报警器工作原理

报警器工作原理1.1 工作原理 随着超大规模数字集成电路、单片机技术的飞速发展，利用单片机及其它外围芯片实现对瓦斯的监测成为一种可能，并且成为一种发展趋势。它具有体积小、操作简单、携带方便、功能较齐全等优点，而且性能价格比也很高，应用前景非常广泛。因此此次设计整体上是基于AT89C51单片机来实现煤矿瓦斯浓度监测报警。在这里我们运用到的气敏传感器是MQ-4，它是用来检测外部瓦斯的浓度（其检测到的浓度值为模拟量），并将检测到的模拟信号转化为电压信号输出出来。然后再将电压信号输入ADC0809进行A/D转换变换成数字信号，并在51单片机的控制下将其输入，然后在内部软件编程下进行数值变换处理。在单片机进行完数据处理后就将其结果输出显示，从而显示出瓦斯气体的浓度，其中显示部分我们采用LCD显示，用于显示瓦斯浓度值。若实际瓦斯浓度超限（浓度超限预警值可键盘控制输入）则在单片机的控制下进行报警。1.2系统框图此次设计的煤矿瓦斯监测报警器的系统框图如下所示：主要由气体传感器MQ-4、A/D转换器ADC0809、单片机AT89C51、LCD显示电路、键盘控制电路、报警装置和附件电路组成。 报 警 AT89C51LCD显示瓦斯探测器（MQ-4）电 源ADC0809图1-1 系统框图由图可以看出煤矿瓦斯监测报警器的硬件部分设计是以单片机系统为核心，用于整个设计的数据处理、声光报警电路等正常工作。在这里我们选用ATMEL公司生产的8位单片机AT89C51。甲烷传感器采用MQ-4气敏传感器，用于探测采集瓦斯的浓度。由于该传感器的输出信号为模拟电压信号，要想将采集到的数据送至单片机系统进行数据处理则需要将模拟信号转换成数字信号，我们采用ADC0809.瓦斯浓度显示部分采用LCD显示，在这里我们采用动态扫描方法来显示各种参数。1.3单片机的选择1.3.1 单片机简介及发展趋势在一块芯片上集成由运算器、控制器、储存器、输入/输出接口5个基本部分，则这种芯片为单片微型计算机，简称单片机。以单片机为核心的硬件系统称为单片机系统。目前单片机正朝着高性能和多产品方向发展今后的发展趋势将进一步向低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格、高速化、高可靠行方向发展。从生产工艺上讲，采用CMOS化工艺。1.3.2选用单片机AT89C51经综合分析选用单片机AT89C51适合。AT89C51是一种低功耗高性能的8位单片机，片内带有一个4KB的Flash在线可编擦除只读存储器，它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统和51系列单片机兼容。片内的存储器允许在线重新编程或用常规的非易失性存储器编程器来编程。同时已具有三级程序存储器保密的性能。在众多的51系列单片机中，要算ATMEL公司的AT89C51更实用，因为它不仅和MCU-51系列单片机指令、管脚完全兼容，而且它将通用CPU和在线可编程Flash集成在一个芯片上。这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。 AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。图1-2 AT89C51引脚图VCC(40脚)：供电电压。GND(20脚)：接地。P0口(32脚39脚)：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写“1”时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口(1脚8脚)：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入“1”后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口(21脚28脚)：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口(10脚17脚)：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，P3口管脚备选功能如下表所示：表1-1 P3口第二功能引 脚第 2 功 能P3.0RXD（串行口输入端）P3.1TXD（串行口输出端）P3.2/INT0（外部中断0请求输入端，低电平有效）P3.3/INT1（外部中断1请求输入端，低电平有效）P3.4T0（定时器/计数器0计数脉冲输入端）P3.5 T1（定时器/计数器1计数脉冲输入端）P3.6/WR（外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST（9脚）：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG（30脚）：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN（29脚）：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP（31脚）：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H- FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1（19脚）：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2（18脚）：来自反向振荡器的输出。1.4 气体传感器的选择要进行个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，而这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，还是自行研制，价格能否承受。在考虑上述问题之后就能大致确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标，其具体性能指标见下。1.4.1 MQ-4瓦斯浓度测试部分电路是由气体传感器MQ-4组成的，其作用为将瓦斯气体的体积分数转化成对应的模拟电压信号并输出出来。1.4.2 MQ-4的结构外形MQ-4气敏元件的结构和外形如图1-3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。 结构 外形图1-3 MQ-4的结构和外形其中部件材料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（NiCr）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（NiCu）8基座胶木9针状管脚镀镍铜材（NiCu） MQ-4标准工作条件MQ-4的标准工作条件见表1-2：表1-2 MQ-4的标准工作条件符号参数名称技术条件备注Vc回路电压15VAc or DcVH加热电压5.0V0.2VAc or DcRL负载电阻可调RH加热电阻313室温PH加热功耗900mw MQ-4的环境条件MQ-4的环境条件见表1-3：表1-3 MQ-4的环境条件符号参数名称技术条件备注Tao使用温度-10-50Tas储存温度-20-70RH相对湿度小于 95%RHO2氧气浓度21%(标准条件)氧气浓度会影响灵敏度最小值大于2%1.4.3 MQ-4的测试电路及灵敏度调节（1）测试电路我们设计的MQ-4测试电路如图3-2所示，其中可调节电阻R3是用来调整传感器的灵敏度的。