用于氣調(diào)糧庫的氣體檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

1、2014屆畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書題 目: 用于氣調(diào)糧庫的氣體檢測(cè)儀設(shè)計(jì) 院系名稱： 專業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 教師職稱： 教 授 2014 年 月 日目錄1 概述11.1國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r11.2課題研究的意義22系統(tǒng)總體方案32.1方案選擇32.1.1傳感器的選擇32.1.2單片機(jī)的選擇32.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與工作原理43系統(tǒng)各單元硬件設(shè)計(jì)說明53.1傳感器介紹及放大電路53.1.1二氧化碳傳感器53.1.2氧氣傳感器73.1.3磷化氫傳感器93.2數(shù)據(jù)處理93.2.1引腳介紹103.2.2時(shí)鐘電路103.2.3復(fù)位電路113.3光報(bào)警電路113.4液晶顯示電路124總體軟件設(shè)計(jì)

2、144.1系統(tǒng)總體流程設(shè)計(jì)14結(jié)論19致謝20參考文獻(xiàn)21附錄 A22附錄程序B231 概述1.1國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r20世界初期，人類開始學(xué)會(huì)使用化學(xué)藥劑來針對(duì)儲(chǔ)藏糧食的殺蟲處理。這種方法大部分采用了磷化氫、氯化苦和溴甲烷等藥劑應(yīng)用在儲(chǔ)糧殺蟲上，在儲(chǔ)藏糧食的應(yīng)用領(lǐng)域得到了很好的推廣，是人類進(jìn)步的文明史。隨著人類文明的進(jìn)步，在100年后，因?yàn)榱谆瘹涞拈L期使用導(dǎo)致很多害蟲都產(chǎn)生了免疫，因此這種藥劑對(duì)害蟲沒有了效果。隨著藥劑的失效，全國各地的害蟲數(shù)量和種類都無法得到有效的控制，而且在一些發(fā)展中國家他們由于技術(shù)有限在儲(chǔ)糧時(shí)過分的依賴于化學(xué)藥劑，導(dǎo)致藥劑基本上已經(jīng)對(duì)害蟲無影響的狀態(tài)，因此對(duì)于糧食的儲(chǔ)藏造成了

3、嚴(yán)重的破壞，同時(shí)給人類敲響了警鐘。針對(duì)多年來的殺蟲歷史，傳統(tǒng)的方法只要采用了化學(xué)藥品進(jìn)行除蟲。但是針對(duì)這種做法我們可以想到雖然對(duì)于害蟲來說得到了暫時(shí)的遏制，但是隨之漸漸地也會(huì)產(chǎn)生很多問題。比如在我們的食用糧食中殘留的藥劑和我們的生活環(huán)境遭到了嚴(yán)重的破壞，而且歷經(jīng)歲月的洗禮害蟲也漸漸地產(chǎn)生了抗藥性?？萍嫉牟粩喟l(fā)展和進(jìn)步，改變了很多我們的日常習(xí)慣，因此對(duì)于食品的安全問題也逐漸的受到了更多人的重視?；谶@種狀況世界糧農(nóng)組織要求各成員國在二十一世紀(jì)逐步減少直至全部禁止在糧食儲(chǔ)藏過程中使用化學(xué)藥劑，提倡開展綠色儲(chǔ)糧，減少化學(xué)藥劑對(duì)儲(chǔ)糧和環(huán)境的污染，以達(dá)到最大限度保持糧食品質(zhì)、滿足廣大消費(fèi)者對(duì)綠色食品日益

4、增長需要的目的。針對(duì)傳統(tǒng)的化學(xué)藥劑對(duì)殺蟲具有局限性，很多科學(xué)家逐漸的意識(shí)到了這個(gè)問題。因此后來我們逐漸的尋找新的方法替換這種方式，運(yùn)用氣調(diào)、低溫、物理以及生物綜合防治等方面進(jìn)行科研。氮?dú)庵饾u成為了大企業(yè)儲(chǔ)糧的主要模式，隨之被廣泛的運(yùn)用在儲(chǔ)糧殺蟲的方向。氮?dú)鈸碛兄瘜W(xué)和物理的特性，而且它的原子量在14，平時(shí)常規(guī)情況下以氣體的形式存在而且在地球上非常的廣泛，儲(chǔ)藏量也很大。對(duì)人體沒有壞處而且無毒無害的一種氣體，在日常的情況下很穩(wěn)定不與其他的氣體發(fā)生反應(yīng)，是綠色環(huán)保的不二人選。針對(duì)這種用之不盡的資源，對(duì)殺蟲起到了重要的意義。在06年，中儲(chǔ)糧針對(duì)氮?dú)膺@一項(xiàng)目展開了深入的研究，通過堅(jiān)持不懈的實(shí)踐，技術(shù)任務(wù)

