基于9的瓦斯浓度监测仪设计 .doc

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1、成都理工大学毕业设计（论文）基于AT89C51的瓦斯浓度监测仪设计摘 要对煤矿巷道瓦斯浓度的实时监测是确保煤矿巷道安全生产的要素之一。本论文设计了一种适用于煤矿巷道中的瓦斯浓度监测仪。它能够实时检测瓦斯浓度，用LED显示浓度值，并在超过一定浓度的时候自动报警，可以随身携带或者安置于煤矿巷道之中。论文采取了由整体到局部的设计思路进行设计。整个系统由信号采集、信号接收处理和信息显示与音响报警等部分构成，主要采用的器件有：热催化式MQ-5瓦斯传感器、单片机、运算放大器、A/D转换器、LED和蜂鸣器等。器件的选择原则是在保证精确度的前提下选择功耗较低的器件，以此保证该监测仪在矿井下可以长时间工作。关键

2、词：瓦斯浓度监测；单片机；煤矿巷道AT89C51-based MCU Design Of the Gas MonitorAbstract：The real-time monitoring on gas concentration of coal mine tunnel is one of the factors to ensure safe production of coal mine tunnel elements. In this paper, designed a gas concentration monitor for the coal mine tunnel. It can re

3、al-time gas concentration with LED display the concentration value, and when concentration value is over the certain concentration will auto-alarm, and you can carry or placed in coal mine tunnel. Papers take from the overall to the partial to design. The entire system structure of the signal acquis

4、ition, signal processing and receiving information, and display and audio alarm parts,The main devices used are: thermal catalytic MQ-5 gas sensors, MCU, operational amplifier, A/D converter, LED and buzzer, etc. The principle of choice devices is to ensure the accuracy of the premise of low-power d

5、evices, in order to ensure that the monitor can be in the mine to work long hours.Key words: Gas concentration monitoring, MCU, Coal mine tunnel目 录第1章 前 言11.1 瓦斯浓度监测仪概况及研究必要性11.2 国内外技术现状及发展趋势51.3 研究目的与研究内容6第2章 基本理论82.1 仪器的基本性能82.1.1 精确度92.1.2 稳定性102.1.3 影响系数102.1.4 量程112.1.5 可靠性122.2 瓦斯传感器原理及器件122.2

6、.1 光干涉式132.2.2 热催化式132.2.3 热导式142.2.4 红外线式142.2.5 气敏半导体式142.2.6 声速差式152.2.7 离子化式152.3 系统性能及传感器选择16第3章 系统设计173.1 系统整体设计173.2 主要器件选择183.2.1 微控制器的选择183.2.2 运算放大器的选择193.2.3 A/D转换器的选择19第4章 系统的硬件电路设计214.1 传感器电路214.1.1 MQ-5的结构214.1.2 MQ-5工作原理224.1.3 MQ-5的基本参数234.2 运算放大电路254.3 AT89C51单片机与A/D转换电路264.3.1 AT89

7、C51芯片概述264.3.2 TLC1549 A/D转换器334.4 蜂鸣器电路414.5 LED显示器结构与原理424.5.1 LED显示器结构424.5.2 静态显示与动态显示434.5.3 LED显示器的接口设计44第5章 系统软件设计485.1 软件设计总述485.2 开发软件的选择495.3 软件功能实现505.3.1 主程序流程图505.3.2 软件模拟SPI接口525.3.3 通过A/D TLC1549读取数据54结 论58致 谢60参考文献61附 录63IV1第1章 前 言对矿井开采的相关资料查阅和煤矿安全相关信息的整理之后发现，瓦斯矿井在我国煤矿生产矿井中所占比重很大，随着矿

