【正文】 EF（ +） 參考電壓正端 REF（ ） 參考電壓負(fù)端 START A/D 轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端 ALE 地址鎖存允許信號輸入端 EOC 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高電平 OE 輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。 CLK 時鐘信號輸入端（一般為 500KHz）。 A、 B、 C 地址輸入線 電路連接： ADC0809 輸出接單片機(jī)的 P0 口，各個控制引腳及單片機(jī)的 P2 口，參考電壓 REF(+)、 REF()分別接 +5V 電源和地。具體工作過程如下： 首 先，在程序的控制下，利用單片機(jī)的定時器 T0 以及中斷服務(wù)程序在 一個方波信號，作為 ADC0809 工作的時鐘信號。并對其他控制引腳進(jìn)行初始化。 然后，單片機(jī)向 ADC0809 的 A、 B引腳循環(huán)輸出地址編號， C 引腳接地；每輸入一個地址編號后， START 和 ALE 變高電平，復(fù)位 ADC0809 并將地址鎖存，經(jīng)過適當(dāng)?shù)难訒r后，START 和 ALE 變低電平，開始模數(shù)轉(zhuǎn)換； 接 EOC 引腳，當(dāng)收到高電平時，說明模數(shù)轉(zhuǎn)換完成，此時向 OE 引腳輸出高電平， 打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量 到 P0口，然后 OE引腳變低電平，完成一次模 數(shù)轉(zhuǎn)換。 表 41 ADC0809 各腳功能 20 看門狗電路 看門狗電路一般有軟件看門狗和硬件看門狗兩種。軟件看門狗不需外接硬件電路，但系統(tǒng)需要出讓一個定時器資源，這在許多系統(tǒng)中很難辦到，而且若系統(tǒng)軟件運(yùn)行不正常，可能導(dǎo)致看門狗系統(tǒng)也癱瘓。硬件看門狗是真正意義上的“程序運(yùn)行監(jiān)視器”，如計(jì)數(shù)型的看門狗電路通常由 555 多諧振蕩器、計(jì)數(shù)器以及一些電阻、電容等組成，分立元件組成的系統(tǒng)電路較為復(fù)雜，運(yùn)行不夠可靠。 可編程看門狗電壓監(jiān)控電路選用 Xicor 公司的 X25045 集成芯片，它是集看門狗定時器功能，電壓監(jiān)控功能，快閃 E2PROM 存儲功 能為一體的集成芯片，大大簡化了硬件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了對印制電路板的空間要求，降低了成本和系統(tǒng)功耗，是一種理想的單片機(jī)外圍芯片?？撮T狗定時器電路對微控制器提供了獨(dú)立的保護(hù)系統(tǒng)，可編程設(shè)置三種周期，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，在預(yù)先設(shè)定的周期之后產(chǎn)生復(fù)位信號，該周期一旦設(shè)定，即使在電源周期變化之后也不改變。電壓監(jiān)控功能可以保護(hù)系統(tǒng)使之免受低電壓狀況的影響，當(dāng) V0 降到最小轉(zhuǎn)換點(diǎn)以下時，系統(tǒng)復(fù)位，直到電壓升高且穩(wěn)定為止， E2PROM 可存放數(shù)據(jù)，安全可靠，這種組合不僅降低系統(tǒng)成本，減少電路板空間要求，而且與單片機(jī) 接口簡單，性能穩(wěn)定。 芯片的性能特點(diǎn) : 圖 44 ADC0809與 AT89C51的接口電路 21 可編程的看門狗定時器； 低 VCC 檢測，直到 VCC 等于 1V 時復(fù)位信號有效； 1MHZ 的串行時鐘頻率； 512 8 位串行 EEPROM； 低功耗 CMOS 設(shè)計(jì)，工作時電流 3mA，備用時 10? A； 電源電壓為 ～ ； 片內(nèi)寫保護(hù)； 高可靠性 :使用期限 :100000 周期 /字節(jié)； 數(shù)據(jù)保存期 :100 年； ESD 保護(hù) :所有引腳 2021V 。 RESET 高電平有效。 引腳如圖 45，部分引腳說 明： CS ：片選擇輸入； SO： SO 是一個推 /拉串行數(shù)據(jù)輸出引腳，在讀周期時間內(nèi)，數(shù)據(jù)從這個引腳輸出，串行時鐘脈沖下降沿時數(shù)據(jù)輸出； SI：是串行數(shù)據(jù)輸入引腳，所有的操作碼，字節(jié)，地址及數(shù)據(jù)都通過這個引腳寫入存 儲器，串行時鐘脈沖上升沿時，數(shù)據(jù)被鎖存； SCK：串行時鐘輸入，其上升沿將數(shù)據(jù)或命令寫入，下降沿將數(shù)據(jù)輸出； WP：寫保護(hù)輸入。