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1、本科毕业设计 基于单片机的家用煤气报警器装置学 院： 信息科学技术学院 专 业： 电子信息工程 学 号： 学生姓名： 指导老师： 摘要 煤气，如今已经成为人们生活生产应用最广泛的燃料之一。不仅工业上常用到煤气，人们的日常生活更是离不开煤气。人们在使用煤气的时候，安全问题就显得格外重要。那么，如何确保人们处于安全的环境之中呢？煤气报警器，就为人们的安全加了一把锁。 本设计是基于单片机的家用煤气报警器。利用半导体式CO气体传感器，将空气中CO气体的浓度转换成为模拟电压输出，然后通过ADC0809进行A/D转换，将模拟电压信号转换成为数字信号输出，该信号传入单片机AT89C51中，进行进一步的处理并
2、与预设的报警值进行比较。当达到报警值的时候，输出报警信号，触发光电隔离电路，控制外接排风扇的开启与煤气阀门的关闭。与此同时，声光报警电路也被触发，进行声光报警，从而，实现煤气报警器控制与报警功能。AbstractGas, has now become one of the most widely used fuel in peoples lives, production and application. Not only the industrial gas, peoples daily life is inseparable from the gas. People in the use
3、of gas, security issues, it is particularly important. Then ,how to ensure that people in a safe environment? Gas alarm, made a lock to the security of the people.This design is a microcontroller-based household gas alarm. By using the Semiconductor-type CO gas sensor, the concentration of CO gas in
4、 air is converted into an analog voltage output, and then through the ADC0809 A / D converter, the analog voltage signal into a digital signal output. The signals into the AT89C51, for further processing and to compare with the preset alarm value. When it reaches the alarm value, alarm output, optic
5、al isolation circuit is triggered to control the external exhaust fan opening and Close the gas valve. At the same time, sound and light alarm circuit is triggered for sound and light alarm, in order to achieve a certain degree of control and alarm functions by the Gas alarm.目录第1章 前言51.1 论文研究目的及意义51
6、.2 煤气报警器的国内外现状51.3 本设计的主要任务61.4 方案论证6第2章 系统设计92.1 总设计图92.2 硬件设计思路102.3 系统框图10第3章 各个模块及功能123.1 CO气体传感器123.1.1 传感器的概述123.1.2 CO气体传感器的工作原理133.2 温度补偿电路143.2.1 温度补偿电路143.2.2 OP07低噪声高精度运算放大器163.3 A/D转换模块173.3.1 ADC0809的介绍173.3.2 ADC0809的工作过程183.3.3 ADC0809的引脚及其功能193.3.4 ADC08089芯片的性能特点203.4 单片机AT89C51203.
