【導(dǎo)讀】各作業(yè)場(chǎng)所中測(cè)量空氣中的瓦斯?jié)舛?。儀器由CPU、敏感元件、A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示電路、報(bào)警電路等組成。性好，是一種電路設(shè)計(jì)新穎、參數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確、操作方便的礦用瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控儀。

　　

【正文】 ： P0/P1/P2/P3 是 準(zhǔn)雙向口 /弱上拉， P0 口是漏極開路輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時(shí)，需加上 拉電河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 28 阻。 7） ISP（在系統(tǒng)可編程） /IAP（在應(yīng)用可編程），無(wú)需專用 編程器 ，無(wú)需專用 仿真器 ，可通過串口（ RxD/,TxD/）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片 8） 具有 EEPROM 功能 9） 共 3 個(gè) 16 位 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。即 定時(shí)器 T0、 T T2 10）外部中斷 4 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路， Power Down 模式可由外部中斷低電平觸發(fā) 中斷方式 喚醒 11） 通用異步 串行口 （ UART），還可用定時(shí)器 軟件 實(shí)現(xiàn)多個(gè) UART 12） 工作溫度范圍： 40～ +85℃ （工業(yè)級(jí)） /0～ 75℃ （商業(yè)級(jí)） 13） PDIP 封裝 STC89C52 工作模式 1）掉電模式：典型功耗 A,可由外部中斷喚醒，中斷返回后，繼續(xù)執(zhí)行原程序 2）空閑模式：典型功耗 2mA 3）正常工作模式：典型功耗 4Ma～ 7mA STC89C52I/O 口復(fù)用功能說明 、 和 P3 口都有復(fù)用功能，具體功能參照表 39。 表 39 、 和 P3 口復(fù)用功能 引腳號(hào) 功能特性 T2(定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 外部輸入 )，時(shí)鐘輸出 T2EX（定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 捕獲重裝觸發(fā)和方向控制） RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） INT0 (外部中斷 0)錯(cuò)誤 !未定義書簽。 INT1 (外部中斷 1) T0（定時(shí)器 0 的外部輸入） T1（定時(shí)器 1 的外部輸入） 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 29 續(xù)表 39 WR (外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 ) RD (外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 ) 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 30 4 軟件設(shè)計(jì) 概述 根據(jù)軟件功能要求，將系統(tǒng)軟件分成若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分。各功能程序?qū)嵭心K化、子程序化。既便于調(diào)試、鏈接，又便于移植、修改。在編寫應(yīng)用軟件之前，應(yīng)繪制出程序流程圖。這不僅是程序設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，而且是決定成敗的關(guān)鍵部分。 本設(shè)計(jì)中程序共有六個(gè)子函數(shù)組成，這樣做的目的是使各個(gè)模塊在調(diào)試的過程中不受其他模塊的影響，從而使得設(shè)計(jì)工作能夠簡(jiǎn)單有效的進(jìn)行。最終協(xié)調(diào)整個(gè)程序的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的功能。 系統(tǒng)流程圖 系統(tǒng)流程框圖如圖 41 所示。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 31 開 始初 始 化信 號(hào) 采 集A / D 轉(zhuǎn) 換數(shù) 據(jù) 處 理是 否 超 過 設(shè)定 值聲 光 報(bào) 警顯 示 濃 度是否 本課題設(shè)計(jì)思路；利用軟硬件進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后用瓦斯傳感器采集瓦斯?jié)舛?，采集到的信?hào)時(shí) 05v 電壓，利用軟件把瓦斯?jié)舛群碗妷宏P(guān)系制成數(shù)據(jù)表格放進(jìn) CPU 的程序存儲(chǔ)器中。 ADC0809 根據(jù)數(shù)據(jù)表格把電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)的瓦斯?jié)舛绒D(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，然后通過軟件編程把瓦斯?jié)舛蕊@示在液晶顯示屏上。