單片機瓦斯?jié)舛葓缶瘍x

1、1 目錄緒 論. 21. 項目提出的必要性和國內(nèi)外研究水平與動向 . 22. 煤礦安全儀器概況 . 3第一章 總體方案設計 . 51.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 . 51.2 工作原理 . 6第二章 硬件電路設計 . 72.1 單片機選擇 . 72.1.1 單片機簡介 . 72.1.2 單片機 at89c51 . 82.1.3 單片機的 i/o 口擴展 . 112.2 瓦斯?jié)舛葯z測 . 122.2.1 瓦斯?jié)舛葯z測儀熱催化式原理分析 . 122.2.2 熱催化元件的結(jié)構(gòu)及工作原理 . 132.2.3 檢測電路設計 . 142.3 a/d 轉(zhuǎn)換電路 . 172.3.1 a/d轉(zhuǎn)換器的選型 . 172.3.3

2、 a/d轉(zhuǎn)換部分電路 . 202.4 數(shù)據(jù)顯示電路 . 202.4.1 顯示器的選擇 . 222.4.2 數(shù)據(jù)顯示電路 . 222.5 按鍵電路 . 232.6 電源電路 . 252.7 聲光報警電路 . 25第三章 系統(tǒng)的軟件設計 . 273.1 主程序 . 273.2 子程序設計 . 283.2.1 中斷子程序 . 283.2.2 聲光報警子程序 . 28附錄. 30參考文獻 . 352 緒 論1. 項目提出的必要性和國內(nèi)外研究水平與動向從我國煤炭生產(chǎn)的現(xiàn)狀及我國能源結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略規(guī)劃均可看出，在本世紀中葉以前，煤炭仍是支持我國國民經(jīng)濟發(fā)展的主要能源，煤炭生產(chǎn)， 作為我國能源工業(yè)的支柱，其地位將

3、是長期的， 穩(wěn)定的，但是煤炭工業(yè)的安全生產(chǎn)狀況卻不容樂觀，中小型煤礦的情況尤為嚴重， 已經(jīng)直接威脅到整個煤炭工業(yè)的穩(wěn)定生產(chǎn)，給國家財產(chǎn)和人民生命造成了很大的損失，作為“萬惡之首” 的瓦斯爆炸事故更是重大事故發(fā)生率之首。 在去年，又接連發(fā)生了多起瓦斯爆炸事故，事故的結(jié)果觸目驚心，因此通過強化瓦斯管理， 提高通風、瓦斯監(jiān)測監(jiān)控水平， 已經(jīng)成為中小型煤礦瓦斯監(jiān)測監(jiān)控的最迫切的任務之一。煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)， 是目前為止實際通風瓦斯管理工作中最重要和最有效的自動化手段， 已經(jīng)裝備監(jiān)控系統(tǒng)的煤礦的瓦斯事故發(fā)生率大為下降，實踐證明，煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)對保障煤礦安全生產(chǎn)，提高煤礦生產(chǎn)率， 提高煤礦自動化程

4、度以及促進煤礦管理現(xiàn)代化水平，都有著舉足輕重的作用。煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)雖在國內(nèi)已有生產(chǎn)和應用，但還沒有一種真正適合于中小型煤礦使用的產(chǎn)品，我國從八十年代初期開始引進煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)，歷經(jīng)了直接引進、 消化吸收、 仿制配套、 自主開發(fā)的過程， 但迄今為止的產(chǎn)品大多都是面對大型礦井設計的，而且自身尚有一些有待解決的問題，如: 造價高，系統(tǒng)最基本的配置過于龐大，運行費用大傳感器測量穩(wěn)定性差，調(diào)校頻繁，壽命短系統(tǒng)安裝、維護復雜，操作不便，人機界面較差系統(tǒng)設備可靠性差必須依賴專業(yè)的維護隊伍，對人員技術(shù)，素質(zhì)有較高的要求。國外的監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)理論上講高于國內(nèi)發(fā)展水平，但應用于國內(nèi)煤礦尚有一定的局限性，

5、 如煤礦管理模式生產(chǎn)方式的不同，價格過高不適于國內(nèi)煤礦現(xiàn)有條件，除在傳感器技術(shù)方面可供借鑒外，其它僅具一定的參考價值。綜上所述，開發(fā)研制適用于中小型煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)的任務迫在眉睫，而根據(jù)我國煤礦生產(chǎn)和管理模式，依照我國的有關技術(shù)標準，其技術(shù)的先進性、產(chǎn)品的可靠性和實用性則是本項目的關鍵所在。3 沼氣(瓦斯 ch4的俗稱 ) 礦井在我國煤礦生產(chǎn)礦井中所占比重很大，隨著礦井開采強度和深度的增加， 沼氣涌出量也在不斷增加， 沼氣積聚可能引起沼氣事故，及時掌握煤礦井下沼氣動態(tài)是一件十分重要的工作。瓦斯?jié)舛葯z測儀器就是用來監(jiān)視礦井沼氣動態(tài)的有效工具。 鑒于沼氣在礦井中存在的普遍性及其可能造成災害的嚴

