【正文】 實(shí)現(xiàn)智能控制。 從廣義上講，傳感器就是能感受外界信息并能按一定規(guī)律將這些信息轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的裝置。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，應(yīng)不斷調(diào)整軟、硬件，協(xié)調(diào)地進(jìn)行軟、硬件設(shè)計(jì)，以提高工作效率。而此次的氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)正是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的一種。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)由硬件和軟件組成。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程一般包括系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試幾個(gè)階段。狹義上講，傳感器就是能將外界信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。 本文的一氧化碳報(bào)警器就是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一種典型應(yīng)用，要求能夠檢測(cè)一氧化碳?xì)怏w濃度，并且在氣體濃度超過(guò)給定值時(shí)能采取相關(guān)措施。而此時(shí)采用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)一氧化碳報(bào)警不僅具有采集控制方便、簡(jiǎn)單、靈活等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高采集點(diǎn)的技術(shù)指標(biāo)，從而大大提高系統(tǒng)的可利用性。 1 緒 論 課題背景 隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的提高，現(xiàn)代化、智能化的多功能建筑越來(lái)越多，對(duì)建筑的防火安全設(shè)計(jì)要求也愈來(lái)愈高。 2021年黨中央國(guó)務(wù)院提出“西部大開(kāi)發(fā)”的重大戰(zhàn)略部署，特別是 2021年“西氣東輸”第一期工程正式開(kāi)工，這無(wú)疑為發(fā)展西部地區(qū)的燃?xì)猱a(chǎn)業(yè)帶來(lái)歷史性的機(jī)遇。為了使燃?xì)飧玫卦旄Ｓ诿?，造福于社?huì)，減少并杜絕各種因燃?xì)庑孤┒l(fā)的爆炸及火災(zāi)事故，各燃?xì)馐褂脝挝患熬用裼脩?hù)選擇一種適合的燃?xì)鈭?bào)警器實(shí)為必要之舉。 日本早在 1980 年 1 月開(kāi)始實(shí)行安裝城市煤氣、液化石油氣報(bào)警器的法規(guī)， 1986年 5 月日本通產(chǎn)省又實(shí)施了安全器具普及促進(jìn)基本方針。當(dāng)碳物質(zhì)燃燒不完全時(shí)，可產(chǎn)生 CO，如人體短時(shí)間內(nèi)吸入較高濃度的 CO，或濃度雖低，但吸時(shí)間較長(zhǎng)，均可造成急性中毒。 一氧化碳報(bào)警器的概述 首先我們應(yīng)對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的燃?xì)鈭?bào)警器的種類(lèi)有所了解。有的報(bào)警器在報(bào)警時(shí)可自動(dòng)關(guān)閉燃?xì)忾y門(mén)，以防燃?xì)饫^續(xù)泄漏。 選擇一款優(yōu)質(zhì)的燃?xì)鈭?bào)警器，首先要選擇質(zhì)量過(guò)關(guān)的傳感器。這就要求了一氧化碳傳感器性能必須符合這個(gè)條件，高精度 的傳感器是系統(tǒng)的靈魂。因此，本次設(shè)計(jì)所面對(duì)的是廣大居民，其優(yōu)點(diǎn)在于： （ 1）成本低廉并能對(duì) 一氧化碳 準(zhǔn)確報(bào)警。 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 主要任務(wù) 本文利用單片機(jī)電路制作程控一氧化碳報(bào)警器。濃度檢測(cè)模塊主要由燃?xì)鈧鞲衅鹘M成，它是整個(gè)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的元件。在解決這一問(wèn)題的過(guò)程中，需要查閱大量資料，結(jié)合所學(xué)知識(shí)，向老師獲取幫助。