基于单片机一氧化碳报警器1

引 言 ................................................................................................................... 3 1 绪 论 ............................................................................................................... 4

1.1 课题背景 ............................................................................................................................ 4 1.2 一氧化碳报警器的概述 .................................................................................................... 5 1.3 课题研究的目的及意义 .................................................................................................... 5 1.4 系统设计主要任务 ............................................................................................................ 5

2 方案设计 ......................................................................................................... 6

2.1 设计要求 ............................................................................................................................ 6 2.2 初始方案 ............................................................................................................................ 7 2.2.1系统方案的选择 ...................................................... 7 2.2.2系统方案的确定 ..................................................... 10 2.3 系统组成 .......................................................................................................................... 10 2.3.1一氧化碳报警器系统的三大部分 ....................................... 11 2.3.2系统各个模块功能说明 ............................................... 12 2.3.3系统功能扩展 ....................................................... 13

3 硬件电路设计 ............................................................................................... 13

3.1 设计使用的基本知识介绍 .............................................................................................. 13 3.2 芯片介绍[4]及相关电路模块设计 ................................................................................... 14 3.2.1主控电路原理 ....................................................... 14 3.2.2电源电路 ........................................................... 18 3.2.3传感器的选择及电路 ................................................. 20 3.2.4事故处理电路的设计 ................................................. 23 3.2.5显示电路的设计 ..................................................... 25 3.2.6 计算机串口通信的技术与其标准 ....................................... 28 3.3设计的硬件电路 ............................................................................................................... 34

4 软件部分 ....................................................................................................... 35

4.1 单片机编程 ...................................................................................................................... 35 4.1.1软件部分设计的功能 ................................................. 35 4.1.2程序框图和主要程序介绍 ............................................. 36 4.2 上位机（PC机）编程 ..................................................................................................... 38 4.2.1 VB下串行通信的方法 ................................................ 38 4.2.2串行通信的控件MSComm及其使用方法 .................................. 38

5 系统制作及调试 ........................................................................................... 40

5.1系统PCB板的设计 ........................................................................................................... 40 5.1.1确定PCB的大小 ..................................................... 40 5.1.2布局 ............................................................... 40 5.1.3布线 ............................................................... 40 5.2 硬件调试 .......................................................................................................................... 41 5.2.1检测元器件 ......................................................... 41 5.2.2检测各个引脚信号 ................................................... 41 5.3 软件调试 .......................................................................................................................... 41

6 结论 ............................................................................................................... 42 参考文献 ............................................................................................................. 43 附录1 .................................................................................................................. 44 附录2 .................................................................................................................. 51 附录3 .................................................................................................................. 54 附录4 .................................................................................................................. 55 附录5 .................................................................................................................. 56

引 言

当今，单片微型计算机技术迅猛发展，由单片机技术开发的智能化测控设备和产品广泛应用到各个领域，单片机技术产品和设备促进了生产技术水平的提高。而此次的气体浓度检测系统正是单片机应用系统中的一种。单片机应用系统由硬件和软件组成。硬件是指单片机扩展的存储器、输入/出设备以及各种实现单片机系统控制要求的接口电路和有关的外围电路芯片或部件；软件是指单片机应用系统实现其特定控制功能的各种工作程序和管理程序。只有系统硬件和软件紧密配合、协调一致，才可能组成高性能的单片机应用系统。在单片机应用系统开发的过程中，应不断调整软、硬件，协调地进行软、硬件设计，以提高工作效率。单片机应用系统的开发过程一般包括系统的总体设计、硬件设计、软件设计和系统调试几个阶段。这几个系统开发阶段并不是相互独立、各自进行的，而应根据开发的实际需要，相互协调、交叉，有机的进行。

实现气体浓度检测离不开高性能的气体传感器。从广义上讲，传感器就是能感受外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置。狭义上讲，传感器就是能将外界信息转换成电信号的装置。随着新技术和自动化的发展，传感器的使用数量越来越大，一切现代化仪器、设备几乎都离不开传感器[2]。在工业生产中，尤其是自动化生产过程中，用各种传感器来检测和控制生产过程中的各个参数，如温度、压力、流量、PH值等，以便使设备工作在最佳状态，产品达到最好的质量。此次设计中所利用到的气体传感器就是要测量一氧化碳气体浓度的动态信号，并且利用数模转换芯片将浓度值转换为数字值，实现整个系统的检测与事故处理功能，实现智能控制。

本文的一氧化碳报警器就是单片机应用系统的一种典型应用，要求能够检测一氧化碳气体浓度，并且在气体浓度超过给定值时能采取相关措施。由于一氧化碳中毒是家庭小区以及矿工企业常见事故，给人们生命财产安全带来了极大的危害。为了能减少事故的发生，提醒人们注意，迫切需要一氧化碳报警设备。

随着电子技术与计算机技术的发展，面对各种检测对象和大量的测试点，需要利用数据采集系统将多路被测量值转换成数字量，再经过单片机或微型计算机进行数据处理，实现实时测控。而此时采用单片机来实现一氧化碳报警不仅具有采集控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度提高采集点的技术指标，从而大大提高系统的可利用性。此次三路巡回检测系统正是把ADC0809与8051单片机有机的结合起来，实现了三通道数据采集系统，也符合了本设计的要求。本人在此次设计中主要担任了系统的硬件电路图的设计、硬件的焊接和调试、软件的设计、以及各个芯片资料查找与整理等工作。设计中超出了任务书所给的任务，提出了本一氧化碳报警器在网络中的应用方案。

