【正文】 1)氣體傳感器向低功耗、多功能、集成化方向發(fā)展國外氣體傳感器發(fā)展很快，一方面是由于人們安全意識增強(qiáng)，對環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另一方面是由于傳感器市場增長受到政府安全法規(guī)的推動。因此，國外氣體傳感器技術(shù)得到了較快發(fā)展，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)預(yù)測，美國1996年—2002年氣體傳感器年均增長率為(27～30)％。目前，氣體傳感器的發(fā)展趨勢集中表現(xiàn)為：一是提高靈敏度和工作性能，降低功耗和成本，縮小尺寸，簡化電路，與應(yīng)用整機(jī)相結(jié)合，這也是氣體傳感器一直追求的目標(biāo)。如日本費(fèi)加羅公司推出了檢測(～10)10－6硫化氫低功耗氣體傳感器，美國IST提供了壽命達(dá)10年以上的氣體傳感器，美國FirstAlert公司推出了生物模擬型(光化反應(yīng)型)低功耗CO氣體傳感器等。二是增強(qiáng)可靠性，實(shí)現(xiàn)元件和應(yīng)用電路集成化，多功能化，發(fā)展MEMS技術(shù)，發(fā)展現(xiàn)場適用的變送器和智能型傳感器。如美國GeneralMonitors公司在傳感器中嵌入微處理器，使氣體傳感器具有控制校準(zhǔn)和監(jiān)視故障狀況功能，實(shí)現(xiàn)了智能化；還有前已涉及的美國IST公司的具有微處理器的“MegaGas”傳感器實(shí)現(xiàn)了智能化、多功能化。(2)國內(nèi)現(xiàn)狀與差距氣敏元件傳感器作為新型敏感元件傳感器在國家列為重點(diǎn)支持發(fā)展的情況下，國內(nèi)已有一定的基礎(chǔ)。其現(xiàn)狀是：燒結(jié)型氣敏元件仍是生產(chǎn)的主流，占總量90％以上；接觸燃繞式氣敏元件已具備了生產(chǎn)基礎(chǔ)和能力；電化學(xué)氣體傳感器有了試制產(chǎn)品；在工藝方面引入了表面摻雜、表面覆膜以及制作表面催化反應(yīng)層和修隔離層等工藝，使燒結(jié)型元件由廣譜性氣敏發(fā)展成選擇性氣敏；在結(jié)構(gòu)方面研制了補(bǔ)償復(fù)合結(jié)構(gòu)、組合差動結(jié)構(gòu)以及集成化陣列結(jié)構(gòu)；新研究開發(fā)的32OAl氣敏材料、石英晶體和有機(jī)半導(dǎo)體等也開始用于氣敏材料；低功耗氣敏元件(如一氧化碳，甲烷等氣敏元件)已從產(chǎn)品研究進(jìn)入中試；國內(nèi)氣敏元件傳感器產(chǎn)量已超過“九五”初期的400萬支。產(chǎn)量超過20萬支的主要廠家有5家，黑龍江敏感集團(tuán)、太原電子廠、云南春光器材廠、天津費(fèi)加羅公司(合資)、北京電子管廠(特種電器廠)，其中前四家都超過100萬支，據(jù)行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計(jì)，1998年全國氣敏元件總產(chǎn)量已超過600萬支。總的看來，我國氣敏元件傳感器及其應(yīng)用技術(shù)有了較快進(jìn)展，但與國外先進(jìn)水平仍有較大的差距，主要是產(chǎn)品制造技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用等方面的差距，與日本比較仍要落后10年?！”疚闹饕獌?nèi)容及章節(jié)安排本文主要講述基于單片機(jī)的毒氣檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)全過程，包括硬件電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、電腦仿真和實(shí)物制作。論文具體章節(jié)安排如下：第1章介紹了本次課題的課題背景、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、課題的研究意義。第2章主要講述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，包括最小系統(tǒng)、AD轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊、聲音報(bào)警模塊和傳感器模塊。第3章主要介紹了此次設(shè)計(jì)的軟件部分，包括主程序、AD轉(zhuǎn)換程序、時(shí)鐘產(chǎn)生程序；第4章主要介紹了本次設(shè)計(jì)的實(shí)施過程，包括繪圖、編程、仿真和焊接實(shí)物。3 第2章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第2章　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)　硬件總體設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分三個(gè)層次：(1)單片機(jī)：通常指應(yīng)用系統(tǒng)主處理機(jī)，即所選擇的單片機(jī)器件。(2)單片機(jī)系統(tǒng)：指按照單片機(jī)的技術(shù)要求和嵌入對象的資源要求而構(gòu)成的基本系統(tǒng)，如時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和擴(kuò)展存儲器等與單片機(jī)構(gòu)成了單片機(jī)系統(tǒng)。