基于单片机的氧气浓度检测控制系统设计说明

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1、 基于单片机的氧气浓度检测控制系统设计摘 要为了防止事故发生，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，应对井下的气象进行检测，对可能造成灾害事故的各种有的害气体与矿尘进行与时而准确的检测和严格控制，一旦发生灾变，必须与时救护遇难人员和处理事故。所有这些都需要有相应的检测仪器和救护装备。本文介绍了一种基于AT89S51单片机的便携式氧气浓度检测仪的设计与实现。电化学反应式氧化锆传感器首先将氧气浓度信号转变成电流信号，经调理放大后传送至单片机AT89S51，再经A/D转换后，进行串口输出和现场LED显示。采用嵌入式串/网口转换器将异步串行485通信信号转换成网络信号，通过局域网

2、或互联网进行有线网络传输，以达到远程监测目的。本系统主要用于检测空气中的氧气浓度，并将检测数据进行本地和远程两种显示，与此同时还可对测量最大限远程设定，超限现场声音报警。通过管理软件实现历史数据的显示与检测。仪器测量电路具有通用性，配合不同气敏元件适当调节参数就可实现对气体的测量。关键词:氧化锆；AT89S51单片机；ADC0809；报警Oxygen Concentration Control System Design Based on SCMAbstractIn order to prevent accidents, protect the health and safety of min

3、ers, 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 perso

4、nnel 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 oxyg

5、en 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 tr

6、ansmission 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 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 氧气浓度检测的背景和意义11.2 国外研

8、究现状与发展趋势11.3主要研究的容3第二章 系统方案论证52.1 检测方案确定52.1.1方案介绍52.1.2方案比较62.1.3方案确定62.2 单片机的选择72.3 显示器的选择7第3章 硬件设计93.1总体设计方案93.1.1系统框图93.1.2系统原理与结构93.2 测氧原理103.2.1氧化锆测氧原理103.2.2系统结构与特点113.2.3氧值运算与输出113.2.4氧探头的选择与介绍113.3 A/D转换电路113.3.1.ADC0809的说明123.3.2ADC0809应用说明133.4 单片机的选择143.4.1 AT89S51的介绍143.4.2 AT89S51主要特性1

9、43.4.3 AT89S51管脚说明163.4.4晶振电路193.4.5复位电路193.5报警电路的选择203.5.1 蜂鸣器介绍203.5.2报警电路213.6 静态显示电路223.6.1 74LS138译码器223.6.2 74HC4511译码器233.6.3 数码显示263.6.4 上拉电阻的选择253.7按键选择与简介263.8时钟芯片选择与设计263.9电源的选择283.9.1主电源283.9.2 备用电源293.10控制单元313.11网络传输单元32第四章 软件设计334.1软件设计结构334.2主程序模块的设计334.3模数转换的设计344.4按键模块的设计354.5时钟模块的

10、设计364.6显示模块的设计37第五章 结论38参考文献40致 41附 录4252 / 57第一章 绪论1.1 氧气浓度检测的背景和意义 在我国，煤炭绝大多数是井下开采，国家重点煤矿也基本属于瓦斯矿井。煤矿安全规程第一百条规定，采掘工作面的进风流中，氧气浓度不得低于百分之二十。空气中含有氮气，二氧化碳和氧气三种主要成分，氧气占21%，人们一直在这种条件下呼吸氧气。实际适当提高一些氧气含量人们机体的感觉会更好。40%-80%，然后加入少量二氧化碳气体，可以使机体感到非常舒适。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

11、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，应对井下的气象进行检测，对可能造成灾害事故的各种有的害气体与矿尘进行与时而准确的检测和严格控制，一旦发生灾变，必须与时救护遇难人员和处理事故。所有这些都需要有相应的检测仪器和救护装备。 对煤矿井下氧气浓度连续检测是现代煤矿生产中必不可少的重要工作。鉴于传统的模拟式氧气浓度报警仪精度不高且不能数字显示, 由于井下空气中的含氧气量不易控制，所以设想研制出一种由单片机控制的氧气浓度检测系统。1.2 国外研究现状与发展趋势 去年又接连发生了多起矿井安全事故，事故的结果触目惊心，因此通过强化管理，提高通风、氧气与甲烷浓度检测监控水平