1 绪 论

1.1 课题背景

随着国家经济的提高，现代化、智能化的多功能建筑越来越多，对建筑的防火安全设计要求也愈来愈高。近年来，全国燃气行业发展迅猛，液化气、天然气、煤制气等城市燃气作为清洁能源已在工商业和城镇居民用户中得到广泛应用，特别是随着“西气东输”工程的快速进展，燃气行业发展潜力巨大。以“西气东输”工程为开端的大规模天然气利用工程的实施，意味我国城市燃气将大踏步地进入“天然气时代”。我国天然气市场将迎来一个千载难逢的机会，城市燃气需求的主要增长点将体现在天然气上。2000年党中央国务院提出“西部大开发”的重大战略部署，特别是2002年“西气东输”第一期工程正式开工，这无疑为发展西部地区的燃气产业带来历史性的机遇。西气东输工程，在西部优势资源和东部广阔市场之间架起了一座“金桥”，西气东输工程投入使用后，每年供应长三角地区100亿立方米天然气。城市燃气的普及与应用无疑对改善城市的环境质量和提高居民的生活质量发挥了巨大的作用。但是随着燃气的广泛应用，由于燃气泄漏所引发的爆炸、中毒和火灾事故也时有发生，这在某种程度上增加了城市的不安全和不稳定因素。为了使燃气更好地造福于民，造福于社会，减少并杜绝各种因燃气泄漏而引发的爆炸及火灾事故，各燃气使用单位及居民用户选择一种适合的燃气报警器实为必要之举。

“报警早，损失少”，进一步说明了及时报警的重要性，在家庭里面也是如此，一旦发生火灾，提早报警，可以及时将火扑灭，以免小火酿成大灾。目前常用的有感烟、感温和可燃气体火灾报警器。像家庭中在使用煤气、液化石油气和天然气等燃料时，安装一个可燃气体报警器，当出现漏气或着火时，报警器能够立即鸣笛报警，告之主人及时采取措施。

日本早在1980年1月开始实行安装城市煤气、液化石油气报警器的法规，1986年5月日本通产省又实施了安全器具普及促进基本方针。美国目前已有7个州11个城市通过立法，规定家庭、公寓等都要安装一氧化碳报警器。随着城市燃气化的扩大，我国已有北京市、辽宁省、黑龙江省、山西省、哈尔滨市、青岛市、大连等省市相继发布燃气安全管理文件，做到政府立法和百姓自身提高安全保护意识有机结合。

一氧化碳（CO）为无色、无味、无臭、无刺激气体，比重0.967，几乎不溶于水，不易被活性炭吸附。当碳物质燃烧不完全时，可产生CO，如人体短时间内吸入较高浓度的CO，或浓度虽低，但吸时间较长，均可造成急性中毒。CO主要来自取暖燃料的燃烧，CO对人体的损害主要表现在损害血液输送氧气的能力，CO与血红蛋白结合能力超过氧和血红蛋白的结合能力的200--300倍，当CO与血红蛋白结合形成的碳氧血红蛋白含量达到5%时，就会对人体产生慢性损害，达到60%时就会昏迷，达到90%就会死亡[15]。

由于发生一氧化碳中毒事件的普遍性和隐蔽性，迫切需要一种能够很好的监控室内

一氧化碳浓度的仪器，并且在一氧化碳浓度过高时能够采取相关措施防止火灾的发生，保护人们的生命财产安全。

本文正是通过分析目前燃气报警器的现状，设计制作一氧化碳报警器，保障人们的生命财产安全。

1.2 一氧化碳报警器的概述

首先我们应对国家标准规定的燃气报警器的种类有所了解。燃气报警器可分为可燃气体检漏仪（简称“检漏仪”）,可燃气体报警控制器（简称“控制器”）、可燃气体探测器（简称“探测器”）、家用可燃气体报警器（简称“报警器”）四大系列产品。报警器为居民家庭用的燃气报警器,一般安装在厨房，遇燃气泄漏时，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时联动外部设备。有的报警器可自动开启排风扇，把燃气排出室外。有的报警器在报警时可自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏。 燃气报警器的核心是气体传感器，俗称“电子鼻”。当气体传感器遇到燃气时，传感器电阻随燃气浓度而变化，随之产生电信号，供燃气报警器后级线路处理。经过电子线路处理变成浓度成比例变化的电压信号，由线性电路加以补偿，使信号线性化，经微机处理、逻辑分析，输出各种控制信号，即当燃气浓度达到报警设定值时，燃气报警器发出声光报警信号并可显示燃气浓度或启动外部联运设备（如排风扇、电磁阀）。

选择一款优质的燃气报警器，首先要选择质量过关的传感器。质量不过关的传感器，一般16个月性能就下降，因而失去报警器的安全性，出现不报警或误报警现象，而一种好的传感器可连续使用十几年，特性也不会有什么变化。但是，报警器中的其它电子元件的寿命都是有限，先进国家也规定燃气报警器的有效期最多为五年。

报警器都存在着检测误差，只要当着误差降低在5%以内这个报警器才符合使用要求。这就要求了一氧化碳传感器性能必须符合这个条件，高精度的传感器是系统的灵魂。气体传感器受湿度、温度的影响较大，在条件需要的时候应该采用温度、湿度补偿来提高测量精度。