5、克服了種種難關(guān)，最終在氮?dú)鈦碓匆约凹Z堆氧氣置換、倉房氣密性改造和氣體檢測(cè)以及阻礙氮?dú)庹{(diào)儲(chǔ)糧等方面得到了重大的突破性進(jìn)步，在世界儲(chǔ)糧方面的研究中取得了領(lǐng)先的發(fā)展以及推廣應(yīng)用。隨著第8屆國際儲(chǔ)藏氣調(diào)與熏蒸大學(xué)的召開，中儲(chǔ)糧公司由于在充氮?dú)庹{(diào)方面的進(jìn)步發(fā)展得到了大會(huì)的表彰，此時(shí)來自廣西的科技代表發(fā)表了一篇針對(duì)充氮?dú)庹{(diào)方面的研究報(bào)告。此報(bào)告針對(duì)氮?dú)鈨?chǔ)糧技術(shù)的殺蟲結(jié)果得到了更加的肯定，同時(shí)各國開始逐漸的關(guān)注我國儲(chǔ)糧殺蟲技術(shù)的發(fā)展。隨著環(huán)境不斷地惡劣發(fā)展，我們更加需要的是綠色產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)世界儲(chǔ)糧都起到了歷史性的轉(zhuǎn)折。1.2課題研究的意義 通過針對(duì)糧堆里害蟲的呼吸作用以及人工改變密閉糧堆中的氣體成

6、分最終達(dá)到清除害蟲的功效。在糧堆中我們可以去充純度比較搞得氮?dú)饣蛘叨趸家员愀淖兗Z堆中氮?dú)?、氧氣和二氧化碳其中的比例，由此這樣可以導(dǎo)致害蟲的死亡。這一項(xiàng)目不僅可以達(dá)到除蟲的效果同時(shí)也可以保證糧食的呼吸作用，可以更加優(yōu)質(zhì)的保證糧食的高品質(zhì)。充氮?dú)庹{(diào)儲(chǔ)糧就是通過人為調(diào)節(jié)糧倉儲(chǔ)藏環(huán)境中氮?dú)狻?氧氣氣體成分的比例, 使糧倉內(nèi)氮?dú)鉂舛壬仙?95 % 98 % , 氧氣濃度下降為 2 % 5 % , 在這種氣體環(huán)境中長期儲(chǔ)藏的糧食可有效地保持其新鮮度, 延緩儲(chǔ)糧品質(zhì)劣變, 抑制儲(chǔ)糧害蟲和微生物的生長繁殖, 減少儲(chǔ)糧損失, 是一項(xiàng)無公害、 無污染的綠色儲(chǔ)糧新技術(shù)。而由于高濃度氮?dú)馐浅涞獨(dú)庹{(diào)儲(chǔ)量的基本原理

7、，所以就必須保持糧庫內(nèi)高濃度的氮?dú)?，因此我們就需要知道糧庫內(nèi)的氮?dú)馐欠駷槟苓_(dá)到要求的高濃度，這就需要我們來設(shè)計(jì)一個(gè)可以得出氮?dú)鉂舛鹊膬x器。而由于氮?dú)馐嵌栊詺怏w，直接測(cè)氮?dú)獾臐舛缺容^困難，由于大氣中的空氣組成成分可以看成是由氮?dú)?、二氧化碳、氧氣三種氣體組成，所以可以先測(cè)得的氧氣與二氧化碳的濃度從而間接得出氮?dú)獾臐舛?，控制氮?dú)鉂舛龋瑥亩ＷC氣調(diào)糧庫的正常運(yùn)行。 本文設(shè)計(jì)了氣調(diào)糧庫中對(duì)二氧化碳、氧氣、PH3等三種氣體濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理，并能夠?qū)崟r(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)氣體濃度，且在濃度超標(biāo)時(shí)報(bào)警的便攜式氣體檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。當(dāng)需要對(duì)氣調(diào)糧庫內(nèi)的氣體進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，用氣體采樣泵將糧庫內(nèi)氣體抽取出來送入氣體檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)

8、行檢測(cè)。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)由電化學(xué)傳感器電路、模擬信號(hào)放大電路、STC12C5A08S2單片機(jī)、液晶顯示模塊、指示報(bào)警模塊、電源模塊組成。該系統(tǒng)的工作原理為通過氣體傳感器對(duì)氣調(diào)糧庫中氣體濃度的檢測(cè)從而轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，將所需的模擬信號(hào)采集放大后傳送給STC12C5A08S2單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊，將經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)傳送至主機(jī)進(jìn)行處理，判斷是否需要報(bào)警，以保證氣調(diào)糧庫的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。2系統(tǒng)總體方案2.1方案選擇 本設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)用于氣調(diào)糧庫的氣體檢測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)氣調(diào)糧庫內(nèi)的氣體并將濃度顯示在顯示屏上，一旦所檢測(cè)氣體濃度超過容許范圍，閃光報(bào)警器閃光報(bào)警。通過氣體傳感器對(duì)糧庫內(nèi)氣體濃度檢測(cè)并

