第1章概述
1.1 项目提出的必要性和国内外研究水平和动向
从我国煤炭生产的现状及我国能源结构规划均可看出，在本世纪中叶以前，煤炭仍是支持我国国民经济发展的主要能源，煤炭生产，作为我国能源工业的支柱，其地位将是长期的、稳定的，但是煤炭工业的安全生产状况却不容乐观，中小型煤矿的情况尤为严重，已经直接威胁到整个煤炭工业的稳定生产，给国家财产和人民生命造成了很大的损失，作为“万恶之首”的甲烷爆炸事故更是重大事故发生率之首。在去年又接连发生了多起甲烷爆炸事故，事故的结果触目惊心，因此通过强化甲烷管理，提高通风、甲烷检测监控水平，已成为中小型煤矿甲烷检测监控的最迫切的任务之一。
煤矿生产安全监控系统，是目前为止实际通风甲烷管理工作中最重要和最有效的自动化手段，已经装备监控系统的煤矿的甲烷事故发生率大为下降，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及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内已有生产和应用，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
必须依赖专业的维护队伍，对人员技术，素质有较高的要求。
国外的监控系统技术理论上讲高于国内发展水平，但应用于国内煤矿尚有一定的局限性，如煤矿管理模式生产方式的不同，价格过高不适于国内煤矿现有条件，除在传感器技术方面可供借鉴外，其它仅具一定参考价值。
综上所述，开发研制适用于中小型煤矿生产安全监控系统的任务迫在眉睫，而根据我国煤矿生产和管理模式，依照我国的有关技术标准，其技术的先进性、产品的可靠性和实用性则是本项目的关键所在。
沼气(甲烷CH4的俗称)矿井在我国煤矿生产矿井中所占比重很大，随着矿井开采强度
和深度的增加，沼气涌出量也在不断增加，沼气积聚可能引起沼气事故，及时掌握煤矿井下沼气动态是一件十分重要的工作。甲烷浓度检测仪器就是用来监视矿井沼气动态的有效工具。鉴于沼气在矿井中存在的普遍性及其可能造成灾害的严重性，甲烷浓度检测仪器在煤矿是数量最多，使用最普遍的安全检测仪器，而且也是煤炭系统研制种类最多的仪器，需要说明的是，由于我国煤矿习惯把甲烷叫做瓦斯，因此检测甲烷浓度的仪器，有的叫瓦斯检定器，有的又叫沼气检定器，在这里，甲烷，沼气和瓦斯是同义词。
1.2 煤矿安全仪器概况
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及矿尘进行及时而准确的检测和严格控制，一旦发生灾变，必须及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。
最初，人们为了防止井下空气中混有一氧化碳造成中毒事故，曾使用过金丝雀一类的小动物来进行检测。1815年英国人在煤矿井下开始使用安全火焰灯检测瓦斯。1897年瑞典制成第一台容积压力式瓦斯浓度测量仪。随着矿井开采深度的增大，机械化和综合机械采煤的普遍推广，通风安全方面问题日益突出。与此同时，随着仪表工业及电子技术的发展，矿井通风安全仪器也得到了不断的发展。1927年日本制造成光干涉原理甲烷检定器，以后又陆续出现热导、热催化原理、气敏半导体等各种不同原理的甲烷检定器，其测量精度不断提高，检测方式从“间断”、“就地”检测发展到“连续”、“集中自动”遥测。特别是随着电子计算机技术的应用，一套监测系统，除能检测高低浓度甲烷外，还可测一氧化碳、氧、氢的浓度，气温，风速等等。同时还能对井下设备的工作状态进行监控。如英国DYNSLINK-MINOS系统的监测容量为986个模拟量，896个开关量，传输距离为13km。在地面中心站一般都配有用来进行数据采集和处理的计算机、打印机、显示器、控制台和模拟盘等。譬如当井下某测点的甲烷浓度超限时，能发出声、光报警信号，切断该测点附近的电源。作为间断方式检测的携带式仪器，也随着测试技术的飞速发展及多功能集成电路的出现，检测元件的性能不断提高而实现了单机分级报警，数码显示，自动校正，电源监视和故障指示等功能,而且操作简单，维修量小，体积小。例如美国MSA公司生产的携带式甲烷检测仪重量只有0.28Kg，外形尺寸为146*65*38mm
解放前我国煤炭工业技术十分落后，矿井通风安全仪器更是属于空白。解放后，党和
政府对安全工作极为重视，煤矿安全状况及劳动条件得到了很大的改善，通风安全仪器从无到有地发展起来。在仪器的研究、生产制造方面，多年来投入了很大的力量，形成了以抚顺、重庆、西安、常州、上海等地为中心的安全仪器生产基地，除生产大量的通风安全仪器和救护设备外，从1980年起，先后从波兰、英国、美国和西德等地引进了多种形式的煤矿安全监测系统和生产监控系统，在引进的基础上，我国也研制了一批安全监测系统，如常州煤研所的KJ1型，北京长城科学仪器厂的KJ4型，重庆煤矿安全仪器厂的TF-200型和AWJ-80型，西安仪表厂的MJC-100型，抚顺煤矿安全仪器厂的AU1型，总参6904厂的WDJ-1型和镇江煤矿专用设备厂的A-1型等安全监控系统来装备矿井。其中KJ4型的系统容量为1536个，传输距离为13 km。所有这些成就，表明我国的安全监测仪器的研制和装备进入了新的水平。但是目前安全监测传感器的种类和质量与国际水平的差距还较大，这是需要解决的问题。
1.3 测量仪器的基本性能
1.3.1 测量仪器的概念
煤矿安全仪器是用来检查测量矿井安全状况的物质手段。什么是测量呢?测量是人们对自然界的客观事物取得数量观念的一种认识过程。在这一过程中，借助于专门的技术工具，通过实验方法，求出以所采用的测量单位表示的未知量的数值大小。测量的目的是为了在限定的时间内尽可能正确地收集被测对象未知信息，以便掌握被测对象的参数及控制生产过程。例如，在采煤机上安装采煤机瓦斯断电控制仪。它不仅可以连续监测采煤机附近风流的甲烷浓度，而且在甲烷浓度超限时还可发出声、光报警信号，并自动切断采煤机的工作电源以防发生瓦斯事故,确保生产安全。
1.3.2 测量仪器的基本性能
评价测量仪器品质的指标是多方面的。仪器的基本性能，主要是衡量仪器测量能力的一些指标，如精确度、稳定性、测量范围、动态范围等。但工作可靠性、经济性也很重要，这些因素在很大程度上影响仪器的使用。
1.4 本论文的结构安排
第一章是文章概述。介绍了该课题提出的必要性和国内外研究水平与动向以及测量仪器的基本性能，同时给出整个论文的结构安排。
第二章是研究内容、方法和原则。阐述了课题研究的内容，设计思路和方法以及整体
设计所遵循的原则。
第三章是监控仪的工作原理。对甲烷浓度监控仪作了原理分析，同时介绍了敏感元件的结构和工作原理以及整机工作原理。
第四章是硬件设计。对组成系统的CPU、时钟电路、敏感元件、小信号放大电路、A/D 转换电路、通信电路以及看门狗监控电路都作了详细介绍。
第五章是软件设计。介绍了软件设计采用的方法和所遵循的原则，并给出了部分主要程序的软件流程图及程序。
第六章是结束语。对整个系统作了一个概括性的总结，既介绍了仪器的优点又指出了其不足之处。
致谢中对参与了课题的研究和给予帮助的老师和同学作了感谢。
最后是文章的参考文献和中英文附录。
第2章研究内容、方法和原则
2.1 研究内容
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。
作为一种完整的煤矿生产安全监控系统，它至少应具备以下设备和功能:
1.传感器:
监测要素的采集，转换
转换后电信号的处理，加工
2.传输系统
信号的远距离传送
信号的调制和解调
3.计算机系统
信号的采集
数据的处理
设计时需要注意的问题：
1.产品的技术指标、生产工艺等要符合国家有关规定及煤炭部，地方管理部门的规定。
2.运行的可靠性和稳定性一定要好，安装、维护要方便，操作要简单。
3.各项功能要实用，既要满足国家和地方的有关规定也要考虑用户的要求。
4.设计、制造尽可能使用通用的有替代产品的元件，器件和设备。
5.能使用软件实现的功能，一般不使用硬件来实现，以减小体积，将成本降至最低。
6.设计要从整体出发，分步、分层实施，突出系统的整体性能，力求系统整体性能最优化。
在以上设计原则的指导下，本系统各部分的主要实现方法确定如下：
1.发送采用调制解调方式通讯。
2.数据处理功能尽可能完善，容易扩充。
3.为提高软件的运行效率，软件全部使用汇编语言。
2.2 仪器的设计原则
在总体结构的设计上，首先重点突出系统整体性能，价格最优的原则，本着先进、简明、实用的设计指导思想，从传感器的信号采集、处理传输，到系统软件的设计，在整体最优原则的指导下，发挥各自的设计灵活性。其次，系统整体设计上，着重考虑系统运行的可靠性和稳定性，监测的快速和准确，安装、维护的方便和经济性，操作使用的简便，少维护，免培训等。
2.3 课题研究的总体思路
1.加强监控系统的实用性，将监控系统的设计制造同现场的实际需要密切结合起来，整体结构大为简化，安装使用十分简便，希望使监控系统真正成为矿井通风管理的得力助手。
2.提高产品的技术应用水平和整体质量档次，在结构设计、材料适用、工艺安排等方面都努力使产品在技术上、质量上更上一个新的台阶。
3.花大力气提高产品的可靠性，从软件到硬件，从元器件到整机，都尽最大努力提高整体系统的可靠性。
第三章监控仪工作原理
3.1 甲烷浓度检测仪原理分析
甲烷浓度检测仪器按其工作原理不同，有下列几种:
1.光干涉式
光干涉式是利用光波对空气和甲烷折射率不同所产生的光程差，引起干涉条纹移动来实现对不同甲烷浓度的测定。其优点是准确度高，坚固耐用，校正容易，高低浓度均可测量，还可测量二氧化碳浓度;其缺点是浓度指示不直观，受气压温度影响严重，特别是空气中氧气不足或氮、氧的比例不正常时，要产生误差;光学零件加工复杂，成本较高和实现自动检测较困难。
2.热催化式
热催化式是利用甲烷在催化元件上的氧化生热引起其电阻的变化来测定甲烷浓度。其优点是元件和仪器的生产成本低，输出信号大，对于1%气样，电桥输出可达15mV以上，处理和显示都比较方便，所以仪器的结构简单，受背景气体和温度变化的影响小，容易实现自动检测。其缺点是探测元件的寿命较短，不能测高浓度甲烷，硫化氢及硅蒸汽会引起元件中毒而失效。目前国内外检测甲烷的仪器广泛采用这一原理。
