单片机课程设计周旭东

1、 单片机系统课程设计 成绩评定表 设计课题 ： 基于89C51的可燃气体报警器设计 学院名称 ： 电气工程学院 专业班级 ： 电气F1202 学生姓名 ： 周旭东 学 号 ： 201223910903 指导教师 ： 李攀峰 设计地点 ： 31号教学楼 设计时间 ： 2015.1.1-2015.1.11 指导教师意见:成绩: 签名： 年 月 日 单片机系统 课 程 设 计 课程设计名称： 基于89C51的可燃气体报警器设计 专 业 班 级 ： 电气F1202 学 生 姓 名 ： 周旭东 学 号 ： 201223910903 指 导 教 师 ： 李攀峰 课程设计地点： 31号教学楼 课程设计时间：

2、 2015.1.1-2015.1.11 单片机系统课程设计任务书学生姓名周旭东专业班级电气F1202学号 201223910903题 目 基于89C51的可燃气体报警器设计课题性质工程设计课题来源自拟指导教师 李攀峰主要内容（参数）本设计主要实现家庭煤气泄露的检测与报警。数据采集模块利用单片机实现气体浓度实时采集、电路状态信号采集及数据预处理；数据传输模块将检测信号传输到计算机;计算机I/O接口为计算机与外部数据连接的硬件支持。当数据进入计算机后，经数据处理子程序、报警子程序输出报警信号，并通过计算机I/O接口输出;输出信号驱动相应的驱动电路，分别控制报警灯、蜂鸣器及切断电路，实现对可燃气体比

3、如家用煤气泄露事故的实时监测及控制。 任务要求（进度）第1-2天：熟悉课程设计任务及要求，查阅技术资料，确定设计方案。第3-4天：按照确定的方案设计单元电路。要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。第5-6天：软件设计，编写程序。第7-8天：实验室调试。第9-10天：撰写课程设计报告。要求内容完整、图表清晰、文理流畅、格式规范、方案合理、设计正确，篇幅合理。主要参考资料1 张迎新单片微型计算机原理、应用及接口技术（第2版）M北京：国防工业出版社，20042伟福LAB6000系列单片机仿真实验系统使用说明书.3 阎石数字电路技术基础（第五版）北京：高等教育出

4、版社， 20064朱勇. 单片机原理与应用技术. 北京：清华大学出版社 2006 5李玉梅.单片机原理的应用设计. 北京：国防工业出版社 2006审查意见系（教研室）主任签字： 年 月 日 摘 要随着经济和科学技术的快速发展,人们对生活质量的提高和生活环境的改善越来越重视,液化气、煤气进入家庭的使用为人们带来了方便,也改善了城市的环境,但同时也给人们带来了潜在的危险,其中一氧化碳是最主要的危险源。一氧化碳是一种无色无味同时这些气体燃料在使用中，若管道和阀门密封不好，它们泄露出去，轻者引起中毒，重者造成火灾，危及人们的生命财产。由于这些原因，对于气体的检测与控制就变得很重要了，研究各种气体的检测

5、方法与气体传感器也随之成为一个重要课题。本设计主要实现管道煤气泄露的测量与报警，系统主要以半导体气体传感器为研究对象，以89C51系列单片机为核心构成一个具备数据采集、对象控制、结果显示、数据通信等功能的完整系统。通过虚拟仪器Lab VIEW进行控制之后，再通过计算机I/O接口输出;输出信号驱动相应的驱动电路，分别控制报警灯、蜂鸣器及切断电路，实现对煤气泄露事故的实时监测及控制;程序实时监测系统状态。关键词：气体传感器，单片机，数据采集，报警器目录第1章 引言2第2章 系统总体方案设计2第3章 单元电路设计43.1温度补偿电路43.2模/数转换器ADC080943.2.1 ADC0809的介绍

6、43.2.2引脚功能53.2.3主要特性63.3单片机AT89C51的概述73.3.1 AT89C51简介73.3.2 管脚说明83.4 声光报警与LED显示113.4.1声光报警单元113.4.2 LED显示123.5排气扇控制系统与切断阀133.5.1光电隔离器133.5.2光电隔离电路14第4章 软件设计15第5章 总结19第6章 参考文献20附录A 系统总原理图21附 录B 部分源程序22 第1章 引言本篇论文是针对煤气泄漏自动检测的研制，主要针对CO气体，主要实现家庭煤气检测的检测与报警。数据采集模块利用单片机实现气体浓度实时采集、电路状态信号采集及数据预处理；数据传输模块将检测信号

