成大电气测量课程设计.docx

电气测量 课程设计报告题 目 基于单片机的有毒气体 检测系统的设计 学 院 电子信息工程学院 专 业 自 动 化 学生姓名 李 英 学 号 201010312年级2010级指导教师 魏 万 迎 职称 教 授 二一三年十二月基于单片机的有毒气体检测系统的设计摘要：煤矿中含有CO(一氧化碳)等有毒气体，是煤矿下重要的危害源之一，是导致重大事故的因素。家庭中，煤气泄漏将在短时间内产生大量一氧化碳，危及人生安全。对一氧化碳气体检测仪表的研究和开发也一直是人们关注的问题。本系统利用51单片机做核心控制模块，利用MQ-7一氧化碳传感器探测一氧化碳。实时监控多处一氧化碳浓度变化，如果某处一氧化碳浓度过高，系统将发出声音报警，并显示报警传感器号码，提醒人们及时抢险。本系统可用于家庭环境，也适用于工业环境。由于单片机成本低廉，自动控制功能比较强大，运行稳定，环境适应性好，所以本系统采用单片机做控制的核心元件。MQ-7一氧化碳传感器对一氧化碳的灵敏度高、长寿命、低成本、简单的驱动电路即可。因此，很适用于家庭的一氧化碳检测。即使在光线较暗时，数码管也能清晰的显示报警房间号码，所以选用数码管做显示模块。本文主要叙述了基于单片机的有毒气体检测系统设计的全过程，包括硬件电路设计、软件设计、电脑仿真。关键词：一氧化碳；单片机；检测；报警目 录第1章绪 论41.1 设计的背景与意义41.2 国内外研究现状51.3 本文主要内容及章节安排6第2章硬件系统设计82.1 硬件总体设计82.2 单片机的最小系统102.2.1 单片机简介102.2.2 时钟电路和复位电路122.3 A/D转换电路132.3.1 ADC0809主要特性142.3.2 ADC0809引脚功能说明142.3.3 ADC0809工作过程152.4 一氧化碳传感器介绍162.5 显示电路182.6 声音报警电路192.7 本章小结19第3章软件系统设计203.1 软件总体设计思想203.2 AD转换函数213.3 比较判断函数213.4 显示报警函数223.5 声音报警函数223.6 本章小结23第4章软件仿真244.1 软件简介244.2 绘制电路原理图244.3 编写程序254.4 仿真调试25第5章结 论29第1章 绪 论 1.1 设计的背景与意义随着石油化学工业的发展，易燃、易爆、有毒气体的种类和应用范围都得到了增加。这些气体在生产、运输、使用过程中一旦发生泄漏，将会引发中毒、火灾甚至爆炸事故，严重危害人民的生命和财产安全。由于气体本身存在的扩散性，发生泄漏之后，在外部风力和内部浓度梯度的作用下，气体会沿地表面扩散，在事故现场形成燃烧爆炸或毒害危险区，扩大危害区域。例如，1995 年 7 月，四川省成都市化工总厂液氯车间发生氯气泄漏，当场造成 3 人死亡，6 人受伤，仅约一小时左右，市区范围数十平方公里范围内都能闻到刺激性的氯气味。因此，这类事故具有突发性强、扩散迅速、救援难度大、危害范围广等特点。一旦发生气体泄漏事故，必须尽快采取相应措施进行处理，才能将事故损失降低到最低水平。及时可靠地探测空气中某些气体的含量，及时采取有效措施进行补救，采取正确的处理方法，减少泄漏引发的事故，是避免造成重大财产和人员伤亡的必要条件。这就对气体的检测和监测设备提出了较高的要求。作为一种重要的气体探测器，气体传感器近年来得到了很大的发展。有害气体检测报警仪是专用的安全卫生检测仪，用来检测化学品作业场所或设备内部空气中的可燃或有毒气体的含量并超限报警。危险化学品场所有害气体检测，主要有以下几种情况： （1） 泄漏检测：设备管道有害气体或液体(蒸汽)现场所泄漏检测报警，设备管道运行检漏。 （2） 检修检测：设备检修置换后检测残留有害气体或液体(蒸汽)，特别是动火前检测更为重要。 （3） 应急检测：生产现场出现异常情况或者处理事故时，为了安全和卫生要对有害气体或液体(蒸汽)进行检测。 （4） 进入检测：工作人员进入有害物质隔离操作间，进入危险场所的下水沟、电缆沟或设备内操作时，要检测有害气体或液体蒸汽。 （5） 巡回检测：安全卫生检查时，要检测有害气体或液体蒸汽。随着人类社会的进步、生产的发展，人们的生活水平不断提高，随之带来了环境空气污染问题。工厂排放的废气、烟道氧、汽车排放废气、内燃机等排放气体对空气环境造成的污染日益严重。一氧化碳虽然不会使酸雨现象严重，但是对人们的身体健康有影响。一氧化碳是一种无色、无味的气体，它与血液中的血红素结合的能力是氧的 240 倍，它与血红素形成稳定的络合物，使血红蛋白丧失了输送氧气的能力，从而导致组织低氧症，甚至死亡。一氧化碳浓度的高低是评价空气质量好坏的重要指标之一，也是工厂、煤矿井下是否发生自燃火灾的重要标志之一。为了保证人们身体健康和环境洁净，世界各国都纷纷致力于防止空气污染的产生。