便携式瓦斯检测仪设计(编辑修改稿)

便携式瓦斯检测仪设计(编辑修改稿)内容摘要：

(31) 62521 R UUR UU OiiO  (32) 所以由式 (31)和式 (32)得： 51634256 )1()1(RURRRURRU iiO (33) 又因为输入共模电压 2/)( 21 iiic UUU  ，输入 差模电压 12 iiid UUU  ，将它们带入式 (33)可得： idicOURR RRRRURR RRU)21(21)1(5364565364 (34) 为了获得零共模增益，式 (34)右边第一项必须为零，可取 6453 RRRR  此时，电路得差动闭环增益为：561 RRKd  因为从传感器输出得电压信号为 090mv，为了取得较大的 A/D 转换器输入信号，需要对其放大，取 R3=R6=5000Ω， R4= R5=100Ω，放大倍数为 51 倍。 A/D 转换模块设计 在检测系统中，传感器输出的模拟信号首先由信号调理电路进行处理，如放大、硬件滤波、非线性补偿、信号变换等。 信号调理之后，再将模拟信号转换成数字量，以便采用微处理器或微机系统进一步分析、处理、存储等。 由模拟信号到数字信号的转换，是由数据采集系统来完成的。 数据采集系统是对输入模拟信号进行长时间的数字化测量，从而获得大量数据以便进一步分析与处理的电路。 它是外部被测模拟信号进入测量系统的前置通道，有时也称预处理系统。 所谓数字化测量，就是以一定时间间隔测定某个时刻的瞬 时值，再将其转换成数字量。 ADC0809 芯片 东北石油大学 本科生毕业设计（论文） 14 ADC0809 是采样分辨率为 8 位的、以逐次逼近原理进行模 —数转换的器件。 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，只选通 8路模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换 [12]。 芯片的引脚图如图 36 所示： 图 36 ADC0809引脚图 ADC0809 芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装，如图 38 所示。 下面说明各引脚功能。 (1) IN0IN7： 8 路模拟量输入端 ； (2) D0D7： 8 位数字量输出端 ； (3) ADDA、 ADDB、 ADDC： 3 位地址输入线，用于选通 8 路模拟输入中的一路 ； (4) ALE： 地址锁存允许信号输入 端 ，高电平有效 ； (5) START： A/D 转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少 100ns 宽）使其启动（脉冲上升沿使 ADC0809 复位，下降沿启动 A/D 转换 ）； (6) EOC： A/D 转换结束信号，输出，当 A/D 转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平） ； (7) 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 ； (8) CLK：时钟脉冲输入端。 要求时钟频率不高于 640KHZ； (9) REF(+)、 REF()： 基准电压 ； (10) Vcc： 电源，单一＋ 5V； (11) GND： 接 地。 ADC0809 的主要特性有： (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 100μs； 东北石油大学 本科生毕业设计（论文） 15 (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 的工作过程： 首先输入 3 位地址，并使 ALE=1，将地址存入地址锁存器中。 此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器。 START 上升沿将逐次逼近寄存器复位。 下降沿启动 A/D 转换，之后 EOC 输出信号变低，指示转换正在进行。 直到 A/D 转换完成， EOC 变为高电平，指示 A/D 转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。 当 OE 输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 74LS373 锁存器 单片机系统中常用的地址锁存器芯片 74LS373 是带三态缓冲输出的 8D 触发器，其引脚 图与 真值表 如图 37 和表 32 所示。 图 37 74LS373引脚图 表 32 74LS373 锁存器真值表 输入管脚 输出 OEN G D Q H X X 高阻 L H L L（数据传送） L H H H（数据传送） L L X （数据锁存） 74LS373 引 脚 端符号： 东北石油大学 本科生毕业设计（论文） 16 D0D7：锁存 数据输入端 ； OE： 三态允许控制端（低电平有效） ； G： 锁存允许端 ； Q0Q7：锁存数据 输出端。 74LS373 为三态输出的 8D 透明锁存器。 74LS373 的输出端 Q0Q7 可直接与总线相连。 当三态允许控制端 OE 为低电平时， Q0Q7 为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。 当 OE 为高电平时， Q0Q7 呈高阻态，即不驱动总线，也不 驱动 负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。 当锁存允许端 G 为 高 电平时， Q 随数据 D 而变。 当 G 为 低 电平时， Q 被锁存在已建立的数据电平。 单片机的选择 单片机系统基本组成包括输入控制、输出显示、晶振、复位电路以及外围功能器件等。 AT89C51 单片机的介绍 AT89C51 是一种带 4K 字节闪存可编程可擦除 只读存储器 的低电压，高性能CMOS 8 位微处理器， 也被称作单片机 [13]。 单片机的 可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。 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 [14]。 AT89C51 的主要特性为： 与 MCS51 兼容 ； 4K 字节可编程闪烁存储器寿命： 1000 写 /擦 ， 循环数据保留时间： 10 年 全静态工作： 0Hz24Hz； 三级程序存储器锁定 ； 128*8 位内部 RAM； 32 可编程 I/O 线 ； 两个 16 位定时器 /计数器 ； 5 个中断源 ； 可编程串行通道 ； 低功耗的闲置和掉电模式 ； AT89C51 的引脚图如图 38 所示。 