汽车尾气检测仪的设计方法汇总.docx
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汽车尾气检测仪的设计方法汇总
目录
引言1
1课题研究的背景及现状1
1.1课题的背景与目的1
2系统硬件选择2
2.1系统工作原理及硬件2
2.2系统元器件选择及介绍2
3系统电路设计5
3.1系统总电路图5
3.2系统单片机主控电路的设计5
3.3A/D转换电路的设计5
3.4显示电路的设计6
4系统软件设计6
4.1软件总体规划6
4.2信号转换程序设计7
4.3检测程序设计8
4.4LED显示器程序设计9
5抗干扰技术10
总结10
参考文献11
致谢12
附录13
汽车尾气检测仪的设计
电子系XXXX班姓名XXX
指导老师郭红英
摘要:
本系统是一个简单的汽车尾气检测仪,系统以AT89S52、8155、ADC0809等芯片为基础,结合相应的程序构成了这个汽车尾气的检测仪。
本文论述了该检测系统的基本工作原理、硬件选择、软件设计。
其中硬件电路部分包括主控电路、芯片扩展电路、A/D转换电路、显示电路。
软件设计使用汇编编程,采用模块化设计,对每一软件模块进行单独设计、编程,然后对整个软件进行调试,从而完成了完整的软件系统。
本系统结构简单,容易实现,具有一定的教学价值。
关键词:
汽车尾气检测;单片机;硬件;软件
引言
从世界范围看,空气污染的一重大因素是汽车尾气。
当你置身在川流不息的车流中时,你可能会闻到一股刺鼻的气味,这就是汽车废气所发出的气味。
目前,人们已从汽车尾气中分离出80多种有害物质,其中以一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物、铅尘为主。
在大中城市中,汽车尾气的污染占整个大气污染的60%以上。
1课题研究的背景及现状
1.1课题的背景与目的
汽车尾气中含有一氧化碳、氧化氮以及对人体产生不良影响的其他一些固体颗粒,尤其是含铅汽油,对人体的危害更大。
1943年,在美国洛杉矶,250万辆汽车每天消耗1100吨汽油。
在太阳紫外光线照射下,汽油燃烧后的产物产生化学反应,形成浅蓝色烟雾,使该市大多市民患了头疼病。
后来人们把这种污染称为光化学烟雾。
1955年和1970年洛杉矶又发生两起光化学烟雾事件,前者出现400多人因五官中毒、呼吸道衰竭而死亡状况,后者使全市四分之三的人患病。
通过这些事件,汽车尾气的危害性被人们深刻认识。
[1]
我国制定的《大气污染防治法》中规定:
机动车船向大气排放污染物不得超过规定的排放标准,汽车排放的污染物超过国家规定的排放标准,这类汽车不得制造、销售或者进口[9]。
国外成功经验告诉我们,作好两方面工作能有效控制汽车污染。
一方面实施新车排放法规,污染物的排放水平要从一开始就控制好;另一方面对在用车实行监管,落实好车辆排放的维护、检测工作。
前者是低污染的前提条件,后者保证车辆排放维持在标准水平。
.为了将车辆的排放控制在标准水平内,需要淘汰高排放的车辆,我国强制实行尾气年检,汽车达到标准后方可行驶。
因此设计出稳定、精确的汽车尾气检测分析仪的需求就显得非常迫切[10]。
2系统硬件选择
2.1系统工作原理及硬件
系统硬件包括3NFF氮氧化物传感和OSTD-C100型电化学系列CO气体传感器,AT89S52单片机,I/O扩展芯片8155,A/D转换芯片ADC0809,LED数码管,按键等。
随着被检气体浓度产生变化,传感器气敏元件其电阻的值相应变化,输出电压从而发生了改变,电路由输出电压信号通过信号调理,再经量程变换后输入微处理器中进行A/D转换,而后通过适当的软件处理即可得到气敏元件的阻值。
当被测气体浓度超过规定值时,便发出声光报警,提示使用用户采取相应措施[3]。
2.2系统元器件选择及介绍
2.2.13NFF氮氧化物传感和电化学系列CO气体传感器
3NFF氮氧化物传感器:
量程:
0-1000PPM
使用寿命:
3年空气中
输出信号:
0mA到30mA
分辨率:
1PPM
工作温度:
-20到40℃
响应时间:
<25S
长期漂移:
<2%
重复性:
2%
输出线性:
是
OSTD-C100型电化学系列CO气体传感:
量程:
0-1000PPM
使用寿命:
3年空气中
输出信号:
0mA到30mA
分辨率:
1PPM
工作温度:
-20到50℃
响应时间:
<20S
重复性:
1%
输出线性:
线性
2.2.2AT89S52单片机
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线。
定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持种软件可以选择省电模式。
空闲状态下CPU停止工作允许RAM、中断、定时器/计数器继续运行。
掉电保护方式下,会自动保存RAM内容,振荡器被冻结,单片机也就停止工作了,等到下一个中断来临为止[4]。
图2.1AT89S52单片机引脚图
2.2.3I/O扩展芯片8155
8155中文名为2048位静态内存与I/O端口和定时器,Intel公司研制的通用I/O是接口芯片。
MCS-51和8155相连不仅可为外设提供两个8位I/O端口(A口和B口)和一个6位I/O端口(C口)也可为CPU提供一个256字节的RAM和一个14定时器/计数器。
因此,8155广泛应用于MCS-51系统中。
其引脚图如图2.2所示:
图2.28155引脚图
2.2.4LED数码显示管
LED管的显示可以分为静态和动态两种。
静态显示的特点是各LED管能稳定地同时显示各自字形;动态显示是指各LED轮流地一遍一遍地显示各自字符。
本系统采用了动态扫描显示。
图附录A(b)为共阴极接法,公共阴极接地。
当各段阳极上的电平为“1”时,该段点亮;电平为“0”时,段就熄灭。
图(b)为共阳极接法,公共阳极接+5V电源。
R为限流电阻。
图(c)为7段LED数码显示器内部段的排列。
(图见附录A)
2.2.5ADC0809芯片
ADC0809是通道8位CMOS逐次逼近式A/D转换芯片,片内有模拟量通道选择开关及相应的通道锁存、译码电路、A/D转换的数据由三态锁存器输出,其转换时间为100μs左右,由于片内没有时钟需外接时钟信号,引脚结构如图2.3所示:
图2.3ADC0809引脚结构图
3系统电路设计
3.1系统总电路图
硬件电路部分包括主控电路、芯片扩展电路、A/D转换电路、显示电路等如附录B所示。
3.2系统单片机主控电路的设计
AT89S52单片机的4个I/O口中,通常情况下,只有P1口作为I/O口使用,实际使用中经常需要扩展I/O口,扩展I/O口方法之一就是采用专用的I/O接口芯片如8155,8255等。
本系统采用8155扩展了两个输出口、一个输入口以实现键盘输入和数码管输出。
可编程并行接口芯片8155内部含有256字节的静态RAM,两个并行8位口PA、PB,一个并行的6位口PC,以及一个14位的定时/计数器,是单片机系统最常用的接口芯片之一。
8155可直接与CPU接口,8155的RAM和I/O编址由IO/M和ALE锁存的地址来控制,IO/M=0选择RAM编址为00-FFH;IO/M=1对8155的I/O口进行读写。
系统使用了74LS373作为AT89S52的地址锁存器芯片。
其中输入端1D-8D接至单片机的PO口,输出端提供的是低8位地址,端接至单片机的地址锁存允许信号ALE。
G输出允许端OE接地,表示输出三态门一直打开。
电路图附录C所示。
3.3A/D转换电路的设计
本系统采用ADC0809A/D转换芯片与AT89S52单片机连接。
单片机的最小应用系统1的P0口接A/D转换的msb2-1-lsb2-8口,单片机的WR、RD、P2.0、ALE、INT1分别接A/D转换的WR、RD、P2.0、CLOCK、INT1,A/D转换的IN接入+5V。
接线图如附录D所示。
3.4显示电路的设计
使用8155扩展的8位LED动态显示器,显示扫描由程控实现。
其中PA口输出字型码,PB口输出位选信号即扫描信号。
系统使用74LS245驱动LED设备。
接线如附录E所示。
4系统软件设计
4.1软件总体规划
本程序设计的思路是模块化编程,这样不仅思路清晰容易调试,而且软件执行效率会更高。
软件部分由子程序和主程序模块构成,其中系统初始化(设置中断允许寄存器,定时器/计数器工作方式的控制字,定时器/计数器启停控制寄存器等)由主程序模块控制,通过对状态标志(A/D转换标志、断电标志、复电标志)的查询,以实现对相应操作功能的控制。