7、4.1 AT89C51 简介203.4.2 AT89C51的功能特性概述213.4.3 管脚说明213.4.4 AT89C51的主要性能参数243.5 光电隔离控制电路243.5.1 使用光电隔离电路的背景原因243.5.2 光电隔离概述243.5.3 光电隔离电路工作过程253.5.4 光电耦合器263.5.5 继电器概述273.6 声光报警单元28第4章 软件设计304.1 软件设计总流程图304.2 数据处理314.2.1 传感器的非线性信号的处理314.2.4 数据处理步骤324.3 A/D转换控制设计流程334.4 光电隔离电路程序设计流程图344.5 报警电路的控制程序设计流程图3
8、44.6 设计结果354.6.1 仿真效果展示354.6.2 实物效果展示37总结39致谢40参考文献41附录421. 工程图纸422. 部分程序清单43主程序：43数据采集程序：44第1章 前言1.1 论文研究目的及意义 随着我国经济与科技的发展，西气东输工程的进行和煤气、天然气的变革，煤气等可燃气已成为大部分中国家庭的燃料，为人们生活质量的提高与生活环境的改善做出巨大贡献。虽然，现在人们已经意识到安全使用煤气的重要性，但是，每年仍旧不断有因煤气泄露而造成的煤气中毒事故发生。全国各地也还有不少因使用热水器等各种家用电气不当或电器产品本身存在质量问题，而造成的一氧化碳中毒事故的事例。甚至，因为
9、室内的煤气浓度过高，而引起煤气爆炸的事故也屡见不鲜。所以，怎样防止煤气中毒与爆炸从而保护人们自身与他人的安全已成为人们的迫切需要。因此，煤气报警器的开发与研究就显得格外重要。1.2 煤气报警器的国内外现状国外对煤气报警器的研究开发从20世纪30年代就开始了，并且发展比较迅速。究其原因，一方面，是因为人们的安全意识增强，在物质生活质量日益提高的基础上，对环境的健康安全程度以及生活的舒适度要求也进一步提高；另一方面，是因为法律法规的不断健全，政府部门积极推动传感器市场的发展。在科技与工艺发展的带动下，传感器生产工艺水平也得到了稳步提升，传感器的集成度不断增大，使其体积也日益小型化，进而促使气体检测
10、仪器的整体体积也越来越小，直接令各种气体检测仪器更加轻巧便携，对于生产、运输、实际应用与市场推广等方面也有极好的效果。而我国，由于时代背景以及科学技术受限等原因，是在70年代初期才开始进行研制开发可燃性气体报警器的。经过不断地研究与开发，我国的可燃性气体报警器发展也比较迅速，如今，可燃气体报警器的生产型号多样而且品种较为齐全，连应用的范围也从原本简单单一的炼油系统扩展到甚至绝大部分危险作业环境也可以适用的报警器。其不同种类的气体报警器的产品数量更是在不断的增加。但是，由于我国技术手段还不够先进，科技仍需进一步提高，目前，我国可燃气体报警器主要还是依赖于国外先进的生产工艺以及传感器技术。值得高兴
11、的是，近年来，我国的可燃气体报警器在产品的稳定性与气体选择性上有了质的飞跃。 目前，气体报警器按检测气体划分可分为：可燃气体报警器，有毒气体报警器以及复合式气体报警器。通过使用不同的传感器来实现各种气体报警器对不同气体的检测，而复合式气体报警器技术比较全面，可以同时检测可燃和有毒气体。从应用范围上讲，煤气报警器又可以分为：家用燃气报警器、工业用燃气报警器以及有毒有害气体报警器。家用燃气报警器是一种功能比较简单的易安装维护的居民家庭用的燃气报警器，如果遇到燃气泄漏的情况，报警器可以自动进行声光报警，或者联动其他外部设备等。有些更加智能化的报警器甚至可以自动开启排风扇，或者关闭燃气的阀门。而工业用
12、燃气报警器以及有毒有害气体报警器则只是在检测探头部分有些差异，但其整体在工作原理与实际应用中还是十分相近的。再细划分，根据检测环境的不同，工业燃气报警器又可分为检漏仪、控制器和探测器。1.3 本设计的主要任务 本设计是对基于单片机的煤气报警器的设计研究，主要目标是实现家庭煤气浓度的检测以及报警。主要经过以下几部分来实现：首先，利用传感器进行CO气体浓度的采集并输出相应的电压模拟信号，CO气体浓度与输出电压VOUT呈线性关系，CO浓度越高，输出电压VOUT越高。该信号经过校正作为A/D转换的输入信号传送到数模转换模块，数据转换模块将模拟信号转换为数字信号，然后传送到单片机中，在达到门限值时，通过
