本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 題 目:基于單片機(jī)氧氣濃度測與控制的設(shè)計(jì) 院 系：電子與通信工程學(xué)院 專 業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù) 姓 名： 學(xué) 號：090605402032 指導(dǎo)教師： 教師職稱：副教授 填寫日期：2013年 4月 26 日 摘 要 目前隨著煤炭事業(yè)的發(fā)展的需要，對安全的要求越來越嚴(yán)格了，為此，煤礦里氧氣濃度的測量與控制成了安全生產(chǎn)的重要措施。對可能造成災(zāi)害的各種有毒氣體和礦塵進(jìn)行嚴(yán)格控制，一旦有不良情況，在第一時(shí)間處理，減少曠工安全事故，提高煤炭的生產(chǎn)效益。 本論文介紹基于AT89S52單片機(jī)的一種便攜式氧氣濃度檢測儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。用電化學(xué)式氧化鋯傳感器首先氧氣濃度信號轉(zhuǎn)為電流信號，經(jīng)調(diào)理放大后傳送到單片機(jī)AT89S52，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，再進(jìn)行串口輸出和現(xiàn)場LED顯示。本系統(tǒng)主要用于空氣中氧氣濃度的檢測，并進(jìn)報(bào)警。采用嵌入式串/網(wǎng)口轉(zhuǎn)換器將異步串行485通信信號轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)信號，通過局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有線網(wǎng)絡(luò)傳輸，以達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)測和本地顯示的目的。關(guān)鍵詞：AT89S52單片機(jī)；氧化鋯；報(bào)警AbstractIn order to prevent accidents, protect the health and safety of miners, to promote the development of production, improve the economic benefits of coal enterprises to deal with underground weather detection, timely and accurate on a variety of disasters may cause some harmful gas and mineral dust testing and strict control, in the event of disaster, ambulance personnel in distress and handling accident must be timely. All of these need to have the appropriate testing equipment and ambulance equipment.This paper introduces the Design and Implementation of 89S52 microcontroller - based portable oxygen concentration detector. The electrochemical reaction of oxygen sensor first oxygen concentration signal into a current signal conditioning zoom send to the microcontroller 89S52 , after A / D converter , serial output and on-site LED display . Embedded string / network port convert asynchronous serial 485 signals into the network signal, the cable network transmission via LAN or the Internet in order to achieve the remote monitoring purposes. This system is mainly used to detect airborne oxygen concentration, and test data for both local and remote display, while also measuring the maximum distance set, transfinite live audio alarm. Management software achieves the displaying and testing of historical data. The instrument measuring circuit is versatile, suitably adjust parameters can be achieved on the measurement of gas with different gas sensors.Keywords: Single-chipAT89S52; Zirconia; Alarm 目 錄前 言1第一章 課題的基本介紹2第一節(jié) 氧氣濃度檢測的背景和意義2第二節(jié) 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢2第三節(jié) 主要研究的內(nèi)容4第二章 氧氣濃度測量控制系統(tǒng)的確定5第一節(jié) 氧氣濃度測量控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)5一、氧化鋯傳感器的選擇6二、氧值的運(yùn)算及輸出6第二節(jié) ADC0809轉(zhuǎn)換器7一 ADC0809的說明7二、ADC0809應(yīng)用說明8三、主要特性8四、內(nèi)部結(jié)構(gòu)9五外部特性（引腳功能）9第三節(jié) AT89C52單片機(jī)的選擇10第四節(jié) 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)12第五節(jié) 顯示電路的設(shè)計(jì)13第六節(jié) 時(shí)鐘芯片的選擇與設(shè)計(jì)13第六節(jié) 電源的設(shè)計(jì)16第三章 軟件設(shè)計(jì)17第一節(jié) 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)17第二節(jié) 主程序模塊的設(shè)計(jì)17第三節(jié) 模數(shù)轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)18第四節(jié) 時(shí)鐘設(shè)計(jì)19總 結(jié)21致 謝22參考文獻(xiàn)23附錄24 前 言 氧氣濃度的測量與控制設(shè)備是由氧氣傳感器，A/D轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)等模塊組成的檢測系統(tǒng)。