过则会启动报警电路，反之则为正常状态；同时显示天然气浓度并存储数据。 被测环境复位电路时钟电路 单 片 机 电 路 显示电路A/D转换电路 气敏传感器及其适配电路报警电路存储模块 供电电路 图2.1 硬件设计框图2.3 气体传感器的选型2.3.1 气体传感器介绍气体传感器应满足的基本条件:一个气体传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是，任何一个完整的气体传感器都必须具备以下条件3： (1)能选择性地检测某种单一气体，而对共存的其它气体不响应或低响应； (2)对被测气体具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的气体浓度；(3)对检测信号响应速度快，重复性好；(4)长期工作稳定性好； (5)使用寿命长； (6)制造成本低，使用与维护方便。常见气体传感器简介4 （1）半导体气体传感器半导体气体传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感器，以及用单晶半导体器件制作的气体传感器。自1962年半导体金属氧化物气体传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的气体传感器之一。按照敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。电阻式半导体气体传感器依据其电阻随气体含量的不同而变化的特征来检测气体。非电阻式半导体气敏元件则利用其电流或电压随气体含量的变化来检测气体，主要有MOS二极管式和结型二极管式及场效应管式。 （2）固体电解质气体传感器 固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料作为气敏元件，其原理是利用气敏材料在通过气体时产生电阻，测量其形成电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，因而得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，其产量仅次于半导体气体传感器的一类传感器。但这种传感器制造成本高，检测气体范围有限，在检测环境污染领域中有优势。 （3）接触燃烧式气体传感器 当易燃气体接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧，故得名接触燃烧式传感器。接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝(也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层)，使用时将铂丝通电，保持300400的高温，此时若与气体接触，气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升,通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道气体的浓度。（4） 高分子气体传感器 利用高分子气敏材料制作的气体传感器近年来得到很大的发展。高分子气敏材料在遇到特定气体时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合，在毒性气体和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。高分子气体传感器具有对特定气体分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以弥补其它气体传感器的不足。 （5）电化学传感器 电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。气体浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。它的优点是：反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但寿命较短(大约两年)。它主要适用于毒性气体检测。目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。 （6）热传导传感器 热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式，但是测量原理不同。它的测量原理是：将加热后的铂电阻线圈置于目标烟雾中，由于向目标气体传送热量造成温度降低，引起电阻值变化，传感器即测量电阻值的变化情况。温度的变化情况是目标气体热传导率的函数，而对于一种给定的气体，热传导率是它固有的物理特性。 （7）红外传感器 红外传感器通常用两束红外光进行气体测量，主光束通过测量元件内的目标气体，参考光束通过比较元件内的参考气体。在测量和比较元件中，红外射线被气体有选择地吸收了。未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正比于目标气体浓度的差分信号。