基于单片机的天然气多点浓度巡测系统设计(编辑修改稿)

基于单片机的天然气多点浓度巡测系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

衡法两种。 压力 /流量变化法是基于如下假设：在工况稳定的情况下，管道出入口处的压力或者流量的变化超过一定程度就意味着泄漏的发生。 对出入口的压力和流量进行监测，当其变化超过预设值时就发出报警。 这种方法原理和实现都很简单，但是无法定位，而且误报警率很高。 流量平衡法则是根据管道两端出、人口流量是否平衡来检测管道发生了泄漏，当人口流量大于出口流量时，就可以判断管道发生泄漏。 由于管道的工况变化或嗓声扰动也会导致流量不平衡现象，所以误报警率较高。 以上两种方法的原理简单，但由于误报警率高，而且无法定位，所以不能作为主 要的检测方法。 由此我们可以看出单独的硬件设计和单独的软件的设计完全不能够满足本次设计。 故我们应该选择其他的方法来进行设计。 经过多次的方案论证我们得出只有将硬件与软件相结合才能实现设计所要求的功能。 基于软件和硬件结合的方法设计天然气浓度泄漏巡测 单独的硬件设计和单独的软件设计不能满足要求，基于本次设计要求我们选择软件和硬件结合的方式来进行设计。 通过硬件部分实现信号的采集与放大，通过软硬件结合对模拟信号进行转换，将其转换成数字信号，然后通过软件部分对信号进行处理，最后通过软硬件结合进行显示、报警、巡 环检测以及人机长春工业大学学士论文 6 交换。 该设计方案不仅满足了浓度的显示和超限报警，而且实现了巡环测试和所要求精度的要求。 下图为基于本设计要求所设计的系统原理框图： 气 敏 传 感 器 放 大 电 路 A / D 转 换 器单 片 机显 示 电 路报 警 电 路 图 系统原理框图 其工作原理如下：首先，将气敏传感器放到天然气检测点进行测量，传感器将采集到的信号转化为芯片可以识别的电压信号，通过放大器的放大信号被放大到伏特级别。 送入 A/D 转换装置，将电压信号转换成数字信号输入到单片机的 P 口，单片机对采集到得 信号进行运算、校正。 然后经过单片机的传送到八段数码管使其浓度得以显示。 其次，当其浓度达到预设的初值时，蜂鸣器就会发出报警的响声以提示人们浓度已经超标了，必须马上采取措施。 下面我们就其软硬件的选择加以论述 硬件的选择 一．本设计的主控制器有很多的选择，但是我们基于设计不是很复杂，开发的成本比较低，性价比，操作的难易程度等方面来考虑，我们选择的是美国ATMEL 公司生产的 8 位高性能 AT89C51 单片机，其主要技术优势是它的内部含有可编程的 Flash 存储器，用户可以很方便地进行操作程序的擦写，在嵌入式 控制领域中 AT89C51 单片机被广泛应用。 AT89C51 单片机与工业标准 MCS51 系列单片机的指令组和引脚是兼容的，因而可以替代 MCS51系列单片机使用。 二．该设计主要是测试天然气的泄露浓度及其报警，因此我们选择 它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。 气敏传感器的工作原理是： 声波表面器件 的 波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移。 气敏传感器就是 利用 此 性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互 接触作用 （化学作用或生物作用，或者是物理吸附），使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化，引起压电晶体的声表面波频率发生漂移；气体浓度不同， 使得 膜层质量和导电率变化程度 也相应长春工业大学学士论文 7 的 不同， 由此 引起声表面波频率的变化也不同。 通过测量声表面波频率的变化就可以准确的反应气体浓度的变化 基于设计要求我们选择 QMN10气敏传感器来检测天然气的浓度。 它具有灵敏度高反应快的特点。 用于本次设计非常合适。 三．由于本装置需要检测 2个天然气罐，而每个 气罐上有 8个浓度监测点，故要对 16个点采集信号，所以选用多路模拟开关。 多路模拟开关的主要作用是用于切换信号，如在某一时刻接通某一路，让该路信号输入而让其他路断开，从而达到切换信号的目的。 为使装置能正常工作，我们应该选择性能稳定的 8通道模拟开关 CD4051，它与地址锁存器 74LS373 和译码器 74LS138 组成采集电路用于对 16 个检测点进行信号采集。 四．