【正文】 有害氣體或液體(蒸汽)檢測報警，是非常必要的。有害氣體檢測報警儀是專用的安全衛(wèi)生檢測儀，用來檢測化學(xué)品作業(yè)場所或設(shè)備內(nèi)部空氣中的可燃或有毒氣體的含量并超限報警。(2)檢修檢測：設(shè)備檢修置換后檢測殘留有害氣體或液體(蒸汽)，特別是動火前檢測更為重要。(4)進入檢測：工作人員進入有害物質(zhì)隔離操作間，進入危險場所的下水溝、電纜溝或設(shè)備內(nèi)操作時，要檢測有害氣體或液體蒸汽。隨著人類社會的進步、生產(chǎn)的發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，隨之帶來了環(huán)境空氣污染問題。一氧化碳雖然不會使酸雨現(xiàn)象嚴(yán)重，但是對人們的身體健康有影響。一氧化碳濃度的高低是評價空氣質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)之一，也是工廠、煤礦井下是否發(fā)生自燃火災(zāi)的重要標(biāo)志之一。國家工業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，生產(chǎn)現(xiàn)場一氧化碳濃度不允許超過 50ppm 。　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在應(yīng)用方面，目前最廣泛的是可燃性氣體氣敏元件傳感器，已普及應(yīng)用于氣體泄漏檢測和監(jiān)控，從工廠企業(yè)到居民家庭，應(yīng)用十分廣泛。美國工業(yè)科學(xué)公司(ISC)一臺攜帶式氣體監(jiān)控儀可實現(xiàn)4種氣體監(jiān)測，采用了統(tǒng)一的軟件，只需要換氣體傳感器，即可實現(xiàn)對特定氣體監(jiān)測。(1)氣體傳感器向低功耗、多功能、集成化方向發(fā)展國外氣體傳感器發(fā)展很快，一方面是由于人們安全意識增強，對環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另一方面是由于傳感器市場增長受到政府安全法規(guī)的推動。目前，氣體傳感器的發(fā)展趨勢集中表現(xiàn)為：一是提高靈敏度和工作性能，降低功耗和成本，縮小尺寸，簡化電路，與應(yīng)用整機相結(jié)合，這也是氣體傳感器一直追求的目標(biāo)。二是增強可靠性，實現(xiàn)元件和應(yīng)用電路集成化，多功能化，發(fā)展MEMS技術(shù)，發(fā)展現(xiàn)場適用的變送器和智能型傳感器。(2)國內(nèi)現(xiàn)狀與差距氣敏元件傳感器作為新型敏感元件傳感器在國家列為重點支持發(fā)展的情況下，國內(nèi)已有一定的基礎(chǔ)。產(chǎn)量超過20萬支的主要廠家有5家，黑龍江敏感集團、太原電子廠、云南春光器材廠、天津費加羅公司(合資)、北京電子管廠(特種電器廠)，其中前四家都超過100萬支，據(jù)行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，1998年全國氣敏元件總產(chǎn)量已超過600萬支?！”疚闹饕獌?nèi)容及章節(jié)安排本文主要講述基于單片機的毒氣檢測系統(tǒng)的設(shè)計全過程，包括硬件電路設(shè)計、軟件設(shè)計、電腦仿真和實物制作。第2章主要講述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計，包括最小系統(tǒng)、AD轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊、聲音報警模塊和傳感器模塊。第2章　硬件系統(tǒng)設(shè)計　硬件總體設(shè)計單片機應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分三個層次：(1)單片機：通常指應(yīng)用系統(tǒng)主處理機，即所選擇的單片機器件。(3)單片機應(yīng)用系統(tǒng)：能滿足嵌入對象要求的全部電路系統(tǒng)。單片機應(yīng)用系統(tǒng)三個層次的關(guān)系如圖21：圖21 單片機應(yīng)用系統(tǒng)三個層次的關(guān)系以此理解，一氧化碳報警器同樣具有單片機應(yīng)用系統(tǒng)的三個層次。在此系統(tǒng)中，檢測信號進入單片機進行運算處理。整個報警器由三個部分組成，分為三大模塊：濃度檢測模塊、主控模塊和報警模塊。為了保重整個系統(tǒng)可靠的運行，設(shè)計中必須明確三大部分的實際聯(lián)系：以單片機為中心，其他各大模塊一一展開。系統(tǒng)框圖如圖22所示。(2)主控模塊主控模塊即單片機最小系統(tǒng)。內(nèi)帶4K字節(jié)的內(nèi)存和程序保護系統(tǒng)，使用于程序的調(diào)試修改和保密。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果決定是否報警，若報警，則驅(qū)動報警系統(tǒng)工作。至此，本系統(tǒng)的三大模塊功能和設(shè)計思路已經(jīng)確立，下文將介紹整個硬件系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計過程。　單片機的最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)原理圖如下：圖23 單片機最小系統(tǒng)原理圖單片機的最小系統(tǒng)是由組成單片機系統(tǒng)必需的一些元件構(gòu)成的，除了單片機之外，還需要包括電源供電電路、時鐘電路、復(fù)位電路?！