【正文】 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。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。 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。 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 。 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(kāi)始 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 29 頁(yè) 共 46 頁(yè) 圖 字寫(xiě) 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。 字寫(xiě)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(xiě)數(shù)據(jù)的地址。 存儲(chǔ)模塊子程序 AT24C512有兩種寫(xiě)入方式：一種是字寫(xiě)入方式，另一種是頁(yè)寫(xiě)入方式。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。 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(xún)方式。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。 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。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(kāi)中斷和打開(kāi)定時(shí)器等。 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)。 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(kāi)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。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(shū) 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。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(zhuān)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。 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。 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(huà)必將會(huì)增加了硬件成本 ,使系統(tǒng)更加 的復(fù)雜，訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器比訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)部存儲(chǔ)器所需的代碼也要長(zhǎng)得多。比如：用邏輯 AND/amp。 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(lèi)型的運(yùn)算種類(lèi) ,越復(fù)雜的數(shù)據(jù)類(lèi)型效果越明顯。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)。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。 /* 整型變量聲明部份 */ Function1(?)。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]?；?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(kāi)發(fā)應(yīng)用的必然趨勢(shì)。以前計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)軟件主要用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，單片 機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)更是如此，由于匯編語(yǔ)言的可讀性和可移植性都較差，采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)單片機(jī)應(yīng)用程序，不但周期長(zhǎng)，而且調(diào)試和排錯(cuò)也比較困難。電路安全穩(wěn)定可靠，測(cè)試電壓為 +5V，并且在12V 和 5V 電路中引線(xiàn)排針，以供日后使用。其電源連接電路如圖 所示，并由去耦電容、開(kāi)關(guān)、 7085 穩(wěn)壓器及電源指示燈組成。綜合系統(tǒng)各模塊來(lái)看，需要有 +5V 的供電。 其與單片機(jī)的連接如下圖。 ? 第 15～ 16腳：空腳或背燈電源。 ? 第 6 腳： E(或 EN)端為使能 (enable)端。 ? 第 4 腳： RS 為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時(shí)選擇指令寄存器。 1602 采用標(biāo)準(zhǔn)的 16 腳接口，其管腳圖下圖所示。與 LED 相比， LCD 顯示 有功耗小及顯示字符多的特點(diǎn)。 其電路連接如下。 圖 存儲(chǔ)電路連接圖 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 22 頁(yè) 共 46 頁(yè) 報(bào)警電路與 LCD 顯示 聲光報(bào)警電路 報(bào)警電路采用聲光報(bào)警，選用蜂鳴器和發(fā)光二級(jí)管，因?yàn)樽兓男盘?hào)更能引起人們的注意，所以報(bào)警電路設(shè)計(jì)中當(dāng)濃度值超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器就以一定的頻率開(kāi)始發(fā)聲，同時(shí)紅燈開(kāi)始閃爍；當(dāng)氣體濃度低于預(yù)設(shè)值時(shí)，報(bào)警電路處于截止?fàn)顟B(tài)，即不工作 [11]。一般 A0、 A WP 接 VCC 或 GND， SCL、 SDA 接到單片機(jī)的 I/O 口，即可實(shí) 現(xiàn)單片機(jī)對(duì) AT24C512 的操作。在主機(jī)讀從機(jī)時(shí)正確讀完一字節(jié)后，主機(jī)在下一個(gè)時(shí)鐘周期同樣也要將數(shù)據(jù)線(xiàn)（ SDA）拉低，發(fā)出認(rèn)可信號(hào)，告訴從機(jī)所發(fā)數(shù)據(jù)已經(jīng)收妥。 （ 2）停止信號(hào)：時(shí)鐘線(xiàn)保持高電平期間數(shù)據(jù)線(xiàn)電平從低到高的跳變作為 I2C總線(xiàn)的停止信號(hào)。