在當(dāng)前，在我國的煤礦開采中大多數(shù)在井下進(jìn)行開采，國家重點(diǎn)煤礦也基本屬于瓦斯礦井。煤礦生產(chǎn)是地下作業(yè)，自然條件和生產(chǎn)條件都復(fù)雜，在采掘過程中出現(xiàn)的瓦斯涌出、煤塵飛揚(yáng)、自然發(fā)火等都有可能造成嚴(yán)重事故。為了防止事故發(fā)生，保障礦工的健康和安全，促進(jìn)生產(chǎn)發(fā)展，提高煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)對井下的氣象進(jìn)行檢測，對可能造成災(zāi)害事故的各種有的害氣體及礦塵進(jìn)行及時(shí)而準(zhǔn)確的檢測和嚴(yán)格控制，一旦發(fā)生災(zāi)變，必須及時(shí)救護(hù)遇難人員和處理事故。所有這些都需要有相應(yīng)的檢測儀器和救護(hù)裝備。 本論文介紹基于AT89S52單片機(jī)的一種便攜式氧氣濃度檢測儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。用電化學(xué)式氧化鋯傳感器首先把氧氣濃度信號轉(zhuǎn)為電流信號，經(jīng)調(diào)理放大后傳送到單片機(jī)AT89S52，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，再進(jìn)行串口輸出和現(xiàn)場LED顯示。本系統(tǒng)主要用于空氣中氧氣濃度的檢測，并進(jìn)報(bào)警。采用嵌入式串/網(wǎng)口轉(zhuǎn)換器將異步串行485通信信號轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)信號，通過局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有線網(wǎng)絡(luò)傳輸，以達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)測和本地顯示的目的。 本畢業(yè)論文主要通過對氧氣濃度的測量與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握電子系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)方法，熟悉常用元器件，對所學(xué)專業(yè)知識進(jìn)一步強(qiáng)化，了解電路設(shè)計(jì)的基本方法，培養(yǎng)綜合應(yīng)用所學(xué)理論知識來指導(dǎo)設(shè)計(jì)的能力。第1章 課題的基本介紹第1節(jié) 氧氣濃度檢測的背景和意義 在我國的煤礦開采中大多數(shù)在井下進(jìn)行開采，國家重點(diǎn)煤礦也基本屬于瓦斯礦井。煤礦安全規(guī)程第一百條規(guī)定，采掘工作面的進(jìn)風(fēng)流中，氧氣濃度不得低于百分之二十?？諝庵泻械?dú)猓趸己脱鯕馊N主要成分，氧氣占21%，人們一直在這種條件下呼吸氧氣。實(shí)際適當(dāng)提高一些氧氣含量人們機(jī)體的感覺會更好。40%-80%，然后加入少量二氧化碳?xì)怏w，可以使機(jī)體感到非常舒適。 煤礦生產(chǎn)是地下作業(yè)，自然條件和生產(chǎn)條件都復(fù)雜，在采掘過程中出現(xiàn)的瓦斯涌出、煤塵飛揚(yáng)、自然發(fā)火等都有可能造成嚴(yán)重事故。為了防止事故發(fā)生，保障礦工的健康和安全，促進(jìn)生產(chǎn)發(fā)展，提高煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)對井下的氣象進(jìn)行檢測，對可能造成災(zāi)害事故的各種有的害氣體及礦塵進(jìn)行及時(shí)而準(zhǔn)確的檢測和嚴(yán)格控制，一旦發(fā)生災(zāi)變，必須及時(shí)救護(hù)遇難人員和處理事故。所有這些都需要有相應(yīng)的檢測儀器和救護(hù)裝備。 對煤礦井下氧氣濃度連續(xù)檢測是現(xiàn)代煤礦生產(chǎn)中必不可少的重要工作。鑒于傳統(tǒng)的模擬式氧氣濃度報(bào)警儀精度不高且不能數(shù)字顯示, 由于井下空氣中的含氧氣量不易控制，所以設(shè)想研制出一種由單片機(jī)控制的氧氣濃度檢測系統(tǒng)。第2節(jié) 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 最近幾年接連發(fā)生了多起礦井安全事故，事故的結(jié)果觸目驚心，因此通過強(qiáng)化管理，提高通風(fēng)、氧氣及甲烷濃度檢測監(jiān)控水平，已成為中小型煤礦檢測監(jiān)控的最迫切的任務(wù)之一。實(shí)踐證明，煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)對保障煤礦安全生產(chǎn)，提高煤礦生產(chǎn)率，提高煤礦自動化程度以及促進(jìn)煤礦管理現(xiàn)代化水平，都有著舉足輕重的作用。 生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)雖在國內(nèi)已有生產(chǎn)和應(yīng)用，但還沒有一種真正適合于中小型煤礦使用的產(chǎn)品，我國從八十年代初期開始引進(jìn)煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)，歷經(jīng)了直接引進(jìn)、消化吸收、仿制配套、自主開發(fā)的過程，但迄今為止的產(chǎn)品大多都是面對大型礦井設(shè)計(jì)的，而且自身尚有一些有待解決的問題，如: （1）造價(jià)高，系統(tǒng)最基本的配置過于龐大，運(yùn)行費(fèi)用大；（2）傳感器測量穩(wěn)定性差，調(diào)校頻繁，壽命短；（3）系統(tǒng)安裝、維護(hù)復(fù)雜，操作不便，人機(jī)界面較差；（4）系統(tǒng)設(shè)備可靠性差；（5）必須依賴專業(yè)的維護(hù)隊(duì)伍，對人員技術(shù)，素質(zhì)有較高的要求。 