【文章內(nèi)容簡介】 的解決辦法，據(jù)有關(guān)專家介紹，使用燃氣報警器是對付燃氣的重要手段之一。燃氣泄漏或廢氣排放而大量產(chǎn)生的一氧化碳是燃氣中毒事件的根源，如采用燃氣泄漏報警器 2 就能得到及時的警示。有關(guān)部門經(jīng)長期測試同樣得出結(jié)論，燃氣報警器防止一氧化碳中毒事故發(fā)生的有效率達 95%以上。單片機在日用電子產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛，有利于 為現(xiàn)代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的設(shè)施。 研究內(nèi)容 本設(shè)計中的燃氣報警器系統(tǒng)，以單片機 89C51 為核心，選用了同步串行通信的接口芯片，可以采集最多 16 路模擬量輸入信號，并設(shè)置了 8 個開關(guān)量輸出通道，對外部設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集和超限報警處理。 利用低功耗的實時時鐘電路DS1307 提供實時的日期、時間信息。獨立式的按鍵設(shè)計和 LED 數(shù)碼管顯示器作為人 —機對話通道。通過 RS485 標(biāo)準(zhǔn)的異步串行通信接口和上位機通信，用于多機系統(tǒng)和遠距離通信。利用硬件看門狗電路（監(jiān)視器） X5045，提高系統(tǒng)可靠性。該應(yīng) 用系統(tǒng)功能齊全，性能優(yōu)越，電路簡單實用，可靠性強，不失為一個經(jīng)典的應(yīng)用實例。 燃氣報警器系統(tǒng)的總體設(shè)計的方案如下： CPU： 89C51 單片機 主頻： 數(shù)據(jù)采集： 16 通道模擬量輸入 多路選擇器： 4067（ 16 選 1 模擬開關(guān)電路） A/D 轉(zhuǎn)換器： MAX187（ 12 位串行接口 A/D 轉(zhuǎn)換器） 開關(guān)量輸出： 8 路開關(guān)量輸出，可作繼電器開關(guān)，或超限報警控制。 看門狗定時器： X5045（帶 EEPROM、上電復(fù)位、降壓管理的看門狗定時器電路）。 實時時鐘 RTC： DS1302（帶 64 字節(jié) RAM、串行實時時鐘電路）。 串行通信接口： MAX485，提供 RS485 異步串行通信標(biāo)準(zhǔn)接口，和上位機通信。 并行 I/O 接口： 8255A 并行 I/O 接口電路 顯示器： 6 位 LED 顯示器和 8 個發(fā)光二極管指示燈，由 8255A 驅(qū)動，動態(tài)掃描顯示。 鍵盤： 4 個按鍵，獨立連接的非編碼鍵盤 電源： DC+5V、 DC+12V 軟件：程序固化在 89C51 單片機中，采用匯編語言編程。 基于 89C51 單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 3 圖 89C51單片機燃氣報警器系統(tǒng)功能框圖 89 C51 gas alarm system function diagram 4 第二章 燃氣報警器 總體方案設(shè)計 燃氣報警系統(tǒng) 原理 該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是以單片機 89C51 為核心，可以采集最多 16 路模擬量輸入信號。模擬量信號可以是溫度、壓力、流量、濃度等物理量經(jīng)過傳感器、變送器變換后輸入而來。模擬信號通過同步串行 A/D 轉(zhuǎn)換器 MAX187 的轉(zhuǎn)換，量化成為 12 位精度的數(shù)字量，由單片機進行處理。處理的過程可以是數(shù)據(jù)采集，可以是數(shù)據(jù)運算和進行控制調(diào)節(jié)，也可以進行超限報警處 理等。 為了進行系統(tǒng)控制，系統(tǒng)設(shè)置了 8 個開關(guān)量輸出通道，控制繼電器來對外部設(shè)備進行控制或者進行報警處理。 系統(tǒng)利用高性能、低功耗的實時時鐘（ RTC）接口芯片 DS1307 提供實時的日期、時間信息。 單片機系統(tǒng)通過異步串行通信接口和上位機通信，通信標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換成 RS485通信接口，適于遠距離通信，并可以構(gòu)成多機系統(tǒng)，通信距離可以最遠到 1000m。 