再把實(shí)時(shí)采集到的瓦斯?jié)舛扰c設(shè)置的報(bào)警上限值進(jìn)行比較，如果大于設(shè)置的上限值，用軟件控制聲光報(bào)警，如果不大于，只顯示當(dāng)前瓦斯?jié)舛?，不?bào)警。 該設(shè)計(jì)采用濃度單位為 ppm，是百萬(wàn)單位 氣體所含被測(cè)氣體數(shù)量。 圖 4 1 系統(tǒng)流程圖 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 32 各子函數(shù)的設(shè)計(jì) 初始化 本設(shè)計(jì)初始化程序有兩個(gè)，分別是系統(tǒng)初始化和 1602a 初始化。系統(tǒng)初始化主要進(jìn)行選擇中斷方式，開中斷，開定時(shí)器的工作。各個(gè)單片機(jī)程序都有此項(xiàng)內(nèi)容，在此不再贅述。 1602a 的初始化過程主要進(jìn)行顯示設(shè)置和屏幕清零，一般運(yùn)用 1602a 都會(huì)進(jìn)行三次清零，本設(shè)計(jì)只進(jìn)行一次。 1602a 初始化的過程中主要進(jìn)行的是顯示“ The ppm is”。這個(gè)過程和數(shù)碼管顯示是一樣的，要求將光標(biāo)放在第一行，并且光標(biāo)進(jìn)行逐個(gè)字符的移動(dòng)，從而顯示數(shù)組中的各個(gè)字符。 1602a 顯示 更加接近于面向?qū)ο?，?要將要顯示的字符置于要顯示的位置，不需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 單獨(dú)也為函數(shù)以后要放在 while 循環(huán)外邊，這樣可以防止閃爍。 信號(hào)采集 信號(hào)采集運(yùn)用 MQ5。由于 MQ5 氣敏元件可以直接把氣體濃度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào) 。有圖 39 可知， MQ5 的輸出電壓在 05V 之間，而 ADC0809 可以轉(zhuǎn)化的電壓信號(hào)在015V 之間，所以 MQ5 與 ADC0809 是可以配合使用的。使用時(shí)只需將 MQ5 模塊輸出直接與 ADC0809 輸入口相連就可以了。 在實(shí)際應(yīng)用中， MQ5 傳感器的靈敏度需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整， A/D 轉(zhuǎn)換 A/D 轉(zhuǎn)換用 ADC0809,它 是 8 位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片也就是說精度是 1/256， 8 位輸出變化位 00000000~11111111 當(dāng)為全零時(shí) 表示輸入為 0V 當(dāng)為全 1 時(shí)表示輸出為參考電壓最大值也就是說輸出數(shù)碼每變化 1 電壓變化參考電壓的 1/256。 本設(shè)計(jì)所用的參考電壓是 5V。 A/D 轉(zhuǎn)換要有時(shí)鐘信號(hào)輸入 CLK 使轉(zhuǎn)換可以順利進(jìn)行。在本設(shè)計(jì)中時(shí)鐘信號(hào)通過軟件 定時(shí)器 產(chǎn)生，這樣可以少用一個(gè)元件。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 33 數(shù)據(jù)處理 由于本設(shè)計(jì)所用的電壓比較小，而使用的單位為 ppm，直接顯示的話所顯示的數(shù)據(jù)與實(shí)際相差太大 ，所以在顯示時(shí)要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 在實(shí)際運(yùn)用中 得到的數(shù)據(jù)乘以 256 在除以 51，這是為了防止溢出。之所以乘以 256，是因?yàn)橹苯语@示的并非是電壓值，其具體顯示數(shù)值參照表 32。 在數(shù)據(jù)處理中還要進(jìn)行數(shù)值的判斷，當(dāng)濃度達(dá)到報(bào)警上限時(shí)要報(bào)警。 顯示函數(shù) 本設(shè)計(jì)采用的是 1602a 液晶顯示模塊。 1602a 液晶顯示要對(duì)光標(biāo)進(jìn)行定位，所以需要有寫指令函數(shù)，其主要功能就是對(duì)光標(biāo)進(jìn)行定位。其次需要有寫數(shù)據(jù)函數(shù)，主要功能是顯示字符。 在程序中這兩個(gè)函數(shù)被反復(fù)調(diào)用，每顯示一個(gè)字符就要調(diào)用一次。為了程序調(diào)試方便運(yùn)行流暢，將寫指令函數(shù)與寫數(shù)據(jù)函數(shù)都放在一個(gè)顯示函數(shù)中。這樣做的目的是在調(diào)試過程中可以分塊調(diào)試， 保證調(diào)試效率。 報(bào)警函數(shù) 報(bào)警采用聲光報(bào)警，在程序中體現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理過程中。在此過程中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，達(dá)到報(bào)警時(shí)直接報(bào)警。此函數(shù)代碼較小，所以不必單獨(dú)寫為一個(gè)函數(shù)，并且在數(shù)據(jù)處理中進(jìn)行此過程可以使用同一變量，反而簡(jiǎn)單。 編程語(yǔ)言的選擇 隨著單片機(jī)不斷發(fā)展，編程語(yǔ)言也不斷發(fā)展。目前比較流行的是匯編語(yǔ)言編程和 C語(yǔ)言編程。而 C51 是在標(biāo)準(zhǔn) C 的基礎(chǔ)上，根據(jù)單片機(jī)存儲(chǔ)器硬件結(jié)構(gòu)及內(nèi)部資源，擴(kuò)展了相應(yīng)的數(shù)據(jù)類型和變量。 