危险气体检测和防盗报警器的设计

危险气体检测和防盗报警器的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 Design of hazardous gas examination and burglar alarm 随着我国国民经济的飞速发展，人们的生活水平和生活方式都发生了很大的变 化。社区已成为现在城市的重要组成单元，虽然，小区的管理越来越科学 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 ，但是， 只靠物业管理的保护是不够的，人们更关心自己家居和财产的安全。如今，人们生活 水平还是存在着很大的差异，而高端的报警往往需要接入网络，所以价格也比较贵。 本设计是基于满足众多普通家庭安全需要的一款性能可靠、实用性强、灵敏度高、使 用方便的危险气体检测和安全防盗装置。 本设计主要由三大模块组成：信号检测和处理模块、无线发射和接收模块，和显 示报警模块。采用气体传感器，检测家庭中经常接触到的气体，如天然气、煤气、液 化气等有害气体；防盗器采用被动式热释电红外探测器；无线发射和接收模块完成对 处理信号的编码、发射、接收和解码工作，实现远距离检测的目的。报警和显示模块 采用单片机控制，不仅可以精确的显示对报警位置，而且具有数字时钟的功能。 本设不仅具有成本低、低功耗、性能可靠的优点，在技术上还可以利用GSM网络， 实现GSM短信的智能远程报警及控制，通过手机终端接收报警短信，并且可以发送命 令短信异地遥控实现各种操作。 气体传感器；红外热释电；无线发射；无线接收；单片机 ABSTRACT Along with our country national economy swift development, people's living standard and the life style has had the very big change. The community has become now the urban important composition unit, although, the plot management is getting more and more standard and the science, but, only depends on the estate management the protection is insufficient, the people cared that they live at with the property security. Now, the people living standard has this very big difference, but the high-end warning often needs to turn on the network, therefore the price is also quite expensive. In order to satisfy the numerous ordinary families the safety requirements, thus this design is based on a practical section of perform reliably, the sensitivity is high, easy to operate family alarm apparatus, use for to examine the hazardous gas and the burglar alarm. This design is mainly composed of three big modules: The signal detection and the processing module, the wireless launch and the receive module, the obviously report and the display module. Uses the gas sensor, mainly examines the gas like natural gas which, the coal gas, the liquid gas in the family may contact and so on noxious gas; Security uses the passive form pyroelectric infrared acquisition aid; The wireless launch and the receive module complete to process the signal the code, the launch, the receive and the decoding work, completes the long-distance range examination the goal. The warning and the display module use the monolithic integrated circuit control, not can only demonstrate to the warning position, has not reported to the police when may demonstrate the clock. This design except has the cost to be low, perform reliably merit. In addition, this design technically may also use the GSM network, realizes the GSM short note intelligent long-distance warning and the control system, through handset terminal receive warning short note, and may the routing directive short note different external guidance system realize each kind of operation. Key Wordsgas sensing; Piezoelectric IR; Wireless launches; Wireless receive; SCM 目 录 前言 ................................................................................................................................................................. 1 1 方案拟定 .................................................................................................................................................... 2 1.1危险气体检测系统的方案比较 ............................................................................................ 2 1.1.1方案一催化燃烧式传感器 ......................................................................................... 2 1.1.2方案二MQ-5气体传感器 ........................................................................................... 2 1.2防盗报警系统的方案比较 ...................................................................................................... 2 1.2.1方案一红外线报警器 .................................................................................................. 2 1.2.2方案二被动式热释电红外传感器 .......................................................................... 3 1.3发射与接收电路的方案比较 ................................................................................................. 3 1.3.1方案一有线探测 ............................................................................................................ 3 1.3.2方案二315MHZ无线数据发射和接收模块 .......................................................... 4 1.4报警和显示电路的方案........................................................................................................... 4 2 系统硬件电路的设计 ............................................................................................................................ 5 2.1系统工作原理及流程 ............................................................................................................... 5 2.2危险气体检测电路的设计 ...................................................................................................... 5 2.2.1气体传感器MQ-5........................................................................................................... 6 2.2.2四集成运放LM339 ........................................................................................................ 8 2.2.3工作原理 .......................................................................................................................... 9 2.2.4气体传感器的主要性能指标 .................................................................................. 10 2.2.5危险气体传感器使用的注意事项 ........................................................................ 11 2.3防盗报警器的设计 .................................................................................................................. 11 2.3.1热释电红外传感器 ..................................................................................................... 12 2.3.2电路原理 ........................................................................................................................ 12 2.3.3热释电红外传感器的安装要求 ............................................................................. 13 2.4无线数据发射与接收电路 .................................................................................................... 13 2.4.1无线数据发射模块 ..................................................................................................... 13 2.4.2无线接收模块 .............................................................................................................. 16 2.4.3PT2262/PT2272编码解码芯片介绍 ...................................................................... 17 2.5报警显示电路的设计 ............................................................................................................. 17 3 软件系统的设计 .................................................................................................................................... 20 3.1软件设计流程 ............................................................................................................................ 20 3.2程序流程图 ................................................................................................................................ 20 4 系统调试 .................................................................................................................................................. 21 4.1硬件电路的调试与仿真......................................................................................................... 21 4.2软件调试 ..................................................................................................................................... 