【正文】 入 “ 1” 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí) P1 口作為第八位地址接收。 圖 AT89S51的內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)圖 圖 AT89S51引腳圖 P2口 (21 腳～ 28 腳 )： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位 雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個(gè)TTL 門(mén)電流，當(dāng) P2 口被寫(xiě) “1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)， P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和 11 校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3口 (10 腳～ 17 腳 )： P3口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻 的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL 門(mén)電流。當(dāng) P3 口寫(xiě)入 “1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89S51 的一些特殊功能口， P3 口管腳備選功能如表 所示。 表 P3口第二功能 引 腳 第 2 功 能 RXD（串行口輸入端） TXD（串行口輸出端） INT0（外部中斷 0 請(qǐng)求輸入端，低電平有效） INT1（外部中斷 1 請(qǐng)求輸入端，低電平有效） T0（定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0 計(jì)數(shù)脈沖輸入端） T1（定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1 計(jì)數(shù)脈沖輸入端） WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通信號(hào)輸出端，低電平有效） RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端，低電平有效） P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 RST（ 9 腳）：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG（ 30 腳）：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí) ， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無(wú)效。 PSEN（ 29 腳）：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN 有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 EA/VPP（ 31 腳）：當(dāng) /EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000H FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式 1 時(shí)， EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 XTAL1（ 19 腳）：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2（ 18 腳）：來(lái)自反向振蕩器的輸出。 12 AT89S51 的 I/O 口擴(kuò)展器件 由于單片機(jī)本身只有 4 個(gè) 8 位并行輸入輸出 I/O 接口 ， 1 個(gè)串行 I/O 接口，非常有限，所以當(dāng) I/O口不能滿足設(shè)計(jì)需求時(shí)則需要我們進(jìn)行 I/O 口的擴(kuò)展。其擴(kuò)展方法為根據(jù)需要在串行口上外接 1 個(gè)或多個(gè)移位寄存器。 根據(jù)單片各個(gè)接口功能， 我們 將 單片機(jī) 89S51 的 I/O 口分配如下： P0 口： A/D 轉(zhuǎn)換器 ICL7109 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)的輸入接口； P1 口：其中 接 +5V 的直流蜂鳴器當(dāng) 低電平 時(shí)蜂鳴器蜂鳴； 接發(fā)光二極管 LED， 當(dāng) =1 時(shí)發(fā)光二極管發(fā)光，其和蜂鳴器結(jié)合就是我們所要實(shí)現(xiàn)的聲光報(bào)警； ～ 作為數(shù)碼管顯示部分的位選； 作為 7109 的片選； P2 口我們僅用了 和 作為 7109 的數(shù)據(jù)選通端； P3： （ RXD）和 （ TXD）用于 I/O 口的擴(kuò)展。 所以，很顯然我們要對(duì)單片機(jī)進(jìn)行擴(kuò)展 I/O 口，我們將在數(shù)碼顯示單元進(jìn)行介紹。 