畢業(yè)設(shè)計---基于單片機的瓦斯監(jiān)控的硬件設(shè)計

1、<p>　　基于單片機的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計</p><p><b>　　電子信息工程專業(yè)　</b></p><p>　　［摘　要］本文概述了瓦斯監(jiān)控器的現(xiàn)狀及其基本原理，主要論述了利用單片機實現(xiàn)瓦斯監(jiān)控器的設(shè)計與實現(xiàn)方法。瓦斯監(jiān)控器是一種采用單片機控制的智能化儀表，為了滿足煤礦井下使用攜帶方便、安全可靠等要求，在設(shè)計上作了如下的必要的考慮：考慮到小型化儀

2、表的結(jié)構(gòu)，以及今后改進的方便，我們將單片機進行了模塊化處理。系統(tǒng)的各個模塊都由它控制完成。</p><p>　　本文針對目前情況設(shè)計一種井下便攜式瓦斯監(jiān)控器，當(dāng)瓦斯氣體濃度接近危險值時，自動發(fā)出報警，提醒井下人員立刻離開。該設(shè)備同時還具備靈敏度調(diào)節(jié)和檢測強度調(diào)節(jié)開關(guān)，有簡單、方便、準(zhǔn)確、實用等特點。</p><p>　?。坳P(guān)鍵詞］單片機；瓦斯氣體檢測；氣敏傳感器；報警</p>

3、<p>　　Hardware Design of Gas Monitoring System Based on MCU</p><p>　　Electrical & Information Engineering Major　</p><p>　　Abstract: This paper has outlined the gas detector present si

4、tuation and its the basic principle, mainly elaborated the use monolithic integrated circuit realization gas detector design and the realization method. The gas detector is one kind the intellectualized measuring applian

5、ce which uses the monolithic integrated circuit to control, in order to satisfy the coal mine mine shaft use to carry conveniently, safe is reliable and so on the request, has made the following necessity consideration &

6、lt;/p><p>　　This paper designs one kind of mineshaft portable gas detector in view of the present situation, when the gas gas density approaches the dangerous value, automatically sends out reports to the polic

7、e, the reminder mineshaft personnel leaves immediately. At the same time this equipment also has the sensitivity adjustment and the examination intensity regulating cock, has simply, convenient, accurate, is practical an

8、d so on the characteristic.</p><p>　　Key words: AT89C51; Gas gas detection; Angry quick sensor; Reports to the police</p><p><b>　　目　　錄</b></p><p><b>　　1 引言1</b

9、></p><p>　　1.1 課題研究的目的和意義1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外氣體檢測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3 課題研究的內(nèi)容和方案2</p><p>　　1.3.1 課題研究的內(nèi)容及要求2</p><p>　　1.3.2 課題研究的總體解決方案2</p>&

10、lt;p>　　2 瓦斯報警器的設(shè)計概述3</p><p><b>　　2.1 概述3</b></p><p>　　2.2 設(shè)計方案3</p><p>　　2.3 系統(tǒng)分析4</p><p>　　2.4 本章小結(jié)4</p><p>　　3 硬件系統(tǒng)設(shè)計5</p>&l

11、t;p>　　3.1 主控單元5</p><p>　　3.2 氣體采樣單元6</p><p>　　3.3 單片機控制單元7</p><p>　　3.3.1 按鍵電路7</p><p>　　3.4 調(diào)節(jié)執(zhí)行單元10</p><p><b>　　3.5 電源11</b></p&

12、gt;<p>　　3.6 報警單元11</p><p><b>　　4 仿真結(jié)果14</b></p><p><b>　　5 總結(jié)15</b></p><p>　　5.1 設(shè)計實現(xiàn)情況與改進方案15</p><p>　　5.2設(shè)計心得15</p><p&g

13、t;<b>　　結(jié)束語15</b></p><p><b>　　參考文獻16</b></p><p>　　附錄A 系統(tǒng)的原理圖17</p><p><b>　　致 謝18</b></p><p><b>　　1 引言</b></p>

14、<p>　　1.1 課題研究的目的和意義</p><p>　　在煤礦生產(chǎn)中，隨著煤層采動，煤層中往往會涌出礦井瓦斯，瓦斯是煤礦開采中所產(chǎn)生的有害氣體總稱，它具有獨特的性質(zhì)和特點。瓦斯的主要成份是甲烷，一氧化碳，二氧化碳，二氧化硫和硫化氫等。瓦斯在煤體和圍巖中，以游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)存在，一般情況下處于動態(tài)平衡。當(dāng)外界溫度、壓力變化時這幾種狀態(tài)就會發(fā)生相互轉(zhuǎn)化。瓦斯在煤層開采過程中被逸散出來，在井下積累造

