基于c51单片机的有害气体检测课程设计强欣.docx

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基于c51单片机的有害气体检测课程设计强欣

目录

第一章系统总体方案选择与说明7

1.1方案选择7

1.2系统说明7

第二章系统结构框图与工作原理8

2.1设计框架图8

2.2工作原理9

第三章各单元硬件设计说明及法计算方10

3.1主控芯片80C5110

3.2A/D转换集成电路主芯片080912

3.3集成气体传感器TGS202元件13

3.4地址锁存器主芯片74LS37314

3.5单片机时钟电路16

3.6复位电路17

3.7光报警系统18

3.8单片机振荡电路19

第四章软件设计20

4.1软件总体设计20

第六章总结23

附件1（原理图）25

附录2参考文献31

第一章系统总体方案选择与说明

1.1方案选择

用单片机控制一个检测报警系统，与以往用数字逻辑电路组成的控制系统相比，用单片机组成的检测报警系统，应具有更大的灵活性，功能也更强，并具有智能性,在实际工作中是一种行之有效的方法。

因此，从理论上分析利用单片机为核心设计一个工业现场报警器系统是可行的。

1.2系统说明

单片机工业现场报警系统是对工业现场的有害气体进行检测，一旦有害气体的浓度超过容许的气体浓度范围，系统闪光响铃报警。

通过传感器对工业现场有害气体浓度的检测从而转换成相应的电压值，又通过A/D模数转换器将传感器的电压值的模拟信号转换为数字信号，然后所转换的数字量接到单片机80C51的P0口，最后单片机对接入的数字信号做出反应，判断所测有害气体的浓度是否超标，超标则做出闪光响铃的报警指示，处于安全范围保持正常状态不变。

第二章系统结构框图与工作原理

2.1设计框架图

图2—1

2.2工作原理

单片机工业现场报警器主要由气体传感器、信号调理、A/D模数转换器、89C51单片机和闪光响铃报警等几部分构成。

八种有害气体分别对应八个气体传感器，气体传感器对有害气体的浓度进行测量，从而转换成电压量。

将气体传感器的输出端接到A/D模数转换器的IN0至IN7端，作为A/D模数转换器的输入。

再将A/D模数转换器的输出端D0~D7接到89C51单片机的P0口，将闪光响铃报警电路接到89C51单片机的P3.7口，从而构成气体检测报警系统。

当气体传感器检测的浓度值大于或等于所设定的气体浓度值，通过A/D模数转换成高电平送到80C51单片机的P0口，从而使P3.7=0，闪光响铃就启动了，从而完成了气体的检测。

第三章各单元硬件设计说明及法计算方法

3.1主控芯片89C51

这次课程设计的主要是围绕80C51而设计的，所以有必要先对它做一个简单介绍，89C51引脚图如下图所示：

图3—189C51外部管脚图

89C51是INTEL公司MCS-51系列单片机中最基本的产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。

它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它继承和扩展了MCS-48单片机的体系结构和指令系统。

89C51内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出（I/O）口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。

