基于单片机的室内煤气检测系统

基于单片机的室内煤气检测系统内容摘要：

套的要求； （ 6） 与工 业标准的 MCS51指令集和输出管脚相兼容 ； （ 7） 全静态工作 0Hz～ 24MHz，其工作频率可下降到 0Hz。 并提供两种可用软件选择的省电方式 —— 空闲方式和掉电方式。 在空闲方式中， CPU 停止工作，而 RAM，定时器 /计数器、串行口和中断系统都继续工作。 在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，只保存片内 RAM 中的内容，直到下一次硬件复位为止。 以上是 AT89S51 单片机的主要特点，显然它在性能方面远远强于其它别的单片机，并且它具有较高的性能价格比，这也是本课题选用 AT89S51 的原 因。 下面对 AT89S51 的复位电路、时钟电路及引脚的功能做相关说明。 （ 1） 复位电路 复位是单片机的初始化操作，使 CPU 及各专用存储器处于一个确定的初始状态，其中把 PC 的内容初始化为 0000H，使单片机从 0000H 单元开始执行程序，除了系统的正常开机（上电）复位外，当程序运行出错或操作错误使系统处于死循环状态时，为摆脱困境，可按复位键进行复位，复位电路由片外和片内两部分电路组成。 AT89S51 的 RST 引脚为复位引脚，只要在 RST 引脚上出现 两个机器周期 以上的高电平，即可实现复位。 复位通常有上电复位和按键复 位两种方法。 本设计采用的是按键复位，如图 示，当按下按键后，电容被短路， RST 引脚就处于高电平，就可以达到复位的目的。 图 （ 2） 时钟电路 桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（说明）论文 第 7页 共 33页 7 AT89S51 单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。 内部振荡方式所得的时钟 信 号比较稳定。 在引脚 XTAL1 和 XTAL2 外接晶体振荡器 (简称晶 振 )或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。 由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。 内部振荡方式的外部电路如下图 所示。 图中，电容器 C1l， C13 起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在 2030pF。 晶振频率的典型值为 6MHz或 12MHz，设计中电容取 20pF，晶振为 12MHz。 图 时钟电路 （ 3） 其它引脚功能 ～ (1～ 8 脚 )： P1 口 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口。 在 EPROM编程和验证程序时，它输入低 8位地址。 本设计中 P1 四个引脚用于对语音系统的控制。 ～ (21～ 28 脚 )： P2 口 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口。 在访问片外存储器时，它输出高 8 位地址，即 A8～ A15。 设计中， 和 口 分别 用于控制 报警电路和电磁阀控制电路。 图 AT89S51 引脚图 转换模块介绍 我们在做一个单片机系统时，常常会遇到这样那样的数据采集，在这些被采集的数据中，大部分可以通过我们的 I/O 口扩展接口电路直接得到，由于 51 单片机大部分不 桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（说明）论文 第 8页 共 33页 8 带 AD 转换器，所以模拟量的采集就必须靠 A/D或 V/F 实现。 （ 1） ADC0809 的逻辑结构 ADC0809 是 8 位逐次逼近型 A/D 转换器。 它由一个 8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个 A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成（见图 ）。 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。 IN0 ST CLK IN1 EOC IN2 IN3 D0 IN4 D2 IN5 D2 IN6 D3 IN7 D4 D5 A D6 B D7 C VREF(+) VREF() ALE OE 图 ADC0809内部结构图 （ 2） ADC0809工作原理 表 通道选择 C B A 选择 通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 IN0－ IN7： 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 0－ 5V，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。 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。 