15、成井下瓦斯?jié)舛鹊脑黾樱?dāng)瓦斯?jié)舛冗_到5%-16%時具有爆炸性，瓦斯?jié)舛葹?.5%時爆炸威力最大，當(dāng)瓦斯?jié)舛刃∮?%或大于16%時，一般不會爆炸，遇明火只會燃燒，形成燃燒事故。因此煤層瓦斯?jié)舛鹊拇笮≈苯佑绊懨旱V的設(shè)計、建設(shè)、安全生產(chǎn)及經(jīng)濟利益。我國一些煤礦由于瓦斯預(yù)測不準(zhǔn)，造成礦井投產(chǎn)后事故頻繁發(fā)生。因此準(zhǔn)確而迅速地測出礦井瓦斯涌出量與突出危險區(qū)域，對煤礦安全生產(chǎn)和提高經(jīng)濟效益具有重大的意義。</p><p>　　

16、瓦斯爆炸的主要參數(shù):</p><p>　?。?）瓦斯的爆炸濃度</p><p>　　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，這個濃度范圍稱瓦斯的爆炸界限，其最低濃度界限叫爆炸下限，其最高濃度界限叫爆炸上限，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，其中重要的有：</p><p><b>

17、;　?。?）氧的濃度</b></p><p>　　正常大氣壓和常溫時，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，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，混合氣體就失去爆炸性。 </p><p><b>　　（3）煤塵 </b></p><p>　　煤塵具有爆炸危險，3

18、00～400℃時就能從煤塵內(nèi)揮發(fā)出多種可燃?xì)怏w，形成混合的爆炸氣體，使瓦斯的爆炸危險性增加.</p><p>　?。?）空氣壓力 </p><p>　　爆炸前的初始壓力對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。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外氣體檢測監(jiān)控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀</p><p>　　氣體檢測

19、監(jiān)控系統(tǒng)是工礦企業(yè)、社會公用事業(yè)、環(huán)境保護等領(lǐng)域必備的安全設(shè)備。經(jīng)過20多年的努力，氣體檢測儀表的敏感元件性能、質(zhì)量有了根本性的改善。在可測氣體種類、測量范圍、精度、穩(wěn)定性和壽命等主要技術(shù)指標(biāo)方面均有明顯的提高，尤其精度、穩(wěn)定性與壽命指標(biāo)，提高了幾倍。目前有代表性的是法國OLDHAM公司的MX21，德國Drager公司的Multiwarn，日本理研株式會社的GX86、GX111、GX91、GX82系列，美國GasTech公司的GT、SA

20、FETMTE等儀表。我們通過這幾種儀表的介紹和分析，概要說明氣體檢測監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀。</p><p>　　（1）氣體敏感元件的性能便攜式氣體監(jiān)測儀表使用的氣體敏感元件性能即代表了儀表整體的性能。</p><p>　?。?）氣體儀表的功能氣體檢測儀表的功能主要是指所測氣體濃度值、報警點的設(shè)置，聲光報警，開機指示，電池欠壓指示等。</p><p>　?。?）氣體儀表的智

21、能化儀表的智能化是當(dāng)今電子產(chǎn)品的發(fā)展方向。目前技術(shù)水平較高的“智能化”，即程序化功能是指：自動校正和可燃?xì)獾膶Ρ葏?shù)。</p><p>　　1.3 課題研究的內(nèi)容和方案</p><p>　　1.3.1 課題研究的內(nèi)容及要求</p><p>　　這次畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容與要求是：設(shè)計一個瓦斯氣體安全監(jiān)控裝置，在氣休濃度一定的范圍內(nèi)進行安全檢測，并能在被控對象氣體濃度超過

22、標(biāo)準(zhǔn)值時進行報警，避免造成人員傷亡。假設(shè)這個單片機氣體安全監(jiān)控系統(tǒng)要實現(xiàn)以下的功能：氣體測試，超過設(shè)定的門限值后自動報警裝置。以單片機為主機，氣敏傳感器通過一根口線與單片機相連接，再加上濃度控制部分和人機對話部分來共同實現(xiàn)瓦斯安全監(jiān)測與控制。</p><p>　　用單片機實現(xiàn)其具體控制功能如下：</p><p>　?。?）能夠連續(xù)測量瓦斯氣體，用十進制數(shù)碼管顯示水的實際濃度度值。</

