【正文】 參考文獻(xiàn) [1] 馮博琴編著 微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù) 清華大學(xué)出版社 2021 [2] 王文杰 許文斌 主編 單片 機(jī) 應(yīng)用技術(shù) 冶金工業(yè) 出版社 2021 [3] 周監(jiān)編著 單片機(jī)輕松 入門 北京航空航天大學(xué)出版社 2021 [4] 張友德編著 單片機(jī)原理應(yīng)用及實(shí)驗(yàn) 負(fù)擔(dān)大學(xué)出版社 1995 [5] 曹玲芝編著 現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)及虛擬儀器 北京航空航天大學(xué)出版社 [6] 殷淑英 主編 傳感器 應(yīng)用 技術(shù) 冶金工業(yè) 出版社 2021 [7] 沙占友主編 集成智能化傳感器原理及應(yīng)用 電子工業(yè)出版社 [8] 陳濤編著 單片機(jī)應(yīng)用及 C51程序設(shè)計(jì)，機(jī)械工業(yè)出版社， 2021 附 錄 主程序： ORG 0000H AJMP MAIN ORG 00013H AJMP INT1 ORG 0030H MAIN： MOV SP, 60H； 設(shè)定堆棧指針 。謝謝爸爸媽媽，我會(huì)在今后的人生中努力堅(jiān)強(qiáng)的。感謝曾經(jīng)帶領(lǐng)我走過(guò)大學(xué)生涯 的輔導(dǎo)員孔繁才老師、吳珍珠老師，感謝鄭州科技學(xué)院電氣工程系的老師們多年對(duì)我的關(guān)懷和教育！ 感謝三年一起學(xué)習(xí)的 08電氣一班的 親 如一家同學(xué)們。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。 楊 老師不僅在課題研究攻關(guān)和論文撰寫過(guò)程中對(duì)我進(jìn)行了耐心細(xì)致的指導(dǎo)和嚴(yán)格的把關(guān)，而且在精神和生活上也給了我莫大的鼓勵(lì)和無(wú)微不至的關(guān)懷。在理論設(shè)計(jì)中 也 考慮成本 了的問(wèn)題，盡可選用一些性價(jià)比高而且價(jià)格合理 的芯片。到 此 我的畢業(yè)設(shè)計(jì)也快要接近尾聲了 ，雖然本次設(shè)計(jì)相當(dāng)于只是完成了煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)的設(shè)計(jì)，沒(méi)有涉及到采集數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)的那一部分，但是對(duì)我個(gè)人來(lái)說(shuō)也是一次相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)完之后感覺(jué)自己的思維方式更加完善，考慮問(wèn)題的方法也在不知不覺(jué)中有了很大的提高。其流程圖如下所示： 圖 72 中斷子程序 流程圖 聲光報(bào)警子程序 當(dāng)聲光報(bào)警開(kāi)啟后，當(dāng)達(dá)到提醒人們離開(kāi)的目的后，我們需要解除聲光報(bào)警，解除報(bào)警有兩種途徑，一種是手動(dòng)解除，一種是系統(tǒng)自動(dòng)解除，若沒(méi)有手動(dòng)解除報(bào)警，則系統(tǒng)可通過(guò)調(diào)用 20s 的延時(shí)時(shí)間來(lái)自動(dòng)解除報(bào)警。其硬件電路包括 MQ A/D7109 及單片機(jī)，濃度經(jīng)過(guò)傳感器變換為模擬電壓再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完畢之后是通過(guò)中斷的方式送入單片機(jī)的。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)的功能有：用戶機(jī)的單片 機(jī)系統(tǒng)要完成定時(shí)地對(duì)瓦斯?jié)舛?的 進(jìn)行 檢測(cè)， 將瓦斯?jié)舛戎档倪M(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，動(dòng)態(tài)地顯示采集到的瓦斯?jié)舛戎担暪鈭?bào)警。 每隔一段時(shí)間對(duì)瓦斯的濃度采集一次，將采集到的模擬量濃度數(shù)據(jù)存到寄存器中，當(dāng)系統(tǒng)在取數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示的過(guò)程中要產(chǎn)生中斷，調(diào)用 中斷處理子程序，在中斷處理子程序中進(jìn)行 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及顯示濃度。 主程序 單片機(jī) 系統(tǒng)上電后，首先 要對(duì)系統(tǒng) 進(jìn)行初始化， 初始化程序包括內(nèi)存空間的分配、初始變量的設(shè)置、設(shè)定堆棧指針等。 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 :347 4 L S 0 4B1127 4 L S 0 49013+5+5R5 510R6 510D2LEDp 1 . 0p 1 . 1 圖 62 聲光報(bào)警電路 第七 章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì) 編制的程序易于調(diào)試、修改，可讀性好 ， 軟件的設(shè)計(jì)是一個(gè)將需求轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖愂龅倪^(guò)程。當(dāng)采集到的瓦斯?jié)舛瘸^(guò)預(yù)先設(shè)定的上限值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。為了提高聲光報(bào)警電路的驅(qū)動(dòng)能力均加有 74LS04 反向驅(qū)動(dòng)器同時(shí)為了保證電路可靠工作加了限流電阻。5V的電源即可。 電源 電路 在此次設(shè)計(jì)中我們所用到的電源只有 177。