煤礦瓦斯微機監(jiān)測系統(tǒng)設計畢業(yè)設計論文終稿

1、煤礦瓦斯微機監(jiān)測系統(tǒng)設計專 業(yè)： 學 號： 學生姓名： 指導老師：摘要瓦斯是煤礦生產(chǎn)中的有害氣體，它嚴重威脅著礦工的生命和國家財產(chǎn)的安全。不斷發(fā)生的煤礦瓦斯爆炸事件強烈的提醒我們提高煤礦瓦斯監(jiān)測的管理質(zhì)量，為了加強煤礦瓦斯的管理水平，本課題設計了對煤礦瓦斯監(jiān)測的系統(tǒng)。本系統(tǒng)下位機以at89s52單片機為控制核心，系統(tǒng)采用了mjc4/3.0l瓦斯傳感器，并通過ina114對電信號進行放大，通過pcf8591將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，該a/d轉(zhuǎn)換器采用了i2c總線技術，可以最大限度的利用有限管腳。濾波之后單片機驅(qū)動八位數(shù)碼管對數(shù)據(jù)進行顯示，并通過rs-485下位機網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳至上位機。上位機程序

2、用vb編寫，采用mscomm插件啟動串口，可以隨時開啟串口并對任意下位機的數(shù)據(jù)進行查看，并保存到相應的數(shù)據(jù)框。關鍵詞：瓦斯傳感器；單片機；監(jiān)測系統(tǒng)；串口通訊coal mine gas monitoring system based on single chip microcomputerabstractthe gas is harmful gases in the coal mine production,it seriously threaten to the safety of the lives of miners and state property.the continued occ

3、urrence of coal mine gas explosion events remind us improve the quality of management of the coal mine gas monitoring.in order to strengthen the level of coal mine gas management ,this time,i design a coal mine gas monitoring system at this subject. the slave computers system use at89s52 single chip

4、 microcomputer as the core controller, and it uses mjc4/3.0l gas sensor which could transform concentration signal to analog electrical signal as its major sensor . and pcf8591 that use i2c-bus could transform analog signal to digital signal effectively.finally the led could display the concentratio

5、n value, and the system would upload the value. the software of upper computer programmed by visual basic,and it uses mscomm as its activex. the software has great functions which include check and save data at any time.key words: gas sensor; single chip microcomputer; monitoring system; serial comm

6、unication目錄摘要iabstractii第1章 緒論11.1課題研究的背景、現(xiàn)狀及研究意義11.2瓦斯監(jiān)測論文主要研究內(nèi)容及要求2第2章 系統(tǒng)總體方案的確定42.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計42.2系統(tǒng)工作原理4第3章 瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路設計63.1單片機及時鐘、復位模塊63.2瓦斯檢測模塊73.3顯示模塊133.4通信模塊153.5 蜂鳴器報警模塊18第4章 系統(tǒng)軟件設計194.1概述194.2瓦斯監(jiān)測主監(jiān)控程序194.3數(shù)據(jù)采集子程序194.4 a/d轉(zhuǎn)換子程序204.5濾波子程序214.6 led顯示子程序224.7蜂鳴器報警子程序234.8通信程序23第5章 系統(tǒng)的仿真265.1下位機

7、的調(diào)試與仿真265.2上位機的調(diào)試與仿真29第6章 總結(jié)與展望31參考文獻32致謝33附錄a 外文翻譯英文原文部分34附錄b 外文翻譯中文譯文部分40附錄c 系統(tǒng)硬件原理圖45附錄d 下位機主程序流程圖46附錄e 下位機程序代碼47附錄f 上位機程序代碼53第一章 緒論瓦斯是煤礦生產(chǎn)中的有害氣體，它嚴重威脅著礦工的生命和國家的財產(chǎn)安全。隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，各種能源需求快速增長，煤炭開采量也在逐年增加，安全隱患也就越來越多，瓦斯事故特別是重大瓦斯事故在煤礦事故中的比例也就越來越高。如果不能及時測量井下的瓦斯?jié)舛?，那么煤礦的安全生產(chǎn)就無從談起，從而也就無法保證煤炭工業(yè)持續(xù)而穩(wěn)定的向前發(fā)展。所以

8、，對煤礦井內(nèi)的瓦斯氣體進行快速準確的檢測就顯得尤為重要，對易燃易爆氣體檢測系統(tǒng)的研究和開發(fā)也就成為人們普遍關注的問題。1.1 課題研究的背景、意義及研究現(xiàn)狀煤炭是中國國民經(jīng)濟建設的動力，占全國一次能源生產(chǎn)總量及消費結(jié)構(gòu)的70%以上。至2006年底，全國在冊的大小煤礦共有2.6萬個，均為瓦斯礦井，其中50%以上屬于高瓦斯礦井。煤礦由于由于受到自然地質(zhì)、井下開采條件、礦工技能條件、技術和裝備等條件的限制，一直存在著安全可靠性程度差、安全事故頻率高等問題，尤其是瓦斯事故頻發(fā)、危害嚴重。從煤礦瓦斯防治部際協(xié)調(diào)調(diào)查小組召開第十次會議了解到，2012年，全國煤礦發(fā)生瓦斯事故72起、死亡350人，同比減少4