8、井开采强度和深度的增加，瓦斯涌出量也在不断增加，瓦斯的积聚极其容易引起事故，所以及时掌握煤矿井下瓦斯动态情况是一件十分重要的工作。瓦斯浓度检测仪器就是用来监视矿井瓦斯浓度动态变化的有效工具。因此,选择瓦斯浓度检测仪器作为毕业设计课题。鉴于瓦斯在矿井中存在的普遍性及其可能造成灾害的严重性，瓦斯浓度检测仪器在煤矿是数量最多，使用最普遍，而且也是煤炭系统研制种类最多的仪器。1.1 瓦斯浓度监测仪概况及研究必要性煤矿生产是地下作业，自然条件和生产条件都复杂，在采掘过程中出现的瓦斯涌出、煤尘飞扬、自然发火等都有可能造成严重事故。为了防止事故发生，保障矿工的健康和安全，促进生产发展，提高煤炭企业的经济效益

9、，需要对井下的生产环境进行检测，对可能造成灾害事故的各种有害气体及矿尘进行及时而准确的检测和严格控制，这就需要有瓦斯浓度检测仪这样的仪器。最初，人们为了防止井下空气中混有一氧化碳造成中毒事故，曾使用过金丝雀一类的小动物来进行检测。1815年英国人在煤矿井下开始使用安全火焰灯检测瓦斯。1897年瑞典制成第一台容积压力式瓦斯浓度测量仪。随着矿井开采深度的增大，机械化和综合机械采煤的普遍推广和仪表工业及电子技术的发展，瓦斯浓度监测仪也得到了不断的发展。1927年日本制造成光干涉原理瓦斯监测仪，以后又陆续出现热导、热催化原理、气敏半导体等各种不同原理的瓦斯监测仪，其测量精度不断提高，检测方式从“间断”

10、、“就地”检测发展到“连续”、“集中自动”遥测。特别是随着电子计算机技术的应用，一套监测系统，除能检测高低浓度瓦斯外，还可测一氧化碳、氧、氢的浓度，气温，风速等等。同时还能对井下设备的工作状态进行监控。如英国DYNSLINK-MINOS系统的监测容量为986个模拟量，896个开关量，传输距离为131n。在地面中心站一般都配有用来进行数据采集和处理的计算机、打印机、显示器、控制台和模拟盘等。譬如当井下某测点的瓦斯浓度超限时，能发出声、光报警信号，切断该测点附近的电源。作为间断方式检测的携带式仪器，也随着测试技术的飞速发展及多功能集成电路的出现，检测元件的性能不断提高而实现了单机分级报警，数码显示

11、，自动校正，电源监视和故障指示等功能。而且操作简单，维修量小，体积小。解放前我国煤炭工业技术十分落后，瓦斯浓度监测仪更是属于空白。解放后，党和政府对安全工作极为重视，煤矿安全状况及劳动条件得到了很大的改善，瓦斯浓度监测仪从无到有地发展起来在仪器的研究、生产制造方面，多年来投入了很大的力量，形成了以抚顺、重庆、西安、常州、上海等地为中心的生产基地，除生产大量的通风安全仪器和救护设备外，从1980年起，先后从波兰、英国、美国和西德等地引进了多种形式的煤矿安全监测仪和生产监控系统，在引进消化的基础上，我国也研制了一批安全监测仪，如常州煤研所的KJl型，北京长城科学仪器厂的KJ4型，重庆煤矿安全仪器厂

12、的TF-200型和AWJ-80型，西安仪表厂的MJC-100型，抚顺煤矿安全仪器厂的AU1型，总参6904厂的WDJ-1型和镇江煤矿专用设备厂的A-1型等安全监控系统来装备矿井。其中KJ4型的系统容量为1536个，传输距离为13 m。所有这些成就，表明我国的安全监测仪器的研制和装备进入了新的水平。但是目前瓦斯监测传感器的种类和质量与国际水平的差距还较大，这是需要解决的问题。从我国煤炭生产的现状及我国能源结构战略规划均可看出，在本世纪中叶以前，煤炭仍是支持我国国民经济发展的主要能源，煤炭生产，作为我国能源工业的支柱，其地位将是长期的，稳定的，但是煤炭工业的安全生产状况却不容乐观，中小型煤矿的情况