作為儀表式的系統(tǒng)，顯示器采用了最簡單的 LED 數(shù)碼管顯示，并輔以 8 個發(fā)光二極管作為指示燈。安裝了 4 個按鍵，可以進行人機對話、人為設(shè)置參數(shù)和干預(yù)系統(tǒng)的操作。 為了加強系統(tǒng)的 可靠性，面向連續(xù)運行和無人值守的環(huán)境，電路里增加了硬件看門狗（監(jiān)視器）芯片 —X5045，可以在系統(tǒng)故障停機時自動復(fù)位，保證系統(tǒng)可靠運行。 燃氣報警器設(shè)計思路 燃氣報警系統(tǒng)是能夠檢測環(huán)境中的可燃性氣體濃度，并具有報警功能的儀器，儀器的最基本組成部分應(yīng)包括：氣體信號采集電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機控制電路。 氣體信號采集電路一般由氣敏傳感器和模擬放大電路組成，將氣體信號轉(zhuǎn)化為模擬的電信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將從燃氣檢測電路送出的模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機可識別的數(shù)字信號后送入單片機。單片機對該數(shù)字信號進行處理，并 對處理后的數(shù)據(jù)進行分析，是否大于或等于某個預(yù)設(shè)值 (也就是報警限 )，如果大于則會自動啟動報警電路發(fā)出報警聲音，反之則為正常狀態(tài)。 為使報警裝置更加完善，可以在聲音報警基礎(chǔ)上，加入光閃報警，變化的光信號可以引起用戶注意，彌補嘈雜環(huán)境中聲音報警的局限。以上是根據(jù)報警器應(yīng) 5 具備的功能，提出的整體設(shè)計思路。 燃氣報警系統(tǒng)設(shè)計 根據(jù)該設(shè)計要實現(xiàn)的基本功能，設(shè)計大致應(yīng)分為信號采集放大，信號處理控制，系統(tǒng)設(shè)置報警三個部分。 (1)信號采集部分即通過氣體傳感器檢測室內(nèi)氣體濃度，將這種變化量轉(zhuǎn)化成電壓模擬量的變化，然后 通過運放進行必要的放大。 (2)信號處理部分是將采集到的模擬信號量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送入控制器進行處理，并將處理過的信號送存儲器保存和送顯示器顯示。 (3)系統(tǒng)設(shè)置報警部分是通過預(yù)定控制方式并利用蜂鳴器報警實現(xiàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確操作。 依據(jù)上面所說的的思路，得到如下一些基本的結(jié)論： (1)信號采集部分為了能準(zhǔn)確采集到氣體濃度的變化應(yīng)選用半導(dǎo)體氣體傳感器，為使其有效的監(jiān)測室內(nèi)氣體濃度，采用電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器；而放大部分使用運放進行比例和反相兩級放大 (2)信號處理部分為了實現(xiàn)精確控制，采集單片機較為合適。將模擬信號 送入 A/D 模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過處理后送存儲保存和送顯示器顯示。 該單片機應(yīng)用系統(tǒng)中大量選用了同步串行通信的接口芯片， CPU 和接口芯片間采用串行通信，大大簡化了硬件電路，減小儀器的體積。 該應(yīng)用系統(tǒng)功能齊全，性能優(yōu)越，數(shù)據(jù)采集路數(shù)多，精度高，電路簡單實用，可靠性強，并能和上位機構(gòu)成多機系統(tǒng)，是一個實用性很強的應(yīng)用系統(tǒng)。 單片機應(yīng)用系統(tǒng) 設(shè)計 一般情況下，單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計過程主要包括以下幾部分： ⑴ .總體方案的設(shè)計 ⑵ .硬件系統(tǒng)設(shè)計 ⑶ .軟件系統(tǒng)設(shè)計 ⑷ .系統(tǒng) 仿真調(diào)試 ⑸ .運行維護 設(shè)計過程列 出的這 5 個部分不是孤立的，而是相互關(guān)聯(lián)、相互依靠、互相制約的，設(shè)計過程的流程圖如 圖 所示。 