主控模塊

系統(tǒng)采用AT89C51單片機，它帶有4KB閃速存儲器、128B內(nèi)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(shù)器，5個中斷源，1個串行口。

AT89C51是一種帶4K字節(jié)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(jié)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(shù)制造，與工業(yè)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(tǒng)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(chǎn)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(xù)電路的需要采用兩個運算放大器組成I/V轉(zhuǎn)換電路，采用RCV420集成芯片。下圖是RCV420與后續(xù)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(jīng)過中心抽頭CT返回地端。兩個匹配的75Ω檢測電阻Rs構(gòu)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(zhuǎn)換時的不均衡。檢測電阻將輸入的電流信號經(jīng)差分放大器放大，轉(zhuǎn)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(wǎng)絡節(jié)點用于產(chǎn)生所需要的－1.25V偏置電壓。輸入電阻網(wǎng)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(nèi)。

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1μF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(jīng)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(chǎn)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(diào)節(jié)　圖4所示是RCV420的增益調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)應盡可能的小。例如，用一個125Ω電阻可使增益增大1％，但CMR將下降約6dB。　在檢測電阻上并聯(lián)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(lián)7.5kΩ電阻可使增益減小1％。為了維持高共模抑制，并聯(lián)電阻的匹配很重要。并聯(lián)電阻的溫度參數(shù)的任何不一致，都將引起增益誤差和CMR的漂移。 　　偏置調(diào)零　有兩個方法可對RCV420的輸出偏置電壓進行調(diào)零。一是用片內(nèi)10V基準作電平移動，對電壓基準的輸出進行調(diào)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(diào)節(jié)。采用這個辦法調(diào)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(zhuǎn)換器，如圖2所示。它轉(zhuǎn)換速度快，12位精度一次轉(zhuǎn)換時間為25us，轉(zhuǎn)換功率為40MSPS。片內(nèi)具有三態(tài)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(nèi)滿足線性要求。其管腳及接口電路如圖所示。

多路轉(zhuǎn)換開關(guān)4051及電路設計

4051是典型的八選一CMOS多路開關(guān)，它們用幅度為0~+VDD~-VEE的正負極性的模擬信號，4051的靜態(tài)功耗最大為100uW，最大靜態(tài)電流為10uA，開關(guān)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(tǒng)采用Fig3 4051 and interface clrcult 44780驅(qū)動的LCD，HD44780（KS0062）是用低功耗CMOS技術(shù)制造的大規(guī)模點陣LCD控制器（兼帶驅(qū)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(shù)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(tǒng)，送入相關(guān)的數(shù)據(jù)和指令即可實現(xiàn)所需的顯示

   44780現(xiàn)實模塊有8條數(shù)據(jù)線，3條控制線，可與微處理器或微控制器相連，通過送入數(shù)據(jù)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(tǒng)中，系統(tǒng)抗干擾性能的好壞直接影響到整個系統(tǒng)工作的可靠性和安全性。因此，抗干擾設計師系統(tǒng)設計的一個主要內(nèi)容，本系統(tǒng)采用的是由硬件和軟件相結(jié)合的抗干擾措施。

2.6.1系統(tǒng)硬件抗干擾設計

（1）濾波技術(shù)：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(shù)：屏蔽技術(shù)主要由電場屏蔽，電磁場屏蔽和磁場屏蔽三類，本系統(tǒng)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(wèi)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(tǒng)與各種傳感器、開關(guān)從電器上隔離開來，很大一部分干擾可被阻擋。

2.6.2 系統(tǒng)軟件抗干擾設計

對于微機測控系統(tǒng)，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(tǒng)的硬件成本，又可以充分發(fā)揮軟件的優(yōu)勢，使系統(tǒng)具有自我診斷，自我恢復的能力。本系統(tǒng)采用的軟件抗干擾措施主要有以下幾種：

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

（2）軟件陷阱技術(shù)，當系統(tǒng)受到干擾，PC值發(fā)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(tài)。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(jù)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(xù)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(tǒng)軟件主要由主程序、中斷子程序、數(shù)據(jù)采集與A/D轉(zhuǎn)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(xiàn)模塊化，生成的機器代碼質(zhì)量高、可讀性強、移植好，所以本系統(tǒng)的軟件采用C語言編寫，在KeilVision3 Demo版本的集成開發(fā)環(huán)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(diào)用等功能，主程序流程圖如圖5所示。

3.2 數(shù)據(jù)采集自程序設計

    數(shù)據(jù)采集與A/D轉(zhuǎn)換子程序根據(jù)輸入?yún)?shù)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(shù)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(shù)值的顯示輸出。

3.4 報警子程序

    主要實現(xiàn)異常情況下控制告警信號輸出。如當室內(nèi)甲醛升高到某一點時，或苯含量升高到某一規(guī)定值時，音頻報警裝置會發(fā)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