13、尤为严重，已经直接威胁到整个煤炭工业的稳定生产，给国家财产和人民生命造成了很大的损失，作为“万恶之首”的瓦斯爆炸事故更是重大事故发生率之首。仅2009年上半年，山西又接连发生了多起瓦斯爆炸事故，事故的结果触目惊心，因此通过提高瓦斯监测监控水平，已经成为中小型煤矿确保安全生产最迫切的任务之一。1.2 国内外技术现状及发展趋势煤矿生产中瓦斯浓度监测系统是目前为止实际工作中最重要和最有效的自动化手段，已经装备监控系统的煤矿的瓦斯事故发生率大为下降，实践证明，瓦斯浓度监测系统对保障煤矿安全生产，提高煤矿生产率，提高煤矿自动化程度以及促进煤矿管理现代化水平，都有着举足轻重的作用。瓦斯浓度监测系统虽在国内

14、已有生产和应用，但还没有一种真正适合于中小型煤矿使用的产品，我国从八十年代初期开始引进煤矿生产安全监测系统，历经了直接引进、消化吸收、仿制配套、自主开发的过程，但迄今为止的产品大多都是面对大型矿井设计的，而且自身尚有一些有待解决的问题，如：l 造价高，系统最基本的配置过于庞大，运行费用大l 传感器测量稳定性差，调校频繁，寿命短l 系统安装、维护复杂，操作不便，人机界面较差l 系统设备可靠性差l 必须依赖专业的维护队伍，对人员技术、素质有较高的要求国外的瓦斯浓度监测技术理论上讲高于国内发展水平，但应用于国内煤矿尚有一定的局限性，如煤矿管理模式生产方式的不同，价格过高不适于国内煤矿现有条件，除在传

15、感器技术方面可供借鉴外，其它仅具一定的参考价值。1.3 研究目的与研究内容由前文可知，开发研制适用于中小型煤矿的瓦斯浓度监测系统的任务迫在眉睫，而根据我国煤矿生产模式，设计一种便携式的方便易用的瓦斯浓度监测仪，在煤矿巷道之中使用，实时的提供当前环境中的瓦斯浓度情况，并在瓦斯浓度过高时报警，可以大大的提高煤矿生产的安全程度。因此，瓦斯浓度监测仪对于许多缺乏安全设施的中小型煤矿是十分必要的。对于瓦斯浓度监测仪的设计，主要研究内容在于以下几个方面：l 比较各种瓦斯浓度传感器的性能参数，选择适合的传感器。l 传感器外围电路的设计以及微处理器的选择。l 确定对于浓度的显示和报警方式，并完成整个硬件电路的

16、设计。l 系统软件设计，并完成具体程序，实现功能。第2章 基本理论对于瓦斯浓度监测仪来说，信号处理和响应部分已经有了较为合理、成熟的设计，因此设计的核心在于根据需要确定仪器所需要达到的性能指标，并根据性能指标来选择可以达到精度要求并且具有一定性价比的瓦斯浓度传感器。显然，对于瓦斯浓度监测仪器的工作环境的定位和瓦斯传感器的选择变得尤为重要。2.1 仪器的基本性能瓦斯浓度监控系统是用来检查测量矿井安全状况的物质手段。什么是测量呢?测量是人们对自然界的客观事物取得数量观念的一种认识过程。在这一过程中，借助于专门的技术工具，通过实验方法，求出以所采用的测量单位表示的未知量的数值大小。测量的目的是为了在

17、限定的时间内尽可能正确地收集被测对象未知信息，以便掌握被测对象的参数及控制生产过程。例如，在采煤机上安装彩灯机瓦斯断电控制仪。它不仅可以连续监测采煤机附近风流的瓦斯浓度，而且在瓦斯浓度超限时还可发出声、光报警信号，确保生产安全。评价测量仪器品质的指标是多方面的。仪器的基本性能，主要是衡量仪器测量能力的一些指标，如精确度、稳定性、测量范围、动态范围等。但工作可靠性、经济性也很重要，这些因素在很大程度上影响仪器的使用。2.1.1 精确度1.精密度是指在测量中所测数值重复一致的程度。即对某一稳定的被测量，在相同的规定工作条件下，由同一测量者用同一仪器在相当短的时间内按同一方法连续重复测量多次，其测量