目前市面上流行的AT-B-O2便攜式氧氣檢測報(bào)警儀，可在工業(yè)環(huán)境中連續(xù)檢測氧氣濃度。采用進(jìn)口電化學(xué)傳感器，先進(jìn)穩(wěn)定的電路設(shè)計(jì)，整機(jī)性能居國內(nèi)領(lǐng)先水平。高音量蜂鳴器報(bào)警，可以使用戶在各種惡劣環(huán)境中及時(shí)有效地得到儀器報(bào)警信號。 Honeywell Impulse XP的性能更加完善。它裝有高級傳感器，可以測量更多種類的毒氣體。小巧精致的外觀適合更多數(shù)用戶的需要。緊湊的外形設(shè)計(jì)易于維護(hù)是此款機(jī)型的最本質(zhì)特點(diǎn)。報(bào)警時(shí)XP發(fā)出響亮的聲音和超亮的燈光警報(bào)。標(biāo)準(zhǔn)配置還具有振動報(bào)警功能，以便在嘈雜的環(huán)境使用時(shí)引起使用者的注意。Honeywell Impulse XP性能穩(wěn)定可靠，讀數(shù)準(zhǔn)確，抗電池干擾。另外它還有持續(xù)顯示氣體濃度值.顯示15分鐘和8小時(shí)平均值.兩級報(bào)警和峰值鎖定的功能。由于使用了溫度校正和抗中毒傳感器。XP確定保反復(fù)測量時(shí)具有高精確度。運(yùn)行成本低廉。內(nèi)置的衰減補(bǔ)償電池將兩次校正間的時(shí)間延長至12個(gè)月，常用的傳感器壽命大于兩年，電池壽命三年，操作費(fèi)用減至最低。電池和傳感器更換容易。 PortaSensII便攜式氣體檢測儀能在現(xiàn)場檢測環(huán)境空氣中的有毒有害氣體，可用于環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測、職業(yè)衛(wèi)生場所有毒有害氣體檢測、石化企業(yè)安全檢測以及儲運(yùn)、泄露檢測等。該儀器最出色的特點(diǎn)是它能通過更換相應(yīng)傳感器模塊檢測多種類型的氣體，即不需為每 種類型的氣體分別購買單獨(dú)的主機(jī)，一臺檢測儀與不同的傳感器結(jié)合使用，就能檢測超過30種不同的氣體，傳感器可以即插即用，不需再次校準(zhǔn)。檢測量程可在最大量程和最小量程范圍之間任意可調(diào)，可以根據(jù)檢測的需要自由設(shè)置量程。通過一個(gè)RS-232 接口和專用接口電纜及專用軟件，儀器可對電腦進(jìn)行上傳和下載數(shù)據(jù)。 此外還有固定式氧氣檢測探頭，數(shù)字顯示型氧氣檢測探頭以及法國奧德姆氧氣檢測探頭等。第3節(jié) 主要研究的內(nèi)容 儀器的設(shè)計(jì)，本著簡明、科學(xué)、實(shí)用的原則，力求從整體出發(fā)，從實(shí)際使用出發(fā)，突出系統(tǒng)的可靠性、免維護(hù)、免培訓(xùn)等特點(diǎn)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡明和完整性，把對操作人員的專業(yè)技術(shù)要求降到最低，發(fā)揮系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的優(yōu)勢，使系統(tǒng)整體性能達(dá)到最佳，功能強(qiáng)大而操作簡單，測量精確而維護(hù)方便。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分應(yīng)用近年來發(fā)展起來的各種新技術(shù)、新器件、新方法，在保證各項(xiàng)性能指標(biāo)能夠滿足系統(tǒng)各方面要求的前提下，力求簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，提高可靠性和穩(wěn)定性。作為一種完整的氧氣濃度監(jiān)控系統(tǒng)，它至少應(yīng)具備以下設(shè)備和功能:1.氣體傳感器:能感知環(huán)境中氧氣濃度的一種敏感元件，它能將與氣體種類和濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號。 a,監(jiān)測要素的采集，轉(zhuǎn)換； b,轉(zhuǎn)換后電信號的處理，加工；2.顯示單元：根據(jù)測量信號，由單片機(jī)將待顯示的數(shù)據(jù)按相應(yīng)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸送給顯示處理模塊顯示與儀表。3.聲光報(bào)警單元：當(dāng)檢測氣體濃度超出設(shè)定報(bào)警值時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警。4.通訊單元：將采集數(shù)據(jù)通過通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。5.數(shù)據(jù)采集分析軟件：編寫串口通訊軟件，實(shí)現(xiàn)氣體數(shù)據(jù)的采集，分析以及保存。 第2章 氧氣濃度測量控制系統(tǒng)的確定 在目前檢測氧濃度的方法中，有很多的方法都可以檢測到氧氣濃度，比如電化學(xué)、順磁氧、氧化鋯方法及超聲波流量濃度檢測法。本論文主要完成氧氣檢測儀軟件和硬件設(shè)計(jì)，采用單片機(jī)為控制核心，以實(shí)現(xiàn)一氧化碳檢測儀的基本控制功能。系統(tǒng)主要功能內(nèi)容包括：信號采集、信號放大、A/D轉(zhuǎn)換器程序、控制程序、超標(biāo)報(bào)警、數(shù)據(jù)顯示等。 第1節(jié) 氧氣濃度測量控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)部分主要包括：單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器、顯示屏、蜂鳴器等芯片的選擇。硬件電路設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集，模數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，顯示電路，報(bào)鳴電路設(shè)計(jì)等功能模塊如圖2-1。