图1-4 测试电路（2）灵敏度调节在对MQ-4的灵敏度进行调节之前首先要就要了解其灵敏度特性。具体的灵敏度特性见表1-4及图1-5表1-4 MQ-4的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1060（5000ppmCH4）适用范围：30010000ppm甲烷，天然气(1000ppm/5000ppmCH4)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小时图1-5 MQ-4型气敏元件的灵敏度特性 其中：温度为20、相对湿度为65%、氧气浓度为21% RL=20k Rs是指元件在不同气体，不同浓度下的电阻值。R0是指元件在洁净空气中的电阻值。 由上可得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。在这里我们用5000ppm甲烷校准传感器进行校准。其校准过程如下：在测试条件下对传感器进行校准时，我们进行硬件部分电路的调试。在调节确定MQ-4的可调负载电阻值时，以空气中甲烷浓度值为5000ppm时作为校准，此时观察显示部分电路，又因为要求显示的瓦斯浓度精度要求优于5%，即准确显示的范围为5000ppm（15%）也就是4750ppm5250ppm的范围内，若不在该范围内则说明甲烷传感器的灵敏度不够高，需要进行调节。而灵敏度的调节是依靠调节负载电阻RL来实现的。我们调节RL使显示的瓦斯浓度值尽可能与实际相符合。这样确定下来的RL的阻值，换言之传感器的灵敏度也就确定下来了，此时我们已经完成了甲烷传感器的校准。校准后的传感器就可以用来监测实际中各个不同的瓦斯浓度了。1.5 A/D转换电路 A/D转换器（analog digital converter简称ADC）是将输入的模拟电压或电流转换成数字量的器件或设备，即能把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息，它是模拟系统与数字系统或计算机之间的接口。在这里选用的是ADC0809，下面就介绍ADC0809。A/D转换的作用是将模拟量转化为数字量，以便计算机进行处理，该课题选择ADC0809芯片，将采集的温度的模拟信号转化为数字信息号，然后送入单片机进行处理。ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。 1、ADC0809的内部逻辑结构 ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。ADC0809完成1次转换需100ms左右，可对05V信号进行转换。具体内部逻辑结构图如下图所示：模数转换器ADC0809共有28脚，为双列直插式封装。主要引脚功能如下：（1） IN0IN7：8条模拟量输入通道ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 （2） 地址输入和控制线：4条 ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。表1-5通道选择表C B A选择的通道0 0 0IN00 0 1IN10 1 0IN20 1 1IN31 0 0IN41 0 1IN51 1 0IN61 1 1IN7（3） 数字量输出及控制线：11条 ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为8位数字量输出线。 CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（），VREF（）为参考电压输入。 3、ADC0809应用说明 （1）ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。（2）初始化时，使ST和OE信号全为低电平。（3）送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。（4）在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。（5）是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。（6）当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。1.6显示器件的选择方案一：采用数码管液晶显示，只能够显示数字，简单，比较实用。方案二：液晶显示器（LCD）,采用LCD1602可以显示文字，也可以显示数据。在我们的课程设计中经常用到它，因此，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在基于单片机实时温控系统中我们应用液晶显示器作为输出器件具有显示质量高、数字式接口、体积小、重量轻、功耗低等优点。相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。1、工作原理点阵图形式液晶由MN个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共168=128个点组成，屏上6416个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。这就是LCD显示的基本原理。字符型液晶显示器LCD1602是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。2、引脚功能液晶显示器LCD1602引脚图如下图所示：1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如下表所示:表1-6 1602LCD各引脚接口说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。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：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。3、 1602LCD的指令说明及时序1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如下表所示：表1-371602LCD的指令说明序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM）10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平）指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。指令2：光标复位，光标返回到地址00H。指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。指令4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。指令7：字符发生器RAM地址设置。指令8：DDRAM地址设置。指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10：写数据。指令11：读数据。选择比较熟悉的LCD1062，主要是因为它能够显示文字并且我们能够熟练应用。二 系统的硬件设计2.1 AT89C51最小的系统的设计 单片机AT89C51的最小系统