【文章內(nèi)容簡介】 8 圖 MQ5氣體原件結(jié)構(gòu)外形圖 圖 加熱電流 MQ5連接圖 MQ5 氣敏元 結(jié)構(gòu) 形如圖 所示 (結(jié)構(gòu) A 或 B),由微型 AL2O3 陶瓷管、SnO2敏感層 ,測量電極 加熱器構(gòu)成 敏感元 固定 塑料或不銹鋼制成 腔體 ，加熱器 氣敏元 提供 必 工作條 。封裝好 氣敏元 有 6只針狀管腳，其4 個 于信號 出， 2 個 于提供加熱電流設(shè)計 MQ5 接線如圖 所示， 實際測量 ， 以按照其等效電路 計算相應(yīng) 校 數(shù)值，其 Ro表示 測量氣體腔體 等效電阻， RL 接 載電阻， 調(diào)整輸出 模擬量電壓范圍，具體數(shù)值應(yīng)根據(jù) A/D 轉(zhuǎn)換器 輸入范圍 確定輸入范圍 0～ 5V， RL 調(diào)整至該范圍，保證測量 量程足夠 。 9 表 瓦斯?jié)舛?測試計算 濃度（ ppm） 計算值 100 500 800 1000 2020 3000 5000 10000 Rs/R0 Rs(k) VRSRLRLV 50 ??? 顯示讀數(shù) = 25550?V 132 148 162 168 180 187 234 253 其 ： R L＝ 5KΩ； R o=； R L— 載電阻； R o— 敏感體電阻； R s 表示傳感器在不同濃度氣體中的電阻值 R o 表示傳感器在 10 00ppm 氫氣中的電阻值圖中所有測試都是在標準試驗條件下完成的。 圖 MQ5特性曲線 MQ5 可燃氣體檢測用特點： 傳感器的基本測試電路：該傳感器需要施加 2 個電壓，加熱器電壓（ V H）和測試電壓（ V C）。其中 VH 用于為傳感器提供特定的工作溫度。 V C 則是用于測定 10 與傳感器串聯(lián)的負載電阻（ R L）上的電壓（ VR L）。這種傳感器稍有極性，直流電源 ，傳感器， V C 和 V H可以共用同一電源電路。為更好地利用了傳感器的性能，因此需要選擇合適的價值研究。 選擇原件 的要求：在選擇原件的時候回路電壓≤ 24V，加熱電壓最好在 左右， AC DC RL 等負載電阻最好也在 31Ω左右，對于加熱功率在 900mW 比較適宜，氧氣濃度的要求在 2 1%就可以了，傳感器的對氧氣靈敏度在不能小于 2%，相對濕度 65%左右， V H 工作電壓為 ，對其預(yù)熱時間最好不少于 48 小時，這樣它的性能才最好靈敏度調(diào)整： MQ5 型氣體傳感器類型也比較多，濃度的不同，其阻值也大不相同。正是因為如此，我們在選擇這型氣敏元件來做實驗，靈敏度的選擇也尤其的重要，這將直接影響到采集到的數(shù)據(jù)。本設(shè)計打算用 10 00ppm 異丁烷或氫 氣校準傳感器。這類傳感器的測量精度，報警點，溫度和濕度，都比較適合本設(shè)計。 單片機的選擇 圖 AT89C52單片機管腳圖 AT89C51 它是功耗消耗比較低，高性能的 8 位 CMOS 單片機，片內(nèi)含有 Flash只讀存儲器，這存儲器能夠進行 1000多次的擦寫，這個 Flash被命名為 4K Bytes ISP（ Insystemprogrammable），這種 Flash 用到了 ATMEL 公司了高密度、非失性存儲技術(shù)制造。集成的芯片內(nèi)部有一個 8位的中央處理器，還有一個 Flash 存儲 單元， 11 這種微型的計算器功能強大，可以在很多方面進行嵌入，能夠很好的完成解決方案，性價比也極其的高。 AT89C51 它具有 40 個引腳，每個引腳都有其特定的功能，還有一個 4k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲器， 5 個中斷優(yōu)先級較高的中斷嵌套， 128 bytes 隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAm），外部輸入 /輸出 口也有 32 個，可編程定時計數(shù)器具有 16 個，單門狗電路，片內(nèi)時鐘震蕩器各有一個。 