3.热导式
热导式是利用甲烷与空气热导率之差来实现甲烷浓度的测定。其优点是热导元件和仪器设计制作比较简单，成本低、量程大，可连续检测，有利于实现自动遥测，被测气体不发生物理化学变化，读数稳定，元件寿命长。其缺点是测量低浓度甲烷时输出信号小，受气温及背景气体的影响较大。
4.红外线式
红外线式是利用甲烷分子能吸收特定波长的红外线来测定甲烷浓度。其优点是采用这一原理的仪器精度高，选择性好，不受其它气体影响，测量范围宽，可连续检测;其缺点是由于有光电转换精密结构，使制造和保养产生困难，而且体积大，成本高，耗电多，因此推广使用受到一定限制。
5.气敏半导体式
气敏半导体的种类较多，如氧化锡、氧化锌等烧结型金属氧化物。这一原理是利用气敏半导体被加热到200℃时，其表面能够吸附甲烷而改变其电阻值来检测甲烷浓度。其优点是对微量甲烷比较敏感，结构简单、成本低。但当浓度大于1 %CH4时，其反应迟钝，
选择性和线性均较差，所以很少用于煤矿井下甲烷浓度的检测，而多用于可燃气体的检漏报警。
6.声速差式
在温度为220℃、气压为101325Pa条件下，声波在甲烷中的传播速度为432m/s，而在清洁空气中为332m/s。比较这两种速度就可测定高浓度甲烷。其优点是读数不受气压影响;其缺点是不适合测量低浓度甲烷，一般只用来检测矿井抽放甲烷管道中的甲烷浓度，对背景气体、粉尘及气温变化很敏感。
7.离子化式
气体在放射性元素的辐射作用下发生电离，在气体介质中的两个电极之间便有电流产生。测量空气介质和被测甲烷中的电流大小，便可测出甲烷浓度。其优点是快速，可以连续自动检测，灵敏度高，测量准确，可测二氧化碳浓度。其缺点是测量低浓度甲烷困难，空气湿度对仪器读数有影响，传感器结构复杂。
3.2 热催化元件的结构及工作原理
3.2.1 热催化元件的结构
载体催化元件最里层是用0.02～O.O5mm的高性能铂丝绕制的螺旋圈，外面是由三氧化二铝和催化剂组成的催化外壳。铂丝螺旋圈完成加热;三氧化二铝载体有定型、传热和载附催化剂等功能。催化剂由氯化钯外加稳定剂钍(Tu)配制而成，有降低起燃温度、加强选择性、提高稳定性等功能。当载体催化元件遇到甲烷与空气的混合气体时，在催化剂的作用下，甲烷气体在元件表面发生无焰燃烧，产生的热量使铂丝的温度升高。
载体催化燃烧式传感器一般被制成一个便于测量的探头，探头可以单独设置，也可以作为一个独立单元装配在仪器内使用。
探头内部的主要元件是黑元件(催化元件)和白元件(补偿元件)，两个元件分别配置在电桥电路中，作为一组桥臂，另一组桥臂是两个固定电阻，作为电桥的比率臂。与黑白元件相对应，为使电桥在无甲烷状态下处于平衡状态，桥路内装有调零电位器W。此外，传感器电源应是经过稳压的稳压源。根据设计要求，本项目采用热催化式工作原理。
3.2.2 敏感元件工作原理
黑元件载体是催化燃烧式元件，当甲烷气体在元件表面与氧气产生无焰燃烧时，电桥失去平衡，输出一个电压信号。白元件是补偿元件，基本结构和技术参数与黑元件相同，但表面不涂镀催化剂，所以，它不参加低温燃烧。但由于它处于与黑元件相同的工作环境
中，所以，对非甲烷浓度变化引起的催化元件阻值变化起补偿作用，以提高仪器零点稳定性和抗干扰能力。
使用时一般将黑白元件串联，作为电桥的一臂，用普通电阻构成电桥的另一臂，电桥的两端加上稳定的工作电压U。当含有甲烷的空气在高温和催化剂的作用下，发生无焰燃烧，而在白元件上则不致使甲烷燃烧，从而使黑元件的温度比白元件的温度高，黑元件中的铂丝既是加热元件，又是感应温度的热敏元件，根据铂丝的正温度系数的特性，温度升高时电阻增大，黑元件上的电压降即增大，电桥失去平衡，输出一个电压信号△U，该电压值的大小反映了甲烷浓度的高低，检测此电压便可测量出甲烷浓度。
3.3 整机工作原理
热催化原理又称催化燃烧原理。利用该原理的甲烷测定器是当前国内测量低浓度甲烷的检测仪器中采用最广泛的一种，而且还在不断的提高和发展。其基本原理是根据甲烷在一定的温度条件下氧化燃烧，且在一定的浓度范围内，不同浓度的甲烷在燃烧过程中要释放出热量不同的特性，来达到测定甲烷浓度的目的。
甲烷浓度报警监控仪的工作原理如图3-1所示。
图3-1工作原理图
Figure 3-1 Working drawings
在催化元件电源端加上一正电压，使催化元件开始工作，输出与甲烷浓度相对应的电压信号，此电压经过放大电路放大后，送到A/D转换，A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号送入CPU, CPU对采样值进行数值计算，处理后，驱动显示器显示出被测气体中的甲烷浓度值，若被测气体中甲烷浓度超过报警电路预定的数值时，报警电路即发出声、光报警信号。时钟芯片用于产生实时时间，并通过4位数码管显示小时和分。当计算机控制
系统需要查询甲烷浓度时，只要发出相应信息，报警仪即可将测量结果经串行口及通信电路传送出去，最长传输距离可达到20km。
第四章硬件电路设计
为适应安全生产的需要，同时满足体积小、耗电少、精度高的要求，硬件电路设计中尽可能选用功耗小，性能稳定的集成电路芯片。
4.1 微控制器CPU
CPU是监控报警仪的核心，完成数据采集、处理、输出、显示等功能,是整个仪器正常工作的基础，它的选择直接关系到整个系统的工作。选择通用性强、功耗小、性能稳定良好的8位CMOS微处理器芯片AT89C51，它与常用MCS-51型单片机兼容，工作电压为2.7V～6.OV,具有32条可编程I/O端口，3个16位定时计数器，256×8位内部RAM,内带8K字节快闪EEPROM的特点，大大简化了电路的设计。
引脚图如图4-1：
图4-1 AT89C51引脚图
Figure 4-1 The pin chart of AT89C51
部分引脚功能说明：
XTAL1：接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时，此引脚应接地。
XTAL2：接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生
器输入端。当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。
RST：AT89C51的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片复位时，只要将此引脚电位提升到高电位，并持续两个机器周期以上的时间，AT89C51便能完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态。
ALE/PROG：ALE表示允许地址锁存允许信号。当访问外部存储器时，ALE信号负跳变来触发外部的8位锁存器 (如74LS373)，将端口P0 的地址总线(A0-A7)锁存进入锁存器中。在非访问外部存储器期间，ALE引脚的输出频率是系统工作频率的1/16，因此可以用来驱动其他外围芯片的时钟输入。
PSEN：访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。在访问外部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生二次PSEN信号。在执行片内程序存储器指令时，不产生PSEN 信号，在访问外部数据时，亦不产生PSEN信号。
P0：P0口(P0.0～P0.7)是一个8位漏极开路双向输入输出端口，当访问外部数据时，它是地址总线（低8位）和数据总线复用。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向I/O口用。P0口每一个引脚可以推动8个LSTTL负载。
P2：P2口(P2.0～P2.7)是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，当访问外部程序存储器时，它是高8位地址。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向I/O口用。每一个引脚可以推动4个LSTL负载。
P1：P1口(P1.0～P1.7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，其输出可以推动4个LSTTL负载。仅供用户作为输入输出用的端口。
P3：P3口(P3.0～P3.7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，它还提供特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能。其特殊功能引脚分配如下：
P3.0 RXD 串行通信输入
P3.1 TXD 串行通信输出
INT外部中断0输入,低电平有效
P3.2 0
INT外部中断1输入,低电平有效
P3.3 1
P3.4 T0 计数器0 外部事件计数输入端
P3.5 T1 计数器1 外部事件计数输入端
P3.6 WR外部随机存储器的写选通，低电平有效
P3.7 RD外部随机存储器的读选通，低电平有效
在设计中用到了多片串行通信的芯片，但选用的单片机AT89C51只有一个串行口，这给连接带来了极大的麻烦。在设计中，用单片机未用到的普通I/O口辅之控制软件来模拟串行口工作，从而解决了串行口不够用的难题。
4.2 敏感元件
4.2.1 热催化元件的特性
在选择敏感元件时，主要从以下几个方面来衡量:
(1)活性。元件活性是指元件对甲烷氧化燃烧的速率。元件活性高，通过电桥测量甲烷时，可以得到较高的电压输出。
(2)稳定性。元件的稳定性是指元件在新鲜空气与一定浓度的甲烷中，在规定的连续工作时间里的活性下降率。下降率其值越低越好，活性下降率越低，表明元件工作性能越稳定。
(3)工作点与工作区间。元件工作点是指元件的标准工作电压和电流值。实际使用中，为了便于组成电桥和选定电桥电流，通常是指一对元件(即一只黑元件和一只白元件)的标准工作电压或电流值。在工作点上，元件具有较大的输出，较好的稳定性和最小的零点飘移。目前国内元件的工作点有:直1.2V, 2.2V, 2.4V, 2.8V及320mA等几种。
