【文章內(nèi)容簡介】 其體積和質(zhì)量，提高環(huán)境監(jiān)測(cè)儀的自動(dòng)化水平，對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)更加準(zhǔn)確。 按系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)要求，決定控制系統(tǒng)采用市場(chǎng)上很普遍的 AT89C51 單片機(jī)， A/D轉(zhuǎn)換采用 ADC0804，其轉(zhuǎn)換速度完全可以達(dá)到本次設(shè)計(jì)的要求，顯示部分由LCD1602 液晶屏進(jìn)行顯示。 本設(shè)計(jì)是通過采用 MQ2 氣體傳感器作為可燃?xì)怏w的 信號(hào)采集工具 ，系統(tǒng)建立濃度與電壓關(guān)系，利用單片機(jī)技術(shù) 將采集到的模擬電壓量經(jīng)過 AD 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理計(jì)算 ，濃度值由液晶顯示，觸發(fā)聲光報(bào)警，啟動(dòng)無線控制排氣裝置。 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 第一章 報(bào)警器的概述 報(bào)警器的 研究背景 中國在逐步進(jìn)入工業(yè)化的同時(shí)，工業(yè)事故也在屢屢發(fā)生。煤礦爆炸、廠房起火、工人中毒、家庭煤氣泄漏等此類新聞報(bào)道層出不窮。這些事故的主要原因是工業(yè)環(huán)境中不當(dāng)使用有毒有害、易燃易爆氣體。在日常生活中到處充斥著有毒有害、易燃易爆氣體，一旦發(fā)生泄露，不僅污染了環(huán)境，造成嚴(yán)重的人員傷亡 和財(cái)產(chǎn)損失。而且還會(huì)嚴(yán)重地威脅到了人們的日常生活。 報(bào)警器 的研究意義 近年來大規(guī)模集成電路發(fā)展迅速，同時(shí)也帶動(dòng)了單片機(jī)的迅猛發(fā)展，這給在野外以及無人監(jiān)測(cè)的地方進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)帶來了巨大的方便。個(gè)頭雖小、價(jià)格便宜但功能強(qiáng)大是單片機(jī)的一大特征，與微型計(jì)算機(jī)的功能相似。將單片機(jī)技術(shù)運(yùn)用到環(huán)境監(jiān)測(cè)儀中，不僅能降低成本，而且還可以減小環(huán)境監(jiān)測(cè)儀的體積和質(zhì)量，提高環(huán)境監(jiān)測(cè)儀的自動(dòng)化水平，增強(qiáng)環(huán)境監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，可燃報(bào)警控制系統(tǒng)能廣范應(yīng)用于工業(yè)和家庭中。 氣體傳感器的分類 表 氣體傳感器的分 類 氣體傳感器分類 原理 特點(diǎn) 金屬氧化物半導(dǎo)體式傳感器 被測(cè)氣體的吸附后，半導(dǎo)體的電導(dǎo)率變化，從而使電流變化，驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路。 反應(yīng)靈敏，成本低廉，適宜于民用氣體檢測(cè)。 催化燃燒式傳感器 是目前使用最多的檢測(cè)可燃?xì)怏w的原理之一。 輸出信號(hào)線形好、無與其他非可燃?xì)怏w的交叉干擾等特點(diǎn) [1]。 定電位電解式傳感器 是測(cè)毒類使用最多的一種。 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 隔膜迦伐尼電池式氧氣傳感器 把氧氣通入電解質(zhì)時(shí)，陽極金屬被氧化，釋放電子，形成的電流與通入的氧氣濃度成正比 [2]。 整個(gè)過程中陽極金屬在逐漸損耗，因此傳感器需經(jīng)常更換 。 紅外式傳感器 不同元素吸收的光的波長不同。 反應(yīng)靈敏，能適用于多數(shù)碳?xì)浠衔?，但成本較高結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 系統(tǒng)整體方案及硬件設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)采用 AT89C51 單片機(jī)，配合 ADC0804 轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成一個(gè)簡易的可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。可燃?xì)怏w的濃度用 LCD1602 顯示器進(jìn)行顯示。該電路通過 MQ2傳感器檢測(cè)可燃?xì)怏w，并輸出 05V的電壓信號(hào)，然后輸入到 ADC0804 芯片采樣模擬量電壓，經(jīng)過模 /數(shù)轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字量經(jīng)過其輸出通道 DB0～ DB7 傳送給 AT89C51 單片機(jī)的 P1 口。 AT89C51 單片機(jī)負(fù)責(zé) 把接收到的數(shù)字量經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，LCD1602 顯示可燃?xì)怏w濃度。當(dāng)環(huán)境中可燃或有毒氣體泄露時(shí)，并且可燃?xì)怏w濃度達(dá)到報(bào)警值時(shí)，單片機(jī)將驅(qū)動(dòng) LED 和蜂鳴器，就會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警。