长隧道定时通风控制系统的设计与实现毕业论.doc

本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 （20152015 届）届） 题题 目目长隧道定时通风控制系统的设计与实现 学学 院院电子信息学院 专专 业业电子科学与技术 班班 级级 11042012 学学 号号 11041136 学生姓名学生姓名周捷 指导教师指导教师程筱军 完成日期完成日期2015 年 5 月 诚诚 信信 承承 诺诺 我谨在此承诺：本人所写的毕业设计长隧道定时通风控制系统 设计与实现均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的 观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人（签名）：承诺人（签名）： 20052005 年年 5 5 月月 日日 杭州电子科技大学本科毕业设计 摘 要 随着科学技术水平的不断提高，现在的汽车数量飞速增长。为了方便同行， 政府建造了长隧道方便通车，因为隧道比较密闭，空间狭小，随之而来的就是 要解决隧道通风排污的问题，所谓隧道的通风，也就是要排除汽车尾气和汽油 蒸汽，送入新鲜空气。以便有害物的含量稀释到国家规定的卫生标准要求。 本毕业设计主要设计一种能定时的通风系统，该系统主要包括定时通风与 一氧化碳采集两个基本功能。通过单片机对继电器的控制，完成对风扇的控制 实现通风功能，同时对一氧化碳采集器对空气中一氧化碳的测量与预设值的比 较，从而实现对单片机的控制。 关键字：轴流风机；STC89C51；mq-5 传感器。 杭州电子科技大学本科毕业设计 Abstract . As science and technology continues to improve, the current rapid growth in the number of cars. In order to facilitate peer, the Government built a long tunnel to facilitate the opening of the tunnel because relatively confined space is small, the attendant is to solve the problem of sewage tunnel ventilation,. The ventilation of the garage, which is to exclude the automobile exhaust and gasoline vapors, into the fresh air. The content of harmful substances diluted to state health standards require This graduation project to design a ventilation system timing，The system mainly consists of two basic functions of timing ventilation and carbon monoxide acquisition。Fan control ventilation function microcontroller control relay to complete the acquisition of carbon monoxide on the measurement of carbon monoxide in air at the same time with the default values for comparison, in order to achieve control of the microcontroller. Keyword：Intelligent ventilation system ；STC89S51；mq-5 Sensor. 杭州电子科技大学本科毕业设计 目 录 1、引 言.1 2、概 述.2 2.1.长隧道定时通风系统介绍3 2.2.单片机选择4 2.3 本方案设计思路 5 2.4 研发方向和技术关键 6 3、总体设计.7 4、硬件部分.8 硬件总图8 4.1 单片机介绍 8 4.2 液晶 LCD1602 显示模块 .12 4.3 传感器 .13 4.4.A/D 转化电路模块 .17 4.5 风扇控制电路 .19 5、软件设计21 5.1 软件流程图 .21 5.2 模块说明 .21 6、制作与调试27 6.1 硬件的布线与焊接 .27 6.2 焊接 .27 6.3 调试 .27 6.4 实物图 .28 7、结论29 致谢.30 参考文献.31 附录.32 杭州电子科技大学本科毕业设计 0 1 引 言 近年来，随着中国科学技术的不断发展，导致机动车数量高速增长，车辆 通行问题变成了城市交通的一大困难。这就需要政府工程更注重车辆道路发展， 所以就开山辟石，大量长隧道建造起来了。长隧道是可以很方便车辆通行，大 大减轻了城市交通拥堵的压力，但另一方面，它的通风问题也是一大麻烦。 因为隧道是一个相对密闭的空间，所以通风换气的处理显得非常重要， 2003 年 4 月，于都县，江西省，一个隧道里，因为交通拥堵导致长龙在隧道里， 持续长达四个小时，一个司机因心肌梗塞而死亡，后来查出是因为长隧道里空 气质量差，一氧化碳严重超标导致病情发作，酿成了恶果。 