【文章內(nèi)容簡介】 次，數(shù)據(jù)保存時(shí)間為十年。它與 MCS51 系列單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替 MCS51 系列單片機(jī)，而且能使系統(tǒng)具有許多 MCS51 系列產(chǎn)品沒有的功能。AT89C51 可構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積 , 增加系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)成本。只要程序長度小于 4k, 四個(gè) I/O 口全部提供給用戶?？捎?5V 電壓編程，而且擦寫時(shí)間僅需 10 毫秒 , 僅為 8751/87C51 的擦除時(shí)間的百分之一，與 8751/87C51的 12V 電壓擦寫相比 , 不易損壞器件 , 沒有兩種電源的要求，改寫時(shí)不拔下芯片，適合許多嵌入式控制領(lǐng)域。工作電壓范圍寬 ～ 6V，全靜態(tài)工作，工作頻率寬，在 024MHz 內(nèi) , 比 8751/87C51 等 51 系 6MHz12MHz 更具靈活性，系統(tǒng)能快能慢。 AT89C51 芯片提供三級程序存儲(chǔ)器加密 , 提供了方便靈活而可靠的硬加密手段 , 能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。另外 ,AT89C51 還具有 MCS51系列單片機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)。 128 8 位內(nèi)部 RAM, 32 位雙向輸入輸出線 , 兩個(gè)十六位定時(shí)器 /計(jì)時(shí)器 , 5 個(gè)中斷源 , 兩級中斷優(yōu)先級 , 一個(gè)全雙工異步串行口及時(shí)鐘發(fā)生器等。另外， AT89C51 有間歇和掉電兩種工作模式。間歇模式是由軟件來設(shè)置的 , 當(dāng)外圍器件仍然處于工作狀態(tài)時(shí) , CPU 可根據(jù)工作情況適時(shí)地進(jìn)入睡眠狀態(tài) , 內(nèi)部 RAM 和所有特殊的寄存器值將保持不變。這種狀態(tài)可被任何一個(gè)中斷所終止或通過硬件復(fù)位。掉電模式是 VCC 電壓低于電源下限 , 振蕩器停振 , CPU 停止執(zhí)行指令。該芯片內(nèi) RAM 和特殊功能 寄存器值保持不變 , 直到掉電模式被終止。只有VCC 電壓恢復(fù)到正常工作范圍而且在振蕩器穩(wěn)定振蕩后，通過硬件復(fù)位、掉電模式可被終止。 采樣單元 的設(shè)計(jì) 瓦斯傳感器是煤礦重要的安全儀器 , 國外從 30 年代開始研究開發(fā)氣體傳感器。過去氣體傳感器主要用于煤氣、液化石油氣、天然氣及礦井中的瓦斯氣體的檢測與報(bào)警，目前需要檢測的氣體種類由原來的還原性氣體 (H2,C4H10,CH4)等擴(kuò)展到毒性氣體(CO,NO2,H2S,NO,NH3,PH3)等。 在本設(shè)計(jì)中瓦斯檢測采用電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器作為檢測元件。與其他類型的瓦斯傳感器相比，其優(yōu)點(diǎn)是在測爆炸范圍內(nèi)的可燃性氣體精度高，受背景氣體、濕度、氣壓影響小，輸出信號(hào)大，成本底，制作方便。 電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器是通過檢測氣敏元件隨氣體含量的變化情況而工作的。主要使用金屬氧化物陶瓷氣敏材料。隨著近年來復(fù)合金屬氧化物、混合金屬氧化物等新型材料的研究和開發(fā)，大大提高了這種氣體傳感器的特性和應(yīng)用范圍。 氣體采樣單元如圖 4 所示。 氣體的采樣方法直接影響傳感器的響應(yīng)時(shí)間。目前，氣體的采樣方式主要是通過簡單擴(kuò)散法，或是將氣體吸入檢測器。它由采樣電壓轉(zhuǎn)換、小信號(hào)放大及 A/D 轉(zhuǎn)換三部分組成。