9、7起、183人，分別下降39.5%、34.3%。煤層氣抽采量141億立方米、利用量58億立方米，同比分別增長23.2%、20.2%。雖然近幾年煤礦瓦斯事故逐年大幅度下降，但重特大瓦斯事故沒有得到有效遏制，部分地區(qū)和小煤礦瓦斯事故多發(fā)，煤礦瓦斯防治形勢依然嚴峻。煤炭需求持續(xù)增加，加劇了瓦斯防治工作壓力；瓦斯災害威脅日趨嚴重，防治難度越來越大；部分省份瓦斯防治機構(gòu)不健全，尚未形成有效的工作機制；瓦斯防治基礎依然薄弱，一些小煤礦安全投入嚴重不足，不具備瓦斯防治能力；煤與瓦斯突出機理尚未完全研究清楚，煤礦瓦斯防治關鍵技術有待突破。新中國成立以來發(fā)生的24起煤礦一次死亡百人以上的特別重大事故中，瓦斯煤塵

10、事故有21起，事故起數(shù)和死亡人數(shù)分別占88%和90%。一方面，每次瓦斯爆炸都會引起全社會的關注，更是給犧牲的礦工親屬帶來沉重的精神打擊，對煤炭事業(yè)健康發(fā)展以及礦區(qū)和諧社會建設都產(chǎn)生了不良的影響。另一方面，我國煤炭安全生產(chǎn)現(xiàn)狀與世界一些發(fā)達國家和發(fā)展中國家相比差距很大，傷亡人數(shù)是美國的100倍、俄羅斯的10倍、印度的12倍。瓦斯是一種無色、無味、可以燃燒或爆炸、可以使人窒息死亡的氣體，在成煤過程中形成，是煤炭的伴生物。當瓦斯在空氣中的含量為5%16%時，就有爆炸的危險。煤礦安全規(guī)程規(guī)定，采區(qū)回風巷、采掘工作面回風巷風流中瓦斯?jié)舛瘸^1%時，檢測儀表必須進行報警以提示停止工作，撤出人員，采取措施進

11、行處理；采掘工作面及其它作業(yè)地點風流中瓦斯?jié)舛冗_到1%時，必須停止用電鉆打眼；爆破地點附近20m以內(nèi)風流種的瓦斯?jié)舛冗_到1%時，嚴禁爆破；采掘工作面及其它作業(yè)地點風流中、電動機或其開關安置地點附近20m以內(nèi)風流中的瓦斯?jié)舛冗_到1.5%時，必須停止工作，切斷電源。由此可見，解決瓦斯突出及爆炸問題，必須加強對瓦斯的監(jiān)測監(jiān)控。我國從六十年代初就開始了對煤礦瓦斯監(jiān)測技術的研究，一直到七十年代末，這方面的發(fā)展都很緩慢。當時最有代表性的產(chǎn)品為西安煤礦儀表廠生產(chǎn)的mjc-100煤礦集中監(jiān)測系統(tǒng)和重慶煤礦安全儀器廠生產(chǎn)的ayj-1型瓦斯器遙測警報儀，mjc-100煤礦集中監(jiān)控系統(tǒng)可以配置100個瓦斯傳感器或其

12、他類型的傳感器，傳輸方式采用載波鍵控制傳輸，監(jiān)測周期為100秒，可將煤礦井下瓦斯或其他信號遠傳到地面達10公里。由于當時所處的技術條件，該系統(tǒng)采用了1908塊小規(guī)模ttl集成電路和部分分立元件組成，全部為硬邏輯電路。該系統(tǒng)在70年代末、80年代初在我國十多個大型煤礦的瓦斯監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用。八十年代后期，由于電子工業(yè)的飛速發(fā)展，微型計算機的普及應用，再加上引進國外先進技術，使我國煤礦瓦斯監(jiān)測的技術水平得到較快的發(fā)展和提高。生產(chǎn)廠家和產(chǎn)品種類都在不斷增加。生產(chǎn)廠家由最初的兩家增加到現(xiàn)在得十多家，微機由最初的蘋果機發(fā)展到現(xiàn)在得高檔微機，地面主監(jiān)控中心站都以功能較強的微型計算機為核心，輔助以大屏幕

13、顯示器、模擬盤、中英文打印機等設備來完成數(shù)據(jù)處理、信息顯示、超限報警。同時可進行人機對話，地面信息聯(lián)網(wǎng)處理等。國外煤礦環(huán)境（瓦斯）監(jiān)測系統(tǒng)有代表性的產(chǎn)品為加拿大康斯塔克生產(chǎn)的森透里昂系統(tǒng)。該系統(tǒng)在加拿大和美國得到廣泛的應用。據(jù)美國煤炭時代工程與采礦89年9月月刊介紹，該系統(tǒng)在美國煤礦的使用已占美國煤礦現(xiàn)使用的50%。該系統(tǒng)應用軟件是由美國軟件公司編制的面向一切工業(yè)過程監(jiān)測及控制的應用軟件。所需的硬件支持為一臺ibmpc或pc/xt、pc/at或其兼容機配有10mb的硬盤。檢測信號經(jīng)干線驅(qū)動器后可以遠傳上百公里，傳輸調(diào)制方式采用兩種，遠距離傳輸采用移相鍵控psk，近距離傳輸采用基帶傳輸。每套監(jiān)測

