煤矿粉尘检测系统.doc

1、工 学 院 毕 业 设 计（ 论 文 ）题 目： 煤矿井下粉尘浓度的监测系统设计专 业： 电子信息工程班 级： 08 级一班姓 名： 陈建宁学 号： 1665080104指导教师： 樊晓宇日 期： 2012.5.28I目 录引言 11 绪论 .11.1 单片机技术的现状及发展前景 错误！未定义书签。1.2 单片机的应用 41.3 课题的内容 42 粉尘浓度控制系统的总体方案设计 .53 系统硬件设计 .63.1 单片机最小系统的设计 .73.1.1 电源 83.1.2 复位电路 93.1.3 振荡电路 103.2 液晶显示电路 103.3 语音模块 123.4 传感电路 133.5 控制电路

2、143.6 键位路. 154 系统软件设计 .164.1 设计环境 .164.2 系统程序框图 174.3 硬件调试 184.4 软件调试 195 结论 .18致谢 21参考文献 220煤矿井下粉尘浓度的监测系统设计摘要：基于单片机的井下安全系统的控制是发展迅速的一项技术，它是微机硬件系统结合软件编程和自动控制技术相结合的产物。本 论文是利用单片机及其外 扩设备设计出一种简单的井下报警系统。硬件部分采用 AT89C51 单片机作为控制器，外 围电 路主要包括传感电路、控制电路、语音提示和液晶显示。通过单片机的硬件和 软件控制，完成 对井下可燃气体 浓度的监测及报警，以提高井下作业的安全性，从而

3、保障了井下工作人员的生命安全。关键字：单片机 光纤粉尘浓度传感器 液晶 1602 语音提示引言随着石油、天然气工业以及煤炭工业的发展，煤矿安全、环境污染等一系列问题正成为人们关注的重点，尤其井下粉尘浓度高，对井下工作人员的的身心健康造成了极大的威胁。据 介 绍 ， 中 国 煤 矿 约 95 是 井 工 矿 ， 开 采 条 件 复 杂 ， 而 且 随 着 采 掘 深 度 增 加 ， 煤 矿 瓦 斯 、水 患 、 冲 击 地 压 等 灾 害 越 来 越 严 重 。 井 工 开 采 矿 井 具 有 灾 害 因 素 集 中 、 人 员 活 动 量 大 ，矿 粉 不 容 易 及 时 排 除 多 种 致

4、灾 因 素 共 存 井 下 的 特 点 ， 也 容 易 引 发 大 的 灾 难 。 对煤矿生产、工业生产和日常生活中产生的有害气体进行高灵敏度检测变得十分重要。光谱吸收型光纤浓度传感器因具有灵敏度高、响应速度快、分辨力高，抗电磁干扰、适用于易燃易爆的危险场合等优点，倍受国内外学者关注，从而具有重大的研究意义。单片机的应用到现在已经有了近30年的历史了。微型计算机的迅速发展，促进微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用，单片机的应用已经广泛渗透到社会公共建设、军事、医疗、通信等各种领域，尤其在粉尘测量中的应用，更是得到了人们的认可。单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有

5、数据处理能力的中央处理器CPU 随机储存器 RAM、只读储存器、多种I/O 口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计时器。因此用一块芯片就可以代替一台计算机，来控制对粉尘浓度的监量及控制，是一个很大的突破。1 绪论目前大多井下作业安全系数较低，没有较完善预警系统，尤其对粉尘浓度的监测及控制，国内一直都没有一个比较完善的系统，所以开发井下粉尘浓度监测系统势在必行，不仅具有良好的市场前景，而且还具备灵敏度高，抗干扰能力强，生产成本低等特点。单片机是在一块芯片上集成了一台微型计算机所需的 CPU、存储器、输入、输出等部分。单片机自问世以来，性能不断提高和完善，体积小、