本課題設(shè)計采用 CPU 為 AT89C52 主要性能參數(shù)： 兼容了 MCS51指令系統(tǒng)； 時鐘頻率在 33MHZ 左右； 工作電壓在 左右； 可編程定時 /計數(shù)器有 2個； 低功耗空閑和省電模式； 功能特性： —— 是 P0 口的 8位雙向口線?？梢詫崿F(xiàn)基本的輸入輸出；也能完成在系統(tǒng)擴展時，分時做為數(shù)據(jù)總路線和低 8位地址總線。當(dāng)實現(xiàn)輸入輸出的功能的時候， CPU 會控制信號為低電平，這樣場效應(yīng)管就截止，當(dāng)控制信號是高電平的時候，這時的 P0口通過多路開關(guān)傳達信號，且與門的輸出就有“地址 /數(shù)據(jù)”端的狀態(tài)來決定。 P1 與 P0比較而言， P1 口只有一個標準的準雙向端口，沒有第二功能。 P1 內(nèi)部具有一個上拉電阻，并且其電阻阻值比較大，所以上拉驅(qū)動能力比 較弱，除了低功耗要求的應(yīng)用系統(tǒng)，此處最好接 10K 左右的上拉電阻，效果比較好 在 51 單片機系列中， P1口第二功能就是分別以 T2 和 T2Ex 來控制定時器 /計數(shù)器 2的外部輸入端和定時器 /計數(shù)器 2的外部控制輸入。 P2 口可以作為通用的 I/O 來使用，單片機控制二選一復(fù)用器控制 P2 鎖存器的Q 短，這是 P2的用法就和 P1的用法就比較類似；當(dāng)輸出的下拉驅(qū)動器截止， P2 口直接就變成了一個輸入口來使用了。 P2 端口在作為高 8為地址的時候，就不可當(dāng)做是 I/O端口來使用了；當(dāng) P2 端口數(shù)出高 8 為的地址的時候，這是硬件電路自動設(shè)置，使得二 選一的復(fù)位器選擇 地址 端，使輸出的高 8位地址輸出到相應(yīng)的引腳。 12 P3 端口在完成 I/O 功能的輸出，信號應(yīng)該保持在高電平，使其與非門處于開鎖的狀態(tài)，這時端口數(shù)據(jù)鎖存器輸出端就可以控制相應(yīng)的端口輸出電平了； P3 更重要的是它的第二功能，如下表所示： 表 P3口管腳功能 此外， P3 口還可以接受一些用于 Flash 閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。 RST 是復(fù)位，當(dāng)周期在兩個機器周期之上的時候，這是 RST 信號將表達。 特殊功能寄存器： 特殊寄存器可以用來設(shè)置片內(nèi)電路的運行方式，記錄各個電路的運 行狀態(tài)，并標注出各個電路等。另外，特殊寄存器中，還可以把串行和并行 I/O 口映射過來的寄存器，對這些寄存器進行對鞋，從而來實現(xiàn)從相應(yīng) I/O 端口的輸出 /輸入的操作。這些特殊的寄存器分布在 SFR 存儲空間中，地址也在 80HFFH 這個范圍內(nèi)。 SFR 空間內(nèi)，包含了 128 個地址空間，有效位地址只有幾十個，這樣也可以對特殊寄存器的某些地址起到尋址的作用。 AD 轉(zhuǎn)換芯片選擇 A/ D芯片類型多種多樣，本 設(shè)計要求的 A/ D芯片只需內(nèi)部有一個 8通 道的多路開關(guān)，可以根據(jù)地址碼鎖存收到的信號即可，為了達到設(shè)計的目 的，起到資源最大話，性價比最高的目的，在眾多的芯片中需要選擇一個很適合本設(shè)計的芯片。 