23、p><p>　?。?）瓦斯檢測儀的檢測范圍是0—1000ppm報警門限為50ppm, 100ppm。</p><p>　?。?）用單片機AT89C51控制，通過自動監(jiān)控瓦斯氣體濃度設(shè)定值，數(shù)值采用數(shù)碼管顯示。</p><p>　　1.3.2 課題研究的總體解決方案</p><p>　　本論文中設(shè)計的瓦斯自動報警系統(tǒng)采用AT89C51作為單片機進行

24、控制，傳感信號由氣敏電阻和放大器轉(zhuǎn)換成電信號，由ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，監(jiān)測電路可靠工作，氣體設(shè)定采用按鍵移位式設(shè)定方法，使電路結(jié)構(gòu)簡單，氣體檢測儀表的功能主要是指所測氣體濃度值、報警點的設(shè)置，聲光報警，開機指示，電池欠壓指示等。軟件算法采用設(shè)定值和測量值比較的算法，并采用中斷程序，以及時中斷主程序，實現(xiàn)按鍵控制。</p><p>　　本論文針對AT89C51單片機在檢測和過程控制方面的應(yīng)用來分析瓦斯氣體濃度

25、控制系統(tǒng)。在分析過程中，詳細(xì)敘述了該實例的物理工作原理和電路工作原理。</p><p>　　2 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案</p><p><b>　　2.1 概述</b></p><p>　　一個易燃易爆氣體監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時的發(fā)現(xiàn)易燃易爆氣體并報警，肯定能提高人民的生活水平和加快我們的現(xiàn)代化建設(shè)，有利于整個社會穩(wěn)定?；谶@個思路，我們研究設(shè)計

26、了易燃易爆氣體監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)氣體的濃度超出某一設(shè)定范圍后會產(chǎn)生報警并實時的關(guān)閉氣體閥門，從而達到實時安全監(jiān)控作用。</p><p><b>　　2.2 設(shè)計方案</b></p><p>　　針對此課題要求，現(xiàn)提出以下二種設(shè)計方案：</p><p>　　總體方案一：基于FPGA的總體設(shè)計模塊。</p><p>　　圖1 方案

27、一總體框圖</p><p>　　方案一總體框圖如圖1所示。本系統(tǒng)基于FPGA，充分利用了它的功能，是一個效率比較高的設(shè)計方案，從框圖可以看出系統(tǒng)的核心處理模塊幾乎全是要經(jīng)過FPGA。系統(tǒng)可以分兩個部分，前一部分主要是關(guān)于傳感器的信號，包括信號的監(jiān)測、發(fā)大和A/D轉(zhuǎn)換。氣敏傳感器輸出的信號是毫伏級的，所以要經(jīng)過運放發(fā)大后送給ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，最終送給FPGA來處理，F(xiàn)PGA根據(jù)檢測量的大小將氣體濃度顯示到

28、數(shù)碼管上，當(dāng)檢測到的氣體濃度超過設(shè)定值時，系統(tǒng)便會報警，并且控制閥電路工作加快空氣流動。該系統(tǒng)的可靠性強，容易實現(xiàn)，但FPGA作為核心電路，成本是其最大的障礙，因為本產(chǎn)品是要進入平常百姓家，不能在實際產(chǎn)品中的應(yīng)用。</p><p>　　總體方案二：基于單片機的總體設(shè)計模塊。</p><p>　　圖2 方案二總體框圖</p><p>　　方案二總體框圖如圖2所示。本系

29、統(tǒng)是以單片機為核心，系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能幾乎與前面方案一樣，具有信號的監(jiān)控處理和報警顯示和自動控制閥門。用單片機完全可以取代了方案一的FPGA的功能，使整體的價格大幅度的下降，具有很高的實際開發(fā)價值。氣敏傳感器的電路的處理使其精度可能受到周圍的環(huán)境的影響比較大，方案一也是一樣。</p><p>　　綜合考慮采用方案二。</p><p><b>　　2.3 系統(tǒng)分析</b>

30、;</p><p>　　單片機處理部分作為本系統(tǒng)的核心部分，其主要的功能是檢測氣體濃度，并根據(jù)此信號來控制不同的操作。比如報警模塊的狀態(tài)、數(shù)碼管的不同的狀態(tài)顯示和控制閥電路的工作狀態(tài)。</p><p>　　系統(tǒng)的原理圖參見附錄A.</p><p>　　我們在系統(tǒng)里設(shè)置了四級報警等級，是根據(jù)前端的不同的氣體濃度情況下設(shè)置的，分別為gas detected、warnin

