【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 環(huán)境空氣中含有硅烷之類(lèi)的物質(zhì)時(shí)，則傳感器將使催化元件產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的中毒，以致靈敏度很快就喪失。當(dāng)懷疑 檢測(cè)環(huán)境中存在這些物質(zhì)時(shí)，經(jīng)常對(duì)探頭進(jìn)行標(biāo)定，是必須且有效的辦法。 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。一般連續(xù)使用兩個(gè)月后應(yīng)對(duì)傳感器進(jìn)行量程校準(zhǔn)，這種經(jīng)常性對(duì)傳感器的維護(hù)，無(wú)形中加大了工作人員的工作量，同時(shí)增加了報(bào)警器的維護(hù)成本。 半導(dǎo)體氣敏傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的氣體傳感器以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的氣體傳感器，它具有靈敏度高，響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體氣敏傳感器的性能主要看其靈敏度、選擇性 (抗干擾性 )和穩(wěn)定性 (使用壽命 )。 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 經(jīng)過(guò)對(duì)比上述兩種氣敏傳感器的應(yīng)用特性，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體氣敏傳感器的優(yōu)點(diǎn)更加突出：靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾性好、使用方便、價(jià)格便宜，且不會(huì)發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護(hù)成本較低等。因此，本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體氣敏傳感器作為報(bào)警器氣體信息采集部分的核心。而在眾多半導(dǎo)體氣敏傳感器中，本設(shè)計(jì)選用 MQ2 型氣敏傳感器，這種型號(hào)的傳感器具備一般半導(dǎo)體氣敏傳感器靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。 煤氣泄露報(bào)警系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案 煤氣泄露報(bào)警器工作原理 本論文中的煤氣泄漏報(bào)警器以 STC12C5A60S2 單片機(jī)為控制核 心，采用 MQ2 型電阻式半導(dǎo)體傳感器采集氣體信息。 首先，氣體傳感器送來(lái)的氣體濃度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)送入 STC12C5A60S2 單片機(jī)；然后，在 STC12C5A60S2 單片機(jī)內(nèi) A/D 轉(zhuǎn)換、氣體濃度比較，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性化處理，將數(shù)字化電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成為對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制濃度值；最后，判斷氣體濃度值是否超出報(bào)警限，當(dāng)氣體濃度處于正常狀態(tài)紅燈不會(huì)閃亮，當(dāng)氣體濃度超出設(shè)定的限定值時(shí)，發(fā)出聲音報(bào)警并伴隨紅燈亮。另外由于氣體傳感器需要在加熱狀態(tài)下工作，溫度越高，反應(yīng)越快，響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間就越快。為提高響應(yīng) 時(shí)間，保證氣體傳感器準(zhǔn)確地、穩(wěn)定地工作，報(bào)警器需要向氣體傳感器持續(xù)輸出一個(gè) 5V的電壓。 煤氣泄露報(bào)警器的結(jié)構(gòu) 為適應(yīng)家庭對(duì)可燃性易爆氣體安全性要求，設(shè)計(jì)的可燃性氣體報(bào)警儀應(yīng)不僅能在較寬的溫度范圍工作，而且應(yīng)具有顯示可煤氣體濃度、可接計(jì)算機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)測(cè)和實(shí)時(shí)控制等功能。其目標(biāo)是在傳統(tǒng)的煙霧報(bào)警儀的基礎(chǔ)上，盡量提高準(zhǔn)確性，降低成本，縮小體積。 系統(tǒng) 使用 STC12C5A60S2 單片機(jī)，選用 氣敏 傳感器作為敏感元件， 顯示電路 ， 及報(bào)警裝置 開(kāi)發(fā)了可用于 家庭或 小型單位 天煤氣泄漏 報(bào)警器。 整個(gè)設(shè)計(jì)由 3 大部分構(gòu)成：氣敏 傳感器、 STC12C5A60S2 單片機(jī)、顯示電路。氣敏傳感器是將現(xiàn)場(chǎng)氣體濃度 非電信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；轉(zhuǎn)換電路 是將 完成將 氣體 傳感器輸出的模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 裝置功能說(shuō)明 煤氣泄漏檢測(cè)裝置，顧名思義是用來(lái)檢測(cè)煤氣泄漏，使煤氣使用更加安全。在使用此裝置前，首先設(shè)置好報(bào)警的氣體濃度值，設(shè)置濃度可調(diào)，將裝置放置在煤氣容易泄漏的區(qū)域，當(dāng)煤氣或者其他煤氣泄漏的時(shí)候，空氣中氣體濃度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，裝置會(huì)發(fā)出燈光及聲音的報(bào)警。 裝置效果圖 圖 2. 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 成品效果圖 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 3 煤氣泄漏檢測(cè)報(bào)警裝置的硬件部分設(shè)計(jì) 硬件電路形象的說(shuō)就是整 個(gè)裝置的框架，硬件電路的設(shè)計(jì)，直接影響裝置功能能否實(shí)現(xiàn)。