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主控模塊

系統采用 AT89C51 單片機，它帶有 4KB 閃速存儲器、 128B 內存，最大工作頻率 24MHz ，同時，具有 32 條輸入輸出線， 16 定位時 / 計數器， 5 個中斷源， 1 個串行口。

AT89C51 是一種帶 4K 字節閃存可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM — Flash Programmable and Erasable Read Only Memory ）的低電壓、高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機。 AT89C2051 是一種帶 2K 字節閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除 1000 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C2051 是它的一種精簡版本。 AT89C 單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。

傳感器的選型

選用定電位電解式傳感器。它是一種濕式電化學氣體傳感器，通過測定空氣在某個確定電位電解時所產生的電流來測量氣體濃度。傳感器輸出的是標準的 4~20mA 的信號，為了滿足后續電路的需要采用兩個運算放大器組成 I/V 轉換電路，采用 RCV420 集成芯片。下圖是 RCV420 與后續放大電路的原理圖。

當 4 － 20mA 電流輸入對應 0 － 5V 電壓輸出時，要求電路的傳輸阻抗為： VOUT/IIN=5V/16mA=0.3125V/mA 　為了得到期望的輸出（ 4mA 時 0V ， 20mA 時 5V ），放大器的輸出必須有一個偏置 :VOS= － 4mA ×（ 0.3125V/mA ） = － 1.25V 　輸入電流信號接至＋ IN 端還是接至－ IN 端取決與信號的極性，并經過中心抽頭 CT 返回地端。兩個匹配的 75 Ω檢測電阻 Rs 構成對稱輸入，可最程度地抑制 CT 腳的共模電壓信號，消除不同輸入端電流在差分電壓轉換時的不均衡。檢測電阻將輸入的電流信號經差分放大器放大，轉換成一個與之成正比的電壓。　位于放大器反饋通道中的 T 型網絡節點用于產生所需要的－ 1.25V 偏置電壓。輸入電阻網絡提供了很高的輸入阻抗，并將共模輸入電壓衰減至運算放大器的共模信號容限內。

電源和信號的連接　圖 3 所示是 RCV420 電源和信號的正確接法。正負電源腳各接一個 1 μ F 的退耦電容，并盡能地靠近放大器。為避免由外部電路引入的增益和 CMR 誤差，應按圖示方法接地，并確保最小接地電阻。輸入信號視其極性或接至＋ IN 腳，或接至－ IN 腳，經中心抽頭 CT 腳返回地端。電壓基準的輸出 Ref OUT 腳應接至 Ref IN ，以產生電平偏置。 Ref IN 腳不用時必須接地，以維持高共模抑制。

增益調節　圖 4 所示是 RCV420 的增益調節電路。在運放的反饋通道插入一個小電阻 R1 ，可以增大增益。采用此方法增大增益將導致 CMR 下降，因此，增益調節應盡可能的小。例如，用一個 125 Ω電阻可使增益增大 1 ％，但 CMR 將下降約 6dB 。　在檢測電阻上并聯匹配電阻 RX ，可以減小增益。增益值由下式表示： VOUT/IIN=0.315RX/ （ RX ＋ RS ）　并聯 7.5k Ω電阻可使增益減小 1 ％。為了維持高共模抑制，并聯電阻的匹配很重要。并聯電阻的溫度參數的任何不一致，都將引起增益誤差和 CMR 的漂移。 　　偏置調零　有兩個方法可對 RCV420 的輸出偏置電壓進行調零。一是用片內 10V 基準作電平移動，對電壓基準的輸出進行調整。二是采用圖 5 電路，在 Rcv Com 腳外接低輸出阻抗運放，這種方法可對輸出偏置電壓進行較大范圍地調節。采用這個辦法調零， Ref IN 腳必須與 Rcv Com 腳相連，且要求 Rcv Com 腳對地端為低阻抗，以維持高共模抑制。

AD574A 是 12 位逐次逼近式 A/D 轉換器，如圖 2 所示。它轉換速度快， 12 位精度一次轉換時間為 25us ，轉換功率為 40MSPS 。片內具有三態輸出鎖存緩沖期，全 8 位或 16 位微處理器接口， 250us 總線讀取時間，與微處理器接口簡單，非線性誤差小于 +-1/2LBS 或 +-1LBS 。在 -55C~125C 溫度范圍內滿足線性要求。其管腳及接口電路如圖所示。