12、，已成为中小型煤矿检测监控的最迫切的任务之一。实践证明，煤矿生产安全监控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与促进煤矿管理现代化水平，都有着举足轻重的作用。煤矿生产安全监控系统虽在国已有生产和应用，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控系统，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:造价高，系统最基本的配置过于庞大，运行费用大。传感器测量稳定性差，调校频繁，寿命短。系统安装、维护复杂，操作不便，人机界面较差。系统设备可靠性差。必须依赖

13、专业的维护队伍，对人员技术，素质有较高的要求。目前市面上流行的AT-B-O2便携式氧气检测报警仪，可在工业环境中连续检测氧气浓度。采用进口电化学传感器，先进稳定的电路设计，整机性能居国领先水平。高音量蜂鸣器报警，可以使用户在各种恶劣环境中与时有效地得到仪器报警信号。 Honeywell Impulse XP的性能更加完善。它装有高级传感器，可以测量更多种类的毒气体。小巧精致的外观适合更多数用户的需要。紧凑的外形设计易于维护是此款机型的最本质特点。报警时XP发出响亮的声音和超亮的灯光警报。标准配置还具有振动报警功能，以便在嘈杂的环境使用时引起使用者的注意。Honeywell Impulse XP

14、性能稳定可靠，读数准确，抗电池干扰。另外它还有持续显示气体浓度值.显示15分钟和8小时平均值.两级报警和峰值锁定的功能。由于使用了温度校正和抗中毒传感器。XP确定保反复测量时具有高精确度。运行成本低廉。置的衰减补偿电池将两次校正间的时间延长至12个月，常用的传感器寿命大于两年，电池寿命三年，操作费用减至最低。电池和传感器更换容易。PortaSensII便携式气体检测仪能在现场检测环境空气中的有毒有害气体，可用于环境应急监测、职业卫生场所有毒有害气体检测、石化企业安全检测以与储运、泄露检测等。该仪器最出色的特点是它能通过更换相应传感器模块检测多种类型的气体，即不需为每 种类型的气体分别购买单独的

15、主机，一台检测仪与不同的传感器结合使用，就能检测超过30种不同的气体，传感器可以即插即用，不需再次校准。检测量程可在最大量程和最小量程围之间任意可调，可以根据检测的需要自由设置量程。通过一个RS-232 接口和专用接口电缆与专用软件，仪器可对电脑进行上传和下载数据。 此外还有固定式氧气检测探头，数字显示型氧气检测探头以与法国奥德姆氧气检测探头等。1.3主要研究的容 仪器的设计，本着简明、科学、实用的原则，力求从整体出发，从实际使用出发，突出系统的可靠性、免维护、免培训等特点和系统结构的简明和完整性，把对操作人员的专业技术要求降到最低，发挥系统整体设计的优势，使系统整体性能达到最佳，功能强大而操

16、作简单，测量精确而维护方便。在系统设计中，应充分应用近年来发展起来的各种新技术、新器件、新方法，在保证各项性能指标能够满足系统各方面要求的前提下，力求简化结构，降低成本，提高可靠性和稳定性。作为一种完整的氧气浓度监控系统，它至少应具备以下设备和功能:1.气体传感器:能感知环境中氧气浓度的一种敏感元件，它能将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号。a,监测要素的采集，转换。 b,转换后电信号的处理，加工。2.显示单元：根据测量信号，由单片机将待显示的数据按相应方式进行数据传输送给显示处理模块显示与仪表。3.声光报警单元：当检测气体浓度超出设定报警值时，发出声光报警。4.通讯单元：将采集数据通过通

17、讯方式进行数据通讯。5.数据采集分析软件：编写串口通讯软件，实现气体数据的采集，分析以与保存。第二章 系统方案论证2.1 检测方案确定在目前检测氧浓度的方法中，有很多的方法都可以检测到氧气浓度，比如电化学、顺磁氧、氧化锆方法与超声波流量浓度检测法。 2.1.1方案介绍方案一：氧化锆测氧法原理：稳定氧化锆在高温下呈现的离子导电现象。在氧化锆电解质(ZrO2管)的两侧面分别烧结上多孔铂（Pt）电极。检测方式是通过导引管，将被测气体导入氧化锆检测室，再通过加热元件把氧化锆加热到工作温度（650以上）。氧化锆一般采用管状，电极采用多孔铂电极。方案二：流量浓度原理：在充满流体的管道，超声脉冲经流体传播，

