【正文】 的實際情況，單片機型號的選擇主要從以下兩點考慮 :一是要有較強的抗干擾能力。由于 51系列在我國使用最廣且該系列的資料和能夠兼容的外圍芯片也比較多，特別是 ATMEL公司推出的AT89C51單片機，其具有較高的性能價格比和較高的抗干擾能力。 AT89C51是一種帶 4K字節(jié)閃爍可編程可擦除 只讀存儲器 低電壓，高性能 CMOS8位微處理器，俗稱 單片機 。該器件采用 ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的 MCS51指令集和輸出管腳相兼容。 15 3 系統(tǒng)硬件設計 系統(tǒng)硬件設計是本設計的重中之重，其具體包括：系統(tǒng)的電源 、 數(shù)據(jù)采集以及信號調(diào)理部分 、 A/D 轉換電路部分 、 顯 示部分電路 、 電池電量監(jiān)測部分 、 報警電路等各部分的設計電路，下面給予詳細闡述 。因現(xiàn)場部分的電路中需使用到不同的電源電壓值，例如：傳感器需要 +6V的標準電壓，而 A/D轉換器則需要 177。具體的電路設計如圖 。在不同的測試條件下，其終止電壓和使用壽命如表 所示 。其具體電路連接圖如圖 。本設計利用 AT89C51的 ，當?shù)竭_加熱或恢復時間后，由CH4_KZ端輸入的控制電平，切換 2種工作狀態(tài)。圖 ， T2是瓦斯傳感器 MQ214，當 CH4_KZ輸入低電平時，處于加熱狀態(tài)，加熱通路為 T Q R4。 MQ214的加熱電阻為 20～ 100Ω，因此， T2第 2腳的電壓最大為51/(51+20)]6≈，最小為 [51/(51+100)]6≈2V； 選擇 A/D轉換器 AD574A的最高輸入電壓為 10V的模擬輸入端，范圍為 0～ 10V，為了使調(diào)理電路輸出電壓在合理的范圍內(nèi)，電路使用了反向放大 2倍的放大電路；同時，為了保持相位與輸入信號相同，在后一級使用反向放大倍數(shù)為 1的放大器。當控制電平端輸入高電平時，電路處于恢復狀態(tài) (Q1三極管關斷 )，輸入電壓略小于 3V。 62CH 4 _ INXX5 1 6 1 2V = =R + 5 1 R + 5 1?? （ ） + 6V+C11 0u FC20 .1 u FR31 0KQ18 05 0R23KR15 10Q28 05 0R451+5IN1OUT2T2M Q 2 14O P 07R51 0KR71 0KR62 0KO P 07+ 15 V 1 5 V+ 15 V 1 5 VR91 0KR 1 01 0KR81 0KGNDGNDC H 4 _I NC H 4 _K Z 圖 信號采集及調(diào)理電路圖 模數(shù)轉換芯片 AD574A原理及連接方法 AD574A是美國模擬數(shù)字公司 (Analog)推出的單片高速 12位逐次比較型 A/D轉換器，內(nèi)置雙極性電路構成的混合集成轉換芯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉換功能，只需外接少量的阻容件即可構成一個完整的 A/D 轉換器。1/2LBS 或 177。5V 和 0—177。15V 和 5V (6) 數(shù)據(jù)輸出格式： 12 位 /8 位 (7) 芯片工作模式：全速工作模式和單一工作模式 AD574A 的管腳如圖 所示，其 對應個管腳的功能、名稱及序號如表 18 所示。當為高電平是，進行 8 位轉換，為低電平進行 12 位轉換 5 R/C 讀出或轉換控制信號，用于控制 ADC574A 是轉換還是讀出。 6 CE 芯片允許信號，高電平有效。 8 BOUT 10V 基準電源電壓輸出端 9 AG 模擬地端。通過這 12 條數(shù)據(jù)總線向外輸出 A/D 轉換數(shù)據(jù)。 AD 轉換器的數(shù)據(jù)輸出也通過 P0 口數(shù)據(jù)總線連至 AT89C51，由于我們只使用了 8 位數(shù)據(jù)口， 12 位數(shù)據(jù)分兩次讀進 AT89C51，所以當 AT89C51的 查詢到 STS 端轉換結束信號后，先將轉換后的 12 位 A/D 數(shù)據(jù)的高 8 位讀進單片機，然后再將低 4 位讀進單片機。 無線傳輸模塊 PTR2021原理及應用 本文中的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊采用 PTR2021，因為它是目前集成度較高的無線收發(fā)產(chǎn)品，其接收和發(fā)送合為一體，具有兩個頻道，可滿足多信道工作的場合，內(nèi)置 nRF401芯片，數(shù)據(jù)無需曼徹斯特編碼，外圍元件只需 10個，編程開發(fā)工作容易，圖 PTR2021模塊的引腳。 