类似事件，在河北石家庄一个高速路隧道里也同样发生过，因车祸造成交 通拥堵在隧道里长达 3 小时，三人在隧道里中毒死亡；红谷滩新区，南昌市的 一工地，民工在隧道里洗涤，在下井的时候，一氧化碳中毒坠井，后来施救人 员下去，也死亡了；景德镇市隧道空气检验人员对南德高速长隧道通风情况进 行检测时，违规操作，在没有使用防护设施的情况下，一人进去隧道检测，由 于一氧化碳中毒晕倒，后经抢救无效身亡。 2012 年 4 月 2 日，北京市三环区晏安镇，两人施工人员在长隧道里清渣时， 没有采取任何防范措施，中毒晕倒在隧道里，虽然 120 急救人员奋力营救，不 幸的是，由于两人中毒太深，仍不治身亡。这些全都是因为没有处理好密闭空 间通风问题导致的悲剧。所以如何处理好长隧道的通风问题，提升空气质量就 尤为重要。 对于长隧道，衡量长隧道空气环境质量好坏的两个重要指标就是温度和一 氧化碳浓度。由于长隧道在水泥地的包围之中，而水泥地的热稳定性比较好， 不太容易受大气温度的影响，我国的大部分区域，都能够达到这个温度。汽车 在长隧道内行驶时，都要排出尾气，主要有害气体是一氧化碳。所以 ，应该严 格控制长隧道里一氧化碳的浓度。 我们国家最近从国外引进了蛮多的的现代化长隧道通风控制系统，但是基 本都是现成的产品，它的控制方法对于我国目前的具体条件并不一定适用。怎 么合理利用先进的长隧道“绿色”通风控制系统，让它起一定的示范作用以及 推广现代化智能通风控制系统任重而道远。 因此，本毕业设计使用单片机控制地下长隧道通风系统，利用单片机系统 简单高效的特点，一方面能在常规下进行定时通风，另一方面在长隧道一氧化 碳浓度超标时，通过对通风设备的控制使一氧化碳浓度降低，保证空气质量。 杭州电子科技大学本科毕业设计 1 2 概 述 当代世界, 新技术革命主要以信息、能源以及材料为三大组成部分,这在世 界范围内已经达成共识。人类历史进程正慢慢由工业化时代朝信息化时代走进。 而传感器，因为拥有感知、收集、变换、传输以及处理各种信息等重要的功能, 使其成为和微电子计算机相同重要的技术工具,赢得了世人高度的重视和飞速的 发展。传感器是收集信息系统最重要的部件,也是电子计算机的“五官”,属于 当代测量和控制系统(包含遥感、遥测、遥控)的重要关节。可以这么说, 传感 器不仅是当代社会赖以生存和发展的技术基础，更是当代产业信息的源泉。现 在,传感器技术已经成为现代信息产业的三大支撑之一, 和通讯技术、计算机技 术一起成为支持整个并变成现代测量技艺和自动化技术的主要基础。可以想象, 假如传感器没有高度的保真以及可靠的性能,技术如果不先进的话,那么就无法 获得准确的信息，也无法进行精密的检测,通讯技艺以及计算机技艺就无法有效 的融合,继而发挥出作用，当代测量和自动化技术也会无法有机融合，发挥它们 最大的效用。现代社会,传感器技术作用越来越大，从宇宙搜索、海洋开采,到 防御建设、以及工农业发展;从研究现代生命科学的每一个部分，包括环境保护 和困情预报在内;从人民大众的起居饮食和生产期间的检测和把控,方方面面 , 传感器都在里面发挥了重要作用。 目前在各个领域,比如国防科技、工农业生产、环境维护、交通运输、智能 控制以及家用电器等传感器己经得到了广泛的应用。所以传感器的分类大致可 以,分为产业用、农业用、民用、科技用、医疗用、军事用、环保用和家电用等 方面。如果要从不同的场合来分的话,还可以分为汽车、舰船、机器、宇宙飞船、 防灾等用途传感器。另外,因为传感器使用目的的不同,分为测量、视觉、检查、 诊断、控制和分析等用途传感器。我这个作品选用的是简单而且操作容易的气 体传感器对空气中一氧化碳气体进行采集测量。 一般长隧道的通风系统为贯穿通风方式，就是根据按防火区域的不同，分 成好几个送、排风系统。当火灾出现时，这些系统也可以作为排烟系统，即所 谓的“一系两用” ，为了确保排风效率排风口必须布置均匀。但是这些排风系统 因为排风量比较大，它们的排风管都很庞大，这些复杂硕大的排气管道，不仅 占用了隧道里很大一部分空间，使隧道的使用率下降，还提高了长隧道地基的 开挖成本、土地投资以及设备投资，系统复杂，安装工程浩大，有可能引起风 管和其他管线的交错问题。所以眼下首要考虑的就是怎么降低能耗，同时提升 杭州电子科技大学本科毕业设计 2 随道通风效率。随着科学技术水平的不断提高,单片机无疑是人们的重要选择之 一，因为它的效能能给人们带来很大的方便，比如智能通风系统，就是一个很 好的例子，随着单片机技术的发展,人们对单片机的要求也越来越高，我们需要 它为现代社会包括人们的工作和生活以及科研提供更好更便利的设施，现代社 会向着数字化，智能化控制方向发展就需要不断提高单片机技术。 本设计所介绍的定时通风控制与传统自然通风及中央空调控制系统相比， 具有系统结构简单，读数方便，显示的信息比较多，实现了智能化，反馈行输 出，其输出测量值采用液晶显示，易于观察。 单片机技术现在发展得比较成熟，已经普遍应用到我们生活、工作、科研 等各个领域,单片机是一种电压低、性能高的 CMOS 8 位微处理器，比如 AT89C51，它带有 4K 字节，属于 FLASH 存储器，还有 AT89C2051，它带 2K 字节， 具有闪存可编程可擦除等功能。单片机运用 ATMOL 高密度易保留存储器制造技 术，造就了其可擦除只读存储器能重复擦除 1000 多次。