【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(cè)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(gè) 于信號(hào) 出， 2 個(gè) 于提供加熱電流設(shè)計(jì) MQ5 接線如圖 所示， 實(shí)際測(cè)量 ， 以按照其等效電路 計(jì)算相應(yīng) 校 數(shù)值，其 Ro表示 測(cè)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(cè)量 量程足夠 。 9 表 瓦斯?jié)舛?測(cè)試計(jì)算 濃度（ ppm） 計(jì)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(cè)試都是在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下完成的。 圖 MQ5特性曲線 MQ5 可燃?xì)怏w檢測(cè)用特點(diǎn)： 傳感器的基本測(cè)試電路：該傳感器需要施加 2 個(gè)電壓，加熱器電壓（ V H）和測(cè)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(cè)定 10 與傳感器串聯(lián)的負(fù)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(jià)值研究。 選擇原件 的要求：在選擇原件的時(shí)候回路電壓≤ 24V，加熱電壓最好在 左右， AC DC RL 等負(fù)載電阻最好也在 31Ω左右，對(duì)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(duì)氧氣靈敏度在不能小于 2%，相對(duì)濕度 65%左右， V H 工作電壓為 ，對(duì)其預(yù)熱時(shí)間最好不少于 48 小時(shí)，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?yàn)槿绱耍覀冊(cè)谶x擇這型氣敏元件來做實(shí)驗(yàn)，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(jì)打算用 10 00ppm 異丁烷或氫 氣校準(zhǔn)傳感器。這類傳感器的測(cè)量精度，報(bào)警點(diǎn)，溫度和濕度，都比較適合本設(shè)計(jì)。 單片機(jī)的選擇 圖 AT89C52單片機(jī)管腳圖 AT89C51 它是功耗消耗比較低，高性能的 8 位 CMOS 單片機(jī)，片內(nèi)含有 Flash只讀存儲(chǔ)器，這存儲(chǔ)器能夠進(jìn)行 1000多次的擦寫，這個(gè) 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(chǔ)技術(shù)制造。集成的芯片內(nèi)部有一個(gè) 8位的中央處理器，還有一個(gè) Flash 存儲(chǔ) 單元， 11 這種微型的計(jì)算器功能強(qiáng)大，可以在很多方面進(jìn)行嵌入，能夠很好的完成解決方案，性價(jià)比也極其的高。 AT89C51 它具有 40 個(gè)引腳，每個(gè)引腳都有其特定的功能，還有一個(gè) 4k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器， 5 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)較高的中斷嵌套， 128 bytes 隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAm），外部輸入 /輸出 口也有 32 個(gè)，可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器具有 16 個(gè)，單門狗電路，片內(nèi)時(shí)鐘震蕩器各有一個(gè)。 本課題設(shè)計(jì)采用 CPU 為 AT89C52 主要性能參數(shù)： 兼容了 MCS51指令系統(tǒng)； 時(shí)鐘頻率在 33MHZ 左右； 工作電壓在 左右； 可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器有 2個(gè)； 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?shí)現(xiàn)基本的輸入輸出；也能完成在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，分時(shí)做為數(shù)據(jù)總路線和低 8位地址總線。當(dāng)實(shí)現(xiàn)輸入輸出的功能的時(shí)候， CPU 會(huì)控制信號(hào)為低電平，這樣場(chǎng)效應(yīng)管就截止，當(dāng)控制信號(hào)是高電平的時(shí)候，這時(shí)的 P0口通過多路開關(guān)傳達(dá)信號(hào)，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(gè)標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)雙向端口，沒有第二功能。 P1 內(nèi)部具有一個(gè)上拉電阻，并且其電阻阻值比較大，所以上拉驅(qū)動(dòng)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(jī)系列中， P1口第二功能就是分別以 T2 和 T2Ex 來控制定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2的外部輸入端和定時(shí)器 /計(jì)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(jī)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(dòng)器截止， P2 口直接就變成了一個(gè)輸入口來使用了。 P2 端口在作為高 8為地址的時(shí)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(shí)候，這是硬件電路自動(dòng)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(hào)應(yīng)該保持在高電平，使其與非門處于開鎖的狀態(tài)，這時(shí)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(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。 RST 是復(fù)位，當(dāng)周期在兩個(gè)機(jī)器周期之上的時(shí)候，這是 RST 信號(hào)將表達(dá)。 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(yùn)行方式，記錄各個(gè)電路的運(yùn) 行狀態(tài)，并標(biāo)注出各個(gè)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(duì)這些寄存器進(jìn)行對(duì)鞋，從而來實(shí)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(chǔ)空間中，地址也在 80HFFH 這個(gè)范圍內(nèi)。 