當(dāng)它低電平時，寫操作被禁止； RESET ：復(fù)位輸出。 X25045 硬件連接圖如圖 46： 圖 45 X25045引腳圖 22 報警電路由 NPN三極管、蜂鳴器、 LED 和限流電阻組成，如圖 47所示。由單片機(jī)兩個 I/0 口控制聲報警方式和光報警方式，實(shí)際應(yīng)用時，可以通過軟件設(shè)置選擇其中一種報警方式，也可以兩種都選擇。 8050 是一種常用的小功率開關(guān)三極管，它的最大負(fù)載電流為 700mA, VCEO=20V,飽和壓降為 。 Q1 和 Q2 分別作為蜂鳴器和發(fā)光二極管的驅(qū)動器，蜂鳴器的正常工作為 3V，聲音強(qiáng)度為 80dB，發(fā)光二極管的額定電流為 5～ lOmA。當(dāng)單片機(jī) I/O 口信號為高電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報警聲音，發(fā)光二極管則給出光指示信號，其中， R2, R3 和 R1 均為限流電阻。 圖 46 X25045硬件連接圖 圖 47聲光報警電路圖 23 數(shù)據(jù)顯示是體現(xiàn)整個系統(tǒng)功能的部分， LED 顯示成本低廉，配置靈活，與單片機(jī)連接方便。 LED 顯示塊具有亮度高、結(jié)構(gòu)簡單、全天候的特點(diǎn)，因此在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)用最廣，本系統(tǒng)的顯示采用的就是四位七段共陽極 LED 數(shù)碼管作為顯示部件 。如圖48。 圖 48 數(shù)碼管引腳圖 圖 49 顯示部分電路圖 24 本設(shè)計(jì) 采用集成穩(wěn)壓器 7805，當(dāng)輸出電流較大時， 7805 應(yīng)配上散熱板 。 本章首先介紹了瓦斯的硬件結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)功能，該儀器以 8 位單片機(jī) AT89C51作為控制核心，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了系統(tǒng)的硬件 平臺，完成了有毒氣體濃度信號的采集放大轉(zhuǎn)換電路、液晶顯示電路、聲光報警電路等的設(shè)計(jì)。該儀器能夠?qū)崿F(xiàn)有毒氣體濃度信號采集與顯示及超標(biāo)聲光報警等功能。本章重點(diǎn)介紹了信號采集模擬電路和以主控制器為中心的數(shù)字電路的設(shè)計(jì)與工作原理。首先討論了有毒氣體采集模塊中傳感器選擇問題及模擬放大電路的設(shè)計(jì)問題，最后討論了系統(tǒng)的外圍接口電路模塊，包括數(shù)碼管顯示 ,聲光報警等，實(shí)現(xiàn)了各外圍接口電路模塊與 AT89C51的硬件接口設(shè)計(jì)。 這一章比較具體的說明了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的內(nèi)容，通過模塊化的設(shè)計(jì)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(jì)，最后在集成到一起。這種方法對于設(shè)計(jì)復(fù)雜的單片機(jī)系統(tǒng)很有效。大大提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率與質(zhì)量。 圖 410 7805組成的 5V電路圖 25 5 礦內(nèi)空氣傳感器的軟件設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)思想 總體思路是首先定義相關(guān)的硬件接口，然后進(jìn)行初始化，包括 AD 控制端和定時器的初始化。初始化后開始無限無限循環(huán)，以保證 24 小時全天候的檢測甲烷的濃度，及時發(fā)現(xiàn)險情并報警。無限循環(huán)中將依次調(diào)用 AD 轉(zhuǎn)換函數(shù)、比較判斷函數(shù)、聲音報警函數(shù)和顯示報警函數(shù)。 開始AD 控制端初始化定時器初始化無限循環(huán)調(diào)用 AD 轉(zhuǎn)換函數(shù)調(diào)用比較判斷函數(shù)循環(huán)結(jié)束調(diào)用聲音報警函數(shù)調(diào)用顯示報警函數(shù)圖 51 主函數(shù)流程圖 26 根據(jù)軟件設(shè)計(jì)的基本要求 ,采取了如下的措施 : 。