【文章內(nèi)容簡介】 寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲器 ,器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造 ,兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 STC90C54AD 引腳結(jié)構(gòu) ,芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲單 元 ,功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的 STC89C52 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。 STC90C54AD 有 40 個(gè)引腳 ， 8k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲器， 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）， 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口， 5 個(gè)中斷優(yōu)先級 2 層中斷嵌套中斷， 2 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，看門狗（ WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。此外 , STC90C54AD 設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為 0Hz 并可通過軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下， CPU 暫停工作，而 RAM 定時(shí)計(jì)數(shù)器 ，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存 RAM 的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有 PDIP、 TQFP 和 PLCC 等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品要求。 在這一塊芯片上集成了一臺微型計(jì)算機(jī)的各個(gè)主要部分。其中主要有 CPU，存儲器，可編程 I/O 口，定時(shí) /計(jì)數(shù)器，串行口等，各部分通過內(nèi)部總線連接。 STC90C54AD 是一種帶 16K 字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲器（ FPEROMFlash Programable and Erasable Read Only Memory ）的低電壓，高性能 COMOS8 的微處理 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 器。該器件采用 ATMEL 搞密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51指令集和輸出管腳相兼容。 STC90C54AD 單片機(jī)內(nèi)部 A/D 模塊 STC9C54AD 單片機(jī)自帶 A/D 轉(zhuǎn)換器介紹： STC9C54AD 在 P1 口，有 10 位精度的高速 A/D 轉(zhuǎn)換器 , 共 8 路電壓輸入型，可做按鍵掃描，電池電壓檢測，頻譜檢測等。 89 個(gè)時(shí)鐘可完成一次轉(zhuǎn)換 。另外還有幾個(gè)關(guān)于 A/D 轉(zhuǎn)換器 的特殊功能寄存器。 P1_ADC_EN 特殊功能寄存器， 作為 A/D 轉(zhuǎn)換輸入通道來用允許特殊功能寄存器相應(yīng)位為“ 1”時(shí)，對應(yīng)的 口作為 A/D 轉(zhuǎn)換使用，內(nèi)部上拉電阻自動斷開。 ADC_CONTR 特殊功能寄存器， A/D 轉(zhuǎn)換控制特殊功能寄存器 ，第一位缺省，從第二位開始到底第五位分別為 ADC_SPEED ADC_SPEED0、 ADC_ FLAG、 ADC_START。 后三位 CHS2 、 CHS1 、 CHS0：模擬輸入通道選擇， 用來選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換通道 ，如表 所示 。 表 模擬輸入通道選擇 CHS2 CHS1 CHS0 模擬輸入通道選擇 0 0 0 選擇 作為 A/D 輸入來用 0 0 1 選擇 作為 A/D 輸入來用 0 1 0 選擇 作為 A/D 輸入來用 0 1 1 選擇 作為 A/D 輸入來用 1 0 0 選擇 作為 A/D 輸入來用 1 0 1 選擇 P 作為 A/D 輸入來用 1 1 0 選擇 作為 A/D 輸入來用 1 1 1 選擇 作為 A/D 輸入來用 ADC_SPEED1 / ADC_SPEED0： ADC 轉(zhuǎn)換速度控制位。 