18、示值的不一致程度。不一致程度愈小，说明测量愈精密。例如某温度仪表精密度为0.5K，意即用该仪表测量温度时其不一致程度不会大于0.5K。但精密不一定准确。2.准确度是指仪器的示值有规律地偏离真值大小的程度。3.精确度（简称精度）是测量的精密与准确程度的综合反映。要使仪器的精度高，还必须使其准确度高才行。在工程测试中，为了简单表示仪器测量结果的可靠程度，引入一个仪器精度等级的概念，用A表示。A以一系列标准百分比数值进行分档。这个数值通常是仪器在规定条件下，其最大绝对允许误差值相对于仪器测量范围的百分数，即: （1-1）式中: 为仪器在全刻度范围内的最大绝对允许误差，为测量范围的上、下限值，为仪器的

19、精度等级。工业检测用的仪器的精度等级值约为4.0。2.1.2 稳定性稳定性是指仪器的性能在工作条件保持恒定的情况下，在规定的时间内保持不变的能力。它用精密度的数值和观测时间长短一起来表示。例如，某仪表24小时内示值变化幅度达1. 3mV，则该仪表的稳定度为1.3mV/d。2.1.3 影响系数仪器由于室温、大气压、振动等外部状态变化及电源电压、工作条件变化对示值的影响统称为环境影响，为仪器在校准时都规定有一个标准工作条件，用影响系数表示。但在实际使用该仪器时又很难达到这个要求。影响系数是用示值变化值与影响量变化值之比来表示。例如某压力表的温度影响系数为2Pa/即温度每变化10就会引起压力表示值变

20、化2Pa。2.1.4 量程量程B是指测量上限值与下限值之差，即仪表刻度盘上的上限值减去下限值，其表达式为。通常仪表的。但在整个测量范围内仪表提供被测量信息的可靠程度并不相同，一般在仪表的上、下限值附近的测量误差较大，故不宜在该区使用。这样，更确切的量程概念应定为:在工作量程内的相对误差应该不超过某个设定值。量程用绝对值B来表示时，各类不同仪表之间便无法比较，所以常用量程比D作为量程的指标，即 （1-2） 2.1.5 可靠性可靠性是指仪器对规定的条件在规定时间内完成所要求功能的能力。仪器的可靠性可用平均无故障工作时间MTBF来表征。它是仪器连续运行时发生一次故障的时间间隔的平均值。假设某仪器在9

21、0000小时的运行中发生了12次故障，则该仪器的MTBF为7500小时。瓦斯浓度监测报警仪的发展已经历了三个阶段：模拟仪器、数字式仪器以及目前的智能仪器。基于单片机的瓦斯浓度监测报警仪即为一种智能仪器，因为就仪器本身来讲，无论数据的采集还是处理都是由单片机来控制的。利用单片机的算术逻辑处理能力和用软件取代过去电子线路的硬件功能，而软件的灵活性又使得仪器可用各种算法和处理方法进行信息的采集、处理、存储和报警，不再需要专用的电子线路，从而使仪器的控制结构得以很大的简化。2.2 瓦斯传感器原理及器件瓦斯浓度检测仪器按其工作原理不同，有下列几种：2.2.1 光干涉式光干涉式是利用光波对空气和瓦斯折射率

22、不同所产生的光程差，引起干涉条纹移动来实现对不同瓦斯浓度的测定。其优点是准确度高，坚固耐用，校正容易，高低浓度均可测量，还可测量二氧化碳浓度；其缺点是浓度指示不直观，受气压温度影响严重，特别是空气中氧气不足氮、氧的比例不正常时，要产生误差；光学零件加工复杂，成本较高和实现自动检测较困难。2.2.2 热催化式热催化式是利用瓦斯在催化元件上的氧化生热引起其电阻的变化来测定瓦斯浓度。其优点是元件和仪器的生产成本低，输出信号大，对于1%气样，电桥输出可达15mV以上，处理和显示都比较方便，所以仪器的结构简单，受背景气体和温度变化的影响小，容易实现自动检测。其缺点是探测元件的寿命较短，不能测高浓度瓦斯，

