基于单片机一氧化碳报警器方案设计书.docx
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基于单片机一氧化碳报警器方案设计书.docx
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基于单片机一氧化碳报警器方案设计书
毕业设计(论文)
论文题目:
基于单片机一氧化碳报警设计
教学点:
指导老师:
职称:
学生姓名:
学号:
专业:
机电一体化
成都电子机械高等专科学校成教院制
年月日
成都电子机械高等专科学校成教院
毕业设计(论文)任务书
题目:
基于PLC控制霓虹灯的设计
任务与要求:
当气体传感器遇到燃气时,传感器电阻随燃气浓度而变化,随之产生电信号,供燃气报警器后继线路处理。
经过电子路线处理变成浓度成比例变化的电压信号,由线性电路加以补偿,使信号线性化,经微机处理、逻辑分析,输出各种控制信号,即当燃气浓度达到报警设定值时,燃气报警器发出声光报警信号
时间:
2013年2月10日至2013年1月15日共9周
教学点:
学生姓名:
学号:
专业:
电气自动化技术
指导单位或教研室:
指导教师:
职称:
成都电子机械高等专科学校成教院制
毕业设计(论文)进度计划表
日期
工作内容
执行情况
指导教师
签字
月日至
月日
月日
至
月日
月日
至
月日
教师对进度计划实施情况总评
签名:
年月日
第一章摘要
一氧化碳(CO)为无色、无味、无刺激性气体,比重0.967,几乎不溶于水,不易被活性炭吸附。
当碳物质燃烧不完全时,可产生CO,如人体短时间内吸收较高浓度的C0,或浓度虽低,但吸时间较长,均可造成急性中毒。
CO与血红蛋白结合能力超过氧和血红蛋白的结合能力的200-300倍,当CO与血红蛋白结合形成的碳氧血红蛋白含量达到5%时,就会对人体产生慢性损害,达到60%时就会昏迷,达到90%就会死亡。
所以基于单片机设计制作一氧化碳报警器,来保障人们的生命财产安全。
Abstract
Carbonmonoxide(CO)isacolorless,odorless,nonirritantgases,specificgravity0.967,almostinsolubleinwater,noteasilybyactivatedcarbonadsorption.Whentheincompletecombustionofcarbonmaterial,canproduceCO,suchasthehumanbodyinashortperiodoftimetoabsorbhighlevelsofC0,orconcentrationislow,butsuckforalongtime,allcancauseacutepoisoning.COcombinedwithhemoglobinabilitymorethanthecombinationofoxygenandhemoglobinabilityof200-300times,whenCOisformedbythecombinationofcarbonandoxygenhemoglobinandhemoglobincontentreaches5%,willproducechronicdamagetohumanbody,60%willbeinacoma,and90%willdie.Sobasedonsinglechipdesignandproductionofcarbonmonoxidealarm,toensurepeople'slifeandpropertysecurity.