9、轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，并通過A/D轉(zhuǎn)換將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)處理轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量做出反應(yīng)，判斷氣體是否超標(biāo)，超標(biāo)則報(bào)警器反應(yīng)，處于容許范圍保持正常狀態(tài)。2.1.1傳感器的選擇 要完成一個(gè)氣體檢測(cè)儀器的設(shè)計(jì)，傳感器的選擇是首先要考慮的重要事情，能否正確且精準(zhǔn)的完成測(cè)量目的，跟能否合理的選擇一個(gè)正確的傳感器有著至關(guān)重要的聯(lián)系?，F(xiàn)代傳感器種類繁多，不同的傳感器工作原理與結(jié)構(gòu)相去甚遠(yuǎn)。要選擇一個(gè)傳感器首要要決定要用什么原理的傳感器，因?yàn)榧词箿y(cè)一個(gè)同樣的物理量，也有不同氣敏特性的傳感器可供選擇，而它們的工作原理也各不相同。這就需要根據(jù)工作環(huán)境、使用方式和測(cè)量范圍等需求來選擇。選定好傳感器的工作原理后

10、還要根據(jù)所測(cè)氣體的濃度范圍確定傳感器的靈敏度。傳感器的靈敏度越高，輸出信號(hào)越大，但并不是說所選擇的傳感器靈敏度越高越好。這還要考慮外部無關(guān)因素的影響，選擇合理靈敏度的傳感器。選擇傳感器還要考慮精度，它關(guān)系到所設(shè)計(jì)儀器的精度問題，但由于精度越高價(jià)格越貴，因此所選擇傳感器的精度要根據(jù)所測(cè)氣體濃度范圍來確定只需要滿足設(shè)計(jì)要求的精度就可以。本設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)對(duì)磷化氫、二氧化碳、氧氣三種氣體的定性和定量分析，首先最重要的工作是選擇合適的傳感器，通過對(duì)性能、可實(shí)現(xiàn)性、價(jià)格等的對(duì)比，針對(duì)二氧化碳選擇的是TGS4161傳感器，針對(duì)氧氣選擇的是7OX-V傳感器，針對(duì)磷化氫選擇的是4PH3-1000傳感器。2.1.2

11、單片機(jī)的選擇 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的氣體濃度測(cè)量裝置是以單片機(jī)為核心構(gòu)成的具有判斷、運(yùn)算和控制能力及存儲(chǔ)、顯示、報(bào)警功能的智能儀表，采用8位單片機(jī)足可滿足設(shè)計(jì)要求，而又由于有將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換過程，所以本設(shè)計(jì)選擇本身具有A/D轉(zhuǎn)換功能的STC12C5A08S2單片機(jī)，使設(shè)計(jì)更加簡單容易掌握。STC12C5A08S2單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換250K/S（每秒鐘25萬次）。STC12C5A0

12、8S2具有超低功耗掉電模式：外部中斷喚醒功耗<0.1A,適用于電池供電系統(tǒng)；工作電壓5.53.3V；硬件看門狗（WDT)。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與工作原理 氣調(diào)糧庫的氣體檢測(cè)系統(tǒng)主要有氣體傳感器、放大電路、具有A/D轉(zhuǎn)換功能的STC12C5A08S2單片機(jī)和閃光報(bào)警等部分組成。三個(gè)氣體傳感器分別對(duì)應(yīng)三種被測(cè)氣體，氣體傳感器測(cè)量氣體濃度并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)放大電路放大后接單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換端口，單片機(jī)處理轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，將閃光報(bào)警電路接到單片機(jī)的P2.0口，從而構(gòu)成了整個(gè)氣體檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。當(dāng)檢測(cè)到的氣體濃度值超出所容許的范圍時(shí)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換成低電平送到單片機(jī)的P2口，從而使

13、P2.0=0，閃光報(bào)警器就啟動(dòng)，完成了對(duì)氣體的檢測(cè)報(bào)警。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2.1。 圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3系統(tǒng)各單元硬件設(shè)計(jì)說明 本系統(tǒng)要求完成對(duì)氧氣、二氧化碳、磷化氫三種氣體的實(shí)時(shí)檢測(cè)、顯示與報(bào)警，它應(yīng)包括數(shù)據(jù)的采集、變換、處理等環(huán)節(jié)，硬件設(shè)計(jì)主要包括CPU的選型，三種氣體傳感器的選擇，AD轉(zhuǎn)換芯片的選擇，信號(hào)放大電路、顯示電路、報(bào)警電路的設(shè)計(jì)等等。3.1傳感器介紹及放大電路3.1.1二氧化碳傳感器 TGS4161二氧化碳傳感器是日本費(fèi)加羅FIGARO公司生產(chǎn)的固態(tài)電解質(zhì)氣體傳感器 ，二氧化碳的敏感原件由兩個(gè)固態(tài)電解質(zhì)組成，傳感器工作時(shí)有一個(gè)預(yù)熱時(shí)間（3-5分鐘）。通過檢測(cè)兩個(gè)電極之間電動(dòng)勢(shì)的變