軟件設(shè)計(jì)中包含有：主程序模塊、顯示模塊、 A/D 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子模塊、聲光報警模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、中斷處理模塊等。 C51匯編語言，可以保證數(shù)據(jù)計(jì)算的精度。 ，提高了系統(tǒng)的實(shí)時處理事件能力。 、硬件抗干擾。軟件抗干擾措施提高了系統(tǒng)的可靠性。 以下就對一些主要模塊進(jìn)行詳細(xì)的闡述。 編程語言的選擇 在系統(tǒng)硬件電路確定以后，其主要功能的實(shí)現(xiàn)將依賴于軟件來實(shí)現(xiàn)。對同一硬件電路，配以不同的軟件，它所實(shí)現(xiàn)的 功能也就不同，其設(shè)計(jì)軟件基本要求 : 。可靠性是軟件設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。 、易維護(hù)性。編制的軟件要求易閱讀，容易發(fā)現(xiàn)和糾正錯誤，容易修改和補(bǔ)充。 。系統(tǒng)能夠及時響應(yīng)外部事件的發(fā)生并能及時做出處理結(jié)果。 。保證系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算數(shù)據(jù)的精度。 目前存在有 4 種編程語言支持單片機(jī)，即匯編語言、 PL/M51 語言、 C 語言和 BASI語言。其中匯編語言和 C語言應(yīng)用的較多， 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。 結(jié)合本系統(tǒng)的特點(diǎn)，這里選用了功能強(qiáng)、效率高的 C 語言。 C 語言主要有以下特點(diǎn)：用 C語言編制的程序效率高，占用存儲空間小，運(yùn)行速度快。 C 語言能寫出最優(yōu)化程序，且能反映出計(jì)算機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況。 C 語言能直接與存儲器、接口電路打交道，也能申請中斷。 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?；?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。 主程序模塊 主程序運(yùn)行流程圖如圖 52 所示。由主程序流程圖可以看出，軟件要實(shí)現(xiàn)的主要功 27 能是實(shí)現(xiàn)對傳感器信號的數(shù)據(jù)采集，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算、分析、送數(shù)碼管進(jìn)行顯示。程序 開始時，先關(guān)閉中斷，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括單片機(jī)的各寄存器、 RAM、定時器裝載初值、中斷設(shè)置及各模塊初始化等。完成初始化后，數(shù)碼管顯示參數(shù)為零， 單片機(jī)等待傳感器傳入信號及 AD 轉(zhuǎn)換結(jié)束，從而完成當(dāng)前監(jiān)測參數(shù)的正確顯示 。 AD 轉(zhuǎn)換模塊 由于定電位電解式氣體傳感器工作響應(yīng)時間為 1020秒左右，故進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換前設(shè)置 AD等待 25 秒，以保證傳感器響應(yīng)完成并使所測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。 AD 完成轉(zhuǎn)換需要一定的時間， AD 應(yīng)用中我們可以有兩種方法來： 法， AD 完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后會向中斷輸出端輸出一個中斷請求信號，告訴 單片機(jī) 轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成， 單片機(jī) 可以讀取數(shù)據(jù)。 ，設(shè)定一定的時間讓 單片機(jī) 處于等待狀態(tài)，此時間足夠 AD完成轉(zhuǎn)換，過了等待時間 單片機(jī) 再去讀取數(shù)據(jù)。 綜合考慮各方面的因素，本研究采用第一種方法：中斷查詢法。