【正文】 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 41 參考書(shū)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(ài)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。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 40 致謝 在做此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)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。當(dāng)溫度達(dá)到危險(xiǎn)時(shí)進(jìn)行報(bào)警和降溫處理。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 39 針對(duì)以上問(wèn)題可以提出如下改進(jìn)方式。 （ 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。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。各子系統(tǒng)采用 STC89C52 單片機(jī)來(lái)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。 (2)各部分元器件的選擇。 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(shuō)明書(shū) 37 程序見(jiàn)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(shuō)明書(shū) 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。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。 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。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。 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。 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。此函數(shù)代碼較小，所以不必單獨(dú)寫(xiě)為一個(gè)函數(shù)，并且在數(shù)據(jù)處理中進(jìn)行此過(guò)程可以使用同一變量，反而簡(jiǎn)單。為了程序調(diào)試方便運(yùn)行流暢，將寫(xiě)指令函數(shù)與寫(xiě)數(shù)據(jù)函數(shù)都放在一個(gè)顯示函數(shù)中。 顯示函數(shù) 本設(shè)計(jì)采用的是 1602a 液晶顯示模塊。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 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(shuō)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(shuō)輸出數(shù)碼每變化 1 電壓變化參考電壓的 1/256。 信號(hào)采集 信號(hào)采集運(yùn)用 MQ5。 1602a 初始化的過(guò)程中主要進(jìn)行的是顯示“ The ppm is”。 圖 4 1 系統(tǒng)流程圖 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 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。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 31 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 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)舛龋杉降男盘?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。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。 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(shuō)明書(shū) 29 續(xù)表 39 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 ) 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 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。 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 拉電河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 28 阻。 單片機(jī)概述 本設(shè)計(jì)采用 STC89C52 單片機(jī)。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 如圖 316，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)。但是在單片機(jī)中，只有 P0 口沒(méi)有自帶的上拉電阻，所以只能用 P0 口連接 LCD1602a。 所以上面例子 CGRAM 中第一個(gè)自定義的字符 “R”可以用碼值 00H 或 08H 選中 。 例如 ,自定義字符為字母 “R”,則連續(xù)寫(xiě)入的字型數(shù)據(jù)為 : 1EH,11H,11H,1EH,14H,12H,11H 3)向模塊寫(xiě)入字符碼值 ,調(diào)用自定義字符 。 CGRAM 中只能自定義 8個(gè) 57 點(diǎn)陣字符 (后面會(huì)看到限制 8 個(gè)自定義字符的原因 ),對(duì)應(yīng)的 CGRAM 地址范圍是 000 000 – 000 111。 在需要顯示自定義字符時(shí) ,與顯示內(nèi)置字符的方法是相同的 ,只是 CGRAM 的地址有所區(qū)別 。其他引腳介紹如 表 37。 （ 4） 在 ST 端給出一個(gè)至少有 100ns 寬的正脈沖信號(hào)。 本設(shè)計(jì)所用參考電壓為 VREF(+)5V， VREF(— )0V。具體做法是使用 T0 定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè) 10KHz 的脈沖信號(hào)。 CLK 為時(shí)鐘輸入信號(hào)線。當(dāng) EOC 為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。通道選擇如 表 36 所示。 ADC0809 對(duì)輸入模擬量要求：信號(hào)單極性，電壓范圍是 0－ 5V，若信號(hào)太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過(guò)程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。 （以上兩種信號(hào)用于啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換） . EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出引腳，開(kāi)始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為高電平。 REF（ +）：參考電壓正端。 