6、重性，瓦斯?jié)舛葯z測儀器在煤礦是數(shù)量最多， 使用最普遍的安全檢測儀器，而且也是煤炭系統(tǒng)研制種類最多的儀器，需要說明的是， 由于我國煤礦習慣把瓦斯叫做瓦斯， 因此檢測瓦斯?jié)舛鹊膬x器， 有的叫瓦斯檢定器， 有的又叫沼氣檢定器。在這里，瓦斯，沼氣和瓦斯是同義詞。2. 煤礦安全儀器概況煤礦生產(chǎn)是地下作業(yè)， 自然條件和生產(chǎn)條件都復雜， 在采掘過程中出現(xiàn)的瓦斯涌出、煤塵飛揚、 自然發(fā)火等都有可能造成嚴重事故。為了防止事故發(fā)生，保障礦工的健康和安全， 促進生產(chǎn)發(fā)展， 提高煤炭企業(yè)的經(jīng)濟效益， 應對井下的氣象進行檢測，對可能造成災害事故的各種有害氣體及礦塵進行及時而準確的檢測和嚴格控制， 一旦發(fā)生災變， 必須及

7、時救護遇難人員和處理事故。所有這些都需要有相應的檢測儀器和救護裝備。最初，人們?yōu)榱朔乐咕驴諝庵谢煊幸谎趸荚斐芍卸臼鹿?，曾使用過金絲雀一類的小動物來進行檢測。1815 年英國人在煤礦井下開始使用安全火焰燈檢測瓦斯。 1897 年瑞典制成第一臺容積壓力式瓦斯?jié)舛葴y量儀。隨著礦井開采深度的增大， 機械化和綜合機械采煤的普遍推廣，通風安全方面問題日益突出。 與此同時，隨著儀表工業(yè)及電子技術(shù)的發(fā)展，礦井通風安全儀器也得到了不斷的發(fā)展。1927 年日本制造成光干涉原理瓦斯檢定器，以后又陸續(xù)出現(xiàn)熱導、熱催化原理、氣敏半導體等各種不同原理的瓦斯檢定器，其測量精度不斷提高， 檢測方式從“間斷”、 “就地”檢

8、測發(fā)展到“連續(xù)” 、 “集中自動”遙測。特別是隨著電子計算機技術(shù)的應用， 一套監(jiān)測系統(tǒng)，除能檢測高低濃度瓦斯外， 還可測一氧化碳、氧、氫的濃度，氣溫，風速等等。同時還能對井下設備的工作狀態(tài)進行監(jiān)控。如英國 dynslink-minos 系統(tǒng)的監(jiān)測容量為986 個模擬量， 896 個開關量，傳輸距離為 13 1n。在地面中心站一般都配有用來進行數(shù)據(jù)采集和處理的計算機、打印機、顯示器、控制臺和模擬盤等。 譬如當井下某測點的瓦斯?jié)舛瘸迺r，能發(fā)出聲、光報警信號， 切斷該測點附近的電源。 作為間斷方式檢測的攜帶式儀器，也4 隨著測試技術(shù)的飛速發(fā)展及多功能集成電路的出現(xiàn)，檢測元件的性能不斷提高而實現(xiàn)了單

9、機分級報警， 數(shù)碼顯示， 自動校正， 電源監(jiān)視和故障指示等功能。而且操作簡單， 維修量小，體積小。例如美國 msa 公司生產(chǎn)的攜帶式瓦斯檢測儀重量只有 0. 28 噸，外形尺寸為 146*65*38 解放前我國煤炭工業(yè)技術(shù)十分落后，礦井通風安全儀器更是屬于空白。解放后， 黨和政府對安全工作極為重視， 煤礦安全狀況及勞動條件得到了很大的改善，通風安全儀器從無到有地發(fā)展起來在儀器的研究、生產(chǎn)制造方面， 多年來投入了很大的力量，形成了以撫順、重慶、西安、常州、上海等地為中心的安全儀器生產(chǎn)基地，除生產(chǎn)大量的通風安全儀器和救護設備外，從 1980 年起，先后從波蘭、英國、美國和西德等地引進了多種形式的煤

10、礦安全監(jiān)測系統(tǒng)和生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，在引進消化的基礎上，我國也研制了一批安全監(jiān)測系統(tǒng)，如常州煤研所的kjl 型，北京長城科學儀器廠的kj4型，重慶煤礦安全儀器廠的tf-200 型和 awj-80型，西安儀表廠的 mjc-100型，撫順煤礦安全儀器廠的au1型，總參 6904廠的 wdj-1型和鎮(zhèn)江煤礦專用設備廠的a-1 型等安全監(jiān)控系統(tǒng)來裝備礦井。 其中 kj4 型的系統(tǒng)容量為 1536 個，傳輸距離為13 n 。所有這些成就，表明我國的安全監(jiān)測儀器的研制和裝備進入了新的水平。 但是目前安全監(jiān)測傳感器的種類和質(zhì)量與國際水平的差距還較大，這是需要解決的問題。5 第一章總體方案設計隨著超大規(guī)模數(shù)字集成電

11、路、 單片機技術(shù)的飛速發(fā)展， 利用單片機及其它外圍芯片實現(xiàn)對瓦斯的監(jiān)測成為一種可能，并且成為一種發(fā)展趨勢。 它具有體積小、操作簡單、 攜帶方便、功能較齊全等優(yōu)點， 而且性能價格比也很高， 應用前景非常廣泛。因此此次設計整體上是基于at89c51 單片機來實現(xiàn)煤礦瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測報警。 在這里我們運用到的氣敏傳感器是mq-kt ， 它是用來檢測外部瓦斯的濃度 （其檢測到的濃度值為模擬量） ，并將檢測到的模擬信號轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出出來。然后再將電壓信號輸入到icl7109 進行 a/d轉(zhuǎn)換變換成數(shù)字信號，并在51 單片機的控制下將其輸入， 然后在內(nèi)部軟件編程下進行數(shù)值變換處理。在單片機進行完數(shù)據(jù)處理后

