室内有害气体监测系统设计毕业论文(编辑修改稿)

室内有害气体监测系统设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

机，单片机综合分析以后，送到数码管上显示，并且通过独立键盘来设置，真题电路设计简单，具体模块框图如下： 第 页 共 36 页 4 图 21 模块框图 设计原理 本设计的 原理 是根据 51单片机的工作原理，利用各个传感器的特性，设计相关的电路，用单片机来采集相关的各个变量，结合时钟芯片在液晶屏上实时的显示 各种状态，并且通过按键进行相关的设置，超过设置界限时，进行声光报警。 3 元件选型与电路设计 单片机系统 STC89C51 型单片机简介 89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 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 MCS51 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， 第 页 共 36 页 5 ATMEL 的 89C51 是一种高效微控制器， 89C2051 是它的一种精简版本。 89C51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。 89C51 总控制电路如下： 图 31 89C51 总控制电路 STC89C51 引脚功能介绍 VCC：供电电压。 GND：接地。 P0 口： 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低八位。 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： 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： 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 第 页 共 36 页 6 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： 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，如下表所示： 表 31 51单片机 P3口功能 口管脚 备选功能 RXD串行输出口 TXD串行输入口 /INT0外部中断 0 /INT1外部中断 1 T0计时器 0外部输入 T1计时器 1外部输入 WR外部数据存储器写选通 RD外部数据存储器读选通 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：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：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：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 ：当 /EA 保 持 低 电 平 时 ， 则 在 此 期 间 外 部 程 序 存 储 器（ 0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。 注意加密方式 1 时， /EA 将内 第 页 共 36 页 7 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：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 STC89C51 主要功能如下所示： 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： 0Hz24MHz 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 片内振荡器和时钟电路 [2] 系统的引脚接线 根据其系统工作原理设计出如图所示的引脚接线： 图 32 系统的引脚接线 第 页 共 36 页 8 为了能够实现使用按键进行设置监测气体的种类，我 使用了 4 个按键，其中三个是选择气体传感器，还有一个为复位按键。 具体电路如下： 图 33 4 个按键 根据 51 单片机的特点，我采用 晶振给单片机提供时钟信号，两个各加一 30pf 的电容来稳定型号，由于 51 单片机是采用低电平复位，我又在其旁边加了一个按键，便于手动复位，电路连接如图： 图 34 手动复位 由于担心声光报警时间过长，我在 INT1 及 INT2 接口处各加上两个按键作为外部中断以停止声音报警及闪光报警。 电路图如下： 第 页 共 36 页 9 图 35 中断按键 显示电路 LED 数码管 本设计采用 4段 /位 LED数码管（能够显示 4 个 8）， LED数码管（ LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成 “8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。 led 数码管常用段数一般为 7 段有的另加一个小数点，还有一种是类似于 3 位 “+1”型。 位数有半位， 1， 2， 3， 4，5， 6， 8， 10 位等等， led 数码管根据 LED 的接法不同分为共阴和共阳两类。 它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。 颜色有红，绿，蓝，黄等几种。 LED 数码管广泛用于仪表 ，时钟，车站，家电等场合。 选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。 下面 LED 数码管内部引脚 定义 图 36 引脚定义 每一笔划都是对应一个字母表示 DP 是小数点 . [4] 设计电路 根据 LED 数码管原理设计出如图所示的引脚接线 电路如图： 第 页 共 36 页 10 图 37 引脚 接线电路 由于 51 单片机 P0 口内部无上拉电阻，所以我在 P0 口外加了 1k的上拉排阻。 总电路图如下： 图 38 总电路图 因为本设计使用的模块较多，绘制 PCB 板时使用了铺地的接地方法，铺地的优点在于散热迅速， 稳定性好，对模块及器件有保护作用。 总 PCB 图如下： 第 页 共 36 页 11 图 39 总 PCB 图 电源模块及声光报警模块 蜂鸣器 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用 直流电压 供电，广泛应用于 计算机 、打印机、复印机、报警器、 电子玩具 、汽车电子设备、电话机、 定时器 等电子产品中作发声 器件。 蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。 本设计采用压电式蜂鸣器，压 电式蜂鸣器主要由 多谐振荡器 、 压电蜂鸣片、阻抗匹配器 及共鸣箱、外壳等组成。 多谐振荡器由 晶体管 或集成电路构成。 当接通 电源 后（ ~15V直流工作电压） ,多谐振荡器起振 ,输出 ~ 的 音频信号 ，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。 图 310 蜂鸣器外形 图 第 页 共 36 页 12 设计电路 根据蜂鸣器的和 LED 二极管的特性，制作出的电路图如下： 图 311 声光报警及电源模块电路图 由于在总板上电源和接地接口过少，不能满足传感器等的需求，于是我在模块里加入了两排 8 脚排针。 总电路 PCB 图如下： 图 312 声光报警及电源模块总 PCB 图 第 页 共 36 页 13 MQ2 一氧化碳传感器模块 MQ2 烟雾传感器 MQ2 气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。 当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。 使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。 MQ2 气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。 这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。 其结构和外形如图： 图 313 MQ2 气体传感器外形图 图 314 MQ2 气体传感器结构图 第 页 共 36 页 14 MQ2 烟雾传感器模块 下图为 MQ2 气体传感器实物图。 图 315 MQ2 气体传感器模块实物图 简要说明： 尺寸：长 32mm *宽 22mm *高 27mm 长 X 宽 X 高 主要芯片： LM39 ZYMQ2 气体传感器 工作电压：直流 5 伏 特点： （ 1）具有信号输出指示。 （ 2）双路信号输出（模拟量输出及 TTL 电平输出） （ 3） TTL 输出有效信号为低电平。 （当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机） （ 4）模拟量输出 0~5V电压，浓度越高电压越高。 （ 5）对液化气，天 然气，城市煤气有较好的灵敏度。 （ 6）具有长期的使用寿命和可靠的稳定性 （ 7）快速的响应恢复特性 其原理图如下： 图 316 MQ2 气体传感器模块电路图 第 页 共 36 页 15 MQ2 一氧化碳传感器模块 MQ7 一氧化碳传感器 MQ7 气体传感器的气敏材料， 是用在清洁空气中电导率低的二氧化锡（ SnO2）。 采用高低温循环检测方式低温（ ）检测一氧化碳，传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度增加而增大，高温（ 5 . 0 V加热）清洗低温时吸附的杂散气体。 使用简单的 电 路即可将电导率的变化，转换为与 该气体浓度相对应的输出信号。 MQ7 传感器对一氧化碳的灵敏度高，这种传感器可检测多种含一氧化碳的气体， 是一款适合多种应用的低成本传感器。 其结构和外形如图： 图 317 MQ7 一氧化碳传感器外形图 图 318 MQ7 一氧化碳传感器结构图 MQ7 一氧化碳传感器模块 下图为 MQ7 一氧化碳传感器模块实物图： 第 页 共 36 页 16 图 319 MQ7 一氧化碳传感器模块实物图 简要说明： 尺寸： 长 32mm *宽 22mm *高 27mm 主要芯片： LM39 MQ7 气体传感器 工作电压 ：直流 5 伏 特点： （ 1） 具有信号输出指示。 （ 2） 双路信号输出（模拟量输出及 TTL 电平输出） （ 3） TTL 输出有效 （ 信号为低电平。 （当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机） （ 4） 模拟量输出 0~5V电压，浓度越高电压越高。 （ 5） 对一氧化碳具有很高的灵敏度和良好的选择性。 （ 6） 具有长期的使用寿命和可靠的稳定性 其原理图如下： 图 320 MQ。