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本論文主要完成一氧化碳檢測儀軟體和硬體仿真設計，設計内容包括：A/D轉換器程式、控制程式、超标報警、鍵盤檢測、資料顯示等。
硬體設計部分主要包括：單片機、A/D轉換器、時鐘晶片、LCD、外圍擴充資料RAM等晶片的選擇；硬體主電路設計、資料采集、模數轉換電路設計、液晶顯示電路設計、外圍擴充存儲器接口電路、時鐘電路、複位電路、鍵盤接口電路等功能子產品電路設計。硬體結構框圖2.1。硬體設計總體電路圖見附錄A1。
圖2.1 硬體結構框圖
2.1 STC89C52單片機簡介
本系統采用STC89C52單片機。而目前世界上較為著名的8位單片機的生産廠家和主要機型如下：
美國Intel公司：MCS—51系列及其增強型系列；
美國Motorola公司：6801系列和6805系列；
美國Atmel公司：89C51等單片機；
美國Zilog公司：Z8系列及SUPER8；
美國Fairchild公司：F8系列和3870系列；
美國Rockwell公司：6500/1系列；
美國TI（德克薩司儀器儀表）公司：TMS7000系列；
NS（美國國家半導體）公司：NS8070系列等等。
MCS—51系列單片機包括三個基本型8031、8051、8751。
本系統采用STC89C52單片機為控制核心。而相比之下52型功能更為強大，ROM和RAM存儲空間更大，52還相容51指令系統。基于本系統設計内容的需要，綜合考慮後，我們選擇單片機ATME公司的STC89C52為控制核心；主要基于考慮STC89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片内含8KB的可反複擦寫的Flash隻讀程式存儲器和256 bytes的随機存取資料存儲器（RAM）、6個中斷源；時鐘頻率0～24MHz；器件采用高密度、非易失性存儲技術生産，并相容标準MCS-51指令系統，功能強大。
STC89C52是美國ATMEL公司生産的低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片内含8K bytes的可反複擦寫的隻讀程式存儲器(PEROM)和256K bytes的随機存取資料存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存儲技術生産，與标準MCS-51指令系統及8052産品引腳相容，片内置通用8位中央處理器和FLASH存儲單元，功能強大，STC89C52單片機适合于許多較為複雜控制應用場合。
圖2.2 引腳圖
主要性能參數：
與MCS-51産品指令和引腳完全相容；
8K位元組可重擦寫FLASH閃存存儲器；
1000次寫/擦循環；
時鐘頻率：0Hz～24MHz；
三級加密存儲器；
256位元組内部RAM；
32個可程式設計I/O口線；
3個16位定時/計數器；
6個中斷源；
可程式設計串行UART通道。
2.2單片機最小系統的設計
采用STC89C52來設計一個單片機系統能運作起來的需求最小的系統[15]，電路圖見圖2.3：
圖2.3 單片機最小系統圖
上圖的最小單片機系統包含有晶振電路和複位電路，STC89C52晶片組成。
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， STC89C52的時鐘産生方式有兩種，一種是内部時鐘方式，一種是外部時鐘方式。本系統中采用了内部時鐘方式，為了盡量降低功耗的原則。電路圖見圖2.4。
圖2.4 晶振電路圖
在89C52單片機的内部有一個震蕩電路，隻要在單片機的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内部産生時鐘脈沖信号，圖中電容器C1和C2穩定頻率和快速起振，晶振CRY選擇的是12MHz。
複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确定的狀态。端口線電平和輸入輸出狀态不确定可能使外圍裝置誤動作，導緻嚴重事故的發生；内部一些控制寄存器（專用寄存器）内容不确定可能導緻定時器溢出、程式尚未開始就要中斷及序列槽亂傳向外設發送資料[1]。
圖2.5 上電複位電路圖
