1、基于單片機的氧氣濃度檢測控制系統設計摘 要為了防止事故發生，保障礦工的健康和安全，促進生產發展，提高煤炭企業的經濟效益，應對井下的氣象進行檢測，對可能造成災害事故的各種有的害氣體及礦塵進行及時而準確的檢測和嚴格控制，一旦發生災變，必須及時救護遇難人員和處理事故。所有這些都需要有相應的檢測儀器和救護裝備。本文介紹了一種基于at89s51單片機的便攜式氧氣濃度檢測儀的設計與實現。電化學反應式氧化鋯傳感器首先將氧氣濃度信號轉變成電流信號，經調理放大后傳送至單片機at89s51，再經a/d轉換后，進行串口輸出和現場led顯示。采用嵌入式串/網口轉換器將異步串行485通信信號轉換成網絡信號，通過局域網或

2、互聯網進行有線網絡傳輸，以達到遠程監測目的。本系統主要用于檢測空氣中的氧氣濃度，并將檢測數據進行本地和遠程兩種顯示，與此同時還可對測量最大限遠程設定，超限現場聲音報警。通過管理軟件實現歷史數據的顯示與檢測。儀器測量電路具有通用性，配合不同氣敏元件適當調節參數就可實現對氣體的測量。關鍵詞:氧化鋯；at89s51單片機；adc0809；報警oxygen concentration control system design based on scmabstractin order to prevent accidents, protect the health and safety of mine

3、rs, to promote the development of production, improve the economic benefits of coal enterprises to deal with underground weather detection, timely and accurate on a variety of disasters may cause some harmful gas and mineral dust testing and strict control, in the event of disaster, ambulance person

4、nel in distress and handling accident must be timely. all of these need to have the appropriate testing equipment and ambulance equipment.this paper introduces the design and implementation of 89s51 microcontroller - based portable oxygen concentration detector. the electrochemical reaction of oxyge

5、n sensor first oxygen concentration signal into a current signal conditioning zoom send to the microcontroller 89s51 , after a / d converter , serial output and on-site led display . embedded string / network port convert asynchronous serial 485 signals into the network signal, the cable network tra

6、nsmission via lan or the internet in order to achieve the remote monitoring purposes. this system is mainly used to detect airborne oxygen concentration, and test data for both local and remote display, while also measuring the maximum distance set, transfinite live audio alarm. management software

7、achieves the displaying and testing of historical data. the instrument measuring circuit is versatile, suitably adjust parameters can be achieved on the measurement of gas with different gas sensors.keywords: zirconia;single-chipat89s51; adc0809; alarm 目 錄摘 要iabstractii第一章 緒論11.1 氧氣濃度檢測的背景和意義11.2 國內

8、外研究現狀及發展趨勢11.3主要研究的內容3第二章 系統方案論證52.1 檢測方案確定52.1.1方案介紹52.1.2方案比較62.1.3方案確定62.2 單片機的選擇72.3 顯示器的選擇7第3章 硬件設計93.1總體設計方案93.1.1系統框圖93.1.2系統原理與結構93.2 測氧原理103.2.1氧化鋯測氧原理103.2.2系統結構及特點113.2.3氧值運算及輸出113.2.4氧探頭的選擇及介紹113.3 a/d轉換電路113.3.1.adc0809的說明123.3.2adc0809應用說明133.4 單片機的選擇143.4.1 at89s51的介紹143.4.2 at89s51主要

9、特性143.4.3 at89s51管腳說明163.4.4晶振電路193.4.5復位電路193.5報警電路的選擇203.5.1 蜂鳴器介紹203.5.2報警電路213.6 靜態顯示電路223.6.1 74ls138譯碼器223.6.2 74hc4511譯碼器233.6.3 數碼顯示263.6.4 上拉電阻的選擇253.7按鍵選擇與簡介263.8時鐘芯片選擇與設計263.9電源的選擇283.9.1主電源283.9.2 備用電源293.10控制單元313.11網絡傳輸單元32第四章 軟件設計334.1軟件設計結構334.2主程序模塊的設計334.3模數轉換的設計344.4按鍵模塊的設計354.5時鐘

10、模塊的設計364.6顯示模塊的設計37第五章 結論38參考文獻40致 謝41附 錄42第一章 緒論1.1 氧氣濃度檢測的背景和意義 在我國，煤炭絕大多數是井下開采，國家重點煤礦也基本屬于瓦斯礦井。煤礦安全規程第一百條規定，采掘工作面的進風流中，氧氣濃度不得低于百分之二十。空氣中含有氮氣，二氧化碳和氧氣三種主要成分，氧氣占21%，人們一直在這種條件下呼吸氧氣。實際適當提高一些氧氣含量人們機體的感覺會更好。40%-80%，然后加入少量二氧化碳氣體，可以使機體感到非常舒適。煤礦生產是地下作業，自然條件和生產條件都復雜，在采掘過程中出現的瓦斯涌出、煤塵飛揚、自然發火等都有可能造成嚴重事故。為了防止事故