此外，89C51还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。

在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。

掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。

89C51有PDIP（40pin）和PLCC（44pin）两种封装形式。

3.2A/D转换集成电路主芯片0809

A/D转换由集成电路0809完成。

0809具有8路模拟输入端口，地址线（23-25脚）可决定对哪一路模拟输入作A/D转换。

0809的管脚图如下：

图3—2ADC0809外部管脚图

A/D转换电路采用了常用的8位8通道数模转换专用芯片ADC0809，电路如图5所示。

气体传感器的输出分别接到ADC0809的IN0至IN7。

ADC0809的通道选择地址A，B，C分别由89C51的P0.0～P0.2经地址锁存器74LS373输出提供。

当P2.7=0时，与写信号WR共同选通ADC0809。

图中ALE信号与ST信号连在一起，在WR信 号的前沿写入地址信号，在其后沿启动转换。

图中ADC0809的转换结束状态信号EOC接到89C51的INT1引脚，当A/D转换完成后，EOC变为高电平，表示转换结束，产生中断。

在中断服务程序中，将转换好的数据送到指定的存储单元。

数据采集电路图如下：

图3—3数据采集模块电路

3.3集成气体传感器TGS202元件

要准确地进行工业现场报警，选择合适的气体传感器是准确报警的前提。

综合考虑各因素，本文选择集成气体传感器TGS202用作采集系统的敏感元件。

TGS202气体传感器能探测CO2，CO，甲烷、煤气等多种气体，他灵敏度高，稳定性好，适合于火灾中气体的探测。

如图4所示，当TGS202探测到CO2或CO时，传感器的内阻变小，VA迅速上升。

选择适当的电阻阻值，使得当气体浓度达到一定程度（如CO浓度达到0.06%）时，VA端获得适当的电压（设为3 V）。

TGS202的应用电路图如下：

图3—4TGS202的应用电路

3.4地址锁存器主芯片74LS373

74373为三态输出的八D透明锁存器,373的输出端O0~O7可直接与总线相连。

外部管脚图如下：

图3—574LS373外部管脚图

当三态允许控制端OE为低电平时，O0~O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。

当OE为高电平时，O0~O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。

当锁存允许端LE为高电平时，O随数据D而变。

当LE为低电平时，O被锁存在已建立的数据电平。

当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。

引出端符号：

D0～D7数据输入端

OE三态允许控制端（低电平有效）

LE锁存允许端

O0~O7输出端

74LS373真值表如下：

图3—674LS373真值表

3.5单片机时钟电路

单片机工作的时间基准是由时钟电路提供的。

在单片机的XTAL1和XTAL2两个管脚，接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路。

电路中电容C1和C2对振荡频率有微调作用，通常的取值范围为（20—40）pF。

晶振这里选择12MHz。

时钟内部方式图如下：

图3—7内部时钟方式

3.6复位电路

单片机的RST管脚为主机提供一个外部复位的信号输入端口。

复位电平是高电平有效，高电平持续的时间是应为2个机器周期以上。

单片机的复位方式有上电复位和手工复位两种。

下图所示是51系列单片机常用的上电复位和手工复位组合电路，只要电源上升时间不超过1ms，它们都能很好的工作。

复位以后，单片机内各部件恢复到初始状态。

图3—8按键电平复位

3.7光报警系统

声光报警电路在单片机P1口的控制下，可以根据不同情况发出不同的声光报警信号。

声音信号由专用语音芯片提供。

通过给语音芯片的S1和S2端输入不同的逻辑电平（00，01，10，11），便可以获得4种不同的声音信号。

由单片机的P1.0和P1.1控制。

另外该芯片还需要一个选通信号，由P1.3提供。

只有当该信号为高电平时，芯片才会根据S1和S2端的控制信号发出不同的报警声，否则不会发声报警。

　　由P1口的P1.4～P1.7分别控制4个发光二极管，予以光报警，如图6所示。

P1.4～P1.7控制的灯依次为绿色（正常信号灯）、黄色（故障信号灯）、红色（超标信号灯）和红色（火灾信号灯）。

当这些输出端输出低电平时，对应的信号灯便会发光报警。

图3—9光报警电路图

3.8单片机振荡电路

8051内置频率可达12MHz的时钟电路，用来产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容，晶振采用12M外接30p电容构成单片机时钟电路。

单片机振荡电路图如下：

图3-10单片机振荡电路

第四章软件设计

4.1软件总体设计

系统复位后，首先要进行初始化，包括对各个控制用寄存器的初始化、设置中断服务程序的入口地址、设置堆栈等。

流程图如图3—4所示：

附录1（原理图）

附录2参考文献

1·教材《单片微型计算机技术》刘国荣编机械工业出版社

2·《单片微型计算机原理、应用及接口技术》张迎新编国防工业出版社

3·《单片机实用系统设计技术》房小翠编国防工业出版社

4·《单片机应用系统设计》何立民编北航出版社

5·《单片机原理及接口技术》曹琳琳编国防科技大学出版社

[9]谢宜仁.单片机实用技术问答[M].人民邮电出版社,2002