有毒气体检测仪毕业论文

有毒气体检测仪毕业论文

有毒气体检测仪毕业论文

第1章 绪论

1.1 便携式气体检测仪的工作原理与行业前景

1.1.1 有毒气体检测仪的工作原理

便携式气体检测仪选用气敏传感器及微控制器为报警器的控制核心，传感器检测到气体转换成电信号，送入AD转换器将模拟信号转为数字信号，通过单片机的处理以及软件编程实现报警，最终将气体浓度显示在液晶上。报警可采用二极管加蜂鸣器实现声光报警。电源可采用镍镉充电电池，工作时间长达6000h。同时还可设置一个4×4键盘，通过按键来实现报警上限值的修改，降低编程的难度。其中需要对气敏传感器做一些介绍，气敏传感器是一种检测特定气体的传感器，它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。它的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。它将气体种类极其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。此次设计中，我采用了MQ-7型号的传感器，它适用于一氧化碳气体的检测，检测范围为20ppm～2000ppm，工作温度在-20℃~50℃，灵敏度高，输出信号为伏特级，功耗≤0.2W，连续工作使用寿命大于叁年，可靠性好，可根据用户要求调整外型及参数提供应用设计服务。

1

有毒气体检测仪毕业论文

1.1.2 便携式气体检测仪的行业前景

微电子技术的发展和工业测量的需求，使便携式气体检测仪有着很好的发展前

景。便携式仪表体积小，单电源供电，使其携带方便，检测工业环境和家庭内部的气体含量方便快捷。在微电子技术基础上发展起来的单片机及其外围器件，使仪表技术进入了一个崭新的智能化时代。此外，半导体工艺的发展使器件普遍地采用CMOS技术，CMOS器 件不仅器件的体积越来越小，也为实现低电压、低功耗和功耗管理提供了良好的条件，使便携式仪表的普及成为可能。从使用者的角度来说，我们希望便携式仪表在大多数情况下都能携带方便，操作简单，无需复杂维护又能长时间可靠地工作。它的硬件可以看作是一个完整的单片机系统，包括了多种形式的输入输出，整个系统的电源管理是一个重要的问题，在设计具体的电源模块时要注意如下几个方面：1、为降低系统功耗，减小仪表体积，应尽可能地选用CMOS器件； 2、根据容许的空间和需求的容量合理地选择电池，从互换性角度考虑应尽量选用普通电池作为电源；3、选用合适的电源稳压变换器件，在满足电源需求的前提下，使电源模块的外围电路简单，减小占用空间：4、当要实现多电压输出时，既可以直接选用具备相应功能的电源稳压变换器件，也可以充分利用电路中已有器件的辅助电压输出，达到简化外围电路的目的。

1.2 一氧化碳测定的意义

1.2.1 一样化碳对人体健康的危害

在通常状况下,一氧化碳是无色、无臭、无味、有毒的气体,不融于水，标准状况下气体密度为l.25g/L,和空气密度(标准状况下1.293g/L相差很小,这也是容易发生煤气中毒的因素之一，它为中性气体。室内一氧化碳主要来源于吸烟、含碳燃料的不完全燃烧等。当不存在室内源时，室内一氧化碳含量与室外持平，维持在3~10ml/m3。由于一氧化碳不能透过皮肤，因此，它对人体健康的影响主要通过呼吸系统来实现。一氧化碳能与血红蛋白结合形成羟基血红蛋白(COHb)，但是一氧化碳与血红蛋白的结合能力远远大于氧气的结合能力，是氧气的200倍，当与氧气同时存在时，血红蛋白优先与一氧化碳结合，制约了氧气在血液中的传播。一氧化碳可对心脏、肺和神经系统产生有害影响，当COHb的浓度为10％时，主要引起心血管疾病，导致中枢神经紊乱；当浓度为2.5％时，可加重胸痛病人的症状。当一氧化碳进入人体时,会导致