纹瑱C簡介本課題所用單片機采用8051核的ISP(In System Programming)在系統(tǒng)可編程芯片，最高工作時鐘頻率為80MHz，片內(nèi)含4K Bytes的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，具有在系統(tǒng)可編程(ISP)特性，配合PC端的控制程序即可將用戶的程序代碼下載進單片機內(nèi)部，省去了購買通用編程器，而且速度更快。主要特性有：　　(1)增強型1T 流水線/ 精簡指令集結(jié)構(gòu)8051 CPU　　(2)工作電壓： (5V 單片機)/ (3V 單片機　　(3)工作頻率范圍：0 35 MHz，相當(dāng)于普通8051 的0～.　　(4)用戶應(yīng)用程序空間12K / 10K / 8K / 6K / 4K / 2K 字節(jié)　　(5)片上集成512 字節(jié)RAM　　(6)通用I/O 口(27/23個)，復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/ 弱上拉(普通8051 傳統(tǒng)I/O 口)可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/ 弱上拉，推挽/ 強上拉，僅為輸入/ 高阻，開漏每個I/O 口驅(qū)動能力均可達到20mA，但整個芯片最大不得超過55mA　　(7)ISP(在系統(tǒng)可編程)/IAP(在應(yīng)用可編程)，無需專用編程器可通過串口()直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片　　(8)EEPROM 功能　　(9)看門狗　　(10)內(nèi)部集成MAX810 專用復(fù)位電路(外部晶體20M 以下時，可省外部復(fù)位電路)　　(11)時鐘源：外部高精度晶體/ 時鐘，內(nèi)部R/C 振蕩器。常溫下內(nèi)部R/C 振蕩器頻率為： ～。10 位精度ADC，共8 路　　(16)通用異步串行口(UART)　　(17)SPI 同步通信口，主模式/ 從模式　　(18)工作溫度范圍：0 75℃/ 40 +85℃(19)封裝：PDIP28，SOP28，PDIP20，SOP20，PLCC32,TSSOP20(超小封狀，定貨)振蕩器特性:：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。單片機的時鐘信號通常有兩種產(chǎn)生方式：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。在單片機XTAL1和XTAL2引腳上跨接上一個晶振和兩個穩(wěn)頻電容，可以與單片機片內(nèi)的電路構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。外接電容的作用是對振蕩器進行頻率微調(diào)，使振蕩信號頻率與晶振頻率一致，同時起到穩(wěn)定頻率的作用，本課題選用33pF的電容。2)復(fù)位電路圖25 復(fù)位電路原理圖無論是在單片機剛開始接上電源時，還是運行過程中發(fā)生故障都需要復(fù)位。單片機的復(fù)位條件：必須使其RST引腳上持續(xù)出現(xiàn)兩個(或以上)機器周期的高電平。本課題采用按鍵復(fù)位。當(dāng)按鍵按下的時候，開關(guān)導(dǎo)通，這個時候電容兩端形成了一個回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個過程中，電容開始釋放之前充的電量。根據(jù)串聯(lián)電路電壓為各處之和，甚至更大，所以RST引腳又接收到高電平?！/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖如下：圖26 AD轉(zhuǎn)換模塊原理圖本A/D轉(zhuǎn)換電路以ADC0809芯片為核心，該芯片在單片機的控制下把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。)傳感器的模擬電壓信號通過IN0~IM3通道進入ADC0809,，ADC0809的數(shù)據(jù)輸出接單片機的P0口，~。根據(jù)ADC0809的工作過程，通過軟件控制ADC0809工作。(2)具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?。(4)單個+5V電源供電。(6)工作溫度范圍為40～+85攝氏度?！DC0809引腳功能說明IN0～IN7：8路模擬量輸入端。A、B、C：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)換啟動信號，輸入高電平有效，START上升沿時，復(fù)位ADC0809；START下降沿時啟動芯片，開始進行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持 低電平。EOC：A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平(轉(zhuǎn)換期間一直為低電平)。當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量，用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。CLK：時鐘脈沖輸入端。使用中該狀態(tài)信號即可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可作為中斷請求信號使用。Vcc：電源，單一＋5V。　