当元件的工作电压或工作电流变动时，在同一甲烷浓度下输出活性大小是不相同的。只有当工作电压或工作电流在某一范围内变动时，输出活性才接近直线。这个电压或电流的变动范围称为元件的工作区间。区间越宽越好。目前元件的工作区间只能达到标准电压的±10%。
(4)输出特性。元件输出特性，是指在不同的甲烷浓度下，元件的活性与甲烷浓度的关系。在0-5%CH4范围内，电桥输出信号与甲烷浓度呈线性关系。当甲烷浓度在9.5%处时，曲线出现拐点，以后随着甲烷浓度的增大，电桥输出信号不断下降，出现了高浓度和低浓度输出信号相同现象。产生的原因是由于高浓度甲烷气体中缺氧使燃烧不完全所造成的。所以，这种原理的甲烷检测仪只能测量低浓度甲烷。
(5)元件的寿命。元件的寿命是指元件在使用过程中，其活性下降到某一规定值的时间。
(6)元件的“中毒现象”。矿井空气中的硫化氢、二氧化硫等气体会使元件产生中毒现象，使活性降低。其原因主要是由于这些毒性气体元件活性下降。此外，井下电气设备用的硅油、硅绝缘材料等挥发物，也会使元件中毒。这主要是由于硅分子量大，一旦吸附在元件表面，就会阻止甲烷进入而影响元件氧化速率，致使活性下降。
为防止元件中毒，可以加过滤器，例如用活性炭吸收管，1 cm 厚活性炭的吸收管，可使工作在有毒环境中的元件寿命延长数百倍。
经过一段时间工作的元件，遇到较高浓度，工作数分钟后，元件的活性将升高，高浓度消失后，元件在几十小时内活性才会逐步下降到原值附近，以后又保持稳定的活性。这种现象称为元件被浓甲烷激活。元件的激活特性是一个缺点，因为被激活的元件在一段时间内会造成输出不稳，这是在使用中应该加以注意和调整的。
载体催化元件与纯铂丝元件相比，其抗毒性能较弱，在有毒气体的环境中，宜采用铂丝元件。
(7)反应速度。反应速度是工作元件的一个重要指标。特别是当元件应用到各种运动机械上时，就更为突出。
在井下空气中，当甲烷浓度发生变化时，元件的反应速度由两个因素决定，一是元件本身的时间常数:，二是甲烷向元件扩散的速度。元件的时间常数τ可由下式确定:
a
R I T s as E 234-+=στ 式中: τ:元件的时间常数;
E:元件的热容量;
a:等效热导系数;
s:元件的表面积;
σ:常数;
T:元件的工作温度;
I:工作电流;
R:元件电阻;
a R :铂丝电阻温度系数
通过对上式的分析，可以合理地选择元件参数，以提高工作元件的反应速度。本设计中选择的敏感元件型号为:FWC-2。
参数为:
测量介质:甲烷
工作电流:直流稳压
工作点:2. 8V/≤175mA
测量范围:0-4%CH4
稳定性:灵敏度变化±0.1%CH4
响应时间:≤20S
4.2.2 敏感元件的组成及作用
敏感元件是准确检测甲烷气体含量的核心元件之一，它由工作元件和补偿元件组成，将这两个元件分别接在惠斯登电桥上，在元件的电源端加入高电平时元件开始工作，当环境中无甲烷气体时，调整电桥使之输出为零，当有甲烷气体时，甲烷气体以扩散方式进入仪器原测量气室，内部接于桥臂的热催化元件或热导元件发生氧化—还原反应，引起元件温度升高，阻值增大，使原来平衡的电桥失去平衡，输出与甲烷浓度相对应的电压信号，测量该电压信号即可知甲烷浓度
它的基本测试电路图如图4-2所示。
图4-2 敏感元件的基本测试电路
Figure 4 -2 the basic testing circuit of sensitive components
4.3 实时时钟模块：
本设计的仪器具有实时时间显示功能，通过4位LED显示当前时间（小时和分）。我选择DS1307芯片作为系统的时钟。DS1307串行实时时钟芯片，是具有I2C总线接口的外围器件，该芯片内部具有BCD码时钟/日历和56个字节的非易失性SRAM的数据存储器，两线串行接口，自动的掉电保护和开关循环等功能，具有可编程、低功耗、体积较小和引脚少的特点。同时它独立于CPU工作，不受CPU主晶振和电容的影响，计时准确。
4.3.1 DS1307时钟芯片的引脚功能
部分引脚功能如下：
Vbat:电池接入端，电池电压必须在2.0V和3.5V之间，能使DS1307在没有电源的情况下工作十年。
SCL：时钟信号输入端，使数据在串行接口的传送同步进行
SDA：串行数据输入/输出的引脚，需外接上拉电阻。
X1，X2：外接晶振引脚，与标准32.768 KHZ晶振相连，可以修正时钟的精确度。4.3.2 DS1307时钟格式与地址分配
1.内部寄存器与RAM地址分配
DS1307内部由存储区RAM和时间寄存器两部分组成。时间寄存器的地址从00H到07H，RAM有56个字节，地址从08H到3FH。在多字节数据存取时，地址指针自动加一，当地址指针指到3FH时，自动循环到00H。使用时，只要在程序中规定好第一个字节地址及读写字节数，读写N个字节与一个字节一样方便。
2.时钟的格式
时间和日期都以BCD码形式分别存放在7个时间寄存器中。通过读这些相应的寄存器字节可以得到时钟的信息。通过写入相应寄存器字节可以设置时间和日期。
4.3.3 DS1307芯片与单片机的连接
图4-3 DS1307与AT89C51的接口电路
Figure 4-3 The interface circuit of DS1307 and AT89C51
DS1307芯片与单片机AT89C51的接口如图4-3所示。
说明：Vbat端接备用电池，以便在没有主电源的情况下能够保存时间信息和一些重要的数据；X1、X2接32.768KHz的晶体振荡器，为时钟芯片提供计时脉冲；SDA与SCL 接点构成串行数据总线；两个电阻为上拉电阻。
4.3.4 DS1307的操作时序
DS1307的操作时序可以概括的归纳为以下几个步骤：
1)发送起始信号。
2)发送DS1307的读/写命令字。
3)发送DS1307的读/写地址。
4)执行读写数据操作。
5)接收或发送应答信号。
6)发送停止信号
4.4 小信号放大电路
目前有许多型号的单片测量放大器集成芯片可供选择，因此不再用分立的运算放大器来构成测量放大器。采用单片测量放大器芯片与用分立的运算放大器相比具有性能优异、体积小、结构简单、成本低的优点。在本设计中选择集成芯片INA128仪用放大器。其特点如下：低偏置电压最大50μV，低温度漂移最大0.5μV/℃，低输入偏置电流最大5nA，高共模抵制CMR 最小120DB，输入保护至±40V，宽电源电压范围±2.25 至±18V，低静态电流700μA，8 引脚塑料DIP 和SO-8封装。电路图如图4-4所示：
图4-4 INA128应用电路
Figure 4-4 The applied circuit of INA1238
设置增益：在引脚1和引脚8之间外接一个电阻RG 可对增益进行设置 RG
K G 501+= 等式中的50K 是两个内部反馈电阻A1和A2的和。
在信号的输入电路设计中，INA128的增益设为固定值，在这里取G=20,则RG ＝2.632K Ω。电源电压取为3.3V 。在有噪声或高阻抗供电电源的应用中，要在器件的引脚附近接去耦电容器。如上图中电源与地之间的去耦电容。
4.5 A/D 转换电路
因为单片机不能直接接收模拟量信号，所以电压测量信号，必须通过A/D 转换后方可以输入单片机进行处理。A/D 转换器芯片有很多种,在此选择比较熟悉的ADC0809。ADC0809是8路8位逐次逼近行A/D 转换CMOS 器件，能对多路模拟信号进行分时采集和A/D 转换，输出数字信号通过三态缓冲器，可直接与微处理器的数据总线相连接。
4.5.1ADC0809的主要特性
ADC0809的主要特性如下：
分辨率为8位
最大不可调误差小于±ULSB
可锁存三态输出，能与8位微处理器接口
输出与TTL 兼容
不必进行零点和满度调整
单电源供电，供电电压为+5V
转换速率取决于芯片的时钟频率，时钟频率范围是：10～1280KHZ ，当时钟频率为500KHZ 时，对应的转换时间为125uS
4.5.2 ADC0809 芯片的引脚图及引脚功能
引脚图如图4-3所示，部分引脚功能说明如图4-5：
图4-5 ADC0809引脚图
Figure 4-5 The pin chart of ADC0809
IN0～IN7：8路模拟信号输入端
D0～D7：8位数字量输出端
START：启动控制输入端，高电平有效，用于启动ADC0809内部的A/D转换过程
ALE：地址锁存控制输入端。ALE端可与START端连接在一起，通过软件输入一个正脉冲，可立即启动A/D转换。
EOC：转换结束信号输出端，开始A/D转换时为低电平，转换结束时输出高电平。
OE：输出允许控制端，用于打开三态输出锁存器。当OE为高电平时，打开三台数据输出锁存器，将转换后的数据量输送到数据总线上。
CLK：时钟信号输入端。
ADDA（ADDB、ADDC）：8路模拟选通开关的3位地址选通输入端。
VREF+：参考电压正端。
VREF-：参考电压负端。
4.5.3 ADC0809与AT89C51 单片机的接口设计
ADC0809 与AT89C51的硬件接口方式有：查询方式、中断方式和等待延时方式。采用中断方式不浪费CPU的等待时间，但如果A/D转换时间较短，也可采用程序查询方式和等待延时方式。在此采用中断方式，接口电路如图4-6：
图4-6 ADC0809与AT89C51的接口电路
Figure 4-6 The interface circuit of ADC0809 and A T89C51
P2.6与WR相或非，产生启动信号START和地址锁存控制信号ALE；P2.6与RD相或非产生输出允许控制信号OE。OE为高电平时，打开三态数据输出锁存器，将转换后的数据量输送到数据总线上。
4.6 通信电路
对于远程数据传送问题，我们首先考虑到对传送信号的调制和解调。我们知道，对于长距离的均匀传输线只能传送连续的模拟信号，而且传送频带往往存在一定的限制，一般的传输线有效传输频带在3400HZ以下，而发送设备发送的原始数据又都是离散的二进制数据信号序列。若使用模拟线路来传送数据信号时，必须在发送前先将原始信号经过数字-模拟转换，这就是调制过程。在数据终端接受前，则需进行相反的转换，称解调。调制解调器就是实现这一功能的装置，它是为解决模拟线路上传输数字信号而设计的一种信号变换装置，由此，调制解调器的基本作用把数字信号变换成模拟信号，在模拟线路上传输，并把经过传输的模拟信号反变成原始发送的数字信号。其过程如图4-7所示:
图4-7 数字信号传输过程
Figure 4-7 Digital signal transmission
单片机课程设计 题目名称：基于8051的单片机秒表系统设计 姓名学号：肖波(0805821) 王学(08058119) 王璐凯(08058117) 王贤达(08058118) 班级：电信081 2011.6 信息与电子工程学院
单片机课程设计报告—— 单片机秒表系统设计 信电学院2008级肖波(0805821) 王学(08058119) 王璐凯(08058117) 王贤达(08058118) 摘要：本实验是基于8051 单片机所设计的，利用单片机的定时器/计数器定时和记数的原理可以实现秒表的计数以及计数的开启/暂停/继续与复位。使用LED数码七段数码管予以显示。 关键词：8051 七段数码管秒表系统 1.1 目的： 1、利用单片机定时器/计数器中断设计秒表，从而实现秒、十分之一秒的计时。 2、综合运用所学的《单片机原理与应用》理论知识，通过实践加强对所学知识的理解，具备设计单片机应用系统的能力。 3、通过本次系统设计加深对单片机掌握定时器、外部中断的设置和编程原理的全面认识复习和掌握，对单片机实际的应用作进一步的了解。 4、通过本次系统设计，增强自己的动手能力。认识单片机在日常生活中的应用的广泛性，实用性。 1.2用途与功能：
本系统利用单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，通过采用protel仿真软件来模拟实现。模拟利用8051单片机、LED数码管以及控件来控制秒表的计数以及计数的开启/暂停/继续与复位！其中有两个数码管用来显示数据，一个数码管显示秒（两位），另一个数码管显示十分之一秒，十分之一秒的数码管计数从0~9，满十进一后显示秒的数码管的数字加一，并且十分之一秒显示清零重新从零计数。计秒数码管采用两位的数码管，当计数超过范围是所有数码管全部清零重新计数。 二、硬件设计 2.1 硬件设计思想 8051单片机芯片一个、LED数码显示管三个，低压电源、开关（按钮）两个、电阻、电容及导线若干。芯片介绍：8051是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器，8位微处理器，俗称单片机。 主要特性： ·4K字节可编程闪烁存储器 ·寿命：1000写/擦循环 ·数据保留时间：10年 ·全静态工作：0Hz-24Hz ·三级程序存储器锁定 ·128*8位内部RAM
单片机硬件系统设计 原则
●单片机硬件系统设计原则 ●一个单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单 元，如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A转换器等，要设计合适的接口电路。 ●系统的扩展和配置应遵循以下原则： ● 1、尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基 础。 ● 2、系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行 二次开发。 ● 3、硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的原则 是：软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。但必须注意，由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用CPU时间。 ● 4、系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。如选用CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统 中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。 ● 5、可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分，它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷 电路板布线、通道隔离等。 ● 6、单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠，可通过增 设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。 ● 7、尽量朝“单片”方向设计硬件系统。系统器件越多，器件之间相互干扰也越强，功耗也增大， 也不可避免地降低了系统的稳定性。随着单片机片内集成的功能越来越强，真正的片上系统SoC已经可以实现，如ST公司新近推出的μPSD32××系列产品在一块芯片上集成了80C32核、大容量FLASH 存储器、SRAM、A/D、I/O、两个串口、看门狗、上电复位电路等等。 ●单片机系统硬件抗干扰常用方法实践 ●影响单片机系统可靠安全运行的主要因素主要来自系统内部和外部的各种电气干扰，并受系统结 构设计、元器件选择、安装、制造工艺影响。这些都构成单片机系统的干扰因素，常会导致单片机系统运行失常，轻则影响产品质量和产量，重则会导致事故，造成重大经济损失。 ●形成干扰的基本要素有三个： ●（1）干扰源。指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述如下：du/dt， di/dt大的地 方就是干扰源。如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。 ●（2）传播路径。指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传播路径是通过导线 的传导和空间的辐射。 ●（3）敏感器件。指容易被干扰的对象。如：A/D、 D/A变换器，单片机，数字IC，弱信号放大器 等。 ● 1 干扰的分类 ● 1.1 干扰的分类 ●干扰的分类有好多种，通常可以按照噪声产生的原因、传导方式、波形特性等等进行不同的分 类。按产生的原因分： ●可分为放电噪声音、高频振荡噪声、浪涌噪声。 ●按传导方式分：可分为共模噪声和串模噪声。 ●按波形分：可分为持续正弦波、脉冲电压、脉冲序列等等。 ● 1.2 干扰的耦合方式
本文介绍的速度与里程表设计以单片机和光电传感器为核心。传感器将不同车速转变成的不同频率的脉冲信号输入到单片机进行控制与计算，再采用LED模块进行显示，使得电动自行车的速度与里程数据能直观的显示给使用者。 系统概述 本系统由信号预处理电路、单片机AT89C2051、系统化LED显示模块、串口数据存储电路和系统软件组成。其中信号预处理电路包含信号放大、波形变换和波形整形。对待测信号进行放大的目的是降低对待测信号的幅度要求;波形变换和波形整形电路则用来将放大的信号转换成可与单片机相连的TTL信号;通过单片机的设置可使内部定时器T1对脉冲输入引脚T0进行控制，这样能精确地算出加到T0引脚的单位时间内检测到的脉冲数;设计中速度显示采用LED模块，通过速度换算得来的里程数采用I2C总线并通过E2PROM来存储，既节省了所需单片机的口线和外围器件，同时也简化了显示部分的软件编程。 系统的原理框图如图1所示。
图1 系统的原理框图 工作原理 该设计能实时地将所测的速度与累计里程数显示出来，主要是将传感器输入到单片机的脉冲信号的频率(传感器将不同车速转变成不同频率的脉冲信号)实时地测量出来，考虑到信号的衰减、干扰等影响，在信号送入单片机前应对其进行放大整形，然后通过单片机计算出速度和里程，再将所得的数据存储到串口数据存储器，并由LED显示模块交替显示所测速度与里程。本设计的里程数的算法是一种大概的算法(假设在一定时间内自行车是匀速行进，平均速度与时间的乘积即为里程数)。 设计时，应综合考虑测速精度和系统反应时间。本设计用测量脉冲频率来计算速度，因而具有较高的测速精度。在计算里程时取了自行车的理想状态。实际中，误差控制在几米之内，相对于整个里程来说不是很大。为了保证系统的实时性，系统的速度转换模块和显示数据转BCD码模块都采用快速算法。另外，还应尽量保证其他子模块在编程时的通用性和高效性。本设计的速度和里程值采用6位显示，并包含两个小数位。 系统的硬件设计 脉冲发生源 本设计采用了ST1101红外光电传感器，进行非接触式检测。当有物体挡在红外光电发光二极管和高灵敏度的光电晶体管之间时，传感器将会输出一个低电平，而当没有物体挡在中间时则输出为高电平，从而形成一个脉冲。 该系统在自行车后轮的轴处保持着与轮子旋转切面平行的方向延伸附加一个铝盘，在这个铝盘的边沿处挖出若干个圆形过孔，把传感器的检测部分放在圆孔的圆心位置。每当铝盘随着后轮旋转的时候，传感器将向外输出若干个脉冲。把这些脉冲通过一系列的波形整形成单片机可以识别的TTL电平，即可算出轮子即时的转速。
广西科技大学 单片机课程设计说明书课题名称单片机秒表系统的设计 系别职业技术教育学院 专业电子信息工程 班级电子Z112 姓名（学号）红头巾组合 指导教师廖贵成 摘要
近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断的走向深入。本文阐述了基于单片机的电子秒表设计。本设计主要特点是计时精度达到0.1s，解决了传统的由于计时精度不够造成的误差和不公平性，是各种体育竞赛的必备设备之一。 本设计是基于AT89C51单片机设计的，我们是分为几个模块来设计的。首先对秒表的硬件进行了设计，它包括时钟电路设计、复位电路设计以及外部显示电路。利用89C51单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，结合显示电路、LED数码管以及外部中断电路来设计计时器。计时精度为0.1s。其次是软件进行了设计，软件系统采用汇编语言编写程序，包括显示程序，定时中断服务，外部中断服务程序，延时程序等。最后通过仿真调试，在proteus环境下建立了仿真模型，仿真和调试结果表明本设计是正确的。 关键词：单片机；秒表；系统设计