7、传输到计算机;计算机I/O接口为计算机与外部数据连接的硬件支持。当数据进入计算机后，经数据处理子程序、报警子程序输出报警信号，并通过计算机I/O接口输出;输出信号驱动相应的驱动电路，分别控制报警灯、蜂鸣器及切断电路，实现对煤气泄露事故的实时监测及控制。 第2章 系统总体方案设计 在本设计中，煤气泄露测试装置的主要功能就是快速准确的检测被测气体中有害气体的含量（主要是CO气体），通过LED显示屏将CO气体浓度显示出来，当气体浓度达到一定门限值时发出声光报警，为了提高实用性系统还应该具备人机交互界面、与计算机通信端口。为了实现以上功能：系统应该具备气体传感器、数据采集、A/D转换电路、单片机、LE

8、D数码显示、输入键盘、声光报警单元、光电隔离技术和切断阀、通信模块等单元。 图2-1煤气泄露报警测试系统框图 系统工作流程为:由装在室内的CO传感器获得被测量对象(室内CO浓度)原始信号,经过温度补偿和取样放大得到矫正后的可匹配信号，进入A/D转换,得到被测对象的数字量信号,再由单片机进行数据处理,得到最终的室内环境CO浓度值,将此数据通过数码管显示并保存,同时根据系统设定的限值参数判断环境浓度是否超标,如果超标立即向光隔离接口输出控制信号,通过继电器打开排气扇, 如果超出下限值，切断阀关闭，并开始进入危险期计时,如果发现环境中一氧化碳浓度长时间处于危险状态,则有可能排气扇未能打开,或者房间发

9、生严重CO泄露事故,此时启动预警信号进行语音报警提示,提示室内人员打开门窗、关闭气源并迅速撤离事故现场。如果系统接有上位机工作的话,可通过通信接口对单片机组成的下位机系统进行参数设置,并可定时地从数据缓冲区中读取以前测量的数据值,进行二次处理加工或存入数据。 第3章 单元电路设计3.1温度补偿电路如图3-1所示为温度补偿电路，由于元件的本身特性决定了其阻值会随着周围环境温度的变化产生明显的漂移,致使测量电路的输出产生零点漂移,漂移过大会造成测量的不灵敏或过灵敏,使整机的可靠性下降。为此,我们增加了温度补偿电路,其中RT为热敏电阻,RS为传感器电阻。 图3-1 温度补偿单元电路3.2模/数转换器

10、ADC0809 3.2.1 ADC0809的介绍ADC0809具有8个通道的模拟输入线(IN0IN7)，可在程序控制下对任意通道进行A/D转换，获得8位二进制数字量(D7D0)。模拟输入部分有8路多路开关，可由3位地址输入ADDA、ADDB、ADDC的不同组合来选择，ALE为地址锁存信号，高电平有效，锁存这三条地址输入信号。主体部分是采用逐次逼近式的A/D转换电路，由CLK控制的内部电路的工作,START为启动命令，高电平有效，启动ADC0809内部的A/D转换，当转换完成，输出信号EOC有效，OE为输出允许信号，高电平有效，打开输出三态缓冲器,把转换后的结果送DB。 ADC0809是CMOS

11、单片型逐次逼近式AD转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型DA转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。因此，ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。输入输出与TTL兼容。 3.2.2ADC0809引脚功能ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，下面说明各引脚功能。 IN0IN7：8路模拟量输入端。D0D7：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。ALE：地址锁存选通信号，输入高电平有效。 START： AD转换启动信号，输入高电平有效

12、。 EOC： AD转换结束信号，当AD转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入高电平有效。当AD转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。REF（+）、REF（-）：基准电压输入端,它们决定了输入模拟电压的最大值和最小值. VCC：电源，接5V。GND：接地。图3-2 ADC0809管脚图 ADC0809的管脚图及管脚排列如上图3-2所示。 3.2.3主要特性 1. 8路8位AD转换器，即分辨率8位2. 具有转换起停控制端3. 转换时间为100s4. 单个5V电源供电5.

