【正文】 線 鉑（ Pt） 4 加熱器 鎳鉻合金（ NiCr） 5 陶瓷管 三氧化二鋁 6 防爆網(wǎng) 100目雙層不銹鋼（ SUB316） 7 卡環(huán) 鍍鎳銅材（ NiCu） 8 基座 膠木 9 針狀 管腳 鍍鎳銅 材（ NiCu） 圖 MQ4氣敏元件的外形和結(jié)構(gòu)圖 MQ4 氣敏元件的外形和結(jié)構(gòu)如圖 所示，由微型 AL2O3陶瓷管， SnO2敏感層，測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條 件。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。 AD623 介紹 AD623 是一個(gè)集成單電源儀表放大器 ， 它能在單電源 (+3V～ +12V)下提供滿電源幅度的輸出 ， AD623 允許使用單個(gè)增益設(shè)置電阻進(jìn)行增益編程 ， 以得到良好的用戶靈活性。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 12 頁 共 46 頁 圖 AD623引腳圖 圖 為 AD623 的原理圖 ?？拷娫匆_處加電容去耦。增益為默認(rèn)的單位增益，即不外接電阻，則通過放大電路后輸出電壓范圍為 1～ 。 圖 AT89C51外形及管腳圖 AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4K 字節(jié) Flash 閃速存儲(chǔ)器， 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM,32 個(gè)I/O 口線，兩個(gè) 16位定時(shí)器， 一個(gè) 5向量兩級(jí)中斷機(jī)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。電容器通常取 30pF 左右，可穩(wěn)定頻率并對(duì)振蕩器有微調(diào)作用。手動(dòng)復(fù)位是指通過接通一按鈕開關(guān)，是單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，系統(tǒng)上電運(yùn)行后，若需要復(fù)位，一般通過手動(dòng)復(fù)位來實(shí)現(xiàn)。按工作原理不同 A/D 轉(zhuǎn)換器可分為兩大類： (a)積分型，這類轉(zhuǎn)換器先將模擬量轉(zhuǎn)換成中間變量，再將中間變量轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，國內(nèi)外在此類產(chǎn)品中主要是低速 A/D 轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè) 8 通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，選通 8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 7） 低功耗，約 15mW。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。輸入啟動(dòng)信號(hào) START 的上升沿復(fù)位 ADC0809，下降沿啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換， EOC 為輸出的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，正在轉(zhuǎn)換時(shí)為 0，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為 1。其連接電路如下。 表 AT24C512管腳描述 管腳號(hào) 管腳名稱 功能 1 2 A0 A1 這些輸入腳用于多個(gè)器件級(jí)聯(lián)時(shí)設(shè)置器件地址，當(dāng)這些腳懸空時(shí)默認(rèn)值為 0。 8 Vcc 電源端 4 GND 地 其管腳圖如下。 （ 2）停止信號(hào)：時(shí)鐘線保持高電平期間數(shù)據(jù)線電平從低到高的跳變作為 I2C總線的停止信號(hào)。 其電路連接如下。 ? 第 6 腳： E(或 EN)端為使能 (enable)端。其電源連接電路如圖 所示，并由去耦電容、開關(guān)、 7085 穩(wěn)壓器及電源指示燈組成。C 語言具有良好的程序結(jié)構(gòu) ,適用于模塊化程序設(shè)計(jì)，因此采用 C 語言設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)程序時(shí)，首先要盡可能地采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法，將功能模塊化，由不同的模塊完成不同的功能，這樣可使整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)清晰，易于調(diào)試和維護(hù)，還可增強(qiáng)可讀性和移植性 [13]。 在單片機(jī) C 語言編譯成機(jī)器代碼時(shí)，不同的運(yùn)算生成的機(jī)器代碼的長度相差很大，盡可能地減少程序中對(duì)某種數(shù)據(jù)類型的運(yùn)算種類 ,越復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型效果越明顯。