ADC0809 的主要特性 ： 1） 8 路通道輸入，也就是 8位的 A /D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為 8位； 2）由一個 +5V 電源來控制 ； 3）可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)換起停的作用段 ； 4）工作溫度范圍 40 攝氏度左右就行了 ； 13 5）模擬輸入電壓范圍不宜超過 5V； 6）功耗比較低，大約在 14mw； 7）轉(zhuǎn)換速率取決 于芯片的時鐘頻率，時鐘頻率范圍是： 10～ 128 0KHZ，當(dāng)時鐘頻率為 500KHZ 時，對應(yīng)的轉(zhuǎn) 換時間為 125uS； ICL7109 雙積分式 A/D轉(zhuǎn)換器 1） 12 位 二進制形式輸出，并帶有極 性和溢出位； 2）引腳有 35個； 3）能控制時間，電平的鎖存，信號的輸入輸出； 4）振蕩器可以與外界的 PC 機連接； 5）具有通用異步收發(fā)器數(shù)據(jù)交 換制式； 我們在選擇 A /D 轉(zhuǎn)換器的時候，一般都是價格，速率，漂移，噪聲等多重特性上考慮來選擇最佳的芯片。本設(shè)計我們選擇 AD C0809 芯 片，它是具有很高的精度，噪聲也比較小，漂移點對于本設(shè)計來說比較低，低價格最能滿足本設(shè)計的要求，這樣的一個 8 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器足以滿足本設(shè)計的要求，所以在設(shè)計中選擇該芯片。 圖 ADC0809管腳圖 ADC0809 是作為一個 8路 8位逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換的 CM OS器件，經(jīng)?？梢栽诳刂七^程、控制機床的情況下起到很大的作用，并且對多路模擬信號能夠分時采集，輸出的信號在三態(tài)緩沖器起到很好的兼容效果，通過緩沖器，直接通過數(shù)據(jù)總線連接處理器，最后在來進行數(shù)據(jù)的交換，產(chǎn)生相應(yīng)的表達。 14 圖 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 I N0－ I N7：作為 8路模擬信號輸入端，當(dāng)輸入的信號過小時，會將該信號進行放大處理，這樣的單極性信號才能夠被獲取到；另外模擬輸入與輸入是始終保持不變的。當(dāng)變化過快的了，必須增大采集電路的輸入，否則會溢出模擬信號，這樣就不能接受的完整的信號，這是對模擬信號輸入輸出的要求。 4條 AL E 輸入線與地址鎖存器相連接， 當(dāng)其為高電平時候， A,B,C 三條地址的地址信號將被地址鎖存器和譯碼器鎖存，然后由通道傳輸出譯碼器編譯的先后，緊接著由轉(zhuǎn)換 器進行轉(zhuǎn)換。A， B和 C 為地址輸入線，用于 8路通道上面的一路模擬量輸入。通道 選擇表如下表所示。 表 8路通道選擇 C B A 選擇的通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 15 AD C0809 的工作時序是逐步逐步的。當(dāng)通道選擇地址有效時， ALE 信號一出現(xiàn)，地址便馬上被鎖存，這時轉(zhuǎn)換啟動信號緊隨 A LE之后出現(xiàn)。 START 的上升沿將逐次逼近寄存器 SAR 復(fù)位，在該上升 沿之后的 2μ s加 8個時鐘周期內(nèi)， EOC 信號將變低電平，以指示轉(zhuǎn)換操作正在進行中，直到轉(zhuǎn)換完成后 EOC 再變高電平。微處理器收到變?yōu)楦唠娖? 的 EO C 信號后，便立即送出 O E 信號，打開三 態(tài)門，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果模擬輸入通道的選擇可以相對于 轉(zhuǎn) 換開始操作獨立地進行，然而通常是把通道選擇和啟動轉(zhuǎn)換結(jié)合起來完成。