14、化來測(cè)試二氧化碳?xì)怏w的濃度，TGS4161將結(jié)構(gòu)小巧和超低功耗完美的結(jié)合在一起，可以測(cè)量測(cè)量35010000ppm（1ppm=百萬分之一）的二氧化碳濃度。二氧化碳傳感器TGS4161具有濕度依賴性極小，小尺寸，低成本；長壽命，低功耗；對(duì)二氧化碳?xì)怏w高選擇性的特點(diǎn)。具體規(guī)格參數(shù)如表3.1。表3.1 模型名稱 TGS4161 測(cè)量元件類型 固態(tài)電解質(zhì) 目標(biāo)氣體 二氧化碳 典型測(cè)量范圍 35010000ppm 電氣特性 加熱器電阻 RH  70±7歐姆（室溫） 加熱器電流 IH 約 50mA 加熱器功耗 PH  約250mA 電動(dòng)勢(shì)

15、0;EMF 在350ppm下 220490mV 靈敏度 EMF 4472mVEM（350ppm CO2）-EMF（2500ppm CO2） 加熱器電壓 VH 5±0.2V DC 傳感器特性 響應(yīng)時(shí)間約1.5min（到90的最終電壓值）測(cè)量精確度約20在10000ppm二氧化碳下使用環(huán)境1050，5%95%RH儲(chǔ)藏環(huán)境2060，590%RH 用硅膠存放在防潮帶中標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境 氣體測(cè)試環(huán)境空氣中二氧化碳在20±0.2，60±5%RH電路環(huán)境VH=5±0.05V 

16、;DC 檢測(cè)前預(yù)熱時(shí)間12小時(shí)或者更長 TGS4161二氧化碳傳感器運(yùn)用高輸入阻抗運(yùn)放CA3140A將輸出信號(hào)放大，具體放大電路如圖3.2。 圖3.2二氧化碳傳感器信號(hào)放大電路此二氧化碳傳感器信號(hào)放大電路是一個(gè)同相放大電路，由虛短和虛斷現(xiàn)象可知U2=U3,令放大器的輸入信號(hào)為Uin,輸出信號(hào)為Uout,由圖3.1可知,又U3=Uin則該放大電路的放大倍數(shù)。 CA3140A是一個(gè)高輸入阻抗運(yùn)算放大器,是美國無線電公司研制開發(fā)的一種BiMOS運(yùn)算放大器在一片集成芯片上，它結(jié)合了壓電PMOS晶體管工藝和高電壓雙授晶體管的優(yōu)點(diǎn).(互補(bǔ)對(duì)稱金屬氧化物半導(dǎo)體)卓越性能的運(yùn)放。電源電壓±

17、2±18V，開環(huán)電壓100dB，輸入電阻1.5T 。各引腳功能：1，5調(diào)零端，因?yàn)槿魏芜\(yùn)放都不是絕對(duì)理想的運(yùn)放，兩個(gè)輸入端2和3不能做到絕對(duì)對(duì)稱，造成輸入端相等時(shí)輸出端不為零，將1和5這兩個(gè)引腳外接一個(gè)可調(diào)電阻R2就可以手動(dòng)調(diào)整到對(duì)稱；2，反相輸入端；3，同相輸入端；4，電源負(fù)極；6，輸出；7電源正極；，選通脈沖，當(dāng)這個(gè)引腳接收到上一級(jí)傳過來的正（或負(fù)）脈沖時(shí)，該器件開始工作。3.1.2氧氣傳感器 7OX-V氧氣傳感器是一個(gè)電化學(xué)傳感器，主要由一個(gè)包裹著電解質(zhì)的密閉容器與兩個(gè)電極組成。氧氣通過傳感器頂部的毛細(xì)微孔進(jìn)入傳感器內(nèi)部，在電解質(zhì)溶液中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生離子，從而在兩個(gè)

18、電極之間產(chǎn)生電流。這個(gè)電流就是傳感器的輸出信號(hào)，當(dāng)氧氣到達(dá)傳感器內(nèi)部時(shí)，它立刻在陰極催化劑的作用下被還原釋放出氫氧根離子： O2 + 2H2O +=4e-+ 4OH-由于傳感器內(nèi)部充滿了電解質(zhì)溶液，在電解質(zhì)溶液的作用下陰極產(chǎn)生的氫氧根離子到達(dá)陽極，由于陽極是由鉛塊組成的，氫氧根離子與鉛發(fā)生氧化反應(yīng)，生成對(duì)應(yīng)的金屬氧化物： 2Pb + 4OH-=2PbO + 2H2O + 4e- 上述兩個(gè)發(fā)生的反應(yīng)生成電流，由于本設(shè)計(jì)使用的是電壓型A/D轉(zhuǎn)換無法將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，就必須

