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正文酒精报警器

可燃性气体报警控制器的结构

可燃性气体报警控制器系统结构如图2-3所示，系统以AT89S52单片机为核心，配合外围电路共同完成信号采集、浓度显示、声音报警、自动排气以及按键输入等功能。

通过人机对话按键设置预设气体浓度，TGS-813传感器进行检测气体浓度，假如超过预设气体浓度时，将发出声音报警，并自动启动排气装置。

图2-3可燃性气体报警控制器结构方框图

可燃性气体报警控制器主要技术指标

（1）传感器类型：

半导体陶瓷式

（2）检测范围：

0~99%LEL

（3）报警准确度：

±5%LEL

（4）报警点设置：

上下限两极报警点设定

（5）工作环境温度：

检测器：

-50℃~50℃；报警器：

0℃~50℃

（6）报警方式：

可燃性气体泄漏声音报警

（7）指示方式：

LED数字显示，可显示被测气体浓度

（8）接点输出：

接一继电器（耐压250V，电流3A），带动排风扇

（9）工作电压：

AC22V±15%，50±1Hz

（10）探测器至报警器的最大传输距离：

其最远传输距离取决于导线的横截面积，最大传输距离通常为1500m

本章主要介绍了可燃性气体报警控制器的总体设计方案，采用“传感器十单片机控制电路”设计可燃性气体报警控制器。

对已选的TGS-813传感器已经做了详细的分析，以下将对单片机控制电路做各部分的设计分析。

AT89S52系列单片机系统结构特点

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案[2]。

AT89S52具有以下标准功能:

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

其引脚电路如图3-1所示，AT89S52主要性能有以下几点：

（1）与MCS-51单片机产品兼容

（2）8K字节在系统可编程Flash存储器

（3）1000次擦写周期

（4）全静态操作：

0Hz～33Hz

（5）三级加密程序存储器

（6）32个可编程I/O口线

（7）三个16位定时器/计数器

（8）八个中断源全双工UART串行通道

（9）低功耗空闲和掉电模式

（10）掉电后中断可唤醒

（11）看门狗定时器

（12）双数据指针

（13）掉电标识符

图3-1AT89S52引脚图

可燃性气体报警控制器的电路设计

前置放大电路

传感器输出信号一般比较微弱，需要经过前置电路对其进行放大、滤波、电平调整，满足单片机对输入信号的要求[9]。

本次设计中采用的是低功耗双运算放大器LM258芯片，LM258内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。

它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

LM258的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。

其主要特性有：

内部频率补偿；直流电压增益高（约100dB）；单位增益频带宽（约1MHz）；电源电压范围宽：

单电源（3~30V）；双电源（±1.5~±15V）；低功耗电流，适合于电池供电；低输入偏流；低输入失调电压和失调电流；共模输入电压范围宽，包括接地；差模输入电压范围宽，等于电源电压范围；输出电压摆幅大（0V~1.5V）。

当气体浓度变化时，传感器的气敏电阻随之发生变化，使运放LM258反相端的电压值也随之改变。

采样时，把相应的模拟电压信号从U2端送进LM258模数转换器进行放大处理后从U1端输出送入A/D转换电路，其引脚图如图3-2所示。

LM258引脚图（前置放大电路）

A/D转换电路

经气敏传感器所检测的电压信号为模拟信号，无法直接被单片机所识别，所以在经过放大电路后对信号进行A/D装换，将模拟信号转化为数字信号输入单片机。

目前市场上的A/D转换器都是集成化的芯片，使用时，只要按要求加上电源，从输入端连接模拟信号，控制端外加一个启动信号，即可启动A/D转换。

转换结束后，芯片通过一个输出引脚给出转化结束信号，通知芯片可以读取数据，芯片从A/D转换器的数字量输出引脚读取转换后的数字信号，然后进行相应处理。

本次设计中采用的是美国德州仪器公司生产的具有串行控制、连续逐次逼近型的TCL1549模数转换器，它采用两个差分基准电压高阻输入和一个三态输出构成三线接口，其中三态输出分别为片选（CS低电平有效），输入/输出时钟（I/OCLOCK），数据输出（DATAOUT）。

TLC1549引脚排列如图3-6所示。

TLC1549能以串行方式送给单片机，其功能结构如图3-7所示。

由于TLC1549采用CMOS工艺。

内部具有自动采样保持、可按比例量程校准转换范围、抗噪声干扰功能，而且开关电容设计使在满刻度时总误差最大仅为±1LSB（4.8mV），因此可广泛应用于模拟量和数字量的转换电路。