和单片机相兼容的是具 有工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚。ATMEL 的 AT89C51 是一种效能很高的 微控制器，它的一种简要版本就是 AT89C2051，它可以将多功能 8 位 CPI 和闪 存储器组合在单个芯片中。AT89C51 单片机为好多嵌入式系统提供了一种较灵 活且价格实惠的。同时也为本文设计提供了现实的条件支持。我写的这篇论文 主要介绍了 C89S51 单片机的定时控制风扇系统，详细介绍了利用气体传感器 mq-5 开发检测气体系统的过程其中部分电路也进行了介绍,这系统可以方便实 现气体的采集以及显示。 2.1.2.1.长隧道定时通风系统介绍长隧道定时通风系统介绍 2.11.工作原理 单片机现在和我们生活的息息相关，几乎没有什么地方不会用到单片机的。 例如计算机网络通信和数据传送，航天仪器上的各种仪表控制，重型武器上的 导航装置，录像机、摄像机、遥控电视机的控制，工业智能化过程的有效控制 和数据处理，现在被广泛使用的智能 IC 卡，私人轿车的安保系统，以及机器人， 遥控玩具等等，这些都离不开单片机。更不用说智能控制领域的机器人、智能 防爆、医疗器械等了。所以现在好多工程师，科学家们都致力于学习、开发单 片机，希望能实现单片机最大智能化。长隧道定时通风系统的工作原理是用传 感器采集空气中的气体浓度信息，交由单片机处理后显示，并在浓度超过设定 的阀值时启动通风反馈系统，是风扇能持续运作使空气中有害气体降低。该系 统一般包括浓度采集部分、A/D 转换部分、显示部分以及定时通风系统部分。 2.12 系统原理 传感器在空气中接收气体的浓度信息，随着气体浓度的不同，A/D 转换电 杭州电子科技大学本科毕业设计 3 路得到不同的输入电压，并输出不同的数字信号，单片机会对这些数字信号进 行处理，并在 LCD 显示屏上显示对应的浓度值。一旦单片机发现输入过来的值 超过了规定的阀值，便会启动风扇使其持续运作，实现反馈功能，在传感器浓 度低于限定值时，通过单片机对键盘扫描控制风扇按照设定的通风时间运作。 单片机是一种集成电路芯片，具有超强的处理功能，采用大规模集成电路 技术，它的的中央处理器 CPU 和随机存储器 ROM、只读存储器 RAM，还有多种 I/O 口以及中断的系统、计时器等功能，把这些器件集成到一块芯片上，组成 一个很小的计算机系统，继而在工业控制领域内大量使用，使其功能最大化。 可以追溯到 30 年前，当时的单片机只有 4 到 8 位，然而现在却有 32 位，可见 其发展速度之快。 一氧化碳传感器是统称，所有可以检测一氧化碳浓度的传感器都可以称为 一氧化碳传感器。一氧化碳传感器按原理可分为红外一氧化碳传感器（红外光 原理）可达高精确度，激光一氧化碳传感器（二极管激光原理）量程可达百分 级别，光干涉式 CO 传感器（差不多也是光学原理） ，催化燃烧式 CO 传感器（力 学原理） ，电催化式 CO 传感器（物理学原理） 。 A/D 转换器，也就是模数转换器，通常称为 ADC，是将一个模拟信号转变为 数字信号的电子元件件。在实际应用中，通常用模数转换器把一个输出数字信 号转换成一个输入电压信号。可是数字信号没有太大的用处和意义，它只是表 示一个量词。所以每一个模数转换器都需要用一个参照物来作为衡量标准，一 般比较常用的是可转换信号大小，因为它很有参考标准价值。可是输出的数字 数量就表示输入信号和参考信号的差值大小。 ADC0833 是美国墨尔本半导体公司生产的一种芯片，它有 8 位分辨率、可 以进行双通道 A/D 转换。但它让单片机爱好者欢迎的是因为它体积小，价格优 惠而且兼容性好，性价比很高，目前已经得到广泛应用。对本设计来说价格方 面也能承受，故选择该款芯片。 我的设计将采用 AT89B51 单片机和,MQ-5 传感器和 ADB8032A/D 转换芯片5。 2.2.2.2.单片机选择单片机选择 89C51 单片机电压低，性能高，带有 4K 字节闪存可编程可擦除只读存储器 （FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的 CMOS8 位微处理器。各个领域,单片机是一种电压低、性能高的 CMOS 8 位微处理器， 比如 AT89C51，它带有 4K 字节，属于 FLASH 存储器，还有 AT89C2051，它带 2K 字节，具有闪存可编程可擦除等功能。单片机运用 ATMOL 高密度易保留存储器 制造技术，造就了其可擦除只读存储器能重复擦除 1000 多次。和单片机相兼容 杭州电子科技大学本科毕业设计 4 的是具有工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚。89C 单片机价格实惠，所以很 多嵌入式控制系统方案中都会用到它。同时，在现代教学中 51 单片机是被提到 次数最多，使用最广的单片机系统，编程等方面已经十分成熟与完善，因此我 选择 51 单片机作为我系统的核心控制器6。 杭州电子科技大学本科毕业设计 5 2.32.3 本方案设计思路本方案设计思路 2.3.1 风扇控制 方案 1：继电器控制风扇。首先考虑单片机输出电流较弱，无法控制风扇 运作的情况下，引入继电器系统。单片机属于用电较低的器件,它们的工作电压 一般只在 5V 左右甚至更低。驱动电流甚至在 mA 级别以下。