1.3 课题研究的目的及意义

设计出性能更加可靠，经济实惠的程控一氧化碳报警器。

目前，现有一氧化碳检测仪器主要是面对工矿企业或公共场所的检测，价格高昂，对家庭也是不适应的。因此，本次设计所面对的是广大居民，其优点在于：

（1）成本低廉并能对一氧化碳准确报警。

（2）该产品无需专业人员操作，只要放在合适位置，通电即可，连续使用、方便简捷。

（3）能起到预防一氧化碳中毒的效果，使人们高枕无忧。该产品必须能够有效预防广大农村居民的冬季燃煤取暖一氧化碳中毒事件的发生，同时也能够给城镇居民安全使用天然气提供有力的保障。 1.4 系统设计主要任务

(2)嵌入到工控应用系统中的结构形态。 (3)能在工业现场环境中可靠运行的品质。

(4)突出控制功能。如对外部信息的捕捉、对控制对象实时控制和有突出控制功能的指令系统(I/O控制、位操作和转移指令等)。

单片机有惟一的专门为嵌入式应用系统设计的体系结构与指令系统，最能满足嵌入式应用要求。单片机是完全按嵌入式系统要求设计的单芯片形态应用系统，能满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行及非凡的控制品质等要求，是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统。 2.3.1一氧化碳报警器系统的三大部分

单片机应用系统的结构分三个层次。

(1)单片机：通常指应用系统主处理机，即所选择的单片机器件。

(2)单片机系统：指按照单片机的技术要求和嵌入对象的资源要求而构成的基本系统,如时钟电路、复位电路和扩展存储器等与单片机构成了单片机系统。

(3)单片机应用系统：指能满足嵌入对象要求的全部电路系统。在单片机系统的基础上加上面向对象的接口电路，如前向通道、后向通道、人机交互通道(键盘、显小器、打印机等)和串行通信口(RS232)以及应用程序等。

单片机应用系统三个层次的关系如图2.3:

图2.3 单片机应用系统三个层次的关系（注：该图应自己绘制，不要现成图片！） 以此理解，程控一氧化碳报警器同样具有单片机应用系统的三个层次。其中以MCS-8051单片机为核心构成单片机系统。在此系统中，检测信号进入单片机进行运算处理，控制外围电路。为了更好的理清设计思路，将整个系统细分为三部分加以设计说明。整个报警器由三个部分组成，分为三大模块：浓度检测及显示模块、主控模块和报警及事故处理模块。在本次设计中，使用的核心器件是单片机和一氧化碳传感器。为了保证整个系统可靠的运行，设计中必须明确三大部分的实际联系：以单片机为中心，其他各大模块一一展开。其中，浓度检测及显示模块所实现的功能是将房间中的一氧化碳浓度

值转换成为单片机能够处理的数字信号，并且将浓度值显示出来；主控模块以单片机为主，对其他模块的运行进行控制；报警及事故处理模块是此系统的外围电路，它的功能实现形式最人性化，体现了智能控制，在检测到一氧化碳浓度超过指定值时会启动蜂鸣器报警，报警无效后即会进行处理，启动排气扇和关闭电磁阀来防止事故的发生。系统框图如图2.3所示。

图2.3 一氧化碳报警器系统组成框图

下面就对各个模块的功能和实现形式作简单介绍。 2.3.2系统各个模块功能说明 （1）气体浓度检测模块

程控一氧化碳报警器采用三路巡回检测的方法，可以检测三个不同的房间也可以用来检测同一个房间三个不同的方位。检测器件采用高温一氧化碳气体传感器TP-2检测房间气体浓度，检测结果将经过高精度运放器放大后送入模/数芯片ADC0809中进行模—数转换，单个传感器的检测电路如图2.4所示。

图2.4 单个传感器电路图

（2）主控模块

系统选用单片机控制，采用MCS－51单片机。MCS－51系列单片机是美国Intel公司1980年推出的一种高性能8位单片微型计算机。内带4K字节的内存和程序保护系统，便

于程序的调试修改和保密，各管脚的功能将在随后的知识中加以介绍。它的主要功能既是和ADC0809芯片一起共同接收检测信号，又可以通过对数字信号的处理来控制外围电路以及显示电路。模数转换芯片采用ADC0809，接收经过运算放大器处理后的一氧化碳传感器的检测值，三路检测结果经过ADC0809处理后送单片机进行数据处理。处理后的信息将通过单片机控制，在LED显示管上显示出来，并且控制事故处理模块。 （3）报警及事故处理模块

此模块主要由蜂鸣器、电磁阀和排气扇组成。在气体浓度过大，超过安全值时蜂鸣器工作，提供报警服务。这个时候，用户可以自行关闭煤气，并通过对房间通风来解决。如若5分钟内气体浓度依然超过安全值，系统自动启动排气扇来降低房间一氧化碳浓度，并且关闭电磁阀来防止煤气泄漏造成事故。

至此，本系统三大模块功能和设计思路已经确立，下文将介绍整个系统的详细设计过程，并且给出设计电路。 2.3.3系统功能扩展

由于设计的一氧化碳报警器为单机产品，而现实中的应用多为小区型应用。所以，在设计中，我考虑到将此一氧化碳报警器添加网络技术，使其能够和主机相连，从主机中能够获得分机所检测的信息。单片机在网络中的应用主要是应用了串口通信技术，这种技术是在智能型领域的综合应用，是值得发展的新技术。在下文中将详细介绍串口通信技术。