13、 模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准6. 工作温度范围为-4085摄氏度7. 低功耗，约15mWADC0809的工作过程是：当模拟量送至某一输入通道IN0后，CPU将标识该通道编码的三位地址信号经数据线或地址线输入到ADDC、ADDB、ADDA引脚上。然后输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，转换开始,EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。转换结束,OE输入高电平，EOC可作为中断请求信号, 转换结束后，可

14、通过执行IN指令，设法在输出允许OE脚上形成一个正脉冲，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。3.3单片机AT89C51的概述 3.3.1 AT89C51简介AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C51是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

15、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，AT89C51是它的一种精简版本。AT89C51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。 3.3.2管脚说明VCC：供电电压,接+5V电源正端。VSS：接地, 接+5V电源地端。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P1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

16、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

17、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口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。P3口除了做一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能 P3口的各引脚的第二功能如下表3-1所示 表3-1 P3口第二功能引脚备选功能P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P

18、3.7RXD（串行输入口）TXD（串行输出口）/INT0（外部中断0）/INT1（外部中断1）T0（记时器0外部输入）T1（记时器1外部输入）/WR（外部数据存储器写选通）/RD（外部数据存储器读选通）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。/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

19、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。 图3-3 AT89C51管脚图/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。时钟振荡器：AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的

20、输入端，这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷振荡器一起构成自激振荡器。用户还可以采用外部时钟，在这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。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。AT89C51的管脚图如上图3-3所示。3.4 声光报警与LED显示 3.4.1声光报警单元本设计中的声光报警部分包括蜂鸣器以及红、黄、绿三个LED报警指示灯。声光报警表现形式如下：()绿色灯点亮表示传感器检测到CO气体，但没达到下限值，一切正常，此时红色和黄色熄灭，蜂鸣器不发声；(2)黄色灯点亮表

21、示传感器检测到CO气体浓度超过下限值，但没有达到报警值，此时红色灯和绿色灯熄灭，蜂鸣器不发声；(3)红色灯点亮时表示被测得CO气体含量已经达到报警值，此时黄色和绿色灯熄灭，蜂鸣器发出报警，通知用户； 单片机本身I/O的驱动能力不是很高，所以对蜂鸣器的驱动需要加入一个PNP三极管，这样能够使蜂鸣器的声音更加响亮，起到更好的报警作用。三极管基极的电路保证了只有在单片机输出低电平时，蜂鸣器才会发声，避免了误报警的发生。 声光报警单元与AT89C51单片机的连接如下图3-4所示： 图3-4声光报警单元电路图 3.4.2 LED显示LED数码显示器是一种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用了

22、8个LED发光二极管，其中7个用于显示字符，1个用于显示小数点，故称之为7段发光二极管数码显示器。本设计通过观察LED数码显示器显示CO浓度值，判断CO浓度值是否超过上限值，如果超过，自动报警，同时打开排气扇，使CO浓度降低。如果超过下限值，切断阀闭合，以便达到正常状态。LED显示单元电路如下图3-5所示： 图3-5 LED显示单元电路3.5排气扇控制系统与切断阀 3.5.1光电隔离器在开关量控制中，最常用的器件是光电隔离器。光电隔离器的种类繁多，常用的有发光二极管/光敏三极管，发光二极管/光敏复合晶体管，发光二极管/光敏电阻，以及发光二极管/光触可控硅等。光电隔离器有GaAs红外线二极管和光

23、敏三极管组成。当发光二极管正向电流通过时，即产生人眼看不见的红外光，其光谱范围为7001000nm。光敏三极管接收光照以后便导通。而当该电流撤去时，发光二极管熄灭，三极管随即截止。利用这种特性即可达到开关控制的目的。由于该器件是通过电光电的转换来实现对输出设备进行控制的，彼此之间没有电器连接，因而起到隔离作用。隔离电压与光电隔离的结构形式有关。双列直插式塑料封装形式的隔离电压一般为2500v左右；陶瓷封装形式的隔离电压一般为500010000v。不同型号的光电隔离器输入电流也不同，一般为10mA左右。其 输出电流的大小将决定控制输出外设的能力。 3.5.2光电隔离电路光电隔离电路的作用是在电隔

24、离的情况下,以光为煤介传送信号,对输入和输出电路可以进行隔离.因而能有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰，有响应速度较快、寿命长、体积小耐冲击等好处，使其在强-弱电接口，特别是在微机系统的前向和后向通道中获得广泛应用。光电隔离单元电路与AT89C51的连接如下图3-6所示： 图3-6光电隔离单元电路图如图3-6所示，当开关量P2.2输出为高电平时，经反向驱动器7406变为低电平，使发光二极管发光，从而使光敏三极管导通，进而使晶体管8050导通，因而使继电器J的线圈通电，继电器触点闭合，使220V电源接通，从而打开排气扇，使CO浓度降低。反之，当P2.2输出低电平时，使S1断开。图中所示电阻R