其中，將氣體轉(zhuǎn)化為電量的氣體電壓轉(zhuǎn)換由氣敏傳感器 氣敏電阻實(shí)現(xiàn)，小信號(hào)放大由橋式放大電路實(shí)現(xiàn)， A/D 轉(zhuǎn)換選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC0809， 7 將采集到的氣體濃度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為 AT89C51 能夠處理的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。 圖 4 氣體采樣單元 氣敏傳感器采用 MQ7 型。因氣體傳感器的基本特征，即靈敏度、選擇性以及穩(wěn)定性等，主要通過材料的選擇來確定。所以選擇適當(dāng)?shù)牟?料和開發(fā)新材料，使氣體傳感器的敏感特性達(dá)到最優(yōu)。 穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是指傳感器在整個(gè)工作時(shí)間內(nèi)基本響應(yīng)的穩(wěn)定性，取決于零點(diǎn)漂移和區(qū)間漂移。零點(diǎn)漂移是指在沒有目標(biāo)氣體時(shí)，整個(gè)工作時(shí)間內(nèi)傳感器輸出響應(yīng)的變化。區(qū)間漂移是指傳感器連續(xù)置于目標(biāo)氣體中的輸出響應(yīng)變化，表現(xiàn)為傳感器輸出信號(hào)在工作時(shí)間內(nèi)的降低。理想情況下，一個(gè)傳感器在連續(xù)工作條件下，每年零點(diǎn)漂移小于 10%。 靈敏度 靈敏度是指傳感器輸出變化量與被測輸入變化量之比，主要依賴于傳感器結(jié)構(gòu)所使用的技術(shù)。大多數(shù)氣體傳感器的設(shè)計(jì)原理都采用生物化學(xué)、電化學(xué)、 物理和光學(xué)。首先要考慮的是選擇一種敏感技術(shù)，它對目標(biāo)氣體的閥限制 (TLVthreshold limit value)或最低爆炸限 (LELlower explosive limit)的百分比的檢測要有足夠的靈敏性。 選擇性 選擇性也被稱為交叉靈敏度?？梢酝ㄟ^測量由某一種濃度的干擾氣體所產(chǎn)生的傳感器響應(yīng)來確定。這個(gè)響應(yīng)等價(jià)于一定濃度的目標(biāo)氣體所產(chǎn)生的傳感器響應(yīng)。這種特性在追蹤多種氣體的應(yīng)用中是非常重要的，因?yàn)榻徊骒`敏度會(huì)降低測量的重復(fù)性和可靠性，理想傳感器應(yīng)具有高靈敏度和高選擇性。 單片機(jī) 控制單元 的設(shè)計(jì) 按鍵電路 8 按鍵電路如圖 5 所示。 鍵盤分編碼鍵盤和非編碼鍵盤。鍵盤上閉合鍵的識(shí)別由專用的硬件編碼器實(shí)現(xiàn)，并產(chǎn)生鍵編碼號(hào)或鍵值的稱為編碼鍵盤，如計(jì)算機(jī)鍵盤；而靠軟件編程來識(shí)別的稱為非編碼鍵盤；在單片機(jī)組成的各種系統(tǒng)中，用的最多的是非編碼鍵盤。非編碼鍵盤有分為：獨(dú)立鍵盤和行列式（又稱為矩陣式）鍵盤。 因所需的按鍵數(shù)目不多，所以采用獨(dú)立按鍵，為了更好的區(qū)分按下的是哪一個(gè)按鍵，在每個(gè)按鍵按下時(shí)相應(yīng)發(fā)光二極管亮。 圖 5 按鍵電路如圖 顯示電路 顯示電路采用數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管顏 色鮮艷，視覺效果好，顯示電路如圖 6 所示。 LED 顯示器工作方式有兩種：靜態(tài)顯示方式和動(dòng)態(tài)顯示方式。 靜態(tài)顯示的特點(diǎn)是每個(gè)數(shù)碼管的段選必須接一個(gè) 8 位數(shù)據(jù)線來保持顯示的字形碼。當(dāng)送入一次字形碼后，顯示字形可一直保持，直到送入新字形碼為止。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是占用 CPU 時(shí)間少，顯示便于監(jiān)測和控制。缺點(diǎn)是硬件電路比較復(fù)雜，成本較高。 