目录 摘要………………………………………………………………………………………I 1 课题内容要求及目的 (1) 1.1课题内容 (1) 1.2课题要求 (1) 1.3 课题目的 (2) 2 硬件设计 (2) 2.1 AT89C51单片机简介 (2) 2.2设计思路 (3) 2.3硬件电路设计 (3) 3软件设计 (6) 3.1程序设计 (6) 3.2源程序 (7) 4系统调试与仿真 (11) 4.1 proteus简介 (12) 4.2仿真调试 (12) 5总结 (15) 参考文献 (16) 致谢 (16)
电子车速里程表的设计 摘要 随着电子技术的迅猛发展，电子式里程表得以广泛应用，现在很多轿车仪表已经使用电子车速里程表。本设计介绍一种基于AT89C51单片机的智能电子里程表。该电子式里程表是一种数字式仪表，主要由车速表和里程表两部分组成，其传感器采用霍尔传感器的脉冲信号检测与转换。此里程表不仅可显示车辆行驶的总里程，也可显示一段时间的阶段里程，还可显示车速，以及实现超速报警等功能，并具有较强的再开发能力。 本文详细描述了利用霍尔传感器和AT89C51单片机开发测速系统的过程，重点对传感器在单片机下的硬件连接，软件编程以及各模块系统流程进行了详尽分析，对各部分的电路也一一进行了介绍，该系统可以方便的实现实时速度、里程的采集和显示，它使用起来相当方便，具有精度高、量程宽、灵敏度高、体积小、功耗低等优点，有利于我们日常生活和汽车生产业的发展，也可以当作测速处理模块嵌入其它系统中，作为其他主系统的辅助扩展。该系统结构简单，抗干扰能力强，适合于恶劣环境下进行速度里程测量，有广泛的应用前景。 关键词：AT89C51，数码管显示器，霍尔传感器，速度里程表
目录 1 绪论 (1) 1.1 课题描述 (1) 1.2 基本工作原理及框图 (1) 2 相关芯片及硬件电路设计 (2) 2.1 AT89C51芯片 (2) 2.1.1 AT89C51的主要特性 (2) 2.1.2 AT89C51的管脚说明 (3) 2.2 霍尔速度传感器 (4) 2.2.1 霍尔传感器工作原理 (4) 2.2.2 霍尔效应 (4) 2.2.3 霍尔元件 (4) 2.3 单片机最小系统及电路 (5) 2.4 车速信号处理电路 (6) 2.5 显示电路 (8) 2.5 系统原理图 (9) 3 系统的软件及程序设计 (9) 3.1 主程序程序框图 (9) 3.2 调试及仿真 (11) 总结 (12) 致谢 (13) 参考文献 (14) 附录 (15)
短学期实验报告 （单片机系统设计） 题目： 专业： 指导教师： 学生姓名： 学号： 完成时间： 成绩：
基于单片机的交流电压表设计 目录 1系统的设计要求 (2) 2系统的硬件要求 (2) 2.1真有效值转换电路的分析 (2) 2.2放大电路的设计 (3) 2.3A/D转换电路的设计 (3) 2.4单片机电路的分析 (4) 2.5显示电路 (4) 3 软件设计 (5) 3.1 软件的总流程图 (5) 3.2 初始化定义与定时器初始化流程图 (5) 3.3 A/D转换流程图 (6) 3.4 数据处理流程图 (6) 3.5 数据显示流程图 (7) 4 调试 (7) 4.1 调试准备 (7) 4.2 关键点调试 (7) 4.3 测试结果 (8) 4.4 误差分析 (8) 5结束语 (8) 5.1 总结 (9) 5.2 展望 (9) 附录1 总原理图 (10) 附录2 程序 (10) 附录3 实物图 (14)
基于单片机的交流电压表设计 ****学院 ****专业 姓名 指导老师：******* 1 设计要求 （1）运用单片机实现真有效值的检测和显示。 （2）数据采集使用中断方式，显示内容为有效值与峰值交替进行。 2 硬件设计 本系统是完成一个真有效值的测量和显示，利用AD737将交流电转换成交流电压的有效值，用ADC0804实现模数转换，再通过单片机用数码管来显示。系统原理框图如图2-1所示。系统框图由真有效值转换电路、放大电路、A/D 转换电路、单片机电路、数码管显示电路五部分。 图2-1 原理框图 2.1 真有效值转换电路 真有效值转换电路主要是利用AD737芯片来实现真有效值直流变换的，即将输入的交流信号转换成直流信号的有效值，其原理图如图2-2所示。 图2-2 真有效值转换电路 由于AD737最大输入电压为200mV, 所以需要接两个二极管来限制输入电压，起到限幅的作用。如图中D1、D2，由IN4148构成，电容C6是耦合电容，电阻R1是限流电阻。 2.2 放大电路设计 放大电路主要是利用运放uA741来进行放大，电路原理图如图2-3所示。 A/D 转换 单片机 电路 显示 电路 转换 电路 交流 信号 放大 电路
编号：201834140148 本科毕业设计 基于单片机的秒表系统设计 系 (院>：信息工程学院 姓名： 学号：0835140148 专业：通信工程 年级：2008级 指导教师： 职称：副教授 完成日期：2018年5月
摘要 当今时代，是一个新技术层出不穷的时代。在电子领域，尤其是自动化智能控制领域，传统的分立元件或数字逻辑电路构成的控制系统正以前所未见的速度被单片机智能控制系统所取代。单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等优点，可以说，智能控制与自动控制的核心就是单片机。单片机的出现是现代科技发展的一个重要的里程碑。由于单片机的集成度高、功能强，通用性好，特别是它具有体积小、重量轻、能耗低、价格便宜等优点，使单片机迅速得到推广应用，目前已成为测量控制应用系统中的优选机种和新电子产品的关键部件。 本设计是一个利用单片机控制的多功能秒表系统，它是基于51系列的单片机进行的系统设计。它采用AT89C51单片机为中心器件，利用其定时器/计数器定时和记数的原理，结合显示电路、电源电路、LED数码管以及键盘电路来设计计时器。将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够实现四位LED显示，最大显示时间为59.9秒，每毫秒自动加1，一个开始按键、一个暂停按键、一个复位按键，其突出的优点是:体积小、场外作业、功耗最低、宜用电池作为电源、硬件结构紧凑、简单和软件设计灵活。最后通过仿真调试，在proteus环境下建立了仿真模型，仿真结果表明本设计是正确的。 关键词：单片机；秒表；时钟电路；系统设计 Abstract
In the present era, is a new technology emerge in an endless stream time. In the field of electronics, especially the intelligent automatic control field, the traditional discrete components or digital logic circuit of the control system is at an unprecedented pace was replaced by intelligent control system. SCM has the advantages of small volume, strong function, low cost, wide application range and other advantages, can say, intelligent control and automation is the core of scm. SCM is the emergence of modern science and technology development of an important milepost. As the single-chip high integration, strong function, good versatility, especially it has the advantages of small volume, light weight, low energy consumption, low price, the single chip microcomputer rapidly spreading, has now become the measurement control in the application system of optimization models and the new electronic product key parts. This design is the use of a single chip computer controlled multi-function stopwatch system, which is based on the51 series single-chip system design. It uses AT89C51 microcontroller as the center device, use the timer / counter timing and counting principles, combined with display circuit, power supply circuit, LED digital tube and a keyboard circuit to design the timer. The soft, hardware combination, so that the system can achieve four LED display, maximum display time is 59.9 seconds, each MS add 1, a start button, a pause button, a reset button, the utility model has the advantages of small volume, off-site operations:, lowest power consumption, to use the battery as a power, compact hardware structure, simple and flexible software design. Finally through the simulation debugging, in the Proteus environment to establish the simulation model, the simulation results show that the design is correct. Key words: single chip microcomputer。 stopwatch clock circuit。 system design