6、速度快、功耗低的特点使得它的应用领域日益广泛 2。工业控制系统的工作环境恶劣，干扰强，故要求控制系统的工作稳定、抗干扰能力强。单片机能满足这些要求，因此单片机在控制领域得到了广泛的应用，利用单片机控制井下粉尘浓度检测系统是很好的选择。1单片计算机即单片微型计算机,是集 CPU、RAM、ROM 、定时、计数和多种接口于一体的微控制器。它体积小、成本低、功能强、广泛应用于智能产业和工业自动化中。51 系列单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。这次毕业设计通过对它的学习与应用，从而达到学习设计开发软、硬件的能力。1.1 单片机技术的现状及发展前景单片机是一个单芯片形态、面向控制对象的嵌入式应

7、用计算机系统。它的出现及发展使计算机从通用型数值计算领域进入到智能化的控制领域。从此，计算机在两个重要领域通用计算机领域和嵌入式计算机领域都得到了极其重要的发展，并正在深深地改变着我们的生活。它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。单片机也被称为微控制器，是因为它最早被用在工业控制领域 4。单片机由芯片内仅有 CPU 的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和 CPU 集成在一个芯片中

8、，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对提及要求严格的控制设备。单 片 机 作 为 计 算 机 发 展 的 一 个 重 要 领 域 ， 应 用 一 个 较 科 学 的 分 类 方 法 。 根 据 目 前 发展 情 况 ， 从 不 同 角 度 单 片 机 大 致 可 以 分 为 通 用 型 /专 用 型 、 总 线 型 /非 总 线 型 及 工 控 型/家 电 型 ： （ 1） 通 用 型 /专 用 型 这 是 按 单 片 机 适 用 范 围 来 区 分 的 。 例 如 ， 80C51 是通 用 型 单 片 机 ， 它 不 是 为 某 种 专 用 途 设 计 的 ； 专 用 型 单 片 机 是

9、 针 对 一 类 产 品 甚 至 某 一 个产 品 设 计 生 产 的 ， 例 如 为 了 满 足 电 子 体 温 计 的 要 求 ， 在 片 内 集 成 ADC 接 口 等 功 能 的 温度 测 量 控 制 电 路 ； （ 2） 总 线 型 /非 总 线 型 这 是 按 单 片 机 是 否 提 供 并 行 总 线 来 区 分 的 。总 线 型 单 片 机 普 遍 设 置 有 并 行 地 址 总 线 、 数 据 总 线 、 控 制 总 线 ， 这 些 引 脚 用 以 扩 展 并行 外 围 器 件 都 可 通 过 串 行 口 与 单 片 机 连 接 ， 另 外 ， 许 多 单 片 机 已 把 所

10、 需 要 的 外 围 器 件 及外 设 接 口 集 成 一 片 内 ， 因 此 在 许 多 情 况 下 可 以 不 要 并 行 扩 展 总 线 ， 大 大 减 省 封 装 成 本 和芯 片 体 积 ， 这 类 单 片 机 称 为 非 总 线 型 单 片 机 ； （ 3） 控 制 型 /家 电 型 这 是 按 照 单 片 机大 致 应 用 的 领 域 进 行 区 分 的 。 一 般 而 言 ， 工 控 型 寻 址 范 围 大 ， 运 算 能 力 强 ； 用 于 家电 的 单 片 机 多 为 专 用 型 ， 通 常 是 小 封 装 、 低 价 格 ， 外 围 器 件 和 外 设 接 口 集 成 度

11、 高 。 显 然 ， 上 述 分 类 并 不 是 惟 一 的 和 严 格 的 。 例 如 ， 80C51 类 单 片 机 既 是 通 用 型 又 是 总 线型 ， 还 可 以 作 工 控 用 。可以看出早期 的 单 片 机 都 是 8 位 或 4 位 的 。 其 中 最 成 功 的 是 INTEL 的 8031， 因 为简 单 可 靠 而 性 能 不 错 获 得 了 很 大 的 好 评 。 此 后 在 8031 上 发 展 出 了 MCS51 系 列 单 片 机系 统 。 基 于 这 一 系 统 的 单 片 机 系 统 直 到 现 在 还 在 广 泛 使 用 。 随 着 工 业 控 制 领 域