11、發生，保障礦工的健康和安全，促進生產發展，提高煤炭企業的經濟效益，應對井下的氣象進行檢測，對可能造成災害事故的各種有的害氣體及礦塵進行及時而準確的檢測和嚴格控制，一旦發生災變，必須及時救護遇難人員和處理事故。所有這些都需要有相應的檢測儀器和救護裝備。 對煤礦井下氧氣濃度連續檢測是現代煤礦生產中必不可少的重要工作。鑒于傳統的模擬式氧氣濃度報警儀精度不高且不能數字顯示, 由于井下空氣中的含氧氣量不易控制，所以設想研制出一種由單片機控制的氧氣濃度檢測系統。1.2 國內外研究現狀及發展趨勢 去年又接連發生了多起礦井安全事故，事故的結果觸目驚心，因此通過強化管理，提高通風、氧氣及甲烷濃度檢測監控水平，已

12、成為中小型煤礦檢測監控的最迫切的任務之一。實踐證明，煤礦生產安全監控系統對保障煤礦安全生產，提高煤礦生產率，提高煤礦自動化程度以及促進煤礦管理現代化水平，都有著舉足輕重的作用。煤礦生產安全監控系統雖在國內已有生產和應用，但還沒有一種真正適合于中小型煤礦使用的產品，我國從八十年代初期開始引進煤礦生產安全監控系統，歷經了直接引進、消化吸收、仿制配套、自主開發的過程，但迄今為止的產品大多都是面對大型礦井設計的，而且自身尚有一些有待解決的問題，如:造價高，系統最基本的配置過于龐大，運行費用大。傳感器測量穩定性差，調校頻繁，壽命短。系統安裝、維護復雜，操作不便，人機界面較差。系統設備可靠性差。必須依賴專

13、業的維護隊伍，對人員技術，素質有較高的要求。目前市面上流行的at-b-o2便攜式氧氣檢測報警儀，可在工業環境中連續檢測氧氣濃度。采用進口電化學傳感器，先進穩定的電路設計，整機性能居國內領先水平。高音量蜂鳴器報警，可以使用戶在各種惡劣環境中及時有效地得到儀器報警信號。 honeywell impulse xp的性能更加完善。它裝有高級傳感器，可以測量更多種類的毒氣體。小巧精致的外觀適合更多數用戶的需要。緊湊的外形設計易于維護是此款機型的最本質特點。報警時xp發出響亮的聲音和超亮的燈光警報。標準配置還具有振動報警功能，以便在嘈雜的環境使用時引起使用者的注意。honeywell impulse xp

14、性能穩定可靠，讀數準確，抗電池干擾。另外它還有持續顯示氣體濃度值.顯示15分鐘和8小時平均值.兩級報警和峰值鎖定的功能。由于使用了溫度校正和抗中毒傳感器。xp確定保反復測量時具有高精確度。運行成本低廉。內置的衰減補償電池將兩次校正間的時間延長至12個月，常用的傳感器壽命大于兩年，電池壽命三年，操作費用減至最低。電池和傳感器更換容易。portasensii便攜式氣體檢測儀能在現場檢測環境空氣中的有毒有害氣體，可用于環境應急監測、職業衛生場所有毒有害氣體檢測、石化企業安全檢測以及儲運、泄露檢測等。該儀器最出色的特點是它能通過更換相應傳感器模塊檢測多種類型的氣體，即不需為每 種類型的氣體分別購買單獨

15、的主機，一臺檢測儀與不同的傳感器結合使用，就能檢測超過30種不同的氣體，傳感器可以即插即用，不需再次校準。檢測量程可在最大量程和最小量程范圍之間任意可調，可以根據檢測的需要自由設置量程。通過一個rs-232 接口和專用接口電纜及專用軟件，儀器可對電腦進行上傳和下載數據。 此外還有固定式氧氣檢測探頭，數字顯示型氧氣檢測探頭以及法國奧德姆氧氣檢測探頭等。1.3主要研究的內容 儀器的設計，本著簡明、科學、實用的原則，力求從整體出發，從實際使用出發，突出系統的可靠性、免維護、免培訓等特點和系統結構的簡明和完整性，把對操作人員的專業技術要求降到最低，發揮系統整體設計的優勢，使系統整體性能達到最佳，功能強

