【導(dǎo)讀】各作業(yè)場(chǎng)所中測(cè)量空氣中的瓦斯?jié)舛取x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】 聲光報(bào)警電路 聲光報(bào)警電路如圖 317 聲光報(bào)警電路由蜂鳴器，發(fā)光二級(jí)管（紅、綠）， 470?上拉電阻組成，共用一個(gè)地，圖 3 12 聲光報(bào)警電路 圖 3 11 顯示電路 29 且直接與單片機(jī) I/O 口相連。當(dāng)濃度超過(guò)設(shè)定值時(shí)蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警，紅色發(fā)光二極管發(fā)光，綠色發(fā)光二極管滅。在氣體濃度水平未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，綠色發(fā)光二極管發(fā)光，紅色滅，蜂鳴器不發(fā)聲。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 如圖 318，是單片機(jī)最小系統(tǒng)，由四個(gè)部分組成： 時(shí)鐘電路 XTAL1：芯片內(nèi)部震蕩電路輸入端 XTAL2：芯片內(nèi)部震蕩電路輸出端 XTAL1 和 XTAL2 是獨(dú)立的輸入和輸出反相反放大器，它可以被分配為使用石英晶振的片內(nèi)震蕩器，或者器件由外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。 復(fù)位電路 在單片機(jī)中復(fù)位電路非常重要，當(dāng)程序跑飛（運(yùn)行不正常）或者死機(jī)（停止運(yùn)行）時(shí)，就需要進(jìn)行復(fù)位。 GNDVCC30pFC?Cap30pFC?Cap12Y?XTALXTAL1XTAL210uFC?CapGND10kR?Res2S?SWPBRSTP0P1P2P3圖 3 13 單片機(jī)最小系統(tǒng) 30 MCS51 系列單片機(jī)的復(fù)位引腳 RST 出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就進(jìn)行復(fù)位操作。如果 RST 為持續(xù)高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。 單片機(jī)概述 本設(shè)計(jì)采用 STC89C52 單片機(jī)。 STC89C52 是 STC 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。 STC89C52 使用經(jīng)典的 MCS51 內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng) 51 單片機(jī)不具備的功能。 STC89C52 特性 1） 8K 字節(jié)程序存儲(chǔ)空間； 2） 512 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間； 3） 內(nèi)帶 2K 字節(jié) EEPROM 存儲(chǔ)空間 。 4） 可直接使用串口下載； STC89C52 參數(shù) 1） 增強(qiáng)型 8051 單片機(jī)， 6 時(shí)鐘 /機(jī)器周期 和 12 時(shí)鐘 /機(jī)器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051. 2） 工作電壓： ～ （ 5V 單片機(jī)） /～ （ 3V 單片機(jī)） 3）工作頻率 范圍： 0～ 40MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0～ 80MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá) 48MHz 4） 用戶(hù)應(yīng)用程序空間為 8K 字節(jié) 5） 片上集成 512 字節(jié) RAM 6） 通用 I/O 口（ 32 個(gè)），復(fù)位后為： P0/P1/P2/P3 是 準(zhǔn)雙向口 /弱上拉， P0 口是漏極開(kāi)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)，需加上拉電阻。 7） ISP（在系統(tǒng)可編程） /IAP（在應(yīng)用可編程），無(wú)需專(zhuān)用 編程器 ，無(wú)需專(zhuān)用 仿真器 ，可通過(guò)串口（ RxD/,TxD/）直接下載用戶(hù)程序，數(shù)秒即可完成一片 8） 具有 EEPROM 功能 31 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(shuō)明 、 和 P3 口都有復(fù)用功能，具體功能參照表 37. 表 37 、 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(shū)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） WR (外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通 ) RD (外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 ) 32 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(xiě)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。 