2012畢設(shè)瓦斯?jié)舛葯z測器

1、目錄第一章緒論31 . 1瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測器概述 31.2瓦斯氣體的爆炸 51.3 本課題的研究意義 51.4本課題的主要工作內(nèi)容 6第二章瓦斯?jié)舛葯z測器的設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)原理62 . 1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 62 .1 .1技術(shù)指標(biāo)要求 62 .1 .2隔爆儀表設(shè)計(jì)要求 72 .1 .3本設(shè)計(jì)的功能 82 . 2設(shè)計(jì)原理82 .2 .1氣體傳感器的選擇 82 . 2 . 2單片機(jī)型號(hào)的選擇 1 12 . 2 . 3 AT89S52 單片機(jī)的特點(diǎn) 1 2第三章瓦斯?jié)舛葯z測器的設(shè)計(jì)133. 1系統(tǒng)原理框圖 133 . 2硬件設(shè)計(jì) 143 .2.1電源模塊143 .2.2氣體傳感器加熱及其信號(hào)采樣 153 .2

2、.3傳感器信號(hào)監(jiān)測回路及 A / D轉(zhuǎn)換參考電源 163 .2.4模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809 的原理及應(yīng)用 1 83 . 2 . 5MAX7219顯示電路213 . 2 . 6看門狗硬件電路 253 . 3軟件設(shè)計(jì) 27程序流程圖27第四章總結(jié) 28第一章緒論煤礦中含有大量的甲烷（CH4）等易燃易爆氣體，發(fā)生事故后會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失, 危及礦工的生命。隨著煤礦開采技術(shù)手段的不斷改進(jìn)和開采規(guī)模的擴(kuò)大及開采深度的不斷 延伸，安全隱患越來越多。瓦斯事故特別是重、特大瓦斯事故在煤礦事故中所占的比例也 越來越高。如果不把瓦斯事故控制住，就不能實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)狀況的穩(wěn)定，也就無法保 障煤炭工業(yè)的持續(xù)健

3、康發(fā)展。所以，對(duì)煤礦井下瓦斯氣體進(jìn)行快速準(zhǔn)確的監(jiān)測顯得尤其重 要，對(duì)易燃易爆混合氣體監(jiān)測系統(tǒng)的研究和開發(fā)也成為人們一直關(guān)注的問題。1.1瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測器概述瓦斯?jié)舛葯z測器是能夠監(jiān)測礦井環(huán)境中瓦斯氣體的濃度，具有報(bào)警功能和斷電功能。 本課題中完整的瓦斯?jié)舛葯z測器由以 下四個(gè)部分組成：1）氣體傳感器：能感知環(huán)境中甲烷氣體及其濃度的一種敏感元件，它能將與氣體種類和濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)2）顯示單元：根據(jù)測量信號(hào)，由單片機(jī)將待顯示數(shù)據(jù)按相應(yīng)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸給顯示處理模塊顯示于儀表3）聲光報(bào)警單元：當(dāng)監(jiān)測氣體濃度超出設(shè)定報(bào)警值時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警：4）斷電保護(hù)單元：當(dāng)監(jiān)測氣體濃度超出設(shè)定值時(shí)，切斷所有機(jī)器

4、的供電以防瓦斯爆炸。氣體傳感器是瓦斯?jié)舛葯z測器的重要組成部分，就其原理可以分為四大類：光學(xué)類氣 體傳感器、電化學(xué)類氣體傳感器、高分子材料類氣體傳感器及電學(xué)類氣體傳感器。利用氣 體的光學(xué)特性來監(jiān)測氣體成分和濃度的傳感器為光學(xué)類氣體傳感器，根據(jù)具體的光學(xué)原理 可分為紅外吸收式、可見光吸收光度式、光干涉式、化學(xué)發(fā)光式和試紙光電光度式、光離 子化式等氣體傳感器。電化學(xué)類氣體傳感器是利用電化學(xué)性質(zhì)的氣體傳感器，該類氣體傳感器包括：定電位電解式、伽伐尼電池式、同體電解質(zhì)等種類的氣體傳感器。高分子氣敏 材料氣體傳感器主要有高分子電阻式、高分子電介質(zhì)式、濃差電池式、聲表面波式、石英振子式等。利用材料的電學(xué)參量

5、隨氣體濃度的變化而改變的特性制作的氣體傳感器為電學(xué) 類氣體傳感器。這類氣體傳感器又可分為電阻式和非電阻式兩大類，其中非電阻式氣體傳 感器是利用材料的電流或電壓隨氣體含量變化的特點(diǎn)而制成的傳感器“ 1，主要包括MOS-極管式、結(jié)型二極管式和場效應(yīng)管式，而電阻式氣體傳感器則通常主要有接觸燃燒式、熱 導(dǎo)式、半導(dǎo)體氣體傳感器等等。世界上發(fā)達(dá)國家用于煤礦井下易燃易爆氣體監(jiān)測的方式主要有光干涉式、載體催化燃 燒式兩種。光干涉式氣體監(jiān)測儀表是利用了光的干涉原理實(shí)現(xiàn)對(duì)已知待監(jiān)測氣體濃度的測 量。比較典型的產(chǎn)品有礦用光干涉型 CH4氣體監(jiān)測儀，它是利用不同種類、不同濃度的氣 體對(duì)光的折射率不同這一性質(zhì)，針對(duì) C