3 硬件电路设计

每一个设计都要以一定的知识为基础，知识的多少在一定程度上决定了设计出来的东西的好坏程度，这些知识包括硬件知识和软件知识。硬件知识用来设计硬件电路，以实现电路的放大、驱动、采集、隔离、匹配等功能。软件知识用来设计芯片处理数据的先后顺序，数据的获得途径以及对数据做怎样的处理，还有其他的一些驱动和显示功能等等。当然，在硬件电路里一些芯片是必不可少的，软件设计也需要对芯片进行编程序。本章将介绍本次设计用到的一些基本知识和主要芯片。 3.1 设计使用的基本知识介绍

我们在学校里学到的几乎都属于基本知识，它是指最最基础的东西，我们只有掌握了它才能作更深一步的学习。在实际的应用中，基本知识的掌握程度至关重要，它影响到应用的好坏。本设计应用到的基本的硬件和软件知识将在本节里作简单的介绍。 本设计用到的硬件知识主要有：模拟电子技术、数字电子技术、电子线路的设计与调试、单片机的输入输出、串口通信技术、ADC0809模数转换器的使用方法。 在模拟电子技术方面，主要用来放大传感器检测信号和驱动发光二极管以显示传感器检测到气体浓度。数字电子技术用来把模拟量转换成数字量，把从传感器检测到的模

拟量转换成数字值。利用单片机实现综合控制。 3.2 芯片介绍[4]及相关电路模块设计

集成块出现使硬件电路设计更加简单易懂，从而得到了广泛的应用。在这次毕业设计中用到的主要芯片有单片机MCS8051、模数转换器ADC0809、LED数码显示器等。下面详细介绍它们具体的应用方法。 3.2.1主控电路原理

主控电路中，以单片机为主体，通过分析A/D转换得到的数字值，控制事故处理模块的运行。它是系统的大脑。

单片机（MICROCONTROLLER，又称微控制器）是在一块硅片上集成了各种部件的微型机算计，这些部件包括中央处理器CPU、数据存贮器RAM、程序存贮器ROM、定时器/计数器和多种I/O接口电路。

主机电路由8051作为程序存储器。8051的封装管脚如图3.1所示[2]。

图3.1 8051封装引脚图（注：该图应自己绘制，不要现成图

片！）

8051的主要的特点：

1.采用高性能的HMOs生产工艺生产。

2.内部含定时／计数器。 3.有二级中断优先处理结构。 4.有32条I／O线，输出输入能力强。 5.程序寻址空间达64K字节。

6.内EPROM有保险功能，可保护EPROM防止软件误写入 7.有布尔处理功能，可扩展用途。 8.对内部RAM有位寻址功能。

9.有可编程的全双工串行接口。

8051的内部结构主要包括有ALU部件、定时和控制部件、并行I／O接口、串行I／O接口、定时器部件、程序存储器、数据存储器等七个部分。 ALU部件含有ALU单元以及累加器Acc、寄存器B、栈指针SP、数据指针DPTR、程序状态字PSW、暂时寄存器TMP1、TMP2等。ALU除了可以进行四则算术运算之外，还可以进行布尔运算。

定时和控制部件用于产生指令执行的同步信号及微操作信号。它和ALU部件形成了8051的CPU[14]。

并行I／O接口有P0、P1、P2和P3共四个，它们都是8位并行端口。它们都是双向通道，每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。作输出时数据可以锁住；作输入时数据可以缓冲。但这四个通道的功能不完全相同。其中，P0 口是地址／数据复合总线，它用于传送低8位地址A0～A7；也用于传送数据D0～D7。P2口是高8位地址A8～A15的地址总线，但也可作一般的I／O口。P1是一个纯I／O口，它只用于数据的输入输出。P3是控制信号及I／O信号复用口，它除了用作1／O口之外，还用于传送控制信号。P3口对应引脚用于控制信号时的情况如表3.1所示。

表3.1 P3口的引脚功能

控制信号 引脚信号 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7

这个系列的技术性能如下：工作环境温度0～＋70℃，存储环境温度－65°C～十1500℃。EA／Vpp端对Vss的电压为-0．5～十21．5v，任何脚到Vss的电压为-0．5～十7v，电源电压十5V土10％，电源电流为125～250mA，电源功耗为1.5w。

MCS-51单片机通常采用上电复位和按钮复位两种复位方式。上电复位是利用电容的充放电来实现。按钮复位又分为按钮电平复位和按钮脉冲复位。前者，将复位端通过电阻与VCC相接；后者，利用RC微分产生正脉冲来达到复位的目的。复位电路参数的选择，应能保证复位高电平持续时间大于两个机器周期[3]。在设计中，用到了单片机对输入口进行查询并输出相应的高低电平实现后续工作的控制功能，这将着重在软件设计部分讲

说明 串行数据输入 串行数据输出 外部中断0 外部中断1 定时器0输入 定时器1输入 写存储器信号 读存储器信号 RXD TXD INT0 INT1 T0 T1 WR RD

传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路三部分组成有时还加上辅助电源。通常可用方块图来表示，如下图3.8所示：

图3.8 传感器的组成

敏感元件——直接感受被测量(一般为非电量)，并输出与被测量成确定关系的其它量(也可以包括电量)的元件。

传感元件——又称变换器，是传感器的重要组成元件。 传感元件可以直接感受被测量(—般为非电量)而输出与被测量成确定关系的电量。也可以不直接感受被测量，而只感受与被测量成确定关系的其它非电量。