表 PTR2021引腳功能說明 管腳序號 名稱 功能 1 VCC 正電源端， ～ 2 CS 頻道選擇端， CS=0選擇工作頻道 1，即 433． 92MHz； CS=1選擇工作頻道 2，即 3 DO 數(shù)據(jù)輸出端 4 DI 數(shù)據(jù)輸入端 5 GND 電源地端 6 PWR 節(jié)能控制端。 TXEN=1時，模塊為發(fā)射狀態(tài)； TXEN=0時，模塊為接收狀態(tài) 由 表 ，具體設置可見表 ，設置不同的引腳輸入電平將得到不同的工作模式，可以由此設置 讓 PTR2021無線傳輸模塊工作于接收或者放射狀態(tài)。 PTR2021的 DO腳連接 AT89C51的 RXD腳。 PTR2021的 DI腳連接 AT89C51的 TXD腳。 PTR2021的TXEN腳在本設計中分為現(xiàn)場部分和手持部分，每部分都只使用其發(fā)射或接收中的一種功能，現(xiàn)場部分的 PTR2021模塊的 TXEN=1，接到 VCC上， PTR2021處于發(fā)射狀態(tài)，手持部分的 TXEN=0，接到 GND上， PTR2021處于接收狀態(tài)。 PTR2021的 PWR引腳連接到VCC上，使 PTR2021的固定工作在正常工作狀態(tài)。 V C C 1CS 2DO 3DI 4P W R 6T X EN 7GND 5P TR 2 0 0 0 + 5 VP 3 . 0 V C C 1CS 2DO 3DI 4P W R 6T X EN 7GND 5P TR 2 0 0 0 + 5VP 3. 1 圖 發(fā)射端 PTR2021連接圖 圖 接收端 PTR2021連接圖 LED顯示電路設計 LED顯示器分為共陽極和共陰極兩種，兩者輸入代碼不同，本設計采用共陰極數(shù)碼管作為顯示器件 。這時只要將要顯示的數(shù)據(jù)的代碼輸入到 A～ D口，送完后，將 LE清零。這樣將每位要顯示的數(shù)據(jù)分別送入 各個顯示器件，由各個 LE端控制，在合適的時間間隔內(nèi)，由于視覺的延遲作用，我們可以看到各個清晰的數(shù)字 。 E A / V p p31P 1. 78P 1. 67P 1. 56P 1. 45P 1. 34P 1. 23P 1. 12P 1. 01WR16RD17P 2. 021P R O G / A L E30P 2. 122GND20R S T9P 3. 0 ( R X D )11X A L T 218V C C40X T A L 119P 2. 223P 2. 324P 2. 425P S E N29A T 89 C 5 1GND8LE5BI4D6LT3C2V C C16B1a13A7b12c11g14d10f15e9C D 4 51 1GND8LE5BI4D6LT3C2V C C16B1a13A7b12c11g14d10f15e9C D 4 51 1GND8LE5BI4D6LT3C2V C C16B1a13A7b12c11g14d10f15e9C D 4 51 1abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpabfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpabfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdp+ 5V 3 0 0 2 1R 2 44 70GNDR?1K 圖 顯示模塊電路連接圖 報警電路 采用電磁式蜂鳴器作為聲音報警的發(fā)聲器件，其工作原理為： 電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發(fā)聲，當瓦斯?jié)舛瘸^限定值時，單片機 輸出低電平使 PNP型三極管 8550導通，蜂鳴器兩端腳產(chǎn)生壓差，從而發(fā)出聲音報警信號。 采用發(fā)光二極管串接限流電阻作為光報警的發(fā)光器件，當瓦斯?jié)舛瘸^限定值時，單片機 ，發(fā)出光亮，產(chǎn)生光報警信號。 蜂鳴器Q18 55 0+ 5VR11KP 2. 3R?1K LEDR1330+5V 圖 聲音報警電路 圖 光報警電路 電池電量監(jiān)測電路設計 本設計將用到 LM339集成塊內(nèi)部 的 四個獨立的電壓比較器， LM339元件 圖如圖 。1V ～ 177。