【正文】 01V 預(yù)熱時間 不少于24 小時 MQ3 特點(diǎn)及其測量電路原理 對乙醇蒸氣有很高的靈敏度和良好的選擇性 快速的響應(yīng)恢復(fù)特性 長期的壽命和可靠的穩(wěn)定性 簡單的驅(qū)動回路 MQ3 氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖 56所示 由微型 AL2O3陶瓷管 SnO2 敏感層測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件封裝好的氣敏元件有６只針狀管腳其中４個用于信號取出２個用于提供加熱電流測量電路 如圖 57 所示 圖 56 圖 57 圖 58 MQ3 型氣敏元件的靈敏度特性 圖 58 給出了 MQ3 氣敏元件的靈敏度特性其中溫度 20℃相對濕度 65 氧氣濃度 21RL 50kΩ 在本設(shè)計中其值固定 Rs 元件在不同氣體不同濃度下的電阻值R0 元件在潔凈空氣中的電阻值 圖 59 圖 59 給出了 MQ3 型氣敏元件的溫濕度特性 Ro 20℃ 33RH 條件下 04mgL 濃度的乙醇蒸氣中元件電阻 Rs 不同溫度濕度下 04mgL 濃度的乙醇蒸氣中 元件電阻 靈敏度調(diào)整 MQ3 型氣敏元件對不同種類不同濃度的氣體有不同的電阻值因此在使用此類型氣敏元件時靈敏度的調(diào)整是很重要的我們建議您用 04mgL 約 200ppm 濃度的乙醇蒸氣校準(zhǔn)傳感器當(dāng)精確測量時報警點(diǎn)的設(shè)定應(yīng)考慮溫濕度的影響 體濃度單位的說明 對于氣體濃度常見有兩種表示方法 1 體積濃度 體積濃度是用每立方米的大氣中含有污染物的體積數(shù)立方厘米或 mlm3 來表示 常用的表示方法是 ppm 即 1ppm 1 立方厘米立方米 106 除 ppm 外還有 ppb 和ppt 他們之間的關(guān)系是 1ppm 106 一百 萬分之一 1ppb 109 十億分之一 1ppt 1012 萬億分之一 1ppm 103ppb 106ppt 2 質(zhì)量 體積濃度 用每立方米大氣中污染物的質(zhì)量數(shù)來表示的濃度叫質(zhì)量 體積濃度單位是毫克立方米 或克立方米 它與 ppm 的換算關(guān)系是 X MC224 51 即 C 224XM 式中 X 污染物以每立方米的毫克數(shù)表示的濃度值 C 污染物以 ppm 表示的濃度值 M 污染物的分之子量 本設(shè)計中氣體濃度單位用到 mgL 與 ppm 則轉(zhuǎn)換關(guān)系如下 C 22400YM 52 Y 污染物以每立方分米即每升的毫克數(shù)表示的濃度值 本設(shè)計的電壓顯示與酒精濃度之間的關(guān)系 由圖 58 可以得到式子㏒ RsRo㏒ 01 ㏒ C 152 ㏒ Vout 275 53 在技術(shù)參數(shù)中可知 C的線性范圍近似是 488ppm4869ppm 上式中 C的理想最大值為 6374ppm 由于一般不可能達(dá)到此值且所測酒精濃度 一般較小故可認(rèn)為其在上式在線性范圍內(nèi)成立 53 AD 轉(zhuǎn)換設(shè)計 正常情況下 ADC0832 與單片機(jī)的接口應(yīng)為 4 條數(shù)據(jù)線分別是 CSCLKDODI 但由于 DO端與 DI端在通信時并未同時有效并與單片機(jī)的接口是雙向的所以電路設(shè)計時可以將 DO 和 DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用當(dāng) ADC0832 未工作時其 CS 輸入端應(yīng)為高電平此時芯片禁用 CLK 和 DODI 的電平可任意當(dāng)要進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換時須先將CS 使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束此時芯片開始轉(zhuǎn)換工作同時由處理器向芯片時鐘輸入端 CLK 輸入時鐘脈沖 DODI 端則使用 DI 端 輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號在第 