基于单片机的有毒气体检测系统的设计本科毕业设计(论文)(编辑修改稿)

基于单片机的有毒气体检测系统的设计本科毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

究现状 、课题的研究意义。 第 2 章主要 讲述了系统的硬件设计，包括最小系统、 AD 转换模块、显示模块、声音报警模块和传感器模块。 第 3 章主要介绍了此次设计 的软件部分，包括主程序、 AD 转换程序、时钟产生程序； 第 4 章主要介绍了 本次设计的实施过程，包括绘图、编程、仿真和焊接实物。 第 2 章 硬件系统设计 5 第 2 章 硬件系统设计 硬件总体设计 单片机应用系统的结构分三个层次： (1)单片机：通常指应用系统主处理机，即所选择的单片机器件。 (2)单片机系统：指按照单片机的技术要求和嵌入对象的资源要求而构成的基本系统，如时钟电路、复位电路和扩展存储器等与单片机构成了单片机系统。 (3)单片机应用系统：能满足嵌入对象要求的全部电路系统。 在单片机系统的基础上加上面向对象的接口电路，如前向通道、后向通道、人机交互通道 (键盘、显示器、打印机等 )和串行通行口 (RS232)以及应用程序等。 单片机应用系统三个层次的关系如 图 21： 图 21 单片机应用系统三个层次的关系 以此理解，一氧化碳报警器同样具有单片机应用系统的三个层次。 其中以 AT89C51 单片机为核心构成单片机系统。 在此系统中，检测信号进入单片机进行运算处理。 为了更好的理清设计思路，将整个系统细分为三部分加以设计说明。 整个报警器由三个部分组成，分为三大模块：浓度检测模块、主控模块和报警模块。 在本次设计中，使用的核心器件是单片机和一氧化碳燕 山大学本科生毕业设计（论文 ） 6 传感器。 为了保重整个系统可靠的运行，设计中必须明确三大部分的实际联系：以单片机为中心，其他各大模块一一展开。 其中 ，浓度检测及显示模块所实现的功能是将房间中的一氧化碳浓度值转换成为单片机能够处理的数字信号，并且浓度值显示出来：主控模块以单片机为主，对其他模块的运行进行控制；报警模块是此系统的外部电路，它的功能是实现报警。 系统框图如 图 22 所示。 图 22 系统框图 下面就对各个模块的功能和实现形式做简单介绍 (1)气体浓度检测模块 一氧化碳报警器主要采用高稳定一氧化碳气体传感器 MQ7 检测房间气体浓度，检测结果送入模 /数转换芯片 ADC0809 中进行转换后，将得到的数字信号送入单片机进行分析处理。 (2)主控模块 主控模块即单片机最小系统。 用的是 MCS51 单片机， MCS51 单片机是美国 Intel公司 1980 年推出的一种高性能 8 为单片微型计算机。 内带 4K字节的内存和程序保护系统，使用于程序的调试修改和保密。 它的主要功能既是将经过 ADC0809 处理后的检测结果进行数据分析。 根据数据分析结果决定是否报警，若报警，则驱动报警系统工作。 (3)报警模块 此模块主要有蜂鸣器、 LED 数码管组成，在气体浓度过大，超过安全单片机AD 转换传感器 1传感器 2传感器 3传感器 3显示报警声音报警第 2 章 硬件系统设计 7 值时，蜂鸣器工作，提供声音报警服务；同时，数码管显示报警的传感器号。 至此，本系统的三大模块功能和 设计思路已经确立，下文将介绍整个硬件系统的详细设计过程。 并且给出设计电路。 单片机的最小系统 单片机最小系统原理图如下： 图 23 单片机最小系统原理图 单片机的最小系统是由组成单片机系统必需的一些元件构成的，除了单片机之外，还需要包括电源供电电路、时钟电路、复位电路。 单片机最小系统电路 (单片机电源和地没有标出 )如图 22 所示。 单片机简介 本课题所用单片机 采用 8051 核的 ISP(In System Programming)在系统可编程芯片，最高工作时钟频率为 80MHz，片内含 4K Bytes 的可反复擦写 1000次的 Flash 只读程序存储器，器件兼容标准 MCS51 指令系统 ，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，具有在系统可编程 (ISP)特性，燕 山大学本科生毕业设计（论文 ） 8 配合 PC 端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。 STC89C52RC 系列单片机是单时钟 / 机器周期 (1T)的兼容 8051 内核单片机，是高速 / 低功耗的新一代 8051 单片机，全新的流水线 / 精简指令集结构 ,内部集成 MAX810 专用复位电路。 主要特性有 ： (1)增强型 1T 流水线 / 精简指令集结构 8051 CPU (2)工作电压： (5V 单片机 )/ (3V 单片机 (3)工作频率范围： 0 35 MHz，相当于普通 8051 的 0～ 作频率可达 48MHz. (4)用户应用程序空间 12K / 10K / 8K / 6K / 4K / 2K 字节 (5)片上集成 512 字节 RAM (6)通用 I/O 口 (27/23 个 )，复位后为：准双向口 / 弱上拉 (普通 8051 传统 I/O 口 )可 设置成四种模式：准双向口 / 弱上拉，推挽 / 强上拉，仅为输入/ 高阻，开漏每个 I/O 口驱动能力均可达到 20mA，但整个芯片最大不得超过 55mA (7)ISP(在系统可编程 )/IAP(在应用可编程 )，无需专用编程器可通过串口()直接下载用户程序，数秒即可完成一片 (8)EEPROM 功能 (9)看门狗 (10)内部集成 MAX810 专用复位电路 (外部晶体 20M 以下时，可省外部复位电路 ) (11)时钟源：外部高精度晶体 / 时钟，内部 R/C 振荡器。 用户在下载用户程序时， 可选择是使用内部 R/C 振荡器还是外部晶体 / 时钟。 常温下内部 R/C 振荡器频率为： ～。 