12、 要 求 的 提高 ， 开 始 出 现 了 16 位 单 片 机 ， 但 因 为 性 价 比 不 理 想 并 未 得 到 很 广 泛 的 应 用 6。 90 年代 后 随 着 消 费 电 子 产 品 大 发 展 ， 单 片 机 技 术 得 到 了 巨 大 的 提 高 。 随 着 INTEL i960 系列 特 别 是 后 来 的 ARM 系 列 的 广 泛 应 用 ， 32 位 单 片 机 迅 速 取 代 16 位 单 片 机 的 高 端 地 位 ，并 且 进 入 主 流 市 场 。 而 传 统 的 8 位 单 片 机 的 性 能 也 得 到 了 飞 速 提 高 ， 处 理 能 力 比 起80

13、 年 代 提 高 了 数 百 倍 。 目 前 ， 高 端 的 32 位 单 片 机 主 频 已 经 超 过 300MHz， 性 能 直 追90 年 代 中 期 的 专 用 处 理 器 ， 而 普 通 的 型 号 出 厂 价 格 跌 落 至 1 美 元 ， 最 高 端 的 型 号 也 只2有 10 美 元 。 当 代 单 片 机 系 统 已 经 不 再 只 在 裸 机 环 境 下 开 发 和 使 用 ， 大 量 专 用 的 嵌 入 式操 作 系 统 被 广 泛 应 用 在 全 系 列 的 单 片 机 上 。 而 在 作 为 掌 上 电 脑 和 手 机 核 心 处 理 的 高 端 单片 机 甚 至

14、 可 以 直 接 使 用 专 用 的 Windows 和 Linux 操 作 系 统 。随着计算机技术的发展和在控制系统中的广泛应用，以及设备向小型化、智能化发展，作为高新技术之一的单片机以其体积小、功能强、价格低廉、使用灵活等优势，显示出很强的生命力。它和一般的集成电路相比有较好的抗干扰能力，对环境的温度和湿度都有较好的适应性，可以在工业条件下稳定工作 1。单片机也广泛地应用于实时控制系统中，例如对工业上各种窑炉的温度、酸度、化学成分的测量和控制。将测量技术、自动控制技术和单片机技术相结合，充分发挥其数据处理功能和实时控制功能，使系统工作处于最佳状态，提高系统的生产效率和产品质量。从航空航天

15、、地质石油、冶金采矿、机械电子、轻工纺织等行业的分布系统与智能控制以及机电一体化设备和产品，到邮电通信、日用设备和器械，单片机都发挥了巨大作用。其应用大致可分为：机电一体化设备的控制核心。机电一体化是机械设备发展的方向。单片机的出现促进了机电一体化技术的发展，它作为机电产品的控制器，充分发挥其自身优点，大大强化了机器的功能，提高了机器的自动化、智能化程度。最典型的机电产品机器人，每个关节或动作部位都是一个单片机控制系统。数据采集系统的现场采集单元。大型数据采集系统，要求数据采集的同步性和实时性要好。使用单片机作为系统的前端采集单元，由主控计算机发出采集命令，再将采集到的数据逐一送到主计算机中进

16、行处理。如有些气象部门、油田采油部门以及电厂等均可采用这样的系统。分布控制系统的前端控制器。在直接控制级的计算机分布控制系统(DCS)中，单片机作为过程控制中每一分部操作或控制的控制器，进行数据采集、反馈计算、控制输出，并在上位机命令的指挥下进行相应协调工作。智能化仪表的机芯。自动化仪表的智能化程度越来越高。采用单片机的智能化仪表可具有自整定、自校正、自动补偿和自适应功能，还可进行数字 PID 调节，软件消除电流热噪声等等，解决传统仪表所不能解决的难题。单片机的应用使这种性能如虎添翼，如自动计费电度表、燃气表中已有这方面的应用。许多工业仪表中的智能流量计，气体分析仪、成分分析仪等也采用了这项技