运算放大电路采用斩波稳零运算放大器 ICL7650， ICL7650 是 Intersil 公司利用动态校零技术和 CMOS 工艺制 作。 其特点是 输入偏置电流小、增益 高、失调小、共模抑制能力强、低漂移、 高输入阻抗、 快响应、 稳定的 性能及低廉的 价格等优点。 ICL7650 其放大倍数在 100 倍以内。 五．由于此次设计装置要求的浓度精度为 1000ppm 所以我们采用 开关电容逐次逼近 型的 MAX187。 MAX187 是 美国 TI公司 生产 的 12位串行模数转换器， 其使用 开关电容逐次逼近 技术完成 A/D 转换过程。 由于是串行输入结构，能够节省 51系列单片机 I/O 资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中 被 广泛的应 用。 六．在浓度显示方面的选择也较多，我们可以采用八段数码管显示，也可以采用 LCD液 晶显示屏但是我们基于硬件的成本以及编程的难易程度，在天然气浓度显示部分我们采用 LED 显示，自动显示 16个采样点的浓度信息。 并且数码管显示分为数码管静态显示和数码管动态显示。 所谓静态显示方式即是无论有多少个数码管都处于显示状态。 它的优点是数码管的亮度高无闪烁，并且软件编程控制比较容易。 缺点是需要的硬件电路比较多并且在较多数码管时流经的电流较大对电源的要求也相应提高。 故在硬件设计时很少使用静态显示方式。 所谓动态显示即是无论在任何时刻只有一个数码管处于点亮状态，每个数码管轮流显示。 动态显示的优点是所需要的硬件电路 较为简单，且数码管需要的越多这个优势越明显。 由于每一时刻仅有一个数码管被点亮，故需要的电流小。 其缺点是数码管的亮度不如静态显示的高，并且软件程序控制比较麻烦。 根据本次设计需要用到 7 个八段数码管，故我们选择用动态显示方式。 七．实现单频音报警的接口电路比较简单，其发音元件可采用压电蜂鸣器，压电蜂鸣器的特点是：体积小、重量轻、耗电省、厚度薄、造价低廉 、 可靠性好。 因 只需在其两引线上加 3~5V 的直流电压，就能产生 3KHZ 左右的蜂鸣震荡音响，比电研式蜂鸣结构简单，耗电少，且更适合于在单片机系统之中应用。 长春工业大学学士论文 8 除此之外压电式 蜂鸣器，约需 10MA的驱动电流，可以使用 TTL系列集成电路 7406或 7407 低电平驱动，也可以使用一个晶体管三级管驱动， 八．本次设计对按键的要求较低，所以我们选择 2 个按键用来控制起始和停止的状态。 软件设计 本次设计在软件编程方面有两种选择 ① 用 C 语言编写。 其优缺点如下所示：C 语言是一种结构化的高级语言。 其优点是可读性好，易移植，是普遍使用的一种 高级 计算机语言。 缺点是占用 的各种 资源较多，执行效率 并 没有汇编高。 ②采用汇编语言进行程序的编写。 我们知道 汇编语言是一种用文字助记符来表示机器指令的符号语言，是 所有语言中 最接近机器码的一种语言。 主要优点是 它所 占用 的 资源 较 少、程序执行效率 很 高。 但是不同的 CPU，其汇编语言可能有所差异，所以 缺点是 移植 性差。 C 语言是一种 高级 计算机程序设计 的 语言。 它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。 它 既 可以作为系统设计语言编写工作 的 应用程序，也可以作为 一种 设计语言。 根据本设计笔者选择的是用 C 语言 编写。 通过软件设计实现对信号进行处理结合硬件实现显示报警等功能。 除此之外软件部分还实现抗干扰。 由于温度湿度大气压力等引起 的周围环境的变化致使对浓度测试结果会产生影响。 抗干扰技术分为两种：硬件抗干扰技术和软件抗干扰技术。 系统硬件抗干扰设计 (1)滤波技术：①将电源变压器的进线段加入滤波器．以消弱瞬变噪声干扰； ②在直流电源线和地线之间接滤波电容。 用来抑制电源产生的噪声。 (2)去藕电路：在印刷电路板的各个集成电路的电源线端与地线端之间配置去藕电容。 (3)屏蔽技术：屏蔽技术主要由电场屏蔽，电磁场屏蔽和磁场屏蔽三类。 很多系统采用的是电磁场与电场屏蔽相结合的方法。 主要使用低电阻材料作为屏蔽材料，把需要隔离的 部分保卫起来。 磁场 屏蔽则应采用高导磁率的材料。 (4)光电隔离：在 I／ O 通道上采用光电隔离器，将单片机系统与各种传感器、开关从电器上隔离开来。 很大一部分于扰可被阻挡。 系统软件抗干扰设计的论证 对于微机测控系统来说，仅仅只考虑硬件的抗干扰是远远不够的．采取一定的软件抗干扰措施非常必要，它不仅能降低系统的硬件成本。 