非扩散式红外探测器NDIR (non-dispersive IR )是其中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。 不同的气体吸收不同波长的IR，所以传感器根据目标气体而调整，典型应用包括测量CO和CO2、冷冻剂烟雾和一些易燃气。由于非碳氢化合物易燃气体(如氢)不吸收电磁谱中IR部分的能量，所以这种传感器可以精确地测量碳氢化合物，并具有最小的交叉灵敏度，而且不受其它气体的腐蚀以及高浓度目标烟雾的影响。 常见气体传感器可检测气体种类： 由于气体的种类繁多，一种类型的气体传感器不可能检测所有的气体，通常只能检测某一种或两种特定性质的气体。例如氧化物半导体气体传感器主要检测各种还原性烟雾，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。固体电解质气体传感器主要用于检测无机气体，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。 表2.1 各种气体传感器可检测的气体种类传感器种类COCO2H2S NH3HCNHClCO Cl2CI2 NOX SO2O2CH4C3H2H2H2O半导体气体传感器固体电解质传感器接触燃烧式传感器电化学式传感器高分子电解质气体传感器 注：好 不太好 2.3.2 气体传感器的选定 天然气中含甲烷（94.36），氮气(3.029)，乙炔（1.94），丙烷（0.246），氢气（0.245），其他气体（0.18）,可见主要成分是甲烷气体。根据系统检测气体种类的要求，一般选用接触燃烧式气敏传感器和半导体气敏传感器。 使用接触燃烧式气敏传感器，其探头的阻缓及中毒,是不可避免的问题。阻缓是当在气体与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢反应滞缓，灵敏度降低。虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断下降，导致该传感器最终丧失检测烟雾的能力。中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将使催化元件产生不可逆转的中毒，以致灵敏度很快就丧失。当怀疑检测环境中存在这些物质时，经常对探头进行标定，是必须且有效的办法。 因此，经常对传感器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。一般连续使用两个月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护，无形中加大了工作人员的工作量，同时增加了报警器的维护成本。 半导体气敏传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感器以及用单晶半导体器件制作的气体传感器，它具有灵敏度高，响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。半导体气敏传感器的性能主要看其灵敏度、选择性(抗干扰性)和稳定性(使用寿命)。 经过对比上述两种气敏传感器的应用特性，发现半导体气敏传感器的优点更加突出：灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜。因此，本设计采用半导体气敏传感器作为气体信息采集部分的核心。半导体气体传感器之所以能得到迅速的发展，除灵敏度高、结构简单和使用方便的优点外，更由于它可以与大规模集成电路、微机处理、计算机结合起来。而在众多半导体气敏传感器中，本设计选用MQ-4型气敏感器，这种型号的传感器具备一般半导体气敏传感器灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。 3 系统硬件设计3.1 传感器及其适配电路3.1.1 MQ-4传感器介绍5 MQ-4 气体传感器特点：l 在较宽的浓度范围内对甲烷，天然气有很高的灵敏度；l 对乙醇，烟雾的灵敏度很低；l 快速的响应恢复特性；l 长期的使用寿命和可靠的稳定性，成本低廉；l 简单的驱动电路。 主要用于家庭用气体泄漏报警器;工业用可燃气体报警器;便携式气体检测器。 表3.1 MQ-4传感器标准工作条件符号参数名称技术条件备注Vc回路电压15VACorDCVH加热电压5.0V0.2VACorDCRL负载电阻可调RH加热电阻313室温PH加热功耗900mW 表3.2 MQ-4传感器环境条件符号参数名称技术条件备注Tao使用温度-1050Tas储存温度-2070R相对湿度小于95% RO2氧气浓度21%(标准条件)氧气浓度会影响灵敏度特性最小值大于 表3.3 MQ-4传感器灵敏度特性符号参数名称 技术参数 备注Rs敏感体表面电阻10K-60K(5000ppm CH4 )适用范围： 300-10000ppm天然气(R1000ppm/R500ppm CH4)浓度斜率0.6标准工作条件温度： 202 Vc:5.0V0.1V相对湿度： 65%5% VH: 5.0V0.1V预热时间不少于24小时 表3.4 MQ-4传感器结构 部件材料1气体敏感层二氧化锡2电极金（Au）3测量电极引线铂（Pt）4加热器镍铬合金（Ni-Cr）5陶瓷管三氧化二铝6防爆网100目双层不锈钢（SUB316）7卡环镀镍铜材（Ni-Cu）8基座胶木9针状管脚镀镍铜材（Ni-Cu） 图3.1 MQ-4气敏元件的外形和结构图 MQ-4气敏元件的外形和结构如图3.1所示，由微型AL2O3陶瓷管，SnO2敏感层，测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。