動(dòng)態(tài)顯示的特點(diǎn)是將所有位數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，由位選線控制是哪一位數(shù)碼管有效。這樣一來，就沒有必要每一位數(shù)碼管配一個(gè)鎖存器，從而大大地簡化了硬件電路。選亮數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。所謂動(dòng) 態(tài)掃描顯示即輪流向各位數(shù)碼管送出字形碼和相應(yīng)的位選，利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺暫留作用，使人的感覺好像各位數(shù)碼管同時(shí)都在顯示。動(dòng)態(tài)顯示的亮度比靜態(tài)顯示要差一些，所以在選擇限流電阻時(shí)應(yīng)略小于靜態(tài)顯示電路中的。 工作原理：單片機(jī) P0 口低 4 位作為數(shù)據(jù)輸出口， P05P07 為位選信號(hào)，數(shù)據(jù)送給7447 翻譯成 7 段數(shù)碼信號(hào)，顯示在數(shù)碼管上，位選信號(hào)經(jīng)過 74138 編碼后，再經(jīng) 8 個(gè)三極管組成反相器組送給共陰極數(shù)碼管的位選端，作為位控制信號(hào)。這樣就可以控制在哪一個(gè)位上面顯示什么樣的數(shù)了。 9 圖 6 顯示電路 數(shù)碼管原理： 7 段數(shù)碼管是由 7 個(gè)獨(dú)立的二極管采用共陰或共陽的方法連接而成。通常將這 7 個(gè)獨(dú)立的二極管做成 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g 這 7 個(gè)筆劃。數(shù)碼管顯示原理圖如圖 6 所示。 a bcdegGNDfdpGNDabcefgd dpabcdefgdpdpgfedcba＋ 5V（a ） （b ） 圖 7 數(shù)碼管顯示原理圖 通過一個(gè) 7 位的二進(jìn)制電平信號(hào)就可以顯示出想要的結(jié)果。例如，點(diǎn)亮二極管 b、c，數(shù)碼管將會(huì)顯示數(shù)字 1，點(diǎn)亮 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g，數(shù)碼管將會(huì)顯示數(shù)字 0。所以，數(shù)碼管的顯示需要有 7 根連線。 顯示數(shù)字對應(yīng)的二進(jìn)制電平信號(hào) 如表 1 所示。 10 表 1 顯示數(shù)字對應(yīng)的二進(jìn)制電平信號(hào) 顯示 數(shù)字 a b c d e f g 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 2 1 1 0 1 1 0 1 3 1 1 1 1 0 0 1 4 0 1 1 0 0 1 1 5 1 0 1 1 0 1 1 6 0 0 1 1 1 1 1 7 1 1 1 0 0 0 0 8 1 1 1 1 1 1 1 9 0 0 0 1 1 0 1 然而，在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中，由處理器完成譯碼功能再輸出一個(gè) 7 位的二進(jìn)制信號(hào)是非常浪費(fèi)空間和影響效率的。因此，電子工程師一般采取用 7 段數(shù)碼管 與譯碼器相結(jié)合的方法來解決這個(gè)問題。 調(diào)節(jié)執(zhí)行單元 的設(shè)計(jì) 調(diào)節(jié)執(zhí)行單元如圖 8 所示。采用實(shí)時(shí)控制的方法，在主機(jī) AT89C51 的 口輸出控制信號(hào)，由光耦 MOC3041（光電耦合器）和可控硅 SCR 組成。其中光電耦合器 MOC3041的作用是將單片機(jī)系統(tǒng)與可控硅 SCR 電路隔開，避免在高壓過程中的干擾信號(hào)影響單片機(jī)的運(yùn)行；可控硅 SCR 的作用是相當(dāng)于一個(gè)固態(tài)的觸點(diǎn)，使之有能力開啟或關(guān)斷電機(jī)，從而控制風(fēng)扇通斷，以實(shí)現(xiàn)對