12、就將其結(jié)果輸出顯示，從而顯示出瓦斯氣體的濃度， 其中顯示部分我們采用四位的 led數(shù)碼管，用于顯示瓦斯?jié)舛戎怠?若實際瓦斯?jié)舛瘸?（濃度超限預警值可鍵盤控制輸入） 則在單片機的控制下進行聲光報警。提醒生產(chǎn)人員離開，避免生產(chǎn)事故。1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖此次設計的煤礦瓦斯監(jiān)測報警器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下所示：主要由氣體傳感器mq-kt 、a/d轉(zhuǎn)換器 icl7109、單片機 at89c51 、led顯示電路、鍵盤控制電路、聲光報警裝置和附件電路組成。圖 1-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖at89c51 led顯示瓦斯探測器（mq-kt ）電源a/d7109 聲光報警鍵盤6 由圖可以看出煤礦瓦斯監(jiān)測報警器的硬件部分設計是以

13、單片機系統(tǒng)為核心，用于整個設計的數(shù)據(jù)處理、聲光報警電路等正常工作。在這里我們選用atmel公司生產(chǎn)的 8 位單片機 at89c51 。甲烷傳感器采用 mq-kt 氣敏傳感器， 用于探測采集瓦斯的濃度。 由于該傳感器的輸出信號為模擬電壓信號， 要想將采集到的數(shù)據(jù)送至單片機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理則需要將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，所以在這里我們還要選用icl7109 芯片進行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理。這里的icl7109 是一種雙積分的12 位 a/d轉(zhuǎn)換器，其性能價格比很高，是一種高精度、低噪聲、低漂移a/d轉(zhuǎn)換器。瓦斯?jié)舛蕊@示部分采用四位的led數(shù)碼管顯示，在這里我們采用動態(tài)掃描方法來顯示各種參數(shù)。1.2 工作原理

14、在這里我們用甲烷傳感器mq-4來對煤礦瓦斯?jié)舛冗M行檢測，由于其檢測所得數(shù)據(jù)模擬電壓量而單片機只能對數(shù)字信號進行處理，所以在送入單片機中進行處理之前需先送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器icl7109 中進行模數(shù)轉(zhuǎn)換， 然后才能將轉(zhuǎn)換所得數(shù)據(jù)送入單片機 at89c51中處理，這里的處理主要是指將輸入進來的數(shù)據(jù)與我們設置的瓦斯爆炸預警值進行比較，在這里我們的預警值可通過鍵盤進行設置，顯示其瓦斯?jié)舛戎怠? 第二章硬件電路設計2.1 單片機選擇2.1.1 單片機簡介單片微型計算機簡稱單片 , 它是把組成微型計算機的各部件: 中央處理器、存儲器、輸入輸出接口電路、定時器/ 計算器等，制作在一塊集成電路芯片中，構(gòu)成一個完整的

15、微型計算機。1971年， intel公司首次推出 4004 的 4 位單片微處理器。1974 年 12 月仙童（fairchild） 公司推出 8 位單片機 f8 （需另加一塊 3851芯片） ，其后 mostek 公司和仙童公司一起推出了f8 兼容的 3870 單片機系列。intel公司 1976年推出 mcs-48 系列單片機。 gi(gentra instrument crop)公司在 1977 年 10 月宣布了 pic1650單片機系列。 1978 年，rockwell 公司也推出了r6500/1 系列（與 6502兼容） 。有些單片機有8 位 cpu ，若干個并行 i/o ，8 位

16、定時器 / 計算器，容量有限的pam 和 rom ，以及簡單中斷處理功能。motorola公司和 zilog公司的單片機問世較遲，但是產(chǎn)品性能較高，單片機內(nèi)有串行 i/o ，多級中斷處理能力，內(nèi)片的ram 和 rom 容量較大；有些還帶有a/d 轉(zhuǎn)換接口。 motorola 公司在 1978 年下半年宣布了與6800 微處理機兼容的6801 單片機。 zilog公司在同年 10 月也推出了 z80 單片機系列。 intel公司在原mcs-48 基 礎 上 ， 于1980 年 推 出 了 高 性 能 的mcs-51 系 列 （ 包 括8031/8051/8751 ） 。1982年，mostek

17、公司和 intel公司先后推出了16位單片機mk68200 （與 68000微處理器兼容） 和 mcs-96 （8096、8098）系列。1987年 intel公司推出了性能是80962.5 倍的新型單片機80296。由于單片機超小型化， 結(jié)構(gòu)緊湊， 可能性高， 價格低廉， 在國民經(jīng)濟中得到廣泛應用。 工業(yè)方面：電機控制、工業(yè)機器人、過程控制、數(shù)字控制。 儀器儀表方面：智能儀器、醫(yī)療器械、色譜儀、示波器。 民用方面：電子玩具、高級電視游戲機、錄象機、激光盤驅(qū)動。 電訊方面：調(diào)制解調(diào)器、智能線路運行控制。 導航與控制方面：導彈控制、魚雷執(zhí)導控制、只能武器裝置、航天導航系統(tǒng)。8 數(shù)據(jù)處理方面：圖形

18、終端、彩色黑白復印機、溫氏硬盤驅(qū)動器、磁帶機、打印機。 汽車方面：點火控制、變速器控制、防滑剎車、排器控制。單片機的發(fā)展趨勢是：增加存儲器的容量，片內(nèi)eprom 開始 eeprom 化，存儲器編程保密化，片內(nèi)i/o 多功能化及低功耗cmos 化。2.1.2 單片機 at89c51 at89c51是一種帶 4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory ）的低電壓，高性能cmos8 位微處理器，俗稱單片機。 at89c2051 是一種帶 2k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀

19、存儲器可以反復擦除100次。 該器件采用 atmel高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的mcs-51 指令集和輸出管腳相兼容。 由于將多功能 8 位 cpu 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， atmel 的 at89c51是一種高效微控制器， at89c2051 是它的一種精簡版本。 at89c 單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。圖 2-1 at89c51 管腳圖1)主要特性：與 mcs-51 兼容4k字節(jié)可編程閃爍存儲器9 壽命： 1000寫/ 擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間： 10 年全靜態(tài)工作： 0hz-24hz 三級程序存儲器鎖定128*8 位內(nèi)部 ram 32 可編

20、程 i/o 線兩個 16 位定時器 / 計數(shù)器5 個中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時鐘電路2)管腳說明 ： vcc ：供電電壓。 gnd ：接地。 p0口：p0口為一個 8 位漏級開路雙向 i/o 口，每腳可吸收 8ttl門電流。當p1口的管腳第一次寫1 時，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) / 地址的第八位。 在 fiash編程時，p0 口作為原碼輸入口，當 fiash進行校驗時， p0輸出原碼，此時 p0外部必須被拉高。 p1口：p1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8 位雙向 i/o 口，p1口緩沖器能接收輸出 4ttl門電流。 p1口

21、管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在flash編程和校驗時， p1口作為第八位地址接收。 p2口：p2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向 i/o 口，p2口緩沖器可接收，輸出 4 個 ttl門電流，當 p2口被寫“ 1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 p2口當用于外部程序存儲器或16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時， p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，p2口輸出其特

22、殊功能寄存器的內(nèi)容。p2口在 flash 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。10 p3口：p3口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向i/o 口， 可接收輸出 4 個 ttl門電流。當 p3口寫入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。 作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流（ ill ）這是由于上拉的緣故。 p3口也可作為 at89c51 的一些特殊功能口，如下所示： p3.0 rxd（串行輸入口） p3.1 txd（串行輸出口） p3.2 /int0（外部中斷 0） p3.3 /int1（外部中斷 1） p3.4 t0（記時器 0 外部輸入） p3.5 t1（記時器

23、1 外部輸入） p3.6 /wr（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） p3.7 /rd（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） p3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 rst：復位輸入。 當振蕩器復位器件時， 要保持 rst腳兩個機器周期的高電平時間。 ale/prog ：當訪問外部存儲器時， 地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 flash 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ale端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6 。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ale脈沖。如想禁止 ale的輸出可在 sfr8e

24、h 地址上置 0。此時， ale只有在執(zhí)行 movx ，movc 指令是 ale才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ale禁止，置位無效。 /psen ：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 /psen有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/psen信號將不出現(xiàn)。 /ea/vpp： 當/ea 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器 （0000h-ffffh ） ，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1 時，/ea 將內(nèi)部鎖定為 reset ；當/ea 端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在flash 編程期間，此引腳也用于施加

25、12v編程電源（ vpp ）。11 xtal1 ：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 xtal2 ：來自反向振蕩器的輸出。2.1.3 單片機的 i/o 口擴展由于單片機本身只有4 個 8 位并行輸入輸出 i/o 接口， 1 個串行 i/o 接口，非常有限，所以當 i/o 口不能滿足設計需求時則需要我們進行i/o 口的擴展。其擴展方法為根據(jù)需要在串行口上外接1 個或多個移位寄存器。由電路原理圖我們可以看到此次我們單片機89s51的 i/o 口分配如下：p0口：a/d 轉(zhuǎn)換器 icl7109 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)的輸入接口p1口：其中 p1.0 接+5v的直流蜂鳴器當p1.0=0 時蜂鳴器蜂鳴

26、p1.1 接發(fā)光二極管 led,當 p1.1=1 時發(fā)光二極管發(fā)光， 其和蜂鳴器結(jié)合就是我們所要實現(xiàn)的聲光報警。p1.2 接排風扇的繼電器部分p1.3p1.6 作為數(shù)碼管顯示部分的位選p1.7 作為 7109的片選p2口我們僅用了 p2.6 和 p2.7 作為 7109 的數(shù)據(jù)選通端p3：p3.0（rxd ）和 p3.1（txd ）用于 i/o 口的擴展所以很顯然我們要對單片機進行擴展i/o口，下圖所示為用串行口擴展i/o口的電路：圖 2-2 i/o口擴展電路其中芯片 74ls164為帶清零端的串行輸入 / 并行輸出移位寄存器（ 8 位），其管腳圖和功能表如下rxd txd 單片機dsa ds

27、b 74ls164 cp q0 q7 12 圖 2-374ls164的管腳圖輸入輸出clrclk a b aqbqhq l l l l h l qa0 qb0 qh0 h h h h qan qgn h l l qan qgn h l l qan qgn h= 高電平 l=低電平=任意=電平上升表 2-1 74ls164 功能表在使用時將 a,b 并接作為數(shù)據(jù)的串行輸人端,clk 作為時鐘端。 串行輸入時，先將數(shù)據(jù)在 a,b 端準備好，在 clk端產(chǎn)一上升沿，則一位數(shù)據(jù)移至最低位qa;再將下一位數(shù)據(jù)準備好后，在clk端產(chǎn)生下一上升沿，則下一位數(shù)據(jù)移至次低位qb,其余位順次從低位到高位移動，這種