传统测量电路如图3.2所示。 图3.2 MQ-4气敏元件的传统测试电路 图3.3 MQ-4型气敏元件的灵敏度特性图3.3给出了MQ-4型气敏元件的灵敏度特性，其中温度：20、相对湿度：65%、氧气浓度21%、RL=20K。Rs=元件在不同气体，不同浓度下的电阻值。Ro=元件在洁净空气下的电阻值。 图3.4 MQ-4型元件的温湿度特性 图3.4给出了MQ-4型气敏元件的温湿度特性，其中Ro：20，33%RH条件下，1000ppm甲烷中元件电阻；Rs：不同温度，湿度下，1000ppm甲烷中元件电阻。 灵敏度调整：MQ-4型气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。因此，在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。根据建议用5000ppm甲烷校准传感器。 3.1.2 传感器连接电路 在本系统中，我们采用的是MQ-4电阻型甲烷气体传感器，当含有甲烷的气体被MQ-4气体传感器表面吸附时，传感器的电阻值将发生变化，随着气体浓度的增大，传感器的电阻值降得越低。气敏传感器在常温下施加5V的加热电压，传感器便可以得到约250的温度，此时传感器对气体敏感性较好。但外界温度若发生变化，将导致敏感膜的温度在250为基准的温度变化，那么传感器所给出的信号将是一个带着温度干扰的信号。为了减小包括温度干扰信号在内的诸多干扰信号，本课题拟采用桥路法信号测量电路的方法，其示意图如下67。 图3.5 传感器桥式连接示意图用两个MQ-4以及两个Rc=60K的温度补偿电阻构成桥路进行测试，气体传感器的敏感电阻变化范围为10K-60K，桥式电路的输出计算公式为 （3.1） Rxg-传感器敏感电阻的变化值； Rb-受温度影响电阻的变化值； Rx-气敏传感器的敏感膜电阻值。 由式3.1计算得桥式电路的输出范围为03.57V。3.1.3 AD623介绍AD623是一个集成单电源仪表放大器，它能在单电源(+3V+12V)下提供满电源幅度的输出，AD623 允许使用单个增益设置电阻进行增益编程，以得到良好的用户灵活性。在无外接电阻的条件下，AD623被设置为单位增益；外接电阻后，AD623 可编程设置增益，其增益最高可达1000 倍。AD623通过提供极好的随增益增大而增大的交流共模抑制比(ac cmrr)而保持最小的误差，线路噪声及谐波将由于共模抑制比在高达200hz 时仍保持恒定而受到抑制。虽然AD623在单电源方式进行优化设计，但当它工作于双电源(2.56v)时,仍能提供优良的性能。低功耗(3v时1.5mw) 、宽电源电压范围、满电源幅度输出。其引脚排列如图3.6所示。 图3.6 AD623引脚图 图3.7 为AD623 的原理图。输入信号加到作为电压缓冲器的pnp晶体管上，并且提供一个共模信号到输入放大器，每个放大器接入一个精确的50k的反馈电阻，以保证增益可编程。差分输出为 （3.2） 然后差分电压通过输出放大器转变为单端电压。6脚的输出电压以5 脚的电位为基准进行测量。基准端(5脚)的阻抗是100k，在需要电压/电流转换的应用中仅仅需要在5脚与6脚之间连接一只小电阻。+Vs和-Vs接双极性电源(Vs=2.5V6V)或单电源( + Vs =3.0V12V，-Vs=0)。靠近电源引脚处加电容去耦。去耦电容最好选用0.1f的瓷片电容和10f 的钽电解电容。不同方式的接线图如图3.8（a，b)所示8。AD623 的增益g 由Rg 进行电阻编程，或更准确的说，由1 脚和8 脚之间的阻抗来决定。Rg 可以由以下公式计算。 （3.3） 图3.7 AD623原理图 a 双电源供电 b 单电源供电 图3.8 AD623供电电路连接3.1.4 信号调理电路 将双极性信号加到单电源模数转换器(adc) 上通常是件很困难的事情, 因为这要将双极性信号范围变换成adc 的允许输入范围，而AD623正好可以满足这个转换条件，此外，综合考虑输入阻抗，温漂，共模抑制比，线性度以及价格等因素，决定采用仪用放大器AD623。其与桥式电路输出的连接如下图所示。 图3.9 信号调理电路桥式电路的输出为03.57V，为了防止输出电压过小被地吞没，放大器基准电压接+1V，它通过对5V的电压进行分压而得到。增益为默认的单位增益，即不外接电阻，则通过放大电路后输出电压范围为14.57V。3.2 主控电路3.2.1 AT89C51芯片介绍 AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。