第三章硬件基础知识学习 通过上一课的学习，我们貌似成功的点亮了一个LED小灯，但是还有一些知识大家还没有 彻底明白。单片机是根据硬件电路图的设计来写代码的，所以我们不仅仅要学习编程知识，还有硬件知识，也要进一步的学习，这节课我们就要来穿插介绍电路硬件知识。 3.1 电磁干扰EMI 第一个知识点，去耦电容的应用，那首先要介绍一下去耦电容的应用背景，这个背景就是电磁干扰，也就是传说中的EMI。 1、冬天的时候，尤其是空气比较干燥的内陆城市，很多朋友都有这样的经历，手触碰到电脑外壳、铁柜子等物品的时候会被电击，实际上这就是“静电放电”现象，也称之为ESD。 2、不知道有没有同学有这样的经历，早期我们使用电钻这种电机设备，并且同时在听收音机或者看电视的时候，收音机或者电视会出现杂音，这就是“快速瞬间群脉冲”的效果，也称之为EFT。 3、以前的老电脑，有的性能不是很好，带电热插拔优盘、移动硬盘等外围设备的时候，内部会产生一个百万分之一秒的电源切换，直接导致电脑出现蓝屏或者重启现象，就是热插拔的“浪涌”效果，称之为Surge... ... 电磁干扰的内容有很多，我们这里不能一一列举，但是有些内容非常重要，后边我们要一点点的了解。这些问题大家不要认为是小问题，比如一个简单的静电放电，我们用手能感觉到的静电，可能已经达到3KV以上，如果用眼睛能看得到的，至少是5KV了，只是因为 这个电压虽然很高，电量却很小，因此不会对人体造成伤害。但是我们应用的这些半导体元器件就不一样了，一旦瞬间电压过高，就有可能造成器件的损坏。而且，即使不损坏，在2、3里边介绍的两种现象，也严重干扰到我们正常使用电子设备了。 基于以上的这些问题，就诞生了电磁兼容(EMC)这个名词。这节课我们仅仅讲一下去耦
四川现代职业学院《单片机原理及应用》课程设计红绿灯实训报告 题目：红绿灯项目设计报告 系别：电子信息技术系 专业：电子信息工程技术 组员：贺淼、纪鹏、邵文稳 指导老师：陶薇薇 2014年7月12日
摘要 交通在人们的日常生活中占有重要的地位，随着人们社会活动的日益频繁，这点更是体现的淋漓尽致。交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构软硬件结合，加以完善。本系统采用STC89C52点单片机以及数码管为中心器件来设计交通灯控制器，实现了南北方向为主要干道，要求南北方向每次通行时间为30秒，东西方向每次通行时间为25秒。启动开关后，南北方向红灯亮25秒钟，而东西方向绿灯先亮20秒钟，然后闪烁3秒钟，转为黄灯亮2秒钟。接着，东西方向红灯亮30秒钟，而南北方向绿灯先亮25秒，然后闪烁3秒钟，转为黄灯亮2秒钟，如此周而复始。 软件上采用C语言编程，主要编写了主程序，中断程序延时程序等。经过整机调试，实现了对十字路口交通灯的模拟。
目录 （一）硬件部分--------------------------- 3 1.1 STC89C52芯片简介-----------------------3 1.2 主要功能特性---------------------------4 1.3 STC89C52芯片封装与引脚功能-------------5 1.4 基于STC89C52交通灯控制系统的硬件电路分析及设计-------------------------------------------10 （二）软件部分----------------------------14 2.1 交通灯的软件设计流程图-----------------14 2.2 控制器的软件设计-----------------------15 （三）电路原理图与PCB图的绘制-------------16 3.1 电路原理图的绘制（见附录二）----------16 3.2 PCB图的绘制（见附录三）---------------16 3.3 印刷电路板的注意事项------------------16 （四）调试及仿真---------------------------------------19 4.1 调试----------------------------------19 4.2 仿真结果------------------------------20 （五）实验总结及心得体会---------------------------21 5.1 实验总结-----------------------------------------------21 5.2 实验总结-----------------------------------------------22 附录程序清单---------------------------22
单片机硬件系统设 计原则 1
单片机硬件系统设计原则 一个单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容:一是系统扩展,即单片机内部的功能单元,如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时,必须在片外进行扩展,选择适当的芯片,设计相应的电路。二是系统的配置,即按照系统功能要求配置外围设备,如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A转换器等,要设计合适的接口电路。 系统的扩展和配置应遵循以下原则: 1、尽可能选择典型电路,并符合单片机常规用法。为硬件系统的标准 化、模块化打下良好的基础。 2、系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求,并留有适当余地,以便进行二次开发。 3、硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响,考虑原则是:软件能实现的功能尽可能由软件实殃,以简化硬件结构。但必须注意,由软件实现的硬件功能,一般响应时间比硬件实现长,且占用CPU时间。 2
4、系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。如选用CMOS芯片单片机构成低功耗系统时,系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。 5、可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分,它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。 6、单片机外围电路较多时,必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时,系统工作不可靠,可经过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。 7、尽量朝”单片”方向设计硬件系统。系统器件越多,器件之间相互干扰也越强,功耗也增大,也不可避免地降低了系统的稳定性。随着单片机片内集成的功能越来越强,真正的片上系统SoC已经能够实现,如ST公司新近推出的μPSD32××系列产品在一块芯片上集成了80C32核、大容量FLASH 存储器、SRAM、A/D、I/O、两个串口、看门狗、上电复位电路等等。单片机系统硬件抗干扰常见方法实践 影响单片机系统可靠安全运行的主要因素主要来自系统内部和外部的各种电气干扰,并受系统结构设计、元器件选择、安装、制造工艺影响。这些都构成单片机系统的干扰因素,常会导致单片机系统运行失常,轻则影响产品质量和产量,重则会导致事故,造成重大经济损失。 3
《单片机数字秒表系统设计》 课程设计 学生姓名：三毛 学号：6100308299 专业班级：自动化084班 指导教师：大毛 二○○六年七月七日
目录 1.课程设计目的 (1) 2.课程设计题目描述和要求 (1) 3.课程设计报告内容 (1) 4.结论 (10) 参考书目 (10)