通過關(guān)聯(lián)的無線控制模塊觸動(dòng)閥門以打開排氣、排風(fēng)設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)可燃?xì)怏w的安全控制。 本系統(tǒng)有單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源、信號(hào)采集電路、報(bào)警電路、按鍵和 LCD 顯示、組成?；驹砣鐖D ： 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 圖 系統(tǒng)基本方框圖 上電復(fù)位 報(bào)警電路 P3 P0 AT89C51 P2 P1 ADC0804 電源電路 LCD 顯示器 排風(fēng)設(shè)備 MQ2 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第二章 主要元件介紹 單片機(jī) 概述 AT89C51 單片機(jī) 的 FLASH 存儲(chǔ)器 為 4k且為 高性能、低電壓 CMOS 8 位 CPU。AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃存可編程 又 可擦除 的 ROM，能重復(fù) 擦除 1000 次。該器件采用 的是 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器 的制造技術(shù) ， 且能 與 MCS51 輸出管腳和指令集兼容。 在一 個(gè)芯片中 同時(shí)置入 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器， 使得 AT89C51更加 高效， AT89C2051 是它的一種精簡版本。 AT89C51 單片機(jī) 因其靈活性高，且成本較低而成為 嵌入式控制系統(tǒng) 的首選方案 [3]。 主要特性如下： （ 1） 4K 字節(jié) FLASH，可編程； （ 2） 與 MCS51 兼容 ； （ 3） 在 0Hz24MHz 下全靜態(tài)工作 ； （ 4） 1000 次重復(fù) 寫 /擦 ； （ 5） 保留數(shù)據(jù)長達(dá) 10 年 ； （ 6） 內(nèi)部 RAM 為1288 位 ； （ 7） 能 鎖定三級(jí)程序存儲(chǔ)器 ；（ 8） 32 個(gè) 可編程 I/O 口；（ 9） 中斷源 5 個(gè) ；（ 10） 16 位 定時(shí) /計(jì)數(shù)器兩個(gè) ； （ 11） 具備 時(shí)鐘電路 和 片內(nèi)振蕩器 ； （ 12） 閑置和掉電模式 為低功耗； （ 13） 1 個(gè) 可編程串行通道 口 。 引腳和最小系統(tǒng) AT89C51 封裝結(jié)構(gòu)為 40 條 引腳雙列直插式，其引腳排列如圖 所示。其中，有 2 條電源引腳， 2 條外接晶體， 4條控制引腳，其它為 I/O 引腳 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0. 0/ A D 039P 0. 1/ A D 138P 0. 2/ A D 237P 0. 3/ A D 336P 0. 4/ A D 435P 0. 5/ A D 534P 0. 6/ A D 633P 0. 7/ A D 732P 1. 01P 1. 12P 1. 23P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78P 3. 0/ R X D10P 3. 1/ T X D11P 3. 2/ I NT 012P 3. 3/ I NT 113P 3. 4/ T 014P 3. 7/ R D17P 3. 6 / W R16P 3. 5/ T 115P 2. 7/ A 1 528P 2. 0/ A 821P 2. 1/ A 922P 2. 2/ A 1 023P 2. 3/ A 1 124P 2. 4/ A 1 225P 2. 5/ A 1 326P 2. 6/ A 1 427U1A T 89 C5 1 圖 AT89C51 引腳圖 主要引腳介紹： VCC：電源。 GND：接地 。 P0 口： P0 口有 8 個(gè)雙向 I/O 引腳，每個(gè)引腳吸收的門電流是 8TTL。第一次給P0 口送“ 1”， 稱為 高阻 輸入，此時(shí)需接上拉電阻。 P1 口： P1 口有 8 個(gè)雙向 I/O 引腳，其內(nèi)部自帶上拉電阻。內(nèi)部的緩沖器能接收 /輸出的門電流為 4TTL。給 P1 口送 1 后，自動(dòng)的被上拉電阻拉高，此時(shí)其可用作輸入引腳。 P1 口為低電平時(shí)，會(huì)輸出電流。 FLASH 編程或校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為地址的低 8 位接收數(shù)據(jù)。 P2 口： P1 口 有 8 個(gè)雙向 I/O 引腳，其內(nèi)部自帶上拉電阻。其內(nèi)部的緩沖器接收 /輸出的門電流為 4TTL，給當(dāng) P2 口送“ 1”時(shí)，其管腳被拉高，作為輸入口。 P2口為低電平時(shí)，可輸出電流。 P2 口訪問外部程序存儲(chǔ)器或進(jìn)行 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存取時(shí)， P2 口作高八位地址引腳。在給地址送“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉成為一大優(yōu)勢(shì)。