21 结论 ............................................................................................................................................................... 22 参考文献 ...................................................................................................................................................... 23 致 谢 ...................................................................................................................................................... 24 附录一系统总程序 ................................................................................................................................... 25 附录二英文翻译资料 .............................................................................................................................. 34 **师范学院2009届本科生毕业设计 前言 本课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 是主要是为了满足中低收入群体家居安全的需要，设计一种功能多、性能 可靠、安装方便、价格低廉的危险气体检测与防盗报警系统。 现代家居生活中，对天然气、液化气的使用非常普遍，而这些气体都是易燃易爆 的，由于使用不当或气体泄漏而引起的中毒和爆炸成为现在家居安全最大的隐患。保 护家居安全的主要措施，就是对些有害气体进行有效的监控。本设计采用气体传感器 对气体的含量进行检测，适用于各种可燃气体（液化气、天然气、城市煤气）的泄漏 探测报警。传统的可燃性气体报警器大多是被动式现场报警，不能进行远程监控报警， 也很少能主动切断气源，而本设计采用的无线发射与接收方式，实现了远程监控的功 能，另外，电路板上已预留继电器控制电路，用户可方便加装，报警时可由继电器控 制排风扇即时排出可燃气体，也可同时控制气源电磁阀即时关闭气源，避免危险事件 的发生。 对于家居安全，人们还比较关心就是家庭财产的安全。近年来，随着我国国民经 济的发展，人民的生活水平有了很大提高，人们的生活方式也发生了很大的变化，社 区已成为现在城市的重要组成单元。现在很多小区都安装了智能报警系统，小区的管 理也越来越科学规范，大大提高了小区的安全程度，有效保证了居民的人身财产安全。 但是，只靠物业管理的保护是不够的，人们更关心自己家居和财产的安全。许多家庭 使用了较为安全的防盗门，如果再配合使用一种性能灵敏可靠、经济实用的无线防盗 报警器，将会更有效地保证财产安全。因此，提出“无线防盗报警器”的设计任务。 外部检测部分主要有：MQ-5气体传感器对危险气体（主要是CO、天然气、城市煤气）进行测量；热释电红外传感器LH1958完成对人体探测，检测结果分别由集成 运放LM339电路进行处理，对处理后的电信号进行编码无线发射出去；在接受部分， 由无线接收和解码电路对信号进行解码，送给单片机进行显示和报警处理。 本设计的无线发射与接收采用的是315MHZ带编码(2262)的无线发射板和超再生接收模块。这样不仅可以减小电路的体积，减低电路的成本，更重要的是可以提高系 统的稳定性和可靠性。显示和报警电路是采用单片机是由ATMEL公司生产的AT89S52 单片机，可精确显示报警位置，驱动蜂鸣器发出报警声。同时还具有时钟显功能，完 全用程序控制，示充分利用了系统资源，更适合家庭使用的要求。 总之，本设计是一款经济实用、性能可靠、使用方便、技术上可实现扩展的家居 安全装置。 1 **师范学院2009届本科生毕业设计 1 方案拟定 危险气体检测系统的方案比较 气体传感器的主要性能要满足稳定性、灵敏度、选择性的要求，不同类型的 气敏元件对不同种类、不同浓度的气体有不同的作用，因此，在选择气敏元件时， 灵敏度的调整是很重要的。本设计主要针对家庭或工业上对液化气，天然气，煤 气的监测装置，因此根据这一 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 来选择器件和设计电路。 1.1.1 方案一催化燃烧式传感器 催化燃烧式传感器--GQB-X SmArt Sensor：属于高温传感器，其工作原理是气敏材料(如Pt电热丝等)在通电状态下，可燃性气体氧化燃烧或者在催化剂作 用下氧化燃烧，电热丝由于燃烧而升温，从而使其电阻值发生变化。催化燃烧式 GQB-X SmArt Sensor检测的可实现是有条件的，必须保证检测环境中包含足够 的氧气，在无氧的环境下这种检测方式可能无法检测任何可燃性气体。某些含铅 化合物（尤其是四乙基铅）、硫化合物、硅类、磷化合物、硫化氢和 卤代烃可 能会使传感器中毒或抑制。 另外，它还有成本高、不容易扩展、安装调试复杂 的缺点，因此不采用此方案。 1.1.2 方案二MQ-5气体传感器 MQ-5气敏元件是由微型AL O 陶瓷管、SnO 敏感层，测量电极和加热器构232 成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要 的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个 用于提供加热电流。 它的主要优点是：对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度，优良的抗 乙醇，烟雾干扰能力、响应恢复快速、使用寿命长、稳定性好、测试电路简单， 适用于家庭或工业的监测。利用集成运放和少量外围元件便可完成对气体传感器 采集到的信号，进行放大处理。而且容易进行电路扩展，可以单独使用，也可以 在小区内组网使用。本设计选用此方案。 防盗报警系统的方案比较 1.2.1 方案一红外线报警器 红外线报警器主要在于红外线信号的发射与接收部分，由于目在市场上常用 的红外线发射器件和接收器件都具有频率选择性，因此要想得到较好的传输距离 2 **师范学院2009届本科生毕业设计 和稳定的性能，必须将驱动红外线发射管工作的振荡电路频率调整在红外发射器 件的工作频率附近，现在大部分产品的频率为38KHz，设计该电路时，是让其555电路组成的振荡器工作在38KHz附近。至于接收电路，可以通过低通滤波，加倍 压整流等措施，在有红外线信号收到时输出一个高电平信号，如果有人阻断了红 外线信号，输出一个低电平信号，后续电路通过这个低电平信号启动报警。这类 报警器主要存在的问题是： （1）安装时要求严格，精度要求高，有角度限制。 （2）对安装场所及位置要求高，有时需要多组发射与接收对管。 （3）发射与接收易受到干扰，手机、各种红外遥控器的干扰，误报率高。 （4）使用寿命短，监控时电源不可间断，对红外发射与接收对管的寿命影 响很大。 1.2.2 方案二被动式热释电红外传感器 在电子防盗、人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器的应用非常广泛， 因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。本设计采用此 方案。被动红外探测器是靠探测人体发射的红外线来进行工作的被动红外探测器 是靠探测人体发射的红外线来进行工作的,热释电元件在接收了红外辐射，温度 发出变化时就会向外释放电荷。 被动式热释电红外探头的优点是: （1）不需要用红外线或电磁波等发射源,本身不发任何类型的辐射。 （2）灵敏度高、控制范围大。 （3）隐蔽性好，可流动安装。 （4）器件功耗很小、价格低廉。 缺点是： （1）容易受各种热源、光源干扰。 （2）被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收。 （3）易受射频辐射的干扰。 （4）环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，造成短时失灵 发射与接收电路的方案比较 1.3.1 方案一有线探测 在传统的安全防范工程中，均采用有线的方式连接报警探头和防盗报警主 机。本设计要求实现多点的检测，因此使用有线连接，会是线路布线复杂，成本 高，使用也不方便。在实际的应用中，有线连接还受传输距离、环境、可变性等 多种因素的制约，局限性很强。因此，不选用这一方案。 3 **师范学院2009届本科生毕业设计 1.3.2 方案二315MHZ无线数据发射和接收模块 315MHZ无线数据发射和收发模块由315MHZ无线发射器和接收器组成:数据发射模块的工作频率为315M，采用声表谐振器SAW稳频，频率稳定度极高，当环境温度在－25～＋85度之间变化时，频飘仅为3ppm/度。特别适合多发一收无线遥控及数据传输系统。声表谐振器的频率稳定度仅次于晶体，而一般的LC振 荡器频率稳定度及一致性较差，即使采用高品质微调电容，温差变化及振动也很 难保证已调好的频点不会发生偏移。配有PT2262编码芯片，完成数据的编码和发射。 接收模块采用的是315MHZ带PT2272解码芯片的超再生接收模块。超再生式 接收机具有电路简单、性能适中、成本低廉的优点，所以在实际应用中被广泛采 用。接收模块采用SMD贴片工艺制造生产，为超再生接收方式，它内含放大整形 及解码电路，使用极为方便。传输距离比较理想，一般能达到600米以上，如果和单片机或者微机配合使用时，会受到单片机或者微机的时钟干扰，造成传输距 离明显下降，一般实用距离在200米以内。因此本设计采用此方案。 报警和显示电路的方案 报警和显示也是体统的一个重要组成部分，报警响应的快慢直接慢影响人们 对现场的发现和处理。因此对报警系统的基本要求就是要稳定可靠、快速处理信 号和实现声光报警等。由于单片机强大存储和信号处理能力，完全可以实现以上 要求，为此本设计采用的单片机控制显示报警。为了充分地利用单片机的资源， 在显示报警的基础上，增加了体统的时钟显示功能，时钟的实现完全有软件控制， 可调时，不需要任何其它器件。 4 **师范学院2009届本科生毕业设计 2 系统硬件电路的设计 当今社会，随着现代检测、控制和自动化技术的发展，信息采集的方法越来 越多，而在所有信息的采集途径中，最普遍、最基础的，就是用传感器。传感器 就好似人的“五官”（视觉、嗅觉、味觉、听觉和触觉），已成为现在多个技术 领域中不可缺少的部分。传感器的种类日益增多，涉及到的范围也日益变广。 系统工作原理及流程 本设计的主要功能是实现气体和人体的检测与报警，由传感器和发射部分构 成外部检测部分。 MQ-5气体传感器对危险气体（主要是CO、天然气、城市煤气）进行测量；热释电红外传感器LH1958完成对人体探测，检测结果分别由集成运 放LM339电路进行处理，对处理后的电信号进行编码无线发射出去；在接受部分， 由无线接收和解码电路对信号进行解码，送给单片机进行显示和报警处理。具体 流程图如图2-1所示。 气体传感器 热释电传感器 数字时钟 声光报警 信号处理电路 信号处理电路 单片机2 单片机1 无线接收和解码电路 编码和无线发射电 路 电源电路 图2-1系统结构框图 危险气体检测电路的设计 本设计主要检测的气体成分是液化气、天然气、城市煤气，这些气体是日 常生活中经常接触到，而且是必不可少的东西。在家庭火灾或者中毒事件中，往 5 **师范学院2009届本科生毕业设计 往是由于煤气的使用不当，导致的煤气泄漏，而引起的煤气中毒和爆炸。本设计 中，气体传感器采用的是MQ-5，它适用于家庭或工业上对液化气，天然气（甲 烷），煤气的监测装置。它具有优良的抗乙醇、抗烟雾干扰能力，具有对液化气、 天然气、城市煤气有较好的灵敏度、快速的响应恢复特性、长期的使用寿命和可 靠的稳定性、简单的测试电路等优点。 2.2.1 气体传感器MQ-5 MQ系列气体传感器属于半导体气体传感器，它的敏感材料是活性很高的金 属氧化物半导体,最常用的如SnO 。金属氧化物半导体在空气中被加热到一定温2 度时，氧原子被吸附在带负电荷的半导体表面，半导体表面的电子会被转移到吸 附氧上，氧原子就变成了氧负离子，同时在半导体表面形成一个正的空间电荷层， 导致表面势垒升高，从而阻碍电子流动。 在敏感材料内部，自由电子必须穿过金属氧化物与半导体微晶粒的结合部位 （晶界）才能形成电流。由氧吸附产生的势垒同样存在于晶界而阻碍电子的自由 流动，传感器的电阻即缘于这种势垒。在工作条件下当传感器遇到还原性气体时， 氧负离子因与还原性气体发生氧化还原反应而导致其表面浓度降低，势垒随之降 低。导致传感器的阻值减小。 MQ-5是MQ系列传感器的一种，它的特点是对液化气，天然气，城市煤气 有较好的灵敏度、 对乙醇，烟雾几乎不响应、快速的响应恢复特性、长期的使 用寿命、可靠的稳定性和简单的测试电路等。适用于家庭或工业上对液化气，天 然气，煤气的监测装置。 (1) MQ-5的结构 MQ-5 气敏元件的结构和外形如图2-2所示,由微型AL O陶瓷管、SnO 敏232 感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加 热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其 中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。 图2-2 MQ-5的结构和外形 6 **师范学院2009届本科生毕业设计 注释：1 气体敏感层二氧化锡 2 电极金（Au） 3 测量电极引线铂（Pt） 4 加热器镍铬合金（Ni-Cr） 5 陶瓷管三氧化二铝 6 防爆网100目双层不锈钢（SUB316） 7 卡环镀镍铜材（Ni-Cu） 8 基座胶木 9 针状管脚镀镍铜材（Ni-Cu） 设计中MQ-5的接线如图2-3所示，在实际的测量中，可以按照其等效电路 来计算相应的校正数值，其中Ro表示的是测量气体在腔体内的等效电阻，RL是外接负载电阻，用来调整输出的模拟量电压范围，通过负载电阻可获得输出信号， 并可调节传感器两端的电压，负载电阻可充当传感器的保护器。为传感器选择一 个合适的负载电阻可补偿传感器的离散性，并发挥传感器的最佳特性。 在同样的电路，传感器配用不同的负载电阻RL（4.7KΩ，2.0KΩ，1KΩ）时，在气体浓度与输出电压的斜率最大的条件下，传感器对报警浓度可获得最佳 信号分辨率。使用时使用可变电阻器RL，以便于获得最佳结果。 在给定的工作条件下和适当的气体浓度范围内，传感器的电阻值和还原性气 体浓度之间的关系可近似由下面方程表示： ,,R,AC (2-1) S 其中：Rs：传感器电阻A：常数[C]:气体浓度α:Rs曲线的斜率 图2-3 MQ-5的等效电路 （2）MQ-5的主要规格如表2-1所示 MQ-5型气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。因此，在 使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。应该用1000ppm异丁烷或氢气校准传感器。当精确测量时，报警点的设定应考虑温湿度的影响。 7 **师范学院2009届本科生毕业设计 表2-1 MQ-5的主要特 标符号 参数名称 技术条件 备注 加热电压 5.0V?0.2V AC or DC H准Vc 回路电压 ?15V AC or DC R工 负载电阻 可调 LV 作R 加热电阻 31Ω?3Ω 室温 H 条P 加热功耗 ?900mW H 件 使用温度 -10?-50? 环Tao 境储存温度 -20?-70? Tas 条Rh 相对湿度 小于95%Rh 件 21%(标准条件)氧气浓度O 氧气浓度 最小值大于2％ 2会影响灵敏度特性 Rs 敏感体电10KΩ- 60KΩ 探测范围： 灵 阻 (1000ppm 甲烷) 300-5000ppm 敏 液化气，天然度α 浓度斜率 ?0.6 气，煤气。 