28、時序符合串行器件特性，即把164 當成一典型串行外設，可以用普通i/o 口模擬其時序?qū)?shù)據(jù)移入。2.2 瓦斯?jié)舛葯z測2.2.1 瓦斯?jié)舛葯z測儀熱催化式原理分析熱催化式是利用瓦斯在催化元件上的氧化生熱引起其電阻的變化來測定瓦斯?jié)舛取Ｆ鋬?yōu)點是元件和儀器的生產(chǎn)成本低，輸出信號大，對于1% 氣樣，電橋輸出可達 15mv以上，處理和顯示都比較方便，所以儀器的結(jié)構(gòu)簡單，受背景氣234a1b2qa3qb4qc5qd6gnd7clk8clr9qe1 0qf1 1qg1 2qh1 3vcc1 47 4ls16413 體和溫度變化的影響小， 容易實現(xiàn)自動檢測。 其缺點是探測元件的壽命較短，不能測高濃度瓦斯， 硫化

29、氫及硅蒸氣會引起元件中毒而失效。目前國內(nèi)外檢測瓦斯的儀器廣泛采用這一原理。2.2.2 熱催化元件的結(jié)構(gòu)及工作原理1) 熱催化元件的結(jié)構(gòu)載體催化燃燒式傳感器一般被制成一個便于測量的探頭，探頭可以單獨設置，也可以作為一個獨立單元裝配在儀器內(nèi)使用。探頭內(nèi)部的主要元件是黑元件( 催化元件 ) 和白元件 (補償元件 )， 兩個元件分別配置在電橋電路中， 作為一組橋臂， 另一組橋臂是兩個固定電阻，作為電橋的比率臂。與黑白元件相對應， 為使電橋在無瓦斯狀態(tài)下處于平衡狀態(tài)，橋路內(nèi)裝有調(diào)零電位器 w。此外，傳感器電源應是經(jīng)過穩(wěn)壓的穩(wěn)壓源。 2) 敏感元件工作原理黑元件載體催化燃燒式元件，當瓦斯氣體在元件表面與氧

30、氣產(chǎn)生無焰燃燒時，電橋失去平衡， 輸出一個電壓信號。 白元件是補償元件， 基本結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)與黑元件相同， 但表面不涂鍍催化劑， 所以，它不參加低溫燃燒。 但由于它處于與黑元件相同的工作環(huán)境中，所以，對非甲院濃度變化引起的催化元件阻值變化起補償作用，以提高儀器零點穩(wěn)定性和抗干擾能力。使用時一般將黑白元件串聯(lián)， 作為電橋的一臂， 用普通電阻構(gòu)成電橋的另一臂，電橋的兩端加上穩(wěn)定的工作電壓u 。當含有瓦斯的空氣在高溫和催化劑的作用下，發(fā)生無焰燃燒， 而在白元件上則不致使瓦斯燃燒，從而使黑元件的溫度比白元件的溫度高， 黑元件中的鉑絲既是加熱元件，又是感應溫度的熱敏元件， 根據(jù)鉑絲的正溫度系數(shù)的特性，溫

31、度升高時電阻增大，黑元件上的電壓降即增大，電橋失去平衡， 輸出一個電壓信號 u，該電壓值的大小反映了瓦斯?jié)舛鹊母叩?，檢測此電壓便可測量出瓦斯?jié)舛取?3) 整機工作原理熱催化原理又稱催化燃燒原理。 利用該原理的瓦斯測定器是當前國內(nèi)測量低濃度瓦斯的檢測儀器中采用最廣泛的一種，而且還在不斷的高和發(fā)展。 其基本原理是根據(jù)瓦斯在一定的溫度條件下氧化燃燒，且在一定的濃度范圍內(nèi)， 不同濃度14 的瓦斯在燃燒過程中要釋放出熱量不同的特性，來達到測定瓦斯?jié)舛鹊哪康?。瓦斯?jié)舛葓缶O(jiān)控儀的工作原理是cpu 通過 vo口輸出低電平經(jīng)反相器加在催化元件電源端， 使催化元件開始工作， 輸出與瓦斯?jié)舛认鄬碾妷盒盘?，此?/p>

32、壓經(jīng)過放大電路放大后，分別送到a/d 轉(zhuǎn)換、報警電路， a/d轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入cpu, cpu對采樣值進行數(shù)值計算，處理后，驅(qū)動顯示器顯示出被測氣體中的瓦斯?jié)舛戎?，若被測氣體中瓦斯?jié)舛瘸^報警電路預定的數(shù)值時，報警電路即發(fā)出聲音報警信號。遙控發(fā)射裝置再將報警信號傳輸給遠方的接收裝置，最遠傳輸距離可達到10km 。2.2.3 檢測電路設計瓦斯?jié)舛刃盘柕牟杉娐?，放大電路輸入口連接瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯膬蓚€引腳。此傳感器采用的是氣敏元件是一種具有良好溫度特性的電壓輸入/ 電流輸出型氣敏元件?？梢栽?-55150溫度范圍內(nèi)正常工作。1)氣敏元件選擇及簡介1. 熱催化元件的特性在選擇敏感

33、元件時，主要從以下幾個方面來衡量: (1) 活性。元件活性是指元件對瓦斯氧化燃燒的速率。元件活性高，通過電橋測量瓦斯時，可以得到較高的電壓輸出。(2) 穩(wěn)定性。元件的穩(wěn)定性是指元件在新鮮空氣與一定濃度的瓦斯中，在規(guī)定的連續(xù)工作時間里的活性下降率。下降率其值越低越好， 活性下降率越低， 表明元件工作性能越穩(wěn)定。(3) 工作點與工作區(qū)間。元件工作點是指元件的標準工作電壓和電流值。實際使用中，為了便于組成電橋和選定電橋電流，通常是指一對元件( 即一只黑元件和一只白元件 )的標準工作電壓或電流值。 在工作點上， 元件具有較大的輸出，較好的穩(wěn)定性和最小的零點飄移。目前國內(nèi)元件的工作點有: 直 1.2v,