氣體采樣單元 瓦斯氣體的介紹 當(dāng)可燃?xì)怏w、可燃的蒸汽（或可燃粉塵）與空氣混合 并 達(dá)到一定濃度時(shí)，遇到火源就會(huì)發(fā)生爆炸。這個(gè)能夠發(fā)生爆炸的濃度范圍，叫做爆炸極限，通常用可燃?xì)怏w、蒸汽、粉塵在空氣中的體積 組成比 來(lái)表示。在 “發(fā)生爆炸范圍濃度 ”內(nèi)，有一個(gè)最低的爆炸濃度叫做爆炸下限 ；還有一個(gè)最高的爆炸濃度叫爆炸上限。只有在這兩個(gè)濃度之間，才有爆炸的危險(xiǎn)。如果可燃?xì)怏w、蒸汽或粉塵在空氣中濃度低于爆炸下限，遇到明火 時(shí) 既不會(huì)爆炸，也不會(huì)燃燒；高于爆炸下限，遇到明火，雖然不會(huì)爆炸，但接觸空氣卻能燃燒。因?yàn)榈陀诒ㄏ孪迺r(shí)，空氣所占比例很大，可燃物質(zhì)的濃度不夠；高于爆炸上限 時(shí) ，則有大量的可燃物質(zhì)，而空氣卻不足。了解各種可燃?xì)怏w、蒸汽或粉塵的爆炸極限， 對(duì)于 做好防火、防爆工作有重要 意義。可燃物質(zhì)危險(xiǎn)性的大小，主要取決于爆炸極限幅度的寬窄。幅度越大，危險(xiǎn)系數(shù)就越大。 國(guó)內(nèi)對(duì)瓦斯的檢測(cè)以甲烷檢測(cè)為主 ， 毒 氣的檢測(cè)以一氧化碳檢測(cè)為主 ； 而國(guó)外用可燃性氣體的檢測(cè)代替單一甲烷氣體的測(cè)量 ， 毒氣包括硫化氫的測(cè)量?，F(xiàn)對(duì)煤礦的主要成分甲烷進(jìn)行論述。 甲烷在自然界分布很廣，是天然氣、沼氣、油田氣及煤礦坑道氣的主要成分。它可用作燃料及制造氫氣、碳黑、一氧化碳、乙炔、氫氰酸及甲醛等物質(zhì)的原料。 化學(xué)號(hào)為 CH4。 在正常的大氣環(huán)境中，瓦斯只在一定的濃度范圍內(nèi)爆炸 。 瓦斯在空氣中的爆炸下限為 5～ 6％，上限為 14～ 16％。瓦斯爆炸界限不是固定不變的，它受到許多因素的影響，其中 主 要的有： 13 氧的濃度 正常大氣壓和常溫時(shí)，瓦斯爆炸濃度與氧濃度關(guān)系，如柯瓦德爆炸三角形。氧濃度降低時(shí)，爆炸下限變化不大 (BE 線 )， 爆炸上限則明顯降低 (CE 線 )。氧濃度低于 12％時(shí)，混合氣體就失去爆炸性。 煤塵 煤塵具有爆炸危險(xiǎn)， 300～ 400℃ 時(shí)就能從煤塵內(nèi)揮發(fā)出多種可燃?xì)怏w，形成混合的爆炸氣體，使瓦斯的爆炸危險(xiǎn)性增加。 空氣壓力 爆炸前的初始?jí)毫?duì)瓦斯爆炸上限有很大影響?？杀詺怏w壓力增高，使其分子間距更為接近，碰撞幾率增高。 氣體傳感器的分類(lèi) 氣體傳感器又叫氣敏傳感器，主要用來(lái)監(jiān)測(cè)氣體的特定成分。氣體 傳感器通常以氣敏特性來(lái)分類(lèi)，主要可分為： 半導(dǎo)式方式 包括氧化系、氣敏二極管系、氣敏 MOSFET 系。若氣體接觸到加熱的金屬，氧化物電阻值就會(huì)增大或者減少，其靈敏度高，構(gòu)造電路簡(jiǎn)單，但輸出與氣體濃度不成比例。 固體電解質(zhì) 其利用鉑等金屬材料對(duì)氫吸附敏感使功函數(shù)改變?cè)碇瞥桑?其 特點(diǎn)是其他選擇性好但不能重復(fù)使用。 接觸燃燒式 其原理是化學(xué)溶劑與氣體反應(yīng)產(chǎn)生使電導(dǎo)率發(fā)生變化。其特點(diǎn)是屬于氣體濃度成比例，但靈敏度較低。 其他類(lèi)型 包括光干涉式、熱傳導(dǎo)方式、紅外線吸收式。 氣體傳感器的類(lèi)型雖然很多，但對(duì) 它們有以下幾個(gè)基本特性： （ 1）對(duì)被測(cè)氣體要有高的靈敏度，盡量減少外界的干擾信號(hào)； （ 2）選擇性要好，即對(duì)和被測(cè)氣體共存的其他氣體不敏感； （ 3）能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，它是關(guān)系整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。 （ 4）檢測(cè)和報(bào)警要迅速。 （ 5）響應(yīng)時(shí)間 ， 指從氣敏元件到被測(cè)氣體接觸到氣敏元件的參數(shù)達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)下所需要的時(shí)間，表示了氣敏元件的反應(yīng)速度。 14 （ 6）溫度特性 ， 氣敏元件的特性隨溫度的變化而變化為溫度特性。消除這種影響的方法是采用溫度補(bǔ)償法。 （ 7）濕度特性 ， 氣敏元件的特性隨環(huán)境 濕度 的不同而發(fā)生變化的 特性 稱(chēng) 為濕度特性。濕度特性是硬性檢測(cè)精度的一個(gè)因素， 解決 這一問(wèn)題的措施之一是采用濕度補(bǔ)償法。 （ 8） 電源電壓特性 ， 電源電壓發(fā)生變化時(shí)，氣敏元件也會(huì)發(fā)生變化，解決的方法是采用恒壓供電。 氣體傳感器的選擇 要進(jìn)行 —個(gè)具體的測(cè)量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，而這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)?，即使是測(cè)量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問(wèn)題：量程的大?。