19、要有傳感器一個(gè)將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的過程，可以將傳感器的兩個(gè)電極之間外接一個(gè)已知電阻R4=100，就可以將傳感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，所測(cè)氧氣的濃度可以根據(jù)這個(gè)電壓信號(hào)的出。將這個(gè)電壓信號(hào)經(jīng)過放大電路放大后接入A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機(jī)處理轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量并送入顯示屏就可以將所測(cè)氧氣的濃度顯示在顯示屏上，如果氧氣濃度超過容許范圍，單片機(jī)送出一個(gè)低電平到閃光報(bào)警電路，閃光報(bào)警器閃光報(bào)警。具體信號(hào)放大電路如圖3.3。圖3.3氧氣傳感器信號(hào)放大電路 由圖3.可知氧氣傳感器信號(hào)放大電路是一個(gè)同相放大電路，令放大器輸入為Uin,輸出為Uout,則有，則放大電路的放大倍數(shù)為。 該放大電路使用

20、的運(yùn)放LT6003是凌力爾特推出的單通道運(yùn)算放大器，為實(shí)現(xiàn)便攜式應(yīng)用的電池使用壽命和性能的最大化而設(shè)計(jì)。該放大器能夠在低至1.6V 的電源電壓條件下運(yùn)作，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)得到保證，放大器的最大電源電流為 1A，低輸入偏置電流：90pA (最大值)，低輸入失調(diào)電壓：500V (最大值)低輸入失調(diào)電壓漂移：2V/oC。3.1.3磷化氫傳感器4PH3-1000磷化氫傳感器是一個(gè)電化學(xué)傳感器，由多孔貴金屬催化劑、包裹著液態(tài)電解液的非金屬外殼與三個(gè)電極組成。三個(gè)電極分別是感應(yīng)電極、對(duì)電極和參考電極。進(jìn)入磷化氫電化學(xué)傳感器的氣體通過一個(gè)小孔來限制擴(kuò)散，液態(tài)電解液通過毛細(xì)作用來吸附。磷化氫電化學(xué)傳感器的測(cè)量

21、范圍01000ppm，感應(yīng)輸出信號(hào)在測(cè)量范圍內(nèi)與磷化氫的濃度成正比關(guān)系，靈敏度0.07±0.04mA/ppm，底電流（20oC）<±0.4mA，分辨率為1 ppm。具體放大電路如圖3.4所示。圖3.4 磷化氫傳感器信號(hào)放大電路R10是增益電阻，OUTPUT=輸出信號(hào)×增益電阻；VCC的典型值3.3V，Vref的典型值1.2V3.2數(shù)據(jù)處理 本設(shè)計(jì)的A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理都由STC12C5A08S2單片機(jī)完成。STC12C5A08S2單片機(jī)自帶八路十位A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換口在P1口，因此中任何一個(gè)都可做A/D轉(zhuǎn)換使用，速度可達(dá)250KHz(25萬次每秒）。此八路A/

22、D轉(zhuǎn)換器為電壓輸入型，可以滿足本設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)要求檢測(cè)三種氣體因此有三路A/D轉(zhuǎn)換就滿足需求了，可以通過軟件編程把P1.0-P1.2作為A/D轉(zhuǎn)換使用。可以繼續(xù)留作I/O口使用。STC12C5A08S2的引腳圖如圖3.5。 圖3.4 STC12C5A08S2引腳圖 3.2.1引腳介紹18腳（XTAL2）、19腳（XTAL1）外接時(shí)鐘引腳，XTAL1為片內(nèi)振蕩電路的輸入端，XTAL2為片內(nèi)振蕩電路的輸出端；9腳（RST）復(fù)位引腳，如果需要用來完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作須輸入高電平而且必須是連續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的；P0（32腳-39腳）雙向八位三態(tài)I/O口，每個(gè)可以獨(dú)立控制；P1口（1腳-8腳）

23、STC12C5A08S2單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換引腳，變成設(shè)置后可做A/D轉(zhuǎn)換使用，也可作普通的I/O口使用；P2口（21腳-28腳）準(zhǔn)雙向八位I/O口，內(nèi)帶上拉電阻；10腳（RXD）串行輸入口；11腳（TXD）串行輸出口；12腳（）外部中斷0；13腳（）外部中斷1；14腳（T0）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0外部輸入端；15腳（T1）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1外部輸入端；16腳（）外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫脈沖；17腳（）外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀脈沖。3.2.2時(shí)鐘電路 單片機(jī)工作的時(shí)間基準(zhǔn)是由時(shí)鐘電路提供的。單片機(jī)芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器。反相放大器的輸入端為XTAL1，輸出端為XTAL2，兩端跨接石英晶體及兩個(gè)電

24、容就可以構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器。電容C1和C2取值范圍為一般為（10-30）pF，可穩(wěn)定頻率并對(duì)振蕩頻率有微調(diào)作用。振蕩信號(hào)從XTAL2端輸入到片內(nèi)的時(shí)鐘發(fā)生器上，時(shí)鐘電路如下圖3.6。 圖3.6 時(shí)鐘電路3.2.3復(fù)位電路 單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)都需要復(fù)位，使CPU及系統(tǒng)各部件都處于確定的初始狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開始工作。單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)是從RST引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)且振蕩器穩(wěn)定后，如RST腳上有一個(gè)高電平并維持兩個(gè)機(jī)器周期，則CPU就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。復(fù)位電路的作用除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化外，當(dāng)程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為了擺脫困境，必須按復(fù)位