13、报警子程序来输出报警信号。并对相应的驱动电路进行驱动，从而分别控制蜂鸣器、报警灯的运行以及切断电路的工作，以实现对家庭煤气浓度是否超标的实时监控。1.4 方案论证 CO气体传感器是本次设计的关键元件之一，是整个煤气报警器的重要组成部分。煤气报警器种类繁多，设计方案多样，按所使用的传感器可以分为：a 红外式：利用红外光照射到被测气体上时，不同气体对红外光进行不同的选择吸收的特点来进行测量与报警。它的优点是灵敏度比较高，具有较好的稳定性，有较强的抗交叉气体干扰能力；其缺点是维护较为复杂，价格比较昂贵，通常适合实验室使用。b 半导体式：利用一些半导体材料（如金属氧化物等），在一定温度条件下，吸附被测
14、气体后，其电阻率发生显著变化这一特点来检测气体中某种气体的含量。其优点是比较灵敏，响应速度很快，使用寿命较长且成本比较低廉；缺点是受温度的影响较大，容易受到环境的干扰，不适宜用来进行精确度要求较高的测量。 c 催化燃烧式：催化燃烧式气体报警器是利用催化燃烧的热效应原理，由检测元件和补偿元件配对构成测量电桥，在一定温度条件下，可燃气体在检测仪元件载体表面及催化剂的作用下发生无焰燃烧，通过内部电阻的变化，进而输出电信号。其优点是输出信号线性好，指数可靠，价格便宜，不会与其他非可燃性气体发生交叉感染；缺点是电流功耗大，不易做成总线连接，缺氧环境下检测值误差较大。 d 电化学式：电化学式传感器是以离子
15、导电为基础制成的。根据其电特性的形成不同,电化学传感器又可以分为：电位式传感器、电量式传感器、电导式传感器、电解式传感器以及极谱式传感器等。电化学式传感器的灵敏度高，准确性好，具有极好的线性度，本身工作不消耗电能，并且气体选择性极为出色，体积小，操作简单，携带方便，可以用于现场检测并且价格比较低廉。缺点是：易受环境温度及湿度的影响。影响半导体气体传感器灵敏度的因素：工作环境对报警器的影响，如存在高热、高温气体，湿度大等；部分化合物对传感器的影响；传感器的安装位置；设备维护是否及时；检测介质对传感器的影响。气体传感器需满足以下基本条件：(1)可以有选择性地检测某种单一气体， 而对共存的其它气体不
16、响应或低响应；(2)对被测气体具有比较高的灵敏度，并且能有效地检测在允许范围内的气体浓度；(3)对检测信号的响应速度比较快，重复性较好；(4)长期工作稳定性好；(6)制造成本低，使用与维护方便；(5)使用寿命长；每种煤气报警器都有其各自的优缺点，考虑到要适用于家庭，实际操作简单易行，以及尽可能降低成本的问题，本设计选择了半导体式气体传感器。半导体式气体传感器灵敏度较高、对CO气体的选择性好、成本较低。第2章 系统设计2.1 总设计图图2.1 总硬件设计图2.2 硬件设计思路 在本设计中，基于单片机的煤气报警装置的主要功能就是能够准确而又快速的检测出被测气体中CO气体的含量，并判断其是否超标。当
17、气体浓度达到预定的门限值时，声光报警系统启动以进行报警，并且实现切断阀排气的功能。为了实现以上功能，系统应该具备：CO气体传感器模块、A/D转换模块、单片机系统模块、光电隔离技术和切断阀模块、声光报警模块以及数据采集处理模块。2.3 系统框图 CO传感器温度补偿运算放大A/D转换单片机参数设置光电隔离接口继电器切断器排气扇图2.2 系统框图系统整体工作流程介绍：如图2.2所示。首先，由CO气体传感器获取室内CO浓度的原始信号，经传感器内部作用，改变传感器内部电阻，从而输出该CO气体浓度下对应的输出电压，再经过温度补偿电路的校正，得到一个较真实的模拟电压值。经过放大电路的放大，得到一个可以匹配的
18、电压模拟信号，并将信号送入到A/D转换模块，获得相对应的数字量信号，再由单片机对得到的数字量信号进行处理。最后，根据系统事先已经设定好的限值参数与该数字量进行比较判断，以确定CO浓度是否超标。若超标，则单片机立即向光电隔离接口输出控制信号，启动光电隔离电路，然后通过继电器打开排气扇，关闭阀门。同时启动预警信号进行声光报警。若未超标，则光电隔离部分与报警系统均处于关闭状态。目标参数如下：检测对象：CO气体；应用范围：家庭；检测范围：01000ppm的CO气体；工作湿度范围：1095%RH；报警浓度：电池电压：+12V；工作温度范围：-20+70摄氏度；响应时间：30msppm：浓度单位，表示百万