23、硫化氢及硅蒸汽会引起元件中毒而失效。目前国内外检测瓦斯的仪器广泛采用这一原理。2.2.3 热导式热导式是利用瓦斯与空气热导率之差来实现瓦斯浓度的测定。其优点是热导元件和仪器设计制作比较简单，成本低、量程大，可连续检测，有利于实现自动遥测，被测气体不发生物理化学变化，读数稳定，元件寿命长。其缺点是测量低浓度瓦斯时输出信号小，受气及背景气体的影响较大。2.2.4 红外线式红外线式是利用瓦斯分子能吸收特定波长的红外线来测定瓦斯浓度。其优点是采用这一原理的仪器精度高，选择性好，不受其它气体影响，测量范围宽，可连续检测；其缺点是由于有光电转换精密结构，使制造和保养产生困难，而且体积大，成本高，耗电多，因

24、此推广使用受到一定限制。2.2.5 气敏半导体式气敏半导体的种类较多，如氧化锡、氧化锌等烧结型金属氧化物。这一原理是利用气敏半导体被加热到200时，其表面能够吸附瓦斯而改变其电阻值来检测瓦斯浓度。其优点是对微量瓦斯比较敏感，结构简单、成本低。但当浓度大于1 %CH4时，其反应迟钝，选择性和线性均较差，所以很少用于煤矿井下瓦斯浓度的检测，而多用于可燃气体的检漏报警。2.2.6 声速差式在温度为220、气压为101325Pa条件下，声波在瓦斯中的传播速度为432m/s，而在清洁空气中为332m/s。比较这两种速度就可测定高浓度瓦斯。其优点是读数不受气压影响；其缺点是不适合测量低浓度瓦斯，一般只用来

25、检测矿井抽放瓦斯管道中的瓦斯浓度，对背景气体、粉尘及气温变化很敏感。2.2.7 离子化式气体在放射性元素的辐射作用下发生电离，在气体介质中的两个电极度之间便有电流产生。测量空气介质和被测瓦斯中的电流大小，便可测出瓦斯浓度。其优点是快速，可以连续自动检测，灵敏度高，测量准确，可测二氧化碳浓度。其缺点是测量低浓度瓦斯困难，空气湿度对仪器读数有影响，传感器结构复杂。2.3 系统性能及传感器选择1.根据仪器的基本性能介绍，结合设计本身的实际需要，系统的性能参数设计要求如下：n 检测精度：3%F.Sn 响应时间：小于30秒n 温度：4080n 湿度：95%RHn 报警浓度：瓦斯0.10.5%2.瓦斯传感

26、器的选择本设计由于用于矿井巷道的气体检测，根据以上各种不同类型瓦斯传感器的比较，气体传感器采用的是MQ-5，它适用于工业上对瓦斯，天然气，煤气的监测装置。它具有优良的抗乙醇，烟雾干扰能力，具有较好的灵敏度；对乙醇，烟雾几乎不响应；快速的响应恢复特性；长期的使用寿命和可靠的稳定性；简单的测试电路等优点，适合在煤矿巷道之中使用。第3章 系统设计3.1 系统整体设计瓦斯浓度传感器运算放大电路A/D转换电路单片机处理电路LED显示报警电路DDIANDIANLU1图3-1瓦斯浓度监测仪系统结构图本设计的瓦斯浓度监测仪如图3-1所示，主要由六个部分组成：瓦斯浓度传感器、运算放大电路、A/D转换电路、LED

27、显示器和报警装置。传感器部分采用的瓦斯传感器能感知环境中瓦斯浓度，将信息转换成电信号。由于这种电信号是连续变化的模拟信号，需要经过A/D转换将其转化离散的数字信号，才能够被单片机识别。单片机处理电路对采集的数字信号进行处理和判断，运用一定的算法计算出待检测瓦斯浓度并送到LED显示器显示出来。当瓦斯浓度超出设定报警阈值时进行报警。报警模块单独采用了蜂鸣器作为声音报警装置，提醒使用人员当前的气体浓度已经超过了警戒线，应该立即停止工作，进行相应的处理，避免危险发生。它和LED显示器的配合使用，可以有效地提醒工作人员身边工作环境的变化，帮助工作人员提高警惕。3.2 主要器件选择为了满足安全生产的需要，