硬件電路的設(shè)計(jì)首先必須了解各原件的性能指標(biāo)，工作原理，以及整體的電路連接。本章主要介紹一些單片機(jī)最小系統(tǒng)，顯示電路，傳感器電路 STC12C5A60S2 系列單片機(jī)簡(jiǎn)介 STC12C5A60S2/AD/PWM 系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘 /機(jī)器周期 (1T)的單片機(jī)，是高速 /低功耗 /超強(qiáng)抗干擾的新一代 8051 單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051,但速度快 812 倍。內(nèi)部集成 MAX810 專(zhuān)用復(fù)位電路 ,2 路 PWM,8 路高速 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換 (250K/S.，即 25 萬(wàn)次每秒 )，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。 1. 增強(qiáng)型 8051 CPU， 1T，單時(shí)鐘 /機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 2. 工作電壓： STC12C5A60S2 系列工作電壓： （ 5V單片機(jī)） STC12LE5A60S2 系列工作電壓： （ 3V單片機(jī)） 3. 工作頻率范圍： 0～ 35MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0～ 420MHz 4. 用戶(hù)應(yīng)用程序空間 8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K 字節(jié) ...... 5. 片上集成 1280 字節(jié) RAM 6. 通用 I/O 口（ 36/40/44 個(gè)），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口 /弱上拉（普通 8051 傳統(tǒng) I/O 口）可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口 /弱上拉，強(qiáng)推挽 /強(qiáng)上拉，僅為輸入 /高阻，開(kāi)漏每個(gè) I/O 口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá) 20mA，但整個(gè)芯片最大不超過(guò) 120mA。 7. ISP（在系統(tǒng)可編程） / IAP（在應(yīng)用可編程），無(wú)需專(zhuān)用編程器，無(wú)需專(zhuān)用仿真器 可通過(guò)串口（ ）直接下載用戶(hù)程序，數(shù)秒即可完成一片 8. 有 EEPROM 功能 (STC12C5A62S2/AD/PWM 無(wú)內(nèi)部 EEPROM) 9. 看門(mén)狗 MAX810 專(zhuān)用復(fù)位電路（外部晶體 12M 以下時(shí)，復(fù)位腳可直接 1K 電阻到地） 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 11. 外部掉電檢測(cè)電路 : 在 口有一個(gè)低壓門(mén)檻比較器， 5V單片機(jī)為 ，誤差為177。 5%, 單片機(jī)為 ，誤差為177。 3% 12. 時(shí)鐘源：外部高精度晶體 /時(shí)鐘，內(nèi)部 R/C 振蕩器 (溫漂為177。 5% 到177。 10% 以?xún)?nèi) )用戶(hù)在下載用戶(hù)程序時(shí)，可選擇是使用內(nèi)部 R/C 振蕩器還是外部晶體 / 時(shí)鐘 常溫下內(nèi)部 R/C 振蕩器頻率為： 單片機(jī)為： 11MHz ～ 單片機(jī)為：8MHz ～ 12MHz，精度要求不高時(shí)，可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，但因?yàn)橛兄圃煺`差和溫漂，以實(shí)際測(cè)試為準(zhǔn) 13. 共 4 個(gè) 16 位定時(shí)器 兩個(gè)與傳統(tǒng) 8051 兼容的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ,16 位定時(shí)器 T0 和 T1，沒(méi)有定時(shí)器 2，但有獨(dú)立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器 ,再加上 2 路 PCA 模塊可再實(shí)現(xiàn) 2 個(gè) 16 位定時(shí)器 14. 3 個(gè)時(shí)鐘輸出口，可由 T0 的溢出在 ，可由 T1 的溢出在 輸出時(shí)鐘 ,獨(dú)立波特率發(fā)生器可以在 口輸出時(shí)鐘 15. 外部中斷 I/O 口 7 路 ,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電 平觸發(fā)中斷 ,并新增支持上升沿中斷的 PCA 模塊， Power Down 模式可由外部中斷喚醒， INT0/,INT1/,T0/, T1/, RxD/,CCP0/(也可通過(guò)寄存器設(shè)置到 ), CCP1/(也可通過(guò)寄存器設(shè)置到 ) 16. PWM(2 路） / PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列 ,2 路） 也可用來(lái)當(dāng) 2 路 D/A 使用 也可用來(lái)再實(shí)現(xiàn) 2 個(gè)定時(shí)器 也可用來(lái)再實(shí)現(xiàn) 2 個(gè)外部中斷 (上升沿中斷 /下降沿中斷均可分別或同時(shí)支持 ) 17. A/D 轉(zhuǎn) 換 , 10 位精度 ADC，共 8 路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá) 250K/S(每秒鐘 25 萬(wàn)次 ) 18. 通用全雙工異步串行口 (UART)，由于 STC12 系列是高速的 8051，可再用定時(shí)器或 PCA 軟件實(shí)現(xiàn)多串口 19. STC12C5A60S2 系列有雙串口，后綴有 S2 標(biāo)志的才有雙串口， RxD2/(可通過(guò)寄存器設(shè)置到 )， TxD2/(可通過(guò)寄存器設(shè)置到 ) 20. 