【文章內(nèi)容簡介】 衡法兩種。壓力 /流量變化法是基于如下假設(shè)：在工況穩(wěn)定的情況下，管道出入口處的壓力或者流量的變化超過一定程度就意味著泄漏的發(fā)生。對出入口的壓力和流量進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)其變化超過預(yù)設(shè)值時就發(fā)出報警。這種方法原理和實現(xiàn)都很簡單，但是無法定位，而且誤報警率很高。 流量平衡法則是根據(jù)管道兩端出、人口流量是否平衡來檢測管道發(fā)生了泄漏，當(dāng)人口流量大于出口流量時，就可以判斷管道發(fā)生泄漏。由于管道的工況變化或嗓聲擾動也會導(dǎo)致流量不平衡現(xiàn)象，所以誤報警率較高。 以上兩種方法的原理簡單，但由于誤報警率高，而且無法定位，所以不能作為主 要的檢測方法。 由此我們可以看出單獨的硬件設(shè)計和單獨的軟件的設(shè)計完全不能夠滿足本次設(shè)計。故我們應(yīng)該選擇其他的方法來進(jìn)行設(shè)計。經(jīng)過多次的方案論證我們得出只有將硬件與軟件相結(jié)合才能實現(xiàn)設(shè)計所要求的功能。 基于軟件和硬件結(jié)合的方法設(shè)計天然氣濃度泄漏巡測 單獨的硬件設(shè)計和單獨的軟件設(shè)計不能滿足要求，基于本次設(shè)計要求我們選擇軟件和硬件結(jié)合的方式來進(jìn)行設(shè)計。通過硬件部分實現(xiàn)信號的采集與放大，通過軟硬件結(jié)合對模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后通過軟件部分對信號進(jìn)行處理，最后通過軟硬件結(jié)合進(jìn)行顯示、報警、巡 環(huán)檢測以及人機長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士論文 6 交換。該設(shè)計方案不僅滿足了濃度的顯示和超限報警，而且實現(xiàn)了巡環(huán)測試和所要求精度的要求。下圖為基于本設(shè)計要求所設(shè)計的系統(tǒng)原理框圖： 氣 敏 傳 感 器 放 大 電 路 A / D 轉(zhuǎn) 換 器單 片 機顯 示 電 路報 警 電 路 圖 系統(tǒng)原理框圖 其工作原理如下：首先，將氣敏傳感器放到天然氣檢測點進(jìn)行測量，傳感器將采集到的信號轉(zhuǎn)化為芯片可以識別的電壓信號，通過放大器的放大信號被放大到伏特級別。送入 A/D 轉(zhuǎn)換裝置，將電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入到單片機的 P 口，單片機對采集到得 信號進(jìn)行運算、校正。然后經(jīng)過單片機的傳送到八段數(shù)碼管使其濃度得以顯示。其次，當(dāng)其濃度達(dá)到預(yù)設(shè)的初值時，蜂鳴器就會發(fā)出報警的響聲以提示人們濃度已經(jīng)超標(biāo)了，必須馬上采取措施。 下面我們就其軟硬件的選擇加以論述 硬件的選擇 一．本設(shè)計的主控制器有很多的選擇，但是我們基于設(shè)計不是很復(fù)雜，開發(fā)的成本比較低，性價比，操作的難易程度等方面來考慮，我們選擇的是美國ATMEL 公司生產(chǎn)的 8 位高性能 AT89C51 單片機，其主要技術(shù)優(yōu)勢是它的內(nèi)部含有可編程的 Flash 存儲器，用戶可以很方便地進(jìn)行操作程序的擦寫，在嵌入式 控制領(lǐng)域中 AT89C51 單片機被廣泛應(yīng)用。 AT89C51 單片機與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) MCS51 系列單片機的指令組和引腳是兼容的，因而可以替代 MCS51系列單片機使用。 二．該設(shè)計主要是測試天然氣的泄露濃度及其報警，因此我們選擇 它將氣體種類及其與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號，根據(jù)這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中的存在情況有關(guān)的信息，從而可以進(jìn)行檢測、監(jiān)控、報警；還可以通過接口電路與計算機組成自動檢測、控制和報警系統(tǒng)。 