【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 、集成型等多種氣敏元件。除半導(dǎo) 體表面吸附氣體發(fā)生電子傳遞的表面型氣敏半導(dǎo)體外，還發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體吸附氣體后與體內(nèi)發(fā)生電子傳遞的體電導(dǎo)氣敏半導(dǎo)體和氣體分子在金屬半導(dǎo)體接觸面上產(chǎn)生電子傳遞的結(jié)型氣敏半導(dǎo)體。 在本次設(shè)計(jì)中，從檢測(cè)對(duì)象來(lái)看，天然氣的主要成份是 CH4 ，所以選用 QMN10氣敏傳感器。 QMN10 型氣敏元件是以金屬氧化物 SnO2 為主體材料的 N型半導(dǎo)體氣敏元件，當(dāng)元件接觸還原性氣體時(shí)，其電導(dǎo)率隨氣體濃度的增加而迅速升高。它適合檢測(cè)天然氣，煤氣，液化石油氣，氫氣，一氧化碳，烷類氣體，烯類氣體，汽油，煤油，柴油，乙炔，氨類蒸汽，醚蒸汽及煙 霧等。它具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。 用于可燃性氣體的檢測(cè)（ CH C4H H2 等）； 2 靈敏度高； 響應(yīng)速度快； 輸出信號(hào)大； 壽命長(zhǎng)，工作穩(wěn)定可靠。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 電子信息系 16 表 32 QMN10型氣敏傳感器的參數(shù) 型號(hào) 標(biāo)定氣體中電壓 響應(yīng)時(shí)間t1 恢復(fù)時(shí)間t2 最佳工作條件 允許工作條件 測(cè)量回路電壓Uc 加熱電壓Uf 負(fù)載電阻RL 測(cè)量回路電壓Uc 加熱電壓Uf 負(fù)載電阻 RL QMN10 ≥ 2V ≤10s ≤30s 10V 5V 2kΩ 515V kΩ 測(cè)試 條件 %丁烷 清凈空氣 清潔空氣中電阻（ Ra） ≤ 2021kΩ U0=10V Uf=5V RL=2 kΩ 檢測(cè)范圍 50020210ppm 元件工耗 ≤ 靈敏度（ S=Ra/Rdg） ≥ 4 QMN10 氣敏傳感器，以電壓采樣方式，原理如圖 。 V1隨氣體濃度變化，其關(guān)系為： V1= F（ c）≈ VH RL Cm∕ 10n 其中： C為氣體濃度； m 、 n — 由傳感器及氣體決定的常數(shù)，且 m1； VH— 工作電壓； VD— 燈絲加熱電壓。 [11] CV DR LR XV 1V H 圖 氣敏傳感器原理如圖 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 電子信息系 17 1131211109876543219181716151420 2129282726252423223433323130383736354039P 1 . 0P 1 . 0P 1 . 5P 1 . 4P 1 . 3P 1 . 2P 1 . 1P 1 . 7P 1 . 6P 3 . 1P 3 . 7P 3 . 6P 3 . 5P 3 . 4P 3 . 3P 3 . 2P 3 . 0XTALC 1XTAL 2GNDP 2 . 0 （ A 8 ）P 2 . 5 （ A 13 ）P 2 . 4 （ A 12 ）P 2 . 3 （ A 11 ）P 2 . 2 （ A 10 ）P 2 . 1 （ A 9 ）P 2 . 7 （ A 15 ）P 2 . 6 （ A 14 ）PS E NALE / P R O GEA / VPPP 0 . 7 （ AD 7 ）P 0 . 2 （ AD 2 ）P 0 . 3 （ AD 3 ）P 0 . 4 （ AD 4 ）P 0 . 5 （ AD 5 ）P 0 . 6 （ AD 6 ）P 0 . 1 （ AD 1 ）P 0 . 0 （ AD 0 ）VCCRDWRTXDRXD0IN T1INT AT89C51 簡(jiǎn)介 AT89C51 是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)。片內(nèi)含4K bytes 的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器（ PEROM）和 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器（ CPU）和 Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大 AT89C51 單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 AT89C51 主要特性 : 圖 AT89C5引腳圖 主要性能參數(shù)： 與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)兼容 4K 字節(jié)可重擦寫(xiě) Flash 閃 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 電子信息系 18 1000 次擦寫(xiě)中期 全靜態(tài)操作： 0Hz—— 24MHz 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 128*8 字節(jié)內(nèi)部 RAM 32 個(gè)可編程 