【正文】 ......................................................... 36 附錄 B 源程序 .................................................................................................................. 47 畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒論 課題研究的目的意義 CO 是一種有毒易燃易爆性氣體，常溫下無色無味、難溶于水，但易溶于氨水。在受 CO 的環(huán)境污染中，人們慢性中毒時(shí)完全意識不到它的存在， CO 的這一特性更增加了它的危害性。而且它們結(jié)合后不易分離，它們的解離速度只有氧和血紅蛋白的 1/3600。甚至還能奪走人體內(nèi)的氧氣，導(dǎo)致組織低氧癥，使人體腦及全身組織缺氧窒息而中毒。接觸高濃度的 CO 在很短的時(shí)間內(nèi)可導(dǎo)致窒息死亡。在化工生產(chǎn)中， CO 是一種有毒的危機(jī)工人生命安全的副產(chǎn)品。在火災(zāi)的早期預(yù)測預(yù)報(bào)中， CO 也被確定為監(jiān)測的最重要?dú)怏w之一，傳統(tǒng)的感溫、感煙、感火焰的火災(zāi)探測器從原理上講都是利用它的物理特性來探測火災(zāi)的，物理特性往往是火災(zāi)發(fā)生以后才產(chǎn)生的，不利于火災(zāi)早期預(yù)測預(yù)報(bào)。在日常生活中， CO 是智能家具系統(tǒng)、大氣環(huán)境監(jiān)測等重要的參數(shù)指標(biāo)，隨著人居住和工作環(huán)境的改善，城市居民每天在室內(nèi)的活動(dòng)時(shí)間以占 90%左右，因而人們越開越關(guān)心室內(nèi)空氣質(zhì)量問題。為了實(shí)現(xiàn)對 CO 的檢測，裝設(shè)可燃?xì)怏w檢測器，及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故隱患、盡早采取補(bǔ)救措施是非常必要的。在工業(yè)安全生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)、環(huán)境監(jiān)測、日常生活、等領(lǐng)域需要監(jiān)測 CO 濃度。目前隨著城市煤氣、天然氣使用的迅速發(fā)展，城市鼓勵(lì)液化氣小區(qū)取代傳統(tǒng)的家用液化氣鋼瓶以及城市里的加油站的日益增多這些因素都可能有大量 CO 出現(xiàn)，因而對 CO 氣體的檢測顯得日益重要。 因此，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的測出這些場合 CO 的濃度，對有效防止 CO 中毒、火災(zāi)的早期預(yù)測預(yù)報(bào)、保障工業(yè)安全生產(chǎn)等方面具有十分重要的意義 [1]。它是 20 世紀(jì) 70 年代中期，美國 Enterqertics Science 公司發(fā)表三電極控制電位原理檢測 CO 敏感元件專利產(chǎn)品。從分析方法上分，主要有：電化學(xué)法、電氣法（熱導(dǎo)式和半導(dǎo)式）、色譜法（層析法）、光學(xué)吸收法（紅外吸收法和紫外吸收法）等。氣體管起源于美國， 1919 年美國哈佛大學(xué)研究出第一支 CO 氣體檢測管。目前氣體檢測管仍然是氣體快速檢測的一個(gè)重要方法。從國內(nèi)產(chǎn)品性能來看，由于敏感元件受到國內(nèi)材料及加工技術(shù)水平的限制，所研制和生產(chǎn)的元件測量范圍小，產(chǎn)品合格率低、密封性差而漏液、使用壽命短，產(chǎn)品性能與國外先進(jìn)水平差距較大。仍然存在技術(shù)不過關(guān)，使用壽命短等問題。 目前國內(nèi)只有少量的 CO 檢測報(bào)警儀使用于現(xiàn)場，特別是在煤礦井下顯得更加落畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 后，大部分煤礦采取人工井下采樣、地面分析化驗(yàn)的方法，甚至還采用檢測管檢測的方法。也很難滿足煤礦井下采空區(qū)、火區(qū)、密閉區(qū)等具有高濃度 CO 監(jiān)測的需要。 各國一氧化碳檢測的發(fā)展 目前市場上廣泛 使用的 CO 傳感器主要有金屬氧化物半導(dǎo)體型、電化學(xué)固體電解質(zhì)型和電化學(xué)固體高分子電解質(zhì)型等三種類型。目前國外電化學(xué)式 CO 傳感器大多采用的是液體酸性電解質(zhì)，鉑黑催化電極，采用電化學(xué)法中恒電位電解法的原理，進(jìn)行 CO 濃度的檢測。其中具有代表性的產(chǎn)品主要有：日本理研計(jì)器株式會(huì)社研制的 CO7 型， CO82 型電化學(xué) CO 傳感器；美國 Interscan 公司的 LD145 型電化學(xué) CO 傳感器；中美合資 MSA 有限公司研制的MiniCO 型電化學(xué) CO 傳感器。同時(shí)對系統(tǒng)長期工作穩(wěn)定性、易維修性等方面的要求越來越高。 CO 傳感器 電化學(xué)傳感器 CO 檢測系統(tǒng)中傳感器的選擇很重要，目前達(dá)到實(shí)際應(yīng)用水平的主要有半導(dǎo)體式和電化學(xué)式兩種。相比之下，電化學(xué) CO 傳感器由于具有靈敏度高、重現(xiàn)性好、功耗低、本質(zhì)安全等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，使得電化學(xué)式傳感器成為目前使用最普遍的一類傳感器，更適合于在惡劣環(huán)境下對煤礦 CO 濃度的檢測。典型的電化學(xué)傳感器由傳感電極（或工作電極）和反電極組成，并由一個(gè)薄電解層隔開。