6、H4氣體設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)墓饴废到y(tǒng)，把CH4氣體濃度的變 化轉(zhuǎn)換成光的干涉條紋的位置變化。具體地說，就是采用一個(gè)光源，經(jīng)過適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)設(shè)計(jì)， 使其分解為兩列光波，一路通過標(biāo)準(zhǔn)空氣竄，另一路穿過采樣氣室后在某處相遇，此時(shí)由 于滿足光的相干條件，從而產(chǎn)生干涉條紋。把兩氣室都充有空氣時(shí)的干涉條紋作為初始位 置，當(dāng)CH4氣體充入采樣竄后，由于光程差的結(jié)果，干涉條紋會(huì)相對(duì)于原位置移動(dòng)一段距 離，并且這個(gè)距離將隨CH4氣體濃度的不同而產(chǎn)生相應(yīng)的變化。因此只要測量該位移量， 就可以獲得CH4在空氣中的含量。該測量儀測量范圍大，使用壽命長，但儀器設(shè)備大，格 高，測量不直觀，而且無法與監(jiān)控系統(tǒng)連接，因此在煤礦中的使用量逐

7、年減少。在這二種 氣體監(jiān)測儀表中，載體催化燃燒方式監(jiān)測可燃?xì)鉂舛鹊姆椒ㄒ蚱渚€性和穩(wěn)定性較好，以爆 炸下限百分體積濃度為單位的濃度標(biāo)度方法能統(tǒng)一衡量各種可燃?xì)鉂舛人尸F(xiàn)的爆炸危 險(xiǎn)度，且量程符合工業(yè)要求，故被較多的用于爆炸危險(xiǎn)場所可燃性氣體的測量。該監(jiān)測方 式使用催化載體型氣體傳感器作濃度的檢知器，該元件由鉑絲上燒結(jié)一層陶瓷載體（如A1204）后再涂覆催化活性物（Rh，Pd等）構(gòu)成。當(dāng)Pt絲中通以工作電流使之達(dá)到臨界反應(yīng)溫度（320 350 C）時(shí)，可燃?xì)庠谠砻娲呋紵筆t絲電阻增加a，在完全燃燒且熱輻射 可忽略時(shí)，電阻增量 Rf與可燃?xì)鉂舛菴成正比，即有Rf= a*a*C*Q /Cp=k

8、tc, (kt= a*a*Q /Cp)(1.1 )a, a，Q，C.0分別為Pt電阻溫度系數(shù)、催化劑性能常數(shù)、可燃?xì)馊紵裏帷⒃崛?，?kt是僅與元件及可燃?xì)夥N類有關(guān)的常數(shù)。將 Rf轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過這一阻值變化，轉(zhuǎn)換 為電壓變化，從而通過A/D轉(zhuǎn)換可得到被測氣體的濃度值。1.2瓦斯氣體的爆炸瓦斯爆炸須具備3個(gè)條件：CH4濃度、C02濃度及引爆溫度。瓦斯在煤體和圍巖中以游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)存在，一般情況下處于動(dòng)態(tài)平衡，當(dāng)外界 溫度、壓力變化時(shí)，幾種狀態(tài)會(huì)互相轉(zhuǎn)化，煤層在開采過程中，瓦斯被逸散出來，在井下 積聚，造成瓦斯?jié)舛仍黾?，?dāng)CH4濃度達(dá)5%16%時(shí)具有爆炸性，CH4濃度為9.5%時(shí), 爆

9、炸威力最大，當(dāng)CH4濃度小于5%或大于16%時(shí)，一般不會(huì)爆炸，遇明火只會(huì)燃燒，瓦 斯爆炸的上下限是可變的，當(dāng)現(xiàn)場混合氣體的溫度和壓力發(fā)生變化或混入煤塵及其它可燃 氣體時(shí)，可影響瓦斯爆炸的上下限，如空氣中的煤塵含量為1012mg/ m3濃度達(dá)到4%時(shí)，遇火就會(huì)爆炸。要消除引爆火源，必須嚴(yán)禁明電、明火下井，禁止明火放炮，要求井 下電器設(shè)備必須防爆。所以控制瓦斯?jié)舛仁欠乐雇咚贡ǖ母?，?shí)時(shí)掌握瓦斯?jié)舛葼顩r 是煤礦安全的頭等大事。1.3本課題的研究意義我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國，也是世界上少數(shù)幾個(gè)以煤為主要能源的國家 之一。雖然通過煤炭生產(chǎn)、加工和利用等各個(gè)環(huán)節(jié)，提供了相當(dāng)多的就業(yè)機(jī)會(huì)，但每

10、個(gè)環(huán) 節(jié)卻同時(shí)帶來了環(huán)境污染、安全等一系列的問題。其中之一便是有害氣體影響，包括 CH4,CO , SO2等。后兩種氣體含量少，且SO2易溶于水，經(jīng)煤礦開采時(shí)的噴水處理后變 成酸。但是CH4氣體含量多，且?guī)缀醪蝗苡谒?，屬于易燃易爆氣體，發(fā)生爆炸事極易造成 人身傷害瓦斯（CH4）是在成煤過程中形成并大量貯存于煤層之中的氣體，對(duì)人體的危害是超限 時(shí)能引起人窒息死亡。其有易燃、易爆等特點(diǎn)，因此煤礦對(duì)瓦斯的治理應(yīng)非常重視。瓦斯 的災(zāi)害主要表現(xiàn)為四個(gè)方面。第一、瓦斯?jié)舛冗^高，對(duì)工人身體健康的影響表現(xiàn)為缺氧， 呼吸困難，窒息等。第二、瓦斯煤塵爆炸，瓦斯爆炸所產(chǎn)生的巨大沖擊波和高溫火焰，往 往導(dǎo)致群死群傷，