目录
第一章一氧化碳报警器简介6
第二章设计方案6
第一节单片机的介绍和选用6
第二节设计要求及思路7
第三节初始方案与确定7
第四节系统组成8
第五节一氧化碳报警器系统的三大部分8
第二章硬件电路设计11
第一节单片机基础知识简介介绍及主控电路设计11
第二节模数转换部分电路设计16
第三节传感器部分电路设计19
第四节报警电路的设计22
第三章软件设计23
第一节单片机编程23
第二节汇编语言概况23
第三节源程序24
结论26
致谢27
第一章一氧化碳报警器简介
设计出性能更加可靠,经济实惠的一氧化碳报警器。
我们应该对国家标准规定的燃气报警器的种类有所了解。
燃气报警器可分为可燃气体泄漏仪(简称“检漏仪”),可燃气体报警控制器(简称“控制器”)、可燃气体探测器(简称“探测器”)、可燃气体报警器(简称“报警器”)四大系列产品。
可燃气报警器的核心是气体传感器,俗称“电子鼻”。
当气体传感器遇到燃气时,传感器电阻随燃气浓度而变化,随之产生电信号,供燃气报警器后继线路处理。
经过电子路线处理变成浓度成比例变化的电压信号,由线性电路加以补偿,使信号线性化,经微机处理、逻辑分析,输出各种控制信号,即当燃气浓度达到报警设定值时,燃气报警器发出声光报警信号。
如果环境中CO含量超出安全范围,常人很难发现,为了保证人们生命健康和正常生产不受影响,实时检测CO含量十分重要。
所以基于单片机设计制作一氧化碳报警器,来保障人们的生命财产安全。
意义在于:
(1)成本低廉并能对一氧化碳准确报警。
(2)该产品不需专业人员操作,只要放在合适位置,通电即可,连续使用方便,操作简单。
(3)能起到预防一氧化碳中毒的效果,使人们安全放心的工作。
(4)出现一氧化碳漏或者着火时,报警器能够立即鸣笛报警,告之工作人员及时采
取措施。
第二章设计方案
第一节单片机的介绍和选用
单片机是一种集成在电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统,目前单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智能IC卡,民用豪华轿车的安全保障系统,录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机,更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表以及各种智能机械了。
因此,单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
设计选用ATMEl公司的AT89C51和美国国家半导体公司生产的ADC080。
第二节设计要求及思路
设计要求:
报警器需在一氧化碳浓度达到100ppm时启动报警。
具体实现如下功能:
(1)系统要求设置正常工作状态除正常工作状态外,LED红灯处于熄灭状态,蜂鸣器处于关闭状态。
(2)在正常工作状态下,绿灯应长亮。
当室内一氧化碳浓度达到100ppm时系统应启动蜂鸣器报警,红灯闪烁。
设计思路:
采用单个传感器检测气体浓度,将检测结果通过高精度运算放大器放大后送入模/数转换芯片中进行转换,传给单片机进行数据处理。
处理后的信息将通过单片机控制,驱动报警。
第三节初始方案与确定
(1)初始设计以设计思路展开研究:
根据该设计要实现的基本功能,设计大概应该分为信号接收,信号处理,信号控制和信号响应四个部分。
A.信号采集接收部分即通过检测一氧化碳气体浓度,并将这种变化量转换成电压或者
电流等模拟量的变化
B.信号处理部分是将接收部分得到的电压或电流等变化进行必要放大,为后一部分信号控制提供准备。
C.信号控制部分是通过预定控制方式等实现对设计要求的准确操作。
D.信号响应是通过事故处理部分和显示部分实现控制部分的要求。
(2)对上述四个部分进行分析,得到如下一些基本的结论:
A.信号接收部分为了能准且采集到气体浓度的变化应选用传感器敏感器件,为使其有效部分的检测房间中气体浓度,必须选用高温一氧化碳传感器。
B.信号处理部分应该根据实际情况选用电荷放大,或比较器等装置,这部分电路将包含在传感器接口电路中。
C.控制部分为了实现精确控制,采用单片机较为合适。
D.信号响应及报警部分,用蜂鸣器和LED灯即可。
根据对上面设计系统的分析,我们得到该设计思想框图如下图2.1所示:
图2.1设计思想框图
(2)方案确定
经过分析采用初始方案设计,即用单个传感器检测一氧化碳气体浓度,将检测到的浓度结果通过运算放大器放大后送入模/数芯片ADC0809中进行模—数转换,传入单片机中,由AT89C51单片机处理数据,并利用单片机控制报警器进行声音报警。
分析:
此设计十分简单,也十分实用。
虽然对气体浓度的采集不是很精确,但报警方面已经十分符合设计目的。
第四节系统组成
本设计属于单片机应用系统。
单片机在系统检测以及工程控制方面的应用,是典型的嵌入式系统。
通常将满足海量高速数据计算的计算机称为通用计算机系统;而把面向工控领域对象,嵌入到工控系统中,实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入式计算机系统,简称嵌入式系统。
嵌入式系统分为四种:
工控机,通用CPU模块,嵌入式微处理,单片机。
嵌入式系统具有以下特点:
(1)面对控制对象。
如传感器信号输入、人机交互操作、伺服驱动等。
(2)嵌入到工控应用系统中的结构形态。
(3)能在工业现场环境中可靠运行的品质。
(4)突出控制功能。