時(shí)鐘線(xiàn)為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線(xiàn)的任何電平變化將被看作總線(xiàn)的起始或停止信號(hào)。 I2C總線(xiàn)協(xié)議即是總線(xiàn)上的所有的操作都是由 SDA和 SCL兩個(gè)腳位的狀態(tài)來(lái)確定的，共有 四個(gè)狀態(tài)：開(kāi)始，停止，數(shù)據(jù)以及應(yīng)答，圖 描述了四個(gè)狀態(tài)的時(shí)序圖。任何從總線(xiàn)接收數(shù)據(jù)的器件為接收器，數(shù)據(jù)傳送是由產(chǎn)生串行時(shí)鐘和所有起始停止信號(hào)的主器件控制的。 8 Vcc 電源端 4 GND 地 其管腳圖如下。 7 WP 寫(xiě)保護(hù)輸入端。 6 SCL 串行時(shí)鐘輸入端。 3 NC 懸空 5 SDA 雙向串行數(shù)據(jù)輸人輸出端。 表 AT24C512管腳描述 管腳號(hào) 管腳名稱(chēng) 功能 1 2 A0 A1 這些輸入腳用于多個(gè)器件級(jí)聯(lián)時(shí)設(shè)置器件地址，當(dāng)這些腳懸空時(shí)默認(rèn)值為 0。該芯片的主要特點(diǎn)如下：采用 I2C 總線(xiàn)設(shè)計(jì)與 1MHz(5V)、 400kHz()、 100Kz()I2C總線(xiàn)兼容，內(nèi)部有 512 頁(yè)，每一頁(yè)為 128 字節(jié)，存儲(chǔ)容量為 65536byte；任一單元的地址為 16 位， 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 20 頁(yè) 共 46 頁(yè) 地址范圍為 0000~0FFFFH；單電源，讀寫(xiě)電壓為 ~；數(shù)據(jù)可保存 40 年；寫(xiě)保護(hù)功能，當(dāng) WP 為高電平時(shí)，進(jìn)人寫(xiě)保護(hù)狀態(tài)； CMOS 低功耗技術(shù)，最大寫(xiě)入電流為 3mA；自動(dòng)定時(shí)的寫(xiě)周期，采用 8引腳封裝，具有結(jié)構(gòu)緊湊，存儲(chǔ)量大特點(diǎn)。所以在這兒選用 AT24C系列的存儲(chǔ)器，由存儲(chǔ)容量來(lái)看，選擇 AT24C512（存儲(chǔ)容量為 65536byte）可以滿(mǎn)足要求 [10]。在本設(shè)計(jì)中使系統(tǒng)可以存儲(chǔ) 12小時(shí)內(nèi)的數(shù)據(jù)，則預(yù)計(jì)采樣容量 =12*60*60=43200byte。其連接電路如下。 由于 ADC0809 內(nèi)部有一個(gè) 8位“三態(tài)輸出鎖存器”可以鎖存 A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，故它本身既可看作一種輸入設(shè)備，也可認(rèn)為是并行 I/O 接口芯片。 CPU 響應(yīng)中斷后，中斷服務(wù)程序中使OE 線(xiàn)變?yōu)楦唠娖?，以提?A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。 ADC0809 與單片機(jī)連接電路設(shè)計(jì) ADC0809 與 89C51 單片機(jī)連接可采用查詢(xún)方式，也可采用中斷方式。輸入啟動(dòng)信號(hào) START 的上升沿復(fù)位 ADC0809，下降沿啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換， EOC 為輸出的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，正在轉(zhuǎn)換時(shí)為 0，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為 1。 圖 ADC0809引腳圖 ADC0809 的時(shí)序圖如下。 ? VCC：電源電壓，由于是 CMOS 芯片，允許的電壓范圍較寬，可以是 +5~+15V。要求時(shí)鐘頻率 不高于 640KHZ。當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開(kāi)輸出三態(tài)門(mén)，輸出數(shù)字量。 ? EOC： A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，轉(zhuǎn)換開(kāi)始后， EOC 信號(hào)變低，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)， EOC 返回高電平。 ? ALE：地址鎖存選通信號(hào)，由低至高電平時(shí)，把三位地址信號(hào)送入通道號(hào)地址鎖存器并經(jīng)譯碼得到地址輸出，以選擇相應(yīng)的模擬輸入通道。 ? D0～ D7： 8位數(shù)字量輸出端。 7） 低功耗，約 15mW。 5） 模擬輸入電壓范圍 0～ +5V，不需零點(diǎn)和滿(mǎn)刻度校準(zhǔn) 。 3） 轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100μ s(時(shí)鐘為 640kHz 時(shí) )， 130μ s（時(shí)鐘為 500kHz 時(shí)） 。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 17 頁(yè) 共 46 頁(yè) 圖 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 其 主要特性： 1） 8路輸入通道， 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，即分辨率為 8位 。其內(nèi)部有一個(gè) 8 通道多路開(kāi)關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，選通 8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。開(kāi)始時(shí)，寄存器各位清零，轉(zhuǎn)換時(shí)，先將最高位置 1，把數(shù)據(jù)送入 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果與輸入的模擬量比較，如果轉(zhuǎn)換的模擬量比輸入的 模擬量小，則 1保留，如果轉(zhuǎn)換的模擬量比輸入的模擬量大，則 1不保留，然后從第二位依次重復(fù)上述過(guò)程直至最低位，最后寄存器中的內(nèi)容就是輸入模擬量對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字量。本課題擬采用逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0809。其又可分為逐次逼近型、跟蹤比較型、并行比較型、串行比較型。按工作原理不同 A/D 轉(zhuǎn)換器可分為兩大類(lèi)： (a)積分型，這類(lèi)轉(zhuǎn)換器先將模擬量轉(zhuǎn)換成中間變量，再將中間變量轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，國(guó)內(nèi)外在此類(lèi)產(chǎn)品中主要是低速 A/D 轉(zhuǎn)換器。