【正文】 ................................27 通信模塊 ...................................................................................27 第 5 章 系統(tǒng)調(diào)試 ................................................................................29 軟件仿真 ......................................................................................29 硬件調(diào)試 ......................................................................................30 第 6 章 結(jié)束語(yǔ) ....................................................................................31 附錄 1：硬件設(shè)計(jì)原理圖 ...................................................................32 附錄 2： PROTEUS 仿真 ........................................................................33 附錄 3： PCB（ 112MM*160 MM） .........................................................34 附錄 4：?jiǎn)纹瑱C(jī)程序 ...........................................................................35 致 謝 ....................................................................................................44 參考文獻(xiàn) ..............................................................................................45 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 1 第 1 章 緒論 選題的目的和選題的意義 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)輛數(shù)量和駕駛員人數(shù)猛增， 在各種密閉的移動(dòng)艙室環(huán)境中，由于艙室空間較小，密閉性較強(qiáng)，強(qiáng)制通風(fēng)雖然可在一定程度上降低有害氣體的濃度，但在某些作業(yè)條件下， 有害氣體濃度仍可維持在一定水平[1]?？紤]到單片機(jī)計(jì)算能力有限，難以進(jìn)行復(fù)雜數(shù)據(jù)處理，故 單片機(jī)系統(tǒng)與 PC機(jī)系統(tǒng)通過(guò) USB 通信端口進(jìn)行互連 ，從而 單片機(jī)用作下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制，而PC 機(jī)用做上位機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和對(duì)單片機(jī)的控制。在其中所待的時(shí)間和有毒氣體的存在濃度有一定的關(guān)系，超過(guò)這些規(guī)定的暴露水平就會(huì)對(duì)人身安全構(gòu)成極大的威脅。 （ 2） 窒息性氣體 ， 是指能造成機(jī)體缺氧的有毒氣體 ， 窒息性氣體可分為單 純窒息性氣體、血液窒息性氣體和細(xì)胞窒息性氣體。 通常，密閉空間內(nèi)都可 能會(huì)存在很多的有毒氣體，它既可以是在密閉空間內(nèi)已經(jīng)存在的，也可能是在工作過(guò)程中產(chǎn)生的。有時(shí)，某些物質(zhì)的短期突然揮發(fā)還會(huì)出現(xiàn)一些莫名其妙的物質(zhì)，因此密閉空間內(nèi)的有毒氣體的種類可能是多種多樣的。如氮?dú)?、甲烷、乙烷、乙烯、一氧化碳、硝基苯的蒸氣、氰化氫、硫化氫等? 基于以上可以看出，有關(guān)氣體的濃度問(wèn)題顯得尤為重要。 文中詳細(xì)介紹了數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理過(guò)程、數(shù)據(jù)顯示子系統(tǒng)以及 單片機(jī)與 PC機(jī)通信的 設(shè)計(jì)方法和過(guò)程。存在大量氣體狀態(tài)污染物，這些氣體污染物以分子狀態(tài)存在，大部分為無(wú)機(jī)氣體，例如 CO、 NO H2S、 LEL、 VOC 等。有害氣體主要來(lái)自于兩個(gè)方面，首先是汽車(chē)本身的內(nèi)飾件。含有有害物質(zhì)的真皮、海綿、地膠、地墊、黏合劑等不同程度地造成車(chē)內(nèi)的空氣污染，威脅到人體健康 [6,7]。上個(gè)世紀(jì)七八十年代，日本株式會(huì)社電裝設(shè)計(jì)出了一種基于粉塵有害氣體的傳感器的車(chē)載空調(diào)控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能控制車(chē)內(nèi)在粉塵有害氣 體較多情況下啟動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)換氣 [8]。該系統(tǒng) 采用無(wú)線遙測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)采集和記錄車(chē)輛在靜止和行進(jìn)過(guò)程中艙室內(nèi)的有害氣體、溫濕度等狀態(tài)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，以便分析有害氣體對(duì)艙室人員身心健康的影響 [11,12]。 論文主要內(nèi)容 本論文主要完成氣體濃度采集裝置的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括： A/D 轉(zhuǎn)換模塊、鍵盤(pán)檢測(cè)、數(shù)據(jù)顯示、接口通信等。