其管脚图如下图所示。 图3.10 AT89C51外形及管脚图 AT89C51提供以下标准功能：4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM,32个I/O口线，两个16位定时器，一个5向量两级中断机构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0HZ的静辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式，空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位9。3.2.2 单片机时钟电路单片机内部每个部件想要协调一致的工作，必须在统一口令，即时钟信号的控制下工作。单片机的时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。为了保证各个部件间的同步工作，单片机内部电路应在唯一的时钟信号下严格地按照时序进行工作。单片机工作所需要的时钟信号由两种产生方式，即内部时钟方式和外部时钟方式。本设计中采用内部时钟方式：AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端，两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。电容器通常取30pF左右，可稳定频率并对振荡器有微调作用。石英晶体选择范围最高可选24MHz,它决定了单片机电路产生的时钟信号的振荡频率，晶体振荡的频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行的速度也就快。在本系统中选择的是12MHz。其连接电路如下。 图3.11 单片机时钟电路3.2.3 单片机复位电路89系列单片机与其它微处理器一样，在启动时都需要复位，使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的，当系统处于正常工作状态时，且震荡期稳定后，如RST引脚上有一个高电平并维持两个机器周期，则CPU就可以响应并将系统复位。复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。本机采用手动按键复位和自动复位组合，上电自动复位是在加电瞬间电容通过充电来实现，在通电瞬间，电容C通过电阻R充电，RST端出现正脉冲，用以复位。手动复位是指通过接通一按钮开关，是单片机进入复位状态，系统上电运行后，若需要复位，一般通过手动复位来实现。由于AT89C51属于CMOS型，在RST端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，外接电容使用1uF。 图3.12 单片机复位电路3.2.4 单片机控制电路连接系统采用单片机进行控制,选用AT89C51单片机.该单片机为ATMEL公司的产品,其指令系统完全与8031/8051兼容,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,在本设计中各管脚的功能如下:1)P0口的功能:P0口与LCD1602的双向数据端相连，传输命令及数据。2)P1口的功能:P1口与ADC0809的数据输出口相连，接收AD转换结果。3)P2口的功能:P2.0端与ADC0809的START和ALE相连，用以启动AD转换，且将8路地址锁存；P2.1端与ADC0809的EOC端连接，用来检测转换是否完成；P2.2端与ADC0809的OE端相连,用以允许将AD转换结果输出，让单片机读取转换结果；P2.7端用作系统灯光报警信号控制端，低电平有效；P2.3端用作系统声音报警信号控制端，低电平有效；P2.4P2.6端接LCD1602的RS、RW、E三端，控制液晶显示。4)P3口的功能:P3.4接ADC0809的CLOCK端，用定时器来控制产生500kHz时钟信号以驱动ADC0809；P3.2接存储芯片的SCL端，控制存储芯片的串行时钟输入；P3.3接存储芯片的SDA端，用于控制单片机与存储芯片之间的数据交换。3.3 模数转换电路3.3.1 ADC0809芯片介绍 由传感器采集回来的模拟信号需要转换成单片机能识别的数字信号才能进行分析处理，所以需要A/D转换电路。A/D转换器按其工作方式，转换速度，转换精度等情况，可满足不同的使用场合和要求。按工作原理不同A/D转换器可分为两大类：(a) 积分型，这类转换器先将模拟量转换成中间变量，再将中间变量转换成对应的数字量，国内外在此类产品中主要是低速A/D转换器。(b) 比较型，这种转换器是将模拟量与基准电压直接进行比较，再转换相应的数字量。其又可分为逐次逼近型、跟踪比较型、并行比较型、串行比较型。其中逐次逼近型是目前应用最为广泛的中高速A/D转换器，其最大特点是转换速率较快，而且在售价、转换精度、转换速率三个指标之间容易取得的较好的平衡。本课题拟采用逐次逼近型A/D转换器ADC0809。