在本次设计中需将模拟电压转换为数字量，经过单片机处理后，进行比较和判断。

经过放大处理的模拟信号U2送入IN端，再利用P1.2作为片选端，P1.1作为数据输出端，P1.0作为时钟端。

利用A/D串行输出设计不但提高了模数转换的精度，具有抗干扰性，而且节省了大量元件和印刷电路板的空间。

图3-4A/D转换电路

图3-3TLC1594引脚排列

AT89S52单片机接口电路

AT89S52采用PQFP贴片式的封装形式，有40个管脚。

根据单片机制作的原理以及报警器实现的功能，其接口电路主要分为五个部分。

AT89S52单片机接口电路如图3-3所示。

图3-5AT89S52单片机接口电路

（1）复位模块

复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，因此非常重要。

为可靠起见，电源上电稳定后还要经一定的延时，才能撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分一合过程中引起的抖动而影响复位。

在本设计中，采用的是阻容RC上电复位电路，通过电容加到RST端上一个高电平复位信号，高电平持续时间取决于RC电路参数。

为了保证系统能可靠地复位，RST端上高电平信号必须有足够长的时间。

（2）系统时钟模块

时钟电路产生单片机的工作时序脉冲，是单片机正常工作的关键。

本次设计中采用外部独立时钟震荡器所产生的时钟信号。

在AT89S52的18脚（XTAL1）和19脚（XTAL2）外接12M的晶体，同时并连2个33pF的电容，产生系统时钟。

（3）显示模块

由AT89S52的32~39脚以及21~26脚构成浓度显示输出信号。

采用2片6位驱动器74LS07和3片75452为LED提供一定的驱动电流。

本次设计中采用的是并行接口动态显示的方法进行浓度显示。

（4）声音报警模块

由AT89S5242的11脚（TXD）实现声音报警控制。

当可燃性气体浓度超过限定值时，扬声器发出鸣叫报警，同时启动54继电器，闭合排气扇电路，从而达到自动排气控制的效果。

（5）键盘按键模块

由AT89S52的13~16脚构成4个按键，分别为复位，+键，-键，确定。

AT89S52以外部中断方式实现按键功能。

每个输入脚都外接5.1KΩ的上拉电阻，提高外部中断的可靠性。

声音报警电路

当可燃性气体浓度超过限定值时，扬声器发出鸣叫报警。

图3-6声音报警控制电路

声音报警电路如图3-4所示，它是由三极管，继电器，扬声器以及排气电路构成。

当实际检测浓度低于设定浓度时，三极管不导通，扬声器以及继电器均不工作，排气电路处于断开状态；当实际检测浓度等于或超过设定浓度时，通过P2.0和P2.1与单片机的连接从而引起电平的变化，P2.0和P2.1都为低电平，三极管导通，在扬声器发出报警声音的同时，继电器也进行工作，而使排气电路形成闭合回路，达到自动进行排气控制的效果。

显示电路

在该报警电路中，需要显示气体浓度以及设定浓度的数值。

电路如图3-5所示，本次设计采用的是4位并行接口动态显示电路。

用AT89S52的P0口输出显示码，P2口用来输出位选码，利用软件译码的方法求出待显示的数对应的显示码，然后由P0口输出。

到底哪一位数码管显示，主要取决于位选码。

在本次设计中采用的数码管为共阴极接打，被选中的位应输出一高电平，经驱动器后，仍为高电平，应此该位被选中。

将各位从左至右依次进行显示，每个数码管连续显示1ms，显示完最后一位数后，再重复上述过程，看到的就好像4位数“同时”显示一样。

图3-5中的74LS07为6位驱动器，它为LED提供一定的驱动电流。

由于一片74LS07只有6个驱动器，所以设计中的8段数码管需要2片驱动器进行驱动。

P2口经75452缓冲器/驱动器反向后，作为位控信号。

75452内部包括两个缓冲器/驱动器，它们各有两个输入端。

所以，实际上是两个双输入与非门电路，因此需要2片75452。

四位动态显示电路

在这种扫描电路中，由于每个LED数码管的发光时间缩短到原来的1/N，所以每个管子的发光亮度必须为单独工作时的N倍，其通过的电流也要增加N倍，因此，必须使用驱动器。

中断电路

本次设计利用按键来实现人机对话功能，共有4个按键，分别为复位，+键，-键，确定。

AT89S52以外部中断方式实现按键功能。

每个输入脚都外接5.1KΩ的上拉电阻，提高外部中断的可靠性。

其电路如图3-8所示。

图3-8中断电路

本章阐述了可燃性气体报警控制器的硬件设计。

首先介绍了AT89S52系列单片机系统的结构特点、技术性能特点。

从设计要求及对AT89S52系列单片机性能指标、价格上考虑，选用AT89S52单片机作为该报警系统的核心控制器。

然后，介绍了可燃性气体报警控制器的工作原理。

最后，详细地阐述了可燃性气体报警控制器电路设计，分为前置放大电路、A/D转换电路、AT89S52单片机接口电路、声音报警电路、显示电路、中断电路等6个部分。

下面结合以上硬件电路进行相应的软件设计。

可燃性气体报警器的软件设计

AT89S52单片机调试及开发工具

嵌入式系统的开发往往借助于开发系统工具，而各种开发系统一般都比待开发调试的嵌入式系统要复杂得多。

AT89S52系列单片机的调试、开发工具由硬件和软件两部分组成，硬件只需一台PC机、目标板和一个称为FET（FlashEmulationTool）的JTAG控制器。