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 3 第 2 章 總體方案及元器件簡(jiǎn)介 本次設(shè)計(jì)的總體框圖如下圖 ： 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件基本組成 硬件設(shè)計(jì)部分主要模塊包括采集模塊、轉(zhuǎn)換模塊、處理模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及控制模塊，主要元器件包括： MCU、 A/D、 LCD、 電源 、數(shù)據(jù)選擇器、傳感器、 USB 等芯片，以下做一些器件的簡(jiǎn)介。 STC89C52 有 40個(gè)引腳， 32個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含 2個(gè)外中斷口， 3 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 ,2 個(gè)全雙工串行通信口， 2 個(gè)讀寫(xiě)口線，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路， STC89C5X 可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 XTAL2： 振蕩器反相放大器的輸出端。在Flash 編程時(shí)， P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。 和 還可分別作為定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸入（ ）和輸入 ()。對(duì)端口 P2 寫(xiě)“ 1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，同時(shí)可作輸入口 ，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（ IIL）。 P3口 ： P3口時(shí)一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 P3 口作為一般的 I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表 所示。 ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE(地址鎖存允許 )輸出脈沖用于鎖存地址的低 8位字節(jié)。如有必要，可通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中的 8EH 單元的 D0 位復(fù)位，可禁止 ALE 操作。有效，即輸出兩個(gè)脈沖。需要注意的是：如果加密位 LB1 被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存 EA 端狀態(tài)。由于逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換具有速度快，分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，而且采用這種方法的 ADC 芯片成本低，所以我們采用逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器。優(yōu)點(diǎn)是分辨率低于 12 位時(shí)，價(jià)格較低，采樣速率也很好。獨(dú)立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 7 理器控制變的更加方便。C ，工業(yè)級(jí)芯片溫寬為 ?40176。 .CH1 模擬輸入通道 1，或作為 IN+/使用。 .CLK 芯片時(shí)鐘輸入。 主要特點(diǎn)： ADC0809 是 CMOS 單片型逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器 , 它由 8 路模擬開(kāi)關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、 8位開(kāi)關(guān)樹(shù)型 A/D 轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時(shí)電路組成。 .8位數(shù)字量輸出端。 .OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入高電平有效。 .REF（ +）、 REF（ ）：基準(zhǔn)電壓。 液晶顯示器的簡(jiǎn)介 為了從單片機(jī)上直接了解當(dāng)前采集信號(hào)的信息和機(jī)器狀態(tài)，可在單片機(jī)上安裝數(shù)碼管（ LED）或液晶屏（ LCD）。在本設(shè)計(jì)中選用液晶屏 LCD1602 來(lái)作為顯示模塊。 .顯示方式： STN、半透、正顯 。 .標(biāo)準(zhǔn)的接口特征：適配 MC51 和 M6800 系統(tǒng) MPU 的操作時(shí)序 。 在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用液晶顯示器作為輸出器件有以下幾個(gè)有點(diǎn)： 顯示質(zhì)量高；數(shù)字式接口：液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機(jī)系統(tǒng)的接口更加簡(jiǎn)單可靠，操作更加方便；體積小、重量輕 ；功耗低：相對(duì)而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動(dòng) IC 上，因而耗電量比其他顯示器要少的多。 應(yīng)用：工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的天然氣、液化氣、煤氣、烷類等可燃性氣體及汽油、醇、酮、苯等有機(jī)溶劑蒸汽的濃度檢測(cè)；可燃性氣體泄漏報(bào)警器；可燃性氣體探測(cè)器；氣體濃度計(jì)等。0. 1V AC or DC RL 負(fù)載電阻 可調(diào) RH 加熱電阻 33Ω177。封裝好的氣敏元件有 6只針狀管腳，其中 4個(gè)用于信號(hào)取出， 2個(gè)用于提供加熱電流。 相對(duì)濕度： 65%177。 圖 MQ3 型氣敏元件的溫濕度特性 圖 MQ3型氣敏元件的溫濕度特性。因此，在使用此類 型氣敏元件時(shí)，靈敏度的調(diào)整是很重要的。 數(shù)據(jù)選擇器 (MUX)的邏輯功能是在地址選擇信號(hào)的控制下，從多路數(shù)據(jù)中選擇一路數(shù)據(jù)作為輸出信號(hào) 。 USB 轉(zhuǎn)接芯片 CP2102 性能參數(shù)：采用 MLP28 封裝，尺寸僅為 5mm*5mm，是 CP2101中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 15 的升級(jí)產(chǎn)品。