17、术。甚至有的保健治疗仪中也采用了单片机控制。消费类电子产品控制。该应用主要反映在家电领域，如洗衣机、空调器、保安系统、VCD 视盘机、电子秤、IC 卡、手机、BP 机等。这些设备中使用了单片机机芯后，大大提高了其控制功能和性能，并实现了智能化、最优化控制。终端及外围设备控制。计算机网络终端设备，如银行终端、商业 POS（自动收款机）以及计算机外围设备如打印机、通信终端和智能化 UPS 等。在这些设备中使用单片机，使其具有计算、存储、显示、输入等功能，具有和计算机连接的接口，使计算机的能力及应用范围大大提高。总之，随着信息时代的到来，传统单片机固有的结构缺陷，使其呈现出诸多弊端。其速度、规模、性

18、能等指标越来越难以满足用户需求、因此单片机芯片的开发，升级面临着新的挑战 2。3纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：（1）低功耗 CMOS化 MCS-51 系列的 80C51 推出时的功耗达 120mW，而现在的单片机普遍都在 100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了 CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。CMOS 虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而 CHMOS 则具备了高速和低功耗的特点，更适合于在要求低功耗像电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径；（2）微型单片化常规的单片机普遍都

19、是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如 A/D 转换器、PMW( 脉宽调制电路 )、WDT( 看门狗) 、有些单片机将LCD(液晶 )驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片；(3 ）主流与多品种共存现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以 MCS-51 为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有 PHILIPS 公司的产品，ATMEL 公司的产

20、品和中国台湾的 WinBond 系列单片机。以 8031 为核心的单片机占据了半壁江山，在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。总之，随着信息时代的到来，传统单片机固有的结构缺陷，使其呈现出诸多弊端。其速度、规模、性能等指标越来越难以满足用户需求、因此单片机芯片的开发，升级面临着新的挑战1.2 单片机的应用单片机应用系统的设计包括单片机基本扩展、外围电路设计和程序设计、单片机应用系统开发环境、系统可靠性设计、电磁兼容性设计等内容。通常开发一个单片机系统的步骤如图 1.1 所示。总体方案设计总体方案设计设计单元路线制作P

21、CB板安装调试编写应用程序在线调试软硬件脱机运行图 1.1 开 发 单 片 机 的 步 骤单 片 机 具 有 软 硬 件 的 结 合 ， 体 积 小 ， 可 以 很 容 易 嵌 入 到 各 种 应 用 系 统 中 的 优 点 。 因4此 ， 以 单 片 机 为 核 心 的 嵌 入 式 控 制 系 统 在 下 述 的 各 个 领 域 中 得 到 了 广 泛 的 应 用 。(1) 通 信 在 调 制 解 调 器 、 各 类 手 机 、 传 真 机 、 程 控 电 话 交 换 机 、 信 息 网 络 以 及 各种 通 信 设 备 中 ， 单 片 机 也 已 经 得 到 广 泛 应 用 。(2) 消

22、费 类 产 电 子 产 品 单 片 机 在 家 用 电 器 中 的 应 用 也 已 经 十 分 普 及 。 目 前 家 电 产品 的 一 个 重 要 发 展 趋 势 是 不 断 提 高 其 智 能 化 程 度 。 例 如 ， 洗 衣 机 、 电 冰 箱 、 空 调 机 、 电风 扇 、 电 视 机 、 微 波 炉 、 加 湿 机 、 消 毒 柜 等 。 在 这 些 设 备 中 嵌 入 了 单 片 机 后 ， 其 功 能 和性 能 大 大 提 高 ， 并 实 现 了 智 能 化 、 最 优 化 控 制 。(3) 武 器 装 备 在 现 代 化 的 武 器 装 备 中 ， 如 飞 机 、 军 舰