特(1000ppm/5000ppmCH4) 性 标准工作条件 温度：20??2? Vc:5.0V?0.1V 相对湿度65%?5% Vh: 5.0V?0.1V 预热时间 不少于24小时 2.2.2 四集成运放LM339 LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是： （1）失调电压小，典型值为2mV； （2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为?1V-?18V； （3）对比较信号源的内阻限制较宽； （4）共模范围很大，为0—（Ucc-1.5V）Vo； （5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压； （6）输出端电位可灵活方便地选用。 LM339集成块采用C-14型封装，图1为外型及管脚排列图。由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器， 如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用 8 **师范学院2009届本科生毕业设计 图2-4 LM339封装及内部结构 LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输 出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电 压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一 个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。 两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种 状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。 LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端 到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选2-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基 本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。 LM339主要应用于：单限比较器电路、迟滞比较器、双限比较器（窗口比较 器）、振荡器。在本设计应用的是电压比较器电路。 2.2.3 工作原理 气体检测电路的原理图如图2-5所示。 该电路的主要功能是完成气体浓度的检测，电路中只用到一个电压比较器， 即可完成对危险气体的检测。MQ-5是一个半导体气体传感器，传感器的阻值大 小受外部还原气体的影响。MQ-5的B端为传感器的输出端，R1与传感器的输出电阻构成分压电路，目的是让传感器有输出电压，且电压值随传感器的阻值而 变化。R2的作用是给电压比较器提供比较电压，从而改变传感器检测危险气体 的报警浓度值。调节R1和R2均可改变电路的灵敏度，电压比较器两个输入端 的电压差越大，电路的灵敏度越小。 工作过程是：在待机状态下，传感器始终在检测室内可燃性气体的浓度，当 室内可燃性气体的浓度超过设定值时，传感器产生的电压将超过门限电压，此时 9 **师范学院2009届本科生毕业设计 现场的报警指示灯DS1点亮，报警信号经过编码处理，由无线发射模块发射给控 制电路，控制电路会迅速接收到报警信号，进过解码和显示处理，最终发出声光 报警。在发出报警信号的同时，经三极管控制继电器，将拍风扇打开，使可燃性 气体的浓度降低，避免因可燃性气体的浓度过高引起爆炸或人员中毒。 当室内的气体浓度下降到报警值以下的时候，气体传感器的阻值将发生变 化，电路将恢复报警前的工作状态。 图2-5气体检测电路原理图 2.2.4 气体传感器的主要性能指标 （1）稳定性 稳定性是指传感器在整个工作时间内基本响应的稳定性，取决于零点漂移和 区间漂移。零点漂移是指在没有目标气体时，整个工作时间内传感器输出响应的 变化。区间漂移是指传感器连续置于目标气体中的输出响应变化，表现为传感器 输出信号在工作时间内的降低。理想情况下，一个传感器在连续工作条件下，每 年零点漂移小于10%。 （2）灵敏度 灵敏度是指传感器输出变化量与被测输入变化量之比，主要取决于传感器的 结构和所使用的技术。大多数气体传感器的设计都利用了生物化学、电化学、物 理和光学。首先要考虑的是选择一种敏感技术，它对目标气体的阀限制 (TLV-thresh-old limit value)或最低爆炸限(LEL-lower explosive limit)的 百分比的检测要有足够的灵敏性。 （3）选择性 10 **师范学院2009届本科生毕业设计 选择性也被称为交叉灵敏度。可以通过测量由某一种浓度的干扰气体所产生 的传感器响应来确定。这个响应等价于一定浓度的目标气体所产生的传感器响 应。这种特性在追踪多种气体的应用中是非常重要的，因为交叉灵敏度会降低测 量的重复性和可靠性，理想传感器应具有高灵敏度和高选择性。 （4）抗腐蚀性 抗腐蚀性是指传感器暴露于高体积分数目标气体中的能力。在气体大量泄漏 时，探头应能够承受期望气体体积分数10~20倍。在返回正常工作条件下，传感 器漂移和零点校正值应尽可能小。 2.2.5 危险气体传感器使用的注意事项 （1）不可施加电压过高：如果给敏感元件或加热器施加的电压高于规定 值，即使传感器没有受到物理损坏或破坏，也会造成引线和/或加热器损坏，引起传感器敏感特性下降。 （2）避免高腐蚀性的环境：传感器暴露在高浓度的腐蚀性气体中，不仅会 引起加热材料及传感器引线的腐蚀或破坏，并会引起敏感材料性能发生不可逆的 改变。 （3）避免碱、碱金属盐、卤素的污染：传感器被碱金属尤其是盐水喷雾污 染后，及暴露在卤素如氟中也会引起性能劣变。 （4）禁止接触到水：溅上水或浸到水中会造成敏感特性下降。 （5）避免结冰水在敏感元件表面结冰会导致敏感材料碎裂而丧失敏感特性。 （6）必须避免暴露于有机硅蒸气中：如果传感器的表面吸附了有机硅蒸气， 传感器的敏感材料会被包裹住，抑制传感器的敏感性，并且不可恢复。传感器要 避免暴露其在硅粘接剂、发胶、硅橡胶、腻子或其它含硅塑料添加剂可能存在的 地方。 此外，不能经常通断电、MQ-5腔体内不能经常存放高浓度的气体和油污 防盗报警器的设计 本设计采用的是被动式热释电红外传感器，在该探测技术中，所谓“被动” 是指探测器本身不发出任何形式的能量，只是靠接收自然界能量或能量变化来完 成探测目的。热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，因 此，红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差 异，这样PIR就能产生变化的电信号。被动红外报警器的特点是能够响应入侵者 在所防范区域内移动时所引起的红外辐射变化，并能使监控报警器产生报警信 号，从而完成报警功能。 11 **师范学院2009届本科生毕业设计 2.3.1 热释电红外传感器 双探测元热释电红外传感器其内部结构图如图2-6所示，使用时D端接电源正极，G端接电源负极，S端为信号输出。该传感器将两个极性相反、特性一致 的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。它利用两个极 性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。 图2-6 双探测元热释电红外传感器的内部结构图 2.3.2 电路原理 红外辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它基于任何物体在常 温环境下都会产生自身的分子和原子的无规则运动，并不断辐射出热红外能量， 分子和原子的运动越剧烈，辐射的能量就越大。反之辐射的能量越小。 人体温度，一般为37度，会发出100um左右的特定波长，被动式红外探头 就是靠探测人体发射的100um左右的红外线而工作的。通过红外探头将物体辐射 的功率信号转换成电信号，经过处理可以把这个电信号，转换成所需要的信号。 红外检测技术的应用非常广泛，在生产生活中发挥了重要作用，例如:红外测温 仪、红外电视、红外热像仪等。 由于红外线是不可见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安 保装置中得到了广泛的应用。此外，在电子防盗、人体探测等领域中，被动式热 释电红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人 士的欢迎。热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其 转变为电压信号，同时，它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。热释电红外传 感器既可用于防盗报警装置，也可以用于自动控制、接近开关、遥测等领域。 电路采用的是LM339电压比较器对较弱的检测信号进行处理，当有人闯入时， 热释电传感器的输出端，输出一个低电平信号。信号经过三极管和第一级运放进 行放大，然后经过两级的电压比较。电路中 RP通过调节第二级的比较器的一正 12 **师范学院2009届本科生毕业设计 向输入端的电压值，也就是给正向输入端加一个固定电压做参考电压，反向输入 端加一个待比较的信号，第二级两个输入管脚的电压差越大，电路的灵敏度就越 CR5低，P可调节电路的灵敏度。电路中决定报警信号的延时时间，如果希望有 C5人闯入时，报警信号持续发出报警信号，那么就可以改变的容值，来改变报 警信号的持续时间。 热释电红外报警器的工作过程为：当红外探头检测到有人闯入时，传感器的 输出端输出一个低电平，经过处理电路，使检测电路中的报警指示灯点亮，在现 场发出报警。同时，报警信号通过无线发射模块进行编码处理，通过无线发射出 去。控制电路会及时接收到该信号，经过解码和显示处理，发出声光报警。电路 原理图如图2-7所示。 热释电红外传感器的优点是本身不发任何类型的辐射、器件功耗很小、隐蔽 性好、价格低廉。 但是也存在着一些不足如：容易受各种热源和光源干扰、被 动红外穿透力差、人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收、易受射频辐射 的干扰、环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失 灵。 2.3.3 热释电红外传感器的安装要求 热释电红外报警器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大 的关系。正确的安装应满足下列条件： （1）报警器应离地面2.0-2.2米。 （2）报警器应远离空调、冰箱、火炉等空气、温度变化比较敏感的地方。 （3）报警器探测范围内不得有隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。 （4）报警器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报， 有条件的话最好把窗帘拉上。另外，报警器也不要安装在有强气流活动的地方 无线数据发射与接收电路 本设计使用的是带编码(PT2262)的无线发射板和315MHZ带PT2272解码接收板，主要目的是提高系统的稳定性和可靠性，而且电路简单，易于调试。 2.4.1 无线数据发射模块 （1）结构与功能 如图2-8所示的数据发射模块，其工作频率为315MHZ，采用声表谐振器SAW稳频，频率稳定度极高，当环境温度在－25～＋85度之间变化时，频飘仅为3ppm/度。特别适合多发一收无线遥控及数据传输系统。声表谐振器的频率稳定度仅次 于晶体，而一般的LC振荡器频率稳定度及一致性较差，即使采用高品质微调电 13 **师范学院2009届本科生毕业设计 容，温差变化及振动也很难保证已调好的频点不会发生偏移。发射模块还设有编 码集成电路，可直接完成编码和无线发射功能，使用非常方便。 图2-7热释电红外检测电路 14 **师范学院2009届本科生毕业设计 图2-8无线数据发射模块 该模块采用ASK方式调制，以降低功耗，当数据信号停止时发射电流降为零， 数据信号与发射模块输入端可以用电阻或者直接连接而不能用电容耦合，否则发 射模块将不能正常工作。数据电平应接近数据发射模块的实际工作电压，以获得 较高的调制效果。数据发射模块具有较宽的工作电压范围3～12V，当电压变化时发射频率基本不变,和发射模块配套的接收模块无需任何调整就能稳定地接 收。当发射电压为3V时，空旷地传输距离约20～50米，发射功率较小，当电压5V时约100～200米，当电压9V时约300～500米，当发射电压为12V时，为最佳工作电压，具有较好的发射效果，发射电流约60毫安，空旷地传输距离700～800米，发射功率约500毫瓦。当电压大于l2V时功耗增大，有效发射功率不再 明显提高。 （2）数据发射模块主要技术指标： a.通讯方式：调幅AM b.工作频率：315MHZ c.频率稳定度：?75KHZ d.发射功率：?500MW e.静态电流：?0.1UA f.发射电流：3～50MA g.工作电压：DC 3～12V （3）数据发射模块的使用 数据发射模块的使用非常简单，如图2-8所示的模板中，+接电源正,-接电源负,电压为DC2-11V.每次发射可以直接控制电源的通断,时间最好小于3秒,模板的左边为编码,下方为数据端,右边上的一个孔接天线 (可以用多股的铜线24CM长即可)。此发射模块可以配两种接收模块组合使用：超再生式接模块和超 外差接收模块。本设计选用的是超再生接收模块。 15 **师范学院2009届本科生毕业设计 2.4.2 无线接收模块 本设计采用315MHZ带PT2272解码接收板，如图2-9所示。 （1）结构与原理 超再生接收是编解码电路最常见的一种形式，成本低廉，灵敏度高， 电气性能满足一般的应用环境。 超再生接收模块有七个引出端，分别为10、11、12、13、GND、17、VCC，其中VCC为5V供电端，GND为接地端，17端为解码有效输出端，10、11、12、13是解码芯片PT2272(SC2272)集成电路的10～13脚,为四位数据锁存输出端，有信号时能输出5V左右的高电平，驱动电流约2mA，与发射器上的四为个按键一一相对应。 接收板A-M4和L4的区别在于输出的数据是非锁存的，有遥控信 号是数据脚是高电平，遥控信号消失时数据脚立即恢复为低电平。 图2-9 315MHZ带PT2272解码接收板 接收模块采用SMD贴片工艺制造生产。接收模块从工作方式分，可以分成 超外差接收板和超再生接收板。超再生式接收机具有电路简单、性能适中、成本 低廉的优点所以在实际应用中被广泛采用。本设计为超再生接收方式，它内含放 大整形及解码电路，使用极为方便。 接收机采用高精度带骨架的铜芯电感将频率调整到315M后封固，这与采用可调电容调整接收频率的电路相比，温度、湿度稳定性及抗机械振动性能都有 极大改善。可调电容调整精度较低，只有3/4圈的调整范围，而可调电感可以做 到多圈调整。可调电容调整完毕后无法封固，因为无论导体还是绝缘体，各种介 质的靠近或侵入都会使电容的容量发生变化，进而影响接收频率。另外未经封固 的可调电容在受到振动时定片和动片之间发生位移；温度变化时热胀冷缩会使定 片和动片间距离改变；湿度变化因介质变化改变容量；长期工作在潮湿环境中还 16 **师范学院2009届本科生毕业设计 会因定片和动片的氧化改变容量，这些都会严重影响接收频率的稳定性，而采用 可调电感就可解决这些问题，因为电感可以在调整完毕后进行封固，绝缘体封固 剂不会使电感量发生变化，而且由于采用贴片工艺，所以即使强烈震动也不必担 心接收频点漂移，接收电路的接收带宽约500KHz，出厂中心频率调整在315MHz。 2.4.3 PT2262/PT2272编码解码芯片介绍 PT2262/PT2272是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位 通用编解码电路，PT2262/PT2272最多可有12位(A0-A11)三态地址端管脚(悬空,接高电平,接低电平),任意组合可提供531441地址码,PT2262最多可有6位(D0-D5)数据端管脚,设定的地址码和数据码从17脚串行输出，可用于无线遥控 发射电路。具有CMOS工艺制造，低功耗、外部元器件少、RC振荡电阻、工作电压范围宽：2.6-15v、数据最多可达6位、地址码最多可达531441种的特点。广泛应用与车辆防盗系统、家庭防盗系统、遥控玩具和其他电器遥控。 编码芯片PT2262发出的编码信号由地址码、数据码、同步码组成一个完整 的码字，解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后。VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直接通电源， 编码芯片也会连续发射。当没有报警动作时，PT2262不能接通电源，其17脚为低电平，所以315MHz的高频发射电路不工作，当有按键按下时。PT2262得电工作，其17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低电平期间315MHz的高频发射电路停止振荡。所以高频发射电路完全受控于PT2262的17脚输出的数字信号，从 而对高频电路完成幅度键控(ASK调制)相当于调制度为100％的调幅。在具体的应用中，外接振荡电阻可根据需要进行适当的调节，阻值越大振荡频率越慢。编 码的宽度越大，发码一帧的时间越长。推荐值：2262/4.7M和2272/820K；2262/3.3M和2272/680K；2262/1.2M和2272/200K。 PT2262发射电路的编码是由1-8脚来完成，有高电平和低电平或悬空三种 状态，可组成6561编码，有4位数据码，每个编码可发射16组数据，只有发射端PT2262和接收端PT2272的地址编码完全相同，才能配对使用，最后由PT2262的17脚送往无线发射电路发射出去，数据码只有高电平和低电平两种状态。 报警显示电路的设计 本设计的显示电路采用的是由AT89S52单片机控制的显示和报警电路电路。 具体要求是：能快速精确地显示报警的位置和报警提示音。电路采用发光二极管 17 **师范学院2009届本科生毕业设计 作为报警位置的显示，利用蜂鸣器作为声音提示，有报警信号时，电路给蜂鸣器 一个高电压，发出报警声，给人以报警提示，实现声光报警的要求。电路还具有 数字时钟的显示功能，采用六位数码管显示，并且可以调整。声光报警有单 片机的P0口控制：P0.0为第一路气体显示控制、P0.1为第一路人体显示控制、 P0.7为蜂鸣器控制；P1口为数码管的段控、P2口为数码管的位控；P3.5为调试控制端。具体电路如图2-10所示。 18 **师范学院2009届本科生毕业设计 2-10报警显示电路 19 天津工程师范学院2009届本科生毕业设计 3 软件系统的设计 软件设计流程 本设计的软件设计是对控制电路中的声光报警和数字时钟的控制。 声光报警要求对报警的位置进行显示并是单片机蜂鸣器发出报警声；数字时钟采用的六 位共阳数码管显示，显示时、分、秒并有调时的功能。 采用端口扫描的方式判断是否有报警信号，当有报警信号的时候，单片机对 该信号进行处理，控制显示和报警。软件设计中，采用定时器T0、T1溢出周期为50MS,T0为秒计数用,T1为调整时闪烁用， P3.5为调整按钮,P1口 为字符输出口,P2口为位选端。时间调整方法：按P3.5未超过1s进入省电模式，数码管不亮，内部时钟计时按P3.5超过1s进入调整模式,要调整的时间会闪动，此时， 按下P3.5超过0.5S，进入下位调整,按下P3.5未超过0.5S，当前位加一 程序流程图 图2-11程序流程图 20 天津工程师范学院2009届本科生毕业设计 4 系统调试 测试原理是系统测试活动的理论基础，测试方法是测试原理的实际应用和获 得测试数据的手段。测试主要依据的是本系统的技术指标，是对系统整体功能和 性能的综合测试与评估。 硬件电路的调试与仿真 在设计具体电路之前，首先利用仿真软件对个部分电路进行仿真，经过反复 的修改，整个电路能够实现所要求的功能。 根据仿真后的电路进行实际电路的焊接。焊接时采用对电路进行分模块的设 计思路，逐步进行焊接与调试，最后再整体调试的步骤。 在调试过程中，电路的实际效果并不想仿真的那样，中间出现了一些意想不 到的结果，尤其是热释电人体检测电路。红外探头对环境的影响很敏感，实际的 测量效果达不到理想的效果。对于电路中的一些元件参数也是在反复调试后确定 的。最初的时候，热释电可以检测到人体信号，也可以发生报警，但是报警指示 灯会一直亮着。经过对电路的调试和分析，其主要原因是 C电容值过大，也由5 此得出，报警信号的演示时间是由C控制的。在调试过程中该电路还存在这一5 些不足如容易受各种热源和光源干扰、被动红外穿透力差、人体的红外辐射容易 被遮挡，不易被探头接收、易受射频辐射的干扰、环境温度和人体温度接近时， 探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。对于这些不足还有待于电路上的改 进与完善，由于时间和条件问题，以上的不足本设计不能一一解决，请谅解。 气体检测电路的调试比较顺利，而且它的性能和灵敏度都要比热释电传感器 要好。调试用的气体是打火机中的气体，足以让其产生报警。无线发射和接受采 用的带编解码芯片的模块电路，因此在调试和使用上非常稳定、简单。 软件调试 本设计软件的测试所采用的是伟幅Wave仿真软件。wave6000是目前世界上 最优秀、最强大的51单片机开发应用平台之一。它内嵌的仿真调试软件可以让 用户采用模拟仿真和实时在线仿真两种方式对目标系统进行开发。 软件仿真是用来确认一个程序的品质或性能是否符合电路设计之前所提出 的一些要求。软件测试是为了发现错误而执行程序的过程。本设计采用汇编语言 编写程序，设计程序的过程是先根据程序的具体要求设计出，软件流程图，由大 到小的设计方法。通过反复的软件仿真，排查错误，最终实现软件的功能。 21 **师范学院2009届本科生毕业设计 结论 毕业设计是学生即将完成学业的最后一个重要环节，它既是对学校所学知识 的全面总结和综合应用，又为今后走向社会的实际操作应用铸就了一个良好的开 端,所以在此有必要对这次的毕业设计作一个系统的总结。 本文首先对整个系统的工作原理和实现方法进行了简单的介绍，给出了系统 工作的整体框图。在此基础上，介绍了系统设计用到的各个组成部分的功能特性， 并进性了方案比较，选择出了最优越的方案。在理论上对整个系统有一定了解的 情况下，进行了系统硬件的电路的设计，充分利用各方面的资料。 整个系统的开发过程是曲折的，首先在硬件设计上，由于以前所学课程有一 定的基础，我多方查阅资料，不断的向老师、同学学习请教，以确保设计的电路 系统完整，并能实现最完美的系统功能。经过几个月学习，我设计出了电路图。 经过测试与修改，最终完善了硬件电路的设计，并能够比较理想的完成本次毕业 设计功能。对于软件设计，因为以前的编程经验不够，再加上对AT89S52这一芯 片的了解不是很彻底，因此，在这方面花费了很多的精力和时间。尽管过程很艰 难，但是在真正意义上学到了知识，为以后的工作和学习积累了宝贵的理论和实 践经验。 在研制过程中注重先进、适用的原则，注重科技与应用结合，来用产、学、 研结合，侧重于科研技术转化为生产力。本系统经过了设计阶段、开发实现阶段 以及最后的应用测试阶段。经过4个月的努力，核心问题已经全部解决，我所设 计的所有功能均已基本实现，即对CO气体和人体的检测，当检测到有害气体或 人体目标时，蜂鸣器发出报警音、发光二极管点亮，此时数码管停止显示时间， 而显示具体的报警位置，起到声、光报警的作用，并且在电路中预留出继电器控 制电路，用户可方便加装，报警时可由继电器控制排风扇即时排出可燃气体，也 可同时控制气源电磁阀即时关闭气源，只是在通用性上还有待提高。这次毕业设 计的经历使我对AT89S52单片机、气体传感器、热释电红外传感器、集成运放 LM339的一些特征、性能，以及应用及原理有了深刻的了解，真正做到了学有所 得、学有所用，可以说获益匪浅。但是，由于我在理论和实践方面存在一定的不 足，所以在设计思路和实现功能上难免有不足之处，请各位老师多多批评指正。 22 **师范学院2009届本科生毕业设计 参考文献 [1]王新贤.通用集成电路速查 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 .济南：山东科学技术出版社，2005. 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New York: McGraw Hill, 1979 [18]Cygnal Integrated Products,Inc.C8051单片机应用解析.北京:北京航空航天大学出版社，2002 23 **师范学院2009届本科生毕业设计 致 谢 毕业设计是大学学习生活的最后一项学习任务，也是对我们大学五年学习的 综合考核。不知不觉，毕业设计结束了，我的毕业论文已整理完毕，电路调试进 展良好。毕业设计的完成意味着我的大学学习生活即将结束，从此我将进入一个 新的人生旅途、开始一段崭新的生活——工作。在此，我衷心地感谢所有在我做 毕业设计期间帮助过我的人。在本次设计中通过**老师的细心指导与讲解，使我遇到的许多困难都得到了解决，使我在业务水平上、知识层次上均得到了提高。 在做毕业设计的过程中，感觉到学习和实际操作的还是完全不同的，在实际操作 的过程中会遇到很多很多意想不到的问题。在这里不仅是对自己知识的衡量，更 是对自己意志的锻炼。在这短时间里，使我的知识从理论升华到实践，并且提高 了独立分析问题、解决问题的能力，还学到了许多新的知识，了解到做一件事情， 并不像想象中的那么简单，往往需要将各个方面都要考虑周全，才能达到预期的 效果。相信毕业设计的经历一定会为我在将来不久踏上工作岗位打下良好的实践 基础。 毕业设计能按时完成，在这里要衷心感谢我的指导老师曲芳老师，在整个做 毕业设计阶段，曲老师给予我很多的关心和指导。同时还要感谢电子系全体老师， 在我有困难时，他们给予了热情的帮助。另外，在学习期间，我的同学给予了我 极大的帮助。这里还要感谢在我做课题期间给予我无私帮助的所有老师和同学。 还有我要感谢我的母校——天津工程师范学院。大学五年，这里留下了我许多美 好的回忆。祝愿母校的将来更美好。 24 **师范学院2009届本科生毕业设计 附录一系统总程序 ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ; 定时器T0、T1溢出周期为50MS,T0为秒计数用,T1为调整时闪烁用， ; P3.5为调整按钮,P1口 为字符输出口,P2口为位选端,采用共阳显示管。 ; 时间调整方法：按P3.5未超过1s进入省电模式，数码管不亮，内部时钟计时 ; 按P3.5超过1s进入调整模式,要调整的时间会闪动，此时，按下P3.5超过0.5S， ; 进入下位调整,按下P3.5未超过0.5S，当前位加一 ; ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ;; 中断入口程序 ;; ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ; ORG 0000H ;程序执行开始地址 LJMP START ;跳到标号START执行 ORG 0003H ;外中断0中断程序入口 RETI ;外中断0中断返回 ORG 000BH ;定时器T0中断程序入口 LJMP INTT0 ;跳至INTTO执行 ORG 0013H ;外中断1中断程序入口 RETI ;外中断1中断返回 ORG 001BH ;定时器T1中断程序入口 LJMP INTT1 ;跳至INTT1执行 ORG 0023H ;串行中断程序入口地址 RETI ;串行中断程序返回 ; ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ;; 主 程 序 ;; ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ; START: MOV R0,#70H ;清70H-7AH共11个内存单元 MOV R7,#0BH ; 25 **师范学院2009届本科生毕业设计 CLEARDISP: MOV @R0,#00H ; INC R0 ; DJNZ R7,CLEARDISP ; MOV 20H,#00H ;清20H（标志用） MOV 7AH,#0AH ;放入"熄灭符"数据 MOV TMOD,#11H ;设T0、T1为16位定时器 MOV TL0,#0B0H ;50MS定时初值（T0计时用） MOV TH0,#3CH ;50MS定时初值 MOV TL1,#0B0H ;50MS定时初值（T1闪烁定时用） MOV TH1,#3CH ;50MS定时初值 SETB EA ;总中断开放 SETB ET0 ;允许T0中断 SETB TR0 ;开启T0定时器 MOV R4,#14H ;1秒定时用初值（50MS×20） START1: LCALL DISPLAY ;调用显示子程序 LCALL WARNING ;调用报警检测 JNB P3.5,SETMM1 ;P3.5口为0时转时间调整程序 SJMP START1 ;P3.5口为1时跳回START1 SETMM1: LJMP SETMM ;转到时间调整程序SETMM ; ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ;; 1秒计时程序 ;; ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ;T0中断服务程序 INTT0: PUSH ACC ;累加器入栈保护 PUSH PSW ;状态字入栈保护 CLR ET0 ;关T0中断允许 CLR TR0 ;关闭定时器T0 MOV A,#0B7H ;中断响应时间同步修正 ADD A,TL0 ;低8位初值修正 MOV TL0,A ;重装初值（低8位修正值） MOV A,#3CH ;高8位初值修正 ADDC A,TH0 ; 26 **师范学院2009届本科生毕业设计 MOV TH0,A ;重装初值（高8位修正值） SETB TR0 ;开启定时器T0 DJNZ R4, OUTT0 ;20次中断未到中断退出 ADDSS: MOV R4,#14H ;20次中断到（1秒）重赋初值 MOV R0,#71H ;指向秒计时单元（71H-72H） ACALL ADD1 ;调用加1程序（加1秒操作） MOV A,R3 ;秒数据放入A（R3为2位十进制数组合） CLR C ;清进位标志 CJNE A,#60H,ADDMM ; ADDMM: JC OUTT0 ;小于60秒时中断退出 ACALL CLR0 ;大于或等于60秒时对秒计时单元清0 MOV R0,#77H ;指向分计时单元（76H-77H） ACALL ADD1 ;分计时单元加1分钟 MOV A,R3 ;分数据放入A CLR C ;清进位标志 CJNE A,#60H,ADDHH ; ADDHH: JC OUTT0 ;小于60分时中断退出 ACALL CLR0 ;大于或等于60分时分计时单元清0 MOV R0,#79H ;指向小时计时单元（78H-79H） ACALL ADD1 ;小时计时单元加1小时 MOV A,R3 ;时数据放入A CLR C ;清进位标志 CJNE A,#24H,HOUR ; HOUR: JC OUTT0 ;小于24小时中断退出 ACALL CLR0 ;大于或等于24小时小时计时单元清0 OUTT0: MOV 72H,76H ;中断退出时将分、时计时单元数据移 MOV 73H,77H ;入对应显示单元 MOV 74H,78H ; MOV 75H,79H ; POP PSW ;恢复状态字（出栈） POP ACC ;恢复累加器 SETB ET0 ;开放T0中断 RETI ;中断返回 ; 27 **师范学院2009届本科生毕业设计 ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ;; 闪动调时 程 序 ;; ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ;T1中断服务程序，用作时间调整时调整单元闪烁指示 INTT1: PUSH ACC ;中断现场保护 PUSH PSW ; MOV TL1, #0B0H ;装定时器T1定时初值 MOV TH1, #3CH ; DJNZ R2,INTT1OUT ;0.3秒未到退出中断（50MS中断6次） MOV R2,#06H ;重装0.3秒定时用初值 CPL 02H ;0.3秒定时到对闪烁标志取反 JB 02H,FLASH1 ;02H位为1时显示单元"熄灭" MOV 72H,76H ;02H位为0时正常显示 MOV 73H,77H ; MOV 74H,78H ; MOV 75H,79H ; INTT1OUT: POP PSW ;恢复现场 POP ACC ; RETI ;中断退出 FLASH1: JB 01H,FLASH2 ;01H位为1时，转小时熄灭控制 MOV 72H,7AH ;01H位为0时，"熄灭符"数据放入分 MOV 73H,7AH ;显示单元（72H-73H），将不显示分数据 MOV 74H,78H ; MOV 75H,79H ; AJMP INTT1OUT ;转中断退出 