19、分之一，常用来表示气体/液体浓度；%RH：表示相对湿度的单位名称。第3章 各个模块及功能3.1 CO气体传感器3.1.1 传感器的概述 在半导体式传感器中，我选用了Motorola生产的一种专门适合家庭使用的应用了全微电子工艺制成的半导体气体传感器，即MGS1100型CO气体传感器。其结构如图3.1所示。最下边是微型Si桥底座，其中嵌入一个加热器，再在加热器上面制作一层SnO2薄膜。CO与SnO2薄膜有一定的接触面，并发生反应。这种结构可以使得SnO2薄膜对CO气体具有较高的敏感性,而且硅膜是热的不良导体，能够减少热传导的损失,从而大大降低了功耗。作为CO气体敏感元件，MGS1100具有稳定性
20、好、对CO响应的选择性好，灵敏度高等特点。图3.1 MGS1100 CO传感器横截面图 传感器的封装外表如图3.2所示。共有4个管脚，其中，2个为加热端（管脚1和3，脚3接地），2个为传感器输出端（管脚2和4），引脚图如图3.3所示。 图3.2 封装外形图 图3.3 MGS1100等效电路引脚图（顶视图）3.1.2 CO气体传感器的工作原理 图3.4 MGS1100典型测量电路本设计中采用串联电阻检测电路，把传感器输出电阻Rs与负载电阻RL串联后加到一电压源Vc上，如图3.4所示。RL上的压降为测量的输出电压Vout，通过传感器的输出电阻的计算公式：Rs=（Vc-Vout）/Vout*RL 可
21、以计算出输出电压Vout。为了减小湿度的影响，使传感器对CO能够具有最佳的敏感特性并且具有较好的稳定性和重现性。使SnO2层能够达到预定的最佳温度是非常重要的。在实验前需要给加热器通电，使传感器在高温状态下清除SnO2表层的杂质与水分。实验时，将传感器放置在室内，若有CO泄漏到空气中，则空气中的CO气体会与传感器的SnO2薄膜层反应，从而薄膜层变小，导致电阻随CO浓度的增大而减小，输出负载电压VRL（即式子中的Vout）则逐渐变大，因而，通过测量负载电压就可以反应出被测对象的一氧化碳浓度。实验数据见图3.5 。图3.5 CO浓度下的Rs值MGS1100型一氧化碳气体传感器的特点：测量浓度范围：
22、0-1000ppm；测量精度：3%；分辨率：1ppm；工作温度：-2070；零点漂移：ppm10。3.2 温度补偿电路3.2.1 温度补偿电路由于传感器电阻Rs本身容易受到温度的影响，若直接使用会产生误差，经过放大器的放大之后，原本很小的误差就会被扩大，从而影响最终的结果。所以，在这里，本设计使用了一个对称的电桥温度补偿电路，RT为热敏电阻，随室内温度而改变。如图3.6所示，运用电桥补偿法进行温度补偿。其中， RS为传感器电阻，RL为负载电阻，R1为滑动变阻器，并选取OP07（在下面再做介绍）放大器组成差分放大电路。图3.6 电桥式温度补偿电路电路工作原理：温度升高时，由于温度的影响，传感器电
23、阻Rs变大，而负载电阻RL不变，由Vi1=Vcc/（RL+Rs）*RL可知，传感器输出的电压Vi1减小了。即传感器发生零点漂移。为了消除该漂移的影响，在此，本设计采用了电桥式温度补偿电路。热敏电阻RT随温度的升高，其电阻变大。根据电桥式温度补偿电路的原理，当RS、RT均随温度升高而增加的时候，只需调整滑动变阻器R1的阻值，即可保持RT/RS=R1/RL。滑动变阻器R1上的电压为Vi2，则有： Vi2=Vcc/(RT+R1)*R1。而输出电压Vi=Vi1-Vi2=0，即保证了传感器在零点输出为0，消除了零点漂移的问题。此后，保持滑动变阻器阻值不变，传感器电阻RS只随CO气体浓度变化而改变，导致输