所以如果把它们用 在大功率的器件,比如控制电动机,明显是不可以的，很可能造成事故.所以,就 需要有一个环节来作铺垫,这个铺垫便是所谓的“功率驱动”。继电器驱动便是 一个简单高效率的功率驱动铺垫。在这个实验中,继电器驱动包含两部分:一是 对继电器进行驱动,因为继电器在对单片机应用中需要提供功率;第二是用继电 器去驱动另外的负载,例如继电器能够驱动中间继电器,也能够直接驱动接触器, 因而,继电器驱动被看做是单片机和其他大功率负载的接口。 图 2-1 继电器控制风扇电路图 这里我采用的是用 S8050 三极管来驱动相应的继电器，当开机后，单片机 初始化后的 P2.3/P2.4 为高电平，5 伏电源经过电阻使三极管导通，所以开 机后继电器一直处于吸合状态，如果要使相应三极管的基极被拉低到零伏左右， 我们就只需在程序中给单片机一条：CLR P2.3 或者 CLR P2.4 的指令，这样相 应的三极管截至，从而使继电器断电释放，因为所有继电器都有一个常开常闭 的截点，为了在其他电路中可以方便使用，继电器线圈两头反相串联的二极管 的功能是吸收反向电动势，保护对应的驱动三极管，但比较简单的是这种继电 器驱动方式的硬件结构。不过在实际操作中，发现该系统的耗电十分严重，在 使用电池输入的情况下，并不适合，所以经过考虑放弃。 杭州电子科技大学本科毕业设计 6 方案 2：由于从单片机输出信号的功率很弱，即使电机驱动在无其它外在 负载时也不能带动电机，所以为了提高输出电机信号的功率，实际电路中我们 加入了电机驱动芯片，所以从图中可以看出这样我们能根据实际需要来控制电 机转动，一块 ULN2003 芯片可以驱动两个电机转动，它的使能端能够接高低电 平，要进行软件控制的话也可以利用单片机来控制，很符合各种复杂电路的需 要。另外，ULN2003 的驱动功率较大，能够根据输入电压的大小输出不同的电 压和功率，解决负载能力不足的问题。电机驱动电路如下图 2-8 所示 图 2-2 电机驱动电路图 但是在实际的运作中，这个方案所需要的代码过于繁琐所以放弃。 方案 3：用三极管来控制。半导体三极管人称“晶体三极管”简称“晶体 管” 。在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的 PN 结，组成一个 PNP（或 NPN）结构。基区在中间的 N 区（或者叫 P 区） ，发射区和集电区在两 边，这三部电极引分都由一条线引导， 基极叫 B、发射极叫 E 和集电极叫 C， 它们的作用是能放大、振荡或开关等，属于半导体电子器件。当三极管发射结 的电压比 PN 结的导通电压大时，基极电流为 0，集电极电流以及发射极电流都 为 0，这时集电极就像是开关的断开状态，导致三极管失去了放大电流的作用， 即三极管处于截止状态。在实际操作中发现可控制并且风扇能良好的运作， 因此选择该系统。 2.3.2 显示控制 方案 1：用四位七段数码管，对于数码显示，显示的数据信息比较有限， 而且显示的控制比较繁琐，因此我们放弃了这种方案。 方案 2：用液晶 LCD1602 显示，可以显示的数据信息比较多 ，对液晶的控 制写入比较简单，而且它的价格然我们接受的起，所以我们选择了方案 2。 2.42.4 研发方向和技术关键研发方向和技术关键 （1）单片机定时通风的系统设计； （2）单片机气体采集电路、最小系统电路、电路检测的设计； （3）一氧化碳超限报警器软件设计； 杭州电子科技大学本科毕业设计 7 （4）电路的模拟仿真，并记录所要的数据。 杭州电子科技大学本科毕业设计 8 3 总体设计 本设计系统是集自动通风与一氧化碳浓度自动调节为一体的地下车库自动 通风系统，利用市场上能买到的器件搭建的方便有效的通风系统。其工作原理 是，用单片机控制继电器的通断实现对风扇运作时间的控制，从而实现控制通 风时间的目的，同时，利用一氧化碳采集器，对空气中一氧化碳进行测量控制， 与预设值进行比较从而使单片机控制继电器使其持续运作，从而达到对空气中 一氧化碳浓度的控制。 以下是系统框图 MCU 一氧化碳 采集 进行通风控制电路 液晶显示 预置电路 图 3-1 系统框图 系统工作流程介绍： （1）上电，使系统进入工作。 （2）MQ-4 传感器采集空气中一氧化碳浓度信息。 （3）ADC0832 把电压信号转变为数字信号输入到单片机中。 （4）51 单片机将信号处理，转换为一氧化碳的浓度值显示在 LCD1062 上。 （5）在单片机中，对当前的一氧化碳浓度与设定的阀值浓度进行比较。没 超过，按照系统设定的时间间隔开始控制运作。 （6）若当前甲烷浓度超过了设定的阀值，开启反馈系统，风扇持续运作。 （7）按下复位键后将重新进行检测和比较。 杭州电子科技大学本科毕业设计 9 4、硬件部分 STC89C51 单片机是本系统的控制核心，系统的通风系统由，液晶显示系统 继电器，风扇以及一氧化碳检测系统等部分组成。 硬件总图硬件总图 图 4-1 总体硬件图 4.14.1 单片机介绍单片机介绍 单片机技术现在发展得比较成熟，已经普遍应用到我们生活、工作、科研 等各个领域,单片机是一种电压低、性能高的 CMOS 8 位微处理器，比如 AT89C51，它带有 4K 字节，属于 FLASH 存储器，还有 AT89C2051，它带 2K 字节， 具有闪存可编程可擦除等功能。单片机运用 ATMOL 高密度易保留存储器制造技 术，造就了其可擦除只读存储器能重复擦除 1000 多次。