2

有毒气体检测仪毕业论文

缺氧，使人出现头痛、头晕、疲倦、恶心等感觉，严重时会发生心悸亢进、虚脱、昏睡、痉挛，部分患者可并发脑水肿、肺水肿、严重的心肌损害、休克、呼吸衰竭、死亡等。

1.2.2 测定一氧化碳的意义

鉴于上述一氧化碳的种种危害，以及人们的人生安全，那么检测环境中的一氧化

碳变的十分重要，本文设计的便携式CO检测仪起到举足轻重的作用，使得人们的居住条件变地更安全，生活质量得以提高。

1.3 课题背景

单片机是一种集成电路芯片，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/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。

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，

3

有毒气体检测仪毕业论文

这些都离不开单片机。单片机也广泛应用于仪器仪表：单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。

第2章 系统分析与关键技术

2.1 系统分析

便携式有毒气体检测仪的基本功能模块如下图2-1所示。从图中可以看出,对于任何一种便携式仪表而言,除了功能传感器需要具备自身的要求和特点之外,液晶显示模块和键盘输入模块均是通用模块,其主要的功能也大致相同,所以此部分的参考资料寻找方便。

液晶显示气敏传感器AD转换单片机外部存储器键盘输入

图2-1 便携式有毒气体检测仪的功能模块图

从图中可以看出，仪表的主要功能模块分为三类：

? 数据采集：是指在单片机的控制下，使用功能传感器完成特定信号的测量和数

据采集的功能，传感器再将采集到的信号和数据传输到单片机中。

4

有毒气体检测仪毕业论文

? 结果显示：是指单片机将采集到的数据发送到液晶显示模块，并控制液晶显示

模块按照一定的格式将其显示的功能。

? 操纵输入：是指操纵者或其他器件向单片机发送控制指令，用于控制仪器的模

式，该指令一般通过键盘输入。单片机在控制指令的要求下，完成一定功能，如进行信号测量，数据显示等。

2.2 关键技术

在整个设计中，以下几个方面最为重要：一是对传感器的选择，二是液晶显示模块的电源，三是液晶显示模块的驱动和编程，四是行列键盘的输入，五是键盘的软件去抖，下面对其进行简要介绍：

? 传感器的选择：传感器种类繁多，所以在选择的时候要明确目标，找一个性价比

高的产品。

? 液晶显示模块的电源：液晶显示模块的电源需要提供两路不同的电压，如何在电

源单输入的情况下，设计整个单片机系统的多路电源输出，这是设计时首先需要考虑的问题。

? 液晶显示模块的驱动和编程：主要是设计液晶模块和单片机的接口电路，以及利

用单片机对液晶模块的驱动和操作。

? 行列键盘的输入：行列键盘是本次设计中单片机的输入接口。它的硬件连接和编

程都是较难的。

? 键盘软件去抖：在键盘输入时，由于人工输入和按键的机械特性，按键会发生颤

动，从而影响键盘输入信号。

在接下来的硬件部分将对上述关键技术进行逐一介绍。

5

有毒气体检测仪毕业论文

第3章

3.1 系统电源设计

便携式仪器的工作性质决定了其电源必须独立，所以采用了方便快捷的镍镉充电电池，电源部分的电路原理图如图3-1。

U1123CHATOUGND100ufGNDGNDGNDGNDSWDPDTGND123D11LM7805VinVout2+C2+C147ufC3104C41046533系统硬件设计

R11kPOWERLED6453121VCC4VCCGND

图3-1 电源部分电路原理图

2 可供选择的电源稳压变换的集成电源器件主要有如下几类： ? 低压差线性稳压器件； ? 通用开关型稳压器件； ? 多功能或专用的电源器件； ? 电压基准器件；

从体积上考虑，电源稳压变换器件与电路中的其他器件一样选用智能芯片，而不宜选用传统的线性稳压器件。由于使用电池供电，经过一段时间的放电后，电池电压

6

有毒气体检测仪毕业论文

会有所下降，这时电源模块应能保持稳定的输出，这就要求电源部分对输入电压的要求不能太苛刻，要允许输入电压在一定的范围内变化。

在各种集成电源器件中，通用开关型集成稳压器件有较高的电源效率，适应较宽的输入电压范围，容易通过变换产生多种类型的输出电压，非常适合于使用电池供电的系统，在便携式仪表中有着广泛的应用。这类转换器件按其控制方式的不同可分为两类：(1)脉冲宽度调制式(PWM)；(2)脉冲频率调制式(PWF)。脉冲宽度调制式(PWM)转换器工作于固定的开关频率，其滤波电路的设计较简单；脉冲频率调制式(PWF)转换器在小功率输出时可望获得较低的静态电流。此例中使用了脉冲频率调制式(PWF)的稳压芯片LM7805，经过整流稳压后输出电压为5V。