11、而且揚(yáng)起的煤塵又會(huì)參與爆炸，摧毀巷道，毀壞設(shè)備，甚至毀滅整個(gè)礦 井，給國家和人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。第二、煤中瓦斯突出。突出直接影響著工人的 人身安全。第四、大量的瓦斯從通風(fēng)井排入大氣，污染大氣環(huán)境。我國煤礦的瓦斯災(zāi)害是比較嚴(yán)重的，瓦斯災(zāi)害始終是煤礦安全生產(chǎn)的大敵，日前已成 為制約煤礦安全生產(chǎn)的主要矛盾。因此，研制先進(jìn)適用的煤礦瓦斯氣體監(jiān)測儀對(duì)煤礦工業(yè) 安全生產(chǎn)，減少事故發(fā)生和生命財(cái)產(chǎn)損失有重要意義，市場應(yīng)用前景十分廣闊。1.4本課題的主要工作內(nèi)容本文針對(duì)煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，閱讀了大量文獻(xiàn)及資料，研發(fā)了煤礦 氣體監(jiān)測系統(tǒng)主要工作包括：1 ）甲烷氣體傳感器的選用2）單片機(jī)的選用3

12、 ）硬件電路的設(shè)計(jì)4 ）軟件電路的設(shè)計(jì)第二章瓦斯?jié)舛葯z測器的設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)原理2 . 1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求2 .1.1技術(shù)指標(biāo)要求本課題對(duì)煤礦氣體監(jiān)測儀表及其所用氣體傳感器在技術(shù)指標(biāo)上的要求如下1）應(yīng)用環(huán)境：煤礦氣體監(jiān)測2）監(jiān)測對(duì)象：監(jiān)測甲烷氣體3）測量范同：甲烷0 10 %4）靈敏度：0. 01 %5）響應(yīng)時(shí)間：w 30s6）功耗：w lOOmW7）環(huán)境工作溫度范圍：-20 一+70C8）環(huán)境工作濕度范圍：95 % RH2 . 1 . 2隔爆儀表設(shè)計(jì)要求煤礦井下工作環(huán)境特殊，空間狹窄，濕度大，有易燃易爆的瓦斯和煤塵，所以，煤礦 電器同一般電器有較大的區(qū)別。這就對(duì)煤礦電器有特殊要求，如體積要小，易于

13、搬運(yùn)，堅(jiān) 固，防潮防水，防爆。屬于煤礦安全標(biāo)志管理目錄內(nèi)的礦用產(chǎn)品應(yīng)有安全標(biāo)志，電氣設(shè)備 必須符合防爆要求，應(yīng)有接地、過流、漏電保護(hù)裝置。隔爆型儀表的主要特點(diǎn)是有一個(gè)可靠的隔爆外殼，它將把可能產(chǎn)生火花和危險(xiǎn)溫度的 儀表傳感器、電阻電路及接線端子等，都放在隔爆外殼里，達(dá)到外殼內(nèi)可能發(fā)生的爆炸小 影響周圍易燃易爆物質(zhì)，它的設(shè)計(jì)方法與隔爆型電器和電機(jī)基本相類似。如外殼的再配合 面（隔爆面）的間隙大小和長度要符合 GB3836 . 2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求，另一方面外殼要有一定的 機(jī)械強(qiáng)度，須達(dá)到外殼內(nèi)部爆炸參考?jí)毫Φ? . 5倍壓力不損壞和變形等。隔爆型儀表設(shè)計(jì)須注意如下幾個(gè)方面：（1）確定合理的外殼結(jié)構(gòu)根據(jù)

14、儀表的特點(diǎn)，專門設(shè)計(jì)與原結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的外殼，達(dá)到既不損害儀表原來使用特征 又經(jīng)濟(jì)合理的外殼：外殼腔內(nèi)有細(xì)長通道，避免腔內(nèi)發(fā)生壓力重疊現(xiàn)象；外殼的材質(zhì)采用 新型的工程塑料和優(yōu)質(zhì)輕合金，結(jié)構(gòu)輕巧。（2）接線盒結(jié)構(gòu)隔爆型儀表設(shè)計(jì)帶有接線盒的隔爆外殼，且接線盒的防爆類型為隔爆型。由于隔爆型 儀表具有低電壓、小電流特點(diǎn)，隔爆型儀表的主腔和接線盒貫通部分，可以盡量采取橡膠 密封結(jié)構(gòu)，使隔爆型儀表結(jié)構(gòu)簡單，加工方便。(3) 指示表結(jié)構(gòu)為了使井下工作人員及時(shí)地了解瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，隔爆型儀表帶有指示表。指示表設(shè)計(jì)在儀表的主腔室，透明窗面積不大于 100mm2，透明玻璃厚度大于8mm，與外殼密封采 用橡膠密圭寸措施。