25、鍵手動(dòng)復(fù)位重新啟動(dòng)。 單片機(jī)的復(fù)位方式有上電復(fù)位和手工復(fù)位兩種。如圖3.7所示是51系列單片機(jī)常用的上電復(fù)位和手工復(fù)位組合電路，只要電源上升時(shí)間不超過1ms，它們都能很好的工作。復(fù)位以后，單片機(jī)內(nèi)各部件恢復(fù)到初始狀態(tài)。 圖3.7 復(fù)位電路3.3光報(bào)警電路 光報(bào)警電路的功能是接收單片機(jī)發(fā)出的數(shù)字量，接收到的數(shù)字量不同做出的反應(yīng)也各不相同；由單片機(jī)的P2.0控制二氧化碳濃度，當(dāng)正常濃度時(shí)P2.0為高電平，控制的燈不亮；當(dāng)濃度超標(biāo)時(shí)，P2.0為低電平，控制的燈亮，進(jìn)行報(bào)警；同理磷化氫、氧氣的濃度分別由P2.1，P2.2進(jìn)行控制。具體閃光報(bào)警電路如圖3.6。圖3.6 閃光報(bào)警電路3.4液晶顯示電路 本

26、設(shè)計(jì)選用液晶顯示模塊TC1602A來顯示氣調(diào)糧庫現(xiàn)場(chǎng)氣體實(shí)時(shí)監(jiān)控。 TC1602A是顯示面積為64.5×13.8mm2的字符型液晶顯示模塊。該液晶顯示器件一行能夠顯示十六個(gè)字符，一共可以顯示兩行共32個(gè)字符，可以將本設(shè)計(jì)中所測(cè)的氧氣、二氧化碳、磷化氫三種氣體濃度一次顯示在同一面板上，使顯示系統(tǒng)更加簡單。TC1602A的引腳排列如下圖所3.7示，它有16個(gè)引腳可與外界相連。 圖3.7 TC1602A引腳圖各引腳功能如下表編號(hào)符號(hào)引腳說明編號(hào)符號(hào)引腳說明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/

27、寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能控制端14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15LED+背光源正極8D1數(shù)據(jù)16LED-背光源負(fù)極 TC1602A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.8所示，它主要由DDRAM、CGROM、CGRAM、IR、DR、BF、AC等大規(guī)模集成電路組成. 圖3.8 TC1602A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 DDRAM為數(shù)據(jù)顯示用的RAM（Data DisplayRAM，簡稱DDRAM），用以存放要LCD顯示的數(shù)據(jù)，只要將標(biāo)準(zhǔn)的ASCII碼放入DDRAM，內(nèi)部控制線路就會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)傳送到顯示器上，并顯示出該ASCII碼對(duì)應(yīng)的字符。傳感器輸出的電信號(hào)經(jīng)放大電路放大后輸出給單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換端口，經(jīng)計(jì)算和處理后以ppm顯示在液晶

28、顯示模塊TCl602A上面。其與單片機(jī)連接電路如下圖3.9所示 圖3.9 液晶顯示模塊電路4總體軟件設(shè)計(jì) C語言對(duì)于單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用具有重要作用。C語言融合高級(jí)語言與匯編語言的特點(diǎn)于一身。C語言是可以作為一種工作系統(tǒng)設(shè)計(jì)語言用來編寫系統(tǒng)應(yīng)用程序的，無論依不依賴計(jì)算機(jī)硬件的應(yīng)用程序都可以用C語言編寫出來。C語言處理數(shù)據(jù)的能力是非常強(qiáng)大的，所以被人們使用的比較普遍。在使用C語言的時(shí)候需要區(qū)分大小寫，關(guān)鍵字總共才只有32個(gè)，具有控制作用的語句九種，語法限制不太嚴(yán)格，可以自由的書寫程序。如果可以將C語言豐富的運(yùn)算符巧妙的運(yùn)用起來能夠解決很多問題，更有連其他高級(jí)語言都難以實(shí)現(xiàn)的運(yùn)算。多種顯示器和驅(qū)動(dòng)器都

29、可以用C語言進(jìn)行編程來控制。C語言中的條件語句可以控制程序流向函數(shù)可以調(diào)用，這種結(jié)構(gòu)化方式讓我們可以把整個(gè)程序分為一小塊一小塊來寫，便于使用，而且寫出來的程序?qū)哟吻逦?，維護(hù)以及調(diào)試方便。C語言適用于多種操作系統(tǒng)，可移植性良好，所以對(duì)我們初學(xué)者來說，C語言是雖然只是一門中級(jí)語言但是它是一種既容易掌握又可以具備高級(jí)語言功能的語言。因此，在本文中設(shè)計(jì)的氣體檢測(cè)儀程序部分用C語言完成編程。4.1系統(tǒng)總體流程設(shè)計(jì) 系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)首先要進(jìn)行復(fù)位操作，進(jìn)行定時(shí)器T0、T1初始化，液晶模塊TC1602A初始化，串行口初始化，使CPU及各系統(tǒng)模塊從初始狀態(tài)開始工作。然后啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換通道，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，重新標(biāo)度變換