测量电路——能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、控制和处理的有用电传号的电路。测量电路视传感元件的类型而定。使用较多的是电桥电路，也使用其他特殊电路，如高阻抗输入电路、脉冲调宽电路、维持振荡的激振电路等。由于传感元件的输出信号一般比较小，为了便于显示和记录，大多数测量电路还包括了放大器。

(4)传感器的分类

传感器的分类见表3.2所示： 3.2.3.2传感器设计要点

根据以上对传感器相关知识的介绍，我们可以明确传感器是测量、控制系统的入口，必须具备良好的性能。在设计中，应该注意以下要点[12]：

(1)输入和输出之间成比例，直线性好、灵敏度高、分辨力强、测量范围宽。 (2)滞后、漂移误差小， (3)动态特性良好。 (4)功耗小。

(5)时间老化特性优良，抗腐蚀性强。

(6)与被测体匹配良好，即不因接入传感器而使被测对象受到影响，受被测量之外的量影响小。

(7)体积小、重量轻、价格低廉。 (8)故障率低，易于校准和维修。

(9)由于传感元件的输出信号一般比较小，为了便于能够驱动控制电路，在传感器

电路中还应该包括放大器。

鉴于上述选择要点，本文中用到的一氧化碳传感器必须具备测量效果好、功耗小、动态特性良好和体积小、重量轻、价格低廉几个主要特征。为此我们选择高温型一氧化碳传感器TP-2。它完全符合上述条件，并且最为主要的特点是此传感器精度高，无需温度补偿。这样不仅简化了电路，而且还降低了成本，实为良好的选择。

表3.2 传感器的分类 分类方法 按输入量分类 传感器的种类 位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器传感器按被测物理量命名 等 按工作原理分类 应变式、电容式、电感式、压电式、热电式等 结构型传感器 按物理现象分类 物性型传感器 传感器以工作原理命名 传感器依赖其结构参数变化实现信息的变化 传感器依赖其敏感元件的物理特性来实现信息的变化 传感器直接将被测量的能能量转换型传感器 按能量关系分类 能量控制型传感器 按输出信号分类

3.2.3.3传感器与ADC0809的连接

三路检测结果从IN1、IN2、IN4 输入,转换顺序由ADDA、ADDB、ADDC 控制，控制方法如表3.3所示。

转换结果送单片机P1 口供单片机进行数据处理。其中三路检测结果由三个一氧化碳传感器提供，在实际设计中，为了使编程方便，使用IN1、IN2、IN4口接收传感器信号。单个传感器电路在上文中已经介绍到了，传感器与ADC0809的连接电路图如图3.9。

模拟式传感器 数字式传感器 量直接转化成输出量的能量 由外部供给传感器能量，而由被测量来控制输出能量 输出量为模拟量 输出量为数字量 说 明

表3.3 ADC0809的通道选择方法 ADDC 0 0 0 0 1 1 1 1

图3.9 传感器与ADC0809的连接电路图 3.2.4事故处理电路的设计

在设计中，单片机的T1中断口连接音乐报警器，T2中断口连接电磁阀和排气扇。为防止市电对系统的干扰，T1和T2端都经过光电耦合管对电磁阀和排风扇进行控制。当检测到气体浓度超过100ppm时，音乐报警器开始报警，2分钟报警无效后关闭电磁阀并启动排气扇。

3.2.4.1光电耦合器概述

光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电—光—电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。

ADDB 0 0 1 1 0 0 1 1 ADDA 0 1 0 1 0 1 0 1 选中通道 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 (1)工作原理

在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电—光—电的转换。

(2)基本工作特性 ①共模抑制比很高

在光电耦合器内部，由于发光管和受光器之间的耦合电容很小（2pF以内）所以共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小，因而共模抑制比很高。

②输出特性

光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流IF下，光敏管所加偏置电压VCE与输出电流IC之间的关系，当IF=0时，发光二极管不发光，此时的光敏晶体管集电极输出电流称为暗电流，一般很小。当IF>0时，在一定的IF作用下，所对应的IC基本上与VCE无关。IC与IF之间的变化成线性关系，用半导体管特性图示仪测出的光电耦合器的输出特性与普通晶体三极管输出特性相似。

③光电耦合器可作为线性耦合器使用

在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上，这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号，其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。光电耦合器也可工作于开关状态，传输脉冲信号。在传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间存在一定的延迟时间，不同结构的光电耦合器输入、输出延迟时间相差很大。

(1)光电藕荷器在设计中的作用

光电耦合器件有很多用处，可用做隔离、控制作用，可用于接口电路、监视电路、光电计数器等装置。在本设计中，主要是起隔离、控制的作用，一头连接单片机，另一头连接电动机的驱动电路。使两部分的电流相互独立，这样驱动电路中较大的电流。不至于回馈、影响另一端的电路。 3.2.4.2光电藕荷器件的选用和设计

(1)器件的选用

结合上面对光电耦合器的简介、分析和替换原则。方案选用4N25。4N25内部结构及管脚图如下图3.10所示： 管脚功能：

①电源，②输入断口，③不接，④输出口一，⑤输出口二，⑥不接 (2)电路的设计

电路图如下图3.11所示：

光电耦合器4N25起到耦合脉冲信号和隔离单片机MCS8051系统与输出部分的作用，使两部分的电流相互独立。输出部分的地线接机壳或大地，MCS8051系统的电源地线浮