28、 保证系统输出的有效性， 同时还要满足体积小、耗电少、精度高的要求，硬件电路设计中尽可能选用功耗小、性能稳定的集成电路。瓦斯传感器的选择已于之前介绍。3.2.1 微控制器的选择微控制器是监控仪的核心，完成数据采集、处理、输出、显示等功能。选择通用性强、功耗小、性能良好的系统采用AT89C51单片机作为控制部分的核心，AT89C51是ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4K bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存储器（RAM），兼容标准MCS51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，AT89C51可在2.

29、76.0V电源电压下工作。3.2.2 运算放大器的选择本设计的放大电路采用高精度集成运放OP-07做放大元件。OP-07为一种具有低失调电压、低失调电流和低温漂的超低失调运算放大器，其广泛地应用于稳定积分、精密加法、比较、阈值电压检测、微弱信号精确放大等场合，是一种通用性极强的运算放大器。OP-07的电源电压范围318V，输入电压范围为014V。3.2.3 A/D转换器的选择A/D转换电路采用Texas仪器公司的TLC1549A/D转换器。该转换器是采用CMOS工艺，11路输入，8位输出的串行A/D转换器。TLC1549有三个控制输入端CS、I/O CLOCK、ADDRESS和一个数据输出端D

30、ATA OUT遵循串行外设接口SPI协议。51系列单片机未内置SPI接口，但通过软件模拟SPI协议即可。硬件方面将TLC1549的CS、I/O CLOCK、ADDRESS、DATA OUT四个端口与AT89C51的4个I/O口相连接。TLC1549A/D转换器与单片机接口简单，转换速度快，而且功耗小，最大功耗只有10mW。第4章 系统的硬件电路设计4.1 传感器电路4.1.1 MQ-5的结构图4-1 MQ-5的结构和外形MQ-5气敏元件的结构和外形如图4-1所示(结构A或B)，由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层，测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件

31、提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。4.1.2 MQ-5工作原理图4-2 MQ-5应用电路原理图设计中MQ-5的接线如图4-2所示，在实际的测量中，可以按照其电路来计算相应的校正数值，其中Ro表示的是测量气体在腔体内的等效电阻，RL是外接负载电阻，用来调整输出的模拟量电压范围，具体数值应根据A/D转换器的输入范围来确定，在TLC1549的输入范围是05V，这样RL可调整至该范围，保证测量的量程足够用。4.1.3 MQ-5的基本参数n 敏感体表面阻值（空气中）：40k400kn 测量介质：瓦斯n 检测范围：3005000ppmn 敏感

32、度（空气中阻值/典型气体中阻值）5n 响应时间10Sn 恢复时间30Sn 加热电阻：335n 电路电压：5V0.2Vn 加热电压：5V0.2Vn 工作温度：1050对于传感器的调整参数计算，可按照表4-1并结合该传感器的特性表进行调整。表4-1瓦斯传感器参数调整计算表其中：RL20K；Ro=14.43K；C=86；RL负载电阻；Ro敏感体电阻；C常数，调整显示范围。在灵敏度调整过程中，由于MQ-5型气敏元件对不同种类、不同浓度的气体有不同的电阻值。因此，在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的，建议用1000ppm异丁烷或氢气校准传感器。4.2 运算放大电路MQ-5传感器的输出电流是0.