當(dāng)組合起來后會有以下幾種 情況： [ADC_SPEED1： ADC_SPEED0] = [0,0] 完成 1 次 A/D 轉(zhuǎn)換需要 89 個(gè)時(shí)鐘 (如果要取 10 位轉(zhuǎn)換結(jié)果，建議不要選擇最快轉(zhuǎn)換速度 )； 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 [ADC_SPEED1:ADC_SPEED0]= [0,1] 完成 1 次 A/D 轉(zhuǎn)換需要 178 個(gè)時(shí)鐘； [ADC_SPEED1:ADC_SPEED0] = [1,0] 完成 1 次 A/D 轉(zhuǎn)換需要 356 個(gè)時(shí)鐘；[ADC_SPEED1:ADC_SPEED0] = [1,1] 完成 1 次 A/D 轉(zhuǎn)換需要 534 個(gè)時(shí)鐘 。 ADC_START： 模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換 (ADC)啟動控制位，設(shè)置為“ 1”時(shí)，開始轉(zhuǎn)換；ADC_FLAG： 模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位 ,當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換完成后， ADC_FLAG = 1。ADC_DATA ： 特殊功能寄存器： A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果特殊功能寄存器，用于處理轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號。 模擬 / 數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果計(jì)算公式 ： 如果要取 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果 ：ADC_DATA[7:0] = 256 x Vin/Vcc，如果要取 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果 :(ADC_DATA[7:0] , ADC_LOW2[1:0] = 1024 x Vin/Vcc。 Vin 為模擬輸入通道輸入電壓， Vcc 為單片機(jī)實(shí)際工作電壓，用單片機(jī)工作電壓作為模擬參考電壓。 A/D 轉(zhuǎn)換的性能參數(shù) ： 衡量一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器的性能的主要參數(shù)有：分辨率 ， 指A/D 轉(zhuǎn)換器能夠轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)，位數(shù)多分辨率也就越高； 轉(zhuǎn)換時(shí)間 ， 指數(shù)字量輸入到完成轉(zhuǎn)換，輸出達(dá)到最終值并穩(wěn)定為止所需的時(shí)間。電流型 A/D 轉(zhuǎn)換較快，一般在幾 ns 到幾百 ns 之間。電壓型 A/D 轉(zhuǎn)換較慢，取決于運(yùn)算放大器的響應(yīng)時(shí)間；精度 ， 指 A/D 轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出電壓與理論值之間的誤差，一般采用數(shù)字量的最低有效位作為 衡量單位； 線性度 ， 當(dāng)數(shù)字 量變化時(shí)， A/D 轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量按比例關(guān)系變化的程度。理想的 A/D 轉(zhuǎn)換器是線性的， 但是實(shí)際上是有誤差的，模擬輸出偏離理想輸出的最大值稱為線性誤差。 A/D 轉(zhuǎn)換器的功能是把模擬量變換成數(shù)字量。由于實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的工作原理和采用工藝技術(shù)不同，因此生產(chǎn)出種類繁多的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片。 A/D轉(zhuǎn)換器按分辨率分為 4 位、 6 位、 8 位、 10 位、 14 位、 16 位和 BCD 碼的 31/2 位、 51/2位等。按照轉(zhuǎn)換速度可分為超高速 (轉(zhuǎn)換時(shí)間≤ 330ns)，次超高速 (330~)，高速 (轉(zhuǎn)換時(shí)間 ~333μs)，低速 (轉(zhuǎn)換時(shí)間 330μs)等。 