最后在制 作完成硬件電路板后要調(diào)試出設(shè)計(jì)要求的功能。它包括對(duì)各種元器件的功能和接法的了解，以及對(duì)各種元器件的選擇和設(shè)計(jì)方案的選擇。 （ 2） 在非正常工作狀態(tài)下 ， 當(dāng)室內(nèi)一氧化碳的濃度達(dá)到 100ppm 時(shí)系統(tǒng)應(yīng)啟動(dòng)音樂(lè)報(bào)警 ， 若 2min 報(bào)警無(wú)效 ， 系統(tǒng)應(yīng)啟動(dòng)排風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)排氣、關(guān) 閉電磁閥切斷氣源。 ② 信號(hào)處理部分是將接收部分得到的電壓或電流等變化進(jìn)行必要的放大，為后一部分信號(hào)控制提供準(zhǔn)備。 ② 信號(hào)處理部分應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況選用 電荷放大 ，或 比較器 等裝置，這部分電路將包含在傳感器接口電路中。 根據(jù)對(duì)上面設(shè)計(jì)系統(tǒng)的分析，我們得到該設(shè)計(jì)思想框圖如下圖 所示： 圖 設(shè)計(jì)思想框圖 將上述設(shè)計(jì)思想結(jié)合設(shè)計(jì)要求總結(jié)為：程控一氧化碳報(bào)警器采用三路巡回檢測(cè)的方法，通過(guò)高溫一氧化碳?xì)怏w傳感器檢測(cè)房間氣體濃度，檢測(cè)結(jié)果經(jīng)過(guò)高精度運(yùn)放器放大后送入 ADC0809 模 /數(shù)芯片中進(jìn)行模 — 數(shù)轉(zhuǎn)換；利用單片機(jī)進(jìn)行控制，控制聲音報(bào)警以及控制 電磁閥和排風(fēng)扇，并且將氣體傳感器檢測(cè)到的濃度值在 LED 數(shù)碼顯示管上顯示出來(lái)。采用單個(gè)傳感器檢測(cè)房間氣體濃度是不合適的。 靜態(tài)特性通常反映在靈敏度上。動(dòng)態(tài)特性的輸入與輸出關(guān)系不是一個(gè)常數(shù)，而是時(shí)間的函數(shù)，隨時(shí)間的變化而變化，因此常用 傳遞函數(shù) 表征。 氣體傳感器特性總是會(huì)受到環(huán)境溫度、濕度的影響而變化，氣體報(bào)警器要能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境氣氛的監(jiān)控，有效避免誤報(bào)、漏報(bào)，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，必須對(duì)氣體傳感器進(jìn)行有效的溫、濕度補(bǔ)償和修正。所謂硬件補(bǔ)償是指直接使用溫度傳感器在電路中對(duì)氣體傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，這種方式雖然簡(jiǎn)單，但只有在溫0limx y dyS x dx?? ???? 度傳感器和氣體傳感器的溫度特性一致時(shí)，才能很好地補(bǔ)償；很難實(shí)現(xiàn)寬范圍的氣體傳感器和溫度傳感器的特性匹配。這樣的補(bǔ)償方式，不僅能較好地?cái)M合氣體傳感器的靜態(tài)溫度特性，而且對(duì)傳感器的動(dòng)態(tài)溫度響應(yīng)也能同步實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償 [12]。 由于此次課題要求采用三路巡回檢測(cè)，如果采用本方案那么就需要 6 個(gè)特性相同的一氧化碳?xì)怏w傳感器（ 3個(gè)密封檢測(cè)氣體濃度，另外 3 個(gè)做補(bǔ)償）， 為了達(dá)到更好的溫度修正效果，往往需要傳感器廠家的配合，在生產(chǎn)時(shí)對(duì)傳感器進(jìn)行成對(duì)生產(chǎn)，以保證傳感器特性的一致性。現(xiàn)今傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，設(shè)計(jì)出了性能更佳，使用范圍更廣的氣體傳感器。用它做成的報(bào)警器完全可以達(dá)到UL2034 標(biāo)準(zhǔn)，不需溫、濕度補(bǔ)償。 方案三： 采用 TP2 型傳感器，采用三路巡回檢測(cè)的方法檢測(cè)房間氣體濃度，將檢測(cè)的到濃度結(jié)果通過(guò)運(yùn)算放大器放大后送入 模 /數(shù)芯片中進(jìn)行模 — 數(shù)轉(zhuǎn)換，利用 MCS－ 51單片機(jī)控制聲音報(bào)警以及控制 電磁閥和排風(fēng)扇，并且將氣體傳感器檢測(cè)到的濃度值在LED 數(shù)碼顯示管上 顯示出來(lái)。