18、在顺流方向和逆流方向有不同的传播时间，气体流速不同逆流和顺流的时间差就不同，通过时间差就能检测到气体的流速。浓度的检测也是用同样的超声波脉冲，在二元气体的组分下，两种组分的浓度比不同，超声脉冲在气体中的传播速度也不同。超声测量仪表的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，可制作成非接触与便携式测量仪表，故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性与易燃易爆介质的流量测量问题。另外，鉴于非接触测量特点，再配以合理的电子线路，一台仪表可适应多种管径测量和多种流量围测量。超声波流量计的适应能力也是其它仪表不可比拟的。超声波流量计具有上述一些优点因此它越来越受到

19、重视并且向产品系列化、通用化发展，现已制成不同声道的标准型、高温型、防爆型、湿式型仪表以适应不同介质，不同场合和不同管道条件的流量测量。方案三：电化学原理：电化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。典型的电化学传感器由传感电极（或工作电极）和反电极组成，并由一个薄电解层隔开。气体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应，最终到达电极表面。通过电极间连接的电阻器，与被测气浓度成正比的电流会在正极与负极间流动。测量该电流即可确定气体浓度。2.1.2方案比较氧化锆测氧法：其优点是不受检测气体温度的影响，通过采用不同的导流管可以检测各种温度气体中的氧含量，这种灵活性被运用

20、在许多工业在线检测上。其缺点是反应时间慢；结构复杂，容易影响检测精度；加热器一般用电炉丝加热，寿命不长。超声波流量浓度：目前所存在的缺点主要是可测流体的温度围受超声波换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制，以与高温下被测流体传声速度的原始数据不全。目前我国只能用于测量200以下的流体。另外，超声波流量计的测量线路比一般流量计复杂。这是因为，一般工业计量中液体的流速常常是每秒几米，而声波在液体中的传播速度约为1500ms左右，被测流体流速(流量)变化带给声速的变化量最大也是103数量级若要求测量流速的准确度为1，则对声速的测量准确度需为10-510-6数量级，因此必须有完善的测量线路才能实现，

21、这也正是超声波流量计只有在集成电路技术迅速发展的前提下才能得到实际应用的原因。2.1.3方案确定三种传感器的检测氧气的方式各有优缺点，但在实际制氧机行业应用和测试中，超声波氧气流量浓度传感器具有，寿命长、无消耗、免维护。尤其是免维护免校准，减少了最终用户对仪器性能的疑问。其次连续检测，具有流量、浓度同时测量的特点，有助于今后仪器功能的升级。比如今后流量、浓度数字显示。经过长期测试，超声波氧气浓度传感器是能够满足制氧机的浓度检测需要。 氧化锆传感器被用于英维康公司，但据相关厂家介绍，定期给最终用户邮寄氧化锆电解池。电化学传感器虽然检测精度最高，但寿命和经常需要校准的特点不适用于制氧机行业，最终客

22、户没有能力校准。所以不建议大规模运用。首先否定电化学测氧浓度，方案定格在氧化锆与超声波流量测氧发。由于超声波传感器造价昂贵，这与我们的节约理念相悖，而且氧化锆传感器不仅造价低廉，而且工艺简单，适用于大规模生产。所以此处采用方案一。2.2 单片机的选择AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统与80C51引脚结构，芯片集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大

23、的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。而且AT89S51实现了ISP下载功能，取代了89C系列的下载方式，加之价格低廉，故而此处选用AT89S51单片机来控制。2.3 显示器的选择 目前广泛使用的显示器件主要有LED（二极管显示器）、LCD（液晶显示器）、和VFD（真空荧光管）等。LED显示器造价低廉，与单片机接口方便灵活,技术易于实现，但只能显示阿拉伯数字和少数字符，通常用于对显示要求不高的场合。LCD和VFD显示器成本较高，可以显示包括汉字在的多种字符，甚至是复杂的图形，并且耗电极省，可广泛用于各种终端设备，如PDA、手机、触摸屏等等。由于此处只要求