I/O 口線 2個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器 5個(gè)中斷源 可編程串行 UART 通道 低功耗空閑和掉電式能圖 特性概述： AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4K字節(jié) Flash 閃存存儲(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) /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路同時(shí)， AT89C51 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止 CPU 的工作，但允許RAM，定時(shí) /計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容。但振蕩器停止工作并禁止其它所有不見(jiàn)工作 直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 AT89C51 有 40 條引腳，與其他 51 系列單片機(jī)引腳是兼容的。這 40 條引腳可分為 I/O 端口線、電源線、控制線、外接晶體線四部分。其封裝形式有兩種：雙列直插封裝（ DIP）形式和方形封裝形式，如圖 所示。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 電子信息系 19 圖 AT89C51內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 單片機(jī)結(jié)構(gòu) AT89C51 系列單片機(jī)在結(jié)構(gòu)上基本相同，只是在個(gè)別模塊和功能上有些區(qū)別。圖 33是 AT89C51 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。它包含了作為微型計(jì)算機(jī)所必需的基本功能部件，各功能部件通過(guò)片內(nèi)單一總線連成一個(gè)整 體，集成在一塊芯片上。為了更詳細(xì)地了解 AT89C51 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，現(xiàn)將其分成中央處理器（ CPU）、存儲(chǔ)器、 I/O 端口、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)和內(nèi)部總線六部分加以介紹。 CPU 是單片機(jī)內(nèi)部的核心部件，是一個(gè) 8 位二進(jìn)制數(shù)的中央處理單元，主要由運(yùn)算器、控制器和寄存器陣列構(gòu)成。 1．運(yùn)算器 運(yùn)算器用來(lái)完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算功能，它是 AT89C51 內(nèi)部處理各種信息的長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 電子信息系 20 主要部件。運(yùn)算器主要由算術(shù)邏輯單元（ ALU）、累加器（ ACC）、暫存寄存器（ TMPTMP2）和狀態(tài)寄存器（ PSW）組成。 （ 1）算術(shù)邏輯單元（ ALU）： AT89C51 中的 ALU 由加法器和一個(gè)布爾處理器組成（圖中未具體畫(huà)出）。它不僅可以對(duì) 8 位二進(jìn)制變量進(jìn)行與、或、非、異或等邏輯運(yùn)算，加、減、乘、除的四則運(yùn)算，還具有運(yùn)算結(jié)果判斷、數(shù)據(jù)傳送、程序轉(zhuǎn)移等功能。它是運(yùn)算器的核心部件。 （ 2）累加器（ ACC）：用來(lái)存放參與算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的一個(gè)操作數(shù)或運(yùn)算的結(jié)果。 （ 3）暫存寄存器（ TMP TMP2）：用來(lái)存放參與算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的另一個(gè)操作數(shù)，它對(duì)用戶不開(kāi)放。 （ 4）狀態(tài)寄存器（ PSW）： PSW 是一個(gè) 8 位標(biāo)志寄存器，用來(lái)存放 ALU 操作 結(jié)果的有關(guān)狀態(tài)。 PSW 中各位狀態(tài)常量是操作過(guò)程中自動(dòng)相成的，但也可以由用戶根據(jù)需要由位操作指令加以改變， PSW 各位定義如表 33所示。 表 33 PSW各位定義表 位編號(hào) PSW7 PSW6 PSW5 PSW4 PSW3 PSW2 PSW1 PSW0 位定義 CY AC F0 RS1 RS0 OV — P 位地址 D7H D6H D5H D4H D3H D2H D1H D0H ①進(jìn)位標(biāo)志符 CY：表示累加器 A 在加減運(yùn)算過(guò)程中其最高位 A7有無(wú)進(jìn)位或借位。若有則 CY=1，若沒(méi)有則 CY=0。 CPU 在進(jìn) 行移位操作時(shí)也會(huì)影響這個(gè)標(biāo)志位。 ②輔助進(jìn)位位 AC：表示累加器在加減運(yùn)算時(shí)低 4 位（ A3）有無(wú)向高 4 位（ A4）進(jìn)位或借位。若有則 AC=1，若沒(méi)有則 AC=0。 ③用戶標(biāo)志位 F0：是用戶定義的一個(gè)狀態(tài)標(biāo)志位，根據(jù)需要可以用軟件來(lái)使它置位或清除。 ④寄存器選擇位 RS RS0： AT89C51 共有四組，每組八個(gè)工作寄存器 R0~ R7。編程時(shí)用與存放數(shù)據(jù)或地址。但每組工作寄存器在內(nèi)部 RAM 中的物理地址不同。 RS1和 RS0的四種狀態(tài)組合就是用來(lái)確定四組工作寄存器的實(shí)際物理地址的。RS RS0 狀態(tài)與工作寄存器 R0~R7 的 物理地址關(guān)系如表 34所示。 表 34 RS1 RS0關(guān)系表 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 電子信息系 21 RS1 RS0 工作寄存器組號(hào) R0~R7 的物理地址 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 2 3 00H~07H 08H~0FH 16H~17H 18H~1FH 單片機(jī)上電復(fù)位后， RS RS0 的狀態(tài)為 00。故 R0~R7 對(duì)應(yīng)的是 0 組的物理地址 00~07H。若要改變 RS RS0 的狀態(tài)，可用位操作指令或數(shù)據(jù)傳送指令。 ⑤溢出標(biāo)志位 OV：當(dāng)執(zhí)行算術(shù)指令時(shí)，由硬件自動(dòng)置位或清零，表示累加器 A的溢出狀態(tài)。 ⑥奇偶標(biāo)志位 P：用于指示運(yùn)算結(jié)果中 1 的個(gè)數(shù)的奇偶性，若累加器 A 中的 1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，則 P=1；若 1 的個(gè)數(shù)為偶數(shù)，則 P=0。 2．控制器 控制器是單片機(jī)內(nèi)部按一定時(shí)序協(xié)調(diào)工作的控制核心，是分析和執(zhí)行指令的部件?？刂破髦饕沙绦蛴?jì)數(shù)器 PC、指令寄存器 IR、指令譯碼器 ID 和定時(shí)控制邏輯電路等構(gòu)成。 程序計(jì)數(shù)器 PC 是專門用于存放現(xiàn)行指令的 16 位地址的。 CPU 就是根據(jù) PC 中的地址到 ROM 中去讀取程序指令碼和數(shù)據(jù)，并送給指令寄存器 IR 進(jìn)行分析。每取出現(xiàn)行指令的一個(gè)字節(jié)后， PC 就自動(dòng)加 1，即（ PC） +1→ PC，指向下一個(gè)要讀取字節(jié)的地址。當(dāng)遇到轉(zhuǎn)移指令或子程序調(diào)用指令時(shí)， PC 內(nèi)容會(huì)被指定的地址取代，實(shí)現(xiàn)程序轉(zhuǎn)移。所以，需要執(zhí)行程序的機(jī)器碼，必須在程序執(zhí)行前預(yù)先一條條地按順序放到程序存儲(chǔ)器 ROM 中，并使 PC 中的初始地址為程序第一條指令的內(nèi)存地址。 指令寄存器 IR用于存放 CPU 根據(jù) PC 地址從 ROM 中讀出指令操作碼。 指令譯碼器 ID 是用于分析指令操作的部件，指令操作碼經(jīng)譯碼后產(chǎn)生相應(yīng)于某一特定操作的信號(hào)。 定時(shí)控制邏輯中定時(shí)部件用來(lái)產(chǎn)生脈沖序列和多種節(jié)拍脈沖?？刂七壿嫺鶕?jù)指令譯碼器產(chǎn)生的操作信號(hào)，按一定時(shí)間順序發(fā)出一系列節(jié)拍脈沖控制信號(hào)來(lái)完成指令所規(guī)定的全部操作。 3．寄存器陣列 寄存器陣列是單片機(jī)內(nèi)部的臨時(shí)存儲(chǔ)單元或固定用途單元，包括通用寄存器組長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 電子信息系 22 和專用寄存器組。 通用寄存器組用來(lái)存放過(guò)渡性的數(shù)據(jù)和地址，提高 CPU 的運(yùn)行速度。 專用寄存器組主要用來(lái)指示當(dāng)前要執(zhí)行指令的內(nèi)存地址，存放特定的操作數(shù)，指示指令運(yùn)行的狀態(tài)等。例如前面介紹的 PC、 PSW、累加器 A 等。其他專用寄存器將在后面的相關(guān)章節(jié) 中介紹。 AT89C51 單片機(jī)內(nèi)部有 128 個(gè)字節(jié)的 RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和 4KB 的內(nèi)存程序存儲(chǔ)器（ Flash），當(dāng)不夠使用時(shí)，可分別擴(kuò)展為 64KB 外部 RAM 存儲(chǔ)器和 64KB 外部程序存儲(chǔ)器。它們的邏輯空間是分開(kāi)的，并有各自的尋址機(jī)構(gòu)和尋址方式。這種結(jié)構(gòu)的單片機(jī)稱為哈佛型結(jié)構(gòu)單片機(jī)。 程序存儲(chǔ)器是可讀不可寫(xiě)的，用于存放編好的程序和表格常數(shù)