鑒于對(duì)以上三個(gè)方案的對(duì)比分析，方案三最符合設(shè)計(jì)要求，所以我選擇使用方案三來(lái)設(shè)計(jì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主體電路。嵌入式系統(tǒng)一般分為四種 :工控機(jī)，通用 CPU 模塊，嵌入式微機(jī)處理，單片機(jī)。 (3)能在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中可靠運(yùn)行的品質(zhì)。單片機(jī)是完全按嵌入式系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)的單芯片形態(tài)應(yīng)用系統(tǒng)，能滿(mǎn)足面對(duì)控制對(duì)象、應(yīng)用系統(tǒng)的嵌入、現(xiàn)場(chǎng)的可靠運(yùn)行及非凡的控制品質(zhì)等要求，是發(fā)展最快、品種最多、數(shù)量最大的嵌入式系統(tǒng)。 (3)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)：指能滿(mǎn)足嵌入對(duì)象要求的全部電路系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，檢測(cè)信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn) 算處理，控制外圍電路。為了保證整個(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(kāi)。 系統(tǒng)各個(gè)模塊功能說(shuō)明 （ 1） 氣體濃度檢測(cè)模塊 程控一氧化碳報(bào)警器采用三路巡回檢測(cè)的方法，可以檢測(cè)三個(gè)不同的房間也可以用來(lái)檢測(cè)同一個(gè)房間三個(gè)不同的方位。 內(nèi)帶 4K字節(jié)的內(nèi)存和程序保護(hù)系統(tǒng) ， 便 于程序的調(diào)試修改和保密 ， 各管腳的功能將在隨后的知識(shí)中加以介紹。 （ 3）報(bào)警及事故處理模塊 此模塊主要由蜂鳴器、電磁閥和排氣扇組成。 至此，本系統(tǒng)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)系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程，并且給出設(shè)計(jì)電路。在下文中將詳細(xì)介紹串口通信技術(shù)。當(dāng)然，在硬件電路里一些芯片是必不可少的，軟件設(shè)計(jì)也需要對(duì)芯片進(jìn)行編程序。本設(shè)計(jì)應(yīng)用到的基本的硬件和軟件知識(shí)將在本節(jié)里作簡(jiǎn)單的介紹。利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)綜合控制。 主控電路原理 主控電路中，以單片機(jī)為主體，通過(guò)分析 A/D 轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字值，控制事故處理模塊的運(yùn)行。 8051 的封裝管腳如圖 所示 [2]。 32條 I／ O線，輸出輸入能力強(qiáng)。 。 定時(shí)和控制部件用于產(chǎn)生指令執(zhí)行的同步信號(hào)及微操作信號(hào)。作輸出時(shí)數(shù)據(jù)可以鎖住；作輸入時(shí)數(shù)據(jù)可以緩沖。 P1 是一個(gè)純 I／ O口，它只用于數(shù)據(jù)的輸入輸出。 C～ 十 1500℃。按鈕復(fù)位又分為按鈕電平復(fù)位和按鈕脈沖復(fù)位。 下面介紹設(shè)計(jì)中如何使用 ADC0809 的功能。逐次比較型 ADC，在轉(zhuǎn)換速度上同雙積分型相比要快得多。 要選擇適當(dāng)?shù)?ADC，要看其使用目的。片內(nèi)有 8路模擬開(kāi)關(guān) ，可控制選擇 8個(gè)模擬量中的一個(gè)。 1/2 LSB 和177。 ⑤ 輸出有三態(tài)緩沖器控制。 （ 1） ADC 0809 功能方框圖 模擬輸入部分有 8 路多路開(kāi)關(guān)，可由三位地址輸入 ADDA、 ADDB、 ADDC 的不同組合來(lái)選擇（這三條地址輸入信號(hào)可鎖存）。 其中， START 為啟動(dòng)命令，高電平有效。當(dāng)在此輸入端供給一個(gè)有效信號(hào)時(shí)，打開(kāi)輸出三態(tài)緩沖器，把轉(zhuǎn)換后的結(jié)果輸至數(shù)據(jù)總線。一次A/D 轉(zhuǎn)換的過(guò)程就完成了。 此次設(shè)計(jì)是單片機(jī)應(yīng)用的一個(gè)最小系統(tǒng)。