23、、 坦 克 、 导 弹 、 鱼 雷 制 导 、智 能 武 器 装 备 、 航 天 飞 机 导 航 系 统 ， 都 有 单 片 机 嵌 入 其 中 。(4) 仪 器 仪 表 目 前 对 仪 器 仪 表 的 自 动 化 和 智 能 化 要 求 越 来 越 高 。 在 智 能 仪 器 仪 表 中 ，单 片 机 应 用 十 分 普 及 。 单 片 机 的 使 用 有 助 于 提 高 仪 器 仪 表 的 精 度 和 准 确 度 ， 简 化 结 构 ，减 小 体 积 且 易 于 携 带 和 使 用 ， 加 速 仪 器 仪 表 向 数 字 化 、 智 能 化 、 多 功 能 化 发 展 。(5) 工 业 检

24、 测 与 控 制 在 工 业 领 域 ， 单 片 机 的 主 要 应 用 有 ： 工 业 过 程 控 制 、 智 能 控制 、 设 备 控 制 、 数 据 采 集 和 传 输 、 测 试 、 测 量 、 监 控 等 。 这 种 集 机 械 、 微 电 子 和 计 算 机技 术 为 一 体 的 综 合 技 术 中 ， 单 片 机 发 挥 着 重 要 作 用 。1.3 课题的内容本课题是为了学习单片机技术而设计的，用于井下安全系统的监测及报警。本设计的单片机粉尘浓度控制系统有：传感电路、控制电路、语音提示系统等模块组成。在此系统中可实现如下功能：当传感电路测得井下粉尘浓度过高时，将此信号传入单片机

25、，单片机做出反应，控制控制电路打开或者闭合开关，达到控制排尘系统打开和关闭的效果，从而达到防止矿井爆炸保护井下工作人员安全的效果。同时单片机控制语音提示系统和字符液晶 1602LCD 显示系统做出语音提示和液晶显示。2 井下粉尘浓度监测系统的总体方案设计图 2.1 是粉尘浓度监测系统的结构框图，它是由光纤浓度传感器、AT89C51 单片机、开光控制、LCD 液晶显示器、语音提示芯片、控制排尘电路组成。光纤浓度传感器是由一根刻有布拉格光栅的光纤光栅、激光光源，光电转换器构成的，他的主要作用是将探测到粉尘浓度值对光纤光栅波长的影响转换成电流的变化，方便根据电流的变化来监测粉尘浓度的变化.光纤浓度传

26、感器在整个设计方案中，起到了主导的作用，也是整个系统的核心。AT89C51 单片机在这个系统中属于系统的整个大脑，它是用来接受光纤粉尘浓度传感器所探测的粉尘浓度值来控制液晶显示器、语音提示电路及排尘控制电路等，他将处理好的信息分别执行到各个电路，已达到一种智能控制的目的。液晶显示器在这个系统中相当于人的眼睛，它的核心部件就是 1602LCD 液晶显示器，单片机把传感器传输过来的数据进5行处理过后，全部显示在液晶显示器上，当出现危险状况时，显示器也会发出提示。排尘控制电路是有一个电机，一个阀门组成，当浓度过高时传感器把数据传给单片机，单片机处理完数据之后控制排尘控制电路给电机供电，是阀门打开开始

27、通风，从而保证矿井下空气流通，达到有效地、及时的把粉尘排放出去。工作过程：当光源透过粉尘浓度较高时，光强会消弱很多，这是通过光纤浓度传感器时，光纤的波长发生变化，通过光电转化模块，电流值会随着光纤波长的变化而变化，这样与正常空气浓度值的光的波长产生的电流作比较，当浓度超过一定范围时，液晶显示器显示浓度超标值，单片机控制井下排尘控制电路进行排尘，当浓度过高时，语音提示系统发出报警信号，提示人们尽快离开。光纤浓度传感器单片机AT89C51排尘控制电路开关控制语音提示电路液晶显示电路图 2.1 粉尘浓度监测结构框图3 系统硬件设计根据系统方框以及论文要求，用 PTOTEL99 画出了实现开发板设计的

28、整体硬件原理图，原理图包括复位电路、振荡电路、语音提示电路、液晶显示电路、传感电路和控制电路，如图 3.1 所示。6图 3.1 系统硬件原理图3.1 单片机系统设计AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压、高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4KB 的可反复擦写的程序存储器和 128B 的随机存取数据存储器（RAM）,器件采用 Atmel 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内配置通用 8 位中央处理器（CPU）和 Flash 存储单元，功能强大的 AT89C51 单片机可灵活应用于各种控制领域 【3】 。AT89C51 提供以下标准功能：4