24、显示器显示数值，本着节约成本因此选用LED作为显示器件。第3章 硬件设计3.1总体设计方案3.1.1系统框图测量系统由单片机，传感器，AD转换电路，显示电路和控制电路等组成。控制单元氧气检测调理单元处理单元网络传输单元远端显示单元报警单元现场显示单元电源单元 图3.1总体设计方案3.1.2系统原理与结构 （1）氧气检测调理单元对信号进行采集，转换，放大，输出一个易于检测的电压信号。 （2）处理单元完成对前面单元向其输入信号的AD转换，处理显示，串口输出与存储三方面的实现。 （3）网络传输单元将串口输出转为网口输出并通过有线传输到网络。 （4）现场显示单元从处理单元得到数据后进行显示。 （5）远

25、端处理显示单元将从网络传输单元接收到的网络数据进行实时显示。 （6）报警单元完成超限浓度报警任务，由软件控制其报警值。 （7）电源单元完成对整个系统的供电，需要同时向氧气检测调理单元，处理单元，现场单元显示和报警单元供电。3.2 测氧原理3.2.1氧化锆测氧原理氧气浓度的高低与氧分压、温度、气体常数等多种因素有关。氧化锆定氧探头首先把氧分压转换为电压Eo, 温度传感器把室温度T 转换为温度电压, 送入单片机, 在单片机进行计算即可得到氧气浓度的大小,即: (3-1)式中: P x 为氧分压, 反映氧气浓度的大小; R 为气体常数; F为Farady 常数; P a 为参考气体中的氧分压, 可以

26、事先用标准仪器测定。Px 值与设定值进行比较, 可以确定是否启动或停止换气扇。氧化锫测氧是利用氧化锆浓差电池原理来测定气体中氧含量的电化学分析方法。如图2示，测氧系统的氧敏感元件氧化锆元件是由氧化钇或氧化钙稳定的氧化锆材料组成。在高温条件下，它是良好的氧离子导体。在理想状态下，当氧化锆元件、外电极表面氧含量不同时便形成一个氧浓差电池，产生电池电动势。 图3.2 氧化锆浓差电池原理3.2.2系统结构与特点 由测氧原理可知氧量测量系统重点要考虑的问题有：（1）氧化锆元件两电极间存在浓度差时才会产生差电势，所以测量系统中传感器结构需要考虑把被测气体与空气完全隔绝才能进行准确测量。（2）氧化锆元件具有

27、在高温条件下才会电解的特性所以单片机系统除了分析与运算的部分外还要有温度检测与加热控制单元。3.2.3氧值运算与输出氧量与温度毫伏信号经过放大后与室温信号一同进入通道选择器，由AD转换模块循环选择进行转换，中央处理单元MCU读取转换结果并计算相应温度与氧量值。MCU计算结果一路经光电耦合隔离后进入DA转换变为模拟信号。再经过VI转换变为4mA20mA和010mA电流信号输出：另一路MCU输出串行输入到显示驱动专用集成模块后控制4位LED显示测量结果。3.2.4氧探头的选择与介绍由于需要将氧化锆直接插入检测气氛中，对氧探头的长度有较高要求，一般直插式氧探头的有效长度在500-1000mm左右，特

28、殊的环境长度可达1500mm。因此直插式氧探头很难采用传统氧化锆氧探头的整体氧化锆管状结构，而多采取技术要求较高的氧化锆和氧化铝管连接的结构。因此密封性能是这种氧化锆氧探头的最关键技术之一。目前国际上最先进的连接方式，是将氧化锆与氧化铝管永久的焊接在一起，其密封性能极佳。与采样式检测方式比，直插式检测有显而易见的优点：氧化锆直接接触气氛，检测精度高，反应速度快，维护量较小。氧传感器使用时，引入被测气体的方式有直插式和扩散式两种。直插式响应时间短，不需要加热器，结构简单，小型轻便，但要求同时检测被测气体的温度。扩散式由于氧探头的温度由加热器控制，因此测量精度高，工作可靠，但响应时间取决于气体的流

29、量。直插式氧探头的工作环境恶劣，且对检测精度、工作稳定性和工作寿命都要求较高，采用新的技术，克服了传统氧化锆氧探头的不足。3.3A/D转换电路3.3.1.ADC0809的说明ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以与微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 图3