采用這種方法可以允許適量氣體與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，以形成充分的畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 電信號，同時(shí)防止電解質(zhì)漏出傳感器。這些反應(yīng)由針對被測氣體而設(shè)計(jì)的電極材料進(jìn)行催化。測量該電流即可確定氣體濃度。 在實(shí)際中，由于電極表面連續(xù)發(fā)生電化發(fā)應(yīng)，傳感電極電勢并不能保持恒定，在經(jīng)過一段較長時(shí)間后， 它會(huì)導(dǎo)致傳感器性能退化。 參考電極安裝在電解質(zhì)中，與傳感電極鄰近。參考電極可以保持傳感電極上的這種固定電壓值。氣體分子與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)測量反電極，測量結(jié)果通常與氣體濃度直接相關(guān)。 本設(shè)計(jì) CO 傳感器的選擇 本設(shè)計(jì)采用 CO/CF1000 電化學(xué)式有毒氣體傳感器，該傳感器性能優(yōu)于同類傳感器，內(nèi)部的過濾器可以很好地去除 CO 以外的干擾氣體，在硬件上彌 補(bǔ)了傳統(tǒng) CO 傳感器交叉反應(yīng)的不足。20nA/ppm 分辨率 ................................ ppm 溫度范圍 ..............................20℃ to 45℃ 壓力范圍 ..............................大氣壓 響應(yīng)時(shí)間 (T 90)....................... 40 seconds 濕度范圍 ..............................1590 %RH（非凝結(jié)） 零點(diǎn)輸出 (純凈空體， 20℃ ).............1 to +3 ppm 最大零點(diǎn)漂移 (20℃ to 40℃ ).............10 ppm 長期漂移 .............................2% /每月 線性度輸出 ............................線性 偏置電壓 ............................無需 畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 第 2 章 總體設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)思路 本設(shè)計(jì)是由軟件和硬件的配合來實(shí)現(xiàn)的，我的主要工作就是軟件的設(shè)計(jì)， 在了解電路設(shè)計(jì)原理后，根據(jù)原理和目的畫出 程序 流程圖， 用匯編語言進(jìn)行編程，如 A/D轉(zhuǎn)換程序，報(bào)警程 序，顯示程序及所用到的進(jìn)制轉(zhuǎn)換程序，即十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制。然后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過硬件的放大濾波處理后，送至單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。系統(tǒng)軟件采取模塊化結(jié)構(gòu)，主程序分別調(diào)用初始化程序， A/D 采樣程序， LED 顯示程序（聲光報(bào)警和外圍控制程序），結(jié)果存儲(chǔ)程序等，來完成整個(gè)傳感器輸出信號的智能量化過程。 主要算法 初步考慮的算法 溫度補(bǔ)償方法 : CO 電化學(xué)傳感器在其量程內(nèi)輸出為線性，所以在其工作溫度范圍內(nèi)選取 2 個(gè)不同溫度，每個(gè)溫度下測量 2 個(gè)數(shù)據(jù)，就可以對輸入輸出特性進(jìn)行標(biāo)定。 A1 (Ti) 為不同工作溫度的靈敏度，i=1， 2。 P1=A0 (T2 ) +A1 (T2).u (P1, T2 ) (4) P2=A0 (T2) +A1 (T2).u (P2, T2) (5) 解式 (4)、式 (5)，求 T=T2時(shí)的系數(shù) A0(T2)， A1(T2)。T (6) 將 A0(T1)， T1和 A0(T2),T2帶人式 (6)，得到式 (7)，式 (8) A0(T1)=a0+a1. T1 (7) A0(T2)=a0+a1. T2 (8) 解方程得到 a0， a1。T 1 (10) A1 (T2) =b0+b1 確定了系數(shù) a0， a1， b0， b1后，可以確定溫度系數(shù) A0(T)， A1(T)，這樣就可以根據(jù)測 量的電壓值求出當(dāng)前溫度下的 CO體積分?jǐn)?shù)值 [4]。 CO氣體電化學(xué)傳感器輸出為線性電流信號，電壓和 CO氣體體積分?jǐn)?shù)為線性關(guān)系： P=K 式中： P為 CO體積分?jǐn)?shù)，單位為 ppm； K為比例系數(shù)， K值約為 2； u為電壓值，單位為 mV。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 第 3 章 軟件 設(shè)計(jì) 主程序設(shè)計(jì) 主程序是軟件的主體框架，它的主要任務(wù)是首先完成系統(tǒng)初始化，然后循環(huán)判斷各個(gè)標(biāo)志，一旦滿足條件就進(jìn)入相應(yīng)的子功能模塊中，當(dāng)處理完后再返回到主循環(huán)中。為了便于調(diào)試、連接和擴(kuò)展，采用模塊化程序設(shè)計(jì)技術(shù)，模塊間任務(wù)劃分明確、耦合清晰，避免了重復(fù)設(shè)計(jì)，彼此間具有相對的獨(dú)立性。 