33、1毫安级，而A/D TLC1549的输入电流峰值为20mA。由MQ-5提供的电流变化不能被A/D识别，需要经过运算放大器OP-07的放大，再传输至A/D转换器。由于A/D输入端的峰值为20mA，MQ-5的输出电流为0.15毫安左右，所以放大以后的电流均值在10mA左右较为合理。因此运算放大器放大倍数为70倍左右比较合适。实际的放大倍数经过调试之后再确定。图4-3 放大电路原理图4.3 AT89C51单片机与A/D转换电路4.3.1 AT89C51芯片概述AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和

34、128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合。图4-4 AT89C51单片机引脚图1.主要性能参数l 与MCS-51 兼容l 4K字节可编程闪烁存储器l 寿命：1000次写/擦循环l 三级程序存储器锁定l 128*8位内部RAMl 32可编程I/O线l 两个16位定时器/计数器l 5个中断源l 可编程串行通道l 低功耗的闲置和掉电模式l 片内振荡器和时钟电路 2.功能特性AT89C51是一种带4K字节闪烁可

35、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。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。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，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。图4-5 单片机内部结构方框图3.引脚功能说明Vcc:电源电压GND地P1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

36、，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。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

37、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：表4-2 P3口特殊功能引脚P3口还接受一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST：复位输入。RST引脚一旦变成两个机器周期以上高电平，所有的I/O都将复位带“1”（高电平）状态，当振荡器正在工作时，持续两个机器周期以上

38、的高电平可完成复位，每个机器周期为12个振荡时钟周期。复位电路如图4-6所示。图4-6 复位电路XTAL1：振动器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。4.3.2 TLC1549 A/D转换器图4-7 TLC1549与AT89C51的连接TLC1549芯片与单片机AT89C51的连接比较简单，如图4-7所示。被测电压从2、4脚输入，经A/D转换后在6脚输出，5、6、7分别与单片机的P3.2、P3.7、P3.1连接。其工作原理是：由单片机产生片选控制信号和时钟信号，当P3.0=0（CS=1）时，片选信号有效，P3.2引脚输出时钟脉冲送到I/O CLOCK引脚

39、，在10个时钟脉冲的作用下，电压转换值从DATAOUT引脚输出，按照高位在前低位在后的顺序通过P3.7引脚送入单片机。当P3.1=1（CS=0）时，片选信号无效，DATA OUT引脚输出为高阻状态。1TLC1549A芯片介绍TLC1549A/D转换器是美国德州仪器公司生产的10位模数转换器。它采用CMOS工艺，具有内在的采样和保持，采用差分基准电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，总不可调整误差达到1LSB Max（4.8mV）等特点。TLC1549芯片封装图如图4-8所示。图4-8 TLC1549芯片封装图2. TLC1549的工作温度范围内（自然通风）参数l 电源电压范围：-0.

40、56.5Vl 输入电压范围：-0.3VCC+0.3Vl 输出电压范围：-0.3VCC+0.3Vl 正基准电压：VCC+0.1Vl 负基准电压：-0.1Vl 峰值输入电流（任何输入端）：20mAl 峰值总输入电流（所有输入端）：30mAl 工作温度范围（自然通风）：n TLC1549C070n TLC1549I-4080n TLC1549M -651253.工作原理在芯片选择（CS）无效情况下，I/O CLOCK 最初被禁止且DATA OUT 处于高阻状态。当串行接口把CS拉至有效时，转换时序开始允许I/O CLOCK 工作并使DATA OUT 脱离高阻状态。串行接口然后把I/O CLOCK 序

41、列提供给I/O CLOCK 并从DATA OUT 接收前次转换结果。I/O CLOCK 从主机串行接口接收长度在10和16个时钟之间的输入序列。开始10个I/O 时钟提供采样模拟输入的控制时序。在CS的下降沿，前次转换的MSB出现在DATA OUT端。10位数据通过DATA OUT 被发送到主机串行接口。为了开始转换，最少需要10个时钟脉冲。如果I/O CLOCK 传送大于10个时钟长度，那么在的10个时钟的下降沿，内部逻辑把DATA OUT 拉至低电平以确保其余位的值为零。在正常进行的转换周期内，规定时间内CS端高电平至低电平的跳变可终止该周期，器件返回初始状态（输出数据寄存器的内容保持为前