14、系統(tǒng)可以監(jiān)控800個測點，最大可擴展為1600個測點。傳感器為智能化，煤礦井下不設分站，但設有干線驅(qū)動器。該系統(tǒng)已在我國合資成立福深康斯塔克控制公司負責組裝和生產(chǎn)。1.2本課題研究的主要內(nèi)容及要求本課題的研究的目標是設計一種能夠有效監(jiān)測煤礦瓦斯氣體的監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊臏y量，將瓦斯的濃度傳給單片機處理，當檢測瓦斯的濃度大于設定報警濃度時，系統(tǒng)實現(xiàn)報警，并且將瓦斯的當前的濃度和設定報警濃度顯示，再將瓦斯的濃度傳給上位機。由于煤礦井下工作環(huán)境比較惡劣，有易燃易爆的瓦斯和粉塵，對系統(tǒng)的設計有影響，因此，煤礦系統(tǒng)中所用的電器跟一般的電器有較大的區(qū)別，這就對煤礦電器有特殊要求，如體積要小，易于搬

15、運，堅固，防潮防水，防爆，電氣設備應有接地、過流、漏電保護裝置，同時系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的實時性和穩(wěn)定性要求較高，系統(tǒng)的總體要求如下：1) 系統(tǒng)中所用到的設備應該滿足煤礦安全要求；2) 實時性和穩(wěn)定性好；3) 故障率低；4) 便于維修；主要內(nèi)容如下：(1) 傳感器的選用瓦斯傳感器的原理多種多樣，市場上銷售瓦斯傳感器也很多。瓦斯傳感器用來測量瓦斯的濃度，作為系統(tǒng)的第一站，可以說它是決定設計的成功與否，瓦斯傳感器的選擇相當?shù)闹匾鶕?jù)系統(tǒng)的設計要求，應該選擇具有靈敏度高、可靠性好、壽命較長的瓦斯傳感器。(2) 系統(tǒng)具體硬件電路設計 系統(tǒng)要實現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊臏y量，然后將測量的濃度與設定的報警濃度比較，并且將濃度進

16、行顯示，最后傳給上位機。系統(tǒng)的硬件電路設計包括瓦斯系統(tǒng)電源電路、傳感器檢測電路、信號處理電路、蜂鳴器報警電路、顯示電路等設計。(3) 系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)的軟件設計包括下位機程序設計和上位機程序設計。(4) 系統(tǒng)的調(diào)試及仿真 為了驗證系統(tǒng)的設計的可行性，對系統(tǒng)的部分模塊進行調(diào)試與仿真，主要包括兩個方面，一是對鍵盤電路的仿真，二是對顯示電路的仿真，系統(tǒng)的調(diào)試主要用keil軟件進行調(diào)試，電路的仿真則要借助proteus軟件來進行仿真。第二章 系統(tǒng)總體方案的確定2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計基于單片機的煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)主要由氣體傳感器、單片機、a/d轉(zhuǎn)換、led顯示、蜂鳴器報警、鍵盤以及rs-485通訊接口等

17、部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。采用單片機構(gòu)成煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，使用氣體傳感器實現(xiàn)對瓦斯?jié)舛鹊臏y量；使用鍵盤可以實現(xiàn)對純凈空氣中瓦斯?jié)舛鹊牟扇。煌ㄟ^led可以顯示瓦斯的當前的濃度；采用rs-485物理層，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠傳。放大電路單片機模數(shù)轉(zhuǎn)換檢測電路顯示濃度瓦斯信號信號輸出蜂鳴器警報 220v穩(wěn)壓電源 圖2-1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖2.2 系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)利用瓦斯傳感器實現(xiàn)對瓦斯的識別和瓦斯的濃度的測量，通過信號處理電路將得到的瓦斯?jié)舛刃盘栠M行放大處理以及模數(shù)轉(zhuǎn)換，交給單片機處理。對測量的瓦斯?jié)舛扰c設定的報警濃度進行比較，當瓦斯的當前濃度大于設定濃度時，系統(tǒng)將進行蜂鳴器報警，并且對測量

18、的瓦斯?jié)舛冗M行顯示。為了進行零點修正需對干凈空氣中的瓦斯?jié)舛冗M行采集，于是外加了一個鍵盤電路，通過rs-485可以將瓦斯的濃度傳給上位機，便于更好的監(jiān)控井下的狀況，如圖2-2所示，它是系統(tǒng)的控制面板，面板上包括小鍵盤、濃度顯示、系統(tǒng)的電源開關和系統(tǒng)的復位開關等其他部件，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的一些基本功能。具體按鍵對應功能如下：1） power：開關鍵，用于開啟下位機和關閉下位機。2） 復位：按一下將對下位機進行復位處理。3） 零點數(shù)據(jù)：按一下可以采集純凈空氣中的瓦斯?jié)舛?。led顯示屏當前值電源指示燈報警聲power零點數(shù)據(jù)復位圖2-2 控制面板界面第三章 系統(tǒng)硬件電路設計3.1 單片機及時鐘、復位模塊