如对外部信息的捕捉、对控制对象实时控制和有突出控制功能的指令系统(I/O控制、位操作和转移指令等)。
单片机有唯一的专门为嵌入式应用系统设计的体系结构与指令系统,最能满足嵌入式
应用要求。
单片机是完全按嵌入式系统要求设计的
单芯片形态应用系统,能满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行及非凡的控制品质等要求,是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统。
第五节一氧化碳报警器系统的三大部分
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2.2:
图2.2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。
为了保重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2.3所示。
图2.3一氧化碳报警器系统组成框图
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,检测结果通过高精度运算放大器放大后送入模/数转换芯片ADC0809中进行转换
(2)主控模块
系统采用单片机控制,用的是AT89C51单片机,AT89C51单片机是美国Intel公司推出的一种4K字节可编程FLASH存储器,低电压、高性能CMOS8位微处理器。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次,数据可保留10年。
它的主要功能既是和ADC0809芯片一起共同接受检测信号,又可以通过对数字型号的处理来控制外围电路以及显示电路。
模数转换芯片采用ADC0809,接收经过运算放大器处理后的一氧化碳传感器的检测值,检测结果通过ADC0809处理后才传给单片机进行数据处理。
处理后的信息将通过
单片机控制,以驱动报警。
(3)报警模块
此模块主要有蜂鸣器、LED灯组成,在气体浓度过大,超过安全值时,蜂鸣器工作,提供报警服务。
至此,本系统的三大模块功能和设计思路已经确立,下文将介绍整个系统的详细设计过程。
并且给出设计电路。
第二章硬件电路设计
第一节单片机基础知识简介介绍及主控电路设计
在实际的应用中,基本知识的掌握程度至关重要,他影响到应用的好坏。
硬件知识用来设计硬件电路,软件知识用来设计芯片处理数据的先后顺序,数据的获得途径以及对数据做怎样的处理,还有其他的一些驱动和显示功能等等。
本设计用到的硬件知识主要有:
电子技术、单片机技术。
在电子技术方面分为模拟电子技术和数字电子技术,模拟电子技术主要用来放大传感器检测信号和驱动反光二极管以及显示穿管器检测气体浓度;数字电子技术用来把模拟量转换成数字量,把从刚起检测到的模拟量转换成数字值。
利用单片机实现综合控制。
主控电路中,以单片机为主体,通过分析A/D转换的得到的数字值,控制事故处理模块运行。
设计采用的是AT89C51型单片机,AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
外形及引脚排列如图3.1所示
图3.1单片机外形及引脚排列图
(1)主要特性:
与MCS-51兼容
4K字节可编程闪烁存储器
寿命:
1000写/擦循环
数据保留时间:
10年
全静态工作:
0Hz-24MHz
三级程序存储器锁定
128×8位内部RAM
32可编程I/O线
两个16位定时器/计数器
5个中断源
可编程串行通道
低功耗的闲置和掉电模式
片内振荡器和时钟电路
(2)管脚说明:
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P0
口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门
电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示:
口管脚备选功能
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2/INT0(外部中断0)
P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4T0(记时器0外部输入)
P3.5T1(记时器1外部输入)
P3.6/WR(外部数据存储器写选通)
P3.7/RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE
脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
(3)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。
(4)芯片擦除:
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。
此外,AT89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下,CPU停止工作。
但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。
(5)串口通讯:
单片机的结构和特殊寄存器,这是你编写软件的关键。
至于串口通信需要用到那些特殊功能寄存器呢,它们是SCON,TCON,TMOD,SCON等,各代表什么含义呢?