29、KB 的 Flash 闪速存储器，128B 内部 RAM,32 个 I/O 接口线，两个 16 位定时/计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位如图 3.2 所示 AT89C51 芯片引脚图，包括：（1）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

30、 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；（2）P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 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，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收；（3） P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O

31、 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，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。这是由于内部上拉的缘故。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，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行7读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号；（3）P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口

32、写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，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 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口：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。图 3.2 AT89C51 芯片引脚图RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保

33、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

34、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） ，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1 时，/EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。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及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.1.1 电源电源用的是 1015V 的直流电压。稳压电源把直流电压通过电源插座

35、导入开发板，左边是两个 12 伏的电源滤波电容，一般大电容旁边并联一个小电容的目的是降低高频内阻，因为大的电解电容一般采用卷绕工艺制造，所以等效电感比较大，小电容可提供一个小内阻的高频通道，降低电源全频带内阻。电源为两部分，一部分是直接提供给继电器的 12V 直流电源，另一部分通过三端稳压芯8片 7805 稳压成 5 伏直流电源提供给单片机系统使用，右边两个电容是 5 伏电源的滤波电容，电阻和 LED 组成 5 伏电源的共组指示电路，只要电源部分正常，LED 就会点亮。我们可以根据这个 LED 来判断整个电源部分是否正常工作。电源电路如图 3.3 所示。图 3.3 电源电路3.1.2 复位电路

36、单片机 AT89C51 作为主控芯片，控制整个电路的运行。单片机外围需要一个复位电路，复位电路的功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤消复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。该设计采用的复位电路可以有效的解决电源毛刺和电源缓慢下降（电池电压不足）等引起的问题，在电源电压瞬间下降时可以使电容迅速放电，一定宽度的电源毛刺也可令系统可靠复位。复位电路的设计图如图 3.4 所示。图 3.4 单片机复位图9按键手动复位的原理是：当按键被按下时，在通电瞬间，电容 C 通过电阻 R 充电，此时电容 C 相当于短

37、路，RESET 端出现正脉冲，单片机复位，等充电结束时（这个时间很短暂） ，电容相当于断开，这时已经完成了复位动作。3.1.3 振荡电路如图 3.5 所示在单片机 19 引脚 X1、18 引脚 X2 上接入由晶振、电容、接地电源构成的振荡电路。它提供的连续脉冲信号给单片机，比如说用几个振荡脉冲时间完成某个指令，没有振荡做指导是会乱套的 8 。图 3.5 晶振电路图3.2 LCD 液 晶 显 示系 统 采 用 1602液 晶 显 示 器 显 示 开 灯 的 数 目 。 在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中

38、都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、LED 数码管、液晶显示器。 在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：（1）显示质量高，由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁；（2）数字式接口，液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。 （3）体积小、重量轻液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。 （4）功耗低

39、相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动 IC 上 4，因而耗电量比其它显示器要少得多。在 使 用 时 我们 应 该 充 分 了 解 1602的 管 脚 功 能 ：10图 3.6 16021602字 符 型 LCD 通 常 有 14条 引 脚 线 或 16条 引 脚 线 的 LCD， 多 出 来 的 2条 线 是 背 光 电源 线 ， VCC(15脚 )和 地 线 GND(16脚 )， 其 控 制 原 理 与 14脚 的 LCD 完 全 一 样 ， 其 中 ： VL： 液 晶 显 示 器 对 比 度 调 整 端 ， 接 正 电 源 时 对 比 度 最 弱 ， 接 地 电 源 时