34、 2.2v, 2.4v, 2.8v及 320ma等幾種。當元件的工作電壓或工作電流變動時，在同一瓦斯?jié)舛认螺敵龌钚源笮∈遣幌嗤?。只有當工作電壓或工作電流在某一范圍?nèi)變動時，輸出活性才接近直線。這個電壓或電流的變動范圍稱為元件的工作區(qū)間。區(qū)間越寬越好。目前元件的工作區(qū)間只能達到標準電壓的士10% o 15 (4) 輸出特性。元件輸出特性。是指在不同的瓦斯?jié)舛认拢幕钚耘c瓦斯?jié)舛鹊年P系。 在 0-s%ch4 范圍內(nèi)，電橋輸出信號與瓦斯?jié)舛瘸示€性關系。當瓦斯?jié)舛仍?.5%處時，曲線出現(xiàn)拐點，以后隨著瓦斯?jié)舛鹊脑龃?，電橋輸出信號不斷下降，出現(xiàn)了高濃度和低濃度輸出信號相同現(xiàn)象。產(chǎn)生的原因是由于高濃

35、度瓦斯氣體中缺氧使燃燒不完全所造成的。所以，這種原理的瓦斯檢測儀只能測量低濃度瓦斯。(5) 元件的壽命。元件的壽命是指元件在使用過程中，其活性下降到某一規(guī)定值的時間。(6) 元件的“中毒現(xiàn)象”。礦井空氣中的硫化氫、 二氧化硫等氣體會使元件產(chǎn)生中毒現(xiàn)象，使活性降低。其原因主要是由于這些毒性氣體元件活性下降。此外，井下電氣設備用的硅油、 硅絕緣材料等揮發(fā)物， 也會使元件中毒。 這主要是由于硅分子量大， 一旦吸附在元件表面， 就會阻止瓦斯進入而影響元件氧化速率，致使活性下降。為防止元件中毒，可以加過濾器，例如用活性炭吸收管，1 cm 厚活性炭的吸收管，可使工作在有毒環(huán)境中的元件壽命延長數(shù)百倍。經(jīng)過一

36、段時間工作的元件，遇到較高濃度，工作數(shù)分鐘后，元件的活性將升高，高濃度消失后， 元件在幾十小時內(nèi)活性才會逐步下降到原值附近，以后又保持穩(wěn)定的活性。這種現(xiàn)象稱為元件被濃瓦斯激活。 元件的激活特性是一個缺點，因為被激活的元件在一段時間內(nèi)會造成不穩(wěn)，這是在使用中應該加以注意和調(diào)整的。載體催化元件與純鉑絲元件相比，其抗毒性能較弱，在有毒氣體的環(huán)境中，宜采用鉑絲元件。(7) 反應速度。反應速度是工作元件的一個重要指標。特別是當元件應用到各種運動機械上時，就更為突出。在井下空氣中，當瓦斯?jié)舛劝l(fā)生變化時，元件的反應速度由兩個因素決定，一是元件本身的時間常數(shù): ，二是瓦斯向元件擴散的速度。元件的時間常數(shù)可由下

37、式確定 : 16 式中：元件的時間常數(shù) ; e：元件的熱容量 ; a：等效熱導系數(shù) ; s：元件的表面積 ; 0：常數(shù) ; t：元件的工作溫度 ; i：工作電流 ; r：元件電阻 ; rq：鉑絲電阻溫度系數(shù)通過對上式的分析，可以合理地選擇元件參數(shù)， 以提高工作元件的反應速度。本設計中選擇的敏感元件型號為:mq-kt ， 其作用為將瓦斯氣體的體積分數(shù)轉(zhuǎn)化成對應的模擬電壓信號并輸出出來。參數(shù)為 : 測量介質(zhì) :瓦斯工作電流 :直流穩(wěn)壓工作點 :2. 8v/ 175ma 測量范圍 :0-4%cn 穩(wěn)定性 :靈敏度變化士 0. 1%ch4 響應時間 :(20s) 2)氣敏元件的組成及作用本設計選用的氣

38、敏元件是由太原電子廠和哈爾濱通江晶體管廠生產(chǎn)的mqkt 型號的半導體氣敏元件，太被用于做各種可燃氣體的檢測、檢漏、監(jiān)控設備的敏感元件。 氣敏元件是準確檢測瓦斯氣體含量的核心元件之一，它由工作元件和補償元件組成， 將這兩個元件分別接在惠斯登電橋上，在元件的電端加入高電平時元件開始工作， 當環(huán)境中無瓦斯氣體時， 調(diào)整電橋使之輸出為零， 當有瓦斯氣體時，瓦斯氣體以擴散方式進入儀器原測量氣室，內(nèi)部接于橋臂的熱催化元件或熱導元件發(fā)生氧化一還原反應，引起元件溫度升高， 阻值增大， 使原來平衡的電橋失去平衡， 輸出與瓦斯?jié)舛认鄬碾妷盒盘枺瑴y量該電壓信號即可知瓦17 斯?jié)舛取?.3 a/d轉(zhuǎn)換電路a/d轉(zhuǎn)