數(shù)字顯示單片機(jī)AT89C52信號采集 信號放大報(bào)警電路A/D轉(zhuǎn)換 圖21 硬件結(jié)構(gòu)框圖1、 氧化鋯傳感器的選擇 氧化锫測氧是利用氧化鋯濃差電池原理來測定氣體中氧含量的電化學(xué)分析方法。如圖l所示，測氧系統(tǒng)的氧敏感元件氧化鋯元件是由氧化釔或氧化鈣穩(wěn)定的氧化鋯材料組成。在高溫條件下，它是良好的氧離子導(dǎo)體。在理想狀態(tài)下，當(dāng)氧化鋯元件內(nèi)、外電極表面氧含量不同時(shí)便形成一個(gè)氧濃差電池，產(chǎn)生電池電動勢。電池電動勢與氧濃度的關(guān)系符合能斯特方程： 式中: P x 為氧分壓, 反映氧氣濃度的大小; R 為氣體常數(shù); F為法拉第常數(shù); P a 為參考?xì)怏w中的氧分壓, 可以事先用標(biāo)準(zhǔn)儀器測定。Px 值與設(shè)定值進(jìn)行比較, 可以確定是否啟動或停止換氣扇。氧化锫測氧是利用氧化鋯濃差電池原理來測定氣體中氧含量的電化學(xué)分析方法。如圖2-2所示，測氧系統(tǒng)的氧敏感元件氧化鋯元件是由氧化釔或氧化鈣穩(wěn)定的氧化鋯材料組成。在高溫條件下，它是良好的氧離子導(dǎo)體。在理想狀態(tài)下，當(dāng)氧化鋯元件內(nèi)、外電極表面氧含量不同時(shí)便形成一個(gè)氧濃差電池，產(chǎn)生電池電動勢。2、 氧值的運(yùn)算及輸出 氧量及溫度毫伏信號經(jīng)過放大后與室溫信號一同進(jìn)入通道選擇器，由AD轉(zhuǎn)換模塊循環(huán)選擇進(jìn)行轉(zhuǎn)換，中央處理單元MCU讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果并計(jì)算相應(yīng)溫度及氧量值。MCU計(jì)算結(jié)果一路經(jīng)光電耦合隔離后進(jìn)入DA轉(zhuǎn)換變?yōu)槟M信號。再經(jīng)過VI轉(zhuǎn)換變?yōu)?mA20mA和010mA電流信號輸出：另一路MCU輸出串行輸入到顯示驅(qū)動專用集成模塊后控制4位LED顯示測量結(jié)果。 圖2-2 氧化鋯氧濃差電池原理第2節(jié) ADC0809轉(zhuǎn)換器ADC0809是M美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片。一 ADC0809的說明 ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。 ADC0809由一個(gè)8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。 ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是05V，若信號太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。 地址輸入和控制線：4條 。 ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道模擬量輸入轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如下表2-3所示。數(shù)字量輸出及控制線：11條。 ST為轉(zhuǎn)換啟動信號。當(dāng)ST到上跳沿時(shí)，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時(shí)，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應(yīng)保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當(dāng)EOC為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7D0為數(shù)字量輸出線。 CLK為時(shí)鐘輸入信號線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ，VREF（），VREF（）為參考電壓輸入。2、 ADC0809應(yīng)用說明 （1）ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與AT89S51單片機(jī)直接相連。 （2）初始化時(shí)，使ST和OE信號全為低電平。 （3）送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到A，B，C端口上。 （4）在ST端給出一個(gè)至少有100ns寬的正脈沖信號。 （5）是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號來判斷。 （6）當(dāng)EOC變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，這時(shí)給OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機(jī)了。 三、主要特性 （1）8路輸入通道，8位AD轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。 （2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?。 （3）轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s(時(shí)鐘為640kHz時(shí))，130s（時(shí)鐘為500kHz時(shí)） （4）單個(gè)5V電源供電 （5）模擬輸入電壓范圍05V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。 （6）工作溫度范圍為-4085攝氏度 （7）低功耗，約15mW。 四、內(nèi)部結(jié)構(gòu)ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1322所示，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近 五外部特性（引腳功能）ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖1323所示。下面說明各引腳功能。 IN0IN7：8路模擬量輸入端。 