16、大而操作簡單，測量精確而維護方便。在系統設計中，應充分應用近年來發展起來的各種新技術、新器件、新方法，在保證各項性能指標能夠滿足系統各方面要求的前提下，力求簡化結構，降低成本，提高可靠性和穩定性。作為一種完整的氧氣濃度監控系統，它至少應具備以下設備和功能:1.氣體傳感器:能感知環境中氧氣濃度的一種敏感元件，它能將與氣體種類和濃度有關的信息轉換成電信號。 a,監測要素的采集，轉換。 b,轉換后電信號的處理，加工。2.顯示單元：根據測量信號，由單片機將待顯示的數據按相應方式進行數據傳輸送給顯示處理模塊顯示與儀表。3.聲光報警單元：當檢測氣體濃度超出設定報警值時，發出聲光報警。4.通訊單元：將采集數

17、據通過通訊方式進行數據通訊。5.數據采集分析軟件：編寫串口通訊軟件，實現氣體數據的采集，分析以及保存。第二章 系統方案論證2.1 檢測方案確定在目前檢測氧濃度的方法中，有很多的方法都可以檢測到氧氣濃度，比如電化學、順磁氧、氧化鋯方法及超聲波流量濃度檢測法。 2.1.1方案介紹方案一：氧化鋯測氧法原理：穩定氧化鋯在高溫下呈現的離子導電現象。在氧化鋯電解質(zro2管)的兩側面分別燒結上多孔鉑（pt）電極。檢測方式是通過導引管，將被測氣體導入氧化鋯檢測室，再通過加熱元件把氧化鋯加熱到工作溫度（650以上）。氧化鋯一般采用管狀，電極采用多孔鉑電極。方案二：流量濃度原理：在充滿流體的管道內，超聲脈沖經

18、流體傳播，在順流方向和逆流方向有不同的傳播時間，氣體流速不同逆流和順流的時間差就不同，通過時間差就能檢測到氣體的流速。濃度的檢測也是用同樣的超聲波脈沖，在二元氣體的組分下，兩種組分的濃度比不同，超聲脈沖在氣體中的傳播速度也不同。超聲測量儀表的流量測量準確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、粘度、密度等參數的影響，可制作成非接觸及便攜式測量儀表，故可解決其它類型儀表所難以測量的強腐蝕性、非導電性、放射性及易燃易爆介質的流量測量問題。另外，鑒于非接觸測量特點，再配以合理的電子線路，一臺儀表可適應多種管徑測量和多種流量范圍測量。超聲波流量計的適應能力也是其它儀表不可比擬的。超聲波流量計具有上述一些優點因此

19、它越來越受到重視并且向產品系列化、通用化發展，現已制成不同聲道的標準型、高溫型、防爆型、濕式型儀表以適應不同介質，不同場合和不同管道條件的流量測量。方案三：電化學原理：電化學傳感器通過與被測氣體發生反應并產生與氣體濃度成正比的電信號來工作。典型的電化學傳感器由傳感電極（或工作電極）和反電極組成，并由一個薄電解層隔開。氣體首先通過微小的毛管型開孔與傳感器發生反應，最終到達電極表面。通過電極間連接的電阻器，與被測氣濃度成正比的電流會在正極與負極間流動。測量該電流即可確定氣體濃度。2.1.2方案比較氧化鋯測氧法：其優點是不受檢測氣體溫度的影響，通過采用不同的導流管可以檢測各種溫度氣體中的氧含量，這種

20、靈活性被運用在許多工業在線檢測上。其缺點是反應時間慢；結構復雜，容易影響檢測精度；加熱器一般用電爐絲加熱，壽命不長。超聲波流量濃度：目前所存在的缺點主要是可測流體的溫度范圍受超聲波換能器與管道之間的耦合材料耐溫程度的限制，以及高溫下被測流體傳聲速度的原始數據不全。目前我國只能用于測量200以下的流體。另外，超聲波流量計的測量線路比一般流量計復雜。這是因為，一般工業計量中液體的流速常常是每秒幾米，而聲波在液體中的傳播速度約為1500ms左右，被測流體流速(流量)變化帶給聲速的變化量最大也是103數量級若要求測量流速的準確度為1，則對聲速的測量準確度需為10-510-6數量級，因此必須有完善的測量