24、出电压Vi1变动，电压差Vi=Vi1-Vi2作为输入信号，经放大电路放大：Vout=100k/10kVi=10（Vi2-Vi1），得到放大后的电压信号Vout，作为A/D转换的输入信号。电压增益Av=Vout/（Vi2-Vi1），本实验中，放大10倍。3.2.2 OP07低噪声高精度运算放大器 本设计选用OP07放大器组成一个差分放大电路。OP07作为一种低噪声非斩波稳零的高精度双极性运算放大器，具有极低的输入失调电压，因为可以无需额外的调零措施。另外，OP07还具有开环增益高以及长期稳定等特点。可以广泛应用于精密绝对值电路、高增益的测量设备、比较器以及微弱信号的精确放大等。 图3.7 OP0
25、7 D-8线图 图3.8 OP07 电路图OP07的特点：3.3 A/D转换模块3.3.1 ADC0809的介绍ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、8位开关树型A/D转换器、比较器以及逐次逼近寄存器、三态输出锁存器、逻辑控制和定时电路等其它一些电路组成。因此，ADC0809可处理8路模拟量的输入，并且具有三态输出能力，既可以与各种微处理器相连接，又可以单独工作。其输入输出与TTL兼容。图3.9 ADC0809内部结构框图模拟输入部分，ADC0809具有8个通道的模拟输入线(IN0-IN7)，可以选通8路模拟开关，允许
26、8路模拟量输入，共用A/D转换器来进行转换。ALE为地址锁存信号，在高电平时有效。当ALE线为高电平的时候，可以由3位地址输入ADDA、ADDB、ADDC的不同组合来选择地址信号来进行锁存。经译码后，被选中的通道的模拟量进入转换器进行转换。ADDA,ADDB,ADDC均为地址输入线，用于选通IN0-IN7间的一路模拟量输入。具体通道的选择表如图3.10所示。图3.10 通道选择表主体部分，ADC0809采用的是逐次逼近式的A/D转换电路，由CLK控制内部电路的工作。START为启动命令，在高电平时，所有内部寄存器清零；在低电平时，开始进行A/D转换。并且，在转换期间，START需保持低电平。当
27、转换完成时，输出信号EOC变为高电平。OE为输出允许信号（转换结束信号），高电平有效，用来打开输出三态缓冲器,把转换后的数字量送到数据总线上。OE=1时，输出转换得到的数据；0E=0时，输出数据线呈现高阻态。 3.3.2 ADC0809的工作过程 首先，当模拟量送至某一输入通道（IN0IM7）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分别输入到ADDA、ADDB、ADDC的引脚上。然后输入3位地址，并使ALE=1，从而将地址存入地址锁存器之中。此地址经过译码，选通8路模拟输入其中之一到比较器。START于上升沿，将逐次逼近寄存器复位，使内部所有寄存器清零；START于下降沿时，启
28、动 A/D转换，然后EOC输出信号变低，用来指示转换正在进行中。保持START处于低电平，直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，转换好的数据已存入锁存器，同时，EO=1这个信号可以用作中断申请。当转换结束时,OE输入高电平（即0E=1），可以通过执行IN指令，在输出允许OE脚上形成一个正脉冲，使输出三态门打开，首先送出地址，然后将转换好的数字量输出到数据总线上，来供单片机使用。3.3.3 ADC0809的引脚及其功能图3.11 ADC0809管脚图ADC0809芯片共有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3.11所示。各引脚功能: IN0IN7： 8路模拟量输入端；D0D7
29、： 8位数字量输出端；ALE： 地址锁存选通信号，输入高电平有效；CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ（一般为500kHz）；ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路；VCC：电源，接5V；OE：数据输出允许信号，输入高电平有效。当A/D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；START： A/D转换启动脉冲输入端，输入高电平的时候有效（即输入一个正脉冲，脉冲上升沿使ADC08009复位，下降沿启动A/D转换）； EOC： A/D转换结束信号，转换期间一直为低电平，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平；REF（+）、