3.2 信号采集及处理

3.2.1 信号采集电路

气体传感器是气体检测系统的核心，通常安装在探测头内。从本质上讲，气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理、样品抽吸，甚至对样品进行化学处理，以便化学传感器进行更快速的测量。

目前，市场上的传感器种类繁多。通常以气敏特性来分类，主要可分为：半导体型气体传感器、电化学型气体传感器、固体电解质气体传感器、接触燃烧式气体传感器、光化学型气体传感器、高分子气体传感器等。下面对各类传感器进行简要介绍；

1、半导体气体传感器

半导体气体传感器是采用金属氧化物或金属半导体氧化物材料做成的元件，与气体相互作用时产生表面吸附或反应，引起以载流子运动为特征的电导率或伏安特性或表面电位变化。

自从1962年半导体金属氧化物陶瓷气体传感器问世以来，半导体气体传感器已经成为当前应用最普遍、最具有实用价值的一类气体传感器，根据其气敏机制可以分为电阻式和非电阻式两种。

电阻式半导体气体传感器主要是指半导体金属氧化物陶瓷气体传感器，是一种用金属氧化物薄膜(例如：SnO2，ZnO ，Fe2O3，TiO2等)制成的阻抗器件，其电阻随着气体含量不同而变化，气味分子在薄膜表面进行还原反应以引起传感器传导率的变

7

有毒气体检测仪毕业论文

化。为了消除气味分子还必须发生一次氧化反应，传感器内的加热器有助于氧化反应进程，它具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。不足之处是必须工作于高温下、对气味或气体的选择性差、元件参数分散、稳定性不够理想、功率要求高.当探测气体中混有硫化物时，容易中毒。 非电阻式半导体气体传感器是MOS二极管式和结型二极管式以及场效应管式(MOSFET)半导体气体传感器，其电流或电压随着气体含量而变化，主要检测氢和硅烧气等可燃性气体。其中，MOSFET气体传感器工作原理是挥发性有机化合物(VOC)与催化金属(如钮)接触发生反应，反应产物扩散到MOSFET的栅极，改变了器件的性能，通过分析器件性能的变化而识别VOC。通过改变催化金属的种类和膜厚可优化灵敏度和选择性，并可改变工作温度。MOSFET气体传感器灵敏度高，但制作工艺比较复杂，成本高。

2、电化学型气体传感器

电化学型气体传感器可分为原电池式、可控电位电解式、电量式和离子电极式四种类型。原电池式气体传感器通过检测电流来检测气体的体积分数，市售的检测缺氧的仪器几乎都配有这种传感器，近年来，又开发了检测酸性气体和毒性气体的原电池式传感器。可控电位电解式传感器是通过测量电解时流过的电流来检测气体的体积分数，和原电池式不同的是，需要由外界施加特定电压，除了能检测CO，NO，NO2，O2，SO2等气体外，还能检测血液中的氧体积分数。电量式气体传感器是通过被测气体与电解质反应产生的电流来检测气体的体积分数。离子电极式气体传感器出现得较早，通过测量离子极化电流来检测气体的体积分数已电化学式气体传感器主要的优点是检测气体的灵敏度高、选择性好。

3、固体电解质气体传感器

固体电解质气体传感器是一种以离子导体为电解质的化学电池。20世纪70年代开始，固体电解质气体传感器由于电导率高、灵敏度和选择性好，获得了迅速的发展，现在几乎应用于环保、节能、矿业、汽车工业等各个领域，其产量大、应用广，仅次于金属氧化物半导体气体传感器。近来国外有些学者把固体电解质气体传感器分为下列三类：