空、不与交流电源的地线相接，这样可以避免输出部分电源变化对单片机电源的影响，减小系统所受的干扰，提高系统可靠性。

图3.10 4N25内部结构及管脚图（注：该图应自己绘制，不要现成图片！）

图3.11 光电耦合部分的设计 事故处理电路如图3.12。

图3.12 事故处理电路

3.2.5显示电路的设计

现在驱动LED数码管流行采用单片机设计电路，但发现一些显示（LED数码管）电

路设计复杂，没有充分利用单片机的电器特点、没有采用“硬件软化”的方法。直接用单片机的8位数据口作为数码管的8段显示驱动口。这种显示方式虽然简便，电路也最简单，但显示的位数很少（最多四位）。但已经满足了此次设计要求，所以选用此种方式。

（1） LED的结构原理

发光二极管是一种将电能转变成光能的半导体器件。简称LED(Light Emitting Diode)。LED数码管结构简单，价格便宜。

八段LED显示管有八只发光二极管组成，编号是a、b、c、d，e，f和SP，分别和同名管脚相连。七段LED显示管比八段LED少一只发光二极管SP，其它和八段LED相同。在给每个二极管通电后，二极管发光后表示要显示的数字的一部分，当组成这个数字的所有二极管都发亮时，才能正确的显示这个数字。

LED显示器是单片机应用系统中常用的廉价输出设备。它是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一段笔画发亮。控制不同组合的二级管导通，就能显示出各种字符。使用LED显示器的时候，为了显示数字或是字符，要为LED显示器提供代码，因为这些代码是通过各个段的亮与灭来显示不同字符的，因此称之为段码。

7段LED的段码如下表3.3所示：

表3.3 7段LED的段码

显示字共阴极段码 共阳极段码 显示字符 符 0 3FH 1 06H 2 5BH 3 4FH 4 66H 5 6DH 6 7DH 7 07H 8 7FH 9 6FH A 77FH B 7CH

共阴极段码 共阳极段码 39H 5EH 79H 71H 73H 3EH 31H 6EH 76H 38H 00H ?? C6H A1H 86H 8EH 8CH C1H CCEH 91H 89H C7H FFH ?? C0H F9H A4H B0H 99H 92H 82H F8H 80H 90H 88H 83H c d E F P U T y H L “灭” ?? （2） LED 显示器工作原理

由N个LED显示块可以接成N位LED显示器。N个LED显示块有N根位选线和8*N根段选线。根据显示方式的不同，位选线和段选线的连接方法也各不同。段选线控制显示字符的字型，而位选线为各个LED显示块的公共端，它控制该LED显示位的亮，暗。 A．LED静态显示方式

LED显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极或是共阳极连接在一起并接地（或是+5V）；每段的段选线（a～dp）分别与一个8位的锁存器输出连接。所以称为静态显示。LED的显示字符一经确定，相应锁存器的输出将维持不变，直到显示另一个字符为止。也正是因为如此，静态显示的亮度都较高。 B．LED动态显示方式

在多位LED显示时，为了简化硬件电路，通常将所有位的段选线相应的并联在一起，由一个8位I/O口控制，形成段选线的多路复用。而各位的共阴极或是共阳极分别由相应的I/O线冬至，实现各位的分时选通。如以一个四位段显示为例来说明，其中段选线占用一个8位I/O口，而位选线占用一个4位I/O口。由于各位的段选线并联，段码的输出对于各位来说都是相同的。因此次，同一时刻，如果各位位选线都处于选通状态的话，4位LED将显示相同的字符。若要各位LED能够显示出与本位相应的显示字符，就必须采用扫描显示方式，即在某一时刻，只要让某一位的位选线处于选通状态，而其他各位的为选线处于关闭状态，同时，段选线上输出相应位要显示字符的段码。这样同一时刻，只让下一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选通处于关闭状态，同时，在段选线上输出相应位将要显示字符的段码，则同一时刻，只有选通位显示出相应的字符，而其他各位都是熄灭的。如此循环下去，就可以使各位显示出将要显示的字符。虽然这些字符上在不同时刻出现的，而且同一时刻，只有一个位显示，其他各位熄灭，但是LED显示器的余辉和人眼的视觉暂留作用，只要每位显示间隔足够短，则可以造成多位同时亮的假象，达到同时显示的目的。

本次设计是使用了数码管的动态显示方式。

综上所述，显示电路的连接方式及工作原理都已经清楚明了。本次设计中选用的数码管是共阴极LED。

设计中使用P0.0—P0.7控制数码管的暗、亮，用于显示3个传感器所检测到的浓度值。其功能主要是通过软件编程来实现的。使用数码显示器的第一位显示选择传感器的编号，后三位显示检测房间中的一氧化碳浓度。显示过程采用轮流显示，每隔5秒自动显示下一传感器检测到的气体浓度，选用此方法的好处是能够简化电路。显示电路如图3.13。

图3.13 数码显示管与单片机的连接图

3.2.6 计算机串口通信的技术与其标准

串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有几种。但都是在RS-232标准的基础上经过改进而形成的。所以，以RS-232C为主来讨论。RS-323C标准是美国EIA(电子工业联合会）与BELL等公司一起开发的1969年公布的通信协议。它适合于数据传输速率在0～20000b/s范围内的通信。这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电器特性都作了明确规定。由于通行设备厂商都生产与RS-232C制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用[1]。 3.2.6.1 RS-232标准

RS-232C标准（协议）的全称是EIA-RS-232C标准，其中EIA(Electronic Industry Association)代表美国电子工业协会，RS（recommeded standard）代表推荐标准，232是标识号，C代表RS232的最新一次修改（1969），在这之前，有RS232B、RS232A。它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。目前在IBM PC机上的COM1、COM2接口，就是RS-232C接口。 3.2.6.2电气性能与电平转换