全局變量的作用范圍是整個(gè)程序 ,因此不能被釋放；靜態(tài)變量由于在函數(shù)的調(diào)用中專用不變 ,也不能被 釋放；只有局部變量中的動(dòng)態(tài)變量可以被釋放。初始化子程序的主要工作是設(shè)置定時(shí)器的工作模式、初值預(yù)置、開中斷和打開定時(shí)器等。邏輯控制與定時(shí)電路再 START 正脈沖啟動(dòng)后工作，每來一個(gè) CLK 脈沖，該電路就可能告知向 SAR中傳送一次試探值，對(duì)應(yīng)輸出 U0與 U1比較，確定一次比進(jìn)制，經(jīng)過 8次逼近，即可獲得最后轉(zhuǎn)換的結(jié)果數(shù)字量。 調(diào)理電路仿真時(shí)，用滑動(dòng)變阻器代替?zhèn)鞲衅髅舾须娮鑱泶罱蚴诫娐芬垣@得一定的橋路 輸出，然后連到儀用放大器輸入端，放置電壓探針來查看仿真結(jié)果，其結(jié)果如下圖所示 。 本設(shè)計(jì) 以 AT89C51 單片機(jī)為核心，以氣敏傳感器檢測天然氣氣體的濃度，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后，通過 AD 轉(zhuǎn)換器讀入單片 機(jī)中，單片機(jī)對(duì)檢測到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理判斷，如果質(zhì)量濃度超過預(yù)定數(shù)值，將發(fā)出聲光報(bào)警，最后再由微機(jī)控制顯示輸出氣體濃度。 否 是 AD 初始化 啟動(dòng) AD 轉(zhuǎn)換 AD 轉(zhuǎn)換結(jié)束 輸出結(jié)果 開始 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 29 頁 共 46 頁 圖 字寫 入操作流程 圖 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序流程圖 仿真結(jié)果 在設(shè)計(jì)中用的是 51 單片機(jī)，所以選用 Keil 軟件和 Protues 軟件來聯(lián)合仿真。 模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序 A/D 轉(zhuǎn)換子程序用來控制對(duì)輸入的模擬電壓信號(hào)的采集測量，并將對(duì)應(yīng)的數(shù)值存入相應(yīng)的內(nèi)存單元，設(shè)計(jì)中采用查詢方式。 軟件設(shè)計(jì)程序框圖 由硬件電路的設(shè)計(jì)可知，系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)主要包括初始化程序、 A/D轉(zhuǎn)換子程序、顯示子程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序及聲光報(bào)警子程序的設(shè)計(jì)。 內(nèi)部處理器、內(nèi)部堆棧、壓縮棧、所有程序變量和所有包含進(jìn)來的庫函數(shù)都將使用數(shù)量有限的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM。有時(shí)并不是程序的算法越簡單、長度越短越好，因?yàn)橛幸恍┧惴ㄒ{(diào)用一些內(nèi)部的子程序和函數(shù)，生成的機(jī)器代碼長度非常長?；?C 語言的特點(diǎn)，用 C語言進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)是單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的必然趨勢。綜合系統(tǒng)各模塊來看，需要有 +5V 的供電。 ? 第 4 腳： RS 為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時(shí)選擇指令寄存器。 圖 存儲(chǔ)電路連接圖 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 22 頁 共 46 頁 報(bào)警電路與 LCD 顯示 聲光報(bào)警電路 報(bào)警電路采用聲光報(bào)警，選用蜂鳴器和發(fā)光二級(jí)管，因?yàn)樽兓男盘?hào)更能引起人們的注意，所以報(bào)警電路設(shè)計(jì)中當(dāng)濃度值超過預(yù)設(shè)值時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器就以一定的頻率開始發(fā)聲，同時(shí)紅燈開始閃爍；當(dāng)氣體濃度低于預(yù)設(shè)值時(shí)，報(bào)警電路處于截止?fàn)顟B(tài)，即不工作 [11]。時(shí)鐘線為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線的任何電平變化將被看作總線的起始或停止信號(hào)。 7 WP 寫保護(hù)輸入端。