【文章內(nèi)容簡介】 顯示各種狀態(tài)，并且通過按鍵進行相關的設置，超過設置界限時，進行聲光報警。得到最優(yōu)結果，本論文在總體結構上共分為5章。第一章 引言，本章介紹了室內(nèi)有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)的基礎知識及其發(fā)展。第二章 總體系統(tǒng)設計，本章介紹了本設計的設計原理和設計方案。第三章 元件選型與電路設計，本章主要介紹了本設計需要的元件以及其原理電路以及硬件設計過程。第四章 軟件工作流程及軟件編寫，本章主要介紹了本設計軟件工作的流程以及編寫的軟件。第五章 總體系統(tǒng)調(diào)試，主要介紹了對系統(tǒng)總體調(diào)試的方法與結果。 第六章 總結，對全文進行總結。2 總體系統(tǒng)方案設計本設計采用 STC89C52 單片機作為控制核心，直接利用甲醛傳感器采集室內(nèi)甲醛濃度，利用一氧化碳傳感器采集室內(nèi)一氧化碳濃度，利用煙霧傳感器來監(jiān)測煙霧的危害程序，經(jīng)過處理后直接傳給單片機，單片機綜合分析以后，送到數(shù)碼管上顯示，并且通過獨立鍵盤來設置，真題電路設計簡單，具體模塊框第 頁 共 36 頁4圖如下：圖 21 模塊框圖本設計的原理是根據(jù)51單片機的工作原理，利用各個傳感器的特性，設計相關的電路，用單片機來采集相關的各個變量，結合時鐘芯片在液晶屏上實時的顯示各種狀態(tài)，并且通過按鍵進行相關的設置，超過設置界限時，進行聲光報警。3 元件選型與電路設計 STC89C51型單片機簡介89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS8 位微第 頁 共 36 頁5處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除 100 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL 的 89C51 是一種高效微控制器，89C2051 是它的一種精簡版本。89C51 單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。89C51 總控制電路如下：圖 31 89C51 總控制電路 STC89C51 引腳功能介紹VCC：供電電壓。 　　GND：接地。 　　P0 口：P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當 P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)地址的低八位。在 FIASH 編程時，P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時，P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 　　P1 口：P1 口是一個內(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 門電流。 P1 口管腳寫入 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，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH 編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。 　　第 頁 共 36 頁6P2 口：P2 口為一個內(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 TTL 門電流，當 P2 口被寫“1” 時，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，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 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 　　P3 口：P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個TTL 門電流。當 P3 口寫入“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： 　　表 31 51 單片機 P3 口功能口管腳 備選功能 RXD 串行輸出口 TXD 串行輸入口 /INT0外部中斷0 /INT1外部中斷1 T0計時器0外部輸入 T1計時器1外部輸入 WR 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 RD 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 　　RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 　　ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，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，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置0。此時， 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，置位無效。 　　/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每第 頁 共 36 頁7個機器周期兩次/PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN 信號將不出現(xiàn)。 　 　/EA/VPP：當/EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000HFFFFH） ，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1 時，/EA 將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA 端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（VPP） 。 　　XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 　　XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。