30、.3 ADC0809引脚图IN0IN7：8条模拟量输入通道 ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线：4条 ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道模拟量输入转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表1所示。数字量输出与控制线：11条ST为转换启动信号。当ST到上跳沿时，所有部寄存器清零；下跳

31、沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。 CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（），VREF（）为参考电压输入。表3.1 通道的选择CBA 通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN5111IN63.3.2ADC08

32、09应用说明 （1）ADC0809部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。 （2）初始化时，使ST和OE信号全为低电平。 （3）送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。 （4）在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。 （5）是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。 （6）当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。 3.4 单片机的选择3.4.1 AT89S51的介绍AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储

33、器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统与80C51引脚结构，芯片集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片时钟振荡器。 此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过

34、软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。 3.4.2 AT89S51主要特性(1)8031 CPU与MCS-51 兼容。(2)4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环)。(3)全静态工作：0Hz-33MHz。(4)三级程序存储器锁定。(5)128*8位部RAM。(6)32条可编程I/O线。(7)两个16位定时器/计数器。(8)6个中断源。(9)可编程串行通道。(1

35、0)低功耗的闲置和掉电模式。(11)片振荡器和时钟电路。3.4.3 AT89S51管脚说明 图3.4 AT89S51管脚图VCC：供电电压。 GND：接地。 P0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，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。 P1口：P1口是一个部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被部上拉为高，可用作输入，P1口被外部

36、下拉为低电平时，将输出电流，这是由于部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个部上拉电阻的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口输出其特殊功能寄存器的容。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

37、口管脚是8个带部上拉电阻的双向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。 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读

38、引脚。读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的容读入到部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。只有读端口时才真正地把外部的数据读入到部总线。上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作。这是由硬件自动完成的，不需要我们操心，1然后再实行读引脚操作，否则就可能读入出错，为什么看上面的图，如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0Q端为0Q为1加到场效应管栅极的信号为1，该场效应管就导通对地呈现低阻抗，此时即使引脚上输入的信号为1，也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1。若先执行置1操作，则

39、可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入，由于在输入操作时还必须附加一个准备动作，所以这类I/O口被称为准双向口。89C51的P0/P1/P2/P3口作为输入时都是准双向口。接下来让我们再看另一个问题，从图中可以看出这四个端口还有一个差别，除了P1口外P0P2P3口都还有其他的功能。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可

40、用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将部锁定为RE

41、SET；当/EA端保持高电平时，此间部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入与部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 3.4.4晶振电路晶振电路在各种指令的微操作在时间上有严格的次序，这种微操作的时间次序称作时序，单片机的时钟信号用来为单片机芯片部各种微操作提供时间基准，89c51的时钟产生方式有两种，一种是部时钟方式，一种是外部时钟方式。部时钟方式即在单片机的外部接一个晶振电路与单片机里面的振荡器组合作用产生时钟脉冲信号，外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机，此方式常用于多片89C51单片机

42、同时工作，以便于各单片机的同步，一般要求外部信号高电平的持续时间大于20ns.且为频率低于12MHz的方波。对于CHMOS工艺的单片机，外部时钟要由XTAL1端引入，而XTAL2端应悬空。本系统中为了尽量降低功耗的原则，采用了部时钟方式。电路图见图3.5。图3.5 晶振电路图在AT89S51单片机的部有一个震荡电路，只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体（简称晶振）就构成了自激振荡器并在单片机部产生时钟脉冲信号，图中电容器C1和C2稳定频率和快速起振，晶振CRY选择的是12MHz。3.4.5复位电路复位的意义复位电路在单片机工作中仍然是不可缺少的主要部件中，单片机工作时必须处于一

43、种确定的状态。端口线电平和输入输出状态不确定可能使外围设备误动作，导致严重事故的发生；部一些控制寄存器（专用寄存器）容不确定可能导致定时器溢出、程序尚未开始就要中断与串口乱传向外设发送数据。复位电路原理图3.6上电复位电路图本设计中复位电路采用的是上电复位与手动复位电路，开关未按下是上电复位电路，上电复位电路在上电的瞬间，由于电容上的电压不能突变，电容处于充电（导通）状态，故RST脚的电压与VCC一样。随着电容的充电，RST脚上的电压才慢慢下降。选择合理的充电常数，就能保证在开关按下时是RST端有两个机器周期以上的高电平从而使AT89C52部复位。开关按下时是按键手动复位电路，RST端通过电阻