槐粶y(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求；測(cè)量方式為接觸 式還是非接觸式；信號(hào)的引出方法，有線或是非接觸測(cè)量；傳感器的來(lái)源，國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口，還是自行研制 ； 價(jià)格能否承受 等 。 在考慮上述問(wèn)題之后就能大致確定選用何種類(lèi)型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)，然后做出選擇。綜合各方面需要和器件本身?xiàng)l件，我們選用 MQ4 氣體傳感器。 MQ4 瓦斯?jié)舛葴y(cè)試部分電路是由氣體傳感器 MQ4 組成的，其作用為將瓦斯氣體的體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的模擬電壓信號(hào)并輸出出來(lái)。 MQ4的結(jié)構(gòu)外形 MQ4 氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖 所示。由微型 AL2O3 陶瓷管、 SnO2 敏 感層 ， 測(cè)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(gè)用于信號(hào)取出， 2 個(gè)用于提供加熱電流。 結(jié)構(gòu) 15 外形 圖 MQ4氣敏元件的結(jié)構(gòu) MQ4 的部件及說(shuō)明見(jiàn)表 所示。 表 MQ4的部件及說(shuō)明 部件 材料 1 氣體敏感層 二氧化錫 2 電極 金 （ Au） 3 測(cè)量電極引線 鉑（ Pt） 4 加熱器 鎳鉻合金（ Ni— Cr） 5 陶瓷管 三氧化二鋁 表 MQ4的部件及說(shuō)明（續(xù)） 6 防爆網(wǎng) 100目雙層不銹鋼 (SUB316) 7 卡環(huán) 鍍鎳銅材（ Ni— Cu） 8 基座 膠木 9 針狀管腳 鍍鎳銅材（ Ni— Cu） MQ4 標(biāo)準(zhǔn)工作條件 MQ4 的標(biāo)準(zhǔn)工作條件見(jiàn)表 所示。 表 MQ4的標(biāo)準(zhǔn)工作條件 符號(hào) 參數(shù)名稱(chēng) 技術(shù)條件 備注 Vc 回路電壓 ≤ 15V Ac or Dc VH 加熱電壓 177。 Ac or Dc RL 負(fù)載電阻 可調(diào) RH 加熱電阻 31Ω177。 3Ω 室溫 PH 加熱功耗 ≤ 900mw MQ4 的環(huán)境條件 16 MQ4的環(huán)境條件見(jiàn)表 。 表 MQ4的環(huán)境條件 符號(hào) 參數(shù)名稱(chēng) 技術(shù)條件 備注 Tao 使用溫度 10℃ 50℃ Tas 儲(chǔ)存溫度 20℃ 70℃ RH 相對(duì)濕度 小于 95%RH O2 氧氣濃度 21%(標(biāo)準(zhǔn)條件 ) 氧氣濃度會(huì)影響靈敏度 最小值大于 2% MQ4的測(cè)試電路及靈敏度調(diào)節(jié) （ 1） 測(cè)試電路 我們?cè)O(shè)計(jì)的 MQ4 測(cè)試電路如圖 所示，其中可調(diào)節(jié)電阻 R3 是用來(lái)調(diào)整傳感器的靈敏度的。 （ 2）靈敏度調(diào)節(jié) 在對(duì) MQ4的靈敏度進(jìn)行調(diào)節(jié)之前首先要就要了解其靈敏度特性。具體的 靈敏度特性見(jiàn)表 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i tl eN u m b e r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 1 J u n 2 0 0 6 S h e e t o f F i le : H : \ 論文 \ 電路原理圖 . D D B D r a w n B y :A1B2H3H4A1M Q 4V C CR320k 接入 I C L 7 1 0 9 圖 MQ4測(cè)試電路 表 MQ4的 靈敏度特性 符號(hào) 參數(shù)名稱(chēng) 技術(shù)參數(shù) 備注 Rs 敏感體表面電阻 10 ?K — 60 ?K （ 5000ppmCH4） 適用范圍： 300— 10000ppm 甲烷，天然氣 а (1000ppm/5000ppmCH4) 濃度斜率 ≤ 17 標(biāo)準(zhǔn)工作條件 溫度： 20℃177。 2℃ Vc:177。 相對(duì)濕度： 65%177。 5% Vh:177。 預(yù)熱時(shí)間 不少于 24小時(shí) 其中：溫度為 20℃ 、相對(duì)濕度為 65%、氧氣濃度為 21% RL=20kΩ Rs是指元件在不同氣體，不同濃度下的電阻值。 R0是指元件在潔凈空氣中的電阻值。 由上可得 MQ4型氣敏元件對(duì)不同種類(lèi)，不同濃度的氣體有不同的電阻值。 因此，在使用此類(lèi)型氣敏元件時(shí)，靈敏度的調(diào)整是很重要的。在這里我們 用 5000ppm甲烷校準(zhǔn)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。其校準(zhǔn)過(guò)程如下： 在測(cè)試條件下對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，我們進(jìn)行硬件部分電路的調(diào)試。在調(diào)節(jié)確定 MQ4的可調(diào)負(fù)載電阻值時(shí)，以空氣中甲烷濃度值為 5000ppm時(shí)作為校準(zhǔn)，此時(shí)觀察顯示部分電路，又因?yàn)橐箫@示的瓦斯?jié)舛染纫?