设计时将程序分成几个主要的功能模块,包括主程序和各个模块子程序。
其菜单流程图如图4.1所示。
开始
按键选择
键2
按键2
按键扫描信号采集
按键1
参数设置数据处理
显示
图4.1菜单流程图
开机后,系统即进入单片机的主程序。
以对单片机、显示器等硬件资源进行初始化,然后进入主菜单界面(即第一级菜单),以等待键盘的输入操作从而确定下一步操作。
当检测到有按键输入时,系统便读出键值并判断出需要的操作.然后调用相应的程序模块,子程序模块的主要功能有系统参数设置、气体检测。
其中系统参数设置模块主要用于设定浓度报警值、对传感器进行信号采集及处理等,气体检测模块是仪器系统的关键部分,包括传感器响应信号的采集、A/D转换、数据处理(包括滤波、模式识别等以及数据处理后的显示等)[5]。
4.2信号转换程序设计
4.2.1程序设计思路
系统启动后,首先进行初始化后启动A/D转换,转换结束后数据输出到锁存器中,等待延时。
由于ADC0809的时钟频率范围要求在10-1280kHz,AT89S52单片机的ALE脚的频率是单片机的1/6。
单片机时钟频率采用6MHz,则ADC0809输入时钟频率为500kHz和1000KHz,均符合要求。
当CLK=500kHz时,ADC0809的转换速度为128μs,采取等待延时方式,延时时间须大于ADC0809完成A/D转换所需的时间100μs,即发生启动脉冲后至少延时100μs才可读取A/D转换数据。
开始
初始化
启动A/D转换
否
A/D转换
完成
是
数据输出
延时
结束
图4.2A/D转换流程图
4.2.2信号转换程序(见附录F二信号转换程序)
4.3检测程序设计
检测程序包括AT89S52芯片本身的初始化、并行接口8155初始化等等。
大体说来,本程序包括设置有关标志、暂存单元和显示缓冲区清零、T0初始化、CPU开中断、LED显示和键盘扫描等程序。
T0中断服务程序是控制系统的主体程序,用于启动数/模转换器、读入采样数据、数字滤波、越限浓度报警和越限处理、PID计算等。
T1计数器的溢出中断可以控制P1.3引脚上输出的触发脉冲宽度,在T1溢出中断的空闲时间内,单片机(形成P1.3输出脉冲顶宽)完成采样值与显示值的转换,在放入显示单元缓冲区的同时,调用温度显示程序[6]。
当AT89S52的T1中断服务程序结束后即可返回主程序并恢复现场,流程图如图4.3。
开始
设定对栈指针
清除志和暂存单元
清显示缓冲区
设定参数初值
T0初始化
CPU开中断
扫描键盘
LED显示
图4.3检测程序流程图
检测程序(见附录F一主控程序)
4.4LED显示器程序设计
用8155扩展I/O口的6位接LED动态显示器,显示扫描由程序控制实现。
其中PA口输出字型码,PB口输出位选信号即扫描信号。
设PA口工作地址为0F9H,PB口工作地址为0FAH,内部命令/状态寄存器地址为0F8H,工作命令字设为0F3H。
具体显示时,采用逐位扫描方法控制哪一位LED被点亮。
在本系统中,先从最后一位LED开始,逐个左移,直至最后一个LED显示完毕,然后重复上述过程。
由于人眼的视觉暂留,看起来不会有闪动感觉。
在接口电路中,用可编程并行接口芯片8155的PB口作为LED的字形输出口,PA口作为LED的字形控制口[7]。
开始
设置8155工作方式
置8155PB、PA口
否数据左移
延时
扫描结束
是
结束
图4.4LED显示器程序流程图
LED显示器程序(见附录F三LED显示器程序)
5抗干扰技术
理想的状况下,一个系统和电路的性能仅由该系统或电路的结构及所用元器件的性能指标来决定。
然而,用优质元件构成的电路或系统却达不到额定的性能指标,有些可能无法正常工作。
究其原因,经常是由噪声造成。
所谓噪声是指电路或系统中出现的非期望的电信号。
下面介绍当今常使用的技术“看门狗术”[8]。
看门狗技术是一种计算机程序监视技术,防止程序由于干扰等原因而进入死循环,用于监控计算机控制系统。
其原理是不断监测程序循环运行的时间,一旦系统陷入死循环后,程序就会被强迫返回出错处理程序的入口地址处,以使系统可以正常运行。