AT89S52FET仿真工具的功能主要是将由PC机打印机接口来的8位并行数据与来自JTAG接口的串行数据进行相互转换，以实现PC机与AT89S52芯片中的JTAG接口的通讯。

具体包括：

（1）程序下载

当用户将源程序（汇编语言）经keil软件语法检查无误并生成代码时，就可以将程序代码在如图的环境中下载到]Flash芯片中，而用户的系统可以是在线状态。

（2）设置断点

用户可以通过调试环境软件的人机对话界面。

在程序中设置断点。

在AT89S52中，可以同时设置4个硬件断点，它是经过JTAG接口的传输，由芯片中的几组断点条件寄存器实现的。

（3）现场观察与修改

用户可以通过调试环境软件的人机对话界面，检查或修改Flash芯片内的

各种存储器、寄存器的数据。

在调试过程中，根据需要可以进行软件模拟仿真和硬件仿真。

可燃性气体报警控制器软件流程及设计

本设计中，软件要解决的主要问题是检测传感器送来的可燃性气体浓度信号，进行线性化处理，用LED显示浓度，若浓度值超出限定值，报警器发出声音报警，同时启动排气装置，因此分为主程序、T0中断子程序、线性化处理子程序、十六进制转化十进制子程序，浓度显示子程序、键扫描子程序六个部分。

在程序的编写过程中，加入了详细的文字注释，以便于后期的改进与维护。

主程序流程图及设计

主程序流程图如图4-1所示，由于TGS-81型气体传感器在不通电状态下存放一段时间后，再通电时，器件并不能立即投入正常工作，需要一定的时间预热，所以采用延时程序对传感器预热。

本设计对传感器预热一段时间，预热的同时，设定所要检测可燃性气体浓度的上限值。

主程序还包括显示子程序，T0中断子程序等，以完善报警器的功能，给检测人员带来方便。

主程序流程图

T0中断子程序

程序初始化后，系统进入采样状态。

对采集的气体次数每3次进行一次处理。

经A/D转换、滤波、线性化处理、进制转化后，由LED显示其浓度值。

同时将浓度值与上限报警设定值相比较，以判断是否需要报警控制处理。

流程图如图4-2所示。

图4-2T0中断子程序流程图

线性化处理子程序设计

在单片机测控系统中，使用之前必须进行静态标定（校准），以得到输出信号与被测信号的关系-输出曲线，用来作为使用过程中的计量依据。

但是标定时输出曲线往往不是一条理想的直线，所以要对标定曲线进行线性化处理，用一条拟合直线近似代替输出曲线，线性化是智能仪表的典型功能之一。

由于电压值与气体浓度之间是非线性的关系，为了实时显示气体浓度，需要对其进行线性化处理。

在误差许可范围内，根据标定曲线形状，以及单片机处理能力，把曲线分成8段，对每小段分别线性化。

浓度0%LEL-99%LEL分成8段如下：

0%LEL~10%LEL10%LEL~20%LEL

20%LEL~28%LEL28%LEL~36%LEL

36%LEL~45%LEL45%LEL~61%LEL

61%LEL~78%LEL78%LEL~99%LEL

单片机经过滤波后，得到3个采样值的一个真值，把这个真值通过查表比较，确定其所在区间的上下限电压值和上下限浓度值，根据公式（4-1），计算出该电压值对应的浓度值。

分段点的电压值和浓度值分别存储在两个表格中，线性化处理子程序如图4-3所示。

（4-1）

式中Y上---区间上限浓度值

Y下---区间下限浓度值

Y滤---实际气体测试浓度值

X上---区间上限浓度对应电压值

X下---区间下限浓度对应电压值

X滤---实际气体测试浓度对应电压值

图4-3线性化处理子程序流程图

十六进制转化十进制子程序设计

经过线性化处理后的浓度是十六进制的，而LED显示的浓度是十进制的，所以要进行十六进制转化十进制子程序处理，再送入显示子程序。

流程图如图4-4所示。

图4-4十六进制转化十进制子程序流程图

显示子程序设计

本次设计采用的是四位并行接口动态显示电路，由2片74LS07和2片75452进行驱动，用AT89S52的P0口输出显示码，P2口用来输出位选码，利用软件译码的方法求出待显示的数对应的显示码，然后由P0口输出。