氣敏傳感器的工作原理是： 聲波表面器件 的 波速和頻率會隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生漂移。氣敏傳感器就是 利用 此 性能在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附某氣體的氣敏薄膜，當(dāng)該氣敏薄膜與待測氣體相互 接觸作用 （化學(xué)作用或生物作用，或者是物理吸附），使得氣敏薄膜的膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率發(fā)生變化，引起壓電晶體的聲表面波頻率發(fā)生漂移；氣體濃度不同， 使得 膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率變化程度 也相應(yīng)長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士論文 7 的 不同， 由此 引起聲表面波頻率的變化也不同。通過測量聲表面波頻率的變化就可以準(zhǔn)確的反應(yīng)氣體濃度的變化 基于設(shè)計要求我們選擇 QMN10氣敏傳感器來檢測天然氣的濃度。它具有靈敏度高反應(yīng)快的特點。用于本次設(shè)計非常合適。 三．由于本裝置需要檢測 2個天然氣罐，而每個 氣罐上有 8個濃度監(jiān)測點，故要對 16個點采集信號，所以選用多路模擬開關(guān)。多路模擬開關(guān)的主要作用是用于切換信號，如在某一時刻接通某一路，讓該路信號輸入而讓其他路斷開，從而達(dá)到切換信號的目的。為使裝置能正常工作，我們應(yīng)該選擇性能穩(wěn)定的 8通道模擬開關(guān) CD4051，它與地址鎖存器 74LS373 和譯碼器 74LS138 組成采集電路用于對 16 個檢測點進(jìn)行信號采集。 四．運算放大電路采用斬波穩(wěn)零運算放大器 ICL7650， ICL7650 是 Intersil 公司利用動態(tài)校零技術(shù)和 CMOS 工藝制 作。 其特點是 輸入偏置電流小、增益 高、失調(diào)小、共模抑制能力強、低漂移、 高輸入阻抗、 快響應(yīng)、 穩(wěn)定的 性能及低廉的 價格等優(yōu)點。 ICL7650 其放大倍數(shù)在 100 倍以內(nèi)。 五．由于此次設(shè)計裝置要求的濃度精度為 1000ppm 所以我們采用 開關(guān)電容逐次逼近 型的 MAX187。 MAX187 是 美國 TI公司 生產(chǎn) 的 12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 其使用 開關(guān)電容逐次逼近 技術(shù)完成 A/D 轉(zhuǎn)換過程。由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省 51系列單片機 I/O 資源；且價格適中，分辨率較高，因此在儀器儀表中 被 廣泛的應(yīng) 用。 六．在濃度顯示方面的選擇也較多，我們可以采用八段數(shù)碼管顯示，也可以采用 LCD液 晶顯示屏但是我們基于硬件的成本以及編程的難易程度，在天然氣濃度顯示部分我們采用 LED 顯示，自動顯示 16個采樣點的濃度信息。并且數(shù)碼管顯示分為數(shù)碼管靜態(tài)顯示和數(shù)碼管動態(tài)顯示。所謂靜態(tài)顯示方式即是無論有多少個數(shù)碼管都處于顯示狀態(tài)。它的優(yōu)點是數(shù)碼管的亮度高無閃爍，并且軟件編程控制比較容易。缺點是需要的硬件電路比較多并且在較多數(shù)碼管時流經(jīng)的電流較大對電源的要求也相應(yīng)提高。故在硬件設(shè)計時很少使用靜態(tài)顯示方式。所謂動態(tài)顯示即是無論在任何時刻只有一個數(shù)碼管處于點亮狀態(tài)，每個數(shù)碼管輪流顯示。動態(tài)顯示的優(yōu)點是所需要的硬件電路 較為簡單，且數(shù)碼管需要的越多這個優(yōu)勢越明顯。由于每一時刻僅有一個數(shù)碼管被點亮，故需要的電流小。其缺點是數(shù)碼管的亮度不如靜態(tài)顯示的高，并且軟件程序控制比較麻煩。根據(jù)本次設(shè)計需要用到 7 個八段數(shù)碼管，故我們選擇用動態(tài)顯示方式。 七．實現(xiàn)單頻音報警的接口電路比較簡單，其發(fā)音元件可采用壓電蜂鳴器，壓電蜂鳴器的特點是：體積小、重量輕、耗電省、厚度薄、造價低廉 、 可靠性好。