本設計中複位電路采用的是上電複位與手動複位電路，開關未按下是上電複位電路，上電複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）狀态，故RST腳的電壓與VCC相同。随着電容的充電，RST腳上的電壓才慢慢下降。選擇合理的充電常數，就能保證在開關按下時是RST端有兩個機器周期以上的高電平進而使STC89C52内部複位。開關按下時是按鍵手動複位電路，RST端通過電阻與VCC電源接通，通過電阻的分壓就可以實作單片機的複位[4]。電路圖見圖2.6：
圖2.6 複位電路圖
2.3資料采集系統的簡介
CO傳感器選用CO/CF-1000探頭組成，如下表2.1。
表2.1 傳感器參數
| 名稱 | 一氧化碳傳感器 CO/CF-1000 |
| 測量範圍 | 0 - 1 000 ppm |
| 輸 出 | 100±20nA/ppm |
| 分辨率 | 0.05 ppm |
| 響應時間 (T 90) | ﹤50 seconds |
| 濕度範圍 | 15-90 %RH（非凝結） |
| 最大零點漂移(20℃to 40℃) | 10 ppm |
| 長期漂移 | ﹤2% /每月 |
| 推薦負載值 | 10Ω |
| 線性度輸出 | 線性 |
測量電路由CO/CF-1000一氧化碳傳感器、ADC0832組成。當空氣被内部的采樣系統接收後，産生一個與一氧化碳濃度成正比的電壓信号，該電壓信号經
ADC0832與STC89C52單片機相連，在顯示器上顯示出一氧化碳的濃度值，當超過國家規定的标準時報警[5]。
2.4模數轉換器的簡介
由于ADC0832模數轉換器具有8位分辨率、雙通道A/D轉換、輸入輸出電平與TTL/CMOS相相容、5V電源供電時輸入電壓在0～5V之間、工作頻率為250KHZ、轉換時間為32微秒、一般功耗僅為15MW等優點，适合本系統的應用，是以我們采用ADC0832為模數轉換器件[3]。電路圖見圖2.7如下：
圖2.7 模數轉換電路圖
ADC0832 具有以下特點：
①8位分辨率；
②雙通道A/D轉換；
③輸入輸出電平與TTL/CMOS相相容；
④5V電源供電時輸入電壓在0～5V之間；
⑤工作頻率為250KHZ，轉換時間為32μS；
⑥一般功耗僅為15mW；
⑦8P、14P—DIP（雙列直插）、PICC 多種封裝；
⑧商用級晶片溫寬為0℃到+70℃，工業級晶片溫寬為−40℃到+85℃；
晶片接口說明：
①CS_片選使能，低電平晶片使能；
②CH0模拟輸入通道0，或作為IN+/-使用；
③CH1模拟輸入通道1，或作為IN+/-使用；
④GND晶片參考0電位（地）；
⑤DI資料信号輸入，選擇通道控制；
⑥DO資料信号輸出，轉換資料輸出；
⑦CLK晶片時鐘輸入；
⑧Vcc/REF電源輸入及參考電壓輸入（複用）。
由于ADC0832模數轉換器的位數為8位,是以ADC0832模數轉換器的精度為：10ppm/256=0.039ppm。
2.5按鍵電路的設計
本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，該功能即能随時發出各種控制指令和資料輸入以及和LCD連接配接顯示運作狀态和運作結果。由于本系統隻有UP、DOWN、OK、CANCEL4個控制指令，所需按鍵較少，是以本系統選擇獨立式按鍵[13]。電路圖見圖2.8。
圖2.8 按鍵電路圖
2.6外圍擴充存儲器的簡介
由于考慮STC89C52單片機具有8KB的程式存儲器（ROM），256B的資料存儲器（RAM），由于考慮到本系統的資料處理與存儲所需的容量，現在需要擴充存儲器的容量。在應用中要儲存一些參數和狀态，本系統選用AT24C128存儲器[8]。電路圖見圖2.9。
圖2.9 外圍擴充存儲電路圖
2.7上拉電阻電路的設計
在主電路圖中接在P0口處有一個排阻RP1，由于P0口沒有内接上拉電阻，為了為P0口外接線路有确定的高電平，是以要接上排阻RP1，以確定有P0口有穩定的電平[11]。電路連接配接圖見圖2.10。
圖2.10 上拉電阻電路圖
2.8液晶顯示器簡介
我們選用了AMPIRE128X64液晶顯示子產品，是由于本系統要有顯示裝置完成顯示功能，顯示器最好能夠顯示資料、圖形，考慮到同種LCD顯示器的螢幕越大體積越大，功耗越大的特點，該型号顯示器消耗電量比較低，可以滿足系統要求。該類液晶顯示子產品采用動态的液晶驅動，可用5V供電。AMPIRE128X64液晶共有22個引腳[9]。