和单片机相兼容的是具 有工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚。ATMEL 的 AT89C51 是一种效能很高的 微控制器，它的一种简要版本就是 AT89C2051，它可以将多功能 8 位 CPI 和闪 杭州电子科技大学本科毕业设计 10 存储器组合在单个芯片中。AT89C51 单片机为好多嵌入式系统提供了一种较灵 活且价格实惠的。同时也为本文设计提供了现实的条件支持。我写的这篇论文 主要介绍了 C89S51 单片机的定时控制风扇系统，详细介绍了利用气体传感器 mq-5 开发检测气体系统的过程其中部分电路也进行了介绍,这系统可以方便实 现气体的采集以及显示。 早期阶段: 单片机运用 ATMOL 高密度易保留存储器制造技术，造就了其可 擦除只读存储器能重复擦除 1000 多次。和单片机相兼容的是具有工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚。ATMEL 的 AT89C51 是一种效能很高的微控制器。 中期发展: 单片机技术现在发展得比较成熟，已经普遍应用到我们生活、 工作、科研等各个领域,单片机是一种电压低、性能高的 CMOS 8 位微处理器， 比如 AT89C51，它带有 4K 字节，属于 FLASH 存储器，还有 AT89C2051，它带 2K 字节，具有闪存可编程可擦除等功能。单片机运用 ATMOL 高密度易保留存储器 制造技术，造就了其可擦除只读存储器能重复擦除 1000 多次。 当前趋势: AT89C51 单片机为好多嵌入式系统提供了一种较灵活且价格实 惠的。同时也为本文设计提供了现实的条件支持。我写的这篇论文主要介绍了 C89S51 单片机的定时控制风扇系统，详细介绍了利用气体传感器 mq-5 开发检 测气体系统的过程其中部分电路也进行了介绍,这系统可以方便实现气体的采集 以及显示。 单片机是一种集成电路芯片，具有超强的处理功能，采用大规模集成电路 技术，它的的中央处理器 CPU 和随机存储器 ROM、只读存储器 RAM，还有多种 I/O 口以及中断的系统、计时器等功能，把这些器件集成到一块芯片上，组成 一个很小的计算机系统，继而在工业控制领域内大量使用，使其功能最大化。 可以追溯到 30 年前，当时的单片机只有 4 到 8 位，然而现在却有 32 位，可见 其发展速度之快。 一氧化碳传感器是统称，所有可以检测一氧化碳浓度的传感器都可以称为 一氧化碳传感器。一氧化碳传感器按原理可分为红外一氧化碳传感器（红外光 原理）可达高精确度，激光一氧化碳传感器（二极管激光原理）量程可达百分 级别，光干涉式 CO 传感器（差不多也是光学原理） ，催化燃烧式 CO 传感器（力 学原理） ，电催化式 CO 传感器（物理学原理） 。 A/D 转换器，也就是模数转换器，通常称为 ADC，是将一个模拟信号转变为 数字信号的电子元件件。在实际应用中，通常用模数转换器把一个输出数字信 号转换成一个输入电压信号。可是数字信号没有太大的用处和意义，它只是表 示一个量词。所以每一个模数转换器都需要用一个参照物来作为衡量标准，一 般比较常用的是可转换信号大小，因为它很有参考标准价值。可是输出的数字 杭州电子科技大学本科毕业设计 11 数量就表示输入信号和参考信号的差值大小。 ADC0833 是美国墨尔本半导体公司生产的一种芯片，它有 8 位分辨率、可 以进行双通道 A/D 转换。但它让单片机爱好者欢迎的是因为它体积小，价格优 惠而且兼容性好，性价比很高，目前已经得到广泛应用。对本设计来说价格方 面也能承受，故选择该款芯片。 。 单片机是一种集成电路芯片，具有超强的处理功能，采用大规模集成电路 技术，它的的中央处理器 CPU 和随机存储器 ROM、只读存储器 RAM，还有多种 I/O 口以及中断的系统、计时器等功能，把这些器件集成到一块芯片上，组成 一个很小的计算机系统，继而在工业控制领域内大量使用，使其功能最大化。 可以追溯到 30 年前，当时的单片机只有 4 到 8 位，然而现在却有 32 位，可见 其发展速度之快。 一氧化碳传感器是统称，所有可以检测一氧化碳浓度的传感器都可以称为 一氧化碳传感器。一氧化碳传感器按原理可分为红外一氧化碳传感器（红外光 原理）可达高精确度，激光一氧化碳传感器（二极管激光原理）量程可达百分 级别，光干涉式 CO 传感器（差不多也是光学原理） ，催化燃烧式 CO 传感器（力 学原理） ，电催化式 CO 传感器（物理学原理） 。 A/D 转换器，也就是模数转换器，通常称为 ADC，是将一个模拟信号转变为 数字信号的电子元件件。在实际应用中，通常用模数转换器把一个输出数字信 号转换成一个输入电压信号。可是数字信号没有太大的用处和意义，它只是表 示一个量词。所以每一个模数转换器都需要用一个参照物来作为衡量标准，一 般比较常用的是可转换信号大小，因为它很有参考标准价值。可是输出的数字 数量就表示输入信号和参考信号的差值大小。 ADC0833 是美国墨尔本半导体公司生产的一种芯片，它有 8 位分辨率、可 以进行双通道 A/D 转换。但它让单片机爱好者欢迎的是因为它体积小，价格优 惠而且兼容性好，性价比很高，目前已经得到广泛应用。对本设计来说价格方 面也能承受，故选择该款芯片。 