FLASH2: MOV 72H,76H ;01H位为1时，"熄灭符"数据放入小时 MOV 73H,77H ;显示单元（74H-75H），小时数据将不显示 MOV 74H,7AH ; MOV 75H,7AH ; AJMP INTT1OUT ;转中断退出 ; ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ;; 加1子 程 序 ;; ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; 28 **师范学院2009届本科生毕业设计 ; ADD1: MOV A,@R0 ;取当前计时单元数据到A DEC R0 ;指向前一地址 SWAP A ;A中数据高四位与低四位交换 ORL A,@R0 ;前一地址中数据放入A中低四位 ADD A,#01H ;A加1操作 DA A ;十进制调整 MOV R3,A ;移入R3寄存器 ANL A,#0FH ;高四位变0 MOV @R0,A ;放回前一地址单元 MOV A,R3 ;取回R3中暂存数据 INC R0 ;指向当前地址单元 SWAP A ;A中数据高四位与低四位交换 ANL A,#0FH ;高四位变0 MOV @R0,A ;数据放入当削地址单元中 RET ;子程序返回 ; ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ;; 清零程序 ;; ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ;对计时单元复零用 CLR0: CLR A ;清累加器 MOV @R0,A ;清当前地址单元 DEC R0 ;指向前一地址 MOV @R0,A ;前一地址单元清0 RET ;子程序返回 ; ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ;; 时钟调整程序 ;; ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ;当调时按键按下时进入此程序 SETMM: cLR ET0 ;关定时器T0中断 CLR TR0 ;关闭定时器T0 LCALL DL1S ;调用1秒延时程序 29 **师范学院2009届本科生毕业设计 JB P3.5,CLOSEDIS ;键按下时间小于1秒，关闭显示（省电） MOV R2,#06H ;进入调时状态，赋闪烁定时初值 SETB ET1 ;允许T1中断 SETB TR1 ;开启定时器T1 SET2: JNB P3.5,SET1 ;P3.5口为0（键未释放），等待 SETB 00H ;键释放，分调整闪烁标志置1 SET4: JB P3.5,SET3 ;等待键按下 LCALL DL05S ;有键按下，延时0.5秒 JNB P3.5,SETHH ;按下时间大于0.5秒转调小时状态 MOV R0,#77H ;按下时间小于0.5秒加1分钟操作 LCALL ADD1 ;调用加1子程序 MOV A,R3 ;取调整单元数据 CLR C ;清进位标志 CJNE A,#60H,HHH ;调整单元数据与60比较 HHH: JC SET4 ;调整单元数据小于60转SET4循环 LCALL CLR0 ;调整单元数据大于或等于60时清0 CLR C ;清进位标志 AJMP SET4 ;跳转到SET4循环 CLOSEDIS: SETB ET0 ;省电（LED不显示）状态。开T0中断 SETB TR0 ;开启T0定时器（开时钟） CLOSE: JB P3.5,CLOSE ;无按键按下，等待。 LCALL DISPLAY ;有键按下，调显示子程序延时削抖 JB P3.5,CLOSE ;是干扰返回CLOSE等待 WAITH: JNB P3.5,WAITH ;等待键释放 LJMP START1 ;返回主程序（LED数据显示亮） SETHH: CLR 00H ;分闪烁标志清除（进入调小时状态） SETHH1: JNB P3.5,SET5 ;等待键释放 SETB 01H ;小时调整标志置1 SET6: JB P3.5,SET7 ;等待按键按下 LCALL DL05S ;有键按下延时0.5秒 JNB P3.5,SETOUT ;按下时间大于0.5秒退出时间调整 MOV R0,#79H ;按下时间小于0.5秒加1小时操作 LCALL ADD1 ;调加1子程序 MOV A,R3 ; 30 **师范学院2009届本科生毕业设计 CLR C ; CJNE A,#24H,HOUU ;计时单元数据与24比较 HOUU: JC SET6 ;小于24转SET6循环 LCALL CLR0 ;大于或等于24时清0操作 AJMP SET6 ;跳转到SET6循环 SETOUT: JNB P3.5,SETOUT1 ;调时退出程序。等待键释放 LCALL DISPLAY ;延时削抖 JNB P3.5,SETOUT ;是抖动，返回SETOUT再等待 CLR 01H ;清调小时标志 CLR 00H ;清调分标志 CLR 02H ;清闪烁标志 CLR TR1 ;关闭定时器T1 CLR ET1 ;关定时器T1中断 SETB TR0 ;开启定时器T0 SETB ET0 ;开定时器T0中断（计时开始） LJMP START1 ;跳回主程序 SET1: LCALL DISPLAY ;键释放等待时调用显示程序（调分） AJMP SET2 ;防止键按下时无时钟显示 SET3: LCALL DISPLAY ;等待调分按键时时钟显示用 AJMP SET4 SET5: LCALL DISPLAY ;键释放等待时调用显示程序（调小时） AJMP SETHH1 ;防止键按下时无时钟显示 SET7: LCALL DISPLAY ;等待调小时按键时时钟显示用 AJMP SET6 SETOUT1: LCALL DISPLAY ;退出时钟调整时键释放等待 AJMP SETOUT ;防止键按下时无时钟显示 ; ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ;报警检测 ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; WARNING: MOV P3,#0FFH MOV P0,#0H JB P3.0,K0 ;为1跳转到K0, 31 **师范学院2009届本科生毕业设计 SETB P0.0 ;置位,开第一路人体报警 SETB P0.7 K0: JB P3.1,K1 SETB P0.2 SETB P0.7 K1: JB P3.2,K2 SETB P0.4 SETB P0.7 K2: JB P3.3,K3 SETB P0.6 SETB P0.7 K3: RET ; ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ;; 显示程序 ;; ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ; 显示数据在70H-75H单元内，用六位LED共阳数码管显示，P1口输出段码数据，P3口 作 ; 扫描控制，每个LED数码管亮1MS时间再逐位循环。 DISPLAY: MOV R1,#70H ;指向显示数据首址 MOV R5,#01H ;扫描控制字初值 PLAY: MOV A,R5 ;扫描字放入A MOV P2,A ;从P2口输出 MOV A,@R1 ;取显示数据到A MOV DPTR,#TAB ;取段码表地址 MOVC A,@A+DPTR ;查显示数据对应段码 MOV P1,A ;段码放入P1口 LCALL DL1MS ;显示1MS INC R1 ;指向下一地址 MOV A,R5 ;扫描控制字放入A JB ACC.5,ENDOUT ;ACC.5=0时一次显示结束 32 **师范学院2009届本科生毕业设计 RL A ;A中数据循环左移 MOV R5,A ;放回R5内 AJMP PLAY ;跳回PLAY循环 ENDOUT: SETB P2.5 ;一次显示结束，P2口复位 MOV P1,#0FFH ;P1口复位 RET ;子程序返回 TAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH ;共阳段码表 "0"" 1"" 2" " 3" "4" "5" "6" "7" "8" "9""不亮" ; ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ;; 延时程序 ;; ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ; ;1MS延时程序，LED显示程序用 DL1MS: MOV R6,#14H DL1: MOV R7,#19H DL2: DJNZ R7,DL2 DJNZ R6,DL1 RET ;20MS延时程序，采用调用显示子程序以改善LED的显示闪烁现象 DS20MS: ACALL DISPLAY ACALL DISPLAY ACALL DISPLAY RET ;延时程序，用作按键时间的长短判断 DL1S: LCALL DL05S LCALL DL05S RET DL05S: MOV R3,#20H ;8毫秒*32=0.196秒 DL05S1: LCALL DISPLAY DJNZ R3,DL05S1 RET END ;程序结束 33 **师范学院2009届本科生毕业设计附录二英文翻译资料 The present condition and the development of the hardware description language HDL Summary: The property designed from the numerical system set out, combining the chip system that develop quickly currently, comparing and studying various hardware description language Elaborate the development history, the system structure and the design method of various language in detail; Inquiry into in the future the development trend of the hardware description language, aim at weak present condition of local EDA foundation in the meantime, described language to make some beneficial thinking in the hardware. Keyword: The ASIC;hardware;description;language HDL;Verilog HDL;VHDL;SystemC Superlog ;chip system SoC Lead speech The hardware description language HDL is a kind of language that describes numerical electric circuit and system with the formal method. Make use of this kind of language, the design of the numerical electric circuit system can pursue the layer description own design thought from upper level to the bottom layer(from abstraction to concretely), using the numerical system that the mold piece of a series of layering time means very complications. Then, make use of the electronics design automation(EDA) tool, pursue a layer to carry on imitating a true verification, again need to change into the mold piece of the actual electric circuit combination among them, convert to the door class electric circuit net form through automatically comprehensive tool. Connect descend go to, use again a programmable door of the appropriation integrated circuit ASIC or the spot, the array FPGA sets up the cloth line tool automatically, converting the net watch for want to carry out of concrete electric circuit cloth line structure. Currently, the method of this kind of high time(high-level-design) is already drive extensive adoption. There are 90% above ASIC and FPGA to adopt the hardware description language to carry on a design about in Silicon Valley in the 34 **师范学院2009届本科生毕业设计 United States currently according to the covariance. The development of the hardware description language HDL has already had the history of more than 20 years up to now, and successfully applied in design of each stage: Set up a mold and imitate really, verify with comprehensive etc.Have already appeared up to 100 hardware description languages to the 80's in 20 centuries, have ever had to the design automation to promote biggest a function with the push. But, these languages are generally each from face to the particular design realm and layer, and numerous indecisive. Therefore need a kind of many realms multilayer that face to a design urgently and get the standard hardware description language of[with] widespread approbation. Expect after 80's for 20 centuries, the VHDL and the language of Verilog HDL adapted the request of this kind of trend, becoming IEEE standard successively. Now, along with the emergence of the system class FPGA and the system chip, the soft hardware moderates the design and the system design to become more and more important. The hardware design of the traditional meaning inclines toward to design with system more and more with the software design to combine. In order to adapt a new circumstance, the hardware description language quick development, appeared a lot of new hardware a description language, be like Superlog,System C,the Cynlib C++ etc. Choose actually which language carry on a design, the whole industry is a vigorous discussion under way. Have a necessity therefore and completely to make some comparison a research in this aspect, do some meaningful works for the EDA design, also for develop our future chip design technique to lay good foundation. 