所用的芯片為AD0809，根據(jù)所需的要求， AD的工作流程如圖 53 所示，首先 AD 先等待 25秒以使得傳感器完全響應(yīng)完畢，然后 AD 開始工作，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后向 單片機(jī) 發(fā)出一個中斷信號告訴單片機(jī) 可以讀取數(shù)據(jù)， 單片機(jī) 響應(yīng)中斷，從 PB 口讀取轉(zhuǎn)換完畢后的 8 位二 進(jìn)制數(shù)據(jù)，上電復(fù)位 系統(tǒng)初始化 執(zhí)行主程序 數(shù)碼管顯示參數(shù) 參數(shù)超標(biāo) 聲光報警 結(jié)束 圖 52 主程序流程圖 28 再進(jìn)一步進(jìn)行處理。 對氣體傳感器分段選擇多個測試點(diǎn)盡享精確測試，并根據(jù)測試數(shù)據(jù)繪制出傳感器的隔斷擬合曲線，為了提高數(shù)據(jù)精度，采用線性插值法。 系統(tǒng)上電后，對單片機(jī)、 ADC0809 進(jìn)行初始化，開單片機(jī)總中斷，外部中斷 0， AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后，進(jìn)入中斷子程序讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在全局變量中，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、計(jì)算與處理，以便以后單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù) LCD 的顯示處理。 比較判斷函數(shù) 比較判斷函數(shù)是將 AD 轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù) 與門限值比較，根據(jù)比較結(jié)果設(shè) 置報 警數(shù)組的對應(yīng)位。 開始循環(huán)四次寫地址地址鎖存并清零 ADC 0809等待一段時間開始轉(zhuǎn)換等待轉(zhuǎn)換完成循環(huán)結(jié)束輸出數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理 圖 53 AD流程圖 開始是否超限對應(yīng)位置零 對應(yīng)位置一結(jié)束是 否圖 54 時鐘程序流程圖 29 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。 液晶顯示模塊 本設(shè)計(jì)所用的顯示器件為四位數(shù)碼管，滿足顯示要求。數(shù)碼管與 單片機(jī) 是并口通信，由單片機(jī)的 、 、 引腳來控制數(shù)據(jù)命令功能，單片機(jī) P2 口傳輸數(shù)據(jù)到數(shù)碼管進(jìn)行顯示。 開始將報警數(shù)組對應(yīng)位賦予對應(yīng)的數(shù)碼管結(jié)束圖 55 顯示報警函數(shù)流程圖 圖 56工作流程圖 圖 57聲光報警流程圖 30 聲光報警模塊 聲音報警采用的是蜂鳴器，光報警是通過 6 個發(fā)光二極管來顯示， 3 個綠色和三個紅色的，當(dāng)毒氣含量沒超標(biāo)時顯示綠色，超標(biāo)時顯示紅色 并啟動蜂鳴器，報警子程序執(zhí)行之前，設(shè)定的報警閾值存放在兩個變量中，傳感器輸入 AD 轉(zhuǎn)換值后，調(diào)用比較程序，小于閾值則執(zhí)行顯示程序，若大于閾值進(jìn)行聲光報警。圖 57是聲光報警流程圖。 在這一章里對礦內(nèi)空氣傳感器的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了較詳細(xì)的介紹。軟件采用了模塊化設(shè)計(jì)的思路，以單片機(jī)高級語言 C51 編程。在本章開始給出了主程序結(jié)構(gòu)流程圖，然后分別對各個子模塊的軟件流程進(jìn)行介紹。 結(jié) 論 1．本系統(tǒng)綜合利用傳感器技術(shù)，自動監(jiān)測技術(shù)，和微控制器技術(shù)，開發(fā)了一套對礦內(nèi)的瓦斯品質(zhì)進(jìn)行監(jiān)控的操作方便， 潔實(shí)用的自動監(jiān)測系統(tǒng)。 2．系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)合理，其中單片機(jī)軟件采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，各模塊相互獨(dú)立，提高了系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性，整個系統(tǒng)具有較高的性能價格比。 3．系統(tǒng) C51 語言編程，程序結(jié)構(gòu)清晰，顯示板界面非常友好，使得