4.11.STC89C51 单片机硬件结构 STC89C51 单片机按照功能划分的话，它主要由并行 I/O 口、串行口、定时 器/计数器、中断系统、微处理器、数据存储器、程序存储器、以及特殊功能寄 存器等部分组成，是把那些控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限 的电路芯片上。电压低、性能高的 CMOS 8 位微处理器，比如 AT89C51，它带有 4K 字节，属于 FLASH 存储器，还有 AT89C2051，它带 2K 字节，具有闪存可编程 可擦除等功能。单片机运用 ATMOL 高密度易保留存储器制造技术，造就了其可 擦除只读存储器能重复擦除 1000 多次，它应该可以算是一个完整的微计算机， 杭州电子科技大学本科毕业设计 12 只是这个微计算机与一般的不同，它有自己的 CPU、位寄存器、I/O 口和指令集。 在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制等方面 1 位机非常有效；和 1 位机不同 的是，8 位机的长处是在数据采集和运算处理等方面。将 51 单片机中的 8 位机 以及 1 位机的硬件资源组合在一起，让它们两个互助互利，这是单片机技术发 展上的一个重大突破，单片机设计的精妙之处也在于此。 4.12.最小应用系统设计 STC89C51 是片内有 ROM/EPROM 的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统 简单可靠。如果 STC89C51 单片机组成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟 电路和复位电路就可以，如图 2-3 所示。受集成度的影响，最小应用系统只能 运用在一些小型控制单元中。它运用特点如下： (1) 有大量 I/O 口线可以让用户使用。 (2) 内部存储器容量有限。 (3) 应用系统开发具有特殊性。 图 4-2 STC89C51 单片机最小系统 4.13 时钟电路 STC89C51 要想形成时钟的话也不容易，虽然它内部有振荡电路， ，但还不 杭州电子科技大学本科毕业设计 13 够，外部必须附加电路。STC89C51 单片机生产时钟的方法一共有两种。内部时 钟方法和外部时钟方法。 我的设计采用内部时钟方法，在 XTAL1、XTAL2 引脚上外接定时元件，因为 芯片内部有振荡电路，这时内部的振荡电路就会产生自激振荡。我本着简便的 概念采用最简单的内部时钟方式，就是用外接晶体以及电容组成并联谐振回路。 振荡晶体频率在 11.059MHz 左右。虽然大小没有严对电容格要求，但因为电容 大小会对振率输出的稳定荡频性和振荡起振速度会电路有些许影响，CX1、CX2 的取值在 20pF-100pF 之间，因为在 20pF-30pF 时振荡器的频率稳定性比较高。 所以本设计中，电容选择 22pF。 4.14 复位电路 STC89C51 想要必须实现复位通过外部电路来实现。施密器用来抑特触发制 噪声，通过复位引脚 RST，在每个机器周期的 S5P2, 复位电过施特路通触发器 的电平输出采样一次，这样就所需要得到内部位和按复位操作的信号。 复种方式：上电位电路两自动复钮复位。 上电自动就能够复位电简单的是路中最通过外部给电容充电复位电路来实 现上电自动复位。只要电压的上升超过 1 毫秒,自动上时间不电复位实现。 4.24.2 液晶液晶 LCD1602LCD1602 显示模块显示模块 图 4-3 LCD 电路图 1602 字符型液晶模块，带有背光，现在大部分制系统中都会工业控使用到 它。1602 的 16 脚接口非常标准，其引脚功能如下： 第 1 脚：VSS 为地电源，接 GND。 第 2 脚：VDD 接 5V 正电源。 杭州电子科技大学本科毕业设计 14 第 3 脚：VL 使能够个 10K 的电位通过一用的时侯整对比度，从而器来调为 液晶显示对器调整比度，当接正时候对比的比较度电源弱，反之的比接地电源 度较高，当对高时时候对比度太就会产生“鬼魅”。 第 4 脚：RW 是寄存器，当电平器选择高时选寄存器，当电平择数据低时选 择指令寄存器。 第 5 脚：RS 是读写开始写信号线，电平高时操作，电平开始读低时操作。 如低电果都是平时就指 RS 和 RW 令或能写入显示地址，如果平高电而 RW 是平就 能 RS 是低电读忙信号，如果而 R 使能 W 是低电是高电平 RS 平就能写入数据。 第 6 脚：E 端变成低称为端，要让液执行命晶模块令，就 E 端必须把从高 电平跳电平。 第 7 脚： D7 D0 8 位双向数据线。 第 15 脚：BLA 反光电源的正极(+5V)引脚输入。 第 16 脚：BLK 反光电源负极，接地。 1602 液带有标准晶模块内部字库，内部（GROM）已经存储了的存储器 195 个 58 点阵字符，34 个 520 点阵字符。除此之外还有字符生成 RAM（CGRAM）512 字节，让我们自己定义字符。如表 1 所示，这些字符有：中 文字母、英文字母的大小写字母以及常用的符号和日文字母等等，每一个字有 相应的代码，例如大写 “A”的符都会代码是 01000001B（40H），在显模块把 地址 40H 中示的时候的点阵图以看到形显示出来，我们就可字母“A”。 液晶模块这个效率显示显示器件比较慢，所以在每条之前一定要确指令执 行认模字符的块显示为，即表示空闲，不然示字符的时指令失败。为了告诉模 低电平块显示位置，在显器这个候必须要先示字输入显符地址。 