ADC0809工作過程電路連接：ADC0809輸出接單片機的P0口，各個控制引腳及單片機的P2口，參考電壓REF(+)、REF()分別接+5V電源和地，引腳START和ALE相連。并對其他控制引腳進行初始化。　一氧化碳傳感器介紹選擇一氧化碳傳感器主要考慮以下的性能指標(biāo)：(1)輸入和輸出之間成比例，直線性好、靈敏度高、分辨力強、測量范圍寬。(7)體積小、重量輕、價格低廉。(9)由于傳感元件的輸出信號一邊比較小，為了便于能夠驅(qū)動控制電路，在傳感器電路中還應(yīng)該包括放大器。為此我們選擇了MQ7系列傳感器。采用高低溫循環(huán)檢測方式低溫()檢測一氧化碳，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中一氧化碳?xì)怏w濃度增加而增大，高溫()清洗低溫時吸附的雜散氣體。MQ7氣體傳感器對一氧化碳的靈敏度高，這種傳感器可檢測多種含一氧化碳的氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。l 長壽命，低成本。加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。圖27 MQ7實物圖圖28是傳感器的基本測試電路。其中VH用于為傳感器提供特定的工作溫度。這種傳感器具有輕微的極性，VC需用直流電源。為更好利用傳感器的性能，需要選擇恰當(dāng)?shù)腞L值。Led數(shù)碼管(LED Segment Displays)是由多個發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內(nèi)部連接完成，只需引出它們的各個筆劃，公共電極。顏色有紅，綠，藍(lán)，黃等幾種。[4]數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高?！÷曇魣缶娐仿曇魣缶娐吩韴D如下：蜂鳴器發(fā)聲原理是電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場來驅(qū)動振動膜發(fā)聲的，因此需要一定的電流才能驅(qū)動它，單片機IO引腳輸出的電流較小，單片機輸出的TTL電平基本上驅(qū)動不了蜂鳴器，因此需要增加一個電流放大的電路。圖26 聲音報警原理圖當(dāng)某路或多路傳感器報警時，蜂鳴器發(fā)出聲音報警信號。然后，將基于已有的硬件電路編寫軟件程序，完成系統(tǒng)的整體設(shè)計第3章　軟件系統(tǒng)設(shè)計　軟件總體設(shè)計思想基于已有的電路，將采用C語言編寫程序。初始化后開始無限無限循環(huán)，以保證24小時全天候的檢測一氧化碳的濃度，及時發(fā)現(xiàn)險情并報警。主程序流程圖如下：圖31 主函數(shù)流程圖下面介紹本軟件系統(tǒng)的幾個主要函數(shù)，對于硬件端口定義和初始化部分不做詳細(xì)介紹。程序流程圖如下：圖32 AD轉(zhuǎn)換函數(shù)流程圖另外，ADC0809的時鐘信號也由單片機提供。利用軟件對定時器T0進行初始化，設(shè)定定時器T0工作于方式2，計數(shù)初值為250，開總中斷和定時器中斷，最后啟動定時器。程序流程圖如下：圖33 時鐘程序流程圖　顯示報警函數(shù)顯示報警函數(shù)根據(jù)報警數(shù)組控制相應(yīng)數(shù)碼管顯示報警傳感器號碼。流程圖如下：圖35 顯示報警函數(shù)流程圖　本章小結(jié)本章主要介紹了軟件系統(tǒng)的整體設(shè)計，以及各個功能模塊的子程序的設(shè)計思路。而且，由于程序采用C語言編寫，所以可移植性好，僅需更改軟件中硬件接口部分。為了保證實物制作的順利進行，先利用軟件仿真，仿真成功后再制作硬件?！≤浖喗楸菊n題將用到兩款軟件：Protues和Keil，下面簡單介紹這兩款軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。其處理器模型支持805HC1PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC3AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用?！±L制電路原理圖首先，按照安裝說明安裝并破解Protues軟件，然后打開Protues軟件中的ISIS Professional。2)選擇單片機型號，考慮到兼容性問題，編程時選擇Atmel 的89C51單片機。4)編寫程序并調(diào)試，直至無語法錯誤。Proteus軟件具有獨特的單片機協(xié)同仿真功能(VSM)：支持主流的CPU類型：如ARM8051/5AVR、PIC10/1PIC1PIC1PIC2dsPIC3HC1BasicStamp、808MSP430等，CPU類型隨著版本升級還在繼續(xù)增加，如即將支持CORTEX、DSP處理器；支持通用外設(shè)模型：如字符LCD模塊、圖形LCD模塊、LED點陣、LED七段顯示模塊、鍵盤/按鍵、直流/步進/伺服電機、RS232虛擬終端、電子溫度計等等，其COMPIM(COM口物理接口模型)還可以使仿真電路通過PC機串口和外部電路實現(xiàn)雙向異步串行通信；實時仿真：支持UART/USART/EUSARTs仿真、中斷仿真、SPI/I2C仿真、MSSP仿真、PSP仿真、RTC仿真、ADC仿真、CCP/ECCP仿真；編譯及調(diào)試：支持單片機匯編語言的編輯/編譯/源碼級仿真，內(nèi)帶805AVR、PIC的匯編編譯器，也可以與第三方集成編譯環(huán)境(如IAR、Keil和Hitech)結(jié)合，進行高級語言的源碼級仿真和調(diào)試。通過仿真，對電路和程序做出相應(yīng)修改，直至成功；無報警時如下圖圖43 無報警報警時如下圖(3號報警)：