6 圖 單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計過程的流程 Fig. Microputer application system design process flow 燃氣報警器 總體方案設(shè)計 應(yīng)用系統(tǒng)總體方案的設(shè)計是非常重要的環(huán)節(jié)，總體方案的優(yōu)劣直接影響后續(xù)工作的進行。因此，對于設(shè)計過程前期的這些工作不能掉以輕心，項目不可倉促上馬，要盡可能把總 體設(shè)計的工作作細，作好。 首先要根據(jù)市場需求，進行分析，提出本項目的任務(wù)。要對項目的可行性進行調(diào)研和分析，最好能提出可行性報告，作為開題的依據(jù)。據(jù)此，才可能由有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)對設(shè)計方案作出決策，或者作為和用戶簽定技術(shù)合同的基礎(chǔ)。 熟悉和了解控制對象，確定合理、可行的技術(shù)指標(biāo)。單片機作為控制核心，它所控制的對象是各種各樣的，所實現(xiàn)的控制要求也不盡相同。有些控制對象是 7 一個生產(chǎn)過程，有些控制典型是一個具體設(shè)備，如儀器儀表、家用電器；有些控制對象是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，有些控制對象是安全報警系統(tǒng)等。無論哪種應(yīng)用系統(tǒng)，作為設(shè)計者都要 對被控對象的工作過程和現(xiàn)場的要求進行深入的調(diào)研和分析，了解系統(tǒng)的控制要求，如輸入 /輸出信號的種類和數(shù)量、數(shù)據(jù)處理的數(shù)學(xué)模型、該系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境等。在調(diào)研的過程中，不僅了解應(yīng)用的要求，而且要盡可能多地了解國內(nèi)外同類產(chǎn)品的資料，加以分析對比，對要設(shè)計的系統(tǒng)有一個合理的定位。在充分調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，還要綜合考慮應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性、可維護性、產(chǎn)品的功耗、成本、經(jīng)濟效益等諸方面因素，提出一個合理、可行的技術(shù)指標(biāo)。 在方案和技術(shù)指標(biāo)基本確定的前提下，確定系統(tǒng)功能的具體實現(xiàn)形式。單片機是系統(tǒng)的核心，首先完成的是單片機的選型。 近年來單片機的發(fā)展非?？?，體現(xiàn)在以下幾個方面： 1. 運行速度的提高。單片機技術(shù)的發(fā)展不僅是主頻提高，而且一條指令的執(zhí)行周期也發(fā)展到單機器周期，使得數(shù)據(jù)處理的能力得到極大的提升。 2. 存儲技術(shù)的發(fā)展。特別是單片機片內(nèi)程序存儲器包括 MROM、 EPROM、EEPROM 和 Flash Memory 多種形式， ROM 和 RAM 的存儲容量越來越大，使得程序可以完全固化在單片機芯片中。 3. I/O 接口的多樣化。很多 I/O 的功能已被大量集成在單片機芯片里，包括模擬量輸入、開關(guān)量輸入、模擬量輸出、開關(guān)量輸出、繼電器控制信號輸出、液晶顯示器輸出 接口等。單片機也集成了各種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字通信接口，如 SPI、 I2C、單總線、 CAN 總線、 USB 總線等接口，也包括有 RS232C、 RS42 RS485 等總線接口。 4. 單片機產(chǎn)品的系列化。生產(chǎn)廠家現(xiàn)在推出的單片機產(chǎn)品已經(jīng)不再像初期那樣，產(chǎn)品型號單一，而是產(chǎn)品系列化。在單片機的核心功能不變的基礎(chǔ)上，集成不同形式、不同容量的存儲器，集成不同形式、不同數(shù)量、不同精度要求的 I/O接口，和面向不同環(huán)境應(yīng)用（臺式、儀表、便攜式、低功耗等）的產(chǎn)品。 基于這些原因，再加上成本價格、產(chǎn)品來源、開發(fā)手段、開發(fā)經(jīng)驗等的綜合考量，設(shè)計 者完全可以在眾多的單片機產(chǎn)品中選擇出一款適合該項目，能迅速開發(fā)出性能價格比高的應(yīng)用系統(tǒng)來的單片機。 進行軟件、硬件功能的劃分，是總體設(shè)計中重要的工作。