這種設(shè)計(jì)是為了采用動(dòng)態(tài)顯示方式?！拔豢亍睂?shí)際上就是對(duì) LED 顯示器的公共端進(jìn)行控制，位控信號(hào)的數(shù)目與顯示器的位數(shù)相同。 由于 采用動(dòng)態(tài)顯示，因此除了要給 顯示器提供顯示段碼之外，還要對(duì)顯示器進(jìn)行位的控制，即通常 所說(shuō)的“段控”和“位控”。其中 數(shù)碼管顯示器有兩種顯示方式，即靜態(tài)顯示方式和動(dòng)態(tài)顯示方式。本設(shè)計(jì)采用的就是共陰極接法 的數(shù)碼管 。 a~g 和 dp 為 8 個(gè)發(fā)光二極管， 其中 a~g 用于顯示字符， dp 用于顯示小數(shù)點(diǎn)。 第五 章 數(shù)據(jù)顯示電路 顯示器的選擇 我們選用 LED 數(shù)碼管作為顯示器件。 我們這次設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電壓是采用外接基準(zhǔn)源來(lái)的得到的。但在有些應(yīng)用場(chǎng)合， A/D 轉(zhuǎn)換的輸出不一定是滿度量程，這時(shí)將 REFV 選為輸入電壓 Ui 的一半即可。 5． 基準(zhǔn)電壓 REFV 的選擇 對(duì)模擬輸入要求滿度輸出 4096 個(gè)時(shí)鐘數(shù)時(shí)，應(yīng)滿足 REFi VU 2? 的關(guān)系。 所以 Ｃ ＡＺ ＝ 1/2CINT又因?yàn)樯厦嫖覀冇?jì)算出來(lái)的 CINT＝ 。對(duì)于 ， AZC 值選為 INTC 的兩倍最佳。 3． 自零電容 AZC 的選擇 自零電容的大小與系統(tǒng)的噪聲有關(guān)，電容越大，噪聲越小。當(dāng) Ｖ ＩＮ ＝ ， RINT＝ 20 KΩ。 INTC 通常由下式給出： 積分輸出擺幅時(shí)鐘周期 /10202048 6?????I N TC （ 44） 積分器輸出電壓的擺幅值可以通過(guò)示波器在 32 腳觀察積分器的輸出波形來(lái)得到，一般取 4Ｖ。對(duì)于不同的時(shí)鐘頻率，電容值也要改變，以保持積分器輸出電壓的镕幅?！?177。對(duì) ICL7109 加 177。 INTR 一般可以由下式選擇： 61020 ??? 滿度刻盤INTR （ 43） 針對(duì)于我們此次的設(shè)計(jì)，由于 ICL7109 輸入電壓是與 MQ4 的輸出電壓 oV 相連的，而 MQ4 的輸出電壓 oV 處與 ～ ，所以我們電路的積分電阻值選為 ?K20 。積分電阻要足夠大，以保證在輸入電壓范圍內(nèi)的線性 (當(dāng)然也不能無(wú)限制地大 )，對(duì)于 滿刻度輸入電壓，取 ?K200 比較合適。具體的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程是由 7109 的片選 CE 及低 8 位數(shù)據(jù)輸出選通端 LBEN （低電平有效）和高 4 位數(shù)據(jù)輸出選通端 HBEN （也是低電平有效）配合來(lái)完成，同時(shí)HBEN 也兼作極性位、溢出位選通端（主要用于判斷傳輸數(shù)據(jù)的正誤），我們將LBEN ， HBEN 分別接至單片機(jī)的 和 ，同時(shí)將 7109 的片選端接至 容易得知當(dāng) 為低（也就是說(shuō)此時(shí) 7109 被選中可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸）且 為低時(shí)低 8 位數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，而當(dāng) 為低時(shí)高 4 位數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。 ICL7109 為 12 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)可分為低 8 位和高 4 位分時(shí)傳送給單片機(jī)，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(shuō)現(xiàn)在轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)。我們需要將該模擬信號(hào) 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，只有這樣才能經(jīng)過(guò)單片機(jī) 進(jìn)行 處理。 A/D 轉(zhuǎn)換部分電路 A/D 轉(zhuǎn)換部分電路是由 A/D 轉(zhuǎn)換器 ICL7109 構(gòu)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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量（該模擬電壓信號(hào)與瓦斯氣體的體積分?jǐn)?shù)相對(duì)應(yīng)），便于輸入到單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)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(fù)與電源正端。高電平時(shí)，每經(jīng) 8192 個(gè)時(shí)鐘完成一次轉(zhuǎn)換；低電平時(shí)，轉(zhuǎn)換器將立即結(jié)束消除積分階段并跳至自動(dòng)調(diào)零階段，從而縮短了消除積分階段，提高了轉(zhuǎn)換速度。 25 腳： BUFOUT，時(shí)鐘緩沖器輸出端。 2 23 腳： OSCIN、 OSCOUT，時(shí)鐘輸入、輸出端。低電平時(shí)轉(zhuǎn)換器為直接輸出方式，此時(shí)可在片選和字節(jié)使能的控制下直接讀取數(shù)據(jù)；高電平脈沖時(shí)轉(zhuǎn)換器處于 UART 方式，并在輸出兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)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(shí)配合 21 腳 MODE 信號(hào)工作。 18 腳： LBEN ，低 8 位數(shù)據(jù)輸出選通端，低電平有效。 