(3)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)：能滿足嵌入對象要求的全部電路系統(tǒng)。在單片機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加上面向?qū)ο蟮慕涌陔娐?，如前向通道、后向通道、人機(jī)交互通道(鍵盤、顯示器、打印機(jī)等)和串行通行口(RS232)以及應(yīng)用程序等。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)三個(gè)層次的關(guān)系如圖21：圖21 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)三個(gè)層次的關(guān)系以此理解，一氧化碳報(bào)警器同樣具有單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的三個(gè)層次。其中以AT89C51單片機(jī)為核心構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，檢測信號進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理。為了更好的理清設(shè)計(jì)思路，將整個(gè)系統(tǒng)細(xì)分為三部分加以設(shè)計(jì)說明。整個(gè)報(bào)警器由三個(gè)部分組成，分為三大模塊：濃度檢測模塊、主控模塊和報(bào)警模塊。在本次設(shè)計(jì)中，使用的核心器件是單片機(jī)和一氧化碳傳感器。為了保重整個(gè)系統(tǒng)可靠的運(yùn)行，設(shè)計(jì)中必須明確三大部分的實(shí)際聯(lián)系：以單片機(jī)為中心，其他各大模塊一一展開。其中，濃度檢測及顯示模塊所實(shí)現(xiàn)的功能是將房間中的一氧化碳濃度值轉(zhuǎn)換成為單片機(jī)能夠處理的數(shù)字信號，并且濃度值顯示出來：主控模塊以單片機(jī)為主，對其他模塊的運(yùn)行進(jìn)行控制；報(bào)警模塊是此系統(tǒng)的外部電路，它的功能是實(shí)現(xiàn)報(bào)警。系統(tǒng)框圖如圖22所示。圖22 系統(tǒng)框圖下面就對各個(gè)模塊的功能和實(shí)現(xiàn)形式做簡單介紹(1)氣體濃度檢測模塊一氧化碳報(bào)警器主要采用高穩(wěn)定一氧化碳?xì)怏w傳感器MQ7檢測房間氣體濃度，檢測結(jié)果送入模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809中進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，將得到的數(shù)字信號送入單片機(jī)進(jìn)行分析處理。(2)主控模塊主控模塊即單片機(jī)最小系統(tǒng)。用的是MCS51單片機(jī)，MCS51單片機(jī)是美國Intel公司1980年推出的一種高性能8為單片微型計(jì)算機(jī)。內(nèi)帶4K字節(jié)的內(nèi)存和程序保護(hù)系統(tǒng)，使用于程序的調(diào)試修改和保密。它的主要功能既是將經(jīng)過ADC0809處理后的檢測結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果決定是否報(bào)警，若報(bào)警，則驅(qū)動報(bào)警系統(tǒng)工作。(3)報(bào)警模塊此模塊主要有蜂鳴器、LED數(shù)碼管組成，在氣體濃度過大，超過安全值時(shí)，蜂鳴器工作，提供聲音報(bào)警服務(wù)；同時(shí)，數(shù)碼管顯示報(bào)警的傳感器號。至此，本系統(tǒng)的三大模塊功能和設(shè)計(jì)思路已經(jīng)確立，下文將介紹整個(gè)硬件系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程。并且給出設(shè)計(jì)電路?！纹瑱C(jī)的最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖如下：圖23 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖單片機(jī)的最小系統(tǒng)是由組成單片機(jī)系統(tǒng)必需的一些元件構(gòu)成的，除了單片機(jī)之外，還需要包括電源供電電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路(單片機(jī)電源和地沒有標(biāo)出)如圖22所示?！纹瑱C(jī)簡介本課題所用單片機(jī)采用8051核的ISP(In System Programming)在系統(tǒng)可編程芯片，最高工作時(shí)鐘頻率為80MHz，片內(nèi)含4K Bytes的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，具有在系統(tǒng)可編程(ISP)特性，配合PC端的控制程序即可將用戶的程序代碼下載進(jìn)單片機(jī)內(nèi)部，省去了購買通用編程器，而且速度更快。