19、微處理器在系統(tǒng)硬件設計方面具有很大的影響力，選擇一個適當?shù)奈⑻幚砥髯鳛橄到y(tǒng)的核心，才能使系統(tǒng)兼具低成本以及高效率。（1）單片機的選擇單片機作為整個控制系統(tǒng)的核心，具有重要的作用。本設計的任務是準確測量瓦斯的濃度，具有自動報警功能，進行l(wèi)ed顯示。數(shù)據(jù)處理量不是很大，通過8位的51系列單片機就可以滿足功能要求。目前51內(nèi)核單片機主要有mcs-51系列、at89系列、motorola公司系列、z8以及super8系列、f8系列等。由于at89s52作為較為普及的51系列單片機，它的使用性能和經(jīng)濟性能都比較優(yōu)越，故本設計選擇at89s52單片機。at89s52 是美國 atmel 公司生產(chǎn)的低功耗，

20、高性能 cmos8 位微控制器，具有8k在系統(tǒng)可編程flash存儲器，使用atmel公司高密度非易失性存儲器制造技術制造，與工業(yè)80c51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容，片上flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位cpu 和在系統(tǒng) 可編程flash，使得at89s52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。其引腳如圖3-1所示，主要性能參數(shù)如下：1) 與 mcs-51 單片機兼容2) 8k 字節(jié)在系統(tǒng)可編程flash存儲器3) 1000 次擦寫周期4) 全靜態(tài)操作：0hz33mhz5) 三級加密程序存儲器6) 32 個可編程 io 口線7) 3

21、個 16 位定時計數(shù)器8) 6個中斷源9) 全雙工 uart 串行通道10) 低功耗空閑和掉電模式11) 掉電后中斷可喚醒12) 看門狗定時器13) 雙數(shù)據(jù)指針14) 掉電標識符 (2)時鐘電路 如圖3-2所示，采用內(nèi)部時鐘電路。內(nèi)部時鐘模式是采用單片機內(nèi)部振蕩器來工作的模式。at89s52和其他51系列單片機一樣，其內(nèi)部包含一個高增益的單級反相放大器，引腳xtal1和xtal2分別為片內(nèi)反相放大器的輸入端口和輸出端口，其工作頻率為033mhz。當單片機工作于內(nèi)部時鐘模式的時候，只需要在xtal1引腳和xtal2引腳連接一個晶體振蕩器或陶瓷振蕩器，并接兩個電容接地即可，在實際電路設計時，應該注

22、意盡量保證外接的振蕩器和電容盡可能靠近單片機的xtal1和xtal2引腳，這樣可以減少寄生電容的影響，使振蕩器能夠穩(wěn)定可靠地為單片機cpu提供時鐘信號。(3) 復位電路如圖3-3所示，該圖既可以手動復位，又可以上電復位，是可以人工復位單片機系統(tǒng)。上電復位的原理是rc電路的充放電效應。除了系統(tǒng)上電的時候可以給rst引腳一個短暫的高電平信號外，當按下按鍵開關的時候，vcc通過一個電阻連接到rst引腳，給rst一個高電平，按鍵松開的時候，rst引腳恢復為低電平，復位完成。圖3-2 晶振電路圖圖3-1 at89s52管腳圖圖3-3 復位電路圖3.2 瓦斯檢測模塊3.2.1 傳感器選擇 氣體傳感器是煤礦

23、氣體監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，就其原理可以分為以下幾大類：催化燃燒式甲烷傳感器、紅外原理甲烷傳感器、光干涉式甲烷傳感器、光纖氣體甲烷傳感器以及半導體式甲烷傳感器。催化燃燒式甲烷傳感器是利用甲烷在催化元件表面燃燒時，元件溫度升高引起鉑絲電阻變化，由電阻和瓦斯?jié)舛染€性關系瓦斯?jié)舛龋@種傳感器的優(yōu)點是：在一定范圍內(nèi)（一般不超過4%）輸出的電信號與瓦斯?jié)舛瘸烧?，靈敏度高，受溫度和潮濕度影響小，價格低。其缺點是：其測量范圍小，催化元件壽命短（一般為一年），易受硫化物、鹵化物、硅氧基化合物等物質(zhì)的中毒影響和高濃度瓦斯激活，使用一段時間后，零點產(chǎn)生漂移，靈敏度下降，因此每隔一段時間就要用標準氣體進行零點和靈