31、g、may explode、dangerous ，因為實驗環(huán)境的原因，這里的等級之分并不是準(zhǔn)確的定量，而是定性而得的結(jié)果。</p><p><b>　　2.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　總結(jié)和分析了前面所想到的二種設(shè)計方案，根據(jù)各種性能以及實驗室的各種環(huán)境以及芯片等原因，第二種方案是作為本系統(tǒng)的設(shè)計方案。優(yōu)點：功能強大，精度高，性能穩(wěn)定，實際可行性很強，而

32、且適合性能的擴展。</p><p><b>　　3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計</b></p><p>　　本系統(tǒng)的基本組成單元包括：主控單元、氣體采樣單元、單片機控制單元、調(diào)節(jié)執(zhí)行單元、電源、報警單元六部分，本章將逐一進行介紹。</p><p>　　3.1 主控單元的設(shè)計</p><p>　　主控單元如圖3所示。監(jiān)控系統(tǒng)的核心將采

33、用C51系列單片機中的AT89C51，這類單片機是在MCS-51的CMOS基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，與MCS-51系列相兼容，保留了它的全部特性，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也基本相同。由于這類單片機具有更加優(yōu)越的特點，將取代MCS-51系列成為第三代單片機。</p><p><b>　　圖3 主控單元</b></p><p>　　AT89C51系列單片機介紹：</p><

34、p>　　一、AT89C51系列基本組成及特性</p><p>　　在眾多的51系列單片機中，要算 ATMEL 公司的AT89C51更實用，因為它不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的4K程序存儲器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲器，用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫，一般專為 ATMEL AT89Cx 做的編程器均帶有這些功能。顯而易見，這種單片機對開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。</

35、p><p>　　AT89C51基本功能描述如下：AT89C51是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器，片內(nèi)有4k字節(jié)的在線可重復(fù)編程快擦快寫程序存儲器，能重復(fù)寫入/擦除1000次，數(shù)據(jù)保存時間為十年。它與MCS-51系列單片機在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替MCS-51系列單片機，而且能使系統(tǒng)具有許多MCS-51系列產(chǎn)品沒有的功能。AT89C51可構(gòu)成真正的單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積, 增加系統(tǒng)的

36、可靠性，降低了系統(tǒng)成本。只要程序長度小于4k, 四個I/O口全部提供給用戶?？捎?V電壓編程，而且擦寫時間僅需10毫秒, 僅為8751/87C51 的擦除時間的百分之一，與8751/87C51的12V電壓擦寫相比, 不易損壞器件, 沒有兩種電源的要求，改寫時不拔下芯片，適合許多嵌入式控制領(lǐng)域。工作電壓范圍寬2.7～6V，全靜態(tài)工作，工作頻率寬，在0-24MHz 內(nèi), 比8751/87C51 等51系6MHz-12MHz 更具靈活性，系統(tǒng)

37、能快能慢。AT89C51 芯片提供三級程序存儲器加密, 提供了方便靈活而可靠的硬加密手段, 能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。另外,AT89C51 還具有MCS</p><p>　　3.2 采樣單元的設(shè)計</p><p>　　瓦斯傳感器是煤礦重要的安全儀器, 國外從30年代開始研究開發(fā)氣體傳感器。過去氣體傳感器主要用于煤氣、液化石油氣、天然氣及礦井中的瓦斯氣體的檢測與報警，目前需要檢測的氣體種

38、類由原來的還原性氣體(H2,C4H10,CH4)等擴展到毒性氣體(CO,NO2,H2S,NO,NH3,PH3)等。</p><p>　　在本設(shè)計中瓦斯檢測采用電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器作為檢測元件。與其他類型的瓦斯傳感器相比，其優(yōu)點是在測爆炸范圍內(nèi)的可燃性氣體精度高，受背景氣體、濕度、氣壓影響小，輸出信號大，成本底，制作方便。</p><p>　　電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器是通過檢測氣敏元件隨氣體

39、含量的變化情況而工作的。主要使用金屬氧化物陶瓷氣敏材料。隨著近年來復(fù)合金屬氧化物、混合金屬氧化物等新型材料的研究和開發(fā)，大大提高了這種氣體傳感器的特性和應(yīng)用范圍。</p><p>　　氣體采樣單元如圖4所示。氣體的采樣方法直接影響傳感器的響應(yīng)時間。目前，氣體的采樣方式主要是通過簡單擴散法，或是將氣體吸入檢測器。它由采樣電壓轉(zhuǎn)換、小信號放大及A/D轉(zhuǎn)換三部分組成。其中，將氣體轉(zhuǎn)化為電量的氣體電壓轉(zhuǎn)換由氣敏傳感器-氣