8

有毒气体检测仪毕业论文

? 材料中吸附待测气体派生的离子与电解质中的移动离子相同的传感器，例如氧

气传感器等；

? 材料中吸附待测气体派生的离子与电解质中的移动离子不相同的传感器，例如

用于测量氧气的由固体电解质SrF2H和Pt电极组成的气体传感器； ? 材料中吸附待测气体派生的离子与电解质中的移动离子以及材料中的固定离

子都不相同的传感器；

4、接触燃烧式气体传感器

接触燃烧式气体传感器可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式，其工作原理是气敏材料(如Pt电热丝等)在通电状态下，可燃性气体氧化燃烧或者在催化剂作用下氧化燃烧，电热丝由于燃烧而生温，从而使其电阻值发生变化。这种传感器对不燃烧气体不敏感，例如在铅丝上涂敷活性催化剂Rh和Pd等制成的传感器，具有广谱特性，即能检测各种可燃气体。这种传感器有时称之为热导性传感器，普遍适用于石油化工厂、造船厂、矿井隧道和浴室厨房的可燃性气体的监测和报警。该传感器在环境温度下非常稳定，并能对处于爆炸下限的绝大多数可燃性气体进行检测。

5、光学式气体传感器

光学式气体传感器包括红外吸收型、光谱吸收型、荧光型、光纤化学材料型等，主要以红外吸收型气体分析仪为主，由于不同气体的红外吸收峰不同，通过测量和分析红外吸收峰来检测气体。目前的最新动向是研制开发了流体切换式、流程直接测定式和傅里叶变换式在线红外分析仪。该传感器具有高抗振能力和抗污染能力，与计算机相结合，能连续测试分析气体，具有自动校正、自动运行的功能。光学式气体传感器还包括化学发光式、光纤荧光式和光纤波导式，其主要优点是灵敏度高、可靠性好。 光纤气敏传感器的主要部分是两端涂有活性物质的玻璃光纤。活性物质中含有固定在有机聚合物基质上的荧光染料，当VOC与荧光染料发生作用时，染料极性发生变化，使其荧光发射光谱发生位移。用光脉冲照射传感器时，荧光染料会发射不同频率的光，检测荧光染料发射的光，可识别VOC。

6、高分子气体传感器

9

有毒气体检测仪毕业论文

近年来，国外在高分子气敏材料的研究和开发上有了很大的进展，高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合等特点，在毒性气体和食品鲜度等方面的检测具有重要作用。高分子气体传感器，对特定气体分子的灵敏度高、选择性好，结构简单，可在常温下使用，补充其他气体传感器的不足，发展前景良好。

7、石英振子式气体传感器

石英振子微秤(QCM)由直径为数微米的石英振动盘和制作在盘两边的电极构成，当振荡信号加在器件上时，器件会在它的特征频率(30MHz)发生共振。振动盘上淀积了有机聚合物，聚合物吸附气体后，使器件质量增加，从而引起石英振子的共振频率降低，通过测定共振频率的变化来识别气体。

在上述传感器中，电化学式传感器既能满足一般检测中对灵敏度和准确性的需要，又具有体积小、操作简单、携带方便、检测快速且价格低廉等优点。为此，在本设计中选用了国产的MQ-7型号的电化学气体传感器。其电路接线图如图3-2。

VCCMQ-7HABAINRLH1K

图3-2 传感器MQ-7原理图

GNDMQ-7传感器对一氧化碳具有很高的灵敏度，具有长期的使用寿命和可靠的稳定性，检测范围为20ppm～2000ppm，输出信号为伏特级，功耗≤0.2W，连续工作使用寿命大于叁年，可靠性好。它由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层，测量电极和加热器够成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件，其中填充活性炭的过滤腔体能进一步减弱氮氧化物、烷类等气体的干扰。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。

3.2.2 信号处理电路

10

有毒气体检测仪毕业论文

从传感器出来的信号还只是模拟量,而单片机系统内部运算时用的全部是数字量，所以不能直接输入单片机,需要使用A/D转换将其转换为数字量，在本例中采用了A/D转换TLC549，它的电路原理图如下图3-3。

VCC1AIN234A/DREF+VccAINCLKREF-DOGNDCSTLC5498765VCCP2.4ALEINT1 图3-3 A/D转换芯片TLC549的电路原理图 GND 本例中所采用的TLC549是由美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换芯片，可与单片机通过CLK、CS、DATA OUT三条口线进行串行连接。具有4MHZ片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长17us，典型功耗值为6mW，电源电压范围为3V-6V。现将其各个管脚定义解释如下：