C51 在語(yǔ)法規(guī)定、程序結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方法上，都與標(biāo)準(zhǔn) C 相同。 C 語(yǔ)言是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ ANSI）制定的編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)， 1987 年 ANSI 公布 87 ANSI C，即標(biāo)準(zhǔn) C 語(yǔ)言。 Keil C51 語(yǔ)言是在 ANSI C 的基礎(chǔ)上針對(duì) 51 單片機(jī)的硬件特點(diǎn)進(jìn)行的擴(kuò)展，并向 51 單片機(jī)上移植，經(jīng)過多年努力， C51 語(yǔ)言已經(jīng)成為公認(rèn)的高效、簡(jiǎn)潔而又貼近 51 單片機(jī)硬件的實(shí)用高級(jí)編程語(yǔ)言。 用 C51 進(jìn)行單片機(jī)軟件開發(fā)，有如下優(yōu)點(diǎn)： 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 34 （ 1）可讀性好。 C51 語(yǔ)言程序比匯編語(yǔ)言程序的可讀性好，因而編程效率高，程序便于修改。 （ 2）模塊化開發(fā)與資源共享。用 C51 開發(fā)出來的程序模塊可以不經(jīng)修改，直接被其他項(xiàng)目所用，這使得開發(fā)者能夠很好地利用已有的大量的標(biāo)準(zhǔn) C 程序資源與豐富的庫(kù)函數(shù)，減少重復(fù)勞動(dòng)。 （ 3）可移植性好。為某種型號(hào)單片機(jī)開發(fā)的 C 語(yǔ)言程序，只需將與硬件相關(guān)之處和編譯連接的參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)修改，就可以方便地移植到其他型號(hào)的單片機(jī)上。例如，為51 單片機(jī)編寫的程序通過改寫頭文件以及少量的程序行，就可以方便地移植到 PIC 單片機(jī)上。 （ 4）代碼效率高。當(dāng) 前較好的 C51 語(yǔ)言編譯系統(tǒng)編譯出來的代碼效率只比直接使用匯編語(yǔ)言低 20%左右，如果使用優(yōu)化編譯選項(xiàng)，效果會(huì)更好。 因?yàn)?Keil C51 具有很大的優(yōu)點(diǎn)，我們最終選擇 Keil C51 進(jìn)行進(jìn)行編程。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 35 5 protues 仿真 在 protues 中沒有蜂鳴器的仿真模型，但是蜂鳴器給一個(gè) 5V 電壓就可以發(fā)聲，所以仿真中不加入蜂鳴器，同時(shí) MQ5 用電源加滑動(dòng)變阻器的方式進(jìn)行仿真。 其中仿真中采用添加網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)的方式，這樣可以使整個(gè)仿真圖顯的整潔簡(jiǎn)單易懂。 氣體濃度單位采用 ppm，為沒百萬(wàn)單位清潔空氣中被測(cè)氣體所含單位量。我 國(guó)煤礦在瓦斯?jié)舛瘸^ 1%時(shí)就采取措施，所以當(dāng)氣體濃度為 10000ppm 時(shí)就報(bào)警。 圖 51，總體仿真電路。 未達(dá)到報(bào)警時(shí)綠燈亮，紅燈滅，如圖 52。 圖 51 總體設(shè)計(jì)圖 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 36 達(dá)到報(bào)警濃度時(shí)，紅燈亮，綠燈滅，如圖 44。 圖 52 未達(dá)到報(bào)警時(shí)效果 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 37 程序見附錄 圖 53 達(dá)到報(bào)警時(shí)效果 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 38 總結(jié) 與展望 總結(jié) 本次設(shè)計(jì)是以 STC89C52 單片 CPU 為核心，采用高精度敏感元件 MQ5， A/D 轉(zhuǎn)換模塊 ADC0809，液晶顯示屏 LCD1602A，是一種電路設(shè)計(jì)新穎，參數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確，操作方便的瓦斯?jié)舛葓?bào)警監(jiān)控儀。設(shè)計(jì)能方便地觀測(cè)瓦斯含量。它是一種新型的 煤礦 安全監(jiān)控報(bào)警設(shè)備。 本文所做的工作有： (1)完成了瓦斯?jié)舛葯z測(cè) 報(bào)警設(shè)備 的整體構(gòu)思和設(shè)計(jì)。 (2)各部分元器件的選擇。使用單片機(jī) STC89C52 作為控制芯片，利用 瓦斯 氣體傳感器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、顯示電路、報(bào)警電路構(gòu)成系統(tǒng)，在各部分的元器件的選擇中本著高性能、低成本的原則，按照設(shè) 計(jì)要求做出選擇。 (3)各個(gè)子系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)的子系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)處理單元、報(bào)警單元、顯示單元等。各子系統(tǒng)采用 STC89C52 單片機(jī)來作為控制部件，協(xié)調(diào)各部分完成規(guī)定的任務(wù)，按照各部分的 要求 設(shè)計(jì)好電路圖，最后將各部分連在一起形成一個(gè)整體。 (4)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行論證。