A/D 初始化后系統(tǒng)開始工作，首先采樣 CO 濃度并顯示， 超過安全值報(bào)警。 外部中斷 0 地址入口 AJMP INTDATA ORG 000BH 。 把堆棧起始地址設(shè)在 70H MOV TMOD,11H 。T0 定時(shí)器初值 提供大約 250K HZ 的頻率給 ADC0809 的 CLOCK SETB TR0 。 允許 T0 中斷 A/D 轉(zhuǎn)換程序的設(shè)計(jì) ADC0809 簡介 ADC0809 是采樣頻率為 8 位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。 ： (1)8 路 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換 器，即分辨率 8 位。 (3)轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100μs。 (5)模擬輸入電壓范圍 0～＋ 5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。 (7)低功耗，約 15mW。 (引腳功能 )： ADC0809 芯片有 28 條引腳，采用雙列直插式封裝。 IN0～ IN7： 8 路模擬量輸入端。 ADDA、 ADDB、 ADDC： 3 位地址輸入線，用于選通 8 路模擬輸入中的一路。 START： A/D 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號，輸入，高電平有效。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。 CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。 REF(+)、 REF()：基準(zhǔn)電壓。 GND：地。此地址經(jīng)譯碼選通 8 路模擬輸入之一到比較器。下降沿啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換，之后 EOC 輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。當(dāng) OE 輸入高電平時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線 上 [7]。開啟總中斷 CLR F0 。啟動(dòng) AD SETB IT0 。開外中斷 0 允許 CLR SETB SETB 。等待 AD 轉(zhuǎn)換結(jié)束，電壓值的十 六進(jìn)制數(shù)讀到 40H 里面 A/D 轉(zhuǎn)換程序流程圖 在啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，由寫信號 /WR和 ADC0809的地址鎖存和轉(zhuǎn)換啟動(dòng) 。令 =0， A0、A A2給出被選擇的模擬通道的地址，令 A0A1A2=000，這時(shí)的 ADC0809的地址是6FF8H，且指向通道 0（ IN0）。當(dāng) 40H 里面的電壓值大于 53H 某個(gè)數(shù)時(shí)報(bào)警 SUBB A,53H JC OUT1 開始 40H 里的值賦給 A A大于 53H 里的值 清零 A大于 54H 里的值 清零 A大于 55H 里的值 置 返回 圖 33 報(bào)警子程序流程圖 N N N Y Y Y 畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 CLR MOV A,40H 。當(dāng) 40H 里面的電壓值大于 55H 某個(gè)數(shù)時(shí)報(bào)警 SUBB A,55H JC OUT1 SETB OUT1: RET 顯示程 序設(shè)計(jì) 在單片機(jī)系統(tǒng)中，通常用 LED 數(shù)碼顯示器來顯示各種數(shù)字或符號。 LED 顯示是用發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件，也可稱為數(shù)碼管，其外形結(jié)構(gòu)如圖所示，由圖可見它由 8 個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成，通過不同的組合可用來顯示 0～ A～F 及小數(shù)點(diǎn)。我們這次就是采用的共陽極 LED，所以這里要介紹共陽極數(shù)碼管。由于顯示的各位可以相互獨(dú)立，各位可以互相顯示，只要在該位的段選線上保持段選碼電平，該位就能保持相應(yīng)的顯示字符。動(dòng)態(tài)顯示是將所有位的段選線相應(yīng)的并聯(lián)在一起，由一個(gè) 8 位的 I/O口控制，形成段選線的多路復(fù)用。要 LED 能夠顯示相應(yīng)的字符，就必須采用動(dòng)態(tài)掃描方式，只要每位顯示的時(shí)間足夠短，則可造成多位同時(shí)顯示的假象，達(dá)成顯示的目的。 發(fā)光二極管的工作電壓為 ，工作電流為幾毫安到幾十毫安，壽命很長。例如：當(dāng) a,b,c,d,e,f,g 七個(gè)字段同時(shí)亮?xí)r，顯示 b、 c 段亮?xí)r，顯示出 1。使用時(shí)公共端接 Vcc，當(dāng)某陽極為低電平時(shí)，該發(fā)光二極管就導(dǎo)通發(fā)光。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 LED 顯示器工作在靜態(tài)顯示時(shí)，其公共陽極（或陰極）接 Vcc（ GND），一直處于顯示有效狀態(tài)，所以每一位的顯示內(nèi)容必須由鎖存器加以鎖存，顯示各位相互獨(dú)立。若顯示 位數(shù)增多，則靜態(tài)顯示方式很難適應(yīng)。 表 22 共