機(jī)器匯編是通過(guò)匯編軟件將源程序變?yōu)闄C(jī)器碼。用過(guò)匯編語(yǔ)言后再使用 C來(lái)開(kāi)發(fā)，體會(huì)更加深刻。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 16 Protues 仿真軟件簡(jiǎn)介 Protues 軟件是英國(guó) Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具軟件。 第 3 章 硬件設(shè)計(jì) 最小系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 單片機(jī)的最小系統(tǒng)的就是要讓單片機(jī)里面的程序運(yùn)行 所 需要的最小配置 。 晶振電路 : 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 17 單片機(jī)工作的過(guò)程中各指令的微操作在時(shí)間上有嚴(yán)格的次序，這種微操作的時(shí)間次序稱作時(shí)序，單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)用來(lái)為單片機(jī)芯片內(nèi)部各種微操作提供時(shí)間基準(zhǔn)。 本系統(tǒng)中為了盡量降低功耗的原則，采用了內(nèi)部時(shí)鐘方式。因此，任何單片機(jī)在開(kāi)始工作前，都必須進(jìn)行一次復(fù)位過(guò)程，使單片機(jī)處于一種確定的狀態(tài)。 本設(shè)計(jì)中復(fù)位電路采用的是開(kāi)關(guān)復(fù)位電路，開(kāi)關(guān)未按下是上電復(fù)位電路，上電復(fù)位電路在上電的瞬間，由于電容上的電壓不能突變，電容處于充電（導(dǎo)通）狀態(tài)，故 RST 腳的電壓與 VCC 相同。電路圖見(jiàn)圖 ： 圖 復(fù)位電路 RST 引腳的高電平只要能保持足夠的時(shí)間（ 2個(gè)機(jī)器周期），單片機(jī)就可以進(jìn)行復(fù)位操作。酒精濃度傳感器由 MQ3 傳感器組成。 MQ2是催化燃燒式氣敏元件， 根據(jù)催化燃燒效應(yīng)的原理工作。 圖 測(cè)量電路 關(guān)于氣體濃度單位的說(shuō)明 對(duì)于氣體濃度常見(jiàn)有兩種表示方法 （ 1）體積濃度 體積濃度是用每立方米的大氣中含有污染物的 體積數(shù)（立方厘米）或（ ml/m3）來(lái)表示， 常用的表示方法是 ppm，即 1ppm=1 立方厘米 /立方米 =106。上式中 C 的理想最大值為 6374ppm，由于一般不可能達(dá)到此值，且所測(cè)酒精濃度一般 較小，故可認(rèn)為其在上式在線性范圍內(nèi)成立。當(dāng)要進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，須先將 CS 使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。當(dāng)2 位數(shù)據(jù)為 “1” 、 “1” 時(shí)，只對(duì) CH1 進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。鍵盤(pán)分為：獨(dú)立式和矩陣式兩類，每一類按其編碼方法又可以分為編碼和非編碼兩種。各根 I/O 口線之間不會(huì)相互影響。 ②軟件削抖的基本 原理是當(dāng)檢測(cè)出鍵盤(pán)閉合時(shí)，先執(zhí)行一個(gè)延時(shí)子程序產(chǎn)生數(shù)毫秒的延時(shí)，待接通時(shí)的前沿抖動(dòng)消失后再判別是否有健按下。它與單片機(jī)的接口方法分為直接訪問(wèn)方式和間接控制方式。這種訪問(wèn)方式不占用存儲(chǔ)器空間，它的接口電路與時(shí)序無(wú)關(guān)，其時(shí)序完全靠軟件編程實(shí)現(xiàn)。另外采用二級(jí)有源低通濾波器，進(jìn)行濾波。在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中， CPU與外部的基本通訊方式有兩種 :并行通訊 —— 數(shù)據(jù)的各位同時(shí)傳送 。 ，依據(jù)一定的順序逐位進(jìn)行傳送的通訊方法。按通訊方式，可將數(shù)據(jù)傳輸線路分成三種 : 單工方式 ， 半雙工方式 和 全雙工方式 。并行接口主要使用 36 針接頭和 25 針 D 形接頭 ，目前以 25 針 D 形接頭為主。完成這種轉(zhuǎn)換功能的電路叫做通用異步收發(fā)機(jī)UART。在本設(shè)計(jì)中 接口不用。大大提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率與質(zhì)量。匯編語(yǔ)言的機(jī)器代碼生成效率 高，控制性好，但就是移植性不高。基于 C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的優(yōu)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用 C語(yǔ)言編寫(xiě)方法。 A/D 芯片的數(shù)據(jù) CS 口，連接單片機(jī)的 口，CLK 接 口， D1 和 D0 接 口。在經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)鐘， DO 脫離高阻態(tài)，從而啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。如想要進(jìn)行下一次轉(zhuǎn)換， CS 必須做一個(gè)從高到低的跳變，后跟著地此配置數(shù)據(jù)重復(fù)上面的過(guò)程。在本設(shè)計(jì)中，由于不需要讀液 晶操作，故只介紹寫(xiě)操作。 UART 支持 RTS／ CTS、 DSR／ DTR 和 XOn／ XOff 握手。 波特率通常采取 9600；另一部分為上位機(jī)數(shù)據(jù)采集和界面應(yīng)用程序，這一部分我們用 STCISP 的串口助手來(lái)采集數(shù)據(jù)， 按串行口方式設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)接口通訊。在這里軟件仿真顯得尤為重要。仿真連接圖見(jiàn)附錄圖一。從而驗(yàn)證了系統(tǒng)原理圖和程序的正確性。上電。在焊接時(shí)，應(yīng)將印制的電路板認(rèn)真對(duì)照原理圖，查看元器件的引腳