39、換器（ analog digital converter簡稱 adc ）是將輸入的模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件或設備， 即能把被控對象的各種模擬信息變成計算機可以識別的數(shù)字信息，它是模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)或計算機之間的接口。2.3.1 a/d轉(zhuǎn)換器的選型a/d 轉(zhuǎn)換器是測試系統(tǒng)的一個非常重要的環(huán)節(jié)，其芯片種類多，性能各異，功能引腳不盡相同， 實際應用中應根據(jù)分辨率和轉(zhuǎn)換時間兩個重要參數(shù)選擇適當?shù)男酒?其中分辨率就是指 a/d轉(zhuǎn)換器可轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)的位數(shù)或bcd 碼的位數(shù)。與一般測量儀表的分辨率表達方式不同，a/d轉(zhuǎn)換器不采用可分辨的輸入模擬電壓相對值表示， 例如 a/d 轉(zhuǎn)換器 adc080

40、9 的分辨率為 8 位，即該轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)可以用82個二進制數(shù)進行量化， 其分辨率為 1lsb 。如果用百分數(shù)表示分辨率，則分辨率為%39.0%1002561%10021%100218n（4-1）bcd 碼輸出的 a/d轉(zhuǎn)換器一般用位數(shù)表示分辨率，例如 5g14433雙積分 a/d 轉(zhuǎn)換器，分辨率為213位，滿度字位為 1999；用百分數(shù)表示分辨率時，分辨率為%05.0%10019991（4-2）換而言之，分辨率就是a/d 轉(zhuǎn)換器可以轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的最小電壓。如8 位adc 滿量程為 5v，則它能分辨的最小電壓為5000mv/256 20mv , 既模擬電壓小于20mv ，adc 就不能轉(zhuǎn)換了

41、。同樣的5v電壓，若采用 12 位 adc ，則它能分辨的最小電壓為 5000mv/40961mv 。可見，a/d 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多， 其分辨率越高， 但轉(zhuǎn)換速度就越慢。其中a/d 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間是指完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時間，即從輸入啟動轉(zhuǎn)換信號開始到轉(zhuǎn)換結(jié)束所用的時間。轉(zhuǎn)換速度是轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)。通常，轉(zhuǎn)換速度越快越好，特別是對動態(tài)信號采集。在選用 a/d 轉(zhuǎn)換之前，主要應根據(jù)使用的場合的具體要求，按照轉(zhuǎn)換速度，18 精度，價格，功能以及接口條件來決定選擇何種類型。根據(jù)其性能指標， 考慮到系統(tǒng)的精度我們這次選用了icl7109 轉(zhuǎn)換器 , 它是一種高精度、低噪聲、低漂移和低價格的雙積分式a/

42、d 轉(zhuǎn)換器，其數(shù)據(jù)輸出為12 位二進制數(shù)，配有較強的接口電路，能方便地與各種微處理機連接。其主要特性為：12 位二進制形式輸出，并帶有極性和溢出位；與 ttl兼容，具有三態(tài)控制輸出；具有通用控制信號端，能用來方便地監(jiān)視和控制轉(zhuǎn)換時間；片內(nèi)有振蕩器，只需外接晶體或rc器件；具有通用異步收發(fā)器 (uart)數(shù)據(jù)交換制式，可通過簡單的并行或串行接口與微機相接；真正的差分輸入和差分基準電壓；最大運行速度為每秒轉(zhuǎn)換30 次；所有輸入都具有防止靜電的保護措施；雙電源供電；輸入阻抗為 1012；功耗為 20mw ；2.3.2 icl7109芯片簡介gn d1status2pol3or4b1 25b1 16b

43、1 07b98b89b71 0b61 1b51 2b41 3b31 4b21 5b11 6test1 7lben1 8hb en1 9ce/load2 0m ode2 1oscin2 2oscout2 3osc set2 4bu fout2 5ru n/hold2 6send2 7v-2 8refout2 9bu f3 0az3 1int3 2co m3 3inlo3 4inli3 5ref in +3 6ref cap+3 7ref cap-3 8ref in -3 9vc c4 0icl71 0 9圖 2-4 icl7109的管腳圖由 icl7109 的引腳圖可見其采用40腳封裝，其中各個

44、引腳的功能意義如下：1 腳：gnd，邏輯地。19 2 腳：status ，工作狀態(tài)輸出端。該信號為“1”時表示正在轉(zhuǎn)換，為“ 0”時表示轉(zhuǎn)換完畢。3 腳：pol ，極性輸出端。為“ 1”時表示正信號輸入，為“0”時表示負信號輸入。4 腳：or ，超量程輸出端。為“ 1”時表示溢出，為“ 0”時表示正常。 5 16 腳：12 位二進制數(shù)據(jù)輸出端。 17 腳：test ，自身功能檢測端。 18腳：lben，低 8 位數(shù)據(jù)輸出選通端，低電平有效。 19腳：hben（為低） ，高 4 位及極性位、溢出位選通端，低電平有效。 20腳：ce/load，片選端，低電平有效，并同時配合21 腳 mode 信號

45、工作。 2l腳：mode，工作方式選擇端。低電平時轉(zhuǎn)換器為直接輸出方式，此時可在片選和字節(jié)使能的控制下直接讀取數(shù)據(jù)；高電平脈沖時轉(zhuǎn)換器處于uart 方式，并在輸出兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)后返回到直接輸出方式。當輸入高電平時， 轉(zhuǎn)換器將在信號交換方式的每一轉(zhuǎn)換周期的結(jié)尾輸出數(shù)據(jù)。 22、23腳：oscin 、oscout，時鐘輸入、輸出端。 24腳：oscset，時鐘振蕩器方式選擇端， 高電平時采用 rc振蕩器工作方式，低電平時采用品體振蕩器工作方式。 25腳：bufout，時鐘緩沖器輸出端。 26腳：holdrun /，轉(zhuǎn)換控制端。高電平時，每經(jīng)8192個時鐘完成一次轉(zhuǎn)換；低電平時，轉(zhuǎn)換器將立即結(jié)束消除