30、REF（-）：基准电压输入端,它们决定了输入模拟电压的最大值与最小值.；GND：接地。3.3.4 ADC08089芯片的性能特点单个+5V电源供电；具有转换起停控制端；不需零点和满刻度校准；低功耗，约15mV；8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位；微处理器兼容（三态输出）。转换时间为100s(时钟为640kHz时)，130s（时钟为500kHz时）；工作范围为-40+85摄氏度；模拟输入电压范围为0+5V。3.4 单片机AT89C513.4.1 AT89C51 简介AT89C51是一种低电压、高性能的CMOS 8位微处理器，俗称单片机。本器件采用了ATMEL高密度、非易失存储器制造技
31、术制造，与工业标准的MCS-51指令集以及输出管脚相兼容，自带4K字节可闪烁可擦出可编程只读存储器。因为将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在了单个芯片之中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C51单片机已为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性较高并且价格低廉的方案。3.4.2 AT89C51的功能特性概述AT89C51能够提供以下标准功能：4K字节Flash闪速存储器；32个I/O口线；128字节内部RAM；两个16位定时器；一个全双工串行通信口；片内振荡器；一个5向量两级中断机构；时钟电路。与此同时，AT89C51可降至0Hz进行静态逻辑操作，并且支持两种软件可选的节电工作
32、模式：掉电方式与空闲方式。掉电方式时，振荡器停止工作并且禁止其它所有部件的工作，但保存RAM中的内容，直到下一个硬件复位；空闲方式时，停止CPU的工作，但允许计数器/定时器，串行通信中断系统以及RAM保持继续工作。3.4.3 管脚说明管脚图如图3.12所示图3.12 89C51的引脚排列图管脚介绍：VCC：供电电压,接+5V电源；GND：接地；P0口：是一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流（TTL电路中流过的电流，TTL是晶体管-晶体管逻辑电路），即地址/数据总线复用口。当P0口的管脚第一次写入1时，被定义为高阻输入。在访问外部程序存储器或数据存储器时，它可以被定义为数据/
33、地址的低八位。在FLASH编程时，P0 口作为原码输入口，接收指令字节；当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高（即外接上拉电阻）。P1口：是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能驱动4个TTL门电流。P1口管脚写入1时，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口作为低八位地址接收。P2口：是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P2口的缓冲器可以驱动4个TTL门电流。当P2口被写“1”时，被内部上拉电阻拉到高电平，可以作为输入。并因此，P2口被外部拉低，将输出电流； 当P2
34、口用于16位地址外部数据存储器或者外部程序存储器来存取数据时，P2口用来输出地址的高八位。在给出地址“1”时，P2口利用其内部上拉的优势，当读写外部八位地址数据存储器时，P2口输出它特殊功能寄存器里边的内容。在FLASH编程和校验时，P2口能够接收高八位地址信号和控制信号。P3口：是8个提供内部上拉电阻的双向I/O口，可以驱动4个TTL门电流。当P3口写入“1”时，被内部上拉为高电平，并且用作输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）。在FLASH编程和校验时，P3口能够接收一些控制信号。P3口除了做一般的I/O口线外，还具有更重要的第二功能：如表格3.13所示。表3.13 P3口