4.34.3 传感器传感器 4.31 气体传感器概述 气体装传份和置可以将气体的成体浓度等可被人员和仪器仪表以及计算机 利用的信息！气体传感器的归类一般不确定也不科学，归为化学传感器类。气 体传感器有 5 种类型：半导传感体气感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气 体传感器、热导传感定以及器、红信式气体息变成外体传感器等，其特性有线 气线气以下几个方面。稳有目标定性：稳区工是基性响移间应的稳定性，在传 时间内，由零点（即没感器作气体时）决定，整个本是基本漂移构出时间内传 结漂所使指感器输出响应的变化。区间漂响应理想情况下是传感变作移器连续 中的输化，表现为传工整个作器输出信号在工感时间内的降低。 ，一个传感变化 量在连器输出续工作条测输入件下，每于 10%。灵敏度：置于目指传标气灵敏 度是感器与被变化量之比，主于年零点漂要依赖移小传术。大多感技数气体传 杭州电子科技大学本科毕业设计 15 器用的感器的设采用要理和是种求要有特计理都足原体性电化学、物光学。首 先生学、考虑的是选择一标够化感种敏物技术，它对敏性。选择目的灵性：选 择通过测量由以气体要某一的干扰气体种浓度所产生的传所应来性可感体确定， 也被称响为交产生器叉灵个响一定浓敏应等价于度这度的目的传器响感标气应。 这踪多种气体的应用中在追非常重要的，灵降低抗腐敏度会蚀性交叉量的重测 因为复性靠性，理想传感器高选和可择性。抗腐应具有蚀性：是灵敏高传感度 指和器暴体积分数目标气体中的能力在露于高气体时，探头和应能够器漂移承 受期回正大量泄漏气体常工望体积分数 1020 倍，在返件下，传感作条零点校 尽可正值应能小。 气体传般包括，灵感器的一敏基本度、选定特征性等，为了感器的敏让气 体传择特性达性和稳感到最好，可以料和开发通当的材过选材料来达择适新到 目的。 4.32 传感器分类 1.半导气体传感器 这些类型的传感器比例大概是 60%在气体传感器中，可分为电导型以及非电 导型，根据原理,可以分为表面型以及容积控制型。(1 ) 电导型中 SnO2 半导体 是典型的气敏元件，其传感原表面型理是型半导体材料。当 SnO2 为 n 强加电压 时，半导度升高，氧气被电子元件体材科温吸附从而气体 H2、CO、CH4 存在时， 就会让半导电阻下降，电导体表面上升，因为电导体浓度成比倒。这类变化和 气传件称为电化感器元学池，可以为离解隔质进行膜传导，子对固体电分为两 类阳离子选择性传导以及阴离子传导，它的较强，感器研究也比较多的是固体 电解质传感器，它的人们对这类固体电氧化锆传原理是利用侧两个等于浓差电 池的电势。电池之位差从而创造出铬间的电解质，现在稳定这类隔的氧化膜两 传感器已成功应用于钢水及发动机空燃成分比等测量中。为了中氧的测固态电 定以改变固体电解质导电不足的缺陷，近年来科学解质上通过燕镀一层气体敏 膜，把家在围周环境中的及介质中可以移动的粒子数量结合起来。这类气体分 子数量以传感器元件称学池，可以为电化为离子对固进行隔膜传导，分为两类 体电解质离子传导以及阴离子传导，它的选择隔膜两性较强，人感器研究也比 较多的电池的是氧化锆固体电解质传感器，它的原类传理是利用侧位差等们对 这于浓差电势。从而创造出个电池之间的电氧化类传感铬固体电解质，现在稳 定的两器已成功应用于钢水中及发动氧的测定以分比等机空燃成测量中。为了 导电不足的缺陷，近年来科学家在体电解改变固质固态体敏膜，把围解质上通 过燕镀一周环境中的气体分子数量以及的粒子数量结合起来。这类传介质中可 以移动感器在检测可燃气体中，因为它体积小、稳定高、抗毒性强 ( 4) 非电 杭州电子科技大学本科毕业设计 16 BT 场效应晶体管气体传感器，Pb FBTHz 利用并分属于场效应晶体管传感器， Pd 吸收散送到半导体 si，减小 Pd 的功函，这类以及 Pd 的界面对 H2、CO 敏 感。型 FET 场效应晶体管气体传感器非电导，集成便，功能化方多，体积很具 有发展较小前景。 2.固体电解质气体传感器 件称为电为两类化学池，可以为离子对固体电隔膜解质进行传导，分阳离 子传导离子传导，择性以及阴较强，人们它的选传感器研究也比较多的是氧对 这类化锆固体，它的隔侧电解膜两质传化铬固体感器两个电池之间的电位差等 于浓差电池的电势。从而原理是利用创造出稳定的氧电解质，现在可以移器元 来科动的粒这类传感器已成功应用于钢中子数水中氧及发动机环境中的气体分 子空燃成分比等测量中。为了改变燕镀一固体导电不足的缺陷，近年这的测定 以类传感学家在固态电解质上通过层气体敏膜，把围周数电解质量以及介质量 结合起来。 3.接触燃烧式气体传感器 接触燃烧式传感器可以用来检测 H2、CO、CH4 等气体。燃烧热和气体浓度 有关，可燃气体表面接触催化剂 Pt 、Pd 就会燃烧、破热。这种传感器应用广 泛、而且体积不大、结构简单、稳定性较好，缺点就是选择性差。 4 电化学气体传感器 电化学方法一般的气体传感器有两种 ：一恒电位电解式传感器，这种传感 器有较高的灵敏度，电离在特定电场下的被测气体，气体浓度是被流经的电解 电流测出的，继而改变选择的检洌气体的电位，所以在毒性气体检测中发挥很 大作用。二： 原电池的气体传感器：在 KOH 电解质溶液中，pt Pb 或 Ag Pb 电极构成电池，已成功用于检测 O2，它的灵敏度较高，有一点不好就是容 易吸潮，电极后容易中毒。 