30、，并且保存數(shù)值結(jié)果，單片機(jī)判斷濃度是否超標(biāo)，如果沒有超標(biāo)則繼續(xù)進(jìn)行上述過程，若超標(biāo)，單片機(jī)向閃光報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)高電平，閃光報(bào)警系統(tǒng)閃光報(bào)警。主程序流程圖為圖4.1。 圖4.1主程序流程圖A/D轉(zhuǎn)換流程圖如圖4.2所示。圖4.2 A/D轉(zhuǎn)換流程圖float GetAD(uchar channel) /選擇ad通道 unsigned char AD_finished=0; /轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位 float tad_val; /轉(zhuǎn)換初始結(jié)果 tad_val=0; ADC_CONTR|=(channel); /選擇a/d通道 ADC_RES=0; ADC_RESL=0; /ad轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器初始值為零

31、ADC_CONTR|=0x08; /啟動(dòng)ad轉(zhuǎn)換 while(AD_finished=0) /等待ad轉(zhuǎn)換結(jié)束 AD_finished=(ADC_CONTR&0x10); /查詢ad轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位 tad_val=(ADC_RES*4+ADC_RESL); /10位轉(zhuǎn)換結(jié)果 ADC_CONTR&=0xe0; /轉(zhuǎn)換結(jié)束清除ad轉(zhuǎn)換標(biāo)志位 return(tad_val); /轉(zhuǎn)換結(jié)果 另外在A/D轉(zhuǎn)換之前，要先對(duì)a/d寄存器進(jìn)行初始化操作，使所要進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換的i/o口保持在a/d輸入模式下。下面是對(duì)a/d轉(zhuǎn)換進(jìn)行初始化的程序，void InitADC() P1M1=0xff;

32、P1M0=0xff;/設(shè)置p1為a/d輸入模式 P1ASF=0xff; /p1做a/d模擬輸入使用 ADC_RES=0; ADC_RESL=0; ADC_CONTR=0xe0; /ADC控制寄存器設(shè)置1110 0000-即開啟ADC的電源， Delay(2); /延時(shí)一段時(shí)間讓ADC的電源確定開 AUXR1&=0xfb; /將ADRJ置0光報(bào)警系統(tǒng)流程圖如圖4.3。 圖4.3光報(bào)警系統(tǒng)流程圖結(jié)論 本文完成了一個(gè)用于氣調(diào)糧庫的氣體檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，解決了傳感器的選型、A/D轉(zhuǎn)換與單片機(jī)的選型；解決了傳感器信號(hào)采集與放大電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣調(diào)糧庫內(nèi)氣體的實(shí)時(shí)檢測(cè)，可以精準(zhǔn)的測(cè)量出氣體濃度并

33、顯示在顯示屏上，而且當(dāng)濃度超出容許范圍時(shí)閃光報(bào)警器可以閃光報(bào)警，保證了氣調(diào)糧庫的安全正常運(yùn)行。低功耗器件的選擇延長了該系統(tǒng)地的壽命，各部分關(guān)鍵技術(shù)的解決使整個(gè)系統(tǒng)測(cè)量精度得到了提升的同時(shí)，具有結(jié)構(gòu)更加簡單，調(diào)試方便，價(jià)格合理等優(yōu)點(diǎn)。 當(dāng)今社會(huì)，傳統(tǒng)儲(chǔ)糧方式面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)，綠色儲(chǔ)糧越來越受重視，充氮?dú)庹{(diào)儲(chǔ)糧將氮?dú)膺@種取之不盡、用之不竭的自然物質(zhì)作為糧食的氣調(diào)儲(chǔ)藏介質(zhì)是意義重大的，這種綠色、安全、無公害的儲(chǔ)糧方式必然將被廣泛應(yīng)用到糧食儲(chǔ)藏中去。本設(shè)計(jì)是針對(duì)上述情況設(shè)計(jì)的一個(gè)氣體檢測(cè)儀器，該裝置能對(duì)氣調(diào)糧庫內(nèi)的三種氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并進(jìn)行閃光報(bào)警，是充氮?dú)庹{(diào)糧庫安全正常運(yùn)行的必需品。致謝 四年的大學(xué)