當(dāng)進(jìn)行讀寫外部 8 位地址 /數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P2 口輸出 SFR 的內(nèi)容。在 FLASH進(jìn)行編程和校驗(yàn)時(shí)， P2 口接收高八位地址和控制信號(hào)。 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 P3 口： P3 口有 8 個(gè)雙向 I/O 引腳，其內(nèi)部自帶上拉電阻。可接收 /輸出的門電流為 4TTL。 給 P3 口送入“ 1”后，由于內(nèi)部的上拉電阻，引腳變?yōu)楦唠娖?，用作輸入端口。?dāng)外部下拉為低電平， P3 口作為輸出將輸出電流 。 P3 口還具有一些特殊功能： 作串行輸入引腳； 作串行輸出引腳 ； 為外部中斷 0 引腳； 為外部中斷 1 引腳； 為定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0 外部輸入引腳； 為定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1 外部輸入； 為外部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的寫選通引腳； 為外部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀選通引腳； P3 口還能同時(shí)為編程和校驗(yàn)接收控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入引腳。要對(duì)器件進(jìn)行 復(fù)位時(shí)，必須保持 RST 引腳兩個(gè)周期的高電平。 ALE/PROG：對(duì)外部存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，該引腳鎖存地址的低位字節(jié)。進(jìn)行FLASH 編程時(shí)，此引腳為編程輸入脈沖。一般 ALE 輸出周期穩(wěn)定的正脈沖，此周期為振蕩器周期的 6 倍。所以它能為外部輸出脈沖，也可用來定時(shí)。但是作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將會(huì)跳過一個(gè) ALE 脈沖。 /PSEN： External program memory（ 外部程序存儲(chǔ)器）選通信號(hào)。在由 External program memory 取指時(shí)，一個(gè)機(jī)器周期中 /PSEN 有效兩次。但對(duì) External program memory 訪問時(shí)，將不出現(xiàn)這兩次有效的信號(hào)。 /EA/VPP： 當(dāng) /EA 為低電平期間，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，都為外部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式為“ 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）。 XTAL1：為內(nèi)部時(shí)鐘工作電路或振蕩器反相放大器提供輸入。 XTAL2：振蕩器輸出引腳。 最小系統(tǒng)由 AT89C5 12M 晶振、兩個(gè) 33pF 電容、 10K 和 1K電阻、復(fù)位開關(guān)組成。 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 12345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP313233343536373839VCC40U?P80C51FAJN33pFC1Cap33pFC2Cap12Y1XTALS1SWPB10uFC3Cap Pol110KR1Res11KR2Res1D1LED1GNDGNDVCCGNDGNDVCCVCCVCCD0D1D2D3D4D5D6D7INT0WR 圖 AT89C51的最小系統(tǒng) 上電復(fù)位是用 RC 充電來實(shí)現(xiàn)的。按鍵復(fù)位又分為：按鍵電平復(fù)位，相當(dāng)于 RST端通過電阻接高電平；按鍵脈沖復(fù)位，利用 RC 微分電路產(chǎn)生正脈沖 [4]。 圖 中電容器 C1 和 C2 起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，起電容值一般在1533pF， 本次設(shè)計(jì)采用 33pF 電容。晶振頻率的采用 6MHz 的情況比較多。內(nèi)部振蕩方式所得的時(shí)鐘信號(hào)比較穩(wěn)定，實(shí)際電路中使用比較多，本次設(shè)計(jì)采用 12M 晶體振蕩器。 時(shí)鐘電路 單片機(jī)的時(shí)鐘電路產(chǎn)生脈沖然后控制指令精準(zhǔn)的執(zhí)行。所謂單片機(jī)的時(shí)序就是CPU控制信號(hào)控制指令執(zhí)行的時(shí)間順序。單片機(jī)內(nèi)部電路只有在一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)下按時(shí)序進(jìn)行工作，才能確保各部件同時(shí)工作。 89C51 的時(shí)鐘分為外部時(shí)鐘和內(nèi)部時(shí)鐘兩種方式 [5]。 外部方式的時(shí)鐘電路如圖 。外部時(shí)鐘方式是利用外部振蕩脈沖接入 XTAL1濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 或 XTAL2。 HMOS 和 CHMOS 單片機(jī)的外部時(shí)鐘信號(hào)接入方式不同。 