【正文】 23 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 1 J u n 2 0 0 6 S h e e t o f F i l e : H : \ 論文 \ 電路原理圖 . D D B D r a w n B y :P 2 . 7+5P 2 . 6C11uF+5R1 100kI N T 1C2 0 . 3 3 uP 1 . 7C3 0 . 1 5 uP 0 . 7R4 20kP 0 . 65P 0 . 5+5P 0 . 4P 0 . 36 M H zP 0 . 2P 0 . 1P 0 . 0G N D2Q3G N D1M C 1 4 0 3V C 。具 體的數據傳輸過程是由 7109 的片選 CE 及低 8 位數據輸出選通端 LBEN （低電平有效）和高 4 位數據輸出選通端 HBEN （也是低電平有效）配合來完成，同時 HBEN 也兼作極性位、溢出位選通端（主要用于判斷傳輸數據的正誤），我們將 LBEN ， HBEN 分別接至單片機的 和 ，同時將 7109的片選 端接至 容易得知當 為低（也就是說此時 7109 被選中可以進行數據的傳輸）且 為低時低 8 位數據進行傳輸，而當 為低時高 4 位數據進行傳輸。 ICL7109 為 12 位的模數轉換器，數據可分為低 8 位和高 4 位分時傳送給單片機，由我們的電路圖我們可以看出工作方式選擇端MODE 我們直接接地了，也就是說現在轉換器的工作方式為直接輸出方式，在該工作方式下我們可以在片選和字節(jié)使能的控制下直接讀取數據。我們 需要將該模擬信號轉換成數字量，只有這樣才能經過單片機進行處理。 22 A/D 轉換部分電路 A/D 轉換部分電路是由 A/D 轉換器 ICL7109 構成的，其主要作用是將氣體傳感器 MQ4 所得到的模擬電壓信號轉換成數字量（該模擬電壓信號與瓦斯氣體的體積分數相對應），便于輸入到單片機中進行數據處理。 3 35 腳： INLO、 INHI，差分輸入低端與高 端。 32 腳： INT，積分器輸出端，接積分電容 INTC 。 30 腳： BUF，緩沖放大器輸出端，接積分電阻 INTR 。 2 40 腳： V、 V+，電源負與電源正端。高電平時，每經 8192 個時鐘完成一次轉換；低電平時，轉換器將立即結束消除積分階段并跳至自動調零階段，從而縮短了消除積分階段，提高了轉換速度。 25 腳： BUFOUT，時鐘緩沖器輸出端。 2 23 腳： OSCIN、 OSCOUT，時鐘輸入、輸出端。低電平時轉換器為直接輸出方式，此時可在片選和字節(jié)使能的控制下直接讀取數據；高電平脈沖時轉換器處于 UART 方式，并在輸出兩個字節(jié)的數 據后返回到直接輸出方式。 20 腳： CE /LOAD ，片選端，低電平有效，并同時配合 21 腳 MODE 信號工作。 18 腳： LBEN ，低 8 位數據輸出選通端，低電平有效。 5～ 16 腳： 12 位二進制數據輸出端。 4 腳： OR，超量程輸出端。 3 腳： POL，極性輸出端。 21 2 腳： STATUS，工作狀態(tài)輸出端。 ICL7109 芯片簡介 ICL7109 的管腳圖如圖 所示。 根據其性能指標，考慮到系統(tǒng)的精度我們這次選用了 ICL7109 轉換器 ， 它是一種高精度、低噪聲、低漂移和低價格的雙積分式 A/D 轉換器，其數據輸出為 12 位二進制數， 20 配有較強的接口電路，能方便地與各種微處理機連接。通常，轉換速度越快越好，特別是對動態(tài)信號采集。其中 A/D 轉換器的轉換時間是指完成一次轉換所需要的時間，即從輸入啟動轉換信號開始到轉換結束所用的時間。同樣的 5V電壓，若采用 12 位 ADC，則它能分辨的最小電壓為 5000Mv/4096≈1mV。如果用百分數表示分辨率，則分辨率為 %%1002561%10021%10021 8 ??????n （ 31） BCD 碼輸出的 A/D 轉換器一般用位數表示分辨率，例如 5G14433 雙積分 A/D 轉換器，分辨率為 213位，滿度字位為 1999；用百 分數表示分辨率時，分辨率為 %%10 019 991 ?? （ 32） 換而言之，分辨率就是 A/D 轉換器可以轉換成數字量的最小電壓。其中分辨率就是指 A/D 轉換器可轉換成二進制數的位數或 BCD 碼的位數。其優(yōu)點是 分辯率高、功耗低、價格低，但是需要外部計數電路共同完成 A/D 轉換。其原理是首先將輸 入的模擬信號轉換成頻率，然 后用計數器將頻率轉換成數字量。最近的逐次比較型 A/D 轉換器大多為電容陣列式的。