2-12-8：8位數(shù)字量輸出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路 ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。 START： AD轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換）。 EOC： AD轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓。 Vcc：電源，單一5V。 CBA 通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN5111IN6 圖2-3 通道選擇第3節(jié) AT89C52單片機(jī)的選擇 本系統(tǒng)采用AT89C52單片機(jī)。而目前世界上較為著名的8位單片機(jī)的生產(chǎn)廠家和主要機(jī)型如下： 美國Intel公司：MCS51系列及其增強(qiáng)型系列； 美國Motorola公司：6801系列和6805系列； 美國atmel公司：89C51等單片機(jī)； 美國Zilog公司：Z8系列及SUPER8； 美國Fairchild公司：F8系列和3870系列； 美國Rockwell公司：6500/1系列； 美國TI（德克薩司儀器儀表）公司：TMS7000系列； NS（美國國家半導(dǎo)體）公司：NS8070系列等等。 盡管單片機(jī)的品種很多，但是在我國使用最多的還是Intel公司的MCS52系列單片機(jī)和美國Atmel公司的89C52單片機(jī)。 MCS51系列單片機(jī)包括三個(gè)基本型8031、8051、8751。 本系統(tǒng)采用AT89C52單片機(jī)為控制核心。而相比之下52型功能更為強(qiáng)大，ROM和RAM存儲空間更大，52還兼容51指令系統(tǒng)。基于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容的需要，綜合考慮后，我們選擇單片機(jī)ATME公司的AT89C52為控制核心；主要基于考慮AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8KB的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、6個(gè)中斷源；時(shí)鐘頻率024MHz；器件采用高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，并兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，功能強(qiáng)大。 AT89C52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8K bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器(PEROM)和256K bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理器和FLASH存儲單元，功能強(qiáng)大，AT89C52單片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場合。 圖2-4 AT89C52引腳圖 主要性能參數(shù)：與MCS-51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容；8K字節(jié)可重擦寫FLASH閃存存儲器；1000次寫/擦循環(huán)；時(shí)鐘頻率：0Hz24MHz；三級加密存儲器；256字節(jié)內(nèi)部RAM；32個(gè)可編程I/O口線；3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；6個(gè)中斷源；可編程串行UART通道。第4節(jié) 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 采用AT89C52來設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)能運(yùn)行起來的需求最小的系統(tǒng)，電路圖見圖2-5： 圖2-5 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖上圖的最小單片機(jī)系統(tǒng)包含有晶振電路和復(fù)位電路，AT89C52芯片組成。（1）晶振電路晶振電路在各種指令的微操作在時(shí)間上有嚴(yán)格的次序，這種微操作的時(shí)間次序稱作時(shí)序， AT89C52的時(shí)鐘產(chǎn)生方式有兩種，一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，一種是外部時(shí)鐘方式。 在89C52單片機(jī)的內(nèi)部有一個(gè)震蕩電路，只要在單片機(jī)的XTAL1和XTAL2引腳外接石英晶體（簡稱晶振）就構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號，圖中電容器C1和C2穩(wěn)定頻率和快速起振，晶振CRY選擇的是12MHz。（2）復(fù)位電路 復(fù)位電路在單片機(jī)工作中仍然是不可缺少的主要部件中，單片機(jī)工作時(shí)必須處于一種確定的狀態(tài)。端口線電平和輸入輸出狀態(tài)不確定可能使外圍設(shè)備誤動作，導(dǎo)致嚴(yán)重事故的發(fā)生；內(nèi)部一些控制寄存器（專用寄存器）內(nèi)容不確定可能導(dǎo)致定時(shí)器溢出、程序尚未開始就要中斷及串口亂傳向外設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)。 本設(shè)計(jì)中復(fù)位電路采用的是上電復(fù)位與手動復(fù)位電路，開關(guān)未按下是上電復(fù)位電路，上電復(fù)位電路在上電的瞬間，由于電容上的電壓不能突變，電容處于充電（導(dǎo)通）狀態(tài)，故RST腳的電壓與VCC相同。隨著電容的充電，RST腳上的電壓才慢慢下降。選擇合理的充電常數(shù)，就能保證在開關(guān)按下時(shí)是RST端有兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平從而使AT89C52內(nèi)部復(fù)位。