STC89C51 主要功能如下所示：與 MCS51 兼容 　　4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命：1000 寫/擦循環(huán) 　　數(shù)據(jù)保留時間：10 年 　　全靜態(tài)工作：0Hz24MHz 　　三級程序存儲器鎖定 　　128*8 位內(nèi)部 RAM 　　32 可編程 I/O 線 兩個 16 位定時器/計數(shù)器 　　5 個中斷源 　　可編程串行通道 　　低功耗的閑置和掉電模式 　　片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 [2] 系統(tǒng)的引腳接線根據(jù)其系統(tǒng)工作原理設計出如圖所示的引腳接線：第 頁 共 36 頁8圖 32 系統(tǒng)的引腳接線為了能夠實現(xiàn)使用按鍵進行設置監(jiān)測氣體的種類，我使用了 4 個按鍵，其中三個是選擇氣體傳感器，還有一個為復位按鍵。具體電路如下：圖 33 4 個按鍵根據(jù) 51 單片機的特點，我采用 晶振給單片機提供時鐘信號，兩個各加一 30pf 的電容來穩(wěn)定型號，由于 51 單片機是采用低電平復位，我又在其旁邊加了一個按鍵，便于手動復位，電路連接如圖：第 頁 共 36 頁9圖 34 手動復位由于擔心聲光報警時間過長，我在 INT1 及 INT2 接口處各加上兩個按鍵作為外部中斷以停止聲音報警及閃光報警。電路圖如下：圖 35 中斷按鍵 LED數(shù)碼管 本設計采用 4 段/位 LED 數(shù)碼管（能夠顯示 4 個 8） ，LED 數(shù)碼管（LED Segment Displays）是由多個發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內(nèi)部連接完成，只需引出它們的各個筆劃，公共電極。led 數(shù)碼管常用段數(shù)一般為 7 段有的另加一個小數(shù)點，還有一種是類似于 3 位“+1”型。位數(shù)有半位，1，2，3，4，5，6，8，10 位等等，led 數(shù)碼管根據(jù) LED 的接法不同分為共陰和共陽兩類。它們的發(fā)光原理是一樣的，只是它們的電源極性不同而已。顏色有紅，綠，藍，黃等幾種。LED 數(shù)碼管廣泛用于儀表，時鐘，車站，家電等場第 頁 共 36 頁10合。選用時要注意產(chǎn)品尺寸顏色，功耗，亮度，波長等。下面 LED 數(shù)碼管內(nèi)部引腳定義 　圖 36 引腳定義 　　每一筆劃都是對應一個字母表示 DP 是小數(shù)點. [4] 設計電路根據(jù) LED 數(shù)碼管原理設計出如圖所示的引腳接線電路如圖：圖 37 引腳接線電路 　　由于 51 單片機 P0 口內(nèi)部無上拉電阻，所以我在 P0 口外加了 1k 的上拉排阻?？傠娐穲D如下：第 頁 共 36 頁11圖 38 總電路圖因為本設計使用的模塊較多，繪制 PCB 板時使用了鋪地的接地方法，鋪地的優(yōu)點在于散熱迅速，穩(wěn)定性好，對模塊及器件有保護作用?？?PCB 圖如下：圖 39 總 PCB 圖第 頁 共 36 頁12 蜂鳴器蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、電話機、定時器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。本設計采用壓電式蜂鳴器，壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。多諧振蕩器由晶體管或集成電路構成。當接通電源后（~15V 直流工作電壓）,多諧振蕩器起振 ,輸出 ~的音頻信號，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發(fā)聲。 圖 310 蜂鳴器外形圖 設計電路根據(jù)蜂鳴器的和 LED 二極管的特性，制作出的電路圖如下：第 頁 共 36 頁13圖 311 聲光報警及電源模塊電路圖由于在總板上電源和接地接口過少，不能滿足傳感器等的需求，于是我在模塊里加入了兩排 8 腳排針?？傠娐?PCB 圖如下：圖 312 聲光報警及電源模塊總 PCB 圖 MQ2 一氧化碳傳感器模塊 MQ2 煙霧傳感器MQ2 氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。 MQ2 氣體傳感器對液化氣、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。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器。其結構和外形如圖：第 頁 共 36 頁14圖 313 MQ2 氣體傳感器外形圖圖 314 MQ2 氣體傳感器結構圖 MQ2煙霧傳感器模塊下圖為 MQ2 氣體傳感器實物圖。圖 315 MQ2 氣體傳感器模塊實物圖簡要說明：尺寸：長 32mm *寬 22mm *高 27mm 長 X 寬 X 高主要芯片：LM39ZYMQ2 氣體傳感器工作電壓：直流 5 伏第 頁 共 36 頁15特點：（1）具有信號輸出指示。（2）雙路信號輸出（模擬量輸出及 TTL 電平輸出）（3）TTL 輸出有效信號為低電平。 （當輸出低電平時信號燈亮，可直接接單片機） （4）模擬量輸出 0~5V 電壓，濃度越高電壓越高。（5）對液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度。（6）具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性（7）快速的響應恢復特性其原理圖如下：圖 316 MQ2 氣體傳感器模塊電路圖 MQ2 一氧化碳傳感器模塊 MQ7一氧化碳傳感器 MQ7 氣體傳感器的氣敏材料， 是用在清潔空氣中電導率低的二氧化錫（SnO2） 。采用高低溫循環(huán)檢測方式低溫（ 加熱）檢測一氧化碳，傳感器的電導率隨空氣中一氧化碳氣體濃度增加而增大，高溫（5 . 0 V 加熱）清洗低溫時吸附的雜散氣體。使用簡單的電路即可將電導率的變化，轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。MQ7 傳感器對一氧化碳的靈敏度高，這種傳感器可檢測多種含一氧化碳的氣體， 是一款適合多種應用的低成本傳感器。 其結構和外形如圖：第 頁 共 36 頁16圖 317 MQ7 一氧化碳傳感器外形圖圖 318 MQ7 一氧化碳傳感器結構圖 MQ7一氧化碳傳感器模塊下圖為 MQ7 一氧化碳傳感器模塊實物圖：圖 319 MQ7 一氧化碳傳感器模塊實物圖簡要說明：尺寸：長 32mm *寬 22mm *高 27mm主要芯片：LM39MQ7 氣體傳感器工作電壓：直流 5 伏第 頁 共 36 頁17特點