基于单片机的数字秒表系统 专业: 自动化学号:6100308223 学生姓名:凌益斌指导老师: 王俐 1.课程设计目的 1.1 用AT80C51单片机作为主控制器设计数字秒表系统。 1.2 熟悉AT80C51，74LS164，RX8以及LED数码管的结构和用法。 2.课程设计题目描述和要求 2.1问题描述 设计一个秒表，按“开始”按键，开始计数，数码管显示从00每秒自动加一；按“复位”按键，系统清零，数码管显示00；按“暂停”按键，系统暂停计数，数码管显示当前的计数；按“快加”按键，系统每10ms快速加一，即数码管显示在原先的计数上快速加一。 2.2设计要求 1) 使用两位数码管显示，显示时间00-99秒； 2) 正常计数时，每秒自动加一； 3) 一个开始按键，一个复位按键，一个暂停按键和一个快加按键； 4) 实现计数、复位、清零和快加功能； 5) 单片机通电后，首先初始化，然后进行对按键扫描。开始键用来控制秒表工作的开始；暂停键用来暂停程序的运行；快加键控制快速计数的开始，利用暂停键停止；复位键是用来对程序复位用的，当程序出现死循环或想从00开始重新计时，按下复位键可返回程序开始，重新执行。 3.课程设计报告内容 该实验要求进行计时并在数码管上显示时间，则可利用MCS系列单片机微机仿真实验系统中的芯片8051中的P3.2管脚作为外部中断0的入口地址，并实现“开始”按键的功能；将P3.3作为外部中断1的入口地址，并实现“清零”按键的功能；使用P0口作为段码数据输出控制口，74LS164用作驱动输出控制，P1.1、P1.2口分别实现暂停、快加的功能。显示电路由两位共阴极数码管组成。使用定时器T0实现10ms的定时，进行快加延时；当想实现正常计数时的1s延时，只需要实现40次25ms的定时器T1控制延时就可以实现。其中“开始”按键当开关由1拨向0时开始计时；“清零”按键当开关由1拨向0时数码管清零，此时若再拨“开始”按键则又可重新开始计时。 初始状态下计时器显示00，当按下开始键时，外部中断INT0向CPU发出中断请求，CPU转去执行外部中断0服务程序，即开启定时器T0，并且进行100 次计数，当到100次时，即延时1s时，产生一个中断信号，向CPU发出请求，执行计数器加一且送往数码管显示。在计时过程中，只要按下暂停键，即根据 P1.0口电平变化去执行控制程序，关断定时器T0和T1，调用显示子程序，实现
第一部分硬件基础 1、单片机的组成； 2、单片机的并行I/O口在使用时，有哪些注意的地方？ 3、单片机的存储器；程序存储器和数据存储器的寻址范围，地址总线和数据总线的位数；数据存储器内存空间的分配；特殊功能寄存器区； 4、时钟及机器周期； 5、单片机的控制总线、地址总线及数据总线等。 例： 一、填空 1．MCS-51单片机有4个存储空间，它们分别是：、、、。 2、MCS-51单片机的一个机器周期包括个状态周期，个振荡周期。设外接12MHz晶振，则一个机器周期为μs。 3．程序状态字PSW由位组成。 4．在MCS-51单片机内部，其RAM高端128个字节的地址空间称 为区，但其中仅有个字节有实际意义。 5. MCS-51 系列单片机为位单片机，其数据总线为位，地址总线为位，可扩展的地址范围为。 6. MCS-51 单片机的4 个并行I/O 口若作为普通I/O 口使用时，输入操作分为读引脚和读锁存器，需要先向端口写“1”的操作是。 7. MCS-51 单片机的特殊功能寄存器分为可位寻址和不可位寻址两种，那么IE 为，TMOD 为。 8．通常MCS-51单片机上电复位时PC= H、SP= H、通用寄存器采用第组，这一组寄存器的地址范围 是 H。 9．MCS-51单片机堆栈遵循的数据存储原则。 10．在MCS-51单片机中，使用P2、P0口传送信号，且使用P0口来传送信号，这里采用的 是技术。 11．MCS-51单片机位地址区的起始字节地址为。
12．对于并行口在读取端口引脚信号时，必须先对端口写。13．PC的内容是。 14、MCS-51 单片机运行出错后需要复位，复位的方法是在复位引脚上加一个持续时间超过个时钟周期的高电平。 15、具有4KBytes 储存容量之存储器，其至少需具有根地址线。 二、问答 1.简述MCS-51 单片机的P0、P1、P2 和P3 口的功能。 2．MCS-51单片机的三总线是由哪些口线构成的。 3．MCS-51单片机的位寻址区的字节地址范围是多少？位地址范围是多少？ 4. MCS-51单片机存储器在结构上有什么特点？在物理上和逻辑上各有那几个地址空间？ 5．简述MCS-51单片机00H-7FH片内RAM的功能划分，写出它们的名称以及所占用的地址空间，并说明它们的控制方法和应用特性。 6．请写出MCS-51单片机的五个中断源的入口地址。 第二部分 C51程序设计 1、C51的指令规则；C51编程语句及规则； 2、C51表达式和运算符； 3、顺序程序、分支程序及循环程序设计； 4、C51的函数； 5、中断函数。 例： 1．程序的基本结构有。 2．C51的存储器模式有、、。 3．C51中int型变量的长度为，其值域为；unsigned char型变量的长度为位，其值域为。 4．C51中关键字sfr的作用，sbit的作 用。 5．函数定义由和两部分组成。 6．C51的表达式由组成。C51表达式语句由表达式和组成。
《基于单片机的电动车里程表设计》 目录 引言 (1) 1.总体设计 (2) 2.设计任务及要求 (2) 3.电路原理 (2) 4.硬件系统模块 (3) 4.1芯片的选择 (6) 4.2结构框图 (7) 5.软件系统设计 (7) 5.1控制系统源程序 (11) 6.调试 (13) 7.参考文献 (13)
引言 里程表广泛应用于各类机车，传统的机械式里程表虽然稳定可靠，但功能单一、易受磨损。随着电子技术的迅猛发展，电子式里程表得以广泛应用，现在很多轿车仪表已经使用电子车速里程表，从保护环境和经济条件许可等因素综合来看，电动自行车目前乃至今后都有着广阔的发展空间。目前市面上电动自行车的速度表和里程表都是机械的，看起来不够直观与方便。如果能用液晶显示屏直接显示出来里程数和速度值，就可节省用户的时间及精力处理自行车行进过程中的突发事件。 本设计介绍一种基于单片机的智能电子里程表。该电子式里程表是一种数字式仪表，主要由车速表和里程表两部分组成，其传感器采用无接触测量的光电传感器。传感器将不同车速转变成的不同频率的脉冲信号输入到单片机进行控制与计算，再采用液晶显示器模块进行显示，使得电动自行车的速度与里程数据能直观的显示给使用者。它不仅可显示车辆行驶的总里程，还可显示当前车速，以及实现超速报警等功能，并具有较强的再开发能力。它的实现方式是，通过安装在汽车转轴上的测量盘，用光电式转速传感器检测转速的脉冲信息，在脉冲状态下，将转速的变化转换成光通量的变化，再通过光电转换元件将光通量的变化转换成电量的变化，接着通过频率测量电路将脉冲信号输入到单片机中，然后依据电量与转速的函数关系实现转速测量，再通过计算，从而得出里程、车速的信息，并由液晶显示器显示出来。
郑州科技学院 单片机课程设计 题目 学生姓名 专业班级 学号 院（系） 指导教师 完成时间 2015年1月9日
郑州科技学院 单片机课程设计任务书 专业11电科班级 1班学号 201131006 姓名李军 一、设计题目电子秒表 二、设计任务与要求 基本功能： 1．使用A T89C51单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，使秒表其能精确计时。 2．能够稳定显示并能准确计时，计时精度达到0.01秒，最大计时59-59-99。 3．能够实现开始、暂停、清零、保存、读取的功能 三、主要参考文献 [1] 艾运阶.单片机项目教程．北京：北京理工大学出版社,2011 [2] 李泉溪.单片机原理与实例仿真．北京：北京航空航天大学出版社,2009 [3] 江世明.基于Protues的单片机应用技术．北京：电子工业出版社,2009 [4] 李朝青.单片机原理及接口技术（第3版）．北京：北京航空航天大学出版社,2006 [5] 孙育才.MCS-51 系列单片微型计算机及其应用．广东：东南大学出版社,2009 四、设计时间 2014 年12 月29日至2015 年1月9 日 指导教师签名： 年月日
目录 前言 (1) 1 课程设计的目的及要求 (2) 1.1 课程设计的目的 (2) 1.2 课程设计的任务 (2) 1.3 课程设计的要求 (2) 2 设计的方案及论证 (2) 2.1 方案设计 (2) 2.2 方案选择 (3) 2.3 方案确定 (4) 3 硬件电路设计 (5) 4 软件设计 (5) 4.1 主要模块流程图 (6) 4.2 程序的主要模块 (6) 5 电路仿真 (7) 6 电路的焊接与调试 (8) 6.1 电路的焊接 (8) 6.2 电路的调试 (9)
摘要 随着居民生活水平不断提高，自行车不再仅仅是普通运送、代步工具，而是成为人们娱乐、休闲、锻炼首选。自行车里程表可以满足人们最基本需求，让人们能清晰地懂得当前速度、里程等物理量。重要阐述一种基于霍尔元件自行车里程表设计。以AT89C52 单片机为核心，A44E 霍尔传感器测转数，实现对自行车里程/速度测量记录，采用24C02 实当前系统掉电时候保存里程信息，并能将自行车里程数及速度用LED实时显示。文章详细简介了自行车里程表硬件电路和软件设计。硬件某些运用霍尔元件将自行车每转一圈脉冲数传入单片机系统，然后单片机系统将信号通过解决送显示。软件某些用汇编语言进行编程，采用模块化设计思想。该系统硬件电路简朴，子程序具备通用性，完全符合设计规定。 核心词：里程/速度；霍尔元件；单片机；LED显示
Abstract With the developing of people’s life，the bicycle is not only the universal tool of transportation and substitute for walking，but becomes the first choice of entertainmenting and exercising. The bicycle mileage/speed can fulfill the basic need of people’s life，so that they can learn the speed and the mileage of the bicycle. In these paper，the bicycle mileage/speed design based on the Hall element is elaborated. By AT89C52 as kernel，using A44E Hall element to measure revolution，the measure and statistic are achieved. The range informations are saved by 24C02 when the power is off，the bicycle speed can be displayed on LED. In this article，the hardware circuit and software design of bicycle mileage/speed instrument are introduced in detail. About the hardware，the pulse number is transmitted of one cycle of the bicycle into Single Chip Microcomputer system. Then the signal processed by Single Chip Microcomputer system is sent to display scream. About the software，in assemble language，the program is designed in the mode of modules. The system has simple hardware，common sub-program，and meet the demand of design. Key words：Mileage / speed；Hall element；Single Chip Microcomputer；LED