40、敏電阻實現(xiàn)，小信號放大由橋式放大電路實現(xiàn)，A/D轉(zhuǎn)換選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809，將采集到的氣體濃度模擬信號轉(zhuǎn)換為AT89C51能夠處理的二進制數(shù)字信號。</p><p>　　圖4 氣體采樣單元</p><p>　　氣敏傳感器采用MQ-7型。因氣體傳感器的基本特征，即靈敏度、選擇性以及穩(wěn)定性等，主要通過材料的選擇來確定。所以選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾烷_發(fā)新材料，使氣體傳感器的敏感特性達到最優(yōu)。&l

41、t;/p><p><b>　　1、穩(wěn)定性 </b></p><p>　　穩(wěn)定性是指傳感器在整個工作時間內(nèi)基本響應(yīng)的穩(wěn)定性，取決于零點漂移和區(qū)間漂移。零點漂移是指在沒有目標(biāo)氣體時，整個工作時間內(nèi)傳感器輸出響應(yīng)的變化。區(qū)間漂移是指傳感器連續(xù)置于目標(biāo)氣體中的輸出響應(yīng)變化，表現(xiàn)為傳感器輸出信號在工作時間內(nèi)的降低。理想情況下，一個傳感器在連續(xù)工作條件下，每年零點漂移小于10%。 &

42、lt;/p><p><b>　　2、靈敏度 </b></p><p>　　靈敏度是指傳感器輸出變化量與被測輸入變化量之比，主要依賴于傳感器結(jié)構(gòu)所使用的技術(shù)。大多數(shù)氣體傳感器的設(shè)計原理都采用生物化學(xué)、電化學(xué)、物理和光學(xué)。首先要考慮的是選擇一種敏感技術(shù)，它對目標(biāo)氣體的閥限制(TLV-thresh-old limit value)或最低爆炸限(LEL-lower explosi

43、ve limit)的百分比的檢測要有足夠的靈敏性。 </p><p><b>　　3、選擇性 </b></p><p>　　選擇性也被稱為交叉靈敏度?？梢酝ㄟ^測量由某一種濃度的干擾氣體所產(chǎn)生的傳感器響應(yīng)來確定。這個響應(yīng)等價于一定濃度的目標(biāo)氣體所產(chǎn)生的傳感器響應(yīng)。這種特性在追蹤多種氣體的應(yīng)用中是非常重要的，因為交叉靈敏度會降低測量的重復(fù)性和可靠性，理想傳感器應(yīng)具有高靈敏

44、度和高選擇性。</p><p>　　3.3 單片機控制單元的設(shè)計</p><p>　　3.3.1 按鍵電路</p><p>　　按鍵電路如圖5所示。鍵盤分編碼鍵盤和非編碼鍵盤。鍵盤上閉合鍵的識別由專用的硬件編碼器實現(xiàn)，并產(chǎn)生鍵編碼號或鍵值的稱為編碼鍵盤，如計算機鍵盤；而靠軟件編程來識別的稱為非編碼鍵盤；在單片機組成的各種系統(tǒng)中，用的最多的是非編碼鍵盤。非編碼鍵盤有分

45、為：獨立鍵盤和行列式（又稱為矩陣式）鍵盤。</p><p>　　因所需的按鍵數(shù)目不多，所以采用獨立按鍵，為了更好的區(qū)分按下的是哪一個按鍵，在每個按鍵按下時相應(yīng)發(fā)光二極管亮。</p><p>　　圖5 按鍵電路如圖</p><p>　　3.3.2 顯示電路</p><p>　　顯示電路采用數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管顏色鮮艷，視覺效果好，顯示電路如圖6

46、所示。</p><p>　　LED顯示器工作方式有兩種：靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式。</p><p>　　靜態(tài)顯示的特點是每個數(shù)碼管的段選必須接一個8位數(shù)據(jù)線來保持顯示的字形碼。當(dāng)送入一次字形碼后，顯示字形可一直保持，直到送入新字形碼為止。這種方法的優(yōu)點是占用CPU時間少，顯示便于監(jiān)測和控制。缺點是硬件電路比較復(fù)雜，成本較高。</p><p>　　動態(tài)顯示的特點是將

