基于51单片机的低功耗甲烷检测系统设计方案

的图形点阵液晶模块HS12232作为显示屏幕，显示提示和处理结果。显示界面设计成多层选择菜单的模式，主菜单中有甲烷检测、传感器工作电压设置，采样数据上传和识别网络更新等选项，通过键盘输入进行菜单选择的方式进行各种操作。同时由单片机的另一路D/A输出提示音信号，驱动蜂鸣器发出提示音。

　　根据检测系统的设计要求，方便灵活地与计算机通信也是很重要的。目前USB标准已经得到了普及，因此选择采用USB通讯方式。USB是一种通用串行总线，具有使用可靠、即插即用和成本低廉的特点。检测系统电路中使用的USB接口芯片是支持USB1.1协议的Philips公司的PDUSBDI2芯片。单片机通过并行I/O口向PDIUSBD 12发命令和数据以实现对USB接口读写，由于在本系统中数据量传输不是很大，采用的是中断方式非同步传输。在USB协议中，USB总线分有主机和设备两部分，计算机上的USB控制器是主机器件，PDIUSBD 12是设备器件。图3是PDIUSBDI2与单片机的接口图。

　　图3 PDUSBDI2的接口电路原理图

　　3.2.3 系统电源管理电路

　　最后还需考虑电源的选择。作为便携式系统，甲烷检测系统的电源供电方式是电池供电，供电电压约在5V。而电路中的有的器件工作在较低的电压下，如单片机、SRAM和USB芯片等是3.3V的工作电压，这就需要在电路中设计5V-3.3V的电压转换电路。通过对比，采用DC-DC器件LM2S74进行电压转换(图4)，将5V供电电压转换为3.3V，即可以满足低电压器件的工作要求，减少了额外的功耗，而且通过设计合理的滤波电路，还获得了较好的稳压线性输出。在降低功耗方面，在系统设计中均选用了CMOS器件、低功率表贴元器件，不仅使得系统体积较小，而且电路功耗也得到降低:此外在软件设计上，系统使用了等待和掉电的节电运行机制，而有的器件是带Shutdown功能的，可以在空闲的时候进入省电模式，进一步降低了功耗。

　　图4 电源电压转换电路

　4 检测系统电路调试

　　在确定了系统电路硬件总体和各部分的设计方案后，制作了实验电路板，对电路进行了初步的调试。电源是采用4节镍氢充电电池串连，经过调试，每路加热电压驱动电路可以输出最高4.5V的电压，在对传感器进行加热的情况下，同时进行数据的采集保存，总电流可以控制在250mA以内，其中单片机电路部分约120mA，传感器阵列加热电流不高于80mA，抽气泵工作电路低于50mA，满足了设计中的低功耗目标。检测系统硬件电路调试完成后，通过编写单片机程序和计算机应用程序，可以在检测系统中实现气体识别等功能。

　　5 甲烷检测系统软件设计

　　检测系统电路调试通过后，需要结合识别软件才能进行气体的检测。本文主要在软件设计方面进行研究，提出了适合单片机系统的网络识别算法，在单片机软件和PC机软件两个方面进行了网络构建、网络训练等的讨论，同时对系统的其它功能程序也做了说明。

　　由于C8051系列单片机具有完整的8052内核，与MCS-51指令完全兼容，可采用标准的805x编译器进行软件开发。在本检测系统的单片机软件设计中，采用了Cygnal C51IDE的开发环境，通过电路中预留的JTAG接口调试程序，依据检测系统的不同功能的需要，采用模块化的设计，将程序分成几个主要的功能模块，图5是单片机程序的模块图。

　　图5 检测系统单片机程序模块图

　　从图5中可以看到，单片机的主程序在经过系统初始化后进入主菜单界面，将等待键盘的输入操作。当检测到有按键输入时，读出键值并判断出需要进行的操作，而后调用相应的子程序模块。