工作溫度范圍： 40 ~ +85℃ (工業(yè)級(jí) ) / 0 ~ 75℃ (商業(yè)級(jí) ) 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 ： LQFP48, LQFP44, PDIP40, PLCC44, QFN40I/O 口不夠時(shí)，可用 2 到 3 根普通 I/O 口線(xiàn)外接 74HC164/165/595（均可級(jí)聯(lián)）來(lái)擴(kuò)展 I/O 口 ,還可用 A/D 做按鍵掃描來(lái)節(jié)省 I/O 口，或用雙 CPU,三線(xiàn)通信，還多了串口。 STC12C5A60S2 系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) STC12C5A60S2 系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。 STC12C5A60S2 單片機(jī)中包含中央處理器 (CPU)、程序存儲(chǔ)器 (Flash)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (SRAM)、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、 UART 串口、串口 I/O 接口、高速 A/D 轉(zhuǎn)換、 SPI 接口、 PCA、看門(mén)狗及片內(nèi) R/C 振蕩器和外部晶體振蕩電路等模塊。 STC12C5A60S2 系列單片機(jī)幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，可稱(chēng)得上一個(gè)片上系統(tǒng)。 管腳說(shuō)明 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開(kāi)路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門(mén)電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫(xiě) 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0 輸 出 原 碼 ， 此 時(shí) P0 外 部 必 須 被 拉 高。 P1 口： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL門(mén)電流。 P1 口管腳寫(xiě)入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個(gè) TTL門(mén)電流，當(dāng) P2 口被寫(xiě) ―1‖時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口當(dāng)用 于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 ―1‖時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3 口 ： P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL 門(mén)電流。沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 當(dāng) P3 口寫(xiě)入 ―1‖后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口 將 輸 出 電 流 （ ILL ） 這 是 由 于 上 拉 的 緣 故 。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功 能口，如下表所示： 口管腳備選功能 RXD （串行輸入） TXD （ 串 行 輸 出 ） /INT0 （ 外 部 中 斷 0 ） /INT1 （ 外 部 中 斷 1 ） T0 （記時(shí)器 0 外部輸入） T1 （記時(shí)器 1 外部輸入） /WR （ 外 部 數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 器 寫(xiě) 選 通 ） /RD （ 外 部 數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 器 讀 選 通 ） P3 口 同 時(shí) 為 閃 爍 編 程 和 編 程 校 驗(yàn) 接 收 一 些 控 制 信 號(hào) 。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電 平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無(wú)效。 /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每 個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN 有效。但在訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 /EA 當(dāng) /EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式 1 時(shí)， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V編程電源（ VPP）。 X1 ： 反 向 振 蕩 放 大 器 的 輸 入 及 內(nèi) 部 時(shí) 鐘 工 作 電 路 的 輸 入 。 X2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。 引腳電路如下圖所示 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 圖 3 1 單片機(jī)引腳圖 引腳電路的連接 ～ 為 I/O 口的 P2 口：內(nèi)部帶有弱上拉的雙向 I/O 口，作為輸入引腳使用前，先向 P2 口鎖存器寫(xiě)入 1，使 P2 口引腳被上拉為高電平 RESET 為復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。 /EA 為外部程序存儲(chǔ)器選擇信號(hào)，低電平有效。在復(fù)位期間 CPU檢測(cè)并鎖存該引腳電平狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)該引腳為高電平時(shí)，從片內(nèi)程序存儲(chǔ)器取指令，只有當(dāng)程序計(jì)數(shù)