它可用软件或硬件方法实现,这里使用软件来实现。
晶振频率为12MHz,定时器T0工作在方式1,定时时间为20ms,则定时器T0的初值应设TH0=B1H、TL0=E0H,程序(见附录F四“看门狗”程序)。
总结
毕业设计既是大学所有课程中重要的一课也是我们大学生涯中由理论学习到动手设计的一个环节。
从最初的选题,开题到计算、绘图直到完成设计,其间,查找资料,找老师解答疑问,与同学交流,反复修改图纸与程序,每一个过程都是对自己能力的一次淬炼与充实。
本设计中系统硬件的部分主要包括主电路模块、芯片扩展电路模块、A/D转换电路模块、LED显示模块。
主电路模块使用一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器AT89S52芯片再加上8155芯片作为扩展芯片,使用ADC0809芯片作为A/D转换芯片,显示的结果在数码管上显示。
软件设计采用模块化设计,汇编语言编程,主要分为主程序程序模块、芯片扩展程序模块、ADC0809转换程序模块、以及LED显示器程序模块。
另外本设计中还加入了“看门狗”技术来防止单片机进入死循环,提高了系统的抗干扰能力。
在完成设计的过程中,也发现了许多不足的地方。
由于距离学过的课程时间久了,汇编语言忘得差不多了,《智能仪器仪表》中的内容也变得生疏了,因此在设计的过程中出现了许多麻烦,花费了大量时间去复习学过的知识查阅相关资料。
最后,通过本设计,我了解了汽车尾气检测仪的工作原理,熟悉了系统的设计步骤,锻炼了工程设计实践能力,培养了自己独立设计能力,对以后的发展有着很大的促进作用。
参考文献
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北京航空航天大学出版社,2005.
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清华大学出版社,2003.
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西安电子科技大学出版社,2003.
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THEDESIGNOFAUTOMOTIVEEXHAUSTDETECTOR
DepartmentofElectronics1003NameLongfeiTian
TutorHongyingGuo
ABSTRACT:
Thissystemisasimpleautomobileexhaustdetector,AT89S52chipsystemcontrolchip,8155fortheexpansionofthechip,ADC0809,asthesignalconversionchipandotherchip-based,Supplementedbythecorrespondingprogramtocompletethedesignoftheexhaustgasdetector.Thisarticlediscussesthebasicprincipleofdetectionsystems,hardwareselection,softwaredesign.Thehardwarepartofthecircuitincludingthemaincontrolcircuit,chipexpansioncircuit,A/Dconvertercircuit,displaycircuit.Softwaredesigninassemblyprogramming,modulardesign.Separatelyforeachsoftwaremoduledesign,programming,anddebuggingofthesoftware,thuscompletingthecompletesoftwaresystem.Thesystemissimple,easytoimplement,hasateachingvalue.
Keywords:
exhaustbodydetection;Microcontroller;hardware;software.