24、敏度的校正。同時，煤礦環(huán)境中高粉塵高濕度的環(huán)境加速了催化傳感器的老化，嚴重制約著瓦斯的有效、準確檢測。紅外原理甲烷傳感器是基于不同化合物在光譜作用下由于震動和旋轉(zhuǎn)變化表現(xiàn)不同的吸收峰。測量吸收光譜可知氣體類型。測量吸收強度，可知氣體濃度。紅外原理甲烷傳感器的使用解決了現(xiàn)在瓦斯監(jiān)測傳感器存在響應速度慢，選擇性差，測量精度低、受硫化氫氣體的干擾大，高濃度瓦斯容易造成中毒而無法恢復，使用壽命短，標定周期短的缺陷。光干擾式甲烷傳感器是利用光在不同空氣中的折射率不同的光學原理，通過測量不同瓦斯含量的空氣與不含瓦斯空氣的折射率的變化來確定瓦斯?jié)舛取Ｔ搨鞲衅骶S護簡單，安全可靠，能夠由人為控制操作，測點選取可

25、根據(jù)操作者的判斷，對可疑點進行測定，測點活動性太強；不存在一起中毒、失效或高濃度甲烷激活問題；測量范圍大，有足夠的精度。并且壽命長，除了電池和燈泡外幾乎沒有損耗部件，如不考慮其機械損傷，可疑認為壽命是無限的；可疑根據(jù)干涉條紋艱巨大小，粗劣估計儀器測量精度的可靠性。其缺點主要表現(xiàn)在：受溫度影響較大；受氣壓的影響；耐振性較差；監(jiān)測選擇性較差。光纖氣體甲烷傳感器是一種以光信號為載體，以光纖為信號傳輸通道的高靈敏度的氣體檢測傳感器。光纖氣體傳感器具有優(yōu)秀的遠距離監(jiān)控、抗電磁干擾和中毒、易燃易爆環(huán)境。還具有高靈敏度，相應速度快，動態(tài)范圍大，且耐高溫、高壓，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，能耗少等優(yōu)點。半導體氣

26、敏傳感器是以氧化物半導體為基本吸附材料，使甲烷吸附氧化時引起其電學特性發(fā)生變化，用以監(jiān)測瓦斯?jié)舛?。目前敏感材料的研究存在主要問題是靈敏度高、選擇性好、穩(wěn)定性好、工作溫度常溫化、能耗低、響應恢復時間短難以同時滿足。所選用的傳感器應該可以在惡劣的環(huán)境下工作，擁有相對可靠的精度，并且價格便宜易于選購。由于半導體氣敏傳感器的線性度不好，修正較為復雜，于是選擇催化燃燒式甲烷傳感器作為本系統(tǒng)的傳感器。考慮到檢測系統(tǒng)的性價比采用型號為：mjc4/3.0l瓦斯檢測傳感器（鄭州煒盛電子科技有限公司生產(chǎn)）mjc4/3.0l型催化元件根據(jù)催化燃燒效應的原理工作，由檢測元件和補償元件配對組成電橋的兩個臂，遇到可燃性氣

27、體時檢測元件電阻升高，橋路輸出電壓變化，該電壓變量隨氣體濃度增大而成正比例增大，補償元件起參比及溫濕度補償作用。主要特點有：橋路輸出電壓呈線性、響應速度快、具有良好的重復性和選擇性、元件工作穩(wěn)定可靠、抗h2s的中毒。主要應用有工業(yè)現(xiàn)場的天然氣、液化氣、煤氣，烷類等可燃性氣體及汽油、醇、酮、苯等有機溶劑蒸汽的濃度監(jiān)測，可燃性氣體泄漏警報器，可燃性氣體檢測器，氣體濃度計。其外觀圖如圖3-4所示，技術指標如表3-1所示。圖3-4 mjc4/3.0的外形圖表3-1 mjc4/3.0l技術指標工作電壓(v)3.00.1備注工作電流(ma)11010靈敏度(mv)20 1%瓦斯線形度（%）05測量范圍04

28、%瓦斯輸出電壓（mv）090響應時間 (90%)小于10秒恢復時間 (90%)小于30秒使用環(huán)境-40+70 低于95%rh儲存環(huán)境-20+70 低于95%rh外形尺寸（mm）9.51419靈敏度特性及響應恢復特性如圖3-5所示：圖3-5 mjc4/3.0l的靈敏度的特性和響應特性圖長期穩(wěn)定性：在空氣中每年漂移小于2 個 mv，在 1%ch4中每年漂移小于2 個 mv。短期儲存（兩周內(nèi)）30 分鐘即可穩(wěn)定，如長期儲存（一年），則需老化 5 小時才可穩(wěn)定，其穩(wěn)定性如圖3-6所示：圖3-6 mjc4/3.0l的穩(wěn)定性輸出信號隨環(huán)境溫度、濕度的變化如圖3-7所示:輸出信號隨工作電壓的變化如圖3-8所

29、示：圖3-7 mjc4/3.0l的輸出信號與工作電壓的關系圖3-8 mjc4/3.0l的溫度和濕度特性3.2.2 瓦斯檢測電路圖3-9 瓦斯?jié)舛葴y量電路 由于瓦斯傳感器輸出的電壓非常微弱，為mv級的電壓，必須將其放大，以適合a/d轉(zhuǎn)換，本設計決定采用兩級放大電路來放大mjc4/3.0l的輸出電壓。在這里選擇美國bb公司推出的ina114放大器。ina114是一個低成本的普通儀用放大器，在一般應用時，只需外接一個普通電阻就可以得到任意增益，可廣泛用于電橋放大器、熱電偶測量放大器及數(shù)據(jù)采集放大器等場合。ina114的電路結(jié)構(gòu)與基本接法如圖3-10所示。已知vcc=3v，r0=2000，umax=7

