【導(dǎo)讀】廢氣、交通工具中排放的各種氣體都在不斷地污染環(huán)境，影響我們的生存。這些氣體在帶給人們能源、生產(chǎn)生活提供方便的同時(shí)，它們本身是有毒、易燃的化。學(xué)物品，給燃?xì)馊季哂脩羯钌盥裣铝嘶馂?zāi)、中毒、爆炸的隱患。一方面人類對(duì)各種有毒?；虮ǎ斐扇松韨龊拓?cái)產(chǎn)損失。災(zāi)等事故已經(jīng)發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。到一定的警界值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，從而能夠保障人們自身和生產(chǎn)與生活的安全。氣敏傳感器及單片機(jī)是本設(shè)計(jì)的的兩大核心內(nèi)容。有適用氣體及應(yīng)用領(lǐng)域，新技術(shù)新產(chǎn)品正在成為未來(lái)氣體檢測(cè)儀器儀表的主流。目前國(guó)內(nèi)用于燃?xì)鉂舛缺O(jiān)測(cè)的也主要是這兩種氣體傳感器[1]。而且隨著現(xiàn)代電子工業(yè)的發(fā)展，電阻型氣敏傳感器的工作。為了實(shí)現(xiàn)以上功能：系統(tǒng)應(yīng)該具備氣體傳感器及其適配電路模塊、A/D轉(zhuǎn)。該傳感器己成為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的氣體傳感器。電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器依據(jù)其。材料在通過(guò)氣體時(shí)產(chǎn)生電阻，測(cè)量其形成電動(dòng)勢(shì)從而測(cè)量氣體濃度。

　　

【正文】 機(jī)的硬件進(jìn)行操作，表達(dá)和運(yùn)算能力也較強(qiáng)，許多以前只能采用匯編語(yǔ)言來(lái)解決的問(wèn)題都可以用 C 語(yǔ)言來(lái)解決?；?C 語(yǔ)言的特點(diǎn)，用 C語(yǔ)言進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)是單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的必然趨勢(shì)。 用 C 編寫程序比匯編更符合人們的思考習(xí)慣，開發(fā)者可以擺脫與硬件無(wú)必要 的接觸，更專心的考慮功能和算法而不是考慮一些細(xì)節(jié)問(wèn)題，這樣就減少了開發(fā)和調(diào)試的時(shí)間。C 語(yǔ)言具有良好的程序結(jié)構(gòu) ,適用于模塊化程序設(shè)計(jì)，因此采用 C 語(yǔ)言設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)程序時(shí)，首先要盡可能地采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法，將功能模塊化，由不同的模塊完成不同的功能，這樣可使整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)清晰，易于調(diào)試和維護(hù)，還可增強(qiáng)可讀性和移植性 [13]。 在實(shí)際單片機(jī)程序設(shè)計(jì)中，程序結(jié)構(gòu)一般均采用如下結(jié)構(gòu)： include /*頭文件說(shuō)明部份 */ unsigned char x1， x2； /*全局變量聲明部份 */ ?Function1(? ){ /*功能函數(shù)定義部份 */ ?? } main() { inti,j。 /* 整型變量聲明部份 */ Function1(?)。 /* 功能函數(shù)說(shuō)明部份 */ ??} 單片機(jī) C 語(yǔ)言與標(biāo)準(zhǔn) C 語(yǔ)言的區(qū)別 由于現(xiàn)在越來(lái)越多的產(chǎn)品都采用單片機(jī)開發(fā)，所完成的計(jì)算和控制工作也日趨復(fù) 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 26 頁(yè) 共 46 頁(yè) 雜，但是單片機(jī)系統(tǒng)是一種資源十分有限的系統(tǒng)，這主要表現(xiàn)在程序存儲(chǔ)器資源的不足，因此在程序設(shè)計(jì)時(shí)如何使用好這些有限的資源就顯得十分重要。用 C 語(yǔ)言編程雖然具有許多的優(yōu)點(diǎn)，但是生成的代碼相對(duì)要長(zhǎng)，要是編程技術(shù)不好，生成的代碼甚至有可能比匯編語(yǔ) 言生成的代碼長(zhǎng)幾倍，因此對(duì)編程者來(lái)說(shuō)，應(yīng)該注意到單片機(jī) C語(yǔ)言和一般意義上的標(biāo)準(zhǔn) C 語(yǔ)言的區(qū)別，對(duì)程序進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化。 算法設(shè)計(jì)問(wèn)題 單片機(jī) C語(yǔ)言和標(biāo)準(zhǔn) C語(yǔ)言存在著很大差別，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行 C 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)時(shí)由于不必考慮程序代碼的長(zhǎng)短，只需考慮程序功能實(shí)現(xiàn)，但是在單片機(jī)上進(jìn)行 C 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)就必須考慮系統(tǒng)的硬件資源。有時(shí)并不是程序的算法越簡(jiǎn)單、長(zhǎng)度越短越好，因?yàn)橛幸恍┧惴ㄒ{(diào)用一些內(nèi)部的子程序和函數(shù)，生成的機(jī)器代碼長(zhǎng)度非常長(zhǎng)。不同的算法對(duì)程序代碼長(zhǎng)度影響十分大，因此在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，就盡量采用程序生成代 碼短的算法，在不影響程序功能實(shí)現(xiàn)的情況下可以采用一些優(yōu)化算法。 