致谢
大学四年的生活即将在这个阳光明媚的季节划上句号,然而对于我的人生来说却只是一个逗号,新的征程就要的开始了。
四年的求学生涯充满许多故事,有苦亦有乐。
在论文即将付梓之际,思绪万千,心情久久不能平静。
感谢我的父母,感谢您们无条件的爱,您们的健康快乐是儿子最大的心愿。
感谢母校,给予了我学习知识的殿堂。
感谢所有给予我教导的老师,是您们在我的学习过程中给予帮助,是您们为我的成长保驾护航。
同时也感谢伴随着我度过这美好四年时光的好兄弟们,因为你们我才远离了孤单。
感谢各位良师益友在这四年里一直在生活中、学习上给予我无私的教导和帮助,让我在忻州师范学院这个舞台上有锻炼的能力、自我完善的平台。
在此文即将完成之际,再一次衷心的感谢在毕业设计过程中帮助过我的每个人,在这里请接收我最诚挚的谢意!
由于时间仓促、自身等原因,文章错误疏漏之处在所难免,恳请各位老师斧正。
附录A八段LED数码管的结构和原理图
附录B系统硬件电路
附录C扩展电路图
附录DA/D转换电路图
附录E显示电路图
附录F程序清单:
一主控程序
a初始化程序:
INIT:
MOVDPTR,#7FFFH
MOVA,#0D1H
MOVX@DPTR,A;清8155堆栈和显示RAM
MOVA,#00HMOVX@DPTR,A;设置编码扫描,显示
MOVA,#2AHMOVX@DPTR,A;设置扫描频率
SETBEASETBEX1;允许外部中断请求中断
b键输入中断服务程序:
KINT:
PUSHPSW
PUSHDPH
PUSHDPL
PUSHACC;显示保护
MOVDPTR,#7FFFH
MOVA,#40H
MOVX@DPTR,A;读FIFO堆栈命令
MOVDPTR,#7FFEH
MOVXA,@DPTR;读键输入值
MOVB,A
POPACC
POPDPL
POPDPH
POPPSW;恢复现场RETI
c显示子程序:
DISPL:
MOVDPTR,#7FFFH
MOVA,#90HMOVX@DPTR,A;写显示RAM命令
MOVR0,#78H;置显示数据指针
MOVR7,#08H;置长度计数器初值
MOVDPTR,#7FFEH
DISPL1:
MOVA,@R0
ADDA,#05H
MOVA,@A+PC;取7段码
MOVX@DPTR,A;写入显示RAM
INCR0
DJNZR7,DISPL1
RET
SEGPT:
DB3FH,06H,5BH,4FB,66H……
二信号转换程序:
DBUF0EQU30H
TEMPEQU40H
DINBIT0B0H
CLKBIT0B1H
ORG0000H
START:
MOVR0,#DBUF0;显示缓冲器存放0AH,0DH,—,0XH,0XH
MOV@R0,#0AH;串行静态显示“ADXX”XX表示0—F
INCR0
MOV@R0,#0DH
INCR0
MOV@R0,#10H
INCR0
MOVDPTR,#0FEF3H;A/D地址
MOVA,#0;清零
MOV@DPTR,A;启动A/D
JNBP3.3,$;等待转换结束
MOVXA,@DPTR;读入结果
MOVP1,A;转换结果送入发光二极管显示
MOVB,A;累加器内容存入B中
SWAPA;A的内容高四位与低四位交换
ANLA,#0FH;A的内容高四位清零
XCHDA,@R0;A/D转换结果高四位送入DBUF3中
INCR0
MOVA,B;取出A/D转换后的结果
ANLA,#0FH;取出A/D转换后的结果
XCHDA,@R0;结果低位送入DBF4中
ACALLDISP1;串行静态显示“ADXX”
ACALLDELAY;延时
AJMPSTART
DISP1:
;静态显示子程序
MOVR0,#DBUF0
MOVR1,#TEMP
MOVR2,#5
DP10:
MOVDPTR,#SEGTAB;表头地址
MOVA,@R0
MOVCA,@A+DPTR
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