一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，論證過程的必不可少的部分。首先對(duì)各系統(tǒng)的電路圖連接方式和元器件的選擇進(jìn)行論證，看能否實(shí)現(xiàn)其相對(duì)應(yīng)的功能，有不妥當(dāng)?shù)牡胤郊右孕薷?，以完?該 設(shè)計(jì)。其次是軟件部分的程序流程圖的論證，看是否正確，是否可行， 不正確 要予 以更正。 通過這次 畢業(yè)設(shè)計(jì) ，學(xué)會(huì)了如何運(yùn)用已學(xué)的知識(shí)來完完整整地設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)， 使我對(duì)單片機(jī)的原理及應(yīng)用有了更深的理解。到此我的畢業(yè)設(shè)計(jì)也接近尾聲了，順利完成這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，對(duì)我個(gè)人來說也是一次挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)完之后感覺自己的思維方式更加完善，考慮問題的方法也在不知不覺中有了很大的提高。 展望 本設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中還存在一下幾個(gè)缺點(diǎn)。 （ 1）信號(hào)采集電路只有一路輸入，在實(shí)際應(yīng)用中這種設(shè)計(jì)存在較大的誤差。 （ 2）本設(shè)計(jì)在瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時(shí)只有報(bào)警設(shè)計(jì)，沒有通風(fēng)設(shè)計(jì)。 （ 3）本設(shè)計(jì)只有濃度顯示與報(bào)警，實(shí)際中溫度也是一個(gè)安全隱患，但是本設(shè)計(jì)沒有溫度檢測(cè)。 （ 4）當(dāng)瓦斯監(jiān)測(cè)用于井下時(shí)，要有防爆裝置，本設(shè)計(jì)缺少防爆裝置。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 39 針對(duì)以上問題可以提出如下改進(jìn)方式。 （ 1） 設(shè)計(jì) 34 路信號(hào)輸入，這樣既保證了測(cè)得的濃度準(zhǔn)確，又可以擴(kuò)大檢測(cè)范圍。 （ 2）在瓦斯?jié)舛冗_(dá)到報(bào)警值時(shí)自動(dòng)開啟通風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)。 （ 3）加入溫度檢測(cè)裝置，檢測(cè)溫度。當(dāng)溫度達(dá)到危險(xiǎn)時(shí)進(jìn)行報(bào)警和降溫處理。 （ 4）為設(shè)計(jì)加入防爆裝置。 （ 5）加入遠(yuǎn)程報(bào)警裝置。 接下來的目標(biāo)就是使設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)如上所述的功能，使設(shè)計(jì)功能更加完善。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 40 致謝 在做此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，我得到了上 ****老師的精心指導(dǎo)，正是在 **老師指導(dǎo)下明確了自己的研究方向和研究方法，使得最終的設(shè)計(jì)能夠順利的完成。 **老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)風(fēng)范、敏銳的開拓思維和勇于創(chuàng)新的精神將使我終身受益。從指導(dǎo)老師身上我不僅學(xué)到了扎實(shí)、寬廣的專業(yè)知識(shí)，也學(xué)到了做人的道理。在此我要向我的指導(dǎo)老師 **老師致以衷心的感謝和崇高的敬意！在此再次感謝 **老師和同學(xué)們的幫助，感謝培養(yǎng)我四年的學(xué)校。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 41 參考書目 [1]余發(fā)山，王福忠 .單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù) [M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社， [2]楊寧，胡學(xué)軍 .單片機(jī)與控制技術(shù) [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2020 [3]王幸之 ,鐘愛琴 ,王雷 ,王閃 .AT89 系列單片機(jī)原理與接口技術(shù) [M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社 ,2020 [4]張毅剛 .單片機(jī)原理及應(yīng)用 .北京：高等教育出版社， 2020 [5]張毅剛 .MCS51 單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì) .哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 1990 [6]徐君毅等。單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用。上海 :上?？茖W(xué)技術(shù)出版社， 1988 [7]涂時(shí)亮 .單片機(jī)軟件技術(shù)設(shè)計(jì) .重慶 :科學(xué)文獻(xiàn)出版社， 1987 [8]陳粵初等 .單片 機(jī)應(yīng)