35、第二功能表XTAL1：内部时钟工作电路的输入以及反向振荡放大器的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。ALE/PROG：在FLASH编程时，此引脚用来输入编程脉冲；在访问外部存储器时，地址锁存所允许的输出电平用来锁存地址的低位字节。而平时，ALE端则以不变的频率输出正脉冲信号，并且频率为振荡器频率的1/6。因此，它可以用作定时或者对外部输出的脉冲。值得注意的是：当用作外部数据存储器时，需要跳过一个ALE脉冲。另外，该引脚被略微的拉高，因而如果微处理器在外部执行状态ALE则禁止，置位无效。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，需保持RST两个机器周期的高电平状态。EA/VPP：外部访问允许。当
36、EA保持低电平时，CPU仅访问外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。需注意的是，加密方式1时， 复位时内部会所存EA端的状态；当/EA端保持高电平时，CPU执行内部程序存储器的指令。在FLASH编程期间，此引脚用于施加+12V的编程允许电源（VPP）。PSEN：外部程序存储器的读选通信号。在AT89C51由外部程序存储器读取指令时，每个机器周期输出两个脉冲（两次PSEN有效）；在访问外部数据存储器时，将不出现这两次有效的/PSEN信号。3.4.4 AT89C51的主要性能参数可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；4K字节可编程闪烁存储器；寿命：1000写/擦循环
37、；数据保留时间：10年；两个16位定时器/计数器；1288位内部RAM；32可编程I/O线；全静态工作：0Hz-24Hz；5个中断源；3.5 光电隔离控制电路3.5.1 使用光电隔离电路的背景原因 在本设计中，由于电路的连接和芯片本身的运行会造成许多不小的误差，而这些误差可以影响到数据的传输，进而影响所连接的器件的响应，以致影响到最终的结果。有时这些瞬变脉冲甚至能伤害到互联的设备。因此，为了克服以上缺陷，本设计在控制排气系统与切断阀门这一模块中采用了光电隔离技术。3.5.2 光电隔离概述光电隔离电路的作用是指，在电隔离的情况下，以光作为媒介来传送信号，从而能够对输入和输出电路进行隔离，因此，光
38、电隔离电路具有有效抑制系统噪声的功能，并且可以消除接地回路的干扰，有体积小、耐冲击、寿命长且响应速度快等好处。因而能够广泛应用于强-弱电接口处，特别是在微机系统的后向与前向通道中。3.5.3 光电隔离电路工作过程如图3.14所示。图3.14 光电隔离电路（图中包括两部分：上半部分，即P2.3口所接电路为光电隔离控制阀门电路； 下半部分，即P2.2口所接电路为光电隔离控制排气扇电路。）现以P2.3口所接电路为例，介绍下光电隔离电路的工作过程：如果，开关量P2.3的输出为高电平，经过反向驱动器7406之后，变为低电平，促使发光二极管导通发光，从而激发对应的光敏三极管导通，然后使晶体管8050导通，
39、D1截止，继电器导通，因而使继电器K1的线圈通电，继电器绕组吸合，从而继电器的触点完成规定动作，这样就使220V电源接通，从而关闭阀门。反之，P2.3输出的是低电平的话，经反相器反向变为高电平，发光二级管不导通，继电器K1处于释放状态，开关保持断开，阀门维持原状。图中电阻R12，R14均为限流电阻。二极管D1、D2的作用是保护晶体管8050，具体过程为：继电器K吸合，此时二极管D截止，电路正常工作。继电器释放电流的时候，因继电器线圈存在着电感，而此时晶体管D已经截止了，因而会在线圈的两端产生一个较高的上负下正的感应电压，而正端就连接在晶体管的集电极上。该感应电压与VCC的和有时有可能过大，若比