多路轉換開關 4051 及電路設計

4051 是典型的八選一 CMOS 多路開關，它們用幅度為 0~+VDD~-VEE 的正負極性的模擬信號， 4051 的靜態功耗最大為 100uW ，最大靜態電流為 10uA ，開關延遲時間為 720ns 。其管腳及接口電路如圖 3 所示。

2.5 44780 顯示模塊

本系統采用 Fig3 4051 and interface clrcult 44780 驅動的 LCD ， HD44780 （ KS0062 ）是用低功耗 CMOS 技術制造的大規模點陣 LCD 控制器（兼帶驅動器），和 4bit/8bit 微處理器相連，它能使點陣 LCD 顯示大小寫英文字母、數字和符號等豐富的信息，同時又較強的通用性應用，使用方便，用戶能用少量元件就可組成一個完整點陣 LCD 系統，送入相關的數據和指令即可實現所需的顯示

44780 現實模塊有 8 條數據線， 3 條控制線，可與微處理器或微控制器 相連，通過送入數據和指令，就可使模塊正常工作， 44780 顯示模塊和 89C51 單片機連接如圖 4 所示。

2.6 抗干擾設計

在危機測控系統中，系統抗干擾性能的好壞直接影響到整個系統工作的可靠性和安全性。因此，抗干擾設計師系統設計的一個主要內容，本系統采用的是由硬件和軟件相結合的抗干擾措施。

2.6.1 系統硬件抗干擾設計

（ 1 ）濾波技術： 1 將電源變壓器的進線段加入濾波器，以消弱瞬變噪聲干擾； 2 在直流電源線和地線之間接濾波電容，以抑制電源噪聲。

（ 2 ）去藕電路：在印刷電路板的各個集成電路的電源線端與地線端之間配置去藕電容。

（ 3 ）屏蔽技術：屏蔽技術主要由電場屏蔽，電磁場屏蔽和磁場屏蔽三類，本系統是電場和電磁場屏蔽的方法。主要使用低電阻材料作為屏蔽材料，把需要隔離的部分保衛起來。磁場屏蔽則應采用高導磁率的材料。

（ 4 ）光電隔離：在 I/O 通道上采用光電隔離器，將單片機系統與各種傳感器、開關從電器上隔離開來，很大一部分干擾可被阻擋。

2.6.2 系統軟件抗干擾設計

對于微機測控系統，僅僅考慮硬件的抗干擾遠遠不夠的，采取一定的軟件抗干擾措施非常必要，它不僅能降低系統的硬件成本，又可以充分發揮軟件的優勢，使系統具有自我診斷，自我恢復的能力。本系統采用的軟件抗干擾措施主要有以下幾種：

（ 1 ）數字濾波技術，采用數字濾波技術除去輸入信號中所摻雜的各種隨機干擾。

（ 2 ）軟件陷阱技術，當系統受到干擾， PC 值發生變化，程序“亂飛"等情況，可以用軟件陷阱和看門狗將程序拉回到復位狀態。具體的講，可以在 RAM 中埋一些標志，在每次程序復位時，通過這些標志，可以判斷復位原因并根據不同的標志直接跳到相應的程序。這樣可以使程序運行有連續性，用戶在使用時也不易察覺到程序被重新復位過。

3 軟件設計

該系統軟件主要由主程序、中斷子程序、數據采集與 A/D 轉換子程序、顯示子程序、報警子程序等六大模塊組成，因為 C 語言編寫的軟件易于實現模塊化，生成的機器代碼質量高、可讀性強、移植好，所以本系統的軟件采用 C 語言編寫，在 KeilVision3 Demo 版本的集成開發環境下進行編譯連接。

3.1 主程序設計

主程序主要完成硬件初始化、子程序調用等功能，主程序流程圖如圖 5 所示。

3.2 數據 采集自程序設計

數據采集與 A/D轉換子程序根據輸入參數對相應的模擬信號進行采樣、量化及處理，并將相應的信號的數值返回主程序

3.3 顯示子程序設計

顯示子程序完成符號、數值的顯示輸出。

3.4 報警子程序

主要實現異常情況下控制告警信號輸出。如當室內甲醛升高到某一點時，或苯含量升高到某一規定值時，音頻報警裝置會發出不同頻率的告警信號，同時相應的指示燈亮（點亮報警指示燈的任務由顯示子程序完成），以引起工作人員的注意