逐次逼近式A/D转换器利用内部的寄存器从高位到低位依次开始逐位试探比较。开始时，寄存器各位清零，转换时，先将最高位置1，把数据送入A/D转换器转换，转换结果与输入的模拟量比较，如果转换的模拟量比输入的模拟量小，则1保留，如果转换的模拟量比输入的模拟量大，则1不保留，然后从第二位依次重复上述过程直至最低位，最后寄存器中的内容就是输入模拟量对应的二进制数字量。ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。它由8路模拟开关、8位A/D转换器，三态输出锁存器及地址锁存译码器等组成，其内部逻辑结构图如图3.13所示。 图3.13 ADC0809内部结构框图 其主要特性：1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位; 2） 具有转换起停控制端; 3） 转换时间为100s(时钟为640kHz时)，130s（时钟为500kHz时）; 4） 单个+5V电源供电; 5） 模拟输入电压范围0+5V，不需零点和满刻度校准; 6） 工作温度范围为-40+85摄氏度;7） 低功耗，约15mW。 ADC0809各引脚功能如下:l IN0IN7：8路模拟量输入端。l D0D7：8位数字量输出端。l ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。l ALE：地址锁存选通信号，由低至高电平时，把三位地址信号送入通道号地址锁存器并经译码得到地址输出，以选择相应的模拟输入通道。 l START：A/D转换启动信号，加入正脉冲后，A/D转换开始进行。 l EOC：A/D转换结束信号，转换开始后，EOC信号变低，转换结束时，EOC返回高电平。l OE：数据输出允许信号，输入高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。l CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。l REF（+）、REF（-）：基准电压输入端,它们决定了输入模拟电压的最大值和最小值。l VCC：电源电压，由于是CMOS芯片，允许的电压范围较宽，可以是+5+15V。l GND：接地。 图3.14 ADC0809引脚图 ADC0809的时序图如下。 图3.15 ADC0809时序图 在ALE=1期间，模拟开关的地址存入地址锁存器；在ALE=0期间，地址被锁存。输入启动信号START的上升沿复位ADC0809，下降沿启动A/D转换，EOC为输出的转换结束信号，正在转换时为0，转换结束时为1。OE为输出允许控制端，在转换完成时用来打开输出三态门，以便从ADC0809输出这次转换结果。3.3.2 ADC0809与单片机连接电路设计 ADC0809与89C51单片机连接可采用查询方式，也可采用中断方式。采用中断方式传送数据时，EOC线作为CPU的中断请求输入线。CPU响应中断后，中断服务程序中使OE线变为高电平，以提取A/D转换后的数字量。采用查询法传送数据时89C51应对EOC线查询它的状态：若它为低电平，表示A/D转换正在进行，则89C51应当继续查询；若查询到EOC变为高电平，则给OE线送一个高电平，以便提取A/D转换后的数字量。 由于ADC0809内部有一个8位“三态输出锁存器”可以锁存A/D转换后的数字量，故它本身既可看作一种输入设备，也可认为是并行I/O接口芯片。因此，ADC0809可以直接和89C51接口，在本设计中采用查询法连接。其连接电路如下。 图3.16 ADC0809与89C51连接电路3.4 存储模块3.4.1 采样容量的确定及存储器选择 气体浓度变化是一个较为缓慢变化的信号，所以本设计中取采样频率为f=1Hz，则对应的采样周期Ts=1/f=1s，即1s采样一次。在本设计中使系统可以存储12小时内的数据，则预计采样容量=12*60*60=43200byte。普通的存储器，在掉电时需要备用电池供电，并需要在硬件上增加掉电检测电路，存在电池不可靠及扩展存储芯片占用单片机过多口的缺点，因此采用I2C总线接口的串行E2PROM器件可很好地解决掉电数据保存问题，且硬件电路简单。所以在这儿选用AT24C系列的存储器，由存储容量来看，选择AT24C512（存储容量为65536byte）可以满足要求10。3.4.2 存储电路AT24C512是ATMEL公司生产的64KB串行电可擦除的可编程存储器。该芯片的主要特点如下：采用I2C总线设计与1MHz(5V)、400kHz(2.7V)、100Kz(1.8V)I2C总线兼容，内部有512页，每一页为128字节，存储容量为65536byte；任一单元的地址为16位，地址范围为00000FFFFH；单电源，读写电压为1.8V5.5V；数据可保存40年；写保护功能，当WP为高电平时，进人写保护状态；CMOS低功耗技术，最大写入电流为3mA；自动定时的写周期，采用8引脚封装，具有结构紧凑，存储量大特点。 其管脚描述如下表。 表3.5 AT24C512管脚描述管脚号管脚名称功能12A0A1这些输入脚用于多个器件级联时设置器件地址，当这些脚悬空时默认值为0。