34、時(shí)光匆匆逝去，非常感謝在大學(xué)期間幫助過我的老師和同學(xué)們，你們的幫助是我這一生中最大的一筆財(cái)富。通過這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)到了很多知識(shí)與實(shí)踐的結(jié)合，在導(dǎo)師*教授的悉心幫助下，完成了老師交給的任務(wù)。在*老師嚴(yán)格要求的教學(xué)風(fēng)氣下，給予了我很大的動(dòng)力，從中也學(xué)到了許多知識(shí)，*老師以其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)作風(fēng)時(shí)刻關(guān)注著我的進(jìn)展，在我遇到問題時(shí)以其崇高的責(zé)任心給了我很大的幫助，在日常的生活中*老師對(duì)學(xué)生一直以一種融洽相互溝通的態(tài)度，對(duì)我的影響深遠(yuǎn)流長。本設(shè)計(jì)能夠順利完成也離不開實(shí)驗(yàn)室*師兄對(duì)我的熱情幫助，在器件的選型與購買上*師兄也給與了大力的支持。 再次最終感謝一下對(duì)我?guī)椭娜藗?，祝福你們?cè)诠ぷ鳌W(xué)習(xí)和感情上能夠一

35、帆風(fēng)順。參考文獻(xiàn)1 薛天宗. 孟慶昌，華正權(quán). 模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用技術(shù)M北京:科學(xué)出版社，20012 宋文緒. 楊帆主編. 傳感器與檢測(cè)技術(shù)M北京:高等教育出版社，20103 楊居義. 單片機(jī)原理與工程應(yīng)用M北京:清華大學(xué)出版社，20104 譚浩強(qiáng). C程序設(shè)計(jì)M北京:清華大學(xué)出版社，20035 張齊，杜群賁. 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)基于C語言編程M北京:電子工業(yè)出版社，20046 趙文博，劉文濤. 單片機(jī)語言C51程序設(shè)計(jì)M北京：人民郵電出版社，20057 華成英， 童詩白. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第三版M北京:高等教育出版社, 20048 喻宗泉，喻晗，李建民. 單片機(jī)

36、原理與應(yīng)用技術(shù)M西安:西安電子科技大學(xué)出版社.20069 R. C. Hughes, W. K. Schubert, T. E. Zipperian, J. L. Rodriguez, and T. A. Plut, "Thin-film palladium and silver alloys and layers for metal-insulator-semiconductor sensors", J . Appl. Phys. vol. 62, p. 1074, 1987. 10 馬文華. 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)M北京：科學(xué)出版社 .200611 姜志海，黃玉清，劉連鑫

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38、;uchar unsigned char #define uint unsigned int ADC_CONTR|=0x08;  /啟動(dòng)轉(zhuǎn)換 ADC_CONTR&=0xe0;   /轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào) sbit lcdrs=P33;  / 液晶讀寫控制信號(hào) sbit led1=P20;    /二氧化碳濃度報(bào)警電路sbit led2=P21;&#

39、160;  /氧氣濃度報(bào)警電路sbit led3=P22;  / 磷化氫濃度報(bào)警電路sbit c=P10;   /通道選擇 sbit b=P11; sbit a=P12; sbit lcden=P35; uchar code table1="0123456789" uchar num1,num2,num3; /存儲(chǔ)三個(gè)通道采集的數(shù)據(jù) uchar&#

40、160;flag1,flag2,flag3; void delay(uint ms)   /延時(shí)函數(shù)ms  uchar i;  while(ms-)    for(i=0;i<120;i+);  void write_com(uchar com)  /向LCD1602寫指令   lcdrs=0;   P0=com;   delay(

41、5);    lcden=1;   delay(5);  lcden=0;  Void write_data(uchar date) /向LCD1602寫數(shù)據(jù)  lcdrs=1;  P0=date;  delay(5);  lcden=1;  delay(5);  lcden=0;    void init_1602() 

42、60;   /初始化LCD1602     lcden=0;  write_com(0x38);  write_com(0x0e);  write_com(0x06);  write_com(0x01);  write_com(0x80);     void display_result(void)   /顯示函數(shù) &

43、#160;  uchar b,c;   uchar a1,b1,c1;   uchar b2,c2;   b=num1/10;  c=num1%10;   write_com(0x80);   write_data(table1b);   delay(5);  write_data(table1c);   delay(5);   write_data('p');

44、   delay(5);   write_data('-');   delay(5);    a1=num2/100;      /將各位分開  b1=num2%100/10;   c1=num2%10;   write_data(table1a1);   delay(5);  write_data(table1b1);   del

45、ay(5);  write_data(table1c1);   delay(5);   write_data('p');   delay(5);   write_data('-');   delay(5);    b2=num3/10;   c2=num3%10;   write_com(0x80+0x40);   write_data(table1b2);

46、0;  delay(5);  write_data('.');   delay(5);  write_data(table1c2);   delay(5);   write_data('p');   delay(5);      /*發(fā)送一個(gè)字節(jié)*/void usart_send(uchar a)    SBUF=a;   while(!TI);   TI=0;   void timer_init(void) /定時(shí)器0，1初始化    TMOD=0x22;   TH0=0x14;   TL0=0x14;  IE=0x82;   TR0=1;  TH1=0xfd;    /波特率為96