該芯片的主要特點(diǎn)如下：采用 I2C 總線設(shè)計(jì)與 1MHz(5V)、 400kHz()、 100Kz()I2C總線兼容，內(nèi)部有 512 頁，每一頁為 128 字節(jié)，存儲(chǔ)容量為 65536byte；任一單元的地址為 16 位， 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 20 頁 共 46 頁 地址范圍為 0000~0FFFFH；單電源，讀寫電壓為 ~；數(shù)據(jù)可保存 40 年；寫保護(hù)功能，當(dāng) WP 為高電平時(shí)，進(jìn)人寫保護(hù)狀態(tài)； CMOS 低功耗技術(shù)，最大寫入電流為 3mA；自動(dòng)定時(shí)的寫周期，采用 8引腳封裝，具有結(jié)構(gòu)緊湊，存儲(chǔ)量大特點(diǎn)。 由于 ADC0809 內(nèi)部有一個(gè) 8位“三態(tài)輸出鎖存器”可以鎖存 A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，故它本身既可看作一種輸入設(shè)備，也可認(rèn)為是并行 I/O 接口芯片。 圖 ADC0809引腳圖 ADC0809 的時(shí)序圖如下。 ? EOC： A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，轉(zhuǎn)換開始后， EOC 信號(hào)變低，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)， EOC 返回高電平。 5） 模擬輸入電壓范圍 0～ +5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn) 。開始時(shí)，寄存器各位清零，轉(zhuǎn)換時(shí)，先將最高位置 1，把數(shù)據(jù)送入 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果與輸入的模擬量比較，如果轉(zhuǎn)換的模擬量比輸入的 模擬量小，則 1保留，如果轉(zhuǎn)換的模擬量比輸入的模擬量大，則 1不保留，然后從第二位依次重復(fù)上述過程直至最低位，最后寄存器中的內(nèi)容就是輸入模擬量對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字量。 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 ADC0809 芯片介紹 由傳感器采集回來的模擬信號(hào)需要轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)才能進(jìn)行分析處理，所以需要 A/D 轉(zhuǎn)換電路。 復(fù)位操作有上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式。單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)由兩種產(chǎn)生方式，即內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。 AT89C51 單片機(jī)為很多 嵌入式控制系統(tǒng) 提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 其與橋式電路輸出的連接如下圖所示。 V～ 177。低功耗 (3v 時(shí) ) 、 寬電源電壓范圍、滿電源幅度輸出。 圖 傳感器橋式連接示意圖 用兩個(gè) MQ4以及兩個(gè) Rc=60KΩ的溫度補(bǔ)償電阻構(gòu)成橋路進(jìn)行測試，氣體傳感器的敏感電阻變化范圍為 10KΩ 60KΩ，橋式電路的輸出計(jì)算公式為 RbR xgRxRc ViR xgVo ????? ?? 2* （ ） △ Rxg傳感器敏感電阻的變化值； △ Rb受溫度影響電阻的變化值； Rx氣敏傳感器的敏感膜電阻值。 圖 MQ4型元件的溫濕度特性 圖 MQ4型氣敏元件的溫濕度特性，其中 Ro： 20℃ ， 33%RH條件下， 1000ppm甲烷中元件電阻； Rs：不同溫度，濕度下， 1000ppm 甲烷中元件電阻。 V 相對(duì)濕度： 65%177。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 8 頁 共 46 頁 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 傳感器及其適配電路 MQ4 傳感器介紹 [5] MQ4 氣體傳感器特點(diǎn)： ? 在較寬 的濃度范圍內(nèi)對(duì)甲烷，天然氣有很高的靈敏度； ? 對(duì)乙醇，煙霧的靈敏度很低； ? 快速的響應(yīng)恢復(fù)特性； ? 長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性，成本低廉； ? 簡單的驅(qū)動(dòng)電路。 因此，經(jīng)常對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，是保證其準(zhǔn)確性的必要的途徑。固體電解質(zhì)氣體傳感器主要用于檢測無機(jī)氣體，如 OCO H Cl SO2等。 （ 7）紅外傳感器 紅外傳感器通常用兩束紅外光進(jìn)行氣體測量，主光束通過測量元件內(nèi)的目標(biāo)氣體，參考光束通過比較元件內(nèi)的參考?xì)怏w。 （ 5）電化學(xué) 傳感器 電化學(xué)傳感器由膜電極和電解液封裝而成。由于這種傳感器電導(dǎo)率高，靈敏度和選擇性好，因而得到了廣泛的應(yīng) 用，幾乎打入了石化、環(huán)保、礦業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，其產(chǎn)量僅次于半導(dǎo)體氣體