劃分的合理與否，將直接影響后續(xù)的設(shè)計和開發(fā)過程。在系統(tǒng)功能指標(biāo)確定以后，確定它的具體實現(xiàn)方法，哪些功能由硬件模塊實現(xiàn)，哪些功能由軟件程序完成。硬件模塊包括微處理器、存儲器、 ASIC、 DSP、 FPGA、 I/O 接口部件，以及傳感器、電源設(shè)備、機箱等；軟件模塊包括操作系統(tǒng)、監(jiān)控程序、設(shè)備驅(qū)動程序、應(yīng)用程序等；以及兩者之間聯(lián)系的載體，如總線、固化器件、數(shù)據(jù)通道等。這個 劃分的過程是一個復(fù)雜的過程，可能會反復(fù)修改，不斷地完善和不斷迭代。而且，由于硬件模塊的 8 可編程性和軟件固化技術(shù)的發(fā)展，軟件、硬件的界限已經(jīng)不十分嚴(yán)格，具有一定的互換性。例如，系統(tǒng)的的定時，可以由片內(nèi)外的硬件定時器來實現(xiàn)，也可以通過軟件程序、中斷服務(wù)來實現(xiàn)。再如，系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理可以用硬件運算電路或 DSP來實現(xiàn)，也可以通過編寫運算程序來實現(xiàn)。在系統(tǒng)中，硬件負(fù)擔(dān)任務(wù)多，可以提高運行速度，減少程序設(shè)計工作量，加快開發(fā)周期，但是也會增加系統(tǒng)的成本和復(fù)雜程度。反之，軟件代替硬件的某些功能，可以減少成本，簡化硬件結(jié)構(gòu)，增加程 序設(shè)計的難度和工作量。在設(shè)計過程中，必須根據(jù)具體情況，結(jié)合系統(tǒng)造價、開發(fā)周期等的要求綜合考慮，進行平衡，盡可能合理地劃分出硬件和軟件兩部分的功能要求。 在以上論證、分析的基礎(chǔ)上，確定總體方案，擬定出設(shè)計任務(wù)書。特別是團隊工作時，要按照軟件工程的思想，將整個系統(tǒng)分解為若干子系統(tǒng)，分別列出子系統(tǒng)的任務(wù)書，以及軟件、硬件及它們之間的接口標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)要求，這樣會最大效率地完成系統(tǒng)的設(shè)計。 9 第三章 燃氣報警器 硬件系統(tǒng)設(shè)計 89C51 單片機介紹 單片計算機簡稱單 片機，又稱微控制器（ MCU）。它在一塊半導(dǎo)體芯片上集成了微處理器、一定容量的存儲器、輸入 /輸出接口、定時器 /計數(shù)器等電路，構(gòu)成了較完整的數(shù)字處理系統(tǒng)。單片機體積小、可靠性高、控制功能強、廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、儀表控制、網(wǎng)絡(luò)通信、汽車電子、智能家居、家用電器以及日常生活等各個領(lǐng)域。如今，可以說是無處不在，無時不在。 89C51 單片機是在 Intel 公司的 8051 基礎(chǔ)上發(fā)展的 8 位單片機。它的內(nèi)部除了一個 8 為的微處理器外，片內(nèi)還包含 128 個字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器、 21 個特殊功能寄存器（ SFR）和 4KB 的 Flash程序 存儲器；它可以尋址片內(nèi)外統(tǒng)一編址的 64KB的 RAM；片內(nèi)有 4 個 8 位并行 I/O 接口（ UART）和兩個 16 位的定時器 /計數(shù)器；有很強的中斷處理和位操作功能。 基于 89C51 的電子鐘的設(shè)計 為了深入了解單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的過程，設(shè)計一個基于 89C51 單片機控制的電子鐘的實例。 時間的概念對每個人來說都是非常重要的，計時的時鐘（鐘表）在日常生活中經(jīng)常見到，是人們工作、學(xué)習(xí)、起居不可缺少的用具。利用電子元器件數(shù)字實時顯示 “時：分：秒 ”信息，就是這里介紹的電子鐘（電子表）。 電子鐘的實現(xiàn)有多種方法，一種是采 用專用集成電路，目前市場上銷售的電子手表、電子掛鐘等多數(shù)是這種，它的優(yōu)點是集成度高、應(yīng)用方便、價格低廉。但是在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，往往也需要實時的時間信息，