将各位从左至右依次进行显示。

其子程序设计流程图如图4-5所示。

显示子程序流程图

键扫描子程序设计

系统设计四个按键，分别为复位，+键，-键，确定。

复位键使单片机进入监控状态，+键和-键分别对上限值进行设置，确定键是对设定值进行保存。

其流程图如图4-6所示：

4-6键扫描子程序流程图

本章阐述了可燃性气体报警器的软件设计。

首先介绍了软件编程的开发环境以及仿真工具。

然后对主程序和各部分的子程序分别进行分析和流程图的绘制，包括T0中断子程序，线性化处理子程序，十六进行转化十进制子程序，显示子程序以及键扫描子程序，各部分的具体程序参考附录部分。

硬件电路总图

程序清单

主程序：

ORG0H

SJMPSTART

ORGOBH

SJMPINT

START:

;初始化

MOVSP，#70H

SETBP1.0

SETBP1.1

SETBP1.2

SETBP1.3

MOVTOMD，#01H

MOVTL0，#00H

SETBTR0

SETBET0

SETBEA

MOVR2，#0FFH

MOV3AH，#03H

MOVR3，#06H

IN:

MOV@R0，A

CLRP1.3

ACALLDELAY

SETBP1.3

ONCEMORE:

CLRP1.4

ACALLDELAY

SETBP3.4

DJNZR3，GETPW

CLPP3.1

THERE:

AJMPTHERE

动态显示子程序：

DISPLY:

MOVR0，#30H;显示缓冲区首地址→R0

MOVR2，#20H;位选码指向P0口

DISPLY1:

MOVA，@R0;取出要显示的数

MOVDPTR，#SEGTBL;指向换码表首址

MOVCA，@A+DPTR;取出显示码

MOVDPTR，#0FD01H

MOVX@DPTR，A

MOVA，R2;位选码→A

INCDPTR

MOVX@DPTR，A

ACALLD1MS;延时1ms

MOVA，R2

NBACC.0，DISPY2;4位全显示完了吗？

未完，则继续显示

RET

DISPLY2:

INCR0;求下一位要显示数的地址

MOVA，R2;求下一个位选码

RRA

MOVR2，A

AJMPDISPLY1

DIMS:

MOVR3，#7DH

DL1:

NOP

NOP

DNJZR3，DL1

RET

SEGTBL:

DB3FH;:

对应于字符0

DB06H;对应于字符1

DB5BH;对应于字符2

DB4FH;对应于字符3

DB6BH;对应于字符4

DB6DH;对应于字符5

DB7DH;对应于字符6

DB07H;对应于字符7

DB7FH;对应于字符8

DB67H;对应于字符9

DB77H;对应于字符A

DB7CH;对应于字符B

DB39H;对应于字符C

DB5EH;对应于字符D

DB79H;对应于字符E

DB71H;对应于字符F

A/D转换子程序：

ADCSBITP1.7;A/D转换数据片选

ADDATABITP1.6;A/D转换数据输出

ADCLKBITP1.5;A/D转换时钟

ADTEMPEQU00H;A/D转换的数字量暂时存单元

ADDELAY:

MOVR2，#20;延时子程序

ADDELAY1:

DNZR2，ADDELAY1;延时24个振荡周期

RET

AD:

MOVR0，#00

MOVR1，#00

SETBADCS

ACALLADDELAY;ADCS处于高电平时，延时

CLRADCS

ACALLASSELAY;ADCS处于低电平时，延时

MOVR0，#10

RR0:

SETBADCLK

NOP

CLRADCLK

DJNZR0.RR0;产生10个ADCLK周期ACALLADDELAY;模拟量转换为数字量过程

MOVADTEMP，R0;数字量传输过程

ACALLCLR;数字量的保存子程序

MOVR0，ADTEMP

SETBADCLK

NOP

CLRADCLK

MOVADTEMP，R0

ACALLCLR

MOVR0，#8;数字量传输过程

RR2:

SETBADCLK

NOP

CLRADCLK

MOVADTEMP，R1

ACALLCIR

MOVR1，ADTEMP

DJNZR0，RR2

RET

CIR:

CLRC;将变换的数字量高位存入C中

MOVC，ADDATA

MOVA，ADTEMP

RLCA;将变换的数字量高位向左转移

MOVADTEMP，A

RET

十六进制转化十进制子程序：

MOVA，24H

DISPLY1:

SUBBA，#64H

JNC

ADDA，#64H

DISPLY2:

SUBBA，#0AH

JNC

ADDA，#OAH

MOV27H，A

DISPLY3:

INC25H

LJMPDISPLY1

DISPLY4:

INC26H

LJMPDISPLY2

RET