A/D 轉(zhuǎn)換器按照轉(zhuǎn)換原理可分為直接A/D 轉(zhuǎn)換器和間接 A/D 轉(zhuǎn)換器。所謂直接 A/D 轉(zhuǎn)換器，是把模擬信號直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，如逐次逼近型，并聯(lián)比較型等。其中逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器，易于用集成工藝實(shí)現(xiàn)，且能達(dá)到較高的分辨率和速度，故目前集成化 A/D 芯片采用逐次逼近型者多 。間接 A/D 轉(zhuǎn)換器是先把模擬量轉(zhuǎn)換成中間量，然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，如電壓 /時(shí)間轉(zhuǎn)換型 (積分型 )，電壓 /頻率轉(zhuǎn)換型，電壓 /脈寬轉(zhuǎn)換型等。其中積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器電路簡單，抗干擾能力強(qiáng)，切能作到高分辨率，但轉(zhuǎn)換速度較慢。有些轉(zhuǎn)換器還將多路開關(guān)、 基準(zhǔn)電壓源、時(shí)鐘電路、譯碼器和轉(zhuǎn)換電路集成在一個(gè)芯片內(nèi)，已超出了單純 A/D 轉(zhuǎn)換功能，使用十分方便。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 瓦斯檢測設(shè)備工作原理分析 MQ4 傳感器簡介 傳感器是能把被測物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)化為與之有確定關(guān)系的電信號輸出裝置 [4]。傳感器主要由敏感元件、傳感元件組成，有時(shí)也將信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路、輔助電源作為傳感器的組成部分。敏感元件：直接感受被測量，并輸出與被測量成關(guān)系的其他量的元件。傳感元件：又稱 轉(zhuǎn)換器，一般情況下，不直接感受被測量，而是將敏感元件的輸出量轉(zhuǎn)化為電量輸出的元件。 瓦斯煙霧可燃?xì)?體傳感器 可分為接觸燃燒式、半導(dǎo)體式、熱傳導(dǎo)式熱阻體式三種傳感器。 MQ4 氣體傳感器 屬于 接觸燃燒式 。 MQ4 利用瓦斯在催化元件上的氧化生熱引起其電阻的變化來測定瓦斯?jié)舛?。其?yōu)點(diǎn)是元件和儀器的生產(chǎn)成本低，輸出信號大，對于 1%氣樣，電橋輸出可達(dá) 15mv 以上，處理和顯示都比較方便，所以儀器的結(jié)構(gòu)簡單，受背景 氣體和溫度變化的影響小，容易實(shí)現(xiàn)自動檢測。 使用 簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。 這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。 MQ4 氣敏元件由微型 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。封裝好的氣敏元件有 6 只針狀管腳，其中 4 個(gè)用于信號取出， 4 個(gè)用于提供加熱電流 ，其實(shí)物圖如圖 所示 。 圖 黑白原件的工作原理圖 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 敏感元件工作原理 MQ4 氣體傳感器 的敏感元件 對液化氣、甲烷、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡單的電路即 可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。 而 MQ4 的敏感元件是 感受濃度值，并輸出與濃度值 成 比例關(guān)系的電量 元件 ，其中包括黑元件和白元件 。 黑元件載體催化燃燒式元件，當(dāng)甲烷氣體在元件表面與氧氣產(chǎn)生無焰燃燒時(shí)，電橋失去平衡，輸出一個(gè)電壓信號。白元件是補(bǔ)償元件，基本結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)與黑元件相同，但表面不涂鍍催化劑，不參加低溫燃燒。但由于白元件處于與黑元件相同的工作環(huán)境中，所以，對非甲烷濃度變化引起的催化元件阻值變化起補(bǔ)償作用，以提高儀器零點(diǎn)穩(wěn)定性和抗干擾能力。 黑白元件的工作原理：使用時(shí)一般將黑白元件串聯(lián)， 作為電橋的一臂，用普通電阻構(gòu)成電橋的另一臂，電橋的兩端加上穩(wěn)定的工作電壓 U。