一般的電阻陣列 D/A 轉換器中多數電阻的值必須一致，在單芯片上生成高 精度的電阻并不容易。主要用于音頻和測量。原理上近似于積分型，將輸入電壓轉換成時間 (脈沖寬度 )信號，用數字濾波器處理后得到數字值。這類 A/D 速度比逐次比較型高，電路 規(guī)模比并行型小。 串并行比較型 A/D 結構上介于并行型和逐次比較型之間，最典型的是由 2 個 n/2 位的并行型 A/D 轉換器配合 D/A 轉換器組成，用兩次比較實行轉換，所以稱為 Half flash(半快速 )型。 （ 3）并行比較型 /串并行比較型（如 TLC5510） 并行比較型 A/D 采用多個比較器，僅作一次比較而實行轉換，又稱 FLash(快速 )型。其電路規(guī)模屬于中等。初期的單片 A/D 轉換器大多采用積分型，現在逐次比較型已逐步成為主流。 （ 1）積分型（如 ICL7109） 積分型 A/D 工作原理是將輸入電壓 轉換成時間 (脈沖寬度信號 )或頻率 (脈沖頻率 )，然后由定時器 /計數器獲得數字值。 圖 MQ4型氣敏元件的靈敏度特性 18 A/D 轉換單元 A/D 轉換器（ analog digital converter 簡稱 ADC）是將輸入的模擬電壓或電流轉換成數字量的器件或設備，即能把被控對象的各種模擬信息變成計算機可以識別的數字信息，它是模擬系統(tǒng)與數字系統(tǒng)或計算機之間的接口。這樣確定下來的 RL的阻值，換言之傳感器的靈敏度也就確定下來了，此時我們已經完成了甲烷傳感器的校準。而靈敏度的調節(jié)是依靠調節(jié)負載電阻 RL來實現的。其校準過程如下： 在測試條件下對傳感器進行校準時，我們進行硬件部分電路的調試。 因此，在使用此類型氣敏元件時，靈敏度的調整是很重要的。 R0是指元件在潔凈空氣中的電阻值。 5% Vh:177。 2℃ Vc:177。 （ 2）靈敏度調節(jié) 在對 MQ4的靈敏度進行調節(jié)之前首先要就要了解其靈敏度特性。 3Ω 室溫 PH 加熱功耗 ≤ 900mw MQ4 的環(huán)境條件 16 MQ4的環(huán)境條件見表 。 表 MQ4的標準工作條件 符號 參數名稱 技術條件 備注 Vc 回路電壓 ≤ 15V Ac or Dc VH 加熱電壓 177。 結構 15 外形 圖 MQ4氣敏元件的結構 MQ4 的部件及說明見表 所示。由微型 AL2O3 陶瓷管、 SnO2 敏 感層 ， 測量電極和加熱器構成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。 MQ4 瓦斯?jié)舛葴y試部分電路是由氣體傳感器 MQ4 組成的，其作用為將瓦斯氣體的體積分數轉化成對應的模擬電壓信號并輸出出來。 在考慮上述問題之后就能大致確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標，然后做出選擇。 氣體傳感器的選擇 要進行 —個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，而這需要分析多方面的因素之后才能確定。濕度特性是硬性檢測精度的一個因素， 解決 這一問題的措施之一是采用濕度補償法。消除這種影響的方法是采用溫度補償法。 （ 5）響應時間 ， 指從氣敏元件到被測氣體接觸到氣敏元件的參數達到新的穩(wěn)定狀態(tài)下所需要的時間，表示了氣敏元件的反應速度。 氣體傳感器的類型雖然很多，但對 它們有以下幾個基本特性： （ 1）對被測氣體要有高的靈敏度，盡量減少外界的干擾信號； （ 2）選擇性要好，即對和被測氣體共存的其他氣體不敏感； （ 3）能夠長期穩(wěn)定工作，它是關系整個監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測精度的一個重要環(huán)節(jié)。其特點是屬于氣體濃度成比例，但靈敏度較低。 固體電解質 其利用鉑等金屬材料對氫吸附敏感使功函數改變原理制成， 其 特點是其他選擇性好但不能重復使用。氣體 傳感器通常以氣敏特性來分類，主要可分為： 半導式方式 包括氧化系、氣敏二極管系、氣敏 MOSFET 系?？杀詺怏w壓力增高，使其分子間距更為接近，碰撞幾率增高。 煤塵 煤塵具有爆炸危險， 300～ 400℃ 時就能從煤塵內揮發(fā)出多種可燃氣體，形成混合的爆炸氣體，使瓦斯的爆炸危險性增加。氧濃度降低時，爆炸下限變化不大 (BE 線 )， 爆炸上限則明顯降低 (CE 線 )。 瓦斯在空氣中的爆炸下限為 5～ 6％，上限為 14～ 16％。 化學號為 CH4。 甲烷在自然界分布很廣，是天然氣、沼氣、油田氣及煤礦坑道氣的主要成分。 