国家工业卫生标准规定，生产现场一氧化碳浓度不允许超过 50ppm 。我国环境保护大气污染监测和工厂矿井中都要求有连续、自动化的现场检测仪。 1.2 国内外研究现状在应用方面，目前最广泛的是可燃性气体气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，从工厂企业到居民家庭，应用十分广泛。气体检测技术与计算机技术相结合，实现了智能化、多功能化。美国工业科学公司(ISC)一台携带式气体监控仪可实现4种气体监测，采用了统一的软件，只需要换气体传感器，即可实现对特定气体监测。美国国际传感器技术(IST)公司应用一种“MegaCas"传感器和微程序控制单元，可检测100种以上毒性气体和可燃性气体，通过其“气体检索”功能扫描，能很快确定是哪一种气体。 （1） 气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向发展国外气体传感器发展很快，一方面是由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规的推动。因此，国外气体传感器技术得到了较快发展，据有关统计预测，美国1996年2002年气体传感器年均增长率为(2730)。目前，气体传感器的发展趋势集中表现为：一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是气体传感器一直追求的目标。如日本费加罗公司推出了检测(0.110)×106硫化氢低功耗气体传感器，美国IST提供了寿命达10年以上的气体传感器，美国FirstAlert公司推出了生物模拟型(光化反应型)低功耗CO气体传感器等。二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展MEMS技术，发展现场适用的变送器和智能型传感器。如美国GeneralMonitors公司在传感器中嵌入微处理器，使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化；还有前已涉及的美国IST公司的具有微处理器的“MegaGas”传感器实现了智能化、多功能化。 （2） 国内现状与差距气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况下，国内已有一定的基础。其现状是：烧结型气敏元件仍是生产的主流，占总量90以上；接触燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能力；电化学气体传感器有了试制产品；在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺，使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏；在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构；新研究开发的32OAl气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料；低功耗气敏元件(如一氧化碳，甲烷等气敏元件)已从产品研究进入中试；国内气敏元件传感器产量已超过“九五”初期的400万支。产量超过20万支的主要厂家有5家，黑龙江敏感集团、太原电子厂、云南春光器材厂、天津费加罗公司(合资)、北京电子管厂(特种电器厂)，其中前四家都超过100万支，据行业协会统计，1998年全国气敏元件总产量已超过600万支。总的看来，我国气敏元件传感器及其应用技术有了较快进展，但与国外先进水平仍有较大的差距，主要是产品制造技术、产业化及应用等方面的差距，与日本比较仍要落后10年。 1.3 本文主要内容及章节安排本文主要讲述基于单片机的毒气检测系统的设计全过程，包括硬件电路设计、软件设计、电脑仿真。论文具体章节安排如下：第1章介绍了本次设计的背景与意义、国内外研究现状。第2章主要讲述了系统的硬件设计，包括最小系统、AD转换模块、显示模块、声音报警模块和传感器模块。第3章主要介绍了此次设计的软件部分，包括主程序、AD转换程序、时钟产生程序；第4章主要介绍了本次设计的实施过程，包括绘图、编程、仿真。第2章 硬件系统设计 2.1 硬件总体设计单片机应用系统的结构分三个层次： （1） 单片机：通常指应用系统主处理机，即所选择的单片机器件。 （2） 单片机系统：指按照单片机的技术要求和嵌入对象的资源要求而构成的基本系统，如时钟电路、复位电路和扩展存储器等与单片机构成了单片机系统。 （3） 单片机应用系统：能满足嵌入对象要求的全部电路系统。