15、2 . I. 3本設(shè)計(jì)的功能在本設(shè)計(jì)中，瓦斯?jié)舛葯z測器是能夠監(jiān)測 CH4，同時(shí)本著方便應(yīng)用的原則，還具備聲 光報(bào)警和切斷外部設(shè)備電源的功能。 基于這些要求，儀表應(yīng)由傳感器、A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、 繼電器、顯示器及報(bào)警模塊等組成。2 . 2設(shè)計(jì)原理2 . 2. 1氣體傳感器的選擇本設(shè)計(jì)采用鎮(zhèn)江中煤電子有限公司研發(fā)無火焰燃燒式CH4氣體傳感器。其催化元件是采用一種全新高活性的納米級(jí)過渡金屬合金低溫反應(yīng)催化劑作為新的敏感元件，取代傳 統(tǒng)的瓦斯燃燒催化劑。這種新的合金催化劑不僅對(duì)瓦斯催化反應(yīng)的活性極高，臨界反席溫 度低，而且具有良好的催化選擇性，有利于提高報(bào)警器的靈敏性和準(zhǔn)確性。同時(shí)因反應(yīng)可 在較低溫度

16、進(jìn)行，催化劑性能穩(wěn)定，因而大大延長了催化劑的使用壽命。這種敏感元件的外觀圖見圖2 . 2 . 1，其具有抗氣體干擾能力強(qiáng)、選擇性好、反應(yīng)速 度快、靈敏度高、線性和穩(wěn)定性好、功耗低、壽命長等特點(diǎn)。適用于煤礦井下作業(yè)環(huán)境測 量空氣中的甲烷氣體濃度?；蜏y元件標(biāo)志圖2 .2 .1元件外觀圖1 元件使用環(huán)境條件：溫度：一 20 C+70 C濕度：V 95 % RH風(fēng)速：v 8m / s大氣壓力：80-116 KPa2 零點(diǎn)輸出：V。0mV- +20mV（V。：空氣中的輸出電壓）3 靈敏度:M2mV （M :靈敏度）4 .傳感器對(duì)多種可燃?xì)怏w的敏感特性圖2 . 2. 2表示CH4氣體敏感元件對(duì)各種氣體的反

17、應(yīng)關(guān)系，從圖上我們可以看出敏感元件輸出電壓與對(duì)各種氣體濃度之間具有較好的線性關(guān)系圖2 . 2. 2輸出Vo在不同氣體及濃度下的變化曲線5 .穩(wěn)定性1）初始穩(wěn)定性a .在空氣中的初始穩(wěn)定性：貯存一周到一年的元件初始零點(diǎn)輸出可能不為零，只需在工作點(diǎn)電壓穩(wěn)定十分鐘后輸 出零點(diǎn)將歸零；b .在氣體中的穩(wěn)定性：貯存一周到一年的元件剛開始工作時(shí)靈敏度可能達(dá)不到最佳點(diǎn)，只需在工作點(diǎn)電壓穩(wěn) 定二十分鐘后輸出靈敏度將復(fù)原。2）長期穩(wěn)定性00.51E522-5時(shí)何（年）圖2. 2 . 3長期穩(wěn)定性2 . 2. 2單片機(jī)型號(hào)的選擇隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)因具有集成度高、體積小、速度快、價(jià)格低等特點(diǎn)而 在許多領(lǐng)域

18、如過程控制、數(shù)據(jù)采集、機(jī)電一體化、智能化儀表、家用電器以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等 方面得到廣泛應(yīng)用。從而使這些領(lǐng)域的技術(shù)水平、自動(dòng)化程度大大提高。正因?yàn)槿绱藝鴥?nèi) 外多家電子生產(chǎn)廠商把目光投向了單片機(jī)的生產(chǎn)，其中最為著名的當(dāng)數(shù)INTEL公司生產(chǎn)的 MCS-51系列單片機(jī)。單片機(jī)型號(hào)的選擇是根據(jù)控制系統(tǒng)的目標(biāo)、功能、可靠性、性價(jià)比、精度和速度等來決定的。根據(jù)本課題的實(shí)際情況，單片機(jī)型號(hào)的選擇主要從以下兩點(diǎn)考慮：一是要有較強(qiáng) 的抗干擾能力。由于甲烷氣體監(jiān)測傳感器處于煤礦礦井巷道中，工作環(huán)境比較惡劣，以及 實(shí)際的運(yùn)行情況比較復(fù)雜，這些都對(duì)單片機(jī)的干擾較大，所以應(yīng)采用抗干擾性能較好的單 片機(jī)機(jī)型；二是要有較高的性價(jià)

19、比。由于51系列在我國使用最廣且該系列的資料和能夠兼 容的外圍芯片也比較多，特別是 ATMEL公司2003年推出的新一代89S系列單片機(jī)，其 典型產(chǎn)品AT89S52單片機(jī)具有較高的性能價(jià)格比。本文采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52 單片機(jī)作為監(jiān)測系統(tǒng)的核心部件， AT89S52單片機(jī)是AT89S系列單片機(jī)中的一種，它是 在現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制等各領(lǐng)域的 AT89C52系列單片機(jī)的換代產(chǎn)品。它具有 89C52 的全部功能，是80C51的增強(qiáng)型并且指令完全兼容，AT89S52新增加的功能由特殊功能 寄存器完成。相信日后它將更廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制、汽車控制、智能儀器儀表及電機(jī)控 制等席用領(lǐng)域。

20、2 . 2 . 3 AT89S52單片機(jī)的特點(diǎn)1）兼容MCS 51單片機(jī)2）8K寧節(jié)FLASH存貯器支持在系統(tǒng)編程ISPI000次擦寫周期3）256字節(jié)片內(nèi)RAM4）工作電壓4 . 0V到6 . OV5）全靜態(tài)時(shí)鐘0Hz到33MHz6）二級(jí)程序加密7）32個(gè)可編程I/O 口8）3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器9）6個(gè)中斷源10）上電復(fù)位標(biāo)志11）完全的雙工UART串行口12）低功耗支持Idle和Power down模式13）Power dow n 模式支持中斷喚醒14）看門狗定時(shí)器15）雙數(shù)據(jù)指針此外，與AT89C52相比，AT89S52新增加了許多功能，這將使單片機(jī)在工作過程中具備更高的穩(wěn)定性和電磁抗