21、線路才能實現，這也正是超聲波流量計只有在集成電路技術迅速發展的前提下才能得到實際應用的原因。2.1.3方案確定三種傳感器的檢測氧氣的方式各有優缺點，但在實際制氧機行業應用和測試中，超聲波氧氣流量濃度傳感器具有，壽命長、無消耗、免維護。尤其是免維護免校準，減少了最終用戶對儀器性能的疑問。其次連續檢測，具有流量、濃度同時測量的特點，有助于今后儀器功能的升級。比如今后流量、濃度數字顯示。經過長期測試，超聲波氧氣濃度傳感器是能夠滿足制氧機的濃度檢測需要。 氧化鋯傳感器被用于英維康公司，但據相關廠家介紹，定期給最終用戶郵寄氧化鋯電解池。電化學傳感器雖然檢測精度最高，但壽命和經常需要校準的特點不適用于制氧

22、機行業，最終客戶沒有能力校準。所以不建議大規模運用。首先否定電化學測氧濃度，方案定格在氧化鋯及超聲波流量測氧發。由于超聲波傳感器造價昂貴，這與我們的節約理念相悖，而且氧化鋯傳感器不僅造價低廉，而且工藝簡單，適用于大規模生產。所以此處采用方案一。2.2 單片機的選擇 at89s51是一個低功耗，高性能cmos8位單片機，片內含4k bytes isp(in-system programmable)的可反復擦寫1000次的flash只讀程序存儲器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準mcs-51指令系統及80c51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和isp flas

23、h存儲單元，功能強大的微型計算機的at89s51可為許多嵌入式控制應用系統提供高性價比的解決方案。而且at89s51實現了isp下載功能，取代了89c系列的下載方式，加之價格低廉，故而此處選用at89s51單片機來控制。2.3 顯示器的選擇 目前廣泛使用的顯示器件主要有led（二極管顯示器）、lcd（液晶顯示器）、和vfd（真空熒光管）等。led顯示器造價低廉，與單片機接口方便靈活,技術易于實現，但只能顯示阿拉伯數字和少數字符，通常用于對顯示要求不高的場合。lcd和vfd顯示器成本較高，可以顯示包括漢字在內的多種字符，甚至是復雜的圖形，并且耗電極省，可廣泛用于各種終端設備，如pda、手機、觸摸

24、屏等等。由于此處只要求顯示器顯示數值，本著節約成本因此選用led作為顯示器件。第3章 硬件設計3.1總體設計方案3.1.1系統框圖測量系統由單片機，傳感器，ad轉換電路，顯示電路和控制電路等組成。控制單元氧氣檢測調理單元處理單元網絡傳輸單元遠端顯示單元報警單元現場顯示單元電源單元 圖3.1總體設計方案3.1.2系統原理與結構 （1）氧氣檢測調理單元對信號進行采集，轉換，放大，輸出一個易于檢測的電壓信號。 （2）處理單元完成對前面單元向其輸入信號的ad轉換，處理顯示，串口輸出與存儲三方面的實現。 （3）網絡傳輸單元將串口輸出轉為網口輸出并通過有線傳輸到網絡。 （4）現場顯示單元從處理單元得到數據

25、后進行顯示。 （5）遠端處理顯示單元將從網絡傳輸單元接收到的網絡數據進行實時顯示。 （6）報警單元完成超限濃度報警任務，由軟件控制其報警值。 （7）電源單元完成對整個系統的供電，需要同時向氧氣檢測調理單元，處理單元，現場單元顯示和報警單元供電。3.2 測氧原理3.2.1氧化鋯測氧原理氧氣濃度的高低與氧分壓、溫度、氣體常數等多種因素有關。氧化鋯定氧探頭首先把氧分壓轉換為電壓eo, 溫度傳感器把室內溫度t 轉換為溫度電壓, 送入單片機, 在單片機內進行計算即可得到氧氣濃度的大小,即: (3-1)式中: p x 為氧分壓, 反映氧氣濃度的大小; r 為氣體常數; f為farady 常數; p a 為

26、參考氣體中的氧分壓, 可以事先用標準儀器測定。px 值與設定值進行比較, 可以確定是否啟動或停止換氣扇。氧化锫測氧是利用氧化鋯濃差電池原理來測定氣體中氧含量的電化學分析方法。如圖2示，測氧系統的氧敏感元件氧化鋯元件是由氧化釔或氧化鈣穩定的氧化鋯材料組成。在高溫條件下，它是良好的氧離子導體。在理想狀態下，當氧化鋯元件內、外電極表面氧含量不同時便形成一個氧濃差電池，產生電池電動勢。 圖3.2 氧化鋯濃差電池原理3.2.2系統結構及特點 由測氧原理可知氧量測量系統重點要考慮的問題有：（1）氧化鋯元件兩電極間存在濃度差時才會產生差電勢，所以測量系統中傳感器結構需要考慮把被測氣體與空氣完全隔絕才能進行準