40、晶体管8050的集电极反向电压大，那么，晶体管就有可能损坏。但加入一个二极管D后，继电器线圈产生的感应电流就可以通过二极管D流出了，因而二极管D能起到保护晶体管8050的作用。排气扇装置电路与切断阀控制电路相类似，只是把切断阀换成排气扇就可以了，原理基本相似。电路图即为图3.14下半部分所示，由P2.2接出。3.5.4 光电耦合器光电耦合器也称光耦合器，多用于开关控制电路中。光电隔离器的工作原理与光电隔离电路相同，都是以光为媒介传输电信号，从而达到对输入、输出信号的隔离作用。 光电耦合器包括两部分：发光源以及受光器。具体的构造就是把发光源与受光器组装到同一个密闭的壳体内，壳内用透明绝缘体隔离。
41、其中，发光源的引脚作为输入端，而受光器的引脚作为输出端。如图3.15所示。 图3.15 光电耦合器结构 （4脚封装） 光电耦合器的分类：按通道： 单通道、双通道以及多通道光电耦合器；按光路径： 内光路光电耦合器、外光路光电耦合器；按封装形式：同轴型、扁平封装型、双列直插型、贴片封装型、TO封装型、光纤传输型；按传输信号：线性光电耦合器、数字型光电耦合器；按速度： 高速光电耦合器、低速光电耦合器；按工作电压：高电源电压型光电耦合器、低电源电压型光电耦合器；输出形式： NPN三极管输出型、光敏器件输出型、功率输出型、达林顿三极管输出型、逻辑门电路输出型、光开关输出型、低导通输出型；按隔离特性：高压
42、隔离光电耦合器、普通隔离光电耦合器。3.5.5 继电器概述作为光电隔离最重要的部分之一，继电器起到了自动化控制的作用。本设计采用的是12V的电磁继电器。继电器是一种电控制器件。其具有控制系统（也称输入回路）与被控制系统（也称输出回路）之间的一种互动关系。通常继电器应用到自动化的控制电路之中。继电器实际上是一种能够利用弱电流、低电压电路去控制强电流、高电压电路运作的“自动开关”。因而，它在电路中常常起着转换电路、保护电路或器件安全以及自动调节等作用。继电器结构图如图3.16所示。图3.16 继电器结构图继电器的工作原理：当在继电器线圈两端加上一定的电压时，线圈中会流过一定的电流，进而产生电磁效应
43、。此时，衔铁会在电磁力的吸引作用下克服掉返回弹簧的拉力，被吸向铁芯，因而带动衔铁的动触点和静触点吸合（即如图上的3点与5点吸合）。线圈断电时，电磁吸力随之消失，衔铁则在弹簧的反作用力的作用下返回到原来的位置，从而使得动触点跟原来的静触点释放。如此反复，便可以实现控制电路的导通或者切断的目标。继电器的分类：光继电器： 是一种AD/DC并用的半导体式的继电器的，发光器与受光器一体化的器件。信号是通过光信号传输的，但是输入侧与输出侧电气性绝缘。优点是微小电流驱动信号、无接点、寿命半永久性、光传输、超小型；固态继电器：是一种2个接线端输入，另2个接线端输出的四端口器件。中间部分采用隔离器实现输入与输出
44、隔离的。电磁继电器：是一种由线圈、铁芯、触点簧片、衔铁等组成的继电器。通过在线圈的两端加上电压，是线圈充电，进而产生电磁效应，因而衔铁可以再电磁力的作用下吸合铁芯，最后带动触点吸合。其优点是可以远距离控制，实现自动控制，利用低电压来控制高电压；热敏干簧继电器：是一种通过用热敏磁性材料来检测并且控制温度的新型热敏开关。热敏干簧继电器并不使用线圈励磁，而是通过感温磁环的温控特性决定是否产生恒磁环，进而驱动控制开关。时间继电器：是一种通过利用机械原理或者电磁原理来实现延时控制的控制电器。本设计中采用的就是电磁继电器。因其具有可以实现自动控制，响应速度较快，受外界干扰小，价格低廉，使用寿命长等优点。3
45、.6 声光报警单元声光报警，又称声光警号，是一种通过声音与各种光来向人们发送出警示信号的 报警信号装置。作为一个合格的煤气报警器，自然要起到报警作用，而声光报警则是一种既安全又明显的报警方式。在这里，本设计选择了一种比较简单的声光报警方式，如图3.17所示。图3.17 声光报警电路 本设计选择了2个报警灯，分别是黄色以及红色。当空气中没有较高浓度的CO溢出到空气中时，即空气中的CO含量未超过最低限制值时，两盏灯均不亮，表示空气环境正常，没有发生煤气泄漏；当发生煤气泄漏时，经过信号的采集与处理后，得到报警信号，此时黄灯与红灯交替闪亮，并且，单片机输出低电平，使三极管8550导通，从而激发蜂鸣器发声报警。第4章 软件设计4.1 软件设计总流程图开始程序初始化启动A/D转换，采集数据数字滤波判断是否超过报警值进入报警处理子程序数据处理YN