（1）电气性能

EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。 在TxD和RxD上：

逻辑1(MARK)=-3V～-15V 逻辑0(SPACE)=+3～＋15V

在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上： 信号有效（接通，ON状态，正电压）＝+3V～+15V 信号无效（断开，OFF状态，负电压)=-3V～-15V

以上规定说明了RS-323C标准对逻辑电平的定义。对于数据（信息码）：逻辑“1”（传号）的电平低于-3V，逻辑“0”（空号）的电平高于+3V；对于控制信号；接通状态（ON）即信号有效的电平高于+3V，断开状态(OFF)即信号无效的电平低于-3V，也就是当传输电平的绝对值大于3V时，电路可以有效地检查出来，介于-3～+3V之间的电压无意义，低于-15V或高于+15V的电压也认为无意义，因此，实际工作时，应保证电平在±(3～15)V之间。

（2）电平转换

EIA-RS-232C与TTL转换：EIA-RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIA-RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。目前较为广泛地使用集成电路转换器件，MAX232芯片可完成TTL←→EIA双向电平转换，本系统中由于下载器单片机输入输出采用COMS电压，因此在串口与其接口部分即采用MAX232作为电平转换，图3.14显示了MAX232的内部结构、引脚和具体连接方法。 3.2.6.3接口机械性能

连接器：由于RS-232C并未定义连接器的物理特性，因此，出现了DB-25、DB-15和DB-9各种类型的连接器，其引脚的定义也各不相同。图3.15分别介绍两种连接器。

①DB-25： PC和XT机采用DB-25型连接器。DB-25连接器定义了25根信号线，分为4组：

异步通信的9个电压信号（含信号地SG）2，3，4，5，6，7，8，20，22 20mA电流环信号 9个（12，13，14，15，16，17，19,23，24） 空6个（9，10，11，18，21，25） 保护地（PE）1个，作为设备接地端（1脚） ②DB-9连接器

它提供异步通信的9个信号。DB-25型连接器的引脚分配与DB-25型引脚信号完全不同。因此，若与配接DB-25型连接器的DCE设备连接，必须使用专门的电缆线。

电缆长度：在通信速率低于20kb/s时，RS-232C所直接连接的最大物理距离为15m（50英尺）。

最大直接传输距离说明：RS-232C标准规定，若不使用MODEM，在码元畸变小于4%的情况下，DTE和DCE之间最大传输距离为15m（50英尺）。可见这个最大的距离是在码

元畸变小于4%的前提下给出的。为了保证码元畸变小于4%的要求，接口标准在电气特性中规定，驱动器的负载电容应小于2500pF。

图3.14 MAX232内部结构 、连线示意图

a DB-25连接器 b DB-9连接器 图3.15 连接器机械特性（注：该图应自己绘制，不要现成图片！）

3.2.6.4接口信号

RS-232C规标准接口有25条线，4条数据线、11条控制线、3条定时线、7条备用

和未定义线，常用的只有9根，它们是：

①联络控制信号线：

数据装置准备好（Data set ready-DSR)——有效时（ON）状态，表明MODEM处于可以使用的状态。

数据终端准备好(Data set ready-DTR)——有效时（ON）状态，表明数据终端可以使用。

这两个信号有时连到电源上，一上电就立即有效。这两个设备状态信号有效，只表示设备本身可用，并不说明通信链路可以开始进行通信了，能否开始进行通信要由下面的控制信号决定。

请求发送(Request to send-RTS)——用来表示DTE请求DCE发送数据，即当终端要发送数据时，使该信号有效（ON状态），向MODEM请求发送。它用来控制MODEM是否要进入发送状态。

允许发送（Clear to send-CTS）——用来表示DCE准备好接收DTE发来的数据，是对请求发送信号RTS的响应信号。当MODEM已准备好接收终端传来的数据，并向前发送时，使该信号有效，通知终端开始沿发送数据线TxD发送数据。

这对RTS/CTS请求应答联络信号是用于半双工MODEM系统中发送方式和接收方式之间的切换。在全双工系统中作发送方式和接收方式之间的切换。在全双工系统中，因配置双向通道，故不需要RTS/CTS联络信号，使其变高。

接收线信号检出(Received Line detection-RLSD)——用来表示DCE已接通通信链路，告知DTE准备接收数据。当本地的MODEM收到由通信链路另一端（远地）的MODEM送来的载波信号时，使RLSD信号有效，通知终端准备接收，并且由MODEM将接收下来的载波信号解调成数字两数据后，沿接收数据线RxD送到终端。此线也叫做数据载波检出(Data Carrier dectection-DCD）线。

振铃指示(Ringing-RI)——当MODEM收到交换台送来的振铃呼叫信号时，使该信号有效（ON状态），通知终端，已被呼叫。

②数据发送与接收线

发送数据(Transmitted data-TxD)——通过TxD终端将串行数据发送到MODEM，(DTE→DCE)。

接收数据(Received data-RxD)——通过RxD线终端接收从MODEM发来的串行数据，(DCE→DTE)。

③地线

有两根线SG、PG——信号地和保护地信号线，无方向。

上述控制信号线何时有效，何时无效的顺序表示了接口信号的传送过程。例如，只有当DSR和DTR都处于有效（ON）状态时，才能在DTE和DCE之间进行传送操作。若DTE要发送数据，则预先将DTR线置成有效(ON)状态，等CTS线上收到有效(ON)状态的回答