因 只需在其兩引線上加 3~5V 的直流電壓，就能產(chǎn)生 3KHZ 左右的蜂鳴震蕩音響，比電研式蜂鳴結(jié)構(gòu)簡單，耗電少，且更適合于在單片機系統(tǒng)之中應(yīng)用。長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士論文 8 除此之外壓電式 蜂鳴器，約需 10MA的驅(qū)動電流，可以使用 TTL系列集成電路 7406或 7407 低電平驅(qū)動，也可以使用一個晶體管三級管驅(qū)動， 八．本次設(shè)計對按鍵的要求較低，所以我們選擇 2 個按鍵用來控制起始和停止的狀態(tài)。 軟件設(shè)計 本次設(shè)計在軟件編程方面有兩種選擇 ① 用 C 語言編寫。其優(yōu)缺點如下所示：C 語言是一種結(jié)構(gòu)化的高級語言。其優(yōu)點是可讀性好，易移植，是普遍使用的一種 高級 計算機語言。缺點是占用 的各種 資源較多，執(zhí)行效率 并 沒有匯編高。 ②采用匯編語言進(jìn)行程序的編寫。 我們知道 匯編語言是一種用文字助記符來表示機器指令的符號語言，是 所有語言中 最接近機器碼的一種語言。主要優(yōu)點是 它所 占用 的 資源 較 少、程序執(zhí)行效率 很 高。但是不同的 CPU，其匯編語言可能有所差異，所以 缺點是 移植 性差 。 C 語言是一種 高級 計算機程序設(shè)計 的 語言。它既具有高級語言的特點，又具有匯編語言的特點。它 既 可以作為系統(tǒng)設(shè)計語言編寫工作 的 應(yīng)用程序，也可以作為 一種 設(shè)計語言 。根據(jù)本設(shè)計筆者選擇的是用 C 語言 編寫。 通過軟件設(shè)計實現(xiàn)對信號進(jìn)行處理結(jié)合硬件實現(xiàn)顯示報警等功能。除此之外軟件部分還實現(xiàn)抗干擾。由于溫度濕度大氣壓力等引起 的周圍環(huán)境的變化致使對濃度測試結(jié)果會產(chǎn)生影響。 抗干擾技術(shù)分為兩種：硬件抗干擾技術(shù)和軟件抗干擾技術(shù)。 系統(tǒng)硬件抗干擾設(shè)計 (1)濾波技術(shù)：①將電源變壓器的進(jìn)線段加入濾波器．以消弱瞬變噪聲干擾； ②在直流電源線和地線之間接濾波電容。用來抑制電源產(chǎn)生的噪聲。 (2)去藕電路：在印刷電路板的各個集成電路的電源線端與地線端之間配置去藕電容。 (3)屏蔽技術(shù)：屏蔽技術(shù)主要由電場屏蔽，電磁場屏蔽和磁場屏蔽三類。很多系統(tǒng)采用的是電磁場與電場屏蔽相結(jié)合的方法。主要使用低電阻材料作為屏蔽材料，把需要隔離的 部分保衛(wèi)起來。磁場 屏蔽則應(yīng)采用高導(dǎo)磁率的材料。 (4)光電隔離：在 I／ O 通道上采用光電隔離器，將單片機系統(tǒng)與各種傳感器、開關(guān)從電器上隔離開來。很大一部分于擾可被阻擋。 系統(tǒng)軟件抗干擾設(shè)計的論證 對于微機測控系統(tǒng)來說，僅僅只考慮硬件的抗干擾是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的．采取一定的軟件抗干擾措施非常必要，它不僅能降低系統(tǒng)的硬件成本。又可以充分發(fā)揮軟件的優(yōu)勢， 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士論文 9 使系統(tǒng)具有自我診斷。自我恢復(fù)的能力。本系統(tǒng)采用的軟件抗干擾措施主要有以下幾種： (1)數(shù)字濾波技術(shù)，采用數(shù)字濾波技術(shù)除去輸入信號中所摻雜的各種隨機干擾。 (2)軟件陷阱技術(shù)：當(dāng)系統(tǒng)受到外界 等各種干擾，其 PC 值可能發(fā)生變化，產(chǎn)生程序“亂飛”等各種情況，可以用軟件陷阱和看門狗將程序拉回到復(fù)位狀態(tài)。具體的講，可以在 RAM 中埋一些特定的標(biāo)志，在每次程序復(fù)位時，通過這些標(biāo)志，可以判斷復(fù)位原因并根據(jù)不同的標(biāo)志直接跳到相應(yīng)的程序。這樣可以使其程序的運行有其連續(xù)性。用戶在使用時也不是很容易察覺到程序曾經(jīng)已經(jīng)被重新復(fù)位過。 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士論文 10 第三章 硬件部分的設(shè)計 AT89C51 的片內(nèi)結(jié)構(gòu)及引腳描述 AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的高性能，低電壓 CMOS8 位單片機。