基于单片机的燃气泄露检测仪设计_毕业设计论文(编辑修改稿)

基于单片机的燃气泄露检测仪设计_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

T 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。 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。 2020 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。 lus6uS 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； I／ 0 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、时序发生、 PWM 等；基于单片机的燃气泄露检测仪设计 第 6 页 共 38页 看门狗功能； A／ D 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。 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 31 所示。 图 31 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 32． 768kHz 晶振的要求。 LFXTl 振荡器默认工作在低频模式，即 32． 768kHz，也可以通过外接 450kHz～ 8MHz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 32 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。 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 Y24MC1112PC1312PGNDXT1INXT1OUT 图 32 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： ； RST/NMI 脚出现低电平； (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 Vcc 的 +5V 电平就会直接加到RST 端。 手动按钮复位的电路如 图 33 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。 图 手动按钮复位电路 基于单片机的燃气泄露检测仪设计 第 8 页 共 38页 上电复位： C51 的上电复位电路如 图 34 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 1181。 F。 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振荡器的起振时间取决于振荡频率如晶振频率为 10MHz 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 34 所示： C7VCCGNDRSTR447K 图 34 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 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、华北科技学院毕业设计（论文） 第 9 页 共 38页 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 35 所示 ，引脚功能如表 1 所示。 JTAG 调试接口1 23 45 67 89 1011 1213 14J1JTAGTESTTCKTMSTDI/TCLKTDORSTVCCGND 图 35 JTAG 接口电路 表 1 JTAG引脚图 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。 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基于单片机的燃气泄露检测仪设计 第 10 页 共 38页 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ComparetorA，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 36 为MSP430F5529 芯片的管脚。 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 36 MSP430F5529 芯片管脚图 华北科技学院毕业设计（论文） 第 11 页 共 38页 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37 所示： 图 37 模拟数字地分离电路 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基于单片机的燃气泄露检测仪设计 第 12 页 共 38页 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 38 所示： 本电路中可知电路的放大倍数为： )12(3410 VVRRV  （ 公式 31） 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 ， R2 为 ，R3 为 ， R4 为。 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 图 38 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)。 华北科技学院毕业设计（论文） 第 13 页 共 38页 ＊单位增益频带宽 (约 1MHz)。 ＊电源电压范围宽：单电源 (3— 30V)；双电源 (177。 一177。 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 )。 LM358 引脚图 如下 图 39 所示。 图 3。