44、与VCC电源接通，通过电阻的分压就可以实现单片机的复位。电路图见图3.7。图3.7 复位电路图3.5报警电路的选择3.5.1 蜂鸣器介绍蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片与外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性的振动发声。压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器与共鸣箱、外壳等组成。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后（1.515V直流工作电压），多谐振荡器起振,输出1.52.5kHZ的音

45、频信号，阻抗匹配器推动蜂鸣片发声。见下图 图3.8蜂鸣器电路图蜂鸣器用来作为报警指示，选用直流型FM125V型号。蜂鸣器工作电压为+5V，工作电流在20mA以上。单片机的驱动电流不够，不能直接驱动，必须外接功率驱动。因此，选用PNP型三极管9012作为蜂鸣器的功率驱动，与基极相连的电阻取2k，保证三极管工作在饱和状态。3.5.2报警电路图3.9 报警电路在单片机应用系统中，一般的工作状态可以通过指示灯或数码显示来指示，供操作人员参考，了解系统的工作状况。但对于紧急状态，比如系统检测到的错误状态等，往往还需要有某种更能引人注意，与时采取措施，往往还需要有某种更能引人注意，提起警觉的报警信号。这种

46、报警信号通常有三种类型：一是闪光报警，因为闪动的指示灯更能提醒人们注意；二是鸣音报警，发出特定的音响，作用于人的听觉器官，易于引起和加强警觉；三是语音报警，不仅能起到报警作用，还能直接给出警报种类的信息。其中，前两种报警装置因硬件结构简单，软件编程方便，常常在单片机应用系统中使用；而语音报警虽然警报信息较直接，但硬件成本高，结构较复杂。单频音报警的接口电路比较简单，其发音元件通常可采用压电蜂鸣器，当在蜂鸣器两引脚上加315V直流工作电压，就能产生3kHZ左右的蜂鸣振荡音响。压电式蜂鸣器，约需10mA的驱动电流，可在某端口接上一只三极管和电阻组成的驱动电路来驱动，如图3-14所示。在图3-14中

47、，P1.0接三极管基极输入端，当P1.0输出高电平“1”时，三极管导通，蜂鸣器的通电而发音，当P1.0输出低电平“0”时，三极管截止，蜂鸣器停止发音。3.6 静态显示电路3.6.1 74LS138译码器用与非门组成的3线-8线译码器74LS138 图3.10 74LS138管脚图功能介绍：38译码器，是TTL系列的，也就是74系列。有三个输入端A0，A1,A2,其中A2是高位，输出是八个低电平输出Y0 Y7，工作电压一般的5V就可以了，举个例子，你A0，A1,A2依次输入000，输出就是Y0，输入依次是001，输出就是Y1。表3.2 3线-8线译码器74LS138的功能表 输 入 输 出S1S

48、2+S3A2A1A0012345670XXXX11111111X1XXX11111111100000111111110001101111111001011011111100111110111110100111101111010111111011101101111110110111111111103.6.2 74HC4511译码器 74HC4511是8421BCD码七段显示译码器。图3.11 74HC4511管脚图3.6.3 数码显示 七段显示器主要有荧光数码管和半导体显示器、液晶数码显示器。半导体（发光二极管）显示器是数字电路中比较方便使用的显示器。它有共阳极和共阴极两种接法，如图所示。 图3

49、.12 半导体显示器接法 数字显示译码器将BCD代码译成数码管显示字所需要的相应高、低电平信号，使数码管显示出BCD代码所表示的对应十进制数，这是一种代码译码器。图3.13 74HC4511与显示器的连接示意图3.6.4 上拉电阻的选择 在主电路图中接在P0口处有一个排阻RP1，由于P0口没有接上拉电阻，为了为P0口外接线路有确定的高电平，所以要接上排阻RP1，以确保有P0口有稳定的电平。电路连接图见图3-14。 图3.14 上拉电阻的接法3.7按键选择与简介（1）本系统选择独立式按键。键盘分为：独立式和矩阵式两类，每一类按其编码方法又可以分为编码和非编码两种。本系统具有人机对话功能，该功能即