5 光学气体传感器 ( 1 )气体直接吸收式传感器：最典型的气体直收谱从而气式传感接吸收器 是红外线气体传感器，它根有各自的光变然后谱据气体吸体来检测成分，这个 对 SO2、CO、C O2、NO 等气传感器体拥有比灵敏度。除此之外还对如 NO、N O2 SO2、C H( CH4) 等气体也有比较高的灵敏度。 （2）气体光反应传感器：气体受 到较反应传感器影响产生色引起光高的光强度吸收等光学特性的改变，因为气 体光感受到限制，即使传感器的自感元件是理想的，但传由度也会变小。( 3 ) 光学特性的气体新传温度传感器：光导纤维感器为这种类型，在光纤顶到实用 端涂敷触媒与气体反应、发热。温度改变，导致光纤纤测温已温度改变。利用 光达化程度，检测气体也是成功的。 杭州电子科技大学本科毕业设计 17 4.33 MQ-5 传感器 本设计将采用 MQ-5 传感器作为检测模块，下面我将介绍下 MQ-5 的一些 参数。 MQ-5 特点：探围较广、灵敏测范度高、恢度很快、稳定复速性优异、寿命 长、驱路简单。 MQ-5 的应用:一般都家庭动电火灾下室用在气体泄和地漏等监测装置上， 可用来探测天然气、沼气、甲烷、瓦斯气等气体。 MQ-5 适用气体: 一氧化碳 MQ-5 规格: 探测范围：30010000ppm。 特征气体：5000ppm 一氧化碳。 灵敏度 R in air/R in typical gas5 敏感体电阻 ：1K20K in 5000ppm 一氧化碳。 响应时间：10s。 恢复时间：30s。 加热电阻 ：313 加热电流：180mA 加热电压：5.0V0.2V 加热功率：900mW 测量电压：24V MQ-5 工作条件 环境温度：-20+55 湿度：95%RH 环境含氧量：21% MQ-5 贮存条件 温度:-20+70 湿度:70%RH 杭州电子科技大学本科毕业设计 18 图 4-4 传感器电路图 4.4.A/D4.4.A/D 转化电路模块转化电路模块 4.41ADC8032 特点 8 位分辨率； 双通道 A/D 转换； 输入输出电平与 TTL/CMOS 相兼容； 5V 电源供电时输入电压在 05V 之间； 工作频率为 250KHZ，转换时间为 32S； 一般功耗仅为 15mW； 8P、14PDIP（双列直插） 、PICC 多种封装； 商用级芯片温宽为 0C to +70C，工业级芯片温宽为 40C to +85C； 芯片接口说明： CS_ 片选使能，低电平芯片使能。 CH0 模拟输入通道 0，或作为 IN+/-使用。 CH1 模拟输入通道 1，或作为 IN+/-使用。 GND 芯片参考 0 电位（地） 。 DI 信号进行数据输入，控制通道选择。 DO 信号进行数据输出， 数据输出转换。 CLK 芯片时钟输入。 Vcc/REF 电源输入和参考电压输入。 杭州电子科技大学本科毕业设计 19 4.42 单片机对 ADC0832 的控制原理 ADC0832 与单片机的接口 一般都只有 4 条数据线， 这 4 条数据线是 CS、CLK、DO、DI。因为 DO 端和 DI 端在数时不是同时有据通信效而且和 单口是双片机的接向的，所以 在传中可以将 DO 和 DI 端 并输设计联在一根 数据线上来用。当 ADC0832 没有工作即空闲时，它 CS 输入端就是高电平， 这时芯片不能用，CLK 以及 DO/DI 的电平可随意变换。 。随后输出 8 位数 据，到第 19 个脉冲时数据输出完成，也标志着一次 A/D 转换的结束。最 后在芯片不能用的时候， 将 CS 置于高电平，转换后的数 接处据在直理后 就可以用了。 ADC0832 属于单通位分辨率的道模拟信号，输入时的 输入电压是 0-5V 而且 8 电压精度为 9.43mV。当作不可忽为输出接口时入和输 输入时，为了 提高转换的广度，可以压将电值设一个比较定在大的范围以内 。但略的是， 在作为输输出接入和口 入时，如果 输时输出的电输入的电压大于压则转换 后据结的数果始终为 00H 4.13ADC0832 电路图 图 4-5 数模转化电路图 4.54.5 风扇控制电路风扇控制电路 杭州电子科技大学本科毕业设计 20 图 4-6 风扇控制电路 本设计采用 PNP 三极管 9012，利用其开关特性，作定时通风控制。 9012 晶体三极管 生活中一般经常会用到 ，比如在收音机和各种放大电 路中基本都用到 它，很受人们欢迎 ,它是 PNP 型小功率三极管 ，接下来介绍 它的相关参数 集电极-发射极电压 ：-30V。 集电极-基电压：-40V。 射极-基极电压：-5V。 集电极电流：0.5A。 耗散功率：0.625W。 结温：150。 特怔频率：最小 150MHZ。 放大倍数：D64-94；E75-112；F98-135；G132-166；H145-220；I180- 300。 三关特性极管开简要原理 当管子的 VCVB，且 VEVB 时，集电发射结以及结都正偏，三极于饱管 处和状态，此时管的电三极压降约为 0.1-0.3V。IC=VCC/RC ，集电流基极电本 由集源和集电电极电极电阻决定，与 IB 无关，类个闭似于一合的开关。 当 VCVB VEVB 时，两个 PN 结都反偏，三极截管处于止状态。三极管的 三这时都没个电极有电流。类个断似于一开的开关。 杭州电子科技大学本科毕业设计 21 5、软件设计 在进行单片设机系统计时，一方进行系面要统硬计，除此之外，还要进行 大量的程件设序设作。在程