47、所有位數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，由位選線控制是哪一位數(shù)碼管有效。這樣一來，就沒有必要每一位數(shù)碼管配一個鎖存器，從而大大地簡化了硬件電路。選亮數(shù)碼管采用動態(tài)掃描顯示。所謂動態(tài)掃描顯示即輪流向各位數(shù)碼管送出字形碼和相應(yīng)的位選，利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺暫留作用，使人的感覺好像各位數(shù)碼管同時都在顯示。動態(tài)顯示的亮度比靜態(tài)顯示要差一些，所以在選擇限流電阻時應(yīng)略小于靜態(tài)顯示電路中的。</p><p>　　工作原理：單片機P

48、0口低4位作為數(shù)據(jù)輸出口，P05-P07為位選信號，數(shù)據(jù)送給7447翻譯成7段數(shù)碼信號，顯示在數(shù)碼管上，位選信號經(jīng)過74138編碼后，再經(jīng)8個三極管組成反相器組送給共陰極數(shù)碼管的位選端，作為位控制信號。這樣就可以控制在哪一個位上面顯示什么樣的數(shù)了。</p><p><b>　　圖6 顯示電路</b></p><p>　　數(shù)碼管原理：7段數(shù)碼管是由7個獨立的二極管采

49、用共陰或共陽的方法連接而成。通常將這7個獨立的二極管做成a、b、c、d、e、f、g這7個筆劃。數(shù)碼管顯示原理圖如圖6所示。</p><p>　　圖7 數(shù)碼管顯示原理圖</p><p>　　通過一個7位的二進制電平信號就可以顯示出想要的結(jié)果。例如，點亮二極管b、c，數(shù)碼管將會顯示數(shù)字1，點亮a、b、c、d、e、f、g，數(shù)碼管將會顯示數(shù)字0。所以，數(shù)碼管的顯示需要有7根連線。顯示數(shù)字對應(yīng)的二

50、進制電平信號如表1所示。</p><p>　　表1 顯示數(shù)字對應(yīng)的二進制電平信號</p><p>　　然而，在實際的電路設(shè)計中，由處理器完成譯碼功能再輸出一個7位的二進制信號是非常浪費空間和影響效率的。因此，電子工程師一般采取用7段數(shù)碼管與譯碼器相結(jié)合的方法來解決這個問題。</p><p>　　3.4 調(diào)節(jié)執(zhí)行單元的設(shè)計</p><p>　　

51、調(diào)節(jié)執(zhí)行單元如圖8所示。采用實時控制的方法，在主機AT89C51的P1.4口輸出控制信號，由光耦MOC3041（光電耦合器）和可控硅SCR組成。其中光電耦合器MOC3041的作用是將單片機系統(tǒng)與可控硅SCR電路隔開，避免在高壓過程中的干擾信號影響單片機的運行；可控硅SCR的作用是相當(dāng)于一個固態(tài)的觸點，使之有能力開啟或關(guān)斷電機，從而控制風(fēng)扇通斷，以實現(xiàn)對空氣流動大小的實時控制。</p><p><b>　

52、　圖8 調(diào)節(jié)執(zhí)行單元</b></p><p>　　MOC3041是常用的雙向晶閘管輸出的光電耦合器，帶過零觸發(fā)電路，輸入端的控制電流為15mA，輸出端額定電壓為400V，輸入輸出端隔離電壓為7500V。</p><p>　　MOC3041一般不直接用于控制負(fù)載，而用于中間控制電路或用于觸發(fā)大功率的晶閘管。</p><p>　　3.5 電源模塊的設(shè)計<

53、;/p><p>　　電源必須提供穩(wěn)定的電源，不能有太大的紋波，電源須提供恒定電壓和足夠的電流。另外系統(tǒng)里面既有數(shù)字電路也有模擬電路，所以如果電源性能不佳，造成的后果不堪設(shè)想。</p><p>　　為了濾除電源的紋波，采用多級電容濾波，并且在最后并聯(lián)了104濾除電源中的高頻雜波，采用7805穩(wěn)壓，得到穩(wěn)定的5V電源。電源電路如圖9所示。</p><p><b>

54、　　圖9 電源電路</b></p><p>　　3.6 報警單元的設(shè)計</p><p>　　報警電路可以用單片機P1.5輸出1 kHz和500 Hz的音頻信號經(jīng)放大后驅(qū)動揚聲器，做報警信號，要求1 kHz信號響100 ms，再500 Hz信號響200 ms，交替進行。這里使用音頻放大器LM386，他的工作電壓為4～ 12 V，輸出功率最大可達1 W，輸入阻抗為50 kHz。報