27、確測量。（2）氧化鋯元件具有在高溫條件下才會電解的特性所以單片機系統除了分析及運算的部分外還要有溫度檢測及加熱控制單元。3.2.3氧值運算及輸出氧量及溫度毫伏信號經過放大后與室溫信號一同進入通道選擇器，由ad轉換模塊循環選擇進行轉換，中央處理單元mcu讀取轉換結果并計算相應溫度及氧量值。mcu計算結果一路經光電耦合隔離后進入da轉換變為模擬信號。再經過vi轉換變為4ma20ma和010ma電流信號輸出：另一路mcu輸出串行輸入到顯示驅動專用集成模塊后控制4位led顯示測量結果。3.2.4氧探頭的選擇及介紹由于需要將氧化鋯直接插入檢測氣氛中，對氧探頭的長度有較高要求，一般直插式氧探頭的有效長度在

28、500-1000mm左右，特殊的環境長度可達1500mm。因此直插式氧探頭很難采用傳統氧化鋯氧探頭的整體氧化鋯管狀結構，而多采取技術要求較高的氧化鋯和氧化鋁管連接的結構。因此密封性能是這種氧化鋯氧探頭的最關鍵技術之一。目前國際上最先進的連接方式，是將氧化鋯與氧化鋁管永久的焊接在一起，其密封性能極佳。與采樣式檢測方式比，直插式檢測有顯而易見的優點：氧化鋯直接接觸氣氛，檢測精度高，反應速度快，維護量較小。氧傳感器使用時，引入被測氣體的方式有直插式和擴散式兩種。直插式響應時間短，不需要加熱器，結構簡單，小型輕便，但要求同時檢測被測氣體的溫度。擴散式由于氧探頭的溫度由加熱器控制，因此測量精度高，工作可

29、靠，但響應時間取決于氣體的流量。直插式氧探頭的工作環境惡劣，且對檢測精度、工作穩定性和工作壽命都要求較高，采用新的技術，克服了傳統氧化鋯氧探頭的不足。3.3 a/d轉換電路3.3.1.adc0809的說明 adc0809是帶有8位a/d轉換器、8路多路開關以及微處理機兼容的控制邏輯的cmos組件。它是逐次逼近式a/d轉換器，可以和單片機直接接口。adc0809由一個8路模擬開關、一個地址鎖存與譯碼器、一個a/d轉換器和一個三態輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用a/d轉換器進行轉換。三態輸出鎖器用于鎖存a/d轉換完的數字量，當oe端為高電平時，才可以從三態輸

30、出鎖存器取走轉換完的數據。 圖3.3 adc0809引腳圖in0in7：8條模擬量輸入通道 adc0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是05v，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。 地址輸入和控制線：4條 ale為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ale線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將a，b，c三條地址線的地址信號進行鎖存，經譯碼后被選中的通道模擬量輸入轉換器進行轉換。a，b和c為地址輸入線，用于選通in0in7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如下表1所示。數字量輸出及控制線：11條 st為轉換啟動信號。當s

31、t到上跳沿時，所有內部寄存器清零；下跳沿時，開始進行a/d轉換；在轉換期間，st應保持低電平。eoc為轉換結束信號。當eoc為高電平時，表明轉換結束；否則，表明正在進行a/d轉換。oe為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數據。oe1，輸出轉換得到的數據；oe0，輸出數據線呈高阻狀態。d7d0為數字量輸出線。 clk為時鐘輸入信號線。因adc0809的內部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500khz，vref（），vref（）為參考電壓輸入。表3.1 通道的選擇cba 通道000in0001in1010in2011in3100in4101in511

32、0in5111in63.3.2adc0809應用說明 （1）adc0809內部帶有輸出鎖存器，可以與at89s51單片機直接相連。 （2）初始化時，使st和oe信號全為低電平。 （3）送要轉換的哪一通道的地址到a，b，c端口上。 （4）在st端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。 （5）是否轉換完畢，我們根據eoc信號來判斷。 （6）當eoc變為高電平時，這時給oe為高電平，轉換的數據就輸出給單片機了。 3.4 單片機的選擇3.4.1 at89s51的介紹 at89s51是一個低功耗，高性能cmos 8位單片機，片內含4k bytes isp(in-system programmable)

33、的可反復擦寫1000次的flash只讀程序存儲器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準mcs-51指令系統及80c51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和isp flash存儲單元，功能強大的微型計算機的at89s51可為許多嵌入式控制應用系統提供高性價比的解決方案。at89s51具有如下特點：40個引腳，4k bytes flash片內程序存儲器，128 bytes的隨機存取數據存儲器（ram），32個外部雙向輸入/輸出（i/o）口，5個中斷優先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數器,2個全雙工串行通信口，看門狗（wdt）電路，片內時鐘振蕩器。 此外，