在单片机系统的基础上加上面向对象的接口电路，如前向通道、后向通道、人机交互通道(键盘、显示器、打印机等)和串行通行口(RS232)以及应用程序等。单片机应用系统三个层次的关系如图2-1：图2-1 单片机应用系统三个层次的关系以此理解，一氧化碳报警器同样具有单片机应用系统的三个层次。其中以AT89C51单片机为核心构成单片机系统。在此系统中，检测信号进入单片机进行运算处理。为了更好的理清设计思路，将整个系统细分为三部分加以设计说明。整个报警器由三个部分组成，分为三大模块：浓度检测模块、主控模块和报警模块。在本次设计中，使用的核心器件是单片机和一氧化碳传感器。为了保证整个系统可靠的运行，设计中必须明确三大部分的实际联系：以单片机为中心，其他各大模块一一展开。其中，浓度检测及显示模块所实现的功能是将房间中的一氧化碳浓度值转换成为单片机能够处理的数字信号，并且浓度值显示出来：主控模块以单片机为主，对其他模块的运行进行控制；报警模块是此系统的外部电路，它的功能是实现报警。系统框图如图2-2所示。图2-2 系统框图下面就对各个模块的功能和实现形式做简单介绍 （1） 气体浓度检测模块一氧化碳报警器主要采用高稳定一氧化碳气体传感器MQ-7检测房间气体浓度，检测结果送入模/数转换芯片ADC0809中进行转换后，将得到的数字信号送入单片机进行分析处理。 （2） 主控模块主控模块即单片机最小系统。用的是MCS-51单片机，MCS-51单片机是美国Intel公司1980年推出的一种高性能微型计算机。内带4K字节的内存和程序保护系统，使用于程序的调试修改和保密。它的主要功能是将经过ADC0809处理后的检测结果进行数据分析。根据数据分析结果决定是否报警，若报警，则驱动报警系统工作。 （3） 报警模块此模块主要有蜂鸣器、LED数码管组成，在气体浓度过大，超过安全值时，蜂鸣器工作，提供声音报警服务；同时，数码管显示报警的传感器号。 2.2 单片机的最小系统单片机最小系统原理图如下：图2-3 单片机最小系统原理图单片机的最小系统是由组成单片机系统必需的一些元件构成的，除了单片机之外，还需要包括电源供电电路、时钟电路、复位电路。单片机最小系统电路(单片机电源和地没有标出)如图2-3所示。 2.2.1 单片机简介本课题所用单片机采用8051核的ISP(In System Programming)系统可编程芯片，最高工作时钟频率为80MHz，片内含4K Bytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件兼容标准MCS-51指令系统，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，具有在系统可编程(ISP)特性，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。STC89C52RC系列单片机是单时钟，机器周期(1T)兼容的8051 内核单片机，是高速度，低功耗的新一代8051 单片机，全新的流水线/精简指令集结构,内部有集成MAX810 专用复位电路。主要特性有： （1） 增强型1T 流水线/ 精简指令集结构8051 CPU （2） 工作电压：3.4V-5.5V (5V 单片机)， 2.0V-3.8V (3V 单片机) （3） 工作频率范围：0 -35 MHz，相当于普通8051 的0420MHz.实际工作频率可达48MHz. （4） 用户应用程序空间12K / 10K / 8K / 6K / 4K / 2K 字节 （5） 片上集成512 字节RAM （6） 通用I/O 口(27/23个)，复位后为：准双向口/ 弱上拉(普通8051 传统I/O 口)可设置成四种模式：准双向口/ 弱上拉，推挽/ 强上拉，仅为输入/ 高阻，开漏每个I/O 口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过55mA （7） ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程)，无需专用编程器可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序，数秒即可完成一片 （8） EEPROM 功能 （9） 看门狗 （10） 内部集成MAX810 专用复位电路(外部晶体20M 以下时，可省外部复位电路) （11） 时钟源：外部高精度晶体/ 时钟，内部R/C 振荡器。用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C 振荡器还是外部晶体/ 时钟。常温下内部R/C 振荡器频率为：5.2MHz 6.8MHz。