30、5mv=0.075v，又由于rg=50ku/(g-1)，g為增益，令g=66，rg=770。圖3-10 ina114的電路結(jié)構(gòu)與基本接法經(jīng)放大的信號為模擬信號，而單片機只能接受數(shù)字信號，必須采用a/d轉(zhuǎn)換電路。a/d轉(zhuǎn)換器用以實現(xiàn)模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。按其轉(zhuǎn)換原理可分4種：計數(shù)式、雙積分式、逐次逼近式及并行式a/d轉(zhuǎn)換器。目前最常用的是雙積分式和逐次逼近式。雙積分式a/d轉(zhuǎn)換器的主要優(yōu)點為轉(zhuǎn)換精度高、抗干擾性能好、價格便宜；缺點為轉(zhuǎn)換速度較慢。因此這種轉(zhuǎn)換器主要用于速度要求不高的場合。另一種常用的a/d轉(zhuǎn)換器是逐次逼近式。逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換器是一種速度較快、精度較高的轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時間大約在

31、幾微秒到幾百微秒之間。綜上所述，決定采用pcf8591的8位a/d和d/a轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部框圖如圖3-11所示。pcf8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bit cmos數(shù)據(jù)獲取器件。pcf8591具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行i2c總線接口。pcf8591的3個地址引腳a0, a1和a2可用于硬件地址編程，允許在同個i2c總線上接入8個pcf8591器件，而無需額外的硬件。在pcf8591器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號都是通過雙線雙向i2c總線以串行的方式進行傳輸。1) ain0ain3：模擬信號輸入端。2) a0a2：引腳地址端。3) vdd、vss：電源端。（2.

32、56v）4) sda、scl：i2c 總線的數(shù)據(jù)線、時鐘線。5) osc：外部時鐘輸入端，內(nèi)部時鐘輸出端。6) ext：內(nèi)部、外部時鐘選擇線，使用內(nèi)部時鐘時 ext 接地。7) agnd：模擬信號地。8) aout：d/a 轉(zhuǎn)換輸出端。9) vref：基準電源端。pcf8591與at89s52單片機的連接方法見附錄c（系統(tǒng)硬件原理圖）。圖3-11 pcf8591內(nèi)部框圖其管腳圖如圖3-12所示：圖3-12 pcf8591引腳圖pcf8591基本連接圖如圖3-13所示：圖3-13 pcf8591基本連接圖3.3 顯示模塊瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)顯示部分采用led顯示，led顯示具有亮度高、耗電少、操控要求低

33、的特點，這里我們考慮到at89s52單片機處理性能有限，如果驅(qū)動lcd會浪費較多的cpu和內(nèi)存，從而無法保證其高精度的輸出，因為選用八段位led數(shù)碼管進行顯示，并且led在黑暗的礦井內(nèi)亮度更高、更加省電。下面簡要介紹八段位led的工作原理。8位數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示需要由兩組信號來控制：一組是字段輸出的字形代碼，用來控制顯示的字形，稱為段碼；另一組是位輸出口輸出的控制信號，用來選擇第幾位數(shù)碼管工作，稱為位碼。由于各位數(shù)碼管的段線并聯(lián)，段碼的輸出對各位數(shù)碼管來說都是相同的。因此，在同一時刻如果各位數(shù)碼管的位選線都處于選通狀態(tài)的話，8位數(shù)碼管將顯示相同的字符。若要各位數(shù)碼管能夠顯示出與本位相應的字符，

34、就必須采用掃描顯示方式。即在某一時刻，只讓某一位的位選線處于導通狀態(tài)，而其它各位的位選線處于關閉狀態(tài)。雖然這些字符實在不同時刻出現(xiàn)的，而且同一時刻，只有一位顯示，其它各位熄滅，但由于數(shù)碼管具有余輝特性和人眼有視覺暫留現(xiàn)象，只要每一位數(shù)碼管顯示間隔足夠短，給人眼的視覺印象就會是連續(xù)穩(wěn)定地顯示。（1） 共陰極數(shù)碼管共陰極數(shù)碼管是將所有發(fā)光二極管的陰極接在一起作為公共端com，當公共端接低電平時，某一段陽極上的電平為“1”時，該段點亮，電平為“0”時，該段熄滅，連接方式如圖3-14。圖3-14 共陰數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖 （2）共陽極數(shù)碼管共陽極數(shù)碼管是將所有發(fā)光二極管的陽極接在一起作為公共端com，當公共端