34、at89s51設計和配置了振蕩頻率可為0hz并可通過軟件設置省電模式。空閑模式下，cpu暫停工作，而ram定時計數器，串行口，外中斷系統可繼續工作，掉電模式凍結振蕩器而保存ram的數據，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有pdip、tqfp和plcc等三種封裝形式，以適應不同產品的需求。 3.4.2 at89s51主要特性(1)8031 cpu與mcs-51 兼容。(2)4k字節可編程flash存儲器(壽命：1000寫/擦循環)。(3)全靜態工作：0hz-33mhz。(4)三級程序存儲器保密鎖定。(5)128*8位內部ram。(6)32條可編程i/o線。(7)兩個16位定

35、時器/計數器。(8)6個中斷源。(9)可編程串行通道。(10)低功耗的閑置和掉電模式。(11)片內振蕩器和時鐘電路。3.4.3 at89s51管腳說明 圖3.4 at89s51管腳圖 vcc：供電電壓。 gnd：接地。 p0口：p0口為一個8位漏級開路雙向i/o口，每腳可吸收8ttl門電流。當p1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在fiash編程時，p0 口作為原碼輸入口，當fiash進行校驗時，p0輸出原碼，此時p0外部必須被拉高。 p1口：p1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口緩沖器能接收輸出4ttl門

36、電流。p1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在flash編程和校驗時，p1口作為第八位地址接收。 p2口：p2口為一個內部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可接收，輸出4個ttl門電流，當p2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。p2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，p2口輸出其特殊功能寄存器的內

37、容。p2口在flash編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 p3口：p3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向i/o口，可接收輸出4個ttl門電流。當p3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流（ill）這是由于上拉的緣故。 p3.0 rxd（串行輸入口） p3.1 txd（串行輸出口） p3.2 /int0（外部中斷0） p3.3 /int1（外部中斷1） p3.4 t0（記時器0外部輸入） p3.5 t1（記時器1外部輸入） p3.6 /wr（外部數據存儲器寫選通） p3.7 /rd（外部數據存儲器讀選通） p3口同時為閃爍編程和

38、編程校驗接收一些控制信號。 i/o口作為輸入口時有兩種工作方式，即所謂的讀端口與讀引腳。讀端口時實際上并不從外部讀入數據，而是把端口鎖存器的內容讀入到內部總線，經過某種運算或變換后再寫回到端口鎖存器。只有讀端口時才真正地把外部的數據讀入到內部總線。上面圖中的兩個三角形表示的就是輸入緩沖器cpu將根據不同的指令分別發出讀端口或讀引腳信號以完成不同的操作。這是由硬件自動完成的，不需要我們操心，1然后再實行讀引腳操作，否則就可能讀入出錯，為什么看上面的圖，如果不對端口置1端口鎖存器原來的狀態有可能為0q端為0q為1加到場效應管柵極的信號為1，該場效應管就導通對地呈現低阻抗，此時即使引腳上輸入的信號為

39、1，也會因端口的低阻抗而使信號變低使得外加的1信號讀入后不一定是1。若先執行置1操作，則可以使場效應管截止引腳信號直接加到三態緩沖器中實現正確的讀入，由于在輸入操作時還必須附加一個準備動作，所以這類i/o口被稱為準雙向口。89c51的p0/p1/p2/p3口作為輸入時都是準雙向口。接下來讓我們再看另一個問題，從圖中可以看出這四個端口還有一個差別，除了p1口外p0p2p3口都還有其他的功能。 rst：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持rst腳兩個機器周期的高電平時間。 ale/prog：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節。在flash編程期間，此引腳用于輸入編程脈

40、沖。在平時，ale端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ale脈沖。如想禁止ale的輸出可在sfr8eh地址上置0。此時， ale只有在執行movx，movc指令是ale才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態ale禁止，置位無效。 /psen：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/psen有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/psen信號將不出現。 /ea/vpp：當/ea保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（

41、0000h-ffffh），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/ea將內部鎖定為reset；當/ea端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在flash編程期間，此引腳也用于施加12v編程電源（vpp）。 xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 xtal2：來自反向振蕩器的輸出。 3.4.4晶振電路晶振電路在各種指令的微操作在時間上有嚴格的次序，這種微操作的時間次序稱作時序，單片機的時鐘信號用來為單片機芯片內部各種微操作提供時間基準，89c51的時鐘產生方式有兩種，一種是內部時鐘方式，一種是外部時鐘方式。內部時鐘方式即在單片機的外部接一個晶振電路與單片機里面的振蕩器組合