精度要求不高时，可选择使用内部时钟，因为有温漂，请选4MHz 8MHz （12） 有2个16 位定时器/ 计数器 （13） 外部中断2 路,下降沿中断或低电平触发中断,Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒 （14） PWM( 4 路)/ P C A(可编程计数器阵列)，也可用来再实现4个定时器或4个外部中断(上升沿中断/ 下降沿中断均可支持) （15） STC89Cc516AD具有ADC功能。10 位精度ADC，共8 路 （16） 通用异步串行口(UART) （17） SPI 同步通信口，主模式/ 从模式 （18） 工作温度范围：0 -75/ -40 -+85 （19） 封装：PDIP-28，SOP-28，PDIP-20，SOP-20，PLCC-32,TSSOP-20(超小封状，定货) （20） 振荡器特性:XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 2.2.2 时钟电路和复位电路时钟电路和复位电路的原理如下： （1） 时钟电路图2-4 时钟电路原理图单片机工作时，从取指令到译码再进行微操作，必须在时钟信号控制下才能有序地进行，时钟电路就是为单片机工作提供基本时钟的。单片机的时钟信号通常有两种产生方式：内部时钟方式和外部时钟方式。本课题采用内部时钟方式。在单片机XTAL1和XTAL2引脚上跨接上一个晶振和两个稳频电容，可以与单片机片内的电路构成一个稳定的自激振荡器。晶振频率取12 MHz。外接电容的作用是对振荡器进行频率微调，使振荡信号频率与晶振频率一致，同时起到稳定频率的作用，本课题选用33pF的电容。易知：本单片机最小系统的振荡周期=1/(12MHz)=1/12us，时钟周期=1/6us，机器周期=1us。 （2） 复位电路图2-5 复位电路原理图无论是在单片机刚开始接上电源时，还是运行过程中发生故障都需要复位。复位电路用于将单片机内部各电路的状态恢复到一个确定的初始值，并从这个状态开始工作。单片机的复位条件：必须使其RST引脚上持续出现两个(或以上)机器周期的高电平。单片机的复位形式：上电复位、按键复位。本课题采用按键复位。在单片机启动0.1S后，电容C两端的电压持续充电为5V，这时候10K电阻两端的电压接近于0V，RST处于低电平所以系统正常工作。当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。随着时间的推移，电容的电压在0.1S内，从5V释放到变为了1.5V，甚至更小。根据串联电路电压为各处之和，这个时候10K电阻两端的电压为3.5V，甚至更大，所以RST引脚又接收到高电平。单片机系统自动复位。 2.3 A/D转换电路A/D转换电路原理图如下：图2-6 AD转换模块原理图本A/D转换电路以ADC0809芯片为核心，该芯片在单片机的控制下把模拟信号转化为数字信号。(由于Proteus软件不能仿真ADC0809，所以用ADC0808代替。)传感器的模拟电压信号通过IN0IM3通道进入ADC0809,，ADC0809的数据输出接单片机的P0口，从低位到高位一次对应P0.0P0.7。各个控制端口接到单片机的P2口。根据ADC0809的工作过程，通过软件控制ADC0809工作。 2.3.1 ADC0809主要特性 （1） 8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。 （2） 具有转换起停控制端。 （3） 转换时间为100s(时钟为640kHz时)，130s(时钟为500kHz时)。 （4） 单个+5V电源供电。 （5） 模拟输入电压范围0+5V，不需零点和满刻度校准。 （6） 工作温度范围为-40+85摄氏度。 （7） 低功耗，约15mW。 2.3.2 ADC0809引脚功能说明IN0IN7：8路模拟量输入端。D0D7：8位数字量输出端。A、B、C：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效，对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。START：AD转换启动信号，输入高电平有效，START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持 低电平。本信号有时简写为ST.。EOC：AD转换结束信号，输出，当AD转换结束时，此端输出一个高电平(转换期间一直为低电平)。OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当AD转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量，用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ，EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。