40、对 比 度 最 高（ 对 比 度 过 高 时 会 产 生 “鬼 影 ”， 使 用 时 可 以 通 过 一 个 10K 的 电 位 器 调 整 对 比 度 ） ；RS： RS 为 寄 存 器 选 择 ， 高 电 平 1时 选 择 数 据 寄 存 器 、 低 电 平 0时 选 择 指 令 寄 存 器 ；RW： RW 为 读 写 信 号 线 ， 高 电 平 (1)时 进 行 读 操 作 ， 低 电 平 (0)时 进 行 写 操 作 ；EN： EN 端 为 使 能 (enable)端 ， 下 降 沿 使 能 ；D0： 低 4位 三 态 、 双 向 数 据 总 线 0位 （ 最 低 位 ） ；D1： 低

41、 4位 三 态 、 双 向 数 据 总 线 1位 ；D2： 低 4位 三 态 、 双 向 数 据 总 线 2位 ；D3： 低 4位 三 态 、 双 向 数 据 总 线 3位 ； D4： 高 4位 三 态 、 双 向 数 据 总 线 4位 ；D5： 高 4位 三 态 、 双 向 数 据 总 线 5位 ；D6： 高 4位 三 态 、 双 向 数 据 总 线 6位 ；D7： 高 4位 三 态 、 双 向 数 据 总 线 7位 （ 最 高 位 ） （ 也 是 busy flag） ；LED+： 背 光 电 源 正 极 ；LED-： 背 光 电 源 负 极 18。图 3.7为 1602与 AT89C51

42、的连接图,D0接 PC1，D1接 PC2，D3串联一个电阻接单片机的PC2，D3是低4位三态接 PC3期间也串联一个电阻，LED+为光源正极，当单片机收到传感器信息时就会把粉尘浓度值的变化通过电路部分以电流的形式传输到显示器上显示出来，这样就达到了可以让人们随时可以通过显示器来了解当前粉尘的浓度值。11图图 3.7 1602 与 AT89C51 的连接3.3 语音模块这个模块采用芯片 WT588D 语音芯片。WT588D 是广州唯创与台湾华邦合作研发的一款语音芯片（单片机） 。WT588D 不仅可以作为一般语音芯片，当从片发声，而且因为 I/O 口多，带控制功能和外置 FLASH 存储器，所以

43、能做 FLASH 单片机；最重要的是还可以按照样品直接投掩膜，管脚完全不用改动，价钱便宜一半.WT588D 的芯片引脚如图 3.8 所示。图 3.8 WT588D 的引脚图WT588D 的特性：外挂 2M32M 的 Flash，时间从 321054 秒。掩膜为内置 ROM，最长支持 400 秒（6K 采样） 。采样率支持 6K22KDAC 输出：13Bit，PWM 输出：12Bit内置 0.5W 功放，可直接推动 0.5W/8 扬声器支持加载 MP3/WAV/WMA 三种音频格式工12作电压：DC2.8V5.5V 静态休眠电流：Build target，对当前工程进行连接或点击工具栏中相应按钮

44、，验证程序是否编译正确。编译结果如图 4.2 所示。4.1 编译图系统开始工作时，单片机初始化，传感电路开始测量井下粉尘的浓度通过光电转换器将光信号转换成数字信号传入单片机，单片机做出反应，将超标值显示于液晶显示屏上。同时系统做出判断井下粉尘浓度超标值是否具有危险性，若浓度值没有超标就继续测量。若超标单片机控制继电器打开阀门进行排尘并打开语音提示报警。在打开阀门排气的同时传感电路仍然继续测量粉尘浓度，此时若分成浓度恢复到不具有危险性，就关闭阀门和语音提示。若可粉尘浓度仍然超标就继续排尘检测直到粉尘浓度达到安全范围。4.2 系统程序的框图系统开始工作时，单片机初始化，传感电路开始测量井下气体浓度

45、只通过光电转换器将光信号转换成数字信号传入单片机，单片机做出反应，将浓度值显示于液晶显示屏上。同时系统做出判断井下粉尘浓度值是否超标，若浓度值没有超标就继续监测井下粉尘浓度。若超标单片机控制继电器打开阀门进行排尘并打开语音提示报警。在打开阀门排尘的同时传感电路仍然继续测量粉尘的浓度，此时若粉尘浓度值恢复到不具有危险性是，就关闭阀门和语音提示。若粉尘浓度仍然超标就继续排尘检测直到粉尘浓度恢复正常。4.3 硬件调试17Protel 99 是 Protel Technology 公司的产品，是一个基于 Windows 平台的 32 位 EDA设计系统，用于电路原理图和印制板图的计算机辅助设计。主要分