開關(guān)按下時(shí)是按鍵手動復(fù)位電路，RST端通過電阻與VCC電源接通，通過電阻的分壓就可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的復(fù)位。第5節(jié) 顯示電路的設(shè)計(jì) 七段顯示器主要有熒光數(shù)碼管和半導(dǎo)體顯示器、液晶數(shù)碼顯示器。半導(dǎo)體（發(fā)光二極管）顯示器是數(shù)字電路中比較方便使用的顯示器。它有共陽極和共陰極兩種接法。 數(shù)字顯示譯碼器將BCD代碼譯成數(shù)碼管顯示字所需要的相應(yīng)高、低電平信號，使數(shù)碼管顯示出BCD代碼所表示的對應(yīng)十進(jìn)制數(shù)，這是一種代碼譯碼器。第6節(jié) 時(shí)鐘芯片的選擇與設(shè)計(jì) 在本系統(tǒng)，我們選擇了DS1302時(shí)鐘芯片。因?yàn)榇讼到y(tǒng)需要記錄測量發(fā)生的時(shí)間，所以需要時(shí)鐘芯片來記錄不同時(shí)間的監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此我們在系統(tǒng)中加入了時(shí)鐘芯片。 （1）我們時(shí)鐘電路選擇的芯片是DS1302，其內(nèi)含一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM，可以通過串行接口與單片機(jī)通信。而通信時(shí)，僅需要3個(gè)口線：RES（復(fù)位），I/O數(shù)據(jù)線，SCLK（串行時(shí)鐘）。時(shí)鐘/RAM的讀/寫數(shù)據(jù)以一字節(jié)或多達(dá)31字節(jié)的字符組方式通信。 （2）DS1302主要性能有：時(shí)鐘能計(jì)算2100年之前的秒、分、時(shí)、日、日期、星期、月、年的能力，還有閏年的調(diào)整能力；讀/寫時(shí)鐘或RAM數(shù)據(jù)時(shí)，有單字節(jié)和多字節(jié)傳送兩種方式，與DS1202/TTL兼容。 （3）DS1302引腳概述：X1，X2；振蕩源，外接32.768KHZ晶振；SCLK：行時(shí)鐘輸入端。見表2-6。晶體振蕩器的選擇：一個(gè)32.768KHz的晶振可以直接接在DS1302的2、3管腳之間，可以設(shè)定規(guī)定載荷電容為6pf。 電源控制：Vcc1可提供單電源控制也可以用來作為備用電源，Vcc2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也可以保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當(dāng)Vcc2大于Vcc1+0.2V時(shí)，Vcc2給DS1302供電；當(dāng)Vcc2小與Vcc1時(shí)，DS1302由Vcc1供電。表2-1時(shí)鐘控制字對照表寄存器名命令字取值范圍各位內(nèi)容寫操作讀操作765430秒寄存器80H81H0059CH10SECSEC時(shí)寄存器84H85H0112 002312/24010/（A/P）HRHR日寄存器86H87H0128，29、30、310010DATEDATE月寄存器88H89H011200010MMONTH周寄存器8AH8BH01070000DAY年寄存器8CH8DH019910YEARYEAR保護(hù)寄存器8EH8FHWP0000慢充電寄存器90H91HTCSTCSTCSTCSDSDSRSRS時(shí)鐘突發(fā)寄存器BEHBFH（4）數(shù)據(jù)輸入是在輸入寫命令字的8個(gè)SCLK周期之后，在接下來的8個(gè)SCLK周期中的每個(gè)脈沖的上升沿輸入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)從0位開始。如果有額外的SCLK周期，它們將被忽略。 圖2-6 時(shí)鐘電路圖 數(shù)據(jù)輸出是在輸出命令字的8個(gè)SCLK周期之后，在接下來的8個(gè)SCLK周期中的每個(gè)脈沖的下降沿輸出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)從0位開始。需要注意的是，第一個(gè)數(shù)據(jù)位在命令字節(jié)的最后一位之后的第一個(gè)下降沿被輸出。只要RST保持高電平，如果有額外的SCLK周期，將重新發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)，即多字節(jié)傳送。其電路圖見圖2-7。第6節(jié) 電源的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)主電源采用直流電源5V和6V供電,電源部分電路為典型的7805（7806）應(yīng)用電路，具有兩路電源輸出。該電路具有短路保護(hù)功能，變壓器輸出7V交流電，經(jīng)橋路整流，電容濾波，送入7805/7806輸入端，最后輸出5V/6V直流電。 第三章 軟件設(shè)計(jì)第1節(jié) 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)部分主要包括：主程序/子程序流程的設(shè)計(jì)、功能模塊程序的編寫、軟/硬件結(jié)合調(diào)試與演示。主要包括以下功能模塊：51驅(qū)動、檢測、數(shù)碼管顯示、模數(shù)軟換，軟件結(jié)構(gòu)圖如下3-1所示。 系統(tǒng)初始化信號采集并放大A/D轉(zhuǎn)換并輸出數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理串行通信顯示數(shù)據(jù) 圖3-1軟件框圖第2節(jié) 主程序模塊的設(shè)計(jì)主程序?qū)崿F(xiàn)的功能：與硬件相結(jié)合實(shí)現(xiàn)便攜式一氧化碳檢測儀的各個(gè)功能。主要是檢測與顯示，時(shí)間調(diào)整與顯示，數(shù)據(jù)存儲，功能子函數(shù)的調(diào)用，見圖3-2。開 始初始化CPU初始化時(shí)鐘初始化LED屏顯示開機(jī)畫面顯示時(shí)間顯示主菜單讀 鍵 圖3.2 主程序流程圖檢測主程序程序見附錄。第3節(jié) 模數(shù)轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì) 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的主要功能就是將經(jīng)放大器放大的模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為MCU能夠處理的數(shù)字信號，并傳送給單片機(jī)。