AMPIRE128X64液晶顯示子產品與計算機的接口電路有兩種方式。分為直接通路方式和間接控制方式。直接通路方式是把液晶子產品作為存儲器或I/O裝置直接接在單片機的總線上，單片機以通路存儲器或I/O裝置的方式操作液晶顯示子產品的工作。間接控制方式則不使用單片機的資料系統，而是利用它的I/O口來實與顯示子產品的聯系。即将液晶顯示子產品的資料線與單片機的Pl口連接配接作為資料總線，另外三根時序控制信号線通常利用單片機的P3口中未被使用的I/O口來控制。這種通路方式不占用存儲器空間，它的接口電路與時序無關，其時序完全靠軟體程式設計實作。本系統采用間接控制方式[14]。液晶顯示電路連接配接原理圖見圖下：
圖2.11 液晶顯示器電路圖
2.9報警電路的設計
報警信号通常有三種類型：一是閃光報警，因為閃動的訓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資訊。其中，前兩種報警裝置因硬體結構簡單，軟體程式設計友善，常常在單片機應用系統中使用；而語音報警雖然警報資訊較直接，但硬體成本高，結構較複雜。單頻音報警實作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3～15V直流工作電壓，就能産生3kHZ左右的蜂鳴振蕩音響。壓電式蜂鳴器，約需10mA的驅動電流，可在某端口接上一隻三極管和電阻組成的驅動電路來驅動，如圖2.12所示。在圖2.12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[12]。
3.1軟體設計結構
軟體設計部分主要包括：主程式/子程式流程的設計、功能子產品程式的編寫、軟/硬體結合調試與示範。主要包括以下功能子產品：51驅動、檢測、液晶顯示、時鐘、鍵盤、模數軟換[10]，軟體結構框圖3.1。
圖3.1 軟體結構框圖
3.2主程式子產品的設計
主程式實作的功能：與硬體相結合實作便攜式一氧化碳檢測儀的各個功能。主要是檢測與顯示，時間調整與顯示，資料存儲，功能子函數的調用，見圖3.2。
檢測主程式程式見附錄A2。
圖3.2 主程式流程圖
3.3模數轉換的設計
ADC0832轉換的流程圖見下圖3.3；
ADC0832程式見附錄A3。
圖3.3 數轉換流程圖
3.4按鍵子產品的設計和時鐘子產品的設計
按鍵查詢式的流程圖見下圖，按鍵程式見附錄A4。
時鐘子產品操作流程圖見下圖，時鐘程式見附錄A5。
圖3.5 時鐘子產品操作流程圖
3.5液晶顯示子產品的設計
LCD子產品在本系統中主要起着開界面漢字顯示，以及各控制效果的顯示。采用直接通路方式。液晶顯示的操作流程圖見下圖3.6，液晶程式見附錄A6。
系統調試及功能實作
4.1總體系統調試
4.1.1軟體調試
打開keil軟體，打開程式，檢查後單擊編譯按鍵，如果未發現錯誤和警告則說明程式能夠正常運作。
編譯結果如圖所示：
圖4.1 軟體編譯結果圖
是以程式能夠正常運作。
4.1.2 軟體下載下傳
通過序列槽将電腦中已經編寫好的程式傳輸入51單片機中，打開電源，檢查各子產品是否正常工作。
首先将STC_ISP_V483這個序列槽通信軟體打開，選擇打開程式檔案選項，找到需要錄入單片機的hex檔案，選擇下載下傳選項，點選後給單片機上電複位，等待資訊框中顯示已下載下傳成功，說明程式已經錄入單片機。接下來首先通過按鍵選擇工作模式，然後根據傳感器子產品的類型将相應的氣體放置在傳感器探頭附近，等待聲光報警子產品工作，當報警子產品工作後，通過按下外部中斷按鍵選擇報警模式，按一下則led二極管關閉，按第二下則蜂鳴器關閉，按第三下則led和蜂鳴器都打開。将三個傳感器子產品都檢查完畢後，按下複位鍵，并關閉電源。通過監測總體系統能夠正常工作。
4.2 實物展示
焊接成品如下圖4.2所示：
4.2 焊接成品圖
在焊接過程中，本設計采用萬能闆來焊接，同時外接電源采用的是USB供電。
接通電源初始圖如4.3所示 ：
4.3 接通電源初始圖
在電源剛接通時，液晶屏顯示目前CO濃度為000 PM，設定的界限值為100 PM，風扇處于未轉動狀态，發光二極管未亮并且蜂鳴器不報警。
系統工作時如圖4.4所示：
4.4 工作實物圖
當CO傳感器檢測到的CO濃度大于國家标準值100ppm時，蜂鳴器報警同時紅色訓示燈發光、風扇轉動。
結論