ADC0809 引腳結(jié)構(gòu) 如圖 312 ADC0809 引腳圖 D7D0： 8 位數(shù)字 量輸出引腳。樹(shù)狀開(kāi)關(guān)與256R 電阻網(wǎng)絡(luò)一起構(gòu)成 D/A 轉(zhuǎn)換電路，產(chǎn)生與逐次逼近寄存器中二進(jìn)制數(shù)字量對(duì)應(yīng)的反饋模擬電壓，送至比較器，與輸入模擬電壓進(jìn)行比較。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 19 虛線框中為芯片核心部分。 此外，還有輸入電壓范圍、功率損耗等。 2) 相對(duì)精度 相對(duì)精度是指實(shí)際轉(zhuǎn)換值偏離理想特性的誤差。然后在新的范圍內(nèi)取中間電壓，即 ，依此類(lèi)推 。b1000000（設(shè)為 b）與 a 相比 較，圖 3 10 n位逐次比較型 A/D轉(zhuǎn)換器 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 18 如果 a 大于 b，則保留最高位 1，即原來(lái)的范圍變成了 0739。該信號(hào)的下降沿把 SAR 的輸出鎖存在“緩沖寄存器”里，從而得到數(shù)字量輸出。 (３ )在最高位確定后， SAR 又以對(duì)分搜索法確定次高位，即以低 7 位的一半y1000000B(y 為已確定位 ) 試探模擬量 Vi 的大小。 圖 39 雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器的原理電路 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 17 8 位D A C逐 次 逼 近 寄 存器 S A R控 制 電 路緩 沖 寄 存 器比 較 器—+啟 動(dòng) 信 號(hào) SC L K轉(zhuǎn) 換 結(jié) 束E O CV0ViD7D6D5D4D3D2D1D0 轉(zhuǎn)換過(guò)程： (1)首先發(fā)出“啟動(dòng)信號(hào)”信號(hào) S。在 bit6 確定后， SAR 以對(duì)分搜索法確定 bit5 位，即以低 6位的一半 yy100000B(y 為已確定位 ) 試探模擬量的大小。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 16 3） 逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器 工作原理 逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器是目前采用最多的一種直接 A/D 轉(zhuǎn)換器。 設(shè) V1 變化范圍是 0VREF，輸出 3 位數(shù)字量為 D2D1D0， 3 位并行比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入、輸出關(guān)系如表 35 所示 模擬輸入量 比較器輸出狀態(tài) 數(shù)字輸出 Co1 Co2 Co3 Co4 Co5 Co6 Co7 D2 D1 D0 0≤ v1VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 VREF/15≤ v13 VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 3 VREF≤ v15 VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 5 VREF≤ V17 VREF 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 7 VREF/15≤V19 VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 表 35 3 位并行比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入、輸出關(guān)系 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 15 續(xù)表 35 9 VREF/15≤V111 VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 11 VREF/15≤V113 VREF/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 13 VREF≤ V1 VREF 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2） 雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器 工作原理 雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器是一種間接 A/D 轉(zhuǎn)換器。 （ 1） 并行比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器 （ 2）雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器 （ 3） 逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器 1） 并行比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器 工作原理 圖中的 8 個(gè)電阻將參考電壓 VREF 分成 8 個(gè)等級(jí)，其中 7 個(gè)等級(jí)的電壓分別作為 7個(gè)比較器 C1C7 的參考電壓，其數(shù)值分別為 VREF/1 3VREF/15…、 13VREF/15。 加熱電壓取交直流 5V 均可。 圖 36 中各個(gè)部分說(shuō)明如下表 34 部件 材料 1 氣體敏感層 二氧化錫 2 電極 金 3 測(cè)量電極引線 鉑 4 加熱器 鎳洛合金 5 陶瓷管 三氧化二鋁 6 防爆網(wǎng) 100 目雙層不銹鋼 7 卡環(huán) 鍍鎳銅材 8 基座 膠木或尼龍 9 針狀管腳 鍍鎳銅材 它由微型氧化鋁陶瓷管、氧化鋅敏感層，測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成，敏感元件固定在圖 36 MQ引腳 表 34 MQ5 部件說(shuō)明 圖 3 5 MQ5 結(jié)構(gòu)圖 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 13 塑料或不繡鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。 元件六腳位置可與電子管七角管座匹配使用。 使用條件 :溫度 15~35℃ 。 2） 加熱電壓的改變會(huì)直接影響元件的性能 ,所以在規(guī)定的電壓范圍內(nèi)使用為佳 。 其中： RL=20k?； R0=； C=86； RL— 負(fù)載電阻； R0— 敏感體電阻； C— 常數(shù)，調(diào)整顯示范圍。圖中縱坐標(biāo)是傳感器的電阻比（ Rs/Ro）。圖中縱坐標(biāo)為傳感器的電阻比（ Rs/Ro），橫坐標(biāo)為氣體濃度。 符號(hào) 參數(shù)名稱 技術(shù)條件 備注 VC 回路電壓 ≤15V ACorDC VH 加熱電壓 177。其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高，穩(wěn)定性好、信號(hào)處理容易等優(yōu)點(diǎn)。 ○ 1 必須將熱阻體組件的長(zhǎng)期變化降到可忽視的程度。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)靈敏度高、反應(yīng)速度快等諸多實(shí)用性優(yōu)點(diǎn)，但其主要不足是測(cè)量線性范圍較小，受背景氣體干擾較大，易受環(huán)境溫度影響等。因此，只要測(cè)定作為敏感件的鉑絲的電阻變化值 (ΔR)，就可檢測(cè)空氣中可燃性氣體的濃度。一般瓦斯傳感器可分為接觸燃燒式、半導(dǎo)體式