42、作用產生時鐘脈沖信號，外部時鐘方式是把外部已有的時鐘信號引入到單片機內，此方式常用于多片89c51單片機同時工作，以便于各單片機的同步，一般要求外部信號高電平的持續時間大于20ns.且為頻率低于12mhz的方波。對于chmos工藝的單片機，外部時鐘要由xtal1端引入，而xtal2端應懸空。本系統中為了盡量降低功耗的原則，采用了內部時鐘方式。電路圖見圖3.5。圖3.5 晶振電路圖在at89s51單片機的內部有一個震蕩電路，只要在單片機的xtal1和xtal2引腳外接石英晶體（簡稱晶振）就構成了自激振蕩器并在單片機內部產生時鐘脈沖信號，圖中電容器c1和c2穩定頻率和快速起振，晶振cry選擇的是1

43、2mhz。3.4.5復位電路復位的意義復位電路在單片機工作中仍然是不可缺少的主要部件中，單片機工作時必須處于一種確定的狀態。端口線電平和輸入輸出狀態不確定可能使外圍設備誤動作，導致嚴重事故的發生；內部一些控制寄存器（專用寄存器）內容不確定可能導致定時器溢出、程序尚未開始就要中斷及串口亂傳向外設發送數據。復位電路原理 圖3.6上電復位電路圖本設計中復位電路采用的是上電復位與手動復位電路，開關未按下是上電復位電路，上電復位電路在上電的瞬間，由于電容上的電壓不能突變，電容處于充電（導通）狀態，故rst腳的電壓與vcc相同。隨著電容的充電，rst腳上的電壓才慢慢下降。選擇合理的充電常數，就能保證在開關

44、按下時是rst端有兩個機器周期以上的高電平從而使at89c52內部復位。開關按下時是按鍵手動復位電路，rst端通過電阻與vcc電源接通，通過電阻的分壓就可以實現單片機的復位。電路圖見圖3.7。圖3.7 復位電路圖3.5報警電路的選擇3.5.1 蜂鳴器介紹蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產生磁場，振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性的振動發聲。壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。

45、多諧振蕩器由晶體管或集成電路構成，當接通電源后（1.515v直流工作電壓），多諧振蕩器起振,輸出1.52.5khz的音頻信號，阻抗匹配器推動蜂鳴片發聲。見下圖 圖3.8蜂鳴器電路圖蜂鳴器用來作為報警指示，選用直流型fm125v型號。蜂鳴器工作電壓為+5v，工作電流在20ma以上。單片機的驅動電流不夠，不能直接驅動，必須外接功率驅動。因此，選用pnp型三極管9012作為蜂鳴器的功率驅動，與基極相連的電阻取2k，保證三極管工作在飽和狀態。3.5.2報警電路 圖3.9 報警電路在單片機應用系統中，一般的工作狀態可以通過指示燈或數碼顯示來指示，供操作人員參考，了解系統的工作狀況。但對于緊急狀態，比如系

46、統檢測到的錯誤狀態等，往往還需要有某種更能引人注意，及時采取措施，往往還需要有某種更能引人注意，提起警覺的報警信號。這種報警信號通常有三種類型：一是閃光報警，因為閃動的指示燈更能提醒人們注意；二是鳴音報警，發出特定的音響，作用于人的聽覺器官，易于引起和加強警覺；三是語音報警，不僅能起到報警作用，還能直接給出警報種類的信息。其中，前兩種報警裝置因硬件結構簡單，軟件編程方便，常常在單片機應用系統中使用；而語音報警雖然警報信息較直接，但硬件成本高，結構較復雜。單頻音報警的接口電路比較簡單，其發音元件通常可采用壓電蜂鳴器，當在蜂鳴器兩引腳上加315v直流工作電壓，就能產生3khz左右的蜂鳴振蕩音響。壓

47、電式蜂鳴器，約需10ma的驅動電流，可在某端口接上一只三極管和電阻組成的驅動電路來驅動，如圖3-14所示。在圖3-14中，p1.0接三極管基極輸入端，當p1.0輸出高電平“1”時，三極管導通，蜂鳴器的通電而發音，當p1.0輸出低電平“0”時，三極管截止，蜂鳴器停止發音。3.6 靜態顯示電路3.6.1 74ls138譯碼器 用與非門組成的3線-8線譯碼器74ls138 圖3.10 74ls138管腳圖功能介紹：38譯碼器，是ttl系列的，也就是74系列。有三個輸入端a0，a1,a2,其中a2是高位，輸出是八個低電平輸出y0 y7，工作電壓一般的5v就可以了，舉個例子，你a0，a1,a2依次輸入0