5～ 16 腳： 12 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸出端。 4 腳： OR，超量程輸出端。 3 腳： POL，極性輸出端。 2 腳： STATUS，工作狀態(tài)輸出端。 根據(jù)其性能 指標(biāo)，考慮到系統(tǒng)的精度我們這次選用了 ICL7109 轉(zhuǎn)換器 ,它是一種高精度、低噪聲、低漂移和低價(jià)格的 雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器， 其數(shù)據(jù)輸出為 12 位二進(jìn)制數(shù)，配有較強(qiáng)的接口電路，能方便地與各種微處理機(jī)連接。通常，轉(zhuǎn)換速度越快越好，特別是對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)采集。 其中 A/D 轉(zhuǎn)換器 的轉(zhuǎn)換時(shí)間是指 完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，即從輸入啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)開(kāi)始到轉(zhuǎn)換結(jié)束所用的時(shí)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?jǐn)?shù)表示分辨率，則分辨率為 %%1002561%10021%10021 8 ??????n （ 41） BCD 碼輸出的 A/D 轉(zhuǎn)換器一般用位數(shù)表示分辨率，例如 5G14433 雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器，分辨率為 213 位，滿度字位為 1999； 用百分?jǐn)?shù)表示分辨率時(shí)，分辨率為 %%10 019 991 ?? （ 42） 換而言之，分辨率就是 A/D 轉(zhuǎn)換器可以轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的最小電壓。 其中 分辨率就是指 A/D 轉(zhuǎn)換器可轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)或 BCD 碼的位數(shù)。 第四 章 A/D轉(zhuǎn)換電路 A/D 轉(zhuǎn)換器（ analog digital converter 簡(jiǎn)稱 ADC）是將輸入的模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件或設(shè)備，即能把被控對(duì)象的各種模擬信息變成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信息，它是模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)之間的接口。這樣確定下來(lái)的 RL的阻值，換言之傳感器的靈敏度也就確定下來(lái)了，此時(shí)我們已經(jīng)完成了甲烷傳感器的校準(zhǔn)。而靈敏度的調(diào)節(jié)是依靠調(diào)節(jié)負(fù)載電阻 RL來(lái)實(shí)現(xiàn)的 。 其校準(zhǔn)過(guò)程如下： 在測(cè)試條件下對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，我們進(jìn)行硬件部分電路的調(diào)試。 因此，在使用此類型氣敏元件時(shí)，靈敏度的調(diào)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。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i tl 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 le : H : \ 論文 \ 電路原理圖 . D D B D r a w n B y :A1B2H3H4A1M Q 4V C CR320k 接入 I C L 7 1 0 9 圖 32 測(cè)試電路 （ 2）靈敏度調(diào)節(jié) 在對(duì) MQ4的靈敏度 進(jìn)行調(diào)節(jié)之前首先要就要了解其靈敏度特性。 Ac or Dc RL 負(fù)載電阻 可調(diào) RH 加熱電阻 31Ω 177。封裝好的氣敏元件有 6 只針狀管腳，其中 4 個(gè)用于信號(hào)取出， 2 個(gè)用于提供加熱電流。 MQ4 瓦斯?jié)舛葴y(cè)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?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng) 的模擬 電 壓 信號(hào) 并 輸出出來(lái) 。因?yàn)?，即使是測(cè)量同一物理量，也有多種原 理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問(wèn)題：量程的大?。槐粶y(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求；測(cè)量方式為接觸式還是非接觸式；信號(hào)的引出方法，有線或是非接觸測(cè)量；傳感器的來(lái)源，國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口，還是自行研制 ，價(jià)格能否承受 。 （ 8） 電源電壓特性 電源電壓發(fā)生變化時(shí)，氣敏元件也會(huì)發(fā)生變化，解決的方法是采用恒壓供電。氣敏元件的特性隨環(huán)境會(huì)死度的不同而發(fā)生變化的特性成為濕度特性。消除這種影響的方法是采用溫度補(bǔ)償法。 （ 6） 溫度特性。 （ 4） 檢測(cè)和報(bào)警要迅速。 （ 4）其他類型 包括光干涉式、熱傳導(dǎo)方式、紅外線吸收式。 （ 3）接觸燃燒式 其原理是化學(xué)溶劑與氣體反應(yīng)產(chǎn)生使電導(dǎo)率發(fā)生變化。若氣體接觸到加熱的金屬，氧化物電阻值就會(huì)增大或者減少，其靈敏度高，構(gòu)造電路簡(jiǎn)單，但輸出與氣體濃度不成比例。 氣體 傳感器 氣體傳感器 的分類 氣體