又可以充分发挥软件的优势， 长春工业大学学士论文 9 使系统具有自我诊断。 自我恢复的能力。 本系统采用的软件抗干扰措施主要有以下几种： (1)数字滤波技术，采用数字滤波技术除去输入信号中所掺杂的各种随机干扰。 (2)软件陷阱技术：当系统受到外界 等各种干扰，其 PC 值可能发生变化，产生程序“乱飞”等各种情况，可以用软件陷阱和看门狗将程序拉回到复位状态。 具体的讲，可以在 RAM 中埋一些特定的标志，在每次程序复位时，通过这些标志，可以判断复位原因并根据不同的标志直接跳到相应的程序。 这样可以使其程序的运行有其连续性。 用户在使用时也不是很容易察觉到程序曾经已经被重新复位过。 长春工业大学学士论文 10 第三章 硬件部分的设计 AT89C51 的片内结构及引脚描述 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的高性能，低电压 CMOS8 位单片机。 片内含 128 bytes 的随机存取数据存储器（ RAM）和 4K bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（ PEROM），它是根据 ATMEL 公司的高密度、非易失性等特性存储技术生产，兼容标准 MCS51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器（ CPU）和 Flash 存储单元，功能强大的 AT89C51 单片机提供出了许多高性价比的应用场合，可方便灵活的应用于各种控制领域系统。 AT89C51 单片机的内部结构如图 31 所示。 它把这些可以作为控制应用所必需的功能部件都集成在一个大小有限的集成电路芯片上。 它由如下功能部件组成： ① 微处理器 (CPU) ② 程序存储器 (4KB Flash ROM) ③ 数据存储器 (RAM) ④ 4个 8位可编程并行 I/O口 (P0口、 Pl口、 P2口、 P3口 ) ⑤ 2个 16位定时器／计数器 ⑥ 1个全双工串行口 ⑦ 特殊功能寄存器 (SFR) ⑧ 中断系统 以上各功能部件通过片内单一 总线相连接，基本的结构依旧是传统微型计算机结构模式 — CPU加上外围芯片。 但 CPU对各功能部件的控制却又是大为不同的。 它采用的是特殊功能寄存器的集中控制方式。 下面对图 31中的片内各功能部件加以简单介绍。 (微处理器 ) AT89C51单片机中有 1个 8位的 CPU，与平时通用的 CPU功能大致相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，但是其增加了面向控制的位处理和位操作和位处理的功能。 (RAM) 片内存储器为 128B的存储空间，片外存储器最多可扩展为 64KB。 片内 128B的 RAM，以高速 RAM的形式集成在单片机内部，其功能是使单片机运行的速度加快，而且这种结构的 RAM还可以降低功耗。 (Flash ROM) 长春工业大学学士论文 11 程序存储器的作用是用来存储程序的。 AT89C51片内集成了 4KB的 Flash存储器，如果其片内程序存储器存储的容量不够，片外最多可外扩程序存储器至 64KB。 4. AT89C51的中断系统 单片机中的中断是指 CPU 暂停正在执行的当前正在执行的程序而转去执行请求CPU 为其服务的那个程序，在执行完中断服务程序后再回到原程序继续执 行。 中断系统是指能够处理上述中断过程所需要的部分电路。 AT89C51 具有 5个中断源。 它们分别是两个外部中断源 INT0、 INT1，中断信号从 、 引脚输入；三个内部中断源：定时器 0、定时器 1 溢出中断、串行口中断。 每个中断源都有相应的中断服务程序人口地址。 除此之外其还有 2级中断优先权 ／计数器 单片机片内共有 2个 16位的定时器／计数器。 简称为定时器 0（ T0）和定时器 1（ T1），T0和 T1分别由两个 8位寄存器构成，其中 T0、 T1都是有高低八位构成，即 T0由 TH0（高8位）和 TL0（低 8位）构成， T1由 TH1（高 8位）和 TL1（低 8位）构成。 并且 TH0、 TL0、TH TL1都是 SFR中的特殊功能寄存器。 1个全双工的串行口，具有 4种工作方式。 可进行串行通信，扩展并行 I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。 7. P0 口、 P1 口、 P2 口、 P3 口 在 AT89C51 中有四个双向并行 I/O 端口 P0~P3。 每个端口都有八条输入输出端口。