东北石油大学 本科生毕业设计（论文） 17 图 38 AT89C51的引脚图 振荡器的特性 XTAL1： 接外部晶振的一个引脚。 在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。 它采用外部振荡器时，此引脚应接地。 XTAL2： 接外部晶振的一个引脚。 在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。 当采用外部振荡器时，则此引脚接 外部振荡信号的输入 [15]。 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。 该反向放大器可以配置为片内振荡器。 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。 如采用外部时钟源驱动器件， XTAL2应不接。 有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度 [16]。 单片机和 ADC0809 的硬件连接电路 ADC0809 和单片机系统的基本组成主要有单片机和 A/D 转换器。 其中单片机是系统的核心部分 ， 单片机发出控制信号以启动 A/D 转换器进行采样。 系统的 硬件设计在连接上应主要考虑三总线 (控制总线、地址总线、 数据总线 )的连接。 如 图39 所示是一个 A/D 转换器与单片机的接口电路。 图中 A/D 转换器选用的是ADC0809，单片机则选用 AT89C51。 其中 ， ADC0809 是 采样分辨率为 8 位的 、 以逐次逼近原理进行模数转换的器件。 东北石油大学 本科生毕业设计（论文） 18 图 39单片机和 ADC0809的硬件连接电路 图 单片机的复位电路及看门狗电路设计 这节内容是详细说明一下，单片机的复位电路以及看门狗电路的设计。 单片机复位电路设计 简单复位电路有上电复位和手动复位两种。 上电复位要求接通电 源后，自动实现复位操作。 手动复位要求在电源接通的条件下， 在单片机运行期间，如果发生死机，用按钮开关操作使单片机复位。 单片机要完成复位， 必须向复位端输出并持续两个机器周期以上的高电平，从而实现复位操作。 不管是哪一种复位电路都要保证在 RESET 引脚上提供 10ms 以上稳定的高电平。 本设计所用复位电路如图 310 所示。 东北石油大学 本科生毕业设计（论文） 19 图 310 单片机复位电路图 看门狗电路设计 看门狗电路是嵌入式系统需要的抗干扰措施之一。 本设计 用 X25045 芯片设计了一种新的看门狗电路，具有体积小、占用 I/O 口线少和编程方便 的特点，可广泛应用于仪器仪表和各种工控系统中 [17]。 工控系统在运行时，通常都会遇到各种各样的现场干扰，抗干扰能力是衡量工控系统性能的一个重要指标。 看门狗电路是自行监测系统运行的重要保证，几乎所有的工控系统都包含看门狗电路。 X25045 是美国 Xicor 公司的生产的标准化 8 脚集成电路，它将 EEPROM、看门狗定时器、电压监控三种功能组合在单个芯片之内，大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，减少了对印制电路板的空间要求，降低了成本和系统功耗，是一种理想的单片机外围芯片。 X25045 引脚如图 311 所示。 图 311 X25045芯片引脚图 东北石油大学 本科生毕业设计（论文） 20 其引脚功能如下： CS：片选择输入； SO：串行输出，数据由此引脚逐位输出； SI：串行输入，数据或命令由此引脚逐位写入 X25045； SCK：串行时钟输入，其上升沿将数据或命令写入，下降沿将数据输出； WP：写保护输入。 当它低电平时，写操作被禁止； Vss：地； Vcc：电源电压； RESET：复位输出。 看门狗电路一般有软件看门狗和硬件看门狗两种。 软件看门狗不需外接硬件电路，但系统需要出让一个定时器资源，这在许多系统中很难办到，而且 若系统软件运行不正常，可能导致看门狗系统也瘫痪。 硬件看门狗是真正意义上的 “程序运行监视器 ”，如计数型的看门狗电路通常由 555 多谐振荡器、计数器以及一些电阻、电容等组成，分立元件组成的系统电路较为复杂，运行不够可靠。 X25045 芯片内包含有一个看门狗定时器，可通过软件预置系统的监控时间。 在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动，则 X25045 将从 RESET 输出一个高电平信号，经过微分电路 C1 R21 输出一个正脉冲，使 CPU 复位。 图 312 电路中， CPU 的复位信号共有 3 个：上电复位 (C1 R19)，人工复 位 (S R1 R20)和 看门狗 复位 (C1 R21)，通过或门综合后加到 RESET 端。 C1 C15 的时间常数不必太大，有数百微秒即可 ， 因为这时 CPU 的振荡器已经在工作。 看门狗硬件连接电路如图 312 所示。 图 312看门狗电路硬件连接图 东北石油大学 本科生毕业设计（论文） 21 看门狗定时器的预置时间是通过 X25045 的状态寄存器的相应位来设定的。 X25045 状态寄存器共有 6 位有含义，其中 WD WD0 和看门狗电路有关，其余位和 EEPROM 的工作设置有关。 看门狗电路的定时时间长短可由具体应用程序的循环周期决定，通常比系统正常工作时最大循 环周期的时间略长即可。 编程时，可在软件的合适地方加一条喂狗指令，使看门狗的定时时间永远达不到预置时间，系统就不会复位而正常工作。 当系统跑飞，用软件陷阱等别的方法无法捕捉回程序时，则看门狗定时时间很快增长到预置时间，迫使系统复位。 X25045 状态寄存器 如表 33 所示。 表 35 X25045状态寄存器 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 X X WD1 WD0 BL1 BL0 WEL WIP WD1＝ 0， WD0=0，预置时间为 ； WD1＝ 0， WD0=1，预置时间为 ； WD1＝ 1， WD0=0，预置时间为 ； WD1＝ 1， WD0=1，禁止看门狗工作。 LED 显示电路设计 单片机应用系统中，常用的显示器件有 LED（发光二极管显示器）和 LCD（液晶显示器）。 这两种器件都具有成本低廉、配置灵活、与单片机接口方便的特点。 本设计采用 LED 显示。 LED 显示器结构与。