1 Several kinds HDL language that represent sex 1.1 VHDL As early as 1980, because the American military industry needs to describe the method of the electronics system, the American Ministry of National Defense starts carry on a VHDL development. In 1987, from IEEE(Institute of Electrical and Electro- The nics Engineers)draw up the VHDL as standard. Make reference to a manual to make reference to the manual standard drafted plan 1076/B version for the language of IEEE VHDL, grant in 1987, be called IEEE 1076-1987.Should notice, the inception VHDL is the system norm of a standard, not is a design but establishment. The second edition draws up in 1993, being called VHDL-93, increasing some new 35 **师范学院2009届本科生毕业设计 orders and attribute. Although have” the VHDL is a mistake of USD 400,000,000" such parlance, VHDL after all is unique established for the standard before in 1995 of the hardware describes language, these is its undisputable fact and advantage; But it is really more troublesome in the meantime, and its comprehensive database also didn't standardize up to now, don't have the description ability of the transistor switch class and the description ability of the emulation design. Current viewpoint BE, for especially the large system series word electric circuit design, the VHDL is more suitable. BE support by the spare part database of[with] the Verilog HDL description at the VHDL design environment of the first floor substantially of, therefore, they it with each other the operability is very important. Currently, two international organization OVIs, VIs of the Verilog and VDHL are plan and prepare this work, preparing to establish the specialized work set to moderate VHDL and the Verilog HDL language with each other operability. The OVI also supports and doesn't need to be translate, is arrived a Verilog free expression by the VHDL. 1.2 Verilog HDL The Verilog HDL is in 1983, is found by the Phil Moorby of the GDA(the Gateway Design Automation) company. The Phil Moorby becomes the main design and the Cadence company of the Verilog-XL afterwards one partner.At 1984~1985, the Phil Moorby designed the first be named Verilog-XL to imitate a true machine; In 1986, his development to the Verilog HDL made an another huge contribution again: Put forward using for fast door class to imitate true XL calculate way. Along with the success of the Verilog-XL calculate way, the language of Verilog HDL gets a quick development. In 1989, the Cadence company procured the GDA company, the language of Verilog HDL became the private possession of the Cadence company. In 1990, the Cadence company decision openned the language of Verilog HDL, hence establish the OVI(the Open Verilog International) organization, be responsible for the development that promoted the Verilog HDL language. According to the superiority of the Verilog HDL, the IEEE drew up the IEEE standard of the Verilog HDL in 1995, namely the Verilog HDL 1364-1995;Released the Verilog HDL in 2001 be 1364-2001 standards. Joined the Verilog HDL-A standard in this standard, make the ability that the Verilog imitated a design a description. 1.3 Superlog 36 **师范学院2009届本科生毕业设计 Develop a kind of new hardware design language, always some adventures, and don't necessarily can make use of originally to develop to the hardware of experience. Can on the foundation of original hardware description language, combine deluxe language C, C++even Java etc. language of characteristics, carry on expand, attain a kind of new system class design language standard? The Superlog is the system class hardware description language that develops a development under this background. The found of the verilog language hardware description languages such as the Phil Moorby and the Peter Flake est.’s expert, at a call the Co-Design Automation of the EDA company carry on a cooperation, the beginning carries on expanding a research to the Verilog. In 1999, the Co-Design company released the SUPERLOGTM system design language, releasing two development tools in the meantime: The SYSTEMSIMTM and SYSTEMEXTM. An used for the system class development, an used for a deluxe verification. In 2001, the Co-Design company standardized the organization Accellera to release SUPERLOG to expand comprehensive son to gather ESS toward the electronics industry, so it can the RTL class of the verilog language today the comprehensive son gather of foundation up, provide more hardware of Classes comprehensive abstract class, is make use of by the EDA software tool of various system class. Up to now, already more than 15 chip design companies carry on the chip design and hardware development with the Superlog. The Superlog is a kind of system class hardware description language that has good foreground. But lately, because of the slippery ascent of the whole IT industry, the EDA company carried on big integration, the Co-Design company drive the Synopsis company annex, the situation became whirling again. 1.4 SystemC Along with semi-conductor technical fast fierce development, the SoC has already become integrated circuit to design nowadays of development direction. Be like system definition, soft hardware to divide the line, design to carry out in each design of the system chip etc., the integrated circuit design field always Be consider how satisfy a SoC design request, always Be look for a kind of can carry out the system class of the software and hardware description of the higher layer design language in the meantime. The SystemC is exactly in this kind of case, is responded to actively by the Synopsys company and the CoWare company currently a need but 37 **师范学院2009届本科生毕业设计 cooperation development of everyone to the system class design language. September 27th in 1999, the EDA company, IP company,the semi-conductor company of more than 40 family backgrounders field declared to establish “the open type SystemC alliance" with built-in software company. The company Cadence also joined a SystemC alliance in 2001.The SystemC is early from September of 1999 alliance establishment of 0.9 editions start renew, from 1.0-1.1 versions, until released the latest 2.0 versionses in October in 2001. 