后，才能在TxD线上发送串行数据。这种顺序的规定对半双工的通信线路特别有用，因为半双工的通信才能确定DCE已由接收方向改为发送方向，这时线路才能开始发送。 3.2.6.5 RS-232串口通信基本接线方法[11]

（1）远距离通信

远距离通信即传输距离大于15m的通信，一般要加调制解调器MODEM，因此使用的信号线较多。

①采用Modem(DCE)和电话网通信时的信号连接

若在双方MODEM之间采用普通电话交换线进行通信，除了需要2～8号信号线外还要增加RI和DTR两个信号线进行联络，如下图3.16所示。

图3.16 采用Modem(DCE)和电话网通信连接图（注：该图应自己绘制，不要现成图片！）

首先，通过电话机拔号呼叫对方，电话交换台向对方发出拔号呼叫信号，当对方DCE收到该信号后，使RI（振铃信号）有效，通知DTE，已被呼叫。当对方“摘机”后，两方建立了通信链路。

若计算机要发送数据至对方，首先通过DTE接口电路发出RTS（请求发送）信号。此时，若DCE允许传送，则向DTE回答CTS（允许发送）信号。一般可直接将RTS/CTS接高电平，即只要通信链路已建立，就可传送信号。（RTS/CTS可只用于半双工系统中作发送方式和接收方式的切换。）

当DTE获得CTS信号后，通过TXD线向DCE发出串行信号，DCE将这些数字信号调制成模拟信号（又称载波信号），传向对方。

计算机向数据输出寄存器传送新的数据前，应检查Modem状态和数据输出寄存器为空。当对方的DCE收到载波信号后，向对方的DTE发出DCD信号（数据载波检出），通知其DTE准备接收，同时，将载波信号解调为数据信号，从RXD线上送给DTE，

DTE通过串行接收移位寄存器对接收到的位流进行移位，当收到1个字符的全部位流后，把该字符的数据位送到数据输入寄存器，CPU可以从数据输入寄存器读取字符。

②采用专用电话线通信

在通信双方的MODEM之间采用电话线进行通信，则只要使用2～8号信号线进行联络与控制。不需要电话机、振铃信号RI和DTR信号，其信号线的连接如下图3.17所示。

图3.17 采用专用电话线通信连接图（注：该图应自己绘制，不要现成图片！）

（2）近距离通信

当通信距离较近时，可不需要Modem，通信双方可以直接连接，这种情况下，只需使用少数几根信号线。最简单的情况，在通信中根本不需要RS-232C的控制联络信号，只需三根线（发送线、接收线、信号地线）便可实现全双工异步串行通信。

①零Modem 的最简连线（3线制）

图3.18是零MODEM方式的最简单连接（即三线连接），图中的2号线与3号线交叉连接，在直连方式时，把通信双方都当作数据终端设备看待，双方都可发也可收。在这种方式下，通信双方的任何一方，只要请求发送RTS有效和数据终端准备好DTR有效就能开始发送和接收。 RTS与CTS互联，只要请求发送，立即得到允许；DTR与DSR互联，只要本端准备好，认为本端立即可以接收（DSR、数传机准备好）。

②零Modem标准连接

如果想在直接连接时，而又考虑到RS-232C的联络控制信号，则采用零MODEM方式的标准连接方法。如下图3.19所示。RS-232C接口标准定义的所有信号线都用到了，并且是按照DTE和DCE之间信息交换协议的要求进行连接的，只不过是把DTE自己发出的信号线送过来，当作对方DCE发来的信号。

当甲方的DTE准备好，发出DTR信号，该信号直接联至乙方的RI（振铃信号）和DSR（数传机准备好）。即只要甲方准备好，乙方立即产生呼叫（RI）有效，并同时准

备好（DSR）。甲方的RTS和CTS相连，并与乙方的DCD互连。一旦甲方请求发送（RTS），便立即得到允许（CTS），同时，使乙方的DCD有效，即检测到载波信号。甲方的TXD与乙方的RXD相连，一发一收[13]。

图3.18 零Modem 的最简连线图

图3.19 零Modem标准连接图

3.3 设计的硬件电路

通过对上面各组成部分的方案的设计，分析和选用，至此，硬件部分完整的电路图已经定型。具体功能实现电路图如下图3.14所示

图3.14 设计的总体电路图

4 软件部分

4.1 单片机编程

本设计可以用C语言编程序，也可以用汇编语言编程序，本人选择了用C语言编写程序。主要编程序来控制定时、计时中断、和输出等。下面介绍C语言编程的优点。

C语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。C语言有功能丰富的库函数、运算速度快、编译效率高、有良好的可移植性，而且可以直接实现对系统硬件的控制。C语言是一种结构化程序设计语言，它支持当前程序设计中广泛采用的由顶向下结构化程序设计技术。此外，C语言程序具有完善的模块程序结构，从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保障。因此，使用C语言进行程序设计已成为软件开发的一个主流。用C语言来编写目标系统软件，会大大缩短开发周期，且明显地增加软件的可读性，便于改进和扩充，从而研制出规模更大、性能更完备的系统。 4.1.1软件部分设计的功能

软件部分是用来配合硬件电路，控制后面电路的响应，以实现设计预定功能。其主要由两部分功能组成：一部分是是对传感器接受到的信号进行处理；另一部分是实行中断处理，控制事故处理模块。两部分信号的处理都是采用查询方式。本系统采用三点巡

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