21、干擾性。首先，AT89S52內(nèi)部增加了片內(nèi)看門狗定時(shí)器， 這將有利于堅(jiān)固用戶應(yīng)用系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性：其次，AT89S52獨(dú)有的雙數(shù)據(jù)指針使數(shù)據(jù)操 作更加快捷方便；再次,AT89S52運(yùn)行速度更高，最高晶振可達(dá)到33MHZ :最后,AT89S52 支持ISP(ln System Programming) 在線下載功能。AT89S52中ISP引腳共有4個(gè)：RST、MOSI、MISO和SCK。用戶可以直接替換應(yīng)用系統(tǒng)中的 AT89C51/52，而軟件硬件均不 需作任何修改，這給正使用 AT89C52單片機(jī)的用廣更新?lián)Q代帶來許多方便。正因?yàn)锳T89S52單片機(jī)增加了高可靠性、安全性的功能，所以能避免

22、因外部芯片擴(kuò) 展過多或傳感器輸入信號(hào)過多而引起的信號(hào)失真、電磁干擾等現(xiàn)象的發(fā)生。因此用它作 為甲烷氣體測量可以滿足監(jiān)控、信息傳送的要求。而且，從經(jīng)濟(jì)性的角度來看，AT89S52不但硬件結(jié)構(gòu)簡單，而且價(jià)格低、功能強(qiáng)、性價(jià)比高，符合我國工業(yè)設(shè)計(jì)制造的要求。第三章瓦斯?jié)舛葯z測器的設(shè)計(jì)本章將介紹基于甲烷氣體傳感器的氣體監(jiān)測器的系統(tǒng)原理框圖，及其整體協(xié)調(diào)工作實(shí)現(xiàn)的功能；系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)及其主要功能模塊；系統(tǒng)程序流程等內(nèi)容。3.1系統(tǒng)原理框圖基于氣體傳感器的甲烷氣體監(jiān)測器主要由氣體傳感器、單片機(jī)、 LED顯示器以及報(bào)警 和斷電保護(hù)等部分組成，其原理框圖如圖 3 . 1所示。采用單片機(jī)AT89S52構(gòu)成氣

23、體監(jiān)測 器的核心部分，根據(jù)氣體傳感器及測量的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì) CH4的成分識(shí)別和濃度測量，通過8只8段LED數(shù)碼管顯示氣體濃度圖3 .1硬件原理框圖3 . 2硬件設(shè)計(jì)3 . 2. 1電源模塊該系統(tǒng)電源電路圖如圖3 . 2所示，Vin是外部輸入電源，采用的是12V/3A的直流 電源。c2，c4的作用是對(duì)LM317電壓調(diào)節(jié)端（ADJ）的電壓進(jìn)行濾波，以提高輸出電壓的 穩(wěn)定性；D1、D2起保護(hù)作用，當(dāng)有意外情況使得 LM317的Vin電壓比Vout電壓還低 的時(shí)候，防止從c3 . C4上有電流倒灌入LM317引起其損壞。整個(gè)系統(tǒng)用電可以劃分為 兩部分：HVCC是LED顯示器模塊、氣體傳感器加熱、傳感器信

24、號(hào)監(jiān)測回路及A/D轉(zhuǎn)換參考電源模塊輸入需要的9.58V工作電壓:VCC是單片機(jī)等集成芯片需要5V的工作電壓。電源部分的核心器件是二端可調(diào)輸出集成穩(wěn)壓器LM317。LM317是美國國家半導(dǎo)體公司的三端可調(diào)整流穩(wěn)壓器集成電路，輸出電壓范圍是I.25V至37v，負(fù)載電流最大為1.5A 它的使用非常簡單，僅需兩個(gè)外接電阻來設(shè)置輸出電壓，此外線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率也 比標(biāo)準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓器好。內(nèi)置過載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。輸出引腳3與調(diào)節(jié)引腳之間保持1 . 25V的參考電壓Vref ,并且引腳3為正端。當(dāng)調(diào)節(jié)端接地時(shí)。輸出端輸 出1.25V。由Vin端提供工作電壓以后，便可以保持 Vout端（3腳

25、）比ADJ端（1腳）的電壓 高1.25V。因此，只需要用極小的電流來調(diào)整 ADJ端的電壓，便可在Vout端得到比較大的輸出電流，并且輸出電壓比 ADJ端電壓高出恒定的1.25V。LM317的輸出電壓=1 . 25x（l+ADJ端到地的電阻/AIJ端到Vout端的電阻）。通過調(diào)整接入ADJ端和Vout端電阻的比值，來改變輸出電壓。值得注意的是，LM317有一個(gè)最小負(fù)載電流的問題，即只有負(fù)載電流超過某一值時(shí)，才能起到穩(wěn)壓作用。這個(gè)電流隨器件的生產(chǎn)廠家而有所差異，一般在3 8mA不等，可以通過在負(fù)載端接一個(gè)合適的電阻來解決。依據(jù)LM317的輸出電壓計(jì)算公式，可以得到圖 3. 2中LM1的輸出:HVC