35、接高電平時，某一段陰極上的電平為“0”時，該段點亮，電平為“1”時，該段熄滅。結(jié)構(gòu)圖如圖3-15所示。圖3-15共陽數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖表3-2 共陽極數(shù)碼管代碼圖（3）共陽極數(shù)碼管的字型代碼表，如表3-2。表3-2字型代碼表字型dpgfedcba段碼0110000000c0h1111110010f9h2101001000a4h3101100000b0h41001100199h51001001092h61000001082h7111110000f8h81000000080h91011000090ha1000100088hb1000001183hc110001100c6hd100000010a1he10

36、00011086hf100011108eh led顯示電路如圖3-16所示圖3-16 led與at89s52連接示意圖3.4 通信模塊3.4.1通信方式的選擇 這里要將單片機采集處理后的瓦斯?jié)舛鹊臄?shù)據(jù)上傳到pc機，就應該將單片機與上位機實施通信。單片機和外部設備可以采用并行通信和串行通信兩種方法進行數(shù)據(jù)傳輸，這兩種數(shù)據(jù)傳輸方式各有其優(yōu)缺點。并行通信時指數(shù)據(jù)的各個二進制位同時進行傳輸，這種通信方式的優(yōu)點是傳輸速度快，效率高，缺點是需要比較多的數(shù)據(jù)線，另外并行的數(shù)據(jù)線易受外界干擾，傳輸距離不能太遠；串行通信是指數(shù)據(jù)的各個二進制位按照順序一位一位地進行傳輸，這種通信方式的優(yōu)點是所需的數(shù)據(jù)線少，節(jié)省硬

37、件成本及單片機的引腳資源，并且抗干擾能力強，適合于遠距離數(shù)據(jù)傳輸，缺點是每次發(fā)送一個比特，導致傳輸速度慢。這樣由于考慮到單片機和pc機是遠距離傳輸，因此采用串行異步通信。通信規(guī)定：雙方波特率為4800bs，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗位， l位停止位，一幀信息為10位，at89s52單片機的串行口的工作于方式1，其串行移位時鐘脈沖由定時器t1的溢出率和somd來共同決定的，這里令smod=1。定時器t1工作于方式2，位自動重裝入的8位定時器，則裝入的初值如公式(3-1)所示：x = 256(smod+1)fosc(波特率384) (3-1)則由公式可得：x=256- 211.059210

38、6(3844800)x=233=f4h所以定時器t1的定時初值設為:th1=f4h,tl1=f4h3.4.2串行接口電路設計單片機與pc機的通信常用有rs-232、rs-485以及rs422三種串行接口。rs-232-c標準規(guī)定，驅(qū)動器允許有2500pf的電容負載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pf/m的通信電纜時，最大通信距離為15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是rs-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內(nèi)的通信；. rs-485接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強，即抗噪聲干擾性

39、好。rs-485最大的通信距離約為1219m，最大傳輸速率為10mbps，傳輸速率與傳輸距離成反比，在100kb/s的傳輸速率下，才可以達到最大的通信距離，如果需傳輸更長的距離，需要加485中繼器。rs-485總線一般最大支持32個節(jié)點，如果使用特制的485芯片，可以達到128個或者256個節(jié)點，最大的可以支持到400個節(jié)點；rs-422同rs-485差不多。rs-232與rs-485 標準只對接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議，在此基礎上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。但由于 pc 上的串行數(shù)據(jù)通訊是通過 uart 芯片來處理的,基于 pc 的 rs-232與 rs-485標

40、準均采用同樣的通訊協(xié)議。表3-3列出了 rs-232、rs-485 通訊方式的區(qū)別。 表3-3 rs-232與rs-485的區(qū)別規(guī)范rs-232rs-485工作方式單端差分節(jié)點數(shù)1 收、1 發(fā)1 發(fā) 32 收最大傳輸電纜長度50 英尺4000 英尺最大傳輸速率20kbps10mbps最大驅(qū)動輸出電壓+/-25v-7v+12v發(fā)送器輸出信號電平(負載最小值)負載+/-5v+/-15v1.5v發(fā)送器輸出信號電平(空載最大值)空載+/-25v6v發(fā)送器負載阻抗()3k7k54擺率(最大值)30v/sn/a接收器輸入電壓范圍15v-7v+12v接收器輸入門限3v200mv接收器輸入電阻()3k7k12

41、k發(fā)送器共模電壓-1v+3v接收器共模電壓-7v+12v 這里由于傳輸距離的限制，選用rs-485，同時選用芯片max485作為驅(qū)動芯片，max485接口芯片是maxim公司的一種rs485芯片。 max485、max487-max491以及max1487是用于rs-485與rs-422通信的低功耗收發(fā)器，每個器件中都具有一個驅(qū)動器和一個接收器。max483、max487、max488以及max489具有限擺率驅(qū)動器，可以減小emi，并降低由不恰當?shù)慕K端匹配電纜引起的反射，實現(xiàn)最高250kbps的無差錯數(shù)據(jù)傳輸。max481、max485、max490、max491、max1487的驅(qū)動器擺率