8路模拟量开关 地址锁存 与 译码器 8 路 A/D 转 换 器 三态输出锁存器 桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（说明）论文 第 9页 共 33页 9 A， B 和 C 为地址输入线，用于选通 IN0－ IN7 上的一路模拟量输入。 通道选择表如 表 所示。 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。 OE＝ 1，输出转换 得到的数据； OE＝ 0，输出数据线呈高阻状态。 D7－ D0 为数字量输出线。 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 的应用 AD0809 的启动方式为脉冲启动方式，启动信号 START 启动后开始转换， EOC 信号在START 的下降沿 10us 后才变为无效的低电平。 这要求查询程序待 EOC 无效后再开始查询，转换完成后， EOC 输出高电平，再由 OE 变为高电平来输出转换数据。 我们 在设计程序时可以利用 EOC 信号来通知单片机（查询法或中断法）读入已转换的数据，也可以在启动 AD0809 后经适当的延时再读入已转换的数据。 AT89S51 的输出频为晶振频 率 的 1/6（ 2MHZ）， AT89S1 与 SUN7474 连接经与 7474 的ST脚提供 AD0809 的工作时钟。 AD0809 的工作频 率 范围为 10KHZ1280KHZ,当频率范围为 500KHZ 时，其转换速度为 128us。 AD0809 的数据输出公式为： Dout=Vin*255/5=Vin*51,其中 Vin 为输入模拟电压，Vout 为输出数 据。 图 IN0～ IN7： 8路模拟量输入端。 21～ 28： 8位数字量输出端。 ADDA、 ADDB、 ADDC：3位地址输入线，用于选通 8路模拟输入中的一路。 桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（说明）论文 第 10页 共 33页 10 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： A／ D转换启动信号，输入，高电平有效。 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）。 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。 CLK：时钟脉冲输入端。 要求时钟频率不高于 640KHZ。 REF（ +）、 REF（ ）：基准电压。 VCC：电源，单一＋ 5V。 GND： 接 地。 ADC0809的工作过程是：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。 煤气 检测模块 本次 煤气 探测设计模块选用 MQ5 作为检测原件 ， 用于家庭、环境的一氧化碳探测装置。 其环境条件如表 所示， 灵敏度特性 如 表 ， MQ5 气体传感器的特点： （ 1）对一氧化碳具有很高的灵敏度和良好的选择性； （ 2） 具有长期的使用寿命和可靠的稳定性。 表 环境条件 符号 参数名称 技术条件 备注 Tao 使用温度 10℃ 50℃ Tas 储存温度 20℃ 70℃ 建议使用范围 RH 相对湿度 小于 95%RH O2 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 2% 表 灵敏度特性 符号 参数名称 技术参数 备注 Rs 敏感体电阻 220k 在 100ppmCO 中 а(300/100ppm) 浓度斜率 小于 Rs (300ppm)/Rs(100ppm) 标准工作条件 温度： 20℃177。 2℃ 相对湿度： 65%177。 5% Vc:177。 VH（高） :177。 VH（低） :177。 预热时间 不短于 48 小时 探测范围： 10ppm1000ppm 一氧化碳 桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（说明）论文 第 11页 共 33页 11 气敏传感器结构如图 所示 ,它是由塑料底座、电极引线、气敏元件、加热器、双层不锈钢网（防爆用）组成，一般情况下，它的引线是 6 个，其中两个 A 及两个 B各自相连后成为气敏元件的引线， H 两端为加热器引线，其符号图 所示 ,H 接加热电压 5V， A 或者 B 接回路电压 5V，它们 之间为气敏电阻；特性曲线如图 ，图中给出了不同气体不同浓度时 Rs/R0 值的变化规律。 其中 R0 为元件在洁净空气中的电阻值， Rs 为元件在不同气体，不同浓度下的电阻值。 图 气体传感器结构 图 传感器工作原理图 其具体的原理图如图 所示。 当气体传感器检测到煤气信号后，发出信号给单片机 引脚为高电平，单片机此时打开报警系统。 图 气敏传感器部分 报警系统设计 当检测到 煤气 的值超出了我们设定的范围之内时，有单片机控制 给出高电平驱动 三极管，使三极管导通，驱动蜂鸣器发出声音，实现声音的报警，如图 ： 桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（说明）论文 第 12页 共 33页 12 图 声音 报警系统 电磁阀、风扇及光报警控制电路设计 当检测到煤气的值超出了 我们设。