55、警電路如圖10所示。</p><p><b>　　圖10 報警電路</b></p><p>　　LM386是專為低損耗電源所設(shè)計的功率放大器集成電路。它的內(nèi)建增益為20，透過pin 1 和pin8腳位間電容的搭配，增益最高可達200。LM386可使用電池為供應(yīng)電源，輸入電壓范圍可由4V~12V，無作動時僅消耗4mA電流，且失真低。LM386的內(nèi)部電路圖如圖11所示。

56、引腳排列圖如圖12所示。</p><p><b>　　圖11內(nèi)部電路圖</b></p><p><b>　　圖12 引腳功能圖</b></p><p>　　極限參數(shù)：電源電壓（LM386N-1，-3，LM386M-1）15V，封裝耗散 （LM386N）1.25W、 </p><p>　　（LM386

57、M）0.73W、（LM386MM-1）0.595W，輸入電壓±0.4V，儲存溫度-65℃至+150℃，操作溫度0℃至+70℃，結(jié)溫+150℃，焊接信息焊接（10秒）260℃，小外形封裝（SOIC和MSOP），氣相（60秒）215℃，紅外（15秒）220℃，熱電阻，qJC （DIP）37℃/W、</p><p>　　qJA （DIP）107℃/W、qJC （SO封裝）35℃/W、qJA （SO封裝）172

58、℃/W、qJA （MSOP封裝）210℃/W、qJC （MSOP封裝）56℃/W 。</p><p>　　4 系統(tǒng)的調(diào)試運行及分析</p><p>　　4.1 系統(tǒng)調(diào)試方法</p><p>　　整個調(diào)試過程主要應(yīng)用了Keil軟件和Proteus軟件，Proteus 是 Labcenter 公司出品的電路分析、實物仿真系統(tǒng)，而 Keil 是目前世界上最好的 51 單片

59、機匯編和 C 語言的集成開發(fā)環(huán)境。他支持匯編與 C 的混合編程，同時具備強大的軟件仿真和硬件仿真功能。</p><p><b>　　調(diào)試過程如下：</b></p><p>　?。?）先建立一個工程目錄，取個工程名字保存，然后選擇一個單片機芯片AT89C51。</p><p>　　（2）新建一個C文檔。</p><p>　

60、?。?）編寫調(diào)試程序。</p><p>　　（4）設(shè)置相應(yīng)的調(diào)試輸入文件，使之生成HEX文件。</p><p>　　（5）調(diào)試程序檢查錯誤，直到無錯誤為止。</p><p><b>　　仿真過程如下：</b></p><p>　　（1）打開Proteus軟件，新建DEFAULT文件。</p><p&g

61、t;　?。?）按照仿真原理圖放置所要仿真的元器件。</p><p>　?。?）進行電路搭接使仿真圖和原理圖電子連接一樣。</p><p>　?。?）雙擊AT89C51單片機在Program File處打開Keil軟件調(diào)試生產(chǎn)的HEX文件添加到單片機中。</p><p><b>　?。?）保存，運行。</b></p><p&g

62、t;　?。?）調(diào)試程序再按如上操作就能調(diào)試所有功能。</p><p>　　4.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析</p><p>　　圖 13 系統(tǒng)仿真圖</p><p>　　系統(tǒng)在PROTUES仿真圖如圖13所示,由于系統(tǒng)不能應(yīng)用瓦斯采集傳感器，所以直接給ADC0809模擬數(shù)據(jù)量輸入端輸入一個5V的電壓源RV2(2)，用滑動變阻器RV2來控制輸入電壓的大?。M瓦斯的濃度大小

63、的變化），使電壓的變化范圍在0到5V之間進行變化（此系統(tǒng)中的電壓要求在0到5V），圖中仿真是調(diào)節(jié)了一個3V的電壓輸入，然后用一個電壓表實時監(jiān)控電壓的變化，以便與后面的轉(zhuǎn)換和顯示進行比較，電壓經(jīng)過ADC0808（Protues中沒有ADC0809模型用ADC0808代替，這兩個芯片使用和功能相似）進行模數(shù)轉(zhuǎn)換程數(shù)字信號后由OUT01到OUT7引腳輸出，輸出的數(shù)字信號接到單片機的P0口輸入到單片機，進行到單片機處理，計算后，再由單片機調(diào)用譯