42、不受限制，可以實現(xiàn)最高2.5mbps的傳輸速率。采用單一電源+5 v工作，額定電流為300 a，采用半雙工通訊方式。它完成將ttl電平轉(zhuǎn)換為rs485電平的功能。max485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡單,內(nèi)部含有一個驅(qū)動器和接收器。ro和di端分別為接收器的輸出和驅(qū)動器的輸入端，與單片機連接時只需分別與單片機的rxd和txd相連即可；/re和de端分別為接收和發(fā)送的使能端，當/re為邏輯0時，器件處于接收狀態(tài)；當de為邏輯1時，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因為max485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機的一個管腳控制這兩個引腳即可；a端和b端分別為接收和發(fā)送的差分信號端,當a引腳的電平高于b時，代表發(fā)送

43、的數(shù)據(jù)為1；當a的電平低于b端時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在與單片機連接時接線非常簡單。只需要一個信號控制max485的接收和發(fā)送即可。同時將a和b端之間加匹配電阻，一般可選100的電阻。max485引腳圖如圖3-17。圖3-17 max485引腳圖其基本參數(shù)如下：1）半雙工；2）速率：2.5mbps；3）限擺率：no；4）低電流關斷模式：no；5）接收允許控制：yes；6）靜態(tài)電流300；7）負載個數(shù)：32；8）引腳數(shù)：8其max485與at89s52的連線圖如圖3-18圖3-18 max485與at89s52的連線圖圖3-18 max485與at89s52的連線圖3.5蜂鳴器報警模塊 電磁式蜂

44、鳴器分兩種：有源蜂鳴器和無源蜂鳴器。有源蜂鳴器內(nèi)部帶有振蕩源，無源蜂鳴器內(nèi)部不帶振蕩源。有源蜂鳴器和無源蜂鳴器的主要差別是對輸入信號的要求不一樣，有源蜂鳴器工作的理想信號是直流電，無源蜂鳴器工作的理想信號是方波。無源蜂鳴器接直流電是不會工作的。這里選擇有源蜂鳴器作為警報裝置，由于蜂鳴器工作時電流比較大，單片機i/o端口輸出電流比較小，無法直接進行驅(qū)動，需要加一個pnp型三極管8550進行隔離放大。單片機的p3.7引腳通過限流電阻r30與三極管q7的基極相接，蜂鳴器b1和電阻r31串接在三極管q7的集電極回路中。三極管q7的基極經(jīng)限流電阻r30后由單片機的p3.7引腳控制，當p3.7輸出高電平時

45、，三極管q7截止，沒有電流流過蜂鳴器內(nèi)部線圈，蜂鳴器不發(fā)聲；當p3.7輸出低電平時，三極管q7導通，有電流流過蜂鳴器內(nèi)部線圈，蜂鳴器發(fā)聲。at89s52與蜂鳴器的連接圖如圖3-19。圖3-19 at89s52與蜂鳴器的連接圖第四章 系統(tǒng)軟件設計4.1概述 本系統(tǒng)程序采用了c語言設計，c語言編寫較匯編語言編寫方便，而且更接近人類語言，模塊性較強，可移植性也強于匯編語言。其缺點是不能最大程度的利用單片機資源。雖然用c語言編寫不需要給數(shù)據(jù)分配內(nèi)部單元，但是主程序仍需要給數(shù)據(jù)分配一個對應的變量或者數(shù)組，具體分配表見表4-1。表4-1 下位機程序變量定義說明變量或數(shù)組名注釋receivebuf0用于存放

46、純凈空氣中的瓦斯?jié)舛戎?。receivebuf1用于存放實時的瓦斯?jié)舛戎?。output用于存放經(jīng)過濾波和零點修正后的瓦斯?jié)舛戎?。get_ad12用于存放實時的瓦斯?jié)舛戎担缓筮M行濾波處理。4.2瓦斯監(jiān)測主監(jiān)控程序系統(tǒng)的主程序包括系統(tǒng)的初始化、啟動a/d轉(zhuǎn)換、濾波子程序、零點修正子程序、蜂鳴器報警子程序、led顯示子程序、串口通信子程序。 系統(tǒng)的初始化包括p0、p1、p2、p3并行端口初始化，初始化寄存器tcon將外部中斷定義為下降沿觸發(fā)方式，初始化寄存器scon。 系統(tǒng)用到的中斷有數(shù)據(jù)采集中斷（外部中斷0），使用中斷能提高系統(tǒng)的工作的效率。瓦斯監(jiān)測主監(jiān)控程序過程如下：1） 系統(tǒng)初始化2） 啟動a/d轉(zhuǎn)換3） 濾波4） 零點修正5） 濃度超限判斷6） led顯示瓦斯?jié)舛?） 向上位機串口輸出信號主程序流程圖見附錄c。4.3數(shù)據(jù)采集子程序當數(shù)據(jù)采集鍵按下時，進入外部中斷程序，采集純凈空氣中的瓦斯?jié)舛?，從而對后續(xù)的瓦斯?jié)舛冗M行零點修正，其程序流程圖同a/d轉(zhuǎn)換子程序。4.4 a/d轉(zhuǎn)換子程序瓦斯傳感器將瓦斯的濃度轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)放大處理后進行a/d轉(zhuǎn)換，a/d轉(zhuǎn)換主要包括a/d通道的選擇和轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)的傳送，pcf8591選