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第2章 硬件电路设计
2.1 主控模块设计
AT89C51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有
限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM﹑RAM﹑I/O口﹑定时/记数器﹑中断系统等容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统配置，既按照系统功能要求配置外围设备，如键盘显示器﹑打印机﹑A/D﹑
D/A转换器等，要设计合适的接口电路。
2.1.1 微处理器
该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。 2.1.2 数据存储器
AT89C51片内为128个字节，片外最多可外扩至64K字节，用来存储程序在
运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。 2.1.3 程序存储器
由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64K字节。 2.1.4并行I/O口
AT89C51共有4个并行8位I/O口（P0、P1、P2、P3），每个口都有1个锁
存器和1个驱动器组成。并行I/O口主要是用于实现与外部设备中数据的并行输入/输出，有些I/O口还具有其他功能。
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2.1.5 特殊功能寄存器
AT89C51共有21个，用于对片内的各功能的部件进行管理、控制、监视。实
际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。
由上可见，AT89C51单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。特别值得一提的是该单片机CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微计算机，这个一位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。1位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效；而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起，二者相辅相承，它是单片机技术上的突破，也是MCS-51单片机在设计的精美之处[3]。 2. 1.6 时钟电路
AT89C51虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。AT89C51
单片机的时钟产生方法有两种。内部时钟方式和外部时钟方式。
本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间选择。电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，C1、C2可在20PF到100PF之间取值，但在60PF到70PF时振荡器有较高的频率稳定性。所以本设计中，振荡晶体选择12MHZ，电容选择
65PF。
在设计印刷电路板时，晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。 2.1.7 复位电路
AT89C51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个斯密
特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号[4]。
复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。
最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要VCC的上升时间不超过1MS，就可以实现自动上电复位。时钟频率
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用6MHZ时C取22μF，R取10KΩ。
除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源VCC接通而实现的。按键手动复位电路见图3.2。时钟频率选用6MHZ时，C取22μF，R1取200Ω，R2取10KΩ。 2.1.8 最小应用系统设计 AT89C51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。用AT89C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图2-1. AT89C51单片机最小系统所示。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元[4]。其应用特点： （1）有可供用户使用的大量I/O口线。 （2）内部存储器容量有限。 （3）应用系统开发具有特殊性。 C133pU1X119 XTAL1 CRYSTALC233p18XTAL29RSTP0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD39D038D137D236D335D434D533D632D721222324252627281011121314151617EAEAC310uFECS1RS293031PSENALEEAR14.7kRSTRW12345678P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7AT89C51WRRDG1图2.1 AT89C51单片机最小系统 2.2电源电路的设计 7805集成稳压器典型应用电路图如图 所示：电容C1用于抵消输入线较长时的电感效应，防止电路产生自激振荡，容量取值一般小于1μF；电容C0用于消除输出电压中的高频噪声，其容值可大于或小于1μF。但若C0容值较大，一旦7805 7 邵阳学院毕业设计（论文）
输入端断开，C0将从7805的输出端向其放电，极易导致7805的损坏，为此在集成稳压器的输入端和输出端之间跨接一个二极管，可起到正向导通，箔位电压的保护作用。
其中输入电源可以用6-12V直流电源，满足便携的要求。
图2.2 5V电源电路图
2.3传感器的筛选
2.3.1气敏传感器的分类和性能
气体传感器是一种把气体中的特定成分检测出来，并将其转化为电信号的器件。通常根据气敏特性来分类，主要分为：半导体气敏传感器、固体电解质气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器、电化学式气敏传感器、光学式气敏传感器、高分子气敏传感器、导热式传感器等，下面是几种目前技术成熟、应用广泛的气敏传感器[5]。
(1)半导体气敏传感器
半导体气敏传感器应用最为广泛，它主要是以氧化物半导体作为基本材料，使气体吸附在该半导体表面，利用由此而产生的电导率变化现象而制作的器件。然而，半导体电导率变化的机理，即气敏机理是非常复杂的，事实上在某些方面尚无定论，一般认为下列六个因素会对其产生影响。
①气敏材料不是单晶体。
②为了改善元件的选择性和灵敏度，一般往金属氧化物中添加催化剂，为提高元件强度还需要添加粘合剂。
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③利用的是物质的表面。
④元件在较高的温度下（一般100－400℃）。 ⑤被测气体种类繁多，它们各有不同的特性。
⑥吸附过程本身比较复杂，既有物理型吸附，又有化学型吸附等。
人们通过长期的基础研究，将这些非常复杂的因素影响的气敏现象，归纳成四种模式，即整体原子价控制理论、能级生成理论、表面电荷层理论、接触粒界位垒理论，分别从不同角度来解释不同类型半导体传感器的工作原理。
最常见的SNO2、ZNO半导体传感器的气敏机理就是用能级生成理论来解释的。该元件由涂一层半导体的圆筒状陶瓷骨构成，半导体有P型、N型之分，这取决于加入的金属成分。由于还原性气体时候容易给出电子，使得N型半导体中电子数目增大，载流子增加，电阻降低；当它遇到氧化性气体（如O2）时，由于氧化性气体容易夺取电子，使得N型半导体中电子数目减少，载流子减少，电阻增大【】。P型半导体传感器中多数载流子是空穴，遇到还原性气体时，由于还原性气体容易给出电子，中和了部分空穴，载流子减少，电阻增大；当它遇到氧化性气体时，由于氧化性气体容易夺取电子，使得空穴数目增加，载流子增加，电阻减少。
(2)固体电解质气体传感器
固体电解质气体传感器是一种以离子导体为电解质的化学电池。从70年代开始，由于固体电解质气体传感器导电率高，灵敏度和选择性好，获得了迅速的发展，现在几乎在环保、节能、矿业、汽车工业等各个领域得到了广泛的应用，其产量和应用仅次于金属氧化物半导体气敏传感器。该种传感器主要分为以下三类：一类：材料中吸附由待测气体派生的离子与电解质中的移动离子相同的传感器，例如氧传感器等；二类：材料中吸附由待测气体派生的离子与电解质中的移动离子不相同的传感器，例如用于测量氧气的由固体电解质SRF2H和PT电极组成的气体传感器；三类：材料中吸附由待测气体派生的离子与电解质中的移动离子以及材料中的固定离子都不相同的传感器。目前开发的高质量固体传感器绝大多数属于第三类。
(3)接触燃烧式气敏传感器
接触燃烧式气敏传感器的基本原理是在一根铂丝上涂上高阻的燃烧催化剂，另一根铂丝上以惰性气体密封，组成阻值相等的一对元件，常称为黑元件、白元件，有时也用其它金属丝代替铂丝。由这一对元件和外加的两个固定电阻组成桥式检测电路，在一定的桥流下，黑白元件保持在300－500℃的高温状态，当可燃性气体一旦与黑白元件接触，就会发生无烟燃烧反应，使铂丝上温度升高，电阻增大，原来平衡的电
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