在單片機(jī) C 語(yǔ)言編譯成機(jī)器代碼時(shí)，不同的運(yùn)算生成的機(jī)器代碼的長(zhǎng)度相差很大，盡可能地減少程序中對(duì)某種數(shù)據(jù)類型的運(yùn)算種類 ,越復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型效果越明顯。在進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)，在一定的精度范圍內(nèi)，可以用一些近似的計(jì)算來(lái)完成一些運(yùn)算 ,既不損失精度又能減少大量的代碼。比如：用邏輯 AND/amp。取模比 MOD/%操作更有效。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的分配 單片機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 只有幾百字節(jié)，如果擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器 RAM 來(lái)提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量話必將會(huì)增加了硬件成本 ,使系統(tǒng)更加 的復(fù)雜，訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器比訪問(wèn)內(nèi)部存儲(chǔ)器所需的代碼也要長(zhǎng)得多。有效地使用片內(nèi)存儲(chǔ)器、提高存儲(chǔ)器空間的利用率對(duì)開發(fā)者來(lái)說(shuō)十分關(guān)鍵。 內(nèi)部處理器、內(nèi)部堆棧、壓縮棧、所有程序變量和所有包含進(jìn)來(lái)的庫(kù)函數(shù)都將使用數(shù)量有限的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM。因?yàn)?C 語(yǔ)言采用了存儲(chǔ)器的覆蓋技術(shù)，可以在程序進(jìn)行連接時(shí) ,它將那些已經(jīng)被其它程序段釋放了的存儲(chǔ)器空間重新定義給另一個(gè)程序段的變量使用 ,當(dāng)這個(gè)程序運(yùn)行結(jié)束時(shí)再將這些存儲(chǔ)器釋放以供其它程序段使用。全局變量的作用范圍是整個(gè)程序 ,因此不能被釋放；靜態(tài)變量由于在函數(shù)的調(diào)用中專用不變 ,也不能被 釋放；只有局部變量中的動(dòng)態(tài)變量可以被釋放。 因此在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡量的使用局部變量，提高內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的使用率。在 C語(yǔ)言中程序中間結(jié)果及參數(shù)傳傳遞是通過(guò)內(nèi)部的寄存器來(lái)完成的，要是內(nèi)部的存儲(chǔ) 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 27 頁(yè) 共 46 頁(yè) 器不夠，將會(huì)給你的程序帶來(lái)許多莫名其妙的錯(cuò)誤。例如在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)語(yǔ)句不應(yīng)該太長(zhǎng)，一個(gè)長(zhǎng)語(yǔ)句可以分成多個(gè)語(yǔ)句，這樣的話可以大的減少中間變量，當(dāng)然太長(zhǎng)時(shí)就會(huì)造成臨時(shí)寄存器的不夠用，導(dǎo)致計(jì)算出錯(cuò)。 綜上所述 C語(yǔ)言具有很強(qiáng)的功能性和結(jié)構(gòu)性，可以縮短單片機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)周期，而且易于調(diào)試和維護(hù)，已經(jīng)成為目前單片機(jī)語(yǔ)言中最流行的 編程語(yǔ)言。 本設(shè)計(jì)就是運(yùn)用C 語(yǔ)言編寫的單片機(jī)應(yīng)用程序以 89C51 單片機(jī)控制采集氣體信號(hào)采集顯示及存儲(chǔ)報(bào)警。 軟件設(shè)計(jì)程序框圖 由硬件電路的設(shè)計(jì)可知，系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)主要包括初始化程序、 A/D轉(zhuǎn)換子程序、顯示子程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序及聲光報(bào)警子程序的設(shè)計(jì)。 圖 軟件設(shè)計(jì)主程序流程圖 軟件程序設(shè)計(jì) [14] 初始化子程序 所謂初始化，是對(duì)將要用到的單片機(jī)內(nèi)部部件或擴(kuò)展芯片進(jìn)行初始工作狀態(tài)設(shè)定。初始化子程序的主要工作是設(shè)置定時(shí)器的工作模式、初值預(yù)置、開中斷和打開定時(shí)器等。在本設(shè)計(jì)中，使用了 1個(gè)中斷，即 INT_T0。 INT_T0 中斷采用方式 1的工作方式，完成ADC0809時(shí)鐘信號(hào)的輸入功能。在設(shè)計(jì)中 ADC0809的 CLOCK是接在 AT89C51單片機(jī)的 是 否 系統(tǒng)初始化 調(diào)用模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序 判斷氣體濃度是否超標(biāo) 數(shù)據(jù)處理 聲光報(bào)警 調(diào)用液晶顯示子程序 調(diào)用存儲(chǔ)子程序 返回 開始 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 28 頁(yè) 共 46 頁(yè) 端口。