2 Various system structure of HDL language and design method 2.1 SystemC All SystemCs is according to C++;Diagram all of 1 medium upper level frames is very clearly to build up on the lower foundation; Pit inside the SystemC provides a mold piece that useds for system system structure and proceeds together, correspond by letter to describe with synchronous clock; Complete support inside pit description outside of data type, customer definition data type;Usual correspondence method, such as the signal, FIFO, all can at inside the foundation of the pit up establishment, usually use of the calculation mold piece can also at inside pit foundation up establishment; If demand, figure 1 win the contents of the lower layer and do not depend on upper level and can use directly. Physically in the usage, the SystemC is imitated the database of the true pit by a set of description database and a containment to constitute. In the description procedure of the customer, type had to include to correspond database, can pass usual ANSI C++ edit and translate a machine to edit and translate that procedure. The 38 **师范学院2009届本科生毕业设计 SystemC provided the software,hardware and the system mold piece. The customer can choose freely in the top of the different layer, building up an own system model, carrying on imitate really, excellent turn,verify,comprehensive etc.. 2.2 Superlog The Superlog gathered Verilog of simple and direct, the C language of strong,the function verify to design and the system class structure etc. characteristic is a kind of high speed of hardware description language. Its system structure, such as figure,2. ? Verilog 95 with Verilog 2 Ks. The Superlog is the Verilog HDL of super gather, support the hardware model of the latest Verilog 2 Ks. ? C and C++ language. The Superlog provides the structure, type of the C language and points needle, having C in the meantime++face the characteristic of the object. ? Superlog expands comprehensive son to gather ESS. The ESS provides the comprehensive abstract class that a kind of new hardware describe. ? Strong verification function. Automatic test basis, such as random data creation, the function overlay, various have check etc. particularly. The Superlog the system class hardware development tool mainly has Co- The SYSTEMSIMTM and SYSTEMEXTM of the company of Design Automation, can combine other EDA tools to carry on a development in the meantime. 2.3 The Verilog and VHDL These two kinds of languages are the traditional hardware descriptions language, there are a lot of books and data to check a reference, introduce not much here. 39 **师范学院2009届本科生毕业设计 3 Currently the commendable and viable strategy and way Press traditional method, we hardware the model type of the abstract class is divided into the following five: ? system class(system)-the terminology speech provide of the deluxe structure carry out the model of the calculate way movement; ? calculate way class(algorithm)-the terminology speech provide of the deluxe structure carry out the model of the calculate way movement; ? RTL class(the Register Transfer Level)-the description data Be depositting of the machine fluxion with how handle, control the model that these datas flow.(Above three kinds of all belong to the behavior description, only the RTL class just has with the logic electric circuit explicit of to should relate to.) ? door class(gate-level)-the conjunction model of of the description logic door and the logic door.(And the logic electric circuit contain accurate conjunction relation. Above four kinds of, numerical system design the engineer have to control.) ? switch class(switch-level)-the description spare part in the triode transistor and the saving node and them link of model.(Have with concrete physical electric circuit to design a personnel and have to control with great parts towards should relate to, the craft database component.) Development trend designed currently according to the chip, the verification class with synthesize abstract class to also become a kind of standard Class probably. Because their suitable for IP pit replies to use imitate with system class really comprehensive excellent turn of demand, and software(built-in, the firmware type) also more and more become one and system closely-related and abstract Class. Currently, for a system chip design item, the project can adopt includes the following several kinds: ? The most traditional way BE, adopt VHDL in the system class, adopt the C language in the software class, Be carrying out class adoption Verilog. Currently, the VHDL and Verilog with each other the operability has already headed for to standardize gradually, but the coordination design of the software and hardware still a work that has a challenge very much, because the software becomes the key of[with] the SOC design more and more. The characteristics of that project BE: The risk is 40 **师范学院2009届本科生毕业设计 small, integrating a difficulty is big, with original method complete and permit, have ready-made development tool; But the tool integration from make oneself responsible for the developer completion. ? system class and the software class adoption Superlog, hardware class and carry out class to all adopt the Verilog HDL description, so with original hardware design can and permit. As long as re- buy two Superlog development tool SYSTEMSIMTMS and SYSTEMEXTM then. The project's characteristics is the risk is smaller, being easy to an integration, with original hardware design and permit sex good, there is integrated development environment. ? system class and software class adopt SystemC, the hardware class adoption SystemC and the Verilog HDL of the normal regulations convert each other, editting and translate environment with original software complete and permit. The developer the database that need a set of description database to imitate a true pit with a containment, can in the usual ANSI C++edit and translate the machine environment to descend a development; But hardware description with original method completely not and permit. The project's characteristics is a risk to compare greatly, with original software development and permit sex good, the hardware development contain risk. 4 The future development and technique direction The design line breadth of the micro-electronics design industry already from 0.25 us to 0.18 us changes, and is working hard to move forward toward 0.13 μ m and the target with 90 ns. To 0.13 the μ m after this target, 90% signals delay will be connected with each other by the circuit produce. For the sake of the design work frequency the high performance electric circuit of the near 2 GHz, have to resolve to respond, the electricity move and the bottom voice problem.