這樣可以用一條寫指令既選擇模擬通道又啟 動 轉(zhuǎn)換。在與微機接口時，輸入通 道的選 擇可有兩種方法，一種是通過地址總 線選擇，一種是通過數(shù)據(jù)總 線選擇。 15 3 系統(tǒng) 的 硬件設(shè)計 硬件系統(tǒng)功能設(shè)計 本設(shè)計有瓦斯氣體敏感元件、 A /D轉(zhuǎn)換電路、電路顯示及報警開關(guān)控制電 路等組成。 儀器用 5V 穩(wěn)壓電源來對整個電驢進行供 電。瓦斯氣體敏感元件是采用熱催化原理探頭， 加熱器 電壓（ V H）和測試電 壓（ V C）。其中特定的工作溫度 由 VH 傳感器提供。傳感器串聯(lián)的負載電阻（ RL）上的電壓（ V RL） 由 VC來針對測量 。這種傳感 器具有輕微的極性， VC 需用直流電源。在滿足傳感器電性能要 求的前提下， VC 和 VH 可共用同一個電源電路 ， 測量電橋輸 出與甲 烷濃 度成比例的信號電壓。 【 14】【 16】 采集到的電壓信號經(jīng)過 A/ D轉(zhuǎn)換后，變成數(shù)字信號，經(jīng)單片機處理后，由顯示電路顯示瓦斯?jié)舛戎担⒔?jīng) R S232 通信串口實現(xiàn)與上位機的信息通信。 聲光報警電路有蜂鳴器，發(fā)光二極管和驅(qū)動電路幾部分來組成。當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^閥值時，聲光報警信號將產(chǎn)生。 各模塊仿真原理圖及工作原理 信號采集電路 圖 信號采集處理電路 信號采集是整個實驗的關(guān)鍵一步，信號采集和處理的準確與 否對整個實驗的成功直接相關(guān)，傳感器和 20K 系列電阻作為壓力信號采集的選擇，氣體濃度信號的檢測，五伏兩終端電路施加電壓，因此在 05V 電壓信號的采集，符合 AD C 0809 的轉(zhuǎn)換電壓要求?？紤]到電壓信號的采集，電壓信號會隨著傳輸距離的增加，電極絲損耗會導(dǎo)致 16 不準確的電流信號，在實際排版的時候盡量減少分壓采集電路與 AD C 0809 之間的距離。根據(jù)濃度和對應(yīng)的數(shù)據(jù)表對應(yīng)的電壓信號之間的瓦斯?jié)舛惹€，單片機接收轉(zhuǎn)換后的數(shù)字電壓信號的采集，通過搜索對應(yīng)相應(yīng)的瓦斯?jié)舛鹊妮敵霰碇械臄?shù)據(jù)，并通過LCD 1602 液晶顯示器顯 示瓦斯?jié)舛戎怠? 單片機最小系統(tǒng)電路 圖 單片機最小系統(tǒng)電路 復(fù)位的電容器 C 1 最小系統(tǒng)的極性直接影響單片機的復(fù)位時間的大小，一般采用10 uF 30 uF，單片 機最小系統(tǒng)容值越大需要的復(fù)位時 間越短。 單片機 最小系統(tǒng)通常采用 Hz晶振為 12MHz 或，在正常情況下可用于比較高的頻率的振蕩器，單片機的處理速度受晶體的芯片系統(tǒng)的振蕩頻率影響特別的大，要想有更快的處理速度和頻率，這就需要相應(yīng)的振蕩頻率來支持。 我們通常采用電容 C C3 振蕩頻率大致上 15pF33pF 的 范圍內(nèi)作用在單片機最小系統(tǒng)，本設(shè)計采用 30 pF，這個值離電容振蕩頻率比較接近，這樣的頻率比較適合本設(shè)計。 17 P0 口在用作輸出口時需要一個上拉的電阻，而這個電阻阻值大致上在 10K 比較合適，同時 P0 口也為開漏輸出。因為這次使用了一個 10K 接口，其他元件也有這樣上拉的電阻，所以在作為輸出口時不需要再外加個上拉的電阻。 在設(shè) 置為定時器模式時