64、碼程序（主要是操作74LS47和74LS138），對LED數(shù)碼管進行段選位選的操作，讓他在數(shù)碼管上顯示出來，當(dāng)調(diào)節(jié)滑動變阻器時，數(shù)碼管上的數(shù)據(jù)隨著調(diào)節(jié)的變化而變化。按下鍵盤設(shè)定一個最大值時，再滑動滑動變阻器使電壓值高于設(shè)定值時，系統(tǒng)產(chǎn)生報警。仿真圖中的三極管起到驅(qū)動7段數(shù)碼管的作用。</p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p>　　本文以AT89C51

65、系列單片機為核心，用AT89C51單片機作為控制器件，氣體信號通過氣敏電阻和放大器轉(zhuǎn)換成電信號，再由ADC0809轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，測濃度電路采用橋式電路，濃度設(shè)定采用按鍵移位式設(shè)定方法，氣體濃度采用氣體傳感器來測量。在單片機應(yīng)用的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了以AT89C51單片機控制傳感器的自動化安全報警監(jiān)控系統(tǒng)。（充實一點）</p><p>　?。?）設(shè)計實現(xiàn)情況與改進方案</p><p><

66、b>　　實現(xiàn)情況：</b></p><p>　　本次設(shè)計基本完成了任務(wù)目標(biāo)的所有要求，而且在功能和性能上有所擴展。</p><p>　　用戶可以設(shè)定鍵盤輸入，并顯示預(yù)期值和輸出結(jié)果。</p><p>　　電源發(fā)生過載或短路故障時，能發(fā)出聲光報警。</p><p><b>　　設(shè)計的不足：</b><

67、/p><p>　　由于設(shè)計時間及經(jīng)費的限制，此監(jiān)控系統(tǒng)還有不足之處是電源仍使用傳統(tǒng)的電位器調(diào)節(jié)AD采集端。 </p><p><b>　?。?）設(shè)計心得</b></p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計是我第一次獨立完成一個比較大型的系統(tǒng)，選芯片、制定方案、畫原理圖、制作PCB圖、焊接電路、調(diào)試系統(tǒng)、寫報告均由本人完成。對我來說，這是一個不小的挑戰(zhàn)。在畢

68、業(yè)設(shè)計的過程中遇到了不少困難，在遇到問題百思不得其解的痛苦之后又往往有茅塞頓開的喜悅。回顧整個畢業(yè)設(shè)計經(jīng)歷，心得體會總結(jié)為一句話：小處不可隨便。</p><p>　　在做的時候，我遇到了問題：采用獨立式鍵盤，鍵盤做了2個，第一個發(fā)生異常情況。錯誤原因：常開型按鍵變成常閉型按鍵，可能是萬能電路板有一層氧化膜，發(fā)生線路錯誤。</p><p>　　從上面的分析中可以看出，僅僅只是幾個電容和電阻，

69、卻直接影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，抗干擾性甚至直接決定整個系統(tǒng)是否正常工作。經(jīng)過這次設(shè)計，我更深刻的理解了“小處不可隨便”這句話。</p><p>　　在本次畢業(yè)設(shè)計的過程中，由于本人邊工作邊做設(shè)計，比較忙碌，所以此次設(shè)計有待于進一步的學(xué)習(xí)和研究。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 潘新民、王燕芳、微型計算機控

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79、, A. Pedersen, O. G. Helles. Electrical Noise of Laser Diodes Measured over a Wide Range of Bias Currents. Microelectronics Reliability.、2000</p><p><b>　　附錄 系統(tǒng)的原理圖</b></p><p><b&g

80、t;　　系統(tǒng)的原理圖(A)</b></p><p><b>　　系統(tǒng)的原理圖(B)</b></p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　我的設(shè)計題目是“基于單片機的煤氣報警器的設(shè)計與實現(xiàn)”。 此課題的完成需要大量的專業(yè)知識和豐富的實踐經(jīng)驗。經(jīng)過一個月的努力，我終于成功的完成了本次畢業(yè)設(shè)計任務(wù)

81、。</p><p>　　首先要感謝輔導(dǎo)老師耐心、認(rèn)真的指導(dǎo)。從確定課題、查找資料，到電路設(shè)計、選件、制作，最后到撰寫論文，*老師都給予了我極大的幫助。在教研室期間，由于我在原來的課程學(xué)習(xí)中，有很多的不懂地方，基礎(chǔ)也不夠牢固，而且又在這次設(shè)計的過程中遇到了許多新問題，是*老師以扎實的理論知識給予我輔導(dǎo)，才使我學(xué)到了很多原來不會的知識，而且能夠把原來學(xué)習(xí)的知識和實踐聯(lián)系到一起，融會貫通，能夠更好的掌握這些知識。<