國內對瓦斯的檢測以甲烷檢測為主 ， 毒 氣的檢測以一氧化碳檢測為主 ； 而國外用可燃性氣體的檢測代替單一甲烷氣體的測量 ， 毒氣包括硫化氫的測量?？扇嘉镔|危險性的大小，主要取決于爆炸極限幅度的寬窄。因為低于爆炸下限時，空氣所占比例很大，可燃物質的濃度不夠；高于爆炸上限 時 ，則有大量的可燃物質，而空氣卻不足。只有在這兩個濃度之間，才有爆炸的危險。這個能夠發(fā)生爆炸的濃度范圍，叫做爆炸極限，通常用可燃氣體、蒸汽、粉塵在空氣中的體積 組成比 來表示。 所以，很顯然我們要對單片機進行擴展 I/O 口，我們將在數碼顯示單元進行介紹。其擴展方法為根據需要在串行口上外接 1 個或多個移位寄存器。 XTAL2（ 18 腳）：來自反向振蕩器的輸出。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 EA/VPP（ 31 腳）：當 /EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000H FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次PSEN 有效。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。在平時 ， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。 ALE/PROG（ 30 腳）：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。 RST（ 9 腳）：復位輸入。 P3 口也可作為 AT89S51 的一些特殊功能口， P3 口管腳備選功能如表 所示。當 P3 口寫入 “1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。 P2 口在 FLASH 編程和 11 校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數據存儲器進行存取時， P2 口輸出地址的高八位。并因此作為輸入時， P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。在 FLASH 編程和校驗時 P1 口作為第八位地址接收。 P1口 (1 腳～ 8 腳 )： P1口是一個內部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1口緩沖器能接收輸出 4TTL 10 門電流。 P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據 /地址的第八位。 P0口 (32 腳～ 39 腳 )： P0口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。 VCC(40 腳 )：供電電壓。其將通用的微處理器和 Flash 存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的 Flash 存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 AT89S51 的內部總體結構如圖 所示，該結構按功能可劃分為 8 個組成部分，它們是通過片內單一總線連接起來的。這種單片機對開發(fā)設備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。片內的存儲器允許在線重新編程或用常規(guī)的非易失性存儲器編程器來編程，同時已具有三級程 序存儲器保密的性能。 單片機 AT89S51 介紹 AT89S51是 ATMEL 公司生產的一個低功耗，高性能 CMOS8 位單片機，片內含 4kBytesISP(Insystem programmable)的可反復擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲器。除了一般必須具有的 CPU、 ROM、 RAM 和定時 /計數器等以外，片內集成的部件常見的還有 A/D 轉換器、 D/A 轉換器、 I2C 總線、 CAN 總線、 SPI 總線、 DMA 控制器、 PWM控制器、聲音制造器、監(jiān)測定時器和鎖相電路等。特別是 I2C、 SPI 等串行總線的引入 ， 可以使單片機的引腳設計得更少 ， 單片機系統(tǒng)結構更加簡化及規(guī)范化。 串行擴展技術 在很長一段時間里 ， 通用型單片機通過三總線結構擴