1 個時鐘脈沖的下沉之前 DI端必須是高電平表示啟始信號在第 23 個脈沖下沉之前 DI 端應(yīng)輸入 2 位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能當(dāng)此 2 位數(shù)據(jù)為 10 時只對 CH0 進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換當(dāng) 2 位數(shù)據(jù)為 11 時只對 CH1 進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換當(dāng) 2 位數(shù)據(jù)為 00 時將 CH0 作為正輸入端 INCH1 作為負(fù)輸入端 IN進(jìn)行輸入當(dāng) 2 位數(shù)據(jù)為 01 時將 CH0 作為負(fù)輸入端 INCH1 作為正輸入端 IN 進(jìn)行 圖 510 54 按鍵設(shè)計 鍵盤說明 S2 控制門限值的增加 S3 控制門限值的減少 S4 串口通信傳輸數(shù)據(jù)的開關(guān) S5 保 留未用 S6 采集信號的切換 圖 511 ⑵獨(dú)立式按鍵是直接用 IO 口線構(gòu)成的單個按鍵電路每個獨(dú)立式按鍵占有一根 IO口線各根 IO口線之間不會相互影響在此電路中按鍵輸入部采用低電平有效上拉電阻保證了按鍵斷開時 IO 口線有確定的高電平 STC89C52 P1 口內(nèi)部接有上拉電阻所以就不需要再外接上拉電阻 ⑶鍵盤抖動的消除抖動的消除大致可以分為硬件削抖和軟件削抖 ①硬件削抖是采用硬件電路的方法對鍵盤的按下抖動及釋放抖動進(jìn)行削抖經(jīng)過 削抖電路后使按鍵的電平信號只有兩種穩(wěn)定狀態(tài) ②軟件削抖的基本原理是當(dāng)檢測出鍵盤閉合時先執(zhí)行一個延時子程序產(chǎn)生數(shù)毫秒的延時待接通時的前沿抖動消失后再判別是否有健按下當(dāng)按鍵釋放時也要經(jīng)過數(shù)毫秒延時待后沿抖動消失后再判別鍵是否釋放 ③由于應(yīng)用硬件削抖還需要外加器件成本相對較高所以本系統(tǒng)選擇軟件延時削抖的方法 55 LCD1602 液晶顯示設(shè)計 LCD1602 液晶顯示模塊與計算機(jī)的接口電路有兩種方式它與單片機(jī)的接口方法分為直接訪問方式和間接控制方式 直接訪問方式是把液晶模塊作為存儲器或 IO 設(shè)備直接接在單片機(jī)的總線上單 片機(jī)以訪問存儲器或 IO 設(shè)備的方式操作液晶顯示模塊的工作間接控制方式則不使用單片機(jī)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)而是利用它的 I0 口來實(shí)現(xiàn)與顯示模塊的聯(lián)系即將液晶顯示模塊的數(shù)據(jù)線與單片機(jī)的 P0 口連接作為數(shù)據(jù)總線另外三根時序控制信號線通常利用單片機(jī)的 P2口中未被使用的 IO口來控制這種訪問方式不占用存儲器空間它的接口電路與時序無關(guān)其時序完全靠軟件編程實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)采用間接控制方式 以下為液晶顯示電路接線原理圖見圖 512 圖 512 在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用液晶顯示器作為輸出器件有以下幾個有點(diǎn) 顯示質(zhì)量高數(shù)字式 接口液晶顯示器都是數(shù)字式的和單片機(jī)系統(tǒng)的接口更加簡單可靠操作更加方便體積小重量輕 功耗低相對而言液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動 IC 上因而耗電量比其他顯示器要少的多 在主電路圖中接在 P0 口處有一個排阻 RP1 由于 P0 口沒有內(nèi)接上拉電阻為了為 P0 口外接線路有確定的高電平所以要接上排阻 RP1 使用的是 10K 的排阻以確保有 P0 