系統(tǒng)流程圖 系統(tǒng)流程框圖如圖 41 所示。 開(kāi) 始初 始 化信 號(hào) 采 集A / D 轉(zhuǎn) 換數(shù) 據(jù) 處 理是 否 超 過(guò) 設(shè)定 值聲 光 報(bào) 警顯 示 濃 度是否 圖 4 1 系統(tǒng)流程圖 33 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(guò)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 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(lèi)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(guò)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(kāi)發(fā)，有如下優(yōu)點(diǎn)： （ 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(kāi)發(fā)與資源共享。用 C51 開(kāi)發(fā)出來(lái)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(kāi)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(kāi)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(xiě)的程序通過(guò)改寫(xiě)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(lái)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。 34 keiiC51 編程環(huán)境 Keil C51 是德國(guó) Keil software 公司開(kāi)發(fā)的用于 51 系列單片機(jī)的 C51 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)軟件。Keil C51 在兼容 ANSI C 的基礎(chǔ)上，又增加很多與 51 單片機(jī)硬件相關(guān)的編譯特性，使得開(kāi)發(fā) 51 系列單片機(jī)程序 更為方便和快捷，程序代碼運(yùn)行速度快，所需存儲(chǔ)器空間小，完全可以和匯編語(yǔ)言相媲美。它支持眾多的 MCS51 架構(gòu)的芯片，同時(shí)集編輯、編譯、仿真等功能于一體，具有強(qiáng)大的軟件調(diào)試功能，是眾多的單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟件中最優(yōu)秀的軟件之一。 Keil 公司目前已推出 以上版本的 C51 編譯器，為 51 單片機(jī)軟件開(kāi)發(fā)提供了全新的 C 語(yǔ)言環(huán)境，同時(shí)保留了匯編代碼高效、快速的特點(diǎn)?，F(xiàn)在， Keil C51 已被完全集成到一個(gè)功能強(qiáng)大的全新集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（ IDE） 181。Vision3 中，該環(huán)境下集成了文件編輯處理、編譯鏈接、項(xiàng)目（ Project）管理、窗口、工具引用和仿真軟件模擬器以及 Monitor51硬件目標(biāo)調(diào)試器等多種功能，這些功能均可在 Keil 181。Vision3 環(huán)境中極為簡(jiǎn)便地進(jìn)行操作。Keil C51 一般簡(jiǎn)寫(xiě)為 C51，指的是 51 單片機(jī)編程所用的 C 語(yǔ)言；而 Keil 181。Vision3，可簡(jiǎn)寫(xiě)為 181。Vision3，指的是用于 51 單片機(jī)的 C51 程序編寫(xiě)、調(diào)試的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。 181。Vision3 內(nèi)部集成了源程序編輯器，并允許用戶(hù)在編輯源文件時(shí)就可設(shè)置程序調(diào)試斷點(diǎn)，便于在程序調(diào)試過(guò)程中快速檢查和修改程序。此外， 181。Vision3 還支持軟件模擬仿真（ Simulator）和用戶(hù)目標(biāo)板調(diào)試 (Monitor51)兩種工作方式。在軟件模擬仿真方式下不需任何 51 單片機(jī)及其外圍硬件即可完成用戶(hù)程序仿真調(diào)試。在用戶(hù)目標(biāo)板調(diào)試方式下，利用硬件目標(biāo)板中的監(jiān)控程序可以直接調(diào)試目標(biāo)硬件系統(tǒng)，使用戶(hù)節(jié)省購(gòu)買(mǎi)硬件仿真器的費(fèi)用。 