STC89C52RC系列單片機(jī)是單時(shí)鐘/ 機(jī)器周期(1T)的兼容8051 內(nèi)核單片機(jī)，是高速/ 低功耗的新一代8051 單片機(jī)，全新的流水線/ 精簡指令集結(jié)構(gòu),內(nèi)部集成MAX810 專用復(fù)位電路。主要特性有：　　(1)增強(qiáng)型1T 流水線/ 精簡指令集結(jié)構(gòu)8051 CPU　　(2)工作電壓： (5V 單片機(jī))/ (3V 單片機(jī)　　(3)工作頻率范圍：0 35 MHz，相當(dāng)于普通8051 的0～.　　(4)用戶應(yīng)用程序空間12K / 10K / 8K / 6K / 4K / 2K 字節(jié)　　(5)片上集成512 字節(jié)RAM　　(6)通用I/O 口(27/23個(gè))，復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/ 弱上拉(普通8051 傳統(tǒng)I/O 口)可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/ 弱上拉，推挽/ 強(qiáng)上拉，僅為輸入/ 高阻，開漏每個(gè)I/O 口驅(qū)動能力均可達(dá)到20mA，但整個(gè)芯片最大不得超過55mA　　(7)ISP(在系統(tǒng)可編程)/IAP(在應(yīng)用可編程)，無需專用編程器可通過串口()直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片　　(8)EEPROM 功能　　(9)看門狗　　(10)內(nèi)部集成MAX810 專用復(fù)位電路(外部晶體20M 以下時(shí)，可省外部復(fù)位電路)　　(11)時(shí)鐘源：外部高精度晶體/ 時(shí)鐘，內(nèi)部R/C 振蕩器。用戶在下載用戶程序時(shí)，可選擇是使用內(nèi)部R/C 振蕩器還是外部晶體/ 時(shí)鐘。常溫下內(nèi)部R/C 振蕩器頻率為： ～。精度要求不高時(shí)，可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，因?yàn)橛袦仄?，請選4MHz ～8MHz　　(12)有2個(gè)16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器　　(13)外部中斷2 路,下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,Power Down 模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒　　(14)PWM( 4 路)/ P C A(可編程計(jì)數(shù)器陣列)，也可用來再實(shí)現(xiàn)4個(gè)定時(shí)器或4個(gè)外部中斷(上升沿中斷/ 下降沿中斷均可支持)　　(15)STC89Cc516AD具有ADC功能。10 位精度ADC，共8 路　　(16)通用異步串行口(UART)　　(17)SPI 同步通信口，主模式/ 從模式　　(18)工作溫度范圍：0 75℃/ 40 +85℃(19)封裝：PDIP28，SOP28，PDIP20，SOP20，PLCC32,TSSOP20(超小封狀，定貨)振蕩器特性:：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對外部時(shí)鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。[1]　時(shí)鐘電路和復(fù)位電路時(shí)鐘電路和復(fù)位電路的原理如下：1)時(shí)鐘電路圖24 時(shí)鐘電路原理圖單片機(jī)工作時(shí)，從取指令到譯碼再進(jìn)行微操作，必須在時(shí)鐘信號控制下才能有序地進(jìn)行，時(shí)鐘電路就是為單片機(jī)工作提供基本時(shí)鐘的。單片機(jī)的時(shí)鐘信號通常有兩種產(chǎn)生方式：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。本課題采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。在單片機(jī)XTAL1和XTAL2引腳上跨接上一個(gè)晶振和兩個(gè)穩(wěn)頻電容，可以與單片機(jī)片內(nèi)的電路構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。晶振頻率取12 MHz。外接電容的作用是對振蕩器進(jìn)行頻率微調(diào)，使振蕩信號頻率與晶振頻率一致，同時(shí)起到穩(wěn)定頻率的作用，本課題選用33pF的電容。易知：本單片機(jī)最小系統(tǒng)的振蕩周期=1/(12MHz)=1/12us，時(shí)鐘周期=1/6us，機(jī)器周期=1us。2)復(fù)位電路圖25 復(fù)位電路原理圖無論是在單片機(jī)剛開始接上電源時(shí)，還是運(yùn)行過程中發(fā)生故障都需要復(fù)位。復(fù)位電路用于將單片機(jī)內(nèi)部各電路的狀態(tài)恢復(fù)到一個(gè)確定的初始值，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。單片機(jī)的復(fù)位條件：必須使其RST引腳上持續(xù)出現(xiàn)兩個(gè)(或以上)機(jī)器周期的高電平。