单片机课程设计 课程设计任务书 20 17 －20 18 学年第一学期第17周－18 周 注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。 2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。
摘要 本设计是设计一个单片机控制的多功能秒表系统。 近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动着传统控制检测日新月异的更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面的知识是不够的，还要根据具体的硬件结构，以及针对具体的应用对象的软件结合，加以完善。秒表的出现，解决了传统的由于人为因素造成的误差和不公平性。 本设计的多功能秒表系统采用A T89C51单片机为中心器件，利用其定时器/计数器定时和记数的原理，结合显示电路、电源电路、LED数码管以及按键电路来设计计时器。将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够正确地进行计数，并且结合相应的显示驱动程序，使数码管能够正确地显示时间，暂停和中断。我们设计的秒表可以同时记录八个相对独立的时间，通过上翻下翻来查看这八个不同的计时值，可谓功能强大。其中软件系统采用汇编语言编写程序，包括显示程序，计数程序，中断，延时程序，按键消抖程序等，硬件系统利用PROTEUS强大的功能来实现，简单且易于观察，在仿真中就可以观察到实际的工作状态。 关键字：单片机，多功能秒表 小组成员：许乐，郭利铂 小组分工： 小组成员：讨论并确定秒表要实现哪些功能 许乐：硬件电路的设计仿真，查阅资料 郭利铂：编写程序，撰写实验报告
目录 1.概述 (4) 1.1设计目的 (4) 1.2设计要求 (4) 1.3设计意义 (4) 2．系统总体方案及硬件设计 (4) 2.1系统总体方案 (4) 2.2硬件设计 (5) 2.2.189C51单片机 (5) 2.2.2晶体振荡电路 (6) 2.2.3 复位电路 (7) 2.2.5显示电路 (8) 2.2.6 系统电路图 (9) 3.软件设计 (9) 3.1设计特点 (9) 3.2设计思路 (10) 3.2.1程序流程图 (10) 3.2.2程序 (10) 4.PROTEUS软件仿真 (14) 4.1仿真 (14) 4.2仿真结果描述 (15) 4.3结论及进一步设想 (16) 5.元器件清单 (16) 6.课程设计体会 (16) 7.参考文献 (18)
编号：201234140148 本科毕业设计 基于单片机地秒表系统设计 系(院)：信息工程学院 姓名： 学号：0835140148 专业：通信工程 年级：2008级 指导教师： 职称：副教授 完成日期：2012年5月
摘要 当今时代，是一个新技术层出不穷地时代.在电子领域，尤其是自动化智能控制领域，传统地分立元件或数字逻辑电路构成地控制系统正以前所未见地速度被单片机智能控制系统所取代.单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等优点，可以说，智能控制与自动控制地核心就是单片机.单片机地出现是现代科技发展地一个重要地里程碑.由于单片机地集成度高、功能强，通用性好，特别是它具有体积小、重量轻、能耗低、价格便宜等优点，使单片机迅速得到推广应用，目前已成为测量控制应用系统中地优选机种和新电子产品地关键部件.b5E2R。 本设计是一个利用单片机控制地多功能秒表系统，它是基于51系列地单片机进行地系统设计.它采用AT89C51单片机为中心器件，利用其定时器/计数器定时和记数地原理，结合显示电路、电源电路、LED数码管以及键盘电路来设计计时器.将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够实现四位LED显示，最大显示时间为59.9秒，每毫秒自动加1，一个开始按键、一个暂停按键、一个复位按键，其突出地优点是:体积小、场外作业、功耗最低、宜用电池作为电源、硬件结构紧凑、简单和软件设计灵活.最后通过仿真调试，在proteus环境下建立了仿真模型，仿真结果表明本设计是正确地.p1Ean。 关键词：单片机；秒表；时钟电路；系统设计 Abstract
In the present era, is a new technology emerge in an endless stream time. In the field of electronics, especially the intelligent automatic control field, the traditional discrete components or digital logic circuit of the control system is at an unprecedented pace was replaced by intelligent control system. SCM has the advantages of small volume, strong function, low cost, wide application range and other advantages, can say, intelligent control and automation is the core of scm. SCM is the emergence of modern science and technology development of an important milepost. As the single-chip high integration, strong function, good versatility, especially it has the advantages of small volume, light weight, low energy consumption, low price, the single chip microcomputer rapidly spreading, has now become the measurement control in the application system of optimization models and the new electronic product key parts.DXDiT。 This design is the use of a single chip computer controlled multi-function stopwatch system, which is based on the51 series single-chip system design. It uses AT89C51 microcontroller as the center device, use the timer / counter timing and counting principles, combined with display circuit, power supply circuit, LED digital tube and a keyboard circuit to design the timer. The soft, hardware combination, so that the system can achieve four LED display, maximum display time is 59.9 seconds, each MS add 1, a start button, a pause button, a reset button, the utility model has the advantages of small volume, off-site operations:, lowest power consumption, to use the battery as a power, compact hardware structure, simple and flexible software design. Finally through the simulation debugging, in the Proteus environment to establish the simulation model, the simulation results show that the design is correct.RTCrp。 Key words: single chip microcomputer; stopwatch clock circuit; system design5PCzV。