48、00，輸出就是y0，輸入依次是001，輸出就是y1。表3.2 3線-8線譯碼器74ls138的功能表 輸 入 輸 出s1s2+s3a2a1a0012345670xxxx11111111x1xxx11111111100000111111110001101111111001011011111100111110111110100111101111010111111011101101111110110111111111103.6.2 74hc4511譯碼器 74hc4511是8421bcd碼七段顯示譯碼器。 圖3.11 74hc4511管腳圖3.6.3 數碼顯示 七段顯示器主要有熒光數碼管和半導體顯示

49、器、液晶數碼顯示器。半導體（發光二極管）顯示器是數字電路中比較方便使用的顯示器。它有共陽極和共陰極兩種接法，如圖所示。 圖3.12 半導體顯示器接法 數字顯示譯碼器將bcd代碼譯成數碼管顯示字所需要的相應高、低電平信號，使數碼管顯示出bcd代碼所表示的對應十進制數，這是一種代碼譯碼器。 圖3.13 74hc4511與顯示器的連接示意圖3.6.4 上拉電阻的選擇 在主電路圖中接在p0口處有一個排阻rp1，由于p0口沒有內接上拉電阻，為了為p0口外接線路有確定的高電平，所以要接上排阻rp1，以確保有p0口有穩定的電平。電路連接圖見圖3-14。 圖3.14 上拉電阻的接法3.7按鍵選擇與簡介（1）本

50、系統選擇獨立式按鍵。鍵盤分為：獨立式和矩陣式兩類，每一類按其編碼方法又可以分為編碼和非編碼兩種。本系統具有人機對話功能，該功能即能隨時發出各種控制命令和數據輸入以及和lcd連接顯示運行狀態和運行結果。由于本系統只有up、down、ok、cancel4個控制命令，所需按鍵較少，所以本系統選擇獨立式按鍵。電路圖見圖3-15。 圖3.15 按鍵電路圖（2）獨立式按鍵是直接用i/o口線構成的單個按鍵電路。每個獨立式按鍵占有一根i/o口線。各根i/o口線之間不會相互影響。在此電路中，按鍵輸入部采用低電平有效，上拉電阻保證了按鍵斷開時，i/o口線有確定的高電平，（at89c52.p1口內部接有上拉電阻）所

51、以就不需要再外接上拉電阻。（3）鍵盤抖動的消除：抖動的消除大致可以分為硬件削抖和軟件削抖。硬件削抖是采用硬件電路的方法對鍵盤的按下抖動及釋放抖動進行削抖，經過削抖電路后使按鍵的電平信號只有兩種穩定狀態。3.8時鐘芯片選擇與設計在本系統，我們選擇了ds1302時鐘芯片。因為此系統需要記錄測量發生的時間，所以需要時鐘芯片來記錄不同時間的監測數據，因此我們在系統中加入了時鐘芯片。（1）我們時鐘電路選擇的芯片是ds1302，其內含一個實時時鐘/日歷和31字節靜態ram，可以通過串行接口與單片機通信。而通信時，僅需要3個口線：res（復位），i/o數據線，sclk（串行時鐘）。時鐘/ram的讀/寫數據以

52、一字節或多達31字節的字符組方式通信。（2）ds1302主要性能有：時鐘能計算2100年之前的秒、分、時、日、日期、星期、月、年的能力，還有閏年的調整能力；讀/寫時鐘或ram數據時，有單字節和多字節傳送兩種方式，與ds1202/ttl兼容。（3）ds1302引腳概述：x1，x2；振蕩源，外接32.768khz晶振；sclk：行時鐘輸入端。見表3.3。晶體振蕩器的選擇：一個32.768khz的晶振可以直接接在ds1302的2、3管腳之間，可以設定規定載荷電容為6pf。電源控制：vcc1可提供單電源控制也可以用來作為備用電源，vcc2為主電源。在主電源關閉的情況下，也可以保持時鐘的連續運行。ds1302由vcc1或vcc2兩者中的較大者供電。當vcc2大于vcc1+0.2v時，vcc2給ds1302供電；當vcc2小與vcc1時，ds1302由vcc1供電。表3.3時鐘控制字對照表寄存器名命令字取值范圍各位內容寫操作讀操作765430秒寄存器80h81h0059ch10secsec時寄存器84h85h0112 002312/24010/（a/p）hrhr日寄存器86h87h0128，29、30、310010datedate月寄存器88h89h011200010mmonth周寄存器8