(still have design complications problem in the meantime) In the future how many years of design in what the challenges face are there? Standard how does the organization face? When the design line breadth declines to 0.13 μ ms, even more hour, will appear four main trends: ? The design make use of again; ? design verification;(include the hardware and software) ? connecting a problem with each other will decide to time, power supply and the voice request; 41 **师范学院2009届本科生毕业设计 ? system class chip design request. Satisfy and design the design environment that need and will be the mode that several suppliers provide a solution in the future, because of involve of the problem noodles is too wide and too complicated, have no which company or the entity can resolve independently. Actually, people have reason to think completely, designing the contribution of the problem solution to the next generation, the function of the foundation research activity and independent industry the equal importance. Hereafter, EDA boundary will at the following threes open an exhibition work. ?uses sex standard with each other. The foundation of all solutions is the module that designs the tool development process-use sex standard with each other. We know that the EDA industry adoption of is industry, top need of standard, but ignore standard is who establishment. But, nowadays the quick development of the market just at the advantage change direction those to provide standard can make to fast the orientation leads and technique of organization. The company that is placed in to lead just investment in this aspect of having destination toward, those company that didn't attend to develop these standards then have to be undertaken risk alone. ?expands its deluxe database format(ALF) standard, making it include the information of the physical realm, is the EDA development the company can concentrate on resolve to connect a problem with each other of calculate way, make thus the electric circuit design no longer be perplex by this problem while resolve the design ending of affair work. ? establishment new system class design language standard. Standardize the design tool and language of the system chip, make SoC real to attain the third-time micro-electronics design revolution wave tide. 硬件描述语言HDL的现状与发展 42 **师范学院2009届本科生毕业设计 ：从数字系统设计的性质出发，结合目前迅速发展的芯片系统，比较、 研究各种硬件描述语言；详细阐述各种语言的发展历史、体系结构和设计方法;探讨未来硬件描述语言的发展趋势，同时针对国内EDA基础薄弱的现状，在硬件 描述语言方面作了一些有益的思考。 ：ASIC 硬件描述语言HDL；Verilog HDL ；VHDL；SystemC；Superlog； 芯片系统SoC 硬件描述语言HDL是一种用形式化方法描述数字电路和系统的语言。利用这 种语言，数字电路系统的设计可以从上层到下层（从抽象到具体）逐层描述自己 的设计思想，用一系列分层次的模块来表示极其复杂的数字系统。然后，利用电 子设计自动化（EDA）工具，逐层进行仿真验证，再把其中需要变为实际电路的 模块组合，经过自动综合工具转换到门级电路网表。接下去，再用专用集成电路 ASIC或现场可编程门阵列FPGA自动布局布线工具，把网表转换为要实现的具体 电路布线结构。 目前，这种高层次(high-level-design)的方法已被广泛采用。据统计，目 前在美国硅谷约有90%以上的ASIC和FPGA采用硬件描述语言进行设计。 硬件描述语言HDL的发展至今已有20多年的历史，并成功地应用于设计的 各个阶段：建模、仿真、验证和综合等。到20世纪80年代，已出现了上百种硬 件描述语言，对设计自动化曾起到了极大的促进和推动作用。但是，这些语言一 般各自面向特定的设计领域和层次，而且众多的语言使用户无所适从。因此，急 需一种面向设计的多领域、多层次并得到普遍认同的标准硬件描述语言。20世纪80年代后期，VHDL和Verilog HDL语言适应了这种趋势的要求，先后成为IEEE标准。 现在，随着系统级FPGA以及系统芯片的出现，软硬件协调设计和系统设计 变得越来越重要。传统意义上的硬件设计越来越倾向于与系统设计和软件设计结 合。硬件描述语言为适应新的情况，迅速发展，出现了很多新的硬件描述语言， 像Superlog、SystemC、Cynlib C++等等。究竟选择哪种语言进行设计，整个业 界正在进行激烈的讨论。因此，完全有必要在这方面作一些比较研究，为EDA设计做一些有意义的工作，也为发展我们未来的芯片设计技术打好基础。 1 HDL 43 **师范学院2009届本科生毕业设计 1.1 VHDL 早在1980年，因为美国军事工业需要描述电子系统的方法，美国国防部开 始进行VHDL的开发。1987年，由IEEE（Institute of Electrical and Electro- nics Engineers）将VHDL制定为标准。参考手册为IEEE VHDL语言参考手册标准草案1076/B版，于1987年批准，称为IEEE 1076-1987。应当注意，起初VHDL只是作为系统规范的一个标准，而不是为设计而制定的。第二个版本是在1993年制定的，称为VHDL-93，增加了一些新的命令和属性。 虽然有“VHDL是一个4亿美元的错误”这样的说法，但VHDL毕竟是1995年以前唯一制订为标准的硬件描述语言，这是它不争的事实和优势;但同时它确实比较麻烦，而且其综合库至今也没有标准化，不具有晶体管开关级的描述能力 和模拟设计的描述能力。目前的看法是，对于特大型的系统级数字电路设计， VHDL是较为合适的。 实质上，在底层的VHDL设计环境是由Verilog HDL描述的器件库支持的， 因此，它们之间的互操作性十分重要。目前，Verilog和VDHL的两个国际组织OVI、VI正在筹划这一工作，准备成立专门的工作组来协调VHDL和Verilog HDL语言的互操作性。OVI也支持不需要翻译，由VHDL到Verilog的自由表达。 1.2 Verilog HDL Verilog HDL是在1983年，由GDA（GateWay Design Automation）公司的Phil Moorby首创的。Phil Moorby后来成为Verilog-XL的主要设计者和Cadence公司的第一合伙人。在1984~1985年，Phil Moorby设计出了第一个名为 Verilog-XL的仿真器；1986年，他对Verilog 的发展又作出了另一个巨大 的贡献：提出了用于快速门级仿真的XL算法。 随着Verilog-XL算法的成功，Verilog HDL语言得到迅速发展。1989年，Cadence公司收购了GDA公司，Verilog HDL语言成为Cadence公司的私有财产。1990年，Cadence公司决定公开Verilog HDL语言，于是成立了OVI（Open Verilog International）组织，负责促进Verilog HDL语言的发展。基于Verilog HDL的优越性，IEEE于1995年制定了Verilog HDL的IEEE标准，即Verilog HDL 1364-1995;2001年发布了Verilog HDL 1364-2001标准。在这个标准中，加入 了Verilog HDL-A标准，使Verilog有了模拟设计描述的能力。 1.3 Superlog 开发一种新的硬件设计语言，总是有些冒险，而且未必能够利用原来对硬件 开发的经验。能不能在原有硬件描述语言的基础上，结合高级语言C、C++甚至 Java等语言的特点，进行扩展，达到一种新的系统级设计语言标准呢? Superlog就是在这样的背景下研制开发的系统级硬件描述语言。verilog语 44 **师范学院2009届本科生毕业设计 言的首创者Phil Moorby和Peter Flake等硬件描述语言专家，在一家叫 Co-Design Automation的EDA公司进行合作，开始对Verilog进行扩展研究。1999年，Co-Design公司发布了SUPERLOGTM系统设计语言，同时发布了两个开 发工具：SYSTEMSIMTM和SYSTEMEXTM。一个用于系统级开发，一个用于高级验证。 2001年，Co-Design 公司向电子产业标准化组织Accellera发布了SUPERLOG扩展综合子集ESS，这样它就可以在今天verilog语言的RTL级综合子集的基础上，提供更多级别的硬件综合抽象级，为各种系统级的EDA软件工具所利用。 至今为止，已超过15家芯片设计公司用Superlog来进行芯片设计和硬件开 发。Superlog是一种具有良好前景的系统级硬件描述语言。但是不久前，由于 整个IT产业的滑坡，EDA公司进行大的整合，Co-Design公司被Synopsys公司兼并，形势又变得扑朔迷离。 1.4 SystemC 随着半导体技术的迅猛发展，SoC已经成为当今集成电路设计的发展方向。 在系统芯片的各个设计中，像系统定义、软硬件划分、设计实现等，集成电路设 计界一直在考虑如何满足SoC的设计要求，一直在寻找一种能同时实现较高层次 的软件和硬件描述的系统级设计语言。SystemC正是在这种情况下，由Synopsys公司和CoWare公司积极响应目前各方对系统级设计语言的需求而合作开发的。 1999年9月 27日，40多家世界著名的EDA公司、IP公司、半导体公司和嵌入 式软件公司宣布成立“开放式SystemC联盟”。著名公司Cadence也于 2001年加入了SystemC联盟。SystemC从1999年9月联盟建立初期的0.9版本开始更新，从1.0版到1.1版，一直到2001年10月推出了最新的2.0版。 2 HDL 2.1 SystemC 所有的SystemC都是基于C++的;图1中的上层构架都是很明确地建立在下层 的基础上；SystemC内核提供一个用于系统体系结构、并行、通信和同步时钟描 45 **师范学院2009届本科生毕业设计 述的模块;完全支持内核描绘以外的数据类型、用户定义数据类型;通常的通信方式，如信号、FIFO，都可以在内核的基础上建立，经常使用的计算模块也可以在 内核基础上建立;如果需要，图1中较低层的内容不依赖上层就可以直接使用。 实际使用中，SystemC由一组描述类库和一个包含仿真核的库组成。在用户 的描述程序中，必须包括相应的类库，可以通过通常的ANSI C++编译器编译该程序。SystemC提供了软件、硬件和系统模块。用户可以在不同的层次上自由选 择，建立自己的系统模型，进行仿真、优化、验证、综合等等。 2.2 Superlog Superlog集合了Verilog的简洁、C语言的强大、功能验证和系统级结构 设计等特征，是一种高速的硬件描述语言。其体系结构如图2。 ? Verilog 95和Verilog 2K。Superlog是Verilog HDL的超集，支持最新 的 Verilog 2K的硬件模型。 ? C和C++语言。Superlog提供C语言的结构、类型、指针，同时具有C++面对对象的特性。 ? Superlog扩展综合子集ESS。ESS提供一种新的硬件描述的综合抽象级。 ? 强大的验证功能。自动测试基准，如随机数据产生、功能覆盖、各种专 有检查等。 Superlog的系统级硬件开发工具主要有Co- Design Automation公司的SYSTEMSIMTM和SYSTEMEXTM，同时可以结合其它的EDA工具进行开发。 2.3 VerilogVHDL 这两种语言是传统硬件描述语言，有很多的书籍和资料可以查阅参考，这里 不多介绍。 46 **师范学院2009届本科生毕业设计 按传统方法，我们将硬件抽象级的模型类型分为以下五种： ? 系统级（system）——用语言提供的高级结构实现算法运行的模型； ? 算法级（algorithm）——用语言提供的高级结构实现算法运行的模型； ? RTL级（Register Transfer Level）——描述数据在寄存器之间流动和 如何处理、控制这些数据流动的模型。（以上三种都属于行为描述，只有RTL级才与逻辑电路有明确的对应关系。） ? 门级（gate-level）——描述逻辑门以及逻辑门之间的连接模型。（与 逻辑电路有确切的连接关系。以上四种，数字系统设计工程师必须掌握。） ? 开关级（switch-level）——描述器件中三极管和存储节点以及它们之 间连接的模型。（与具体的物理电路有对应关系，工艺库元件和宏部件设计人员 必须掌握。） 根据目前芯片设计的发展趋势，验证级和综合抽象级也有可能成为一种标准 级别。因为它们适合于IP核复用和系统级仿真综合优化的需要，而软件（嵌入 式、固件式）也越来越成为一个和系统密切相关的抽象级别。 目前，对于一个系统芯片设计项目，可以采用的方案包括以下几种： ? 最传统的办法是，在系统级采用VHDL，在软件级采用C语言，在实现级采用Verilog。目前，VHDL与Verilog的互操作性已经逐步走向标准化，但软 件与硬件的协调设计还是一个很具挑战性的工作，因为软件越来越成为SOC设计的关键。该方案的特点是：风险小，集成难度大，与原有方法完全兼容，有现成 的开发工具;但工具集成由开发者自行负责完成。 ? 系统级及软件级采用Superlog，硬件级和实现级均采用Verilog HDL描述，这样和原有的硬件设计可以兼容。只要重新采购两个Superlog开发工具SYSTEMSIMTM和SYSTEMEXTM即可。该方案特点是风险较小，易于集成，与原硬 件设计兼容性好，有集成开发环境。 ? 系统级和软件级采用SystemC，硬件级采用SystemC与常规的Verilog HDL互相转换，与原来的软件编译环境完全兼容。开发者只需要一组描述类库和 一个包含仿真核的库，就可以在通常的ANSI C++编译器环境下开发;但硬件描述与原有方法完全不兼容。该方案特点是风险较大，与原软件开发兼容性好，硬件 开发有风险。 微电子设计工业的设计线宽已经从0.25μm向 0.18μm变迁，而且正在向0.13μm和90nm的目标努力迈进。到0.13μm这个目标后，90%的信号延迟将由线路互连所产生。为了设计工作频率近2GHz的高性能电路，就必须解决感应、 电迁移和衬底噪声问题（同时还有设计复杂度问题）。 47 **师范学院2009届本科生毕业设计 未来几年的设计中所面临的挑战有哪些？标准组织怎样去面对？当设计线宽降 到0.13μm，甚至更小时，将会出现四个主要的趋势： ? 设计再利用; ? 设计验证（包括硬件和软件）; ? 互连问题将决定对时间、电源及噪声要求； ? 系统级芯片设计要求。 满足未来设计者需要的设计环境将是多家供应商提供解决方案的模式，因为 涉及的问题面太广且太复杂，没有哪个公司或实体可以独立解决。实际上，人们 完全有理由认为，对下一代设计问题解决方案的贡献，基础研究活动与独立产业 的作用将同等重要。 以后，EDA界将在以下三个方面开展工作。 ? 互用性标准。所有解决方案的基础，是设计工具开发过程的组件——互 用性标准。我们知道，EDA工业采用的是工业上所需要的标准，而不管标准是谁 制定的。但是，当今市场的迅速发展正在将优势转向那些提供标准时能做到快速 适应和技术领先的组织。处于领先的公司正在有目的地向这方面投资，那些没有 参加开发这些标准的公司则必须独自承担风险。 ? 扩展其高级库格式（ALF）标准，使其包含物理领域的信息，是EDA开发 商可以致力于解决互连问题的算法，从而使电路设计者在解决设计收尾工作时， 不再受到这个问题的困扰。 ? 制定新的系统级设计语言标准。标准化系统芯片的设计工具和语言，使 SoC真正达到第三次微电子设计革命浪潮。 48 **师范学院2009届本科生毕业设计 49