50、能随时发出各种控制命令和数据输入以与和LCD连接显示运行状态和运行结果。由于本系统只有UP、DOWN、OK、CANCEL4个控制命令，所需按键较少，所以本系统选择独立式按键。电路图见图3-15。图3.15 按键电路图（2）独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路。每个独立式按键占有一根I/O口线。各根I/O口线之间不会相互影响。在此电路中，按键输入部采用低电平有效，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平，（AT89C52.P1口部接有上拉电阻）所以就不需要再外接上拉电阻。（3）键盘抖动的消除：抖动的消除大致可以分为硬件削抖和软件削抖。硬件削抖是采用硬件电路的方法对键盘的按下抖

51、动与释放抖动进行削抖，经过削抖电路后使按键的电平信号只有两种稳定状态。3.8时钟芯片选择与设计在本系统，我们选择了DS1302时钟芯片。因为此系统需要记录测量发生的时间，所以需要时钟芯片来记录不同时间的监测数据，因此我们在系统中加入了时钟芯片。（1）我们时钟电路选择的芯片是DS1302，其含一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，可以通过串行接口与单片机通信。而通信时，仅需要3个口线：RES（复位），I/O数据线，SCLK（串行时钟）。时钟/RAM的读/写数据以一字节或多达31字节的字符组方式通信。（2）DS1302主要性能有：时钟能计算2100年之前的秒、分、时、日、日期、星期、月、年的能力

52、，还有闰年的调整能力；读/写时钟或RAM数据时，有单字节和多字节传送两种方式，与DS1202/TTL兼容。（3）DS1302引脚概述：X1，X2；振荡源，外接32.768KHZ晶振；SCLK：行时钟输入端。见表3.3。晶体振荡器的选择：一个32.768KHz的晶振可以直接接在DS1302的2、3管脚之间，可以设定规定载荷电容为6pf。电源控制：Vcc1可提供单电源控制也可以用来作为备用电源，Vcc2为主电源。在主电源关闭的情况下，也可以保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc1+0.2V时，Vcc2给DS1302供电；当Vcc2小与Vcc1时

53、，DS1302由Vcc1供电。表3.3时钟控制字对照表寄存器名命令字取值围各位容写操作读操作765430秒寄存器80H81H0059CH10SECSEC时寄存器84H85H0112 002312/24010/（A/P）HRHR日寄存器86H87H0128，29、30、310010DATEDATE月寄存器88H89H011200010MMONTH周寄存器8AH8BH01070000DAY年寄存器8CH8DH019910YEARYEAR保护寄存器8EH8FHWP0000慢充电寄存器90H91HTCSTCSTCSTCSDSDSRSRS时钟突发寄存器BEHBFH（4）DS1302数据输入/输出时序数据

54、输入是在输入写命令字的8个SCLK周期之后，在接下来的8个SCLK周期中的每个脉冲的上升沿输入数据，数据从0位开始。如果有额外的SCLK周期，它们将被忽略。图3.16 时钟电路图数据输出是在输出命令字的8个SCLK周期之后，在接下来的8个SCLK周期中的每个脉冲的下降沿输出数据，数据从0位开始。需要注意的是，第一个数据位在命令字节的最后一位之后的第一个下降沿被输出。只要RST保持高电平，如果有额外的SCLK周期，将重新发送数据字节，即多字节传送。其电路图见图3-10。3.9电源的选择3.9.1主电源本系统主电源采用直流电源5V和6V供电,电源部分电路为典型的7805（7806）应用电路，具有两

55、路电源输出。该电路具有短路保护功能，变压器输出7V交流电，经桥路整流，电容滤波，送入7805/7806输入端，最后输出5V/6V直流电。 图3.17 电源连接3.9.2 备用电源煤气泄漏探测器应实现24小时不间断监控，不允许出现停电故障，这就需要使用备用电源。用备用电源作为主电源对单片机系统供电的补充，可以使单片机系统在工作期间，不致因电网突然断电，导致计算机系统RAM中的数据丢失而中断工作，更主要的是它可以避免因电源中断造成整个计算机系统的瘫痪。备用电源的主要作用是在输入回路断电时，将电池的电能供给负载，当电源恢复正常后，输入回路既负责向负载提供电源还要负贵向电池充电。是可以实现与时、正确、