? 引脚1，REF+：正基准电压，电压为 5 V基准电压； ? 引脚2，ANALOGIN：模拟信号输入，由传感器MQ-7输入； ? 引脚3，REF-：负基准电压，接地； ? 引脚4，GND：接地端；

? 引脚5，CS：输入，片选，转换及输出控制接单片机INT1； ? 引脚6，DATAOUT：输出，串行移位数据，接单片机ALE； ? 引脚7，I/O cLOCK：输入，串行移位脉冲，接单片机片P2.4； ? 引脚8，VCC：输入，电源，接主板电源。

现在来介绍TLC549芯片的工作原理，它内部带有片内系统时钟，该时钟与I/O时钟是独立工作的，无需特殊的速度或相位匹配。当CS为高时，数据DATA OUT端处于高阻状态，此时I/O时钟不起作用。这种CS控制作用允许在同时使用多片TLC549时，共用I/O时钟，以减少多路A/D使用时的I/O控制端口。一组通常的时序操作如下：

(1) 将CS置低，内部电路在测得CS下降沿后，在等待两个内部时钟上升沿和一个下降沿后，再确认这一变化，最后自动将前一次转换结果的最高位(D7)位输出到DATAOUT端；

(2) 在前四个I/O 时钟周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5个位(D6，D5，D4，

11

有毒气体检测仪毕业论文

D3)，片上采样保持电路在第4个I/O 时钟下降沿开始采样模拟辅入；

(3) 接下来的3个I/O 时钟周期的下降沿可移出第6、7、8(D2，D1，D0)各转换位； (4) 最后，片上采样保持电路在第8个I/O时钟周期的下降沿将移出第6、7、8(D2，D1，D0）各转换位。然后使保持功能持续4个内部时钟周期，接着开始进行32个内部时钟周期的A/D转换。在第8个I/O 时钟后,CS必须为高或I/O 时钟保持低电平，这种状态需要维持36个内部系统时钟周期以等待保持和转换工作的完成。如果CS为低时，I/O 时钟上出现一个有效干扰脉冲，则微处理器，控制器将与器件的I/O时序失去同步；而在CS为高时若出现一次有效低电平，则将使引脚重新初始化，从而脱离原转换过程。在36个内部系统时钟周期结束之前，实施步骤(1)～(4)，可重新启动一次新的A/D转换，与此同时，正在进行的转换将终止。但应注意，此时的输出是前一次的转换结果而不是正在进行的转换结果。若要在特定的时刻采样模拟信号，则应使第8个I/O 时钟的下降沿与该时刻对应。因为芯片虽在第4个I/O时钟的下降沿开始采样，却在第8个I/O 时钟的下降沿才开始保存。

3.3 显示模块的设计

在单片机系统中，显示是单片机系统中反映系统输出和操纵输入的有效的模块，显示可采用两种方法，一是采用八段数码管；二是采用液晶显示器。随着时代的不断发展，数码管由于其编程麻烦，所需I/O口数量多等缺点，市场份额逐年下降，而液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧、显示画质高而且不会闪烁等多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中被广泛的应用。

通过对各类液晶显示模块的比较，本次设计选用了较为常见的1602液晶显示，其电压驱动为5V，带背光，可显示两行，每行16个字符，不能显示汉字，内置含128个字符的ASCII字符集字库，只有并行接口，无串行。其电路原理图如下图3-4：

12

有毒气体检测仪毕业论文

GND12345678910111213141516LCDGNDVccVoRsRwENDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7LED+LED-1602VCCP2.7P2.6P2.5P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7VCCR710KGND图3-4 1602液晶显示电路原理图

GND

1、现将1602的管脚定义解释如下： ? 引脚1 ，VSS：地电源，接地； ? 引脚2，VDD：接5V正电源；

? 引脚3，V0：液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对

比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”， 使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度；

? 引脚4，RS：寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器； ? 引脚5，RW：读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作； ? 引脚6，EN：使能端，当EN端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令； ? 引脚7～14，DB0～DB7：8位双向数据线； ? 引脚15，LED+：背光电源,接5V正电压； ? 引脚16,LED-:背光电源,接地。