SFR 空間內(nèi)，包含了 128 個(gè)地址空間，有效位地址只有幾十個(gè)，這樣也可以對(duì)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(jì)要求的 A/ D芯片只需內(nèi)部有一個(gè) 8通 道的多路開關(guān)，可以根據(jù)地址碼鎖存收到的信號(hào)即可，為了達(dá)到設(shè)計(jì)的目 的，起到資源最大話，性價(jià)比最高的目的，在眾多的芯片中需要選擇一個(gè)很適合本設(shè)計(jì)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(gè) +5V 電源來控制 ； 3）可以實(shí)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(shí)鐘頻率，時(shí)鐘頻率范圍是： 10～ 128 0KHZ，當(dāng)時(shí)鐘頻率為 500KHZ 時(shí)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn) 換時(shí)間為 125uS； ICL7109 雙積分式 A/D轉(zhuǎn)換器 1） 12 位 二進(jìn)制形式輸出，并帶有極 性和溢出位； 2）引腳有 35個(gè)； 3）能控制時(shí)間，電平的鎖存，信號(hào)的輸入輸出； 4）振蕩器可以與外界的 PC 機(jī)連接； 5）具有通用異步收發(fā)器數(shù)據(jù)交 換制式； 我們?cè)谶x擇 A /D 轉(zhuǎn)換器的時(shí)候，一般都是價(jià)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(jì)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(diǎn)對(duì)于本設(shè)計(jì)來說比較低，低價(jià)格最能滿足本設(shè)計(jì)的要求，這樣的一個(gè) 8 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器足以滿足本設(shè)計(jì)的要求，所以在設(shè)計(jì)中選擇該芯片。 圖 ADC0809管腳圖 ADC0809 是作為一個(gè) 8路 8位逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換的 CM OS器件，經(jīng)常可以在控制過程、控制機(jī)床的情況下起到很大的作用，并且對(duì)多路模擬信號(hào)能夠分時(shí)采集，輸出的信號(hào)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(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，產(chǎn)生相應(yīng)的表達(dá)。 14 圖 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 I N0－ I N7：作為 8路模擬信號(hào)輸入端，當(dāng)輸入的信號(hào)過小時(shí)，會(huì)將該信號(hào)進(jìn)行放大處理，這樣的單極性信號(hào)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(huì)溢出模擬信號(hào)，這樣就不能接受的完整的信號(hào)，這是對(duì)模擬信號(hào)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(shí)候， A,B,C 三條地址的地址信號(hào)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(jìn)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(shí)序是逐步逐步的。當(dāng)通道選擇地址有效時(shí)， ALE 信號(hào)一出現(xiàn)，地址便馬上被鎖存，這時(shí)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)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(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)， EOC 信號(hào)將變低電平，以指示轉(zhuǎn)換操作正在進(jìn)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(hào)后，便立即送出 O E 信號(hào)，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(duì)于 轉(zhuǎn) 換開始操作獨(dú)立地進(jìn)行，然而通常是把通道選擇和啟動(dòng)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(dòng) 轉(zhuǎn)換。在與微機(jī)接口時(shí)，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(jì) 硬件系統(tǒng)功能設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)有瓦斯氣體敏感元件、 A /D轉(zhuǎn)換電路、電路顯示及報(bào)警開關(guān)控制電 路等組成。 儀器用 5V 穩(wěn)壓電源來對(duì)整個(gè)電驢進(jìn)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(cè)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(fù)載電阻（ RL）上的電壓（ V RL） 由 VC來針對(duì)測(cè)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(gè)電源電路 ， 測(cè)量電橋輸 出與甲 烷濃 度成比例的信號(hào)電壓。 【 14】【 16】 采集到的電壓信號(hào)經(jīng)過 A/ D轉(zhuǎn)換后，變成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)處理后，由顯示電路顯示瓦斯?jié)舛戎?，并?jīng) R S232 通信串口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的信息通信。 聲光報(bào)警電路有蜂鳴器，發(fā)光二極管和驅(qū)動(dòng)電路幾部分來組成。當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^閥值時(shí)，聲光報(bào)警信號(hào)將產(chǎn)生。 各模塊仿真原理圖及工作原理 信號(hào)采集電路 圖 信號(hào)采集處理電路 信號(hào)采集是整個(gè)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵一步，信號(hào)采集和處理的準(zhǔn)確與 否對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的成功直接相關(guān)，傳感器和 20K 系列電阻作為壓力信號(hào)采集的選擇，氣體濃度信號(hào)的檢測(cè)，五伏兩終端電路施加電壓，因此在 05V 電壓信號(hào)的采集，符合 AD C 0809 的轉(zhuǎn)換電壓要求?？紤]到電壓信號(hào)的采集，電壓信號(hào)會(huì)隨著傳輸距離的增加，電極絲損耗會(huì)導(dǎo)致 16 不準(zhǔn)確的電流信號(hào)，在實(shí)際排版的時(shí)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(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)之間的瓦斯?jié)舛惹€，單片機(jī)接收轉(zhuǎn)換后的數(shù)字電壓信號(hào)的采集，通過搜索對(duì)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(jī)最小系統(tǒng)電路 圖 單片機(jī)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(jī)的復(fù)位時(shí)間的大小，一般采用10 uF 30 uF，單片 機(jī)最小系統(tǒng)容值越大需要的復(fù)位時(shí) 間越短。 單片機(jī) 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(jī)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(jī)最小系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)采用 30 pF，這個(gè)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(jì)。 17 P0 口在用作輸出口時(shí)需要一個(gè)上拉的電阻，而這個(gè)電阻阻值大致上在 10K 比較合適，同時(shí) P0 口也為開漏輸出。因?yàn)檫@次使用了一個(gè) 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(shí)不需要再外加個(gè)上拉的電阻。 在設(shè) 置為定時(shí)器模式時(shí)