在寫(xiě)入程序時(shí)，應(yīng)用單片機(jī)的, 以及 RESET 四個(gè)端口。下面對(duì) USB 供電做簡(jiǎn)單介紹。 在過(guò)去由于商用機(jī)型很少使用 USB 設(shè)備，因此對(duì)于 USB供電模式并沒(méi)有嚴(yán)格的要求，隨著 USB 設(shè)備的大量出現(xiàn)，不得不考慮這個(gè)問(wèn)題。但是目前 USB設(shè)備生產(chǎn)廠家混雜，很多廠家 生產(chǎn)的設(shè)備超出了 USB SPEC的要求同時(shí)為了 COSTDOWN 沒(méi)有使用外置電源。左右權(quán)衡之后，使用 5VSB 為 USB供電。 圖 USB 供電示意圖 傳感器的選擇及電路 傳感器概述 (1)傳感器的定義 人們通常將能把非電量轉(zhuǎn)換為電量的器件稱(chēng)為傳感器 ，傳感器實(shí)質(zhì)是一種功能塊，其作用是將來(lái)自外界的各種信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)：它是實(shí)現(xiàn)測(cè)試與自動(dòng)控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。這樣可以對(duì)系統(tǒng)或裝置進(jìn)行正常運(yùn)行與安全管理。例如，磁盤(pán)與光盤(pán)的信息讀出磁頭就是一種傳感器。通?？捎梅綁K圖來(lái)表示，如下圖 所示： 圖 傳感器的組成 敏感元件 —— 直接感受被測(cè)量 (一般為非電量 )，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的其它量 (也可以包括電量 )的元件。 測(cè)量電路 —— 能把傳感元件輸出的電信號(hào) 轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、控制和處理的有用電傳號(hào)的電路。 (4)傳感器的分類(lèi) 傳感器的分類(lèi)見(jiàn) 表 所示： 傳感器設(shè)計(jì)要點(diǎn) 根據(jù)以上對(duì)傳感器相關(guān)知識(shí)的介紹，我們可以明確傳感器是測(cè)量、控制系統(tǒng)的入口，必須具備良好的性能。 (5)時(shí)間老化特性?xún)?yōu)良，抗腐蝕性強(qiáng)。 (9)由于傳感元件的輸出信號(hào)一般比較小，為了便于能夠驅(qū)動(dòng)控制電路，在傳感器 電路中還應(yīng)該包括放大器。這樣不僅簡(jiǎn)化了電路，而且還降低了成本，實(shí)為良好的選擇。單個(gè)傳感器電路在上文中已經(jīng)介紹到了，傳感器與 ADC0809的連接電路圖如圖 。 光電耦合器概述 光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號(hào)的一種電 — 光 — 電轉(zhuǎn)換器件。光電耦合器的種類(lèi)較多，常見(jiàn)有光電二極管型、光電三極管型、光敏電阻型、光控晶閘管型、 光電達(dá)林頓型、集成電路型等。當(dāng) IF0 時(shí)，在一定的 IF 作用下，所對(duì)應(yīng)的 IC 基本上與 VCE無(wú)關(guān)。在傳輸脈沖信號(hào)時(shí)，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間存在一定的延遲時(shí)間，不同結(jié)構(gòu)的光電耦合器輸入、輸出延遲時(shí)間相差很大。不至于回饋、影響另一端的電路。輸出部分的地線接機(jī)殼或大地， MCS8051系統(tǒng)的電源地線浮 空、不與交流電源的地線相接，這樣可以避免輸出部分電源變化對(duì)單片機(jī)電源的影響，減小系統(tǒng)所受的干擾，提高系統(tǒng)可靠性。這種顯示方式雖然簡(jiǎn)便，電路也最簡(jiǎn)單，但顯示的位數(shù)很少（最多四位）。 LED 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。 LED 顯示器是單片機(jī)應(yīng)用系 統(tǒng)中常用的廉價(jià)輸出設(shè)備。 7段 LED 的段碼如下表 所示： 表 7 段 LED 的段碼 顯示字符 共陰極段碼 共陽(yáng)極段碼 顯示字符 共陰極段碼 共陽(yáng)極段碼 0 3FH C0H c 39H C6H 1 06H F9H d 5EH A1H 2 5BH A4H E 79H 86H 3 4FH B0H F 71H 8EH 4 66H 99H P 73H 8CH 5 6DH 92H U 3EH C1H 6 7DH 82H T 31H CCEH 7 07H F8H y 6EH 91H 8 7FH 80H H 76H 89H 9 6FH 90H L 38H C7H A 7