REF(+)、REF(-)：基准电压，本课题中分别为+5V、0V。Vcc：电源，单一5V。GND：地。 2.3.3 ADC0809工作过程电路连接：ADC0809输出接单片机的P0口，各个控制引脚及单片机的P2口，参考电压REF(+)、REF(-)分别接+5V电源和地，引脚START和ALE相连。具体工作过程如下：首先，在程序的控制下，利用单片机的定时器T0以及中断服务程序在P2.7输出一个方波信号，作为ADC0809工作的时钟信号。并对其他控制引脚进行初始化。然后，单片机向ADC0809的A、B引脚循环输出地址编号，C引脚接地(因为本课题仅用四个模拟通道)；每输入一个地址编号后，START和ALE变高电平，复位ADC0809并将地址锁存，经过适当的延时后，START和ALE变低电平，开始模数转换；P2.6接EOC引脚，当收到高电平时，说明模数转换完成，此时向OE引脚输出高电平，打开输出三态门，输出数字量到P0口，然后OE引脚变低电平，完成一次模数转换。 2.4 一氧化碳传感器介绍选择一氧化碳传感器主要考虑以下的性能指标： （1） 输入和输出之间成比例，直线性好、灵敏度高、分辨力强、测量范围宽。 （2） 滞后、漂移误差小 （3） 动态特性好 （4） 功耗小 （5） 时间老化特性优良 （6） 与被测体匹配良好，既不因接入传感器而使得被测对象受到影响，受被测量之外的影响小。 （7） 体积小、重量轻、价格低廉。 （8） 故障率低，易于校准和维护。 （9） 由于传感元件的输出信号一边比较小，为了便于能够驱动控制电路，在传感器电路中还应该包括放大器。2鉴于以上选择要点，本文中用到的传感器必须具备良好的测量效果、功耗小、动态特性良好和体积小、重量轻、价格低廉等几个主要特性。为此我们选择了MQ-7系列传感器。半导体一氧化碳传感器MQ-7所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。采用高低温循环检测方式低温(1.5V加热)检测一氧化碳，传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度增加而增大，高温(5.0V加热)清洗低温时吸附的杂散气体。使用简单的电路即可将电导率的变化，转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-7气体传感器对一氧化碳的灵敏度高，这种传感器可检测多种含一氧化碳的气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。主要特点及应用：l 对一氧化碳的高灵敏度。l 长寿命，低成本。l 简单的驱动电路即可l 家用气体泄漏报警器l 工业用一氧化碳报警器l 便携式气体检测器MQ-7气敏元件的结构和外形如图2-7所示，由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感层，测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，为了改善传感器的选择性，传感器气室用活性炭过滤层与外界隔开。加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有只针状管脚，其中个用于信号取出，个用于提供加热电流。图2-7 MQ-7实物图图2-8是传感器的基本测试电路。该传感器需要施加2个电压：加热器电压(VH)和测试电压(VC)。其中VH用于为传感器提供特定的工作温度。VC则是用于测定与传感器串联的负载电阻(RL)上的电压(VRL)。这种传感器具有轻微的极性，VC需用直流电源。在满足传感器电性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一个电源电路。为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的RL值。图2-8 MQ-7原理图 2.5 显示电路显示模块的电路原理图如下：图2-5 显示模块原理图为了清晰明了的显示报警房间号，采取数码管显示。Led数码管(LED Segment Displays)是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。Led数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，Led数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。