26、C= Vref ( 1 + -)R2(3.1)其中：Vref=1.25V，R1=1000 Q，R2=150 Q。數(shù)據(jù)代入上式得：HVCC=9.58V。另外LM2的輸出:VCC= Vref ( 1 +R；)(3.2)其中：Vref=1.25V，R3=460 Q, R4=150 Q。數(shù)據(jù)代入得：VCC=5.08V 。7CC16v22il-C2104D3D4HVCCIN OUTADJA LMlIN OUT ADJ71JF1104IK 1 15016V 22ijF+C5gStj圖3.2電源模塊電路圖提供加熱電壓。其3 . 2. 2氣體傳感器加熱及其信號(hào)采樣氣體傳感器加熱及其信號(hào)采樣電路圖如圖3 . 3

27、所示，由LM317中.HVCC是輸入電壓，VE是氣體傳感器的加熱電壓，VH是監(jiān)測回路的工作電壓，GND為氣體傳感器加熱地，Vss為信號(hào)采樣地，Rs為氣體傳感器的敏感體電阻，Rl為取樣電阻。 傳感器加熱電壓高，加熱絲的電阻值小，這樣勢(shì)必導(dǎo)致流經(jīng)加熱回路的電流大；另外，為 了方便測量，傳感器探頭電路與儀表數(shù)據(jù)處理電路不在同一個(gè)電路扳上，而是用了比較長 的數(shù)據(jù)線相連。如果采樣地與加熱地共用一條回路，采樣地就會(huì)流過較大的電流，這樣就 能在信號(hào)采樣線上產(chǎn)生很大的壓降，從而導(dǎo)致采集的信號(hào)受信號(hào)采集線的長短影響較大。必須把加熱地與信號(hào)地分離開，才能降低干擾。依據(jù)LM317的輸出電壓計(jì)算公式，可以得到:VE=

28、 Vref( 1 +R4)(3.3)其中：Vref=1.25V，R3=470 Q, R4=150 Q,數(shù)據(jù)代入公式得：VEP.17VTVCC圖3. 3氣體傳感器加熱及信號(hào)采樣電路圖3 . 2 . 3傳感器信號(hào)監(jiān)測回路及 A/D轉(zhuǎn)換參考電源傳感器信號(hào)監(jiān)測回路及 A/D轉(zhuǎn)換參考電源電路圖如圖 3 . 4所示，主要由三極管和TL431組成。TL431是TI公司生產(chǎn)的一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)精密電壓基準(zhǔn)集成電路，弓I腳分別為：陰極(CATHODE)、陽極(ANODE)和參考端(REF);輸出電壓范圍是2 . 5V到36V ;典型動(dòng)態(tài)阻抗為0 2 Q,輸出雜波低。在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極

29、管，例如，數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等等。該器件內(nèi)部有一 個(gè)的2 . 5V基準(zhǔn)源VI,接在內(nèi)部運(yùn)放的反相輸入端。由運(yùn)放的特性可知，只有當(dāng)REF端(同相端)的電壓非常接近VI時(shí)，三極管中才會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的非飽和電流通過，而且隨著REF端電壓的微小變化。通過三極管的電流將從I到100mA變化。當(dāng)在REF端引入輸出反饋時(shí)，器件可以通過從陰極到陽極很寬范同的分流來控制輸出電壓。需要注意的是，在選擇 電阻時(shí)必須保證TL4311作的必要條件，即通過陰極的電流要大于 1mA。圖3. 4中，R6和R8對(duì)VH的分壓引入反饋。若輸出增大，則反饋量增大， TL431的 分流也就增加，從而又導(dǎo)致VH下降

30、?？梢?，這個(gè)深度的負(fù)反饋電路必然在 VI等于基準(zhǔn)電 壓處穩(wěn)定，此時(shí)TL431的輸出：VH= Vref ( 1 + R6 )( 3.4 )其中：Vref=2.5V，R6=200 Q, R8=1000 Q。數(shù)據(jù)代入公式得：VH 3V。為了降低系統(tǒng)功耗，用單片機(jī)I/O 口控制該電源的工作狀態(tài)。當(dāng)I/O為高電平“ 1 ” 時(shí)，NPN三極管Q1導(dǎo)通，其集電極為低電平，從而使 PNP三極管Q2基極拉低，Q， 導(dǎo)通，其射極輸出高電平，這樣就能滿足 TL431的工作條件，從而可以得到VH=3V的輸 出電，當(dāng)I/O為低電平“ 0”時(shí)。NPN-極管Q1截止，其集電極為高電平，從而使 PNP 三極管Q2基極為高，Q

31、2截止，這樣不能滿足TL4311作條件，得到VH=OV的輸出電 壓。vcc圖3. 4傳感器信號(hào)監(jiān)鍘回路及A/D轉(zhuǎn)換參考電源電路圖3 . 2 . 4模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809的原理及應(yīng)用ADC0809是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選 通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換。是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯 片。1 .主要特性1） 8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。2 ）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?。3）轉(zhuǎn)換時(shí)間為100 g（時(shí)鐘為640kHz時(shí)），130 g （時(shí)鐘為

32、500kHz時(shí)）4）單個(gè)+5V電源供電5）模擬輸入電壓范圍0+5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。6 ）工作溫度范圍為-40+85攝氏度7）低功耗，約15mW2 外部特性（引腳功能）ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖所示。下面說明各引腳功INOIN7 : 8路模擬量輸入端。2-12-8 : 8位數(shù)字量輸出端。ADDA、ADDB、ADDC : 3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路ALE :地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效。START: A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少 100ns寬）使其啟動(dòng)（脈 沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換）。EOC: A/

33、D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換 期間一直為低電平）。OE:數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK:時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于 640KHZ。REF （+ ）、REF （-）:基準(zhǔn)電壓。Vcc :電源，單一 +5V。GND :地。1茁t3?2-tNO已IS -425ADD A初一1jbD& STWT 畝-JhDOCKK 722-ALf4a廿UTRJT EfMBiF-拍-尹CLOCK -比v9亠T*CC11ia17-25L5BGW 1316E415圖3.5ADC0809示意圖3.