56、可靠地产生交/直流掉电预警信号的直流在线式备用电源。3.10控制单元控制电路采用双向可控硅控制电机的启动与停止, 由于交流电路属于强电, 为防止交流电对单片机的干扰, 采用光电耦合器隔离。单片机计算出氧气浓度后, 与设定值比较, 如果低于设定值, 就置P2. 7为高电平, 控制可控硅导通, 换气扇工作; 反之, P2. 7为低电平, 使换气扇停止。控制单元与单片机的接法参见下图3.18。图3.18 控制单元与单片机的连接3.11网络传输单元 嵌人式RS485ILI45串网口转换器一端接AT89S51的串口另一端接PC机的网口，利用附带的软件，进行相应的参数设置，串网口参数设置为和485设备相匹

57、配，参数设置好后连接建立，这样RS一485通信串口就可以通过IP网络与监控主机的网络接口进行数据通信，从而进行远程网络显示。第四章 软件设计4.1软件设计结构软件设计部分主要包括：主程.序/子程序流程的设计、功能模块程序的编写、软/硬件结合调试与演示。主要包括以下功能模块：51驱动、检测、液晶显示、时钟、键盘、模数软换，软件结构框图4.1。系统初始化、按键扫描显示选择菜单测量相关设置数据处理串行通信对软件进行处理图4.1 软件结构框图4.2主程序模块的设计主程序实现的功能：与硬件相结合实现便携式一氧化碳检测仪的各个功能。主要是检测与显示，时间调整与显示，数据存储，功能子函数的调用，见图4.2。

58、开 始初始化CPU初始化时钟初始化LED屏显示开机画面显示时间显示主菜单读 键图4.2 主程序流程图检测主程序程序见附录二。4.3模数转换的设计模数转换模块的主要功能就是将经放大器放大的模拟电压信号转化为MCU能够处理的数字信号，并传送给单片机。ADC0809转换的流程图见下图4.3。ADC0809程序见附录三。开始使能芯片产生时钟信号输入通道控制字读取2字节数据字节数据校正送入指定寄存器结束图4.3数转换流程图4.4按键模块的设计（1） 按键时显现人机对话的一个控制按钮，通过按键的操作，对系统进行发送操作指令，后经与MCU串行通信，然后在液晶上显示。（2）按键查询式的流程图见下图： 键 值

59、传 送 按键释放 调 用 延 时 程 序 按键按下 案件程序入口图4.4 按键查询式的流程图（3）按键程序见附录四。4.5时钟模块的设计（1）DS1302模块主要是用于设置时间和与MCU通信经LCD显示时间。（2）时钟模块操作流程图见下图（3）时钟程序见附录五。开始初始化保护寄存器操作向DS写入字节数据向DS读取字节数据开始图4.5 时钟模块操作流程图4.6显示模块的设计（1）LCD模块在本系统中主要起着开界面汉字显示，以与各控制效果的显示。采用直接访问方式。LED显示的操作流程图见下图4.6。读状态字 忙？ 写指令状态字/显示数据 读显示数据 入口图4.6 液晶显示的操作流程图（2）液晶显示

60、程序见附录六。 第五章 结论本设计体积小，质量轻，性价比高。主要分为硬件设计和软件设计。基本实现了设计前对该系统所要现的功能。针对现有氧浓度监测设备的不足以与井下氧气的重要性，研究和设计一种能实时监控氧浓度测控系统，并与外部PC机进行通讯，实现数据远程监控和记录，实现了对氧气浓度的实时跟踪。1完成的主要工作本文从理论上研究了氧化锆测氧的方法，为控制系统提供了理论依据；设计完成了基于AT89S51单片机为核心的微机控制系统，该系统主要包括浓度监测、A/D转换、显示与报警电路、通讯接口电路和辅助电源。设计完成的微机控制系统实现了对温度与浓度信号的采集、变换与对数据的计算存储功能；实现了对复位电路和阀门控制电路的控