ADC0809轉(zhuǎn)換的流程圖見下圖3.3。開始使能芯片產(chǎn)生時(shí)鐘信號輸入通道控制字讀取2字節(jié)數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)據(jù)校正送入指定寄存器結(jié)束圖3.3數(shù)轉(zhuǎn)換流程圖第四節(jié) 時(shí)鐘設(shè)計(jì) （1）DS1302模塊主要是用于設(shè)置時(shí)間和與MCU通信經(jīng)LCD顯示時(shí)間。 （2）時(shí)鐘模塊操作流程圖見下圖。開始初始化保護(hù)寄存器操作向DS寫入字節(jié)數(shù)據(jù)向DS讀取字節(jié)數(shù)據(jù)開始 圖3.4 時(shí)鐘模塊操作流程圖軟件程序設(shè)計(jì)見附錄。 總 結(jié)本設(shè)計(jì)體積小，質(zhì)量輕，性價(jià)比高。主要分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)前對該系統(tǒng)所要求的設(shè)計(jì)功能。軟件是基于C語言編寫的，具有很好的可控性、模塊化和移植性。編寫的思路以模塊化思想，將系統(tǒng)的各個(gè)功能進(jìn)行劃分，然后對各個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)主要模塊為氧氣濃度檢測、A/D轉(zhuǎn)換、信號處理、顯示數(shù)據(jù)、時(shí)鐘設(shè)置。 由于所學(xué)知識有限，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能不是很健全，但在設(shè)計(jì)過程中讓自己學(xué)會了很多。基于單片機(jī)的氧氣濃度檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是一個(gè)實(shí)際的小工程。作為一個(gè)本科生，我對實(shí)際的工程設(shè)計(jì)認(rèn)識不夠，經(jīng)驗(yàn)不足，難免在設(shè)計(jì)的整體框架中，有很多的細(xì)節(jié)沒有考慮。請老師和同學(xué)給予我鼓勵(lì)和很多寶貴的建議，并且悉心引導(dǎo)，給予我一個(gè)比較清晰的設(shè)計(jì)思路，幫助我解決了許多設(shè)計(jì)上的困難。最后希望論文評審的老師們對論文的不足之處敬請批評點(diǎn)。 致 謝本論文是在彭曉珊老師的悉心指導(dǎo)下完成的，謹(jǐn)向澎宇老師表示崇高的敬意和衷心的感謝。 參考文獻(xiàn)1 于永權(quán).單片機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用M.北京：電子工業(yè)出版社,20032 王衍生，等.監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)在礦井瓦斯管理中的應(yīng)用J.北京：礦業(yè)安全與環(huán)保,20003 齊濤，王平等. 基于MSP430的便攜式甲烷氣體濃度監(jiān)測儀M. 維納電子技術(shù),20074 羅亞非凌陽十六位單片機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)M北京:北京航空航天大學(xué)出版社,20055 宋鳳娟, 付侃, 薛雅麗. STC12C5A60S2單片機(jī)高速A/D轉(zhuǎn)換方法J. 煤礦機(jī)械,20106 張毅坤,單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用M.西安：西安電子科技大學(xué)出版社,19987李萍. AT89S51 單片機(jī)原理、開發(fā)與應(yīng)用實(shí)例M . 北京: 中國電力出版社,20088 肖景和. 實(shí)用報(bào)警電路300例M . 北京: 中國電力出版社,2005 附 錄 程序代碼#include <AT89S51.H> #include <ctype.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <stdio.h>#include <math.h>#include <LCD.h> void init_cpu() EA=1;TR0=1;TR1=1;TMOD=0x11;TH1=0x3c;TL1=0xb0;/*void time1(void) interrupt 3 using 1 TH1=(65536-50000)/256;TL1=(65536-50000)%256; keyval=P1; * /初始化CPU結(jié)束/void main_menu_initial() /LCD主菜單初始化./main1_menu0.menu_count=4; /有4個(gè)菜單項(xiàng)./main1_menu0.display=measurearray; /定義一個(gè)”開始測量“數(shù)組/main1_menu0.subs=NULL; main1_menu0.children_menus=measure_menu;/當(dāng)前菜單子菜單的指針main1_menu0.parent_menus=NULL;void measure_menu_initial() /“開始測量”菜單設(shè)置/ measure_menu0.menu_count=2; measure_menu0.display=qr; /開始測量函數(shù), 確認(rèn). measure_menu0.subs=start_measure_function; /開始測量函數(shù) measure_menu0.children_menus=NULL; measure_menu0.parent_menus=main1_menu; measure_menu1.menu_count=2; measure_menu1.display=qx; /開始測量函數(shù), 取消. measure_menu1.subs=NULL; measure_menu1.children_menus=NULL; measure_menu1.parent_menus=main1_menu; /還有void store_menu_initial()、void time_menu_initial()/void