單片機(jī)的復(fù)位形式：上電復(fù)位、按鍵復(fù)位。本課題采用按鍵復(fù)位。，電容C兩端的電壓持續(xù)充電為5V，這是時(shí)候10K電阻兩端的電壓接近于0V，RST處于低電平所以系統(tǒng)正常工作。當(dāng)按鍵按下的時(shí)候，開關(guān)導(dǎo)通，這個(gè)時(shí)候電容兩端形成了一個(gè)回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個(gè)過程中，電容開始釋放之前充的電量。隨著時(shí)間的推移，，甚至更小。根據(jù)串聯(lián)電路電壓為各處之和，甚至更大，所以RST引腳又接收到高電平。單片機(jī)系統(tǒng)自動復(fù)位。　A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖如下：圖26 AD轉(zhuǎn)換模塊原理圖本A/D轉(zhuǎn)換電路以ADC0809芯片為核心，該芯片在單片機(jī)的控制下把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。(由于Proteus軟件不能仿真ADC0809，所以用ADC0808代替。)傳感器的模擬電壓信號通過IN0~IM3通道進(jìn)入ADC0809,，ADC0809的數(shù)據(jù)輸出接單片機(jī)的P0口，~。各個(gè)控制端口接到單片機(jī)的P2口。根據(jù)ADC0809的工作過程，通過軟件控制ADC0809工作?！DC0809主要特性(1)8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。(2)具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫恕?3)轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs(時(shí)鐘為640kHz時(shí))，130μs(時(shí)鐘為500kHz時(shí))。(4)單個(gè)+5V電源供電。(5)模擬輸入電壓范圍0～+5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。(6)工作溫度范圍為40～+85攝氏度。(7)低功耗，約15mW?！DC0809引腳功能說明IN0～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入端。D0~D7：8位數(shù)字量輸出端。A、B、C：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路。ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效，對應(yīng)ALE上跳沿，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。START：A／D轉(zhuǎn)換啟動信號，輸入高電平有效，START上升沿時(shí)，復(fù)位ADC0809；START下降沿時(shí)啟動芯片，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持 低電平。本信號有時(shí)簡寫為ST.。EOC：A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平(轉(zhuǎn)換期間一直為低電平)。OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量，用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于640KHZ，EOC=0,正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；EOC=1,轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)信號即可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可作為中斷請求信號使用。REF(+)、REF()：基準(zhǔn)電壓，本課題中分別為+5V、0V。Vcc：電源，單一＋5V。GND：地。　ADC0809工作過程電路連接：ADC0809輸出接單片機(jī)的P0口，各個(gè)控制引腳及單片機(jī)的P2口，參考電壓REF(+)、REF()分別接+5V電源和地，引腳START和ALE相連。具體工作過程如下：首先，在程序的控制下，作為ADC0809工作的時(shí)鐘信號。并對其他控制引腳進(jìn)行初始化。然后，單片機(jī)向ADC0809的A、B引腳循環(huán)輸出地址編號，C引腳接地(因?yàn)楸菊n題僅用四個(gè)模擬通道)；每輸入一個(gè)地址編號后，START和ALE變高電平，復(fù)位ADC0809并將地址鎖存，經(jīng)過適當(dāng)?shù)难訒r(shí)后，START和ALE變低電平，開始模數(shù)轉(zhuǎn)換；，當(dāng)收到高電平時(shí)，說明模數(shù)轉(zhuǎn)換完成，此時(shí)向OE引腳輸出高電平，打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量到P0口，然后OE引腳變低電平，完成一次模數(shù)轉(zhuǎn)換?！∫谎趸紓鞲衅鹘榻B選擇一氧化碳傳感器主要考慮以下