2、主要技术参数

表3-1 1602液晶主要技术参数

显示容量 芯片工作电压 工作电流 模块最佳工作电压 16×2个字符 4.5~5.5V 2.0mA(5.0V) 5.0V 13

有毒气体检测仪毕业论文

字符尺寸 2.95×4.35(W×H)mm

3、基本操作时序

读状态 输入：RS=L，R/W=H，E=H 输出：D0~D7=状态字； 读数据 输入：RS=H，R/W=H，E=H 输出：无； 写指令 输入：RS=L，R/W=L，

D0~D7=指令码，E=高脉冲 输出：D0~D7=数据；

写数据 输入：RS=H，R/W=L，

D0~D7=数据，E=高脉冲 输出：无； 4、状态字说明

表3-2 1602液晶状态字说明

STA7 D7 STA6 D6 STA0~STA6 STA7 STA5 D5 STA4 D4 STA3 D3 STA2 D2 1—禁止；0—允许 STA1 D1 STA0 D0 ————————

当前地址指针的数值 读/写操作使能 注意：原则上每次对控制器进行读/写操作之前，都必须进行读/写检测，确保STA7为0。实际上，由于单片机的操作速度慢于液晶控制器的反应速度，因此可以不进行读/写检测，或只进行简短延时即可。

5、初始化设置 (1) 显示模式设置

表3-3 液晶显示模式设置

指令码 0 0 1 1 1 0 0 功能 0 设置16×2显示,5×7点阵,8位数据接口

(2) 显示开/关及光标设置

表3-4 显示开/关及光标设置

指令码 14

功能 有毒气体检测仪毕业论文

0 0 0 0 1 D C B D=1 开显示；D=0 关显示 C=1 显示光标；C=0 不显示光标 B=1 光标闪烁； B=0 光标不显示 0 0 0 0 0 1 N S N=1 当读或写一个字符后地址指针加1，且光标加1； N=0当读或写一个字符后地址指针减1，且光标减1； S=1 当写一个字符时，整屏显示左移（N=1）或右移（N=0）； S=0 当写一个字符时，整屏显示不移动 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 光标左移 光标右移 整屏左移，同时光标跟随移动 整屏右移，同时光标跟随移动

3.4 矩阵键盘的设计

1、作用

在单片机控制系统中，数据和控制信号的输入主要使用键盘。键盘接口及其软件的任务主要包括以下几个方面： ? 检测并判断是否有键按下； ? 按键开关的延时消抖功能； ? 计算并确定按键的键值；

? 程序根据计算出的键值进行一系列的动作处理和执行。

2、矩阵键盘的基本结构

矩阵键盘中的键实际上就是一个机械开关，位于行线和列线的交点处，此次设计选用了4×4的16键行列式键盘，图3-5为其电路原理图，当键被按下时，其交点的

15

有毒气体检测仪毕业论文

行线和列线接通，使相应的行线或列线上的电平发生变化，根据电平变化情况确定按下的键。

P1.0S11S12S13S14P1.1S21S22S23S24P1.2S31S32S33S34P1.3S41S42S43S44P1.4P1.5P1.6P1.7

图3-5 矩阵键盘的接线原理图

3、矩阵键盘的检测原理

无论是独立键盘还是矩阵键盘，单片机检测其是否被按下的依据都是一样的，也就是检测与该键对应的I/O口是否为低电平。独立键盘有一端固定为低电平，单片机写程序检测时比较方便。而矩阵键盘两端都与单片机I/O口相连，因此在检测时需要人为通过单片机I/O口送出低电平。检测时，先送一列为低电平，其余几列全为高电平（此时我们确定了列数），然后立即轮流检测一次各行是否有低电平，若检测到某一行为低电平（这时我们又确定了行数），则我们便可以确认当前被按下的键是哪一行哪一列的，用同样的方法轮流送各列一次低电平，再轮流检测一次各行是否为低电平，这样即可检测完所有的按键，当有键被按下的时候，便可判断出按下的是哪一个键。当然我们也可以将行线置低电平，扫描列是否有低电平。这就是矩阵键盘的检测原理和方法。