口有穩(wěn)定的電平 56 報警線路設(shè)計 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中一般的工作狀態(tài)可以通過指示燈或數(shù)碼顯示來指示供操作人員參考了解系統(tǒng)的工作狀況但對于某些緊急狀態(tài)比如系統(tǒng)檢測到的錯誤狀態(tài)等為了使 操作人員不至于忽視及時采取措施往往還需要有某種更能引人注意提起警覺的報警信號這種報警信號通常有三種類型一是閃光報警因?yàn)殚W動的指示燈更能提醒人們注意二是鳴音報警發(fā)出特定的音響作用于人的聽覺器官易于引起和加強(qiáng)警覺三是語音報警不僅能起到報警作用還能直接給出警報種類的信息其中前兩種報警裝置因硬件結(jié)構(gòu)簡單軟件編程方便常常在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用而語音報警雖然警報信息較直接但硬件成本高結(jié)構(gòu)較復(fù)雜軟件量也增加 本設(shè)計采用聲光報警實(shí)現(xiàn)單頻音報警的接口電路比較簡單 以下為報警電路接線圖見圖 513 圖 513 57 電源電路 設(shè)計 在本次設(shè)計中需要一個比較大的電壓源和一個 5V 供電源出于簡約經(jīng)濟(jì)考慮采用芯片 7805 與 7905 以產(chǎn)生穩(wěn)定的 5V5V 電壓對于驅(qū)動 OP07 正常工作亦可采用 7815 與 7915 產(chǎn)生 15V 電壓電路圖如下圖 514 圖 514 58 差動放大器與濾波電路設(shè)計 由于采樣過來的信號總摻雜著一些干擾信號故需要一定的線路對其處理在本設(shè)計中采用差動放大器對兩個信號的差值進(jìn)行放大另外采用二級有源低通濾波器進(jìn)行濾波線路圖如下圖 515 所示其中對于低通濾波器截止頻率 f 1RC 110K001u 10K Hz 圖 515 59 串口與 USB 互轉(zhuǎn)電路設(shè)計實(shí)際使用 CP2102USB 轉(zhuǎn)串口芯片體積小巧外圍可以不需要任何元件即可夠成一個最簡單的 USBUART 方案通信速率可達(dá) 1Mbps 很容易把串口產(chǎn)品升級到 USB 口本設(shè)計引出接口包括 5V33VTXDRXDGNDRST 其中 TXDRXD 可直接接 MCU 串口 RXD 接 MCU的 TXDTXD 接 MCU 的 RXD 即可也可以接各種帶串口的設(shè)備 RST 用于復(fù)位 CP2102一般不用方便用于初期產(chǎn)品的調(diào)試在本設(shè)計中 33V接口不用該模塊使用 USB公座可直接接 到電腦的 USB 端口 硬件設(shè)計總結(jié) 這一章比較具體的說明了系統(tǒng)硬件設(shè)計的內(nèi)容通過模塊化的設(shè)計思想把一個復(fù)雜的單片機(jī)系統(tǒng)按照功能劃分成一個個單獨(dú)的電路模型分別進(jìn)行設(shè)計最后在集成到一起這種方法對于設(shè)計復(fù)雜的單片機(jī)系統(tǒng)很有效大大提高系統(tǒng)設(shè)計的效率與質(zhì)量由于我主要負(fù)責(zé)的是硬件設(shè)計所以只是簡單的介紹硬件方面的內(nèi)容 第 6 章 軟件設(shè)計 單片機(jī)程序設(shè)計 61 編譯語言的選擇 對于單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用中逐漸引入了高級語言 C 語言就是其中的一種匯編語言的可控性較高級語言來說更具優(yōu)越性程序編寫語言比較常見的有 C 語言匯編語言匯編語言的機(jī)器 代碼生成效率高控制性好但就是移植性不高 C 語言編寫的程序比用匯編編寫的程序更符合人們的思考習(xí)慣還有很多處理器都支持 C 編譯器這樣意味著處理器也能很快上手且具有良好的模塊化容易閱讀維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)且編寫的模塊程序易于移植基于 C 語言和匯編語言的優(yōu)缺點(diǎn)本系統(tǒng)采用 C 語言編寫方法 