42、次转换结果）。由于可能破坏输出数据，所以在接近转换完成时要小心防止CS被拉至低电平。TLC1549时序如下图4-9所示：图4-9 TLC1549时序图4.应用介绍TLC1549的理想转换特性如图4-10所示图4-10 理想转换特性(1) 此曲线基于下列假设：VREF+和VREF-已被调整以便从数字0至1跳变的电压（VZT）为0.0024V，满度跳变电压（VFT）为4.908V。(2) 满度值（VFS）是指其额定中点（midstep）值具有最高绝对值的那级台阶。零度值（VZS）是指其额定中点（midstep）值等于零的那级台阶。5.芯片工作方式芯片工作方式如下表4-6所示:表4-6 芯片工作方式

43、在方式1、方式3、方式5中，在DATA OUT引脚上，前一次转换的MSB出现在CS的下降边时，剩下的9位在I/O CLOCK的以后9个下降边时被移出。10位数据经DATA OUT端发送到主串行接口。所用串行时钟脉冲的数目取决于人工选择方式，但要开始进行转换，最少需要10个时钟脉冲。在第10个时钟的下降边EOC输出变低，而当转换完成时加到逻辑高电平，转换结果可以由主机读出，如果I/O CLOCK传送是多于10个时钟，在第10个时钟的下降边沿，内部逻辑也将DATAOUT变低，以保证剩下各位的值是零。4.4 蜂鸣器电路蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一

44、定的电流才能驱动它，单片机IO引脚输出的电流较小，单片机输出的 TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。原理图如图4-11。图4-11 蜂鸣器原理图如图4-13所示，蜂鸣器的正极接到VCC（5V）电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极E，三极管的基级B经过限流电阻R1后由单片机的引脚控制，当引脚输出高电平时，三极管T1截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当P3.7输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，我们可以通过程序控制引脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。程序中改变单片机引脚输出波形的频率，就可以调整控制蜂鸣器音调，产生各种不同音色、音

45、调的声音。另外，改变引脚输出电平的高低电平占空比，则可以控制蜂鸣器的声音大小。4.5 LED显示器结构与原理4.5.1 LED显示器结构LED显示器是由发光二极管显示字段组成的显示器，有7段和“米”字段之分。这种显示器有共阳极和共阴极两种。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮相应的段被显示。同样，共阳极LED显示器的发光二极管的阳极被连接在一起，通常此公共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接地时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。每一种LED又有不同的发光颜色。例如，BS202型中，BSG202发绿光；BS212

46、型中，BSR212发红光，BSG212发绿光。一般的，发红光的LED每段流过的5mA的平均电流，就可以有较满意的亮度，7mA电流会更亮些。10mA以上也不会再亮多少，但长期运行于10mA以上会缩短其寿命。最大电流平均值不得超过30mA。LED显示器允许的反向电压最大值为5V，此时的反向电流一般小于10A。小尺寸的LED显示器每段只有一个发光二极管，其正向压降为1.5V，一般不大于2V。大尺寸的LED显示器每段可能由数个发光二极管串联，每段压降也要增大。4.5.2 静态显示与动态显示显示器有静态和动态两种显示方式。所谓静态显示就是需要显示的字符的各字段连续通过电流，因而所显示的字段连续发光。所谓

47、动态显示就是所需显示的字段断续通以电流，因而其发光也是不连续的。例如，在需要多个字符同时显示时，可以轮流给每一个字符通以电流，逐次把所需要显示的字符显示出来。在每点亮一个显示器后，必须持续通电一段时间，使之发光稳定，然后再点亮另一个显示器，如此巡回扫描显示器。由于巡回速度较快，每秒可重复多次（为了不闪烁，可以每秒扫描20次左右）。虽然在同一时刻只有一个显示器通电，但是由于人眼的视觉暂留现象和发光二极管的余辉效应，因此在人们看来认为每个显示器都在稳定的显示。这种巡回扫描显示器的操作要靠程序控制。动态显示的亮度随电流平均值的增大而增强，其亮度大体上等同于通过同样大的直流电流的静态显示器的亮度。4.5.3 LED显示器的接口设计本系统采用静态显示方式，静态显示时每一个接口驱动器件驱动一个显示器。用于静态显示时