SBUF数据缓冲寄存器这是一个可以直接寻址的串行口专用寄存器。
有朋友这样问起过“为何在串行口收发中,都只是使用到同一个寄存器SBUF?
而不是收发各用一个寄存器。
”实际上SBUF包含了两个独立的寄存器,一个是发送寄存,另一个是接收寄存器,但它们都共同使用同一个寻址地址-99H。
CPU在读SBUF时会指到接收寄存器,在写时会指到发送寄存器,而且接收寄存器是双缓冲寄存器,这样可以避免接收中断没有及时的被响应,数据没
有被取走,下一帧数据已到来,而造成的数据重叠问题。
发送器则不需要用到双缓冲,一般情况下我们在写发送程序时也不必用到发送中断去外理发送数据。
操作SBUF寄存器的方法则很简单,只要把这个99H地址用关键字sfr定义为一个变量就可以对其进行读写操作了,如sfrSBUF=0x99;当然你也可以用其它的名称。
通常在标准的reg51.h或at89x51.h等头文件中已对其做了定义,只要用#include引用就可以了。
SCON串行口控制寄存器通常在芯片或设备中为了监视或控制接口状态,都会引用到接口控制寄存器。
SCON就是51芯片的串行口控制寄存器。
它的寻址地址是98H,是一个可以位寻址的寄存器,作用就是监视和控制51芯片串行口的工作状态。
51芯片的串口可以工作在几个不同的工作模式下,其工作模式的设置就是使用SCON寄存器。
它的各个位的具体定义如下:
SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI
SM0、SM1为串行口工作模式设置位,这样两位可以对应进行四种模式的设置。
串行口工作模式设置。
SM0SM1模式功能波特率
000同步移位寄存器fosc/12
0118位UART可变
1029位UARTfosc/32或fosc/64
1139位UART可变
在这里只说明最常用的模式1,其它的模式也就一一略过,有兴趣的朋友可以找相关的硬件资料查看。
表中的fosc代表振荡器的频率,也就是晶振的频率。
UART为(UniversalAsynchronousReceiver)的英文缩写。
SM2在模式2、模式3中为多处理机通信使能位。
在模式0中要求该位为0。
REM为允许接收位,REM置1时串口允许接收,置0时禁止接收。
REM是由软件置位或清零。
如果在一个电路中接收和发送引脚P3.0,P3.1都和上位机相连,在软件上有串口中断处理程序,当要求在处理某个子程序时不允许串口被上位机来的控制字符产生中断,那么可以在这个子程序的开始处加入REM=0来禁止接收,在子程序结束处加入REM=1再次打开串口接收。
大家也可以用上面的实际源码加入REM=0来进行实验。
TB8发送数据位8,在模式2和3是要发送的第9位。
该位可以用软件根据需要置位或清除,通常这位在通信协议中做奇偶位,在多处理机通信中这一位则用于表示是地址帧还是数据帧。
RB8接收数据位8,在模式2和3是已接收数据的第9位。
该位可能是奇偶位,地址/数据标识位。
在模式0中,RB8为保留位没有被使用。
在模式1中,当SM2=0,RB8是已接收数据的停止位。
TI发送中断标识位。
在模式0,发送完第8位数据时,由硬件置位。
其它模式中则是在发送停止位之初,由硬件置位。
TI置位后,申请中断,CPU响应中断后,发送下一
帧数据。
在任何模式下,TI都必须由软件来清除,也就是说在数据写入到SBUF后,硬件发送数据,中断响应(如中断打开),这时TI=1,表明发送已完成,TI不会由硬件清除,所以这时必须用软件对其
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- 基于 单片机 一氧化碳 报警器 方案设计