這就要求從 輸出 CLOCK 信號(hào)供 ADC0809 使用，因此 CLOCK 信號(hào)就要用軟件來(lái)產(chǎn)生。此外，初始化程序中還使液晶初始化顯示字符串“ density” (濃度 )。 模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序 A/D 轉(zhuǎn)換子程序用來(lái)控制對(duì)輸入的模擬電壓信號(hào)的采集測(cè)量，并將對(duì)應(yīng)的數(shù)值存入相應(yīng)的內(nèi)存單元，設(shè)計(jì)中采用查詢方式。其轉(zhuǎn)換流程圖如圖： 圖 AD轉(zhuǎn)換子程序框圖 在 A/D 轉(zhuǎn)換開始之前，逐次逼近寄存器的 SAR 內(nèi)容為 0，在 A/D 轉(zhuǎn)換過(guò)程中， SAR存放“試探”數(shù)字量，在轉(zhuǎn)換完畢后，它的內(nèi)容即為 A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果數(shù)字量。邏輯控制與定時(shí)電路再 START 正脈沖啟動(dòng)后工作，每來(lái)一個(gè) CLK 脈沖，該電路就可能告知向 SAR中傳送一次試探值，對(duì)應(yīng)輸出 U0與 U1比較，確定一次比進(jìn)制，經(jīng)過(guò) 8次逼近，即可獲得最后轉(zhuǎn)換的結(jié)果數(shù)字量。此處， EOC端口的信號(hào)顯示 ADC0809 的狀態(tài)，開始 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)， EOC 為低電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，輸出高電平。 存儲(chǔ)模塊子程序 AT24C512有兩種寫入方式：一種是字寫入方式，另一種是頁(yè)寫入方式。本設(shè)計(jì)中采用字寫入方式。 字寫入方式時(shí)，通常在向 AT24C512 發(fā)送設(shè)備地址字并接到應(yīng)答信號(hào)后，還需要發(fā)送 2個(gè) 8位地址來(lái)選擇要寫數(shù)據(jù)的地址。 AT24C512接收到這個(gè)地址后會(huì)應(yīng)答一個(gè)零信號(hào)，然后接收 8 位數(shù)據(jù)進(jìn)來(lái)，并再返回一個(gè)零應(yīng)答信號(hào)。 否 是 AD 初始化 啟動(dòng) AD 轉(zhuǎn)換 AD 轉(zhuǎn)換結(jié)束 輸出結(jié)果 開始 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 29 頁(yè) 共 46 頁(yè) 圖 字寫 入操作流程 圖 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序流程圖 仿真結(jié)果 在設(shè)計(jì)中用的是 51 單片機(jī)，所以選用 Keil 軟件和 Protues 軟件來(lái)聯(lián)合仿真。其各個(gè)模塊仿真結(jié)果如下所述 [14][15] [16]。 調(diào)理電路仿真時(shí)，用滑動(dòng)變阻器代替?zhèn)鞲衅髅舾须娮鑱?lái)搭建橋式電路以獲得一定的橋路 輸出，然后連到儀用放大器輸入端，放置電壓探針來(lái)查看仿真結(jié)果，其結(jié)果如下圖所示 。 開始 發(fā)送數(shù)據(jù) 發(fā)送兩個(gè) 8 位字節(jié)地址 發(fā)送啟動(dòng)信號(hào) 地址加 2 總線初始化 存儲(chǔ)數(shù)據(jù) 返回 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 30 頁(yè) 共 46 頁(yè) 圖 調(diào)理電路仿真結(jié)果 電源部分仿真結(jié)果如下圖所示。 圖 電源部分仿真結(jié)果 單片機(jī)控制的模數(shù)轉(zhuǎn)換及顯示報(bào)警電路仿真時(shí)，在 ADC0809 的輸入端給定一個(gè)電壓信號(hào)來(lái)仿真，其結(jié)果如下所示圖。 圖 輸入電壓為 圖 輸入電壓為 度顯示 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 31 頁(yè) 共 46 頁(yè) 圖 輸入電壓為 圖 輸入電壓為 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 32 頁(yè) 共 46 頁(yè) 5 結(jié)論 在查閱各方面資料和指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下， 氣敏傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)基本完成。在設(shè)計(jì)過(guò)程中力求系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單，成本低，系統(tǒng)穩(wěn)定性高并易于使用和完善。基本完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，但是由于本人水平有限，系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍然存在很多不足和改進(jìn)之處。 本設(shè)計(jì) 以 AT89C51 單片機(jī)為核心，以氣敏傳感器檢測(cè)天然氣氣體的濃度，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后，通過(guò) AD 轉(zhuǎn)換器讀入單片 機(jī)中，單片機(jī)對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理判斷，如果質(zhì)量濃度超過(guò)預(yù)定數(shù)值，將發(fā)出聲光報(bào)警，最后再由微機(jī)控制顯示輸出氣體濃度。 通過(guò)實(shí)踐，使我對(duì) C語(yǔ)言和單片機(jī)有了新的認(rèn)識(shí)和理解，并且熟練了 Proteus和 Keil軟件的