片內(nèi)含 128 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）和 4K bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（ PEROM），它是根據(jù) ATMEL 公司的高密度、非易失性等特性存儲技術(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 存儲單元，功能強大的 AT89C51 單片機提供出了許多高性價比的應(yīng)用場合，可方便靈活的應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域系統(tǒng)。 AT89C51 單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 31 所示。它把這些可以作為控制應(yīng)用所必需的功能部件都集成在一個大小有限的集成電路芯片上。它由如下功能部件組成： ① 微處理器 (CPU) ② 程序存儲器 (4KB Flash ROM) ③ 數(shù)據(jù)存儲器 (RAM) ④ 4個 8位可編程并行 I/O口 (P0口、 Pl口、 P2口、 P3口 ) ⑤ 2個 16位定時器／計數(shù)器 ⑥ 1個全雙工串行口 ⑦ 特殊功能寄存器 (SFR) ⑧ 中斷系統(tǒng) 以上各功能部件通過片內(nèi)單一 總線相連接，基本的結(jié)構(gòu)依舊是傳統(tǒng)微型計算機結(jié)構(gòu)模式 — CPU加上外圍芯片。但 CPU對各功能部件的控制卻又是大為不同的。它采用的是特殊功能寄存器的集中控制方式。 下面對圖 31中的片內(nèi)各功能部件加以簡單介紹。 (微處理器 ) AT89C51單片機中有 1個 8位的 CPU，與平時通用的 CPU功能大致相同，同樣包括了運算器和控制器兩大部分，但是其增加了面向控制的位處理和位操作和位處理的功能。 (RAM) 片內(nèi)存儲器為 128B的存儲空間，片外存儲器最多可擴展為 64KB。片內(nèi) 128B的 RAM，以高速 RAM的形式集成在單片機內(nèi)部，其功能是使單片機運行的速度加快，而且這種結(jié)構(gòu)的 RAM還可以降低功耗。 (Flash ROM) 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士論文 11 程序存儲器的作用是用來存儲程序的。 AT89C51片內(nèi)集成了 4KB的 Flash存儲器，如果其片內(nèi)程序存儲器存儲的容量不夠，片外最多可外擴程序存儲器至 64KB。 4. AT89C51的中斷系統(tǒng) 單片機中的中斷是指 CPU 暫停正在執(zhí)行的當(dāng)前正在執(zhí)行的程序而轉(zhuǎn)去執(zhí)行請求CPU 為其服務(wù)的那個程序，在執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后再回到原程序繼續(xù)執(zhí) 行。中斷系統(tǒng)是指能夠處理上述中斷過程所需要的部分電路。 AT89C51 具有 5個中斷源。它們分別是兩個外部中斷源 INT0、 INT1，中斷信號從 、 引腳輸入；三個內(nèi)部中斷源：定時器 0、定時器 1 溢出中斷、串行口中斷。每個中斷源都有相應(yīng)的中斷服務(wù)程序人口地址。除此之外其還有 2級中斷優(yōu)先權(quán) ／計數(shù)器 單片機片內(nèi)共有 2個 16位的定時器／計數(shù)器。簡稱為定時器 0（ T0）和定時器 1（ T1），T0和 T1分別由兩個 8位寄存器構(gòu)成，其中 T0、 T1都是有高低八位構(gòu)成，即 T0由 TH0（高8位）和 TL0（低 8位）構(gòu)成， T1由 TH1（高 8位）和 TL1（低 8位）構(gòu)成。并且 TH0、 TL0、TH TL1都是 SFR中的特殊功能寄存器。 1個全雙工的串行口，具有 4種工作方式?？蛇M(jìn)行串行通信，擴展并行 I/O口，甚至與多個單片機相連構(gòu)成多機系統(tǒng)，從而使單片機的功能更強且應(yīng)用更廣。 7. P0 口、 P1 口、 P2 口、 P3 口 在 AT89C51 中有四個雙向并行 I/O 端口 P0~P3。每個端口都有八條輸入輸出端口