4、键盘接口方式的选择

常用的键盘识别方法有：行扫描法、线翻转法和利用8279键盘接口的中断法。前两种方法相当于查询法，需要反复查询按键的状态，会占用大量的CPU时间；后一种方法在有键按下时向向CPU申请中断，平时并不需要占用CPU时间。

16

有毒气体检测仪毕业论文

在本例中，完全可以不使用中断法完成键盘接口，这是由系统的特殊性决定的。首先，对于本系统而言，要实现便携式的设计，硬件电路使用的器件越少越好；其次，被测信号由外中断引脚输入，未占用单片机4个并行I/O口中的任何一个，系统有足够的资源利用自身I/O完成接口。最后，只有当传感器输出信号频率为空载频率，系统处于空闲待测的状态下，才允许键盘输入，因此键盘识别占用的CPU时间不会对系统正常工作造成影响。因此直接利用单片机并行接口完成键盘的接口，采用线翻转法进行键盘识别。

通常的线翻转法是将行线和列线分别接到两个不同的并行口，通过设置各并行口的状态改变行线和列线的输入输出工作方式，但这样过多地占用了系统的硬件资源，必须进行相应的调整。选用如图3-5所示的4×4行列式键盘，将总共行线和列线直接与单片机的通用输入输出口P1口相连，高4位用于列控制，低4位用于行控制，通过软件中的逻辑运算控制使同一个并行口的不同管脚工作在不同的输入输出方式下，来实现线翻转法的键盘识别工作。

3.5 外部存储器电路

在此次设计中，我们需要注意当电池突然用完或脱落时造成的数据丢失，最好的解决办法就是采用一片具有掉电数据保存的芯片AT24C02，它可以对工作数据进行掉电保护，所存数据能保存100年，并可多次擦写。下图3-6便为芯片AT24C02的电路原理图。

VCCR410KR510K4VssP2.1P2.0VDDGND123567A0A1A2SDASCLWP8GNDAT24C02

图3-6 AT24C02的电路原理图

1、以下将介绍其各引脚功能：

17

有毒气体检测仪毕业论文

? 引脚1 ~3，A0~A2：可编程地址输入端； ? 引脚4，VSS：电源地；

? 引脚5，SDA：串行数据输入/输出端； ? 引脚6，SCL：串行时钟输入；

? 引脚7，WP：写保护输入端，用于硬件数据保护。当其为低电平时，可以对整个

存储器进行正常的读/写操作；当其为高电平时，存储器具有写保护功能，但读操作不受影响；

? 引脚8，VCC，电源端；

2、存储器结构与寻址

AT24C02的存储容量为2KB，内部分成32页，每页8B，共256B，操作时有两种寻址方式：芯片寻址和片内地址寻址。

(1) 芯片寻址：AT24C02的芯片地址为1010，其地址控制字的格式为1010A2A1A0R/W。其中A2，A1，A0为可编程地址选择位。A2，A1，A0引脚接高、低电平后得到确定的三位编码，与1010形成7位编码，即为该器件的地址码。R/W为芯片读写控制位，该位为0，表示对芯片进行写操作；该位为1，表示对芯片进行读操作。

(2) 片内地址寻址：芯片寻址可对内部256B中的任一个进行读/写操作，其寻址范围为00~FF，共256个寻址单元。

3、读/写操作时序

串行E2PROM一般有两种写入方式：一种是字节写入方式，另一种是页写入方式。页写入方式允许在一个写周期内（10ms左右）对一个字节到一页的若干字节进行编程写入，AT24C02的页面大小8B。采用页写入方式可提高写入效率，但也容易发生事故。AT24C系列的片内地址在接收到每一个数据字节后自动加1，故装载一页以内数据字节时，只需输入首地址，如果写到此页的最后一个字节，主器件继续发送数据，数据将重新从该页的首地址写入，进而造成原来的数据丢失，这就是页地址空间的“上卷”现象。解决的办法是：在第8个数据后将地址强制加1，或是将下一页的首地址重新赋给寄存器。

18

——

——

有毒气体检测仪毕业论文

第4章 系统软件设计

4.1 主程序设计

如图4-1所示为主程序流程图，此程序完成了系统的初始化、界面显示、扫描键盘以及处理报警的功能。

19

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/o74o.html