62 程序設(shè)計 軟件編寫的主體思路是將系統(tǒng)按功能模塊化劃分然后根據(jù)模塊要實(shí)現(xiàn)的功能按一定的順序組合成一個整體具體框圖見下圖 61 下面介紹各模塊的具體功能工作時序等 AD 轉(zhuǎn)換模塊 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的主要功能就是將經(jīng)放大濾波后的模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為 MCU能夠處理的數(shù)字信號并傳送給 MCUAD 芯片的數(shù)據(jù) CS 口連接單片機(jī)的 P27 口 CLK接 P24 口 D1 和 D0 接 P26 口 工作時序如下所示 ADC0832 有 8 只引腳 CH0 和 CH1 為模擬輸入端 CS 為片選引腳只有 CS 置低才能對 ADC0832 進(jìn)行配置和啟動轉(zhuǎn)換 CLK 為 ADC0832 的時鐘輸入端 CS 在整個轉(zhuǎn)換過程中都必須為低當(dāng) CS 為低時在數(shù)據(jù)輸入端 DI 數(shù)據(jù)輸入端加一個高電平接著在 CLK上加一個時鐘 DI上的邏輯 1就會使 ADC0832 的 DI脫離高阻態(tài)然后通道配置數(shù)據(jù)伴隨著時鐘通過 DI 端移入多路器當(dāng)最后一位數(shù)據(jù)移入多路器時 DI 變?yōu)楦咦钁B(tài)在這以前 DO 數(shù)據(jù)輸出端都為高阻態(tài)在經(jīng)過一個時鐘 DO脫離高阻態(tài)從而啟動轉(zhuǎn)換接著從處理器接收時鐘信號每經(jīng)過一個時鐘轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)就會從高位到低位依次從 DO 移出經(jīng)過 8 個時鐘后數(shù)據(jù)又以從低位到高位的形式從 DO移出也是每個時鐘移一位當(dāng)最后一位數(shù)據(jù)移出時轉(zhuǎn)換完成當(dāng) CS從低變?yōu)楦邥r ADC0832 內(nèi)部所有寄存器清零如想要進(jìn)行下一次轉(zhuǎn)換 CS 必須做一個從高到低的跳變后跟著地此配置數(shù)據(jù)重復(fù)上面的過程 按鍵模塊 按鍵時顯現(xiàn)人機(jī)對話的一個控制按鈕通過按鍵的操作對系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)送操作指令后經(jīng)與 MCU 串行通信然后在液晶上顯示 以查詢的方式進(jìn)行工作 圖 61 程序流程圖 示模塊 液晶顯示 D0 到 D7 口接 P00 到 。 01V 相對濕度 65177。 5 室溫 PH 加熱功耗 ≤ 800mW B 環(huán)境條件 符號 參數(shù)名稱 技術(shù)條件 備注 Tao 使用溫度 20℃50℃ Tas 儲存溫度 20℃ 70℃ RH 相對濕度 小于 95 RH O2 氧氣濃度 21 標(biāo)準(zhǔn)條件 氧氣濃度會影響靈敏度特性 最小值大于２％ C．靈敏特性 符號 參數(shù)名稱 技術(shù)參數(shù) 備注 Rs 敏感體電阻 1MΩ 8 MΩ 200ppm alcohol 適用范圍 005mgL10mgLAlcohol α 202100alcohol 濃度斜率 ≤ 06 標(biāo)準(zhǔn)工作條件 溫度 20 ℃ 177。 01V AC or DC VH 加熱電壓 50V177。10179。 14179。 01 工作電流 mA 90177。 2 和 40179。 116179。 16 點(diǎn)陣漢字 簡繁體可選 內(nèi)置 128 個 16179。 16 點(diǎn)陣的漢字 也可完成圖形顯示低電壓低功耗是其又一顯 著特點(diǎn)由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多且該模塊的價格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊基本特性 低電源電壓 VDD305