當(dāng)含有甲烷的空氣在高溫和催化劑的作用下，發(fā)生無焰燃燒，而在白元件上則不致使甲烷燃燒，從而使黑元件的溫度比白元件的溫度高，黑元件中的鉑絲既是加熱元件，又是感應(yīng)溫度的熱敏元件，根據(jù)鉑絲的正溫度系數(shù)的特性，溫度升高時(shí)電阻增大，黑元件上的電壓降即增大，電橋失去平衡，輸出一個(gè)電壓信號△ U，該電壓值的大小反映了甲烷濃度的高低，檢測此電壓便可測量出甲烷濃度 ， 黑白元件基本工作原理圖如圖 所示。 圖 黑白原件的工作原 理圖 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 4 硬件 系統(tǒng) 電路設(shè)計(jì) 可燃?xì)怏w信號采集及 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 在本設(shè)計(jì)中，采用 MQ4 傳感器作為信號采集器件，器件的 4 腳連接電源的正極（ +5V）， 6 腳連接地。采集到的信號通過 1k 歐姆電阻后送到 單片機(jī) ， R14用來調(diào)節(jié)輸出信號的大小。具體電路連接 [5]如 右 圖 所示： 圖 信號采集及 A/D轉(zhuǎn)換模塊 數(shù)碼管顯示模塊 顯示部分是主要的人機(jī)操作之一。系統(tǒng)內(nèi)部處理的數(shù)據(jù)結(jié)果和運(yùn)行狀態(tài)都是通過顯示界面顯示出來的。顯示部分主要是數(shù)據(jù)信息、報(bào)警提示、修改參數(shù)等的 顯示，顯示為系統(tǒng)的一個(gè)獨(dú)立模塊，對于外部而言有輸入?yún)?shù)，輸出參數(shù)的作用。用 C 實(shí)現(xiàn)的程序，順序完成，可以在假設(shè)時(shí)間域并行工作和運(yùn)行 .LED 工作原理是由 4 個(gè)發(fā)光二極管組成，因此也稱之為 4 段 LED 顯示，另外 ,顯示器中有一個(gè)圓點(diǎn)型發(fā)光二極管，用于顯示小數(shù)點(diǎn)。通過 4 個(gè)發(fā)光二極管亮暗的不同組合 ,可以顯示多種數(shù)字、字母以及其它符號。 單片機(jī)輸出驅(qū)動分為高電平驅(qū)動和低電平驅(qū)動兩種方式 [68]，所謂高電平驅(qū)動，就是端口輸出高電平時(shí)的驅(qū)動能力，所謂低電平驅(qū)動，就是端口輸出低電平時(shí)的驅(qū)動能力，當(dāng)單片機(jī)輸出高電平時(shí)，其驅(qū)動能力實(shí) 際上是靠端口的上拉電阻來驅(qū)動的，實(shí)際測試表明， 51 單片機(jī)的上拉電阻的阻值在 330K 左右，也就是說如果靠高電平驅(qū)動，本質(zhì)上就是靠 330K 的上拉電阻來提供電流的，當(dāng)然該電流是非常小的，小的甚至連發(fā)光二極管也難以點(diǎn)亮，如果要保證 LED 正常發(fā)光，必須要外接一個(gè) 1K 左右的上拉電阻，如果是一個(gè) led 還好，要是 10 個(gè)、 20 個(gè) LED 的話，就要接 10 個(gè)、 20 個(gè) 1K 的上拉電阻，接電阻的本身是可以的，問題是接了上拉電阻以后，每當(dāng)端口變?yōu)榈碗娖? 的時(shí)候，那么就有 10 個(gè)、 20 個(gè)上拉電阻被無用的導(dǎo)通，假設(shè)每個(gè)電阻的電流為 5mA計(jì)算， 20 個(gè)電阻就是 100mA，這將造成電源效率的嚴(yán)重下降，導(dǎo)致發(fā)熱，紋波增大， 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 以至于造成單片機(jī)工作不穩(wěn)，因此很少有采用高電平直接驅(qū)動 LED 的，高電平驅(qū)動LED 實(shí)際上就是共陰。低電平驅(qū)動就不同了，端口為低電平 0 時(shí)，端口內(nèi)部的開關(guān)管導(dǎo)通，可以驅(qū)動高達(dá) 30 多毫安的驅(qū)動電流，可以直接驅(qū)動 LED 等負(fù)載，當(dāng)端口為低電平 0 時(shí)，盡管內(nèi)部的上拉電阻也是消耗電流的，但是由于內(nèi)部的上拉電阻很大，有330K，因此消耗電流極小，基本上不會影響電源效率，不會造成無用功的大量消耗，因此 51 單片機(jī)是不能用高電平直接驅(qū)動 LED 的，只能用地電平 直接驅(qū)動 LED，即只能用共陽數(shù)碼管，而不能直接用共陰數(shù)碼管。 本設(shè)計(jì)通過觀察 LED 數(shù)碼顯示器顯示瓦斯?jié)舛戎?，判斷瓦斯?jié)舛戎凳欠癯^上限值，如果超過，自動報(bào)警。 顯示模塊采用共陽極數(shù)碼管顯示。單片機(jī) P2 口控制 LED數(shù)碼管顯示。位選用 P0 口來控制。 具體電路連接方式如圖 所示。 圖 數(shù)碼管 顯示模塊 聲光報(bào)警模塊 聲音的產(chǎn)生是一種音頻振動的效果。振動