選不同阻值的上拉 電阻會影響輸出端高電位的值。 電量檢測電路采用了 四電壓比較器 LM339，用穩(wěn)壓管提供基準電壓，利用穩(wěn)壓管的反向擊穿導通特性，當電池的電壓大于相應穩(wěn)壓管的擊穿電壓時，由于運放的虛短和虛斷特性，反向輸入端與正向輸入端的電壓大小相等，使穩(wěn)壓管導通，穩(wěn)壓管導通后其內(nèi)阻極小可忽略不計，則此時相當于 LM339的比較器的反向輸入端接至電池負極，此時運放正、反向輸入端間有差動電壓輸入，根據(jù)運算放大器特性，輸出 端將有電壓輸出，經(jīng) 100k電阻限流，使發(fā)光二極管發(fā)出光亮；若電池的電壓低于相應穩(wěn)壓管的擊穿電壓，則穩(wěn)壓管不導通，呈截止狀態(tài)，此時運算放大器的輸出端無電壓輸出，發(fā)光二極管不發(fā)出光亮。具體連接圖如圖 。 傳 感 器 初 始 化調(diào) 用 A / D 子 程 序數(shù) 據(jù) 處 理調(diào) 用 串 行 口 通 信 程 序送 P T R 2 0 0 0 模 塊結 束開 始 圖 現(xiàn)場單片機主程序流程圖 手持部分單片機主程序設計 手持部分的單片機的主要程序流程，首先是系統(tǒng)的初始化，將所有系統(tǒng)進行初始化設置，然后就是調(diào)用串行口通信子程序，接收來自無線接收模塊 PTR2021的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)送入單片機進行數(shù)據(jù)的處理，經(jīng)處理的后，將瓦斯?jié)舛蕊@示在數(shù)碼管上，比較瓦斯?jié)舛?，確定其是否大于設定的報警值，若大于，則進行聲、光報警，否則返回執(zhí)行，其具體流程圖如圖 。 27 設 置 定 時 器 T 1 工 作方 式 和 計 數(shù) 初 值中 斷 請 求響 應 中 斷 并 清 除 中 斷 標 志串 行 接 收串 行 發(fā) 送數(shù) 據(jù) 發(fā) 送 完 ？數(shù) 據(jù) 校 驗正 確 ？置 數(shù) 據(jù) 錯 誤標 志 位置 數(shù) 據(jù) 有 效標 志 位NYY結 束N開 始 圖 串行口子程序流程圖 傳感器控制程序設計 由于瓦斯傳感器具有恢復和加熱兩種狀態(tài)，需要使用單片機對起進行控制，首先是傳感器的初始化，其后將單片機的 1，并用定時器延時 30s，對傳感器進行預熱，當 30s結束后，單片機進行數(shù)據(jù)采集，然后將 0，延時 45s,使傳感器處于恢復狀態(tài)。 28 傳 感 器 初 始 化數(shù) 據(jù) 采 集傳 感 器 加 熱 3 0 S單 片 機 P 2 . 1 口 置 1結 束傳 感 器 恢 復 4 5 S單 片 機 P 2 . 1 口 置 0開 始 圖 傳感器控制子程序流程圖 29 結 論 我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費國，也是世界上少數(shù)幾個以煤為主要能源的國家之一。在這些事故中，瓦斯 爆炸又占絕大多數(shù)，瓦斯災害己成為煤礦安全生產(chǎn)的大敵。該檢測儀分為兩部分，即處于現(xiàn)場監(jiān)測點的部分和用戶手持的部分，各部分由相關部件組成，現(xiàn)場部分所檢測得來的數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊，傳送到手持部分的單片機中進行處理和判斷。 使用單片機 AT89C51作為控制芯片，利用甲烷氣體傳感器、信號調(diào)理電路、 A/D轉換器、無線收發(fā)模塊、顯示電路、報警電路構成系統(tǒng)，在各部分的元器件的選擇中本著高性能、低成本的原則，按照設計要求做出選擇 。該設計的子系統(tǒng)包括：檢測與變送單元、無線收發(fā)單元、數(shù)據(jù)處理單元、報警單元、顯示單元等。 (4) 對整個系統(tǒng)進行論證。首先對各系統(tǒng)的電路圖連接方式和元器件的選擇進行論證，看能否實現(xiàn)其相對應的功能，有不妥當?shù)牡胤郊右孕薷?，以完善設計。 通過 這次設計過程，學會了如何運用已學的知識來完完整整地設計一個系統(tǒng)，這個系統(tǒng)包括環(huán)境參數(shù)測量、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)判斷、數(shù)據(jù)顯示和報警、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)?