颜色有红，绿，蓝，黄等几种。本课题选用共阳极七段红色数码管。4数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。本课题采用静态态驱动模式。静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高。图2-6 数码管显示原理图根据数码管显示原理，如图2-5连线，即可显示报警传感器号码。 2.6 声音报警电路声音报警电路原理图如下：蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机IO引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。S51增强型单片机实验板通过一个三极管C8550来放大驱动蜂鸣器。图2-6 声音报警原理图当某路或多路传感器报警时，蜂鸣器发出声音报警信号。 2.7 本章小结本章主要叙述了基于单片机的毒气检测系统的硬件电路设计，包括各个模块的工作原理，各个模块与单片机的链接。然后，将基于已有的硬件电路编写软件程序，完成系统的整体设计第3章 软件系统设计 3.1 软件总体设计思想基于已有的电路，将采用C语言编写程序。总体思路是首先定义相关的硬件接口，然后进行初始化，包括AD控制端和定时器的初始化。初始化后开始无限无限循环，以保证24小时全天候的检测一氧化碳的浓度，及时发现险情并报警。无限循环中将依次调用AD转换函数、比较判断函数、声音报警函数和显示报警函数。主程序流程图如下：图3-1 主函数流程图下面介绍本软件系统的几个主要函数，对于硬件端口定义和初始化部分不做详细介绍。 3.2 AD转换函数ADC0809芯片需要在单片机的驱动下进行工作，AD转换函数既是用来驱动ADC0809的程序。程序流程图如下：图3-2 AD转换函数流程图另外，ADC0809的时钟信号也由单片机提供。利用单片机的定时器和中断服务在P2.7产生时钟信号。ADC0809的工作频率在500K以下即可。利用软件对定时器T0进行初始化，设定定时器T0工作于方式2，计数初值为250，开总中断和定时器中断，最后启动定时器。中断服务程序对CLK取反。 3.3 比较判断函数比较判断函数是将AD转换得到的数据与门限值比较，根据比较结果设置报警数组的对应位。程序流程图如下：图3-3 时钟程序流程图 3.4 显示报警函数显示报警函数根据报警数组控制相应数码管显示报警传感器号码。流程图如下：图3-4 显示报警函数流程图 3.5 声音报警函数声音报警函数将报警数组的所有数值相加，若不等于4则报警，否则停止报警。流程图如下：图3-5 显示报警函数流程图 3.6 本章小结本章主要介绍了软件系统的整体设计，以及各个功能模块的子程序的设计思路。软件就像整个系统的灵魂，担当这控制整个系统稳定、正常的工作的任务。而且，由于程序采用C语言编写，所以可移植性好，仅需更改软件中硬件接口部分。第4章 软件仿真软件仿真大致分三步，首先在Protues中画电路图，然后根据已有的电路图在Keil中编写程序，程序编译成功后，将程序下载到Protues的单片机中进行仿真调试。 4.1 软件简介本课题将用到两款软件：Protues和Keil，下面简单介绍这两款软件。Proteus软件是EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计。其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境(uVision)将这些部分组合在一起。 4.2 绘制电路原理图首先，按照安装说明安装并破解Protues软件，然后打开Protues软件中的ISIS Professional。在ISIS Professional中首先搜索元件，选中的元件会显示在左边栏，然后逐个的放置元件，并连线，最后完成电路图如下：图4-1完整的电路原理图 4.3 编写程序本次毕业设计使用Keil软件编程，过程如下： （1） 建立工程。 （2） 选择单片机型号，考虑到兼容性问题，编程时选择Atmel 的89C51单片机。 （3） 新建C语言文件，并将文件添加到工程下。 （4） 编写程序并调试，直至无语法错误。 4.4 仿真调试为了检测电路设计和软件设计是否正确，采用Proteus软件进行仿真。