精度要求不高时，可选择使用内部时钟，因为有温漂，请选 4MHz ～ 8MHz (12)有 2 个 16 位定时器 / 计数器 (13)外部中断 2 路 ,下降沿中断或低电平触发中断 ,Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒 (14)PWM( 4 路 )/ P C A(可编程计数器阵列 )，也可用来再实现 4 个定时第 2 章 硬件系统设计 9 器或 4 个外部中断 (上升沿中断 / 下降沿中断均可支持 ) (15)STC89Cc516AD 具有 ADC 功能。 10 位精度 ADC，共 8 路 (16)通用异步串行口 (UART) (17)SPI 同步通信口，主模式 / 从模式 (18)工作温度范围： 0 75℃ / 40 +85℃ (19)封装： PDIP28， SOP28， PDIP20， SOP20， PLCC32,TSSOP20(超小封状，定货 ) 振荡器特性 :： 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。 [1] 时钟电路和复位电路 时钟电路和复位电路的原理如下： 1)时钟电路 图 24 时钟电路原理图 单片机工作时，从取指令到译码再进行微操作，必须在时钟信号控制下才能有序地进行，时钟电路就是为单片机工作提供基本时钟的。 单片机的时燕 山大学本科生毕业设计（论文 ） 10 钟信号通常有两种产生方式：内部时钟方式和外部时钟方式。 本课题采用内部时钟方式。 在单片机 XTAL1 和 XTAL2 引脚上跨接上一个晶振和两个稳频电容，可以与单片机片内的电路构成一个稳定的自激振荡器。 晶振频率 取 12 MHz。 外接电容的作用是对振荡器进行频率微调，使振荡信号频率与晶振频率一致，同时起到稳定频率的作用， 本课题选用 33pF 的 电容。 易知：本单片机最小系统的 振荡周期 =1/(12MHz)=1/12us，时钟周期=1/6us，机器周期 =1us。 2)复位电路 图 25 复位电路原理图 无论是在单片机刚开始接上电源时，还是运行过程中发生故障都需要复位。 复位电路用于将单片机内部各电路的状态恢复到一个确定的初始值，并从这个状态开始工作。 单片机的复位条件： 必须使其 RST 引脚上持续出现两个 (或以上 )机器周期的高电平。 单片机的复位形式：上电复位、按键复位。 本课题采用按键复位。 在单片机启动 后，电容 C 两端的电压持续充电为 5V，这是时候 10K电阻两端的电压接近于 0V， RST 处于低电平所以系统正常工作。 当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。 随着时间的推移，电容的电压在 内，从 5V 释放到变为了 ，甚至更小。 根据串联电第 2 章 硬件系统设计 11 路电压为各处之和，这个时候 10K 电阻两端的电压 为 ，甚至更大，所以 RST 引脚又接收到高电平。 单片机系统自动复位。 A/D 转换电路 A/D 转换电路原理图如下： 图 26 AD 转换 模块原理图 本 A/D 转换电路 以 ADC0809 芯片为核心，该芯片在单片机的控制下 把模拟信号转化为数字信号。 (由于 Proteus 软件不能仿真 ADC0809，所以用ADC0808 代替。 ) 传感器的模拟电压信号通过 IN0~IM3 通道进入 ADC0809,， ADC0809的数据输出接单片机的 P0 口，从低位到高位一次对应 ~。 各个控制端口 接到单片机的 P2 口。 根据 ADC0809 的工作过程，通过软件控制ADC0809 工作。 ADC0809 主要特性 (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。 燕 山大学本科生毕业设计（论文 ） 12 (3)转换时间为 100μs(时钟为 640kHz 时 )， 130μs(时钟为 500kHz 时 )。 (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 引脚功能说明 IN0～ IN7： 8 路 模拟量输入端。 D0~D7： 8 位数字量输出端。 A、 B、 C： 3 位地址输入线，用于选通 8 路模拟输入中的一路。 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效 ， 对应 ALE 上跳沿， A、B、 C 地址状态送入地址锁存器中。 START： A／ D 转换启动信号，输入高电平有效 ， START 上升沿时，复位 ADC0809； START 下降沿时启动芯片，开始进行 A/D 转换；在 A/D 转换期间， START 应保持 低电平。 本信号有时简写为 ST.。 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 ， 用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。 OE=0，输出数据线呈高阻； OE=1，输出转换得到的数据。 CLK：时钟脉冲输入端。 要求时钟频率不高于 640KHZ， EOC=0,正在进行转换； EOC=1,转换结束。 使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。 REF(+)、 REF()：基准电压 ，本课题中分别为 +5V、 0V。 Vcc：电源，单一＋ 5V。 GND：地。 ADC0809 工作过程 电路连接： ADC0809 输出接单片机的 P0 口，各个控制引脚及单片机的第 2 章 硬件系统设计 13 P2 口，参考电压 REF(+)、 REF()分别接 +5V 电源和地，引脚 START 和 ALE相连。 具体工作过程如下： 首先，在程序的控制下，利用单片机的定时器 T0 以及中断服务程序在 输出一个方波信号，作为 ADC0809 工作的。