led_menu_pro() max_item=menu_led->menu_count;switch(keyval)case 0: break;case 1: /向上鍵.if(user_choosen=0)user_choosen=max_item;shuaxin=1;user_choosen-;break; /“向上”“向下”“確認(rèn)”“取消”鍵/if(shuaxin)/是否需要刷新LCD標(biāo)志位. Clr_Scr(); shuaxin=0;led_menu_show();v oid led_menu_show()uchar n;max_item=menu_led->menu_count;if (max_item>=4) /菜單項(xiàng)為3則表示為主菜單.for(n=0;n<4;n+) draw_bmp(n*2,20,96,0,menu_ledn.display);select_item(user_choosen); /標(biāo)記出當(dāng)前菜單項(xiàng).elseswitch(temp_choosen) case 0:draw_bmp(0,20,96,0,measurearray); /“開始測量”數(shù)組/break; default:break;for(n=0;n<max_item;n+)draw_bmp(n+1)*2,20,32,0,menu_ledn.display);select_item(user_choosen+1); void select_item(uchar n)draw_bmp(n*2,2,16,0,curflag); void start_measure_function(void) /開始測量函數(shù)/main_Menu();/*-主函數(shù)-*/main() init_cpu(); Init_Clock(); init_lcd(); Disp_Img(FirstPage);delay(2000); /延時(shí)/ClockMsg(); Refresh(); delay(2500); Clr_Scr(); main_Menu();Clr_Scr(); main_menu_initial(); measure_menu_initial(); store_menu_initial(); time_menu_initial(); communication_menu_initial(); while(1) keyval=get_key(); /讀鍵.led_menu_pro(); / 適當(dāng)延時(shí)防止因?yàn)椴粩嗖槊Χ馁M(fèi)大量CUP資源 /ADC0809程序#define uint unsigned int /常量/變量定義/uchar k,i,j;float xdata lv;sbit ADCS =P31; /ADC0809 chip seclect /接口定義/ /其它引腳略uchar xdata dsw20; /存放sprintf轉(zhuǎn)換字符uchar xdata value149; /點(diǎn)陣字符儲存uchar code table= /字符查表0x00,0x00,0x00,0x30,0x00,0x30,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,/*".",0*/;/采集并返回unsigned int Adc0832(unsigned char channel) /AD轉(zhuǎn)換，返回結(jié)果 uchar i=0; uchar j; uint dat=0; uchar ndat=0; if(channel=0)channel=2; if(channel=1)channel=3; ADDI=1; _nop_(); _nop_(); ADCS=0;/拉低CS端 _nop_(); _nop_(); ADCLK=1;/拉高CLK端 _nop_(); _nop_(); ADCLK=0;/拉低CLK端,形成下降沿1 _nop_(); _nop_(); ADCLK=1;/拉高CLK端 ADDI=channel&0x1; _nop_(); _nop_(); ADCLK=0;/拉低CLK端,形成下降沿2 _nop_(); _nop_(); ADCLK=1;/拉高CLK端 ADDI=(channel>>1)&0x1; _nop_(); _nop_(); ADCLK=0;/拉低CLK端,形成下降沿3 ADDI=1;/控制命令結(jié)束 _nop_(); _nop_(); dat=0; for(i=0;i<8;i+) dat|=ADDO;/收數(shù)據(jù) ADCLK=1; _nop_(); _nop_(); ADCLK=0;/形成一次時(shí)鐘脈沖 _nop_(); _nop_(); dat<<=1; if(i=7)dat|=ADDO; for(i=0;i<8;i+) j=0; j=j|ADDO;/收數(shù)據(jù) ADCLK=1; _nop_(); _nop_(); ADCLK=0;/形成一次時(shí)鐘脈沖 _nop_(); _nop_(); j=j<<7; ndat=ndat|j; if(i<7)ndat>>=1; ADCS=1;/拉低CS端 ADCLK=0;/拉低CLK端 ADDO=1;/拉高數(shù)據(jù)端,回到初始狀態(tài) dat<<=8; dat|=ndat; return(dat); /return ad k/*-點(diǎn)陣字符采集函數(shù)-*/void tra(uchar *p) /數(shù)組dsp里面的字符查詢后，再儲儲存到另一個(gè)顯示數(shù)組valuevoid main_Menu() Clr_Scr(); / 先清屏 / CS2=1;CS1=0; hz_disp16(0,32,1,yangqi); /氧/氣/測/量/數(shù)/據(jù)/存/儲/delay(2000); do /* k=Adc0832(0); /AD轉(zhuǎn)換結(jié)果 l=k/255.0*100.0;ltemp=floor(l);dsw0=ltemp/10;dsw1=ltemp%10;/ sprintf(dsw,"%2.3f",l); / dsw0=1; switch(dsw0) case 0: sz_disp16(2,32,1,sz0); break; case 1:sz_disp16(2,32,1,sz9); switch(dsw1) case 0: sz_disp16(2,40,1,sz0); break; case 1:sz_disp16(2,40,1,sz9); */ sz_disp16(2,40,1,sz0); /* tra(dsw); CS2=1;CS1=0; sz_disp16(2,56,1,value);*/ while(P1_3)34