当使用24C512 时最多只可连接4个器件。3NC悬空 5 SDA双向串行数据输人输出端。用于存储器与单片机之间的数据交换，SDA是一个开漏输出引脚，可与其它开漏输出或集电极开漏输出进行线接。 6 SCL串行时钟输入端。通常在其上升沿将SDA上的数据写人存储器，而在下降沿从存储器读出数据并送往SDA。7WP写保护输入端。当WP为高电平时，存储器处于写保护状态，数据禁止写入；当WP为低电平时所有地址都能写入，这个管脚已经被内部下拉。8Vcc电源端4 GND地 其管脚图如下。 图3.17 AT24C512管脚图 AT24C512支持I2C总线数据传送协议，I2C总线协议规定，任何将数据传送到总线的器件作为发送器。任何从总线接收数据的器件为接收器，数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的。AT24C512是作为从器件被操作的，主器件和从器件都可以作为发送器或接收器，但由主器件控制传送数据发送或接收的模式。 I2C总线协议即是总线上的所有的操作都是由SDA和SCL两个脚位的状态来确定的，共有四个状态：开始，停止，数据以及应答，图3.18描述了四个状态的时序图。 图3.18 数据传输协议 I2C总线协议定义如下：（1）只有在总线空闲时才允许启动数据传送；（2）在数据传送过程中，当时钟线为高电平时，数据线必须保持稳定状态，不允许有跳变。时钟线为高电平时，数据线的任何电平变化将被看作总线的起始或停止信号。 I2C总线上各信号的具体说明：（1）起始信号：时钟线保持高电平期间数据线电平从高到低的跳变作为I2C总线的起始信号。（2）停止信号：时钟线保持高电平期间数据线电平从低到高的跳变作为I2C总线的停止信号。（3）应答信号：即认可信号，主机写从机时每写完一字节，如果正确从机将在下一个时钟周期将数据线（SDA）拉低，以告诉主机操作有效。在主机读从机时正确读完一字节后，主机在下一个时钟周期同样也要将数据线（SDA）拉低，发出认可信号，告诉从机所发数据已经收妥。 由于AT24C512沿袭了AT24C系列的接口特性，因此与单片机的连接也可沿袭传统方法。一般A0、A1、WP 接VCC或GND，SCL、SDA接到单片机的I/O口，即可实 现单片机对AT24C512的操作。 其与单片机的连接电路如下。 图3.19 存储电路连接图3.5 报警电路与LCD显示3.5.1 声光报警电路 报警电路采用声光报警，选用蜂鸣器和发光二级管，因为变化的信号更能引起人们的注意，所以报警电路设计中当浓度值超过预设值时，三极管导通，蜂鸣器就以一定的频率开始发声，同时红灯开始闪烁；当气体浓度低于预设值时，报警电路处于截止状态，即不工作11。由上一章可知，天然气的主要成分是甲烷，它在空气中的爆炸极限为5%15%，则设置报警点为爆炸下限LEL的15%，即甲烷浓度达到0.75%时就启动报警电路，根据情况选择电压门限约为3.6V(其对应的浓度为7300ppm)。其电路连接如下。 图3.20 声光报警电路3.5.2 LCD显示目前使用的显示器主要有LCD(液晶显示器)和LED(发光二极管显示器)，这两种显示器的共同点是工作电压低、体积小、寿命长、制造工艺简单成本低廉、配置灵活、可靠性高，与单片机接口方便。与LED相比，LCD显示有功耗小及显示字符多的特点。本设计选用LCD1602来实现显示天然气浓度，1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5*7或者5*11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。1602采用标准的16脚接口，其管脚图下图所示。 图3.21 LCD1602 管脚图其中各管脚功能如下： 第1脚：VSS为电源地 第2脚：VDD接5V电源正极 第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高。 第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。 第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。 第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端。 第714脚：D0D7为8位双向数据端。 第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。其与单片机的连接如下图。 图3.22 液晶显示电路图3.6 供电模块 由于整个系统属于便携式的，所以他需要有自己的供电电源。综合系统各模块来看，需要有+5V的供电。本设计中采用+12V的干电池经过固定式三端稳压器LM7805从而得到+5V的电压12。其电源连接电路如图3.25所示，并由去耦电容、开关、7085稳压器及电源指示灯组成。直流12V经过电容滤波，7805集成稳压器稳压成为稳定的+5V电源，用一个发光二极管指示灯指示电源状态。电路安全稳定可靠，测试电压为+5V，并且在12V和5V电路中引线排针，以供日后使用。 