C51 與標(biāo)準(zhǔn) C 的主要區(qū)別 不同的嵌入式處理器的 C 編譯系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn) C 的不同之處，主要是它們所針對(duì)的嵌入式處理器的硬件系統(tǒng)不同。 Keil C51 的基本語(yǔ)法與標(biāo)準(zhǔn) C 相同，但對(duì)標(biāo)準(zhǔn) C 進(jìn)行了擴(kuò)展。深入理解 Keil C51 對(duì)標(biāo)準(zhǔn) C 的擴(kuò)展部分是掌握 Keil C51 的 關(guān)鍵之一。 C51 與標(biāo)準(zhǔn) C 的主要區(qū)別如下： （ 1）頭文件的差異。 51 系列單片機(jī)廠家有多個(gè)，它們的差異在于內(nèi)部資源如定時(shí)器、中斷、 I/O 等數(shù)量以及功能的不同，而對(duì)使用者來(lái)說(shuō)，只需要將相應(yīng)的功能寄存器的頭文件加載在程序內(nèi)，就可實(shí)現(xiàn)所具有的功能。因此， Keil C51 系列的頭文件集中體現(xiàn)了各系列芯片的不同資源及功能。 35 （ 2）數(shù)據(jù)類(lèi)型的不同。 51 系列單片機(jī)包含位操作空間和豐富的位操作指令，因此Keil C51 與 ANSI C 相比又?jǐn)U展了 4 種類(lèi)型，以便能夠靈活地進(jìn)行操作。 （ 3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類(lèi)型的不同。 C 語(yǔ)言最初是為通用計(jì) 算機(jī)設(shè)計(jì)的，在通用計(jì)算機(jī)中只有一個(gè)程序和數(shù)據(jù)統(tǒng)一尋址的內(nèi)存空間，而 51 系列單片機(jī)有片內(nèi)、外程序存儲(chǔ)器，還有片內(nèi)、外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。標(biāo)準(zhǔn) C 并沒(méi)有提供這部分存儲(chǔ)器的地址范圍的定義。此外，對(duì)于 STC89C51 單片機(jī)中大量的特殊功能寄存器也沒(méi)有定義。 （ 4）標(biāo)準(zhǔn) C 語(yǔ)言沒(méi)有處理單片機(jī)中斷的定義。 （ 5） Keil C51 與標(biāo)準(zhǔn) C 的庫(kù)函數(shù)有較大的不同。 由于標(biāo)準(zhǔn) C 的中的部分庫(kù)函數(shù)不適于嵌入式處理器系統(tǒng)，因此被排除在 Keil C51 之外，如字符屏幕和圖形函數(shù)。有一些庫(kù)函數(shù)可以繼續(xù)使用，但這些庫(kù)函數(shù)都必須針對(duì) 51單片機(jī)的硬件特點(diǎn) 來(lái)作出相應(yīng)的開(kāi)發(fā)，與標(biāo)準(zhǔn) C 庫(kù)函數(shù)的構(gòu)成與用法有很大的不同。例如庫(kù)函數(shù) printf 和 scanf，在標(biāo)準(zhǔn) C 中，這兩個(gè)函數(shù)通常用于屏幕打印和接收字符，而在Keil C51 中，它們主要用于串行口數(shù)據(jù)的收發(fā)。 （ 6）程序結(jié)構(gòu)的差異。由于 51 單片機(jī)的硬件資源有限，它的編譯系統(tǒng)不允許太多的程序嵌套。其次，標(biāo)準(zhǔn) C 所具備的遞歸特性不被 Keil C51 支持，在 C51 中，要使用遞歸特性，必須用 reentrant 進(jìn)行聲明才能使用。但是從數(shù)據(jù)運(yùn)算操作、程序控制語(yǔ)句以及函數(shù)的使用上來(lái)說(shuō)， Keil C51 與標(biāo)準(zhǔn) C 幾乎沒(méi)有什么明顯的差別。 如果程序設(shè)計(jì)者具備了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn) C 的編程基礎(chǔ)，只要注意 Keil C51 與標(biāo)準(zhǔn) C 的不同之處，并熟悉 STC89C51單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)，就能夠較快地掌握 Keil C51 的編程。 仿真 在 protues 中沒(méi)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(méi)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^(guò) 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 42，總體仿真電路。 36 未達(dá)到報(bào)警時(shí)綠燈亮，紅燈滅 ，如圖 43。 達(dá)到報(bào)警濃度時(shí)，紅燈亮，綠燈滅 ，如圖 44。 圖 4 3 未達(dá)到報(bào)警時(shí)效果 圖 4 2 總體設(shè)計(jì)圖 37 程序見(jiàn)附錄 圖 4 4 達(dá)到報(bào)警時(shí)效果 38 5 總結(jié) 本次設(shè)計(jì)是以 STC89C51 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)。