34、ADC0809與單片機(jī)的連接ADC0809與MCS-51單片機(jī)的連接如圖3.6所示電路連接主要涉及兩個(gè)問題。一是 8路模擬信號(hào)通道的選擇，二是 A/D轉(zhuǎn)換完成后 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送。FJ /AI5F? fi.AUP2P VAI： P23-A11P! ?.A1CP? D/ARn.ePt,PE.4Pl.iPI ?PI KTJEXPI OFPO T/AD； 劉舟尅出 PO vAD; PD.4-.ALH PO.A.-.AUj Pi 2 AD2 PO l-AD： FO 0，.SvssMT壓PJ5T1Pi 4TOn.iTiD PS O RkDKai -TRSTXkL2 XTAL.C2 0 lllFJ-IL?”

35、 CLK VEX? START OFdoDJIDIIN2D2INSDiTWD4INDiINSD6ZD?ADDAEOCADDSADDCKEF-卜 ALEJIEF-GMJ圖3.6ADC0809和單片機(jī)的接線圖表3.1通道選擇表CBA被選擇的通道0 0 0mo0 0 1INI0 1 0m20 1 1IN31 0 01 0 11 1 0FNT61 1 1DJ7圖3.6所示是其應(yīng)用電路，其參考電壓REF+連接全參考電源VH ,REF-接地。ADDA、ADDB、ADDC接地，選擇通道0為模擬輸入通道，傳感器輸入信號(hào)接到 8位模擬輸入通 道上，8位輸出通道接到單片機(jī)的并口上。3 . 2 . 5MAX7219

36、 顯示電路本課題中氣體監(jiān)測系統(tǒng)的工作環(huán)境是處于比較黑暗的礦井巷道中，所以不宜采用液晶顯示模塊，而采用了發(fā)光柔和的LED數(shù)碼管作顯示，顯示顏色為紅色。發(fā)光數(shù)碼管的優(yōu)點(diǎn) 在于防潮防濕，溫度特性極佳，而且有遠(yuǎn)距離視覺效果，很適合礦井下惡劣環(huán)境的需要。而我們使用的單片機(jī) AT89S52本身并無顯示接口部分，需要外接顯示的譯碼驅(qū)動(dòng)電路。LED數(shù)碼管顯示有動(dòng)態(tài)顯示和靜態(tài)顯示兩種方式。通常小管采用哪種顯示方式，單片機(jī)往 往都工作于并行I/O或存儲(chǔ)器方式。在本課題的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)中，利用MAXIM 公司的串行接口 8位LED顯示驅(qū)動(dòng)器MAX7219構(gòu)成顯示接口電路，僅需使用單片機(jī) 3 個(gè)引腳，即可實(shí)現(xiàn)

37、對(duì)8位LED數(shù)碼管的顯示控制和驅(qū)動(dòng)，線路非常簡單，控制簡單方便。1、MAX7219的功能和設(shè)置MAX7219芯片為MAXIM公司推出的串行輸入/輸出共陰極顯示驅(qū)動(dòng)器，是用一個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)以往用軟件完成的動(dòng)態(tài)顯示電路掃描工作的器件。每片可控制顯示8個(gè)七段LED數(shù)碼管、條形圖或64個(gè)發(fā)光二極管，控制字簡單。為24引腳芯片，除與顯示器連接外。與 微機(jī)串行口為3線連接，芯片外部電路僅為一限制峰值段電流的電阻，線路簡單，極大地 方便了對(duì)顯示器件的控制。該芯片控制的顯示位數(shù)多，控制寧少可對(duì)全部或個(gè)別顯示位 的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。并可方便地進(jìn)行多個(gè)芯片的級(jí)聯(lián)，擴(kuò)展顯示容量。MAX7219有多種封裝形式，如窄式DIP封

38、裝和SOP封裝等。MAX7219的串行數(shù)據(jù)格式如表3 .2所示。其中：D12D15位不用；D8D11為顯示位和各種工作方式的控制寄存器地址位，可選擇要顯示的位、解碼方式、顯示亮度、掃描位數(shù)、停止方式、顯示測試等，其地址分布如表 3 . 3所示；DoD7為數(shù)據(jù)位，其 形式與顯示出的數(shù)字間的關(guān)系與解碼方式有關(guān)。 表3 . 3中x可為16進(jìn)制任意值，一般取 為0。每組16位數(shù)據(jù)中，首先接收的為最高有效位，最后接收的為最低有效位。表3 . 2 MAX7219 串行數(shù)據(jù)格式D15D14D13D12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0XXXX插入MSBDATALSB解碼方式寄存器可設(shè)置備位