图3.23 供电电路 4 系统软件设计4.1 单片机C语言4.1.1 单片机C语言主要特点C语言是一种通用的计算机程序设计语言，在国际上相当流行，它既可以用来编写计算机的系统程序，也可以用来编写一般的应用程序。以前计算机的系统软件主要用汇编语言编写，单片机应用系统更是如此，由于汇编语言的可读性和可移植性都较差，采用汇编语言编写单片机应用程序，不但周期长，而且调试和排错也比较困难。为了提高编制单片机应用程序的效率，改善程序的可读性和可移植性，采用高级语言无疑是一种最好的语言，C语言既具有一般高级语言的特点，又能直接对计算机的硬件进行操作，表达和运算能力也较强，许多以前只能采用汇编语言来解决的问题都可以用C语言来解决。基于C语言的特点，用C语言进行单片机应用程序设计是单片机开发应用的必然趋势。用C 编写程序比汇编更符合人们的思考习惯，开发者可以摆脱与硬件无必要的接触，更专心的考虑功能和算法而不是考虑一些细节问题，这样就减少了开发和调试的时间。C语言具有良好的程序结构,适用于模块化程序设计，因此采用C语言设计单片机应用系统程序时，首先要尽可能地采用结构化的程序设计方法，将功能模块化，由不同的模块完成不同的功能，这样可使整个应用系统程序结构清晰，易于调试和维护，还可增强可读性和移植性13。 在实际单片机程序设计中，程序结构一般均采用如下结构：*x(dPu%G;87636#include /*头文件说明部份*/电子园51单片机学习网pQ*hw)a&c3unsigned char x1，x2； /*全局变量声明部份*/FL5a:G6j!R-e%qe MM87636Function1( ) /*功能函数定义部份*/电子园51单片机学习网;fx.q3|sL Zo&Mn87636main()*|2Y|w6HT$T$f87636 inti,j; /*整型变量声明部份*/电子园51单片机学习网+vH2P$j|v,g*D6V.j Function1(); /*功能函数说明部份*/电子园51单片机学习网V8E-K1A yj4.1.2 单片机C语言与标准C语言的区别由于现在越来越多的产品都采用单片机开发，所完成的计算和控制工作也日趋复杂，但是单片机系统是一种资源十分有限的系统，这主要表现在程序存储器资源的不足，因此在程序设计时如何使用好这些有限的资源就显得十分重要。用C语言编程虽然具有许多的优点，但是生成的代码相对要长，要是编程技术不好，生成的代码甚至有可能比汇编语言生成的代码长几倍，因此对编程者来说，应该注意到单片机C语言和一般意义上的标准C语言的区别，对程序进行适当的优化。4.1.3 算法设计问题单片机C语言和标准C语言存在着很大差别，在计算机上进行C语言程序设计时由于不必考虑程序代码的长短，只需考虑程序功能实现，但是在单片机上进行C语言程序设计就必须考虑系统的硬件资源。有时并不是程序的算法越简单、长度越短越好，因为有一些算法要调用一些内部的子程序和函数，生成的机器代码长度非常长。不同的算法对程序代码长度影响十分大，因此在进行程序设计时，就尽量采用程序生成代码短的算法，在不影响程序功能实现的情况下可以采用一些优化算法。在单片机C语言编译成机器代码时，不同的运算生成的机器代码的长度相差很大，尽可能地减少程序中对某种数据类型的运算种类,越复杂的数据类型效果越明显。在进行数据计算时，在一定的精度范围内，可以用一些近似的计算来完成一些运算,既不损失精度又能减少大量的代码。比如：用逻辑AND/&取模比MOD/%操作更有效。4.1.4 数据存储器的分配单片机内部数据存储器RAM只有几百字节，如果扩展外部存储器RAM来提高数据存储量话必将会增加了硬件成本,使系统更加的复杂，访问外部存储器比访问内部存储器所需的代码也要长得多。有效地使用片内存储器、提高存储器空间的利用率对开发者来说十分关键。内部处理器、内部堆栈、压缩栈、所有程序变量和所有包含进来的库函数都将使用数量有限的内部数据存储器RAM。因为C语言采用了存储器的覆盖技术，可以在程序进行连接时,它将那些已经被其它程序段释放了的存储器空间重新定义给另一个程序段的变量使用,当这个程序运行结束时再将这些存储器释放以供其它程序段使用。全局变量的作用范围是整个程序,因此不能被释放；静态变量由于在函数的调用中专用不变,也不能被释放；只有局部变量中的动态变量可以被释放。因此在进行程序设计时应该尽量的使用局部变量，提高内部数据存储器的使用率。在C语言中程序中间结果及参数传传递是通过内部的寄存器来完成的，要是内部的存储器不够，将会给你的程序带来许多莫名其妙的错误。例如在进行程序设计时语句不应该太长，一个长语句可以分成多个语句，这样的话可以大的减少中间变量，当然太长时就会造成临时寄存器的不够用，导致计算出错。综上所述C语言具有很强的功能性和结构性，可以缩短单片机控制系统的开发周期，而且易于调试和维护，已经成为目前单片机语言中最流行的编程语言。本设计就是运用C语言编写的单片机应用程序以89C51单片机控制采集气体信号采集显示及存储报警。4.2 软件设计程序框图 开始由硬件电路的设计可知，系统的应用软件设计主要包括初始化程序、A/D转换子程序、显示子程序、数据存储子程序及声光报警子程序的设计。