46、为两大部分： （1）原理图设计系统这是一个易于使用的具有大量元件库的原理图编辑器，主要用于原理图的设计。它可以为印制电路板设计提供网络表。该编辑器除了具有强大的原理图编辑功能以外，其分层组织设计功能、设计同步器、丰富的电气设计检验功能及强大而完善的打印输出功能，使用户可以轻松完成所需的设计任务。（2）印制电路板设计系统它是一个功能强大的印制电路板设计编辑器，具有非常专业的交互式布线及元件布局的特点，用于印制电路板（PCB）的设计并最终产生 PCB 文件，直接关系到印制电路板的生产。Protel 99 SE 的印制电路板设计系统可以进行多达 32 层信号层、16 层内部电源/接地层的布线设计，交

47、互式的元件布置工具极大地减少了印制板设计的时间。同时它还包含一个具有专业水准的 PCB 信号完整性分析工具、功能强大的打印管理系统、一个先进的 PCB 三维视图预览工具。此外，Protel 99 SE 还包含一个功能强大的基于SPICE 3f5 的模/数混合信号仿真器，使设计者可以方便地在设计中对一组混合信号进行仿真分析。同时，它还提供了一个高效、通用的可编程逻辑器件设计工具 【5】 。Protel 99 是应用最广泛的电子线路设计软件，使用简单、易于学习、功能强大。它结合电子电路设计的特点，从实用角度出发，完全可以实现电路原理图的设计及印制电路板的设计方法。 具体内容有 Prorel 99

48、原理图设计环境的设置、电路原理图的设计、层次式原理图的设计、原理图元件的创建、电路板设计的基本知识、电路板设计环境设置、电路板规划和网络表的载入、印制电路板的设计、元件封装的创建、各种报表文件的生成及设计成果的输出等。设计调试：本设计的开发板原理图用 Protel99 工具完成，在进行元器件的创建、元器件的选择以及元器件的连接以后，在这整体的合理布局以后，我们采用菜单栏上的 TOOL 工具栏中 ERC 电气检测对原理图检测，经检验无误，硬件连接正确。5 结论本设计利用了单片机与简单外围电路结合的思想，通过对单片机软件程序和硬件电路的合理划分，完成了井下监测粉尘浓度控制功能。利用FBG光学特性，

49、设计了光源调制装置，从而获得适合气体检测的窄带扫描光源，既解决了目前窄带光源相干性高引起的系统附加干涉问题，又降低了光源成本，同时，只要通过更换不同反射波长的光栅就可以实现对不同气体的测量；在本系统中，单片机AT89C51作为电路的核心部分，采用C语言编程。外围电路由控制电路、传感电路、液晶显示电路和语音提示电路组成。控制电路选用继电器来控制电机来打开或者关闭阀门。传感电路采用了布拉格光栅传感器，在电路中的起到主导的作用。液晶显示采用的是1602芯片。语音提示采用WT588D语音芯片。为了保证电源的稳定以及有效，系统的电源部分经行了一系列的稳压及蒸整流，达到了预想的效果。在整个18设计过称中，需要实现测出井下粉尘体浓度值，再与平常的空气中的粉尘浓度做对比，老师平时指导我们将设计模块化，首先实现功能，接着逐个地添加功能，最后达到自动监测可粉尘浓度和排放粉尘的功能。在毕业设计过程中，不断调试和修改电路及程序，提高了对单片机的应用能力，以及分析和解决问题的能力。毕业设计设计学习阶段非常重要难得的理论和实践相结合的机会，通过本次以单片机为核心的井下安全系统的设计，我巩固了所学的理论知识。和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，以及在亲身设计整个