RXD 接地， TXD 接入外部振蕩器。外部振蕩信號(hào)無其他特殊要求，只確保脈沖寬度，因此采用頻率低于 12MHz 的信號(hào)。片內(nèi)發(fā)生器將振蕩頻率變兩分頻，產(chǎn)生一個(gè)兩相時(shí)鐘 P1 和 P2，來供單片機(jī)使用。 （ a）內(nèi)部方式時(shí)鐘電路 （ b）外部方式時(shí)鐘電路 圖 時(shí)鐘電路 復(fù)位電路 復(fù)位是對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化操作。單片機(jī)上電后，先復(fù)位，這樣的作用是使得CPU和系統(tǒng)的其他元件恢復(fù)到一個(gè)確定的初始狀態(tài)，然后從這個(gè)狀態(tài)開始工作。因此，復(fù)位是一個(gè)很重要的操作。然而單片機(jī)本身是不能進(jìn)行復(fù)位的，必須配合外部復(fù)位電路才能實(shí)現(xiàn)。 當(dāng) 89C51 通電時(shí)，時(shí)鐘電路工作，在 89C51 單片機(jī)的第 9 引腳加上大于 24 個(gè)時(shí)鐘周 期以上的脈沖，系統(tǒng)就開始進(jìn)行復(fù)位。先進(jìn)行初始化操作， PC 指向 0000H。此時(shí) P0,P1,P2,P3 口都輸出高電平，除堆棧指針寫入 07H 外，其余寄存器都被清零。RST由高變?yōu)榈碗娖胶?，系統(tǒng)指向 0000H。 單片機(jī)的外部復(fù)位有兩種方式：上電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位。 上電復(fù)位是利用 RC 充電實(shí)現(xiàn)的。如圖 （ a） ，圖中給出了復(fù)位電路的參數(shù)。上電的瞬間，由于電容兩端的電壓不能突變， RST 為高電壓，出現(xiàn)的是正脈沖，但是它的持續(xù)時(shí)間由 RC 電路的時(shí)間常數(shù)來決定。 RST 必須要有足夠的時(shí)間才能使復(fù)位有效。 按鍵手動(dòng)復(fù)位也有兩種方式： 按鍵電平和按鍵脈沖復(fù)位。如圖 （ b） 是按鍵電平復(fù)位，圖 （ c） 是按鍵脈沖復(fù)位。復(fù)位按鍵按下去之后，復(fù)位端通過小電阻與電源接通，立刻放電，使 RST 變?yōu)楦唠娖?，?fù)位按鍵彈起來后，電源通過電阻對(duì)電容重新充電， RST 引腳出現(xiàn)復(fù)位正脈沖，持續(xù)的時(shí)間取決于 RC 電路時(shí)間常數(shù)。 XTAL1 XTAL2 晶振 XTAL2 XTAL1 外部振蕩器 +5V 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 （ a）上電復(fù)位 （ b）按鍵電平復(fù)位 （ c）按鍵脈沖復(fù)位 圖 復(fù)位電路 定時(shí)器 AT89C51 單片機(jī)內(nèi)部的兩個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器都是 16 位的： T0、 T1 分別為定時(shí)器 定時(shí)器 2。兩者即可定時(shí)又能進(jìn)行外部計(jì)數(shù)。 T0 和 T1 做計(jì)數(shù)器時(shí)實(shí)際上都是進(jìn)行加 1 操作。 T0 內(nèi)部為兩個(gè) 8 位專用寄存器TH0 和 TL0， T1 是由 TH1 和 TL1 組成。用軟件對(duì)專用寄存器 TMOD 設(shè)置和 TCON控制使每個(gè)定時(shí)器工作在定時(shí)或計(jì)數(shù)或是其他可控的方式。 模數(shù)轉(zhuǎn)換 ADC0804 概述 ADC0804 是 8 位 8 通道逐次逼近式 A/D 模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換器，是將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。信號(hào)輸入端可以是傳感器或轉(zhuǎn)換器的輸出，而 ADC 轉(zhuǎn)化 的數(shù)字信號(hào)提供給微處理器應(yīng)用更加廣泛 [6]。 ADC0804 是用 CMOS 集成工藝制成的逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。輸入電壓范圍為 0～ 5V， 分辨率為 8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間 100μ s。 增加某些外部電路后，輸入模擬電壓可為 5V。該芯片內(nèi)有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當(dāng)與微處理器連接時(shí)，轉(zhuǎn)換電路的輸出無需附加邏輯接口電路就可以直接連接在 CPU數(shù)據(jù)總線上。 引腳介紹 Voc RST/Vpo Vss Vcc + C 22uF R 1K Voc RST/Vpo Vss Vcc + C 22uF 200 1K Voc RST/Vpo Vss Vcc + C 22uF 200 1K 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 V I N+6V I N7V RE F / 29CL K I N4A G ND8RD2WR3I NT R5CS1D G ND10DB 7 ( M S B )11DB 612DB 513DB 414DB 315DB 216DB 117DB 0 ( L S B )18CL K R19V C C20U1A DC08 0 4