39、數(shù)碼管為解碼顯示方式，或非解碼的數(shù)據(jù)位與顯示段直接對(duì)應(yīng)的顯示方式。亮度寄存器用于與外部電阻配合控制數(shù)碼管的顯示亮度。掃描限制寄存 器控制顯示的位數(shù)。停機(jī)寄存器控制顯示器為停機(jī)或正常工作狀態(tài)，停機(jī)狀態(tài)下描振蕩器停止工作，消隱所有顯示位。顯示測試寄存器設(shè)置器件為正常工作或測試狀態(tài)?？詹僮骷?存器用于多個(gè)MAX7219級(jí)連。器件上電后所有控制寄存器復(fù)位。解碼方式寄存器的值為 非解碼方式，亮度寄存器的值設(shè)置為最小，掃描寄存器設(shè)置為僅顯示1位，停機(jī)寄存器處于停機(jī)狀態(tài)，顯示消隱。因此 MAX7219必須經(jīng)過初始化后才可正常工作數(shù)據(jù)由DIN引腳輸入，最先輸入的為最高位，在 CLK的上升沿將數(shù)據(jù)位移入器件內(nèi)的

40、移位寄存器，LOAD引腳信號(hào)的上升沿將最后移入的16位數(shù)據(jù)鎖存入相應(yīng)的寄存器中，LOAD信號(hào)的上升沿必須與CLK的上升沿同時(shí)，或在其后。從 DIN輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)過16.5 個(gè)CLK脈沖后移到DOUT引腳上。表3 . 2MAX7219地址格式寄存器D15-D12D11地址D10D9D8十六進(jìn)制碼No-Opx00000XX0位0x00010XX1位1x00100XX2位2x00110XX3位3x01000XX4位4x01010XX5位5x01100XX6位6x01110XX7位7x10000XX8譯碼方式x10010XX9亮度x10100XXA掃描范圍x10110XXB關(guān)閉x11000XXC顯示測試

41、 x1101OXXF2 單片機(jī)的串行工作方式AT89S52單片機(jī)串行口有四種發(fā)送工作方式，其中方式0每幀共發(fā)送8位數(shù)，其他工作方式下每幀發(fā)送均不為8位數(shù)或其倍數(shù)。因此只能考慮使用方式 0。串行口工作于方 式0時(shí)，通過P1.0引腳發(fā)送/接收串行數(shù)據(jù)，通過P1.1引腳發(fā)送移位時(shí)鐘脈沖。發(fā)送順 序?yàn)榈臀辉谇?，高位在后，與 MAX7219的接收順序相反。從單片機(jī)時(shí)序上看，只需在發(fā) 送前將顯示數(shù)據(jù)和地址碼的高低位順序顛倒，利用串行方式0進(jìn)行發(fā)送，每發(fā)送兩次，就可向MAX7219輸出一個(gè)要顯示的數(shù)據(jù)或控制寄存器參數(shù)。 而在單片機(jī)與MAX7219的時(shí) 序配合中，時(shí)鐘脈沖的配合是非常關(guān)鍵的。3.單片機(jī)與MAX

42、7219 的連接控制系統(tǒng)單片機(jī)與MAX7219及顯示器件的連接如圖3. 7所示。單片機(jī)的P3. 0、P3， 1引腳分別接MAX7219的DIN、CLK，以P3. 2控制LOAD引腳。由于MAX7219是在脈沖 信號(hào)控制下工作的，抗干擾非常關(guān)鍵，在線路上，MAX7219應(yīng)盡量與顯示器件相靠近，以減少外部的干擾。P2._ At? 心2 P25AU 巴.丄AL2P2J All P2 2 AtO 卩、：(MP?AASP17FljP 5Pl.4P】S P】.? P3.1T2EX PWDPfl AD7 PO.i 心 咖皿 Pfl.- ADJPt) .5 ADJ 刊.一 AJ2M： ADI EQ ADOIS

43、7?DD；V+ $LOADCLKISETDIOOEGA tDJ&-SEGB rDIO：5EOC f11出SEbD iD1G4SBGE tD1SElib :SEGG :DKTD0LTFGDP :GND&NDn.X2l9V35tK汨.P：.?TDP3 &WR円71F3 4TC ?2.21 P斑F3.1.T1D 陰：-TbcD2：ATE?seS EA?PRSI”亡九“znxrr ZLDT /ldTT Ado? zipgT：/LD7SXI圧X aAl._XTAL1riCiTl?PFf/f J /c?LQDS5aid圖3. 7MAX7219 電路連接圖4、控制程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中單片機(jī)采用中斷方式對(duì) MAX7219進(jìn)行控制，傳送16位數(shù)據(jù)的地址位和數(shù) 據(jù)位。在主程序中，包括串行方式的設(shè)置、顯示緩沖單元和各控制寄存器的地址碼發(fā)數(shù)據(jù) 單元的分配、對(duì)MAX7219的初始化等。由于MAX7219易受干擾影響，因此在程序執(zhí)行 過程中席經(jīng)常對(duì)顯示進(jìn)行更新。3 . 2. 6看門狗硬件電路在監(jiān)測系統(tǒng)中為了保證單片機(jī)可靠而穩(wěn)定的運(yùn)行，使單片機(jī)系統(tǒng)盡快擺脫因干擾而產(chǎn)生的程序跑飛或死循環(huán)，需要一種監(jiān)視器，提供某種狀態(tài)使CPU重新回到用戶程序。這種監(jiān)視器即“看門狗” (Watch dog)。監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)有看門狗功能，一旦系統(tǒng)在現(xiàn)場受到突發(fā)干擾使程序跑飛，單片機(jī)沒有自我保護(hù)能力，不能使系統(tǒng)復(fù)位，重新工作AT