Proteus软件具有独特的单片机协同仿真功能(VSM)：支持主流的CPU类型：如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、BasicStamp、8086、MSP430等，CPU类型随着版本升级还在继续增加，如即将支持CORTEX、DSP处理器；支持通用外设模型：如字符LCD模块、图形LCD模块、LED点阵、LED七段显示模块、键盘/按键、直流/步进/伺服电机、RS232虚拟终端、电子温度计等等，其COMPIM(COM口物理接口模型)还可以使仿真电路通过PC机串口和外部电路实现双向异步串行通信；实时仿真：支持UART/USART/EUSARTs仿真、中断仿真、SPI/I2C仿真、MSSP仿真、PSP仿真、RTC仿真、ADC仿真、CCP/ECCP仿真；编译及调试：支持单片机汇编语言的编辑/编译/源码级仿真，内带8051、AVR、PIC的汇编编译器，也可以与第三方集成编译环境(如IAR、Keil和Hitech)结合，进行高级语言的源码级仿真和调试。在电路原理图已经画完，程序也没有语法错误的情况下，即可将程序下载到单片机中进行仿真；首先下载程序，图4-2 将程序下载到单片机然后即可仿真。通过仿真，对电路和程序做出相应修改，直至成功；无报警时如下图：图4-3 无报警报警时如下图(1、3号报警)：图4-3 1、3号报警由于Proteus软件中没有传感器，所以利用电源和滑动变阻器向ADC0809输入四路模拟电压信号，来模拟实际系统中的一氧化碳传感器传来的信号。四路电压信号均是可变的，变化范围是05V。为了更细致地观察仿真过程，仿真是使用了示波器和电压表，这样有利于修改电路图和程序。第5章 结 论本文主要论述了以单片机为核心的毒气检测系统的特点，从发展状况来看，毒气检测系统具有很强的实用性。并且具有比较好的安全性。在各种各样的生产生活中依然有很大的发展空间。在国外正在积极推动毒气检测装置在工业和家庭等方面的应用。在国内基于单片机的毒气检测系统技术还不是非常成熟。本文对于基于单片机的毒气检测系统的工作原理做了深入的分析，提出了一种用单片机控制各个模块的毒气检测报警的设计方案。本篇论文主要完成了以下内容的叙述：对目前毒气检测系统国内外的发展状况进行了概括，进而阐明了课题研究的背景和意义。根据系统要实现的功能做出硬件设计，绘制出硬件电路图，然后根据确定的电路图编写程序。考虑到程序的兼容性，采用C语言编程。软硬件设计完成后，用Proteus软件仿真，能够成功报警和解除报警；本论文主要以一氧化碳为例(其他气体更换相应的传感器即可)，阐述了基于单片机的毒气检测系统的设计与实现。参 考 文 献1 张志良. 单片机原理及控制技术M. 北京:机械工业出版社. 2002:17192 侯国章. 测试与传感技术M. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社. 2000:84 863 洪志刚. 杜维玲. 井娥林. 单片机应用系统设计. 北京:机械工业出版社. 2011:11 144 郑锋. 51单片机典型应用开发范例大全. 北京: 中国铁道出版社. 2011:51 545 陈涛编. 单片机应用及C51程序设计. 北京:机械工业出版社. 2011:100 103 6 刘建辉. 单片机智能控制技术. 北京:国防工业出版社. 2007:358 3617 薛小铃, 刘志群, 贾俊荣. 单片机接口模块应用与开发实例详解. 京:北京航空航天大学出版社. 2010:239 2438 田立. 马鸣鹤. 51系列单片机开发实例精解. 北京:中国电力出版社,2009:1291339 董军堂.白泽生.刘巧平. 单片机编程能力培养项目设计软件部分. 价值工程. 2011.130(16):342 34710 董军. 堂张玉. 强陈晨. 单片机编程能力培养项目设计硬件部分. 价值工程. 2011, 30(15):343711 谢贵波. 80C51单片机的串行口通信原理及编程. 电脑编程技巧与维护. 2010, (20):232512 曹振宇.高磊. 张岚. 51单片机应用系统软件抗干扰设计. 科技资讯. 2008. (33):454813 陈坚. 李昕.黄樱. 51单片机最小化应用系统的Proteus仿真.电脑知识与技术. 2008(18):717514 杨图强. 一氧化碳检测报警器检定问题浅析. 质量技术监督. 2010,(4):555715 李拥军. 一氧化碳检测报警器检定中常见故障分析. 计量技术. 2005. (9):4547致 谢本论文的研究与撰写工作是在魏万迎老师的关心和悉心指导下完成的。感谢各位老师同学朋友在我大学阶段给我的指导与帮助。从最初的选题、定题，到资料收集，论文的撰写，最终论文的修改，到最后的论文定稿，各位老师给了我耐心的指导和无私的帮助，在此论文撰写过程中，要特别感谢魏万迎老师的指导与督促，同时感谢他的谅解与包容，在此表示衷心的谢意。从开始接触课题到深入课题研究的过程中，我的朋友和学长在本次设计的研究方面都给予了我很大的帮助，同时感谢他们在电脑技术上的耐心指导与帮助，在我遇到困难的时候帮助我，在他们的支持与鼓励下，我才能得以顺利完成该论文。在此，向他