25、1为限流电阻，二极管V的作用是保护晶体管8050。当继电器J吸合时，二极管V截止，不影响电路工作。继电器释放时，由于继电器线圈存在电感，这时晶体管已经截止，所以会在线圈的两端产生较高的感应电压。此电压的极性为上负下正，正端连在晶体管的集电极上。当感应电压与VCC之和大于晶体管8050的集电极反向电压时，晶体管有可能损坏。加入二极管V后，继电器线圈产生的感应电流从二极管V流过，从而使晶体管8050得到保护。切断阀控制电路与排气扇装置电路类似，只是将风扇换成切断阀，原理相似，如上图3-6所示。 第4章 软件设计根据以上设计思路，可写出设计程序如下所示： 主程序：ORG 0000HAJMP MAIN

26、ORG 0003HLJMP RDORG 000BHLJMP TIM0ORG 0023HLJMP SOUTORG 0100HMAIN:MOV SP,#50HCLR P1.6CLR P1.5CLR P1.7MOV 29H,#00HMOV 28H,#00HMOV 21H,#00HMOV 22H,#64HMOV 23H,#0A0HSJMP KEYSETB IT0SETB EX0SETB ET0SETB ESSETB EAMOV TCON,#90HMOV TMOD,#21HMOV TL0,#A0HMOV TH0,#15HMOV DPTR,#FE00HMOV A,#01HMOVX DPTR,ASETB T

27、R0LCALL DISPLCALL CONTSJMP NEXTRET数据采集程序：ORG 0000HLJMP STARTORG 0013HLJMP PINT0START:MOV R0,#50H MOV R2,#08H MOV DPTR,#0FEF8H SETB IT0 SETB EX0 SETB EA MOVX DPTR,APINT0:MOVC A DPTR ； 中断子程序 MOV R0,A INC DPTR INC R0 DJNE R2,NEXT CLR EX0 SJMP FIN0NEXT: MOVX DPTR,AFIN0: RETI END A/D转换主程序：MAIN: MOV R0,#O

28、A0H ;数据暂存区首地址 MOV R2,#08H ;8路计数初值 SETBI IT1 ;脉冲触发方式 SETB EA ;开中断 SETB EX1 MOV DPTR,#7FFBH ;指向0809首地址 MOVX DPTR,A ;启动A/D转换HERE: SJMP HERE ;等待中断中断服务程序： MOVX A,DPTR ;读数 MOVX R0,A ;存数 INC DPTR ;更新通道 INC R0 ;更新暂存单元 DJNZ R2,DONE RETIDONE: MOVX DPTR,A RETI 第五章 总结 本设计综合运用了单片机技术、通信技术、传感器技术、信号分析与处理技术，使可燃气体自动测

29、试系统数字化、智能化、微型化。分析本文设计，可得如下的结论:(l)在硬件系统设计中，以集成A/D转换等多种功能的89C51单片机为核心，使得结构简单，实现了煤气检测的数字化，为实现智能化奠定了良好的基础，进一步提高了煤气检测可靠性。(2)针对传感器零点漂移问题，提出了采用温度补偿校正的方法，同时应用高精度低温漂的运算放大器,从而抑制了零点漂移，较好地解决了模拟式报警器零点漂移问题。(3)为了解决传感器的非线性问题，采用线性内插值计算方法对传感器进行非线性校正，运行速度快，校正精度高，提高了报警准确性。 除此之外，我要衷心感谢我的指导老师李攀峰老师，在我做设计期间对我的精心指导和不倦教诲。李老师

30、在我遇到困难时给予了很多帮助和鼓励。他以平和、真诚的交流方式给我提示和指导，帮助我解决论文中遇到的问题。本设计能够顺利完成，李老师起到了重要作用。李老师渊博的学识、严谨的治学态度、朴实真诚的处事方式，使我受益匪浅。在设计期间，我学到了不少知识和理论，明白了如何去处理事物，知道怎样去提出问题，怎么分析问题，然后怎么解决问题。在解决问题的同时，我遇到过种种困难，我学会了坚强，要求自己战胜困难。同时，我们宿舍的其他学生给予了我支持和帮助，对他们我表示感谢。最后，我再次衷心地感谢对我帮助和关心的老师和同学们，谢谢你们！第6章 参考文献1 张迎新单片微型计算机原理、应用及接口技术（第2版）M北京：国防工业出版社，20042伟福LAB6000系列单