46、積分階段并跳至自動調(diào)零階段，從而縮短了消除積分階段，提高了轉(zhuǎn)換速度。 27腳：send ，與外設進行數(shù)據(jù)交換控制端。 28、40腳：v-、v+，電源負與電源正端。 29腳：refout，基準電壓輸出端，一般為+2.8v，經(jīng)電阻分壓輸出。 30腳：buf ，緩沖放大器輸出端，接積分電阻intr。 31腳：az ，自零電容端，接自零電容azc。20 32腳：int，積分器輸出端，接積分電容intc。 33腳：com ，模擬公共端。 34、35腳：inlo 、inhi，差分輸入低端與高端。36、39腳：ref in+、ref in-，基準電壓輸入正端與負端37、38 腳：refcap+、refcap

47、- ，基準電容輸入端。2.3.3 a/d轉(zhuǎn)換部分電路a/d轉(zhuǎn)換部分電路是由a/d轉(zhuǎn)換器 icl7109 構(gòu)成的，其主要作用是將氣體傳感器 mq-kt 所得到的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 （該模擬電壓信號與瓦斯氣體的體積分數(shù)相對應），便于輸入到單片機中進行數(shù)據(jù)處理。圖 2-5 a/d轉(zhuǎn)換電路前面我們已經(jīng)分析過氣體傳感器mq-4完全符合此次設計的要求，所以在這里 mq-kt 的作用就是將氣體瓦斯的濃度轉(zhuǎn)換成與之相對應的模擬電壓信號。我們需要將該模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，只有這樣才能經(jīng)過單片機進行處理。在這里我們經(jīng)過 a/d 轉(zhuǎn)換器 icl7109 將其進行轉(zhuǎn)換。 icl7109 為 12 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器

48、，數(shù)據(jù)可分為低 8 位和高 4 位分時傳送給單片機， 由我們的電路圖我們可以看出工作方式選擇端 mode 我們直接接地了，也就是說現(xiàn)在轉(zhuǎn)換器的工作方式為直接輸出方式，在該工作方式下我們可以在片選和字節(jié)使能的控制下直接讀取數(shù)據(jù)。而且工作狀態(tài)輸出端 status 與單片機的 int1 直接相連，這樣完成一次轉(zhuǎn)換便能向單片機發(fā)出一個中斷信號， 表明數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換已完成， 單片機此時可以接收數(shù)據(jù)。 具體的數(shù)據(jù)傳輸過程是由7109 的片選ce及低 8 位數(shù)據(jù)輸出選通端lben（低電平有21 效） 和高 4 位數(shù)據(jù)輸出選通端hben（也是低電平有效） 配合來完成，同時hben也兼作極性位、 溢出位選通端 （主要

49、用于判斷傳輸數(shù)據(jù)的正誤） ，我們將lben，hben分別接至單片機的p2.6 和 p2.7， 同時將 7109的片選端接至 p1.7 容易得知當 p1.7 為低（也就是說此時7109 被選中可以進行數(shù)據(jù)的傳輸）且p2.6 為低時低 8 位數(shù)據(jù)進行傳輸，而當p2.7 為低時高 4 位數(shù)據(jù)進行傳輸。圖 3-4 中的 a/d 轉(zhuǎn)換器 icl7109 的外圍電路參數(shù)計算如下：1積分電阻intr的選擇緩沖放大器和積分器能夠提供20ua的推動電流。積分電阻要足夠大，以保證在輸入電壓范圍內(nèi)的線性( 當然也不能無限制地大 )，對于 4.096v 滿刻度輸入電壓，取k200比較合適。類似地，k20電阻對應于40

50、9.6mv 滿刻度輸入電壓。intr一般可以由下式選擇：61020滿度刻盤intr（4-3）針對于我們此次的設計， 由于 icl7109 輸入電壓是與 mq-4的輸出電壓ov相連的，而 mq-4 的輸出電壓ov處與 0.3 0.6v 之間，所以我們電路的積分電阻值選為k20。2積分電容intc的選擇積分電容根據(jù)積分器給出的最大輸出擺幅電壓來選擇，這個電壓應使積分器不飽和 (大約為低于電源 0.3v) 。對 icl7109 加5v電源，模擬公共點接地，積分器輸出擺幅一般為 3.54v。對于不同的時鐘頻率，電容值也要改變，以保持積分器輸出電壓的镕幅。另外，要求積分電容具有低介質(zhì)吸收，以防止?jié)L動誤差

51、，一般選用聚丙烯電容。intc通常由下式給出：積分輸出擺幅時鐘周期/102020486intc（4-4）積分器輸出電壓的擺幅值可以通過示波器在32 腳觀察積分器的輸出波形來得到，一般取 4。積分電容 cint接入積分電容連接端int。當4.096v，rint20 k。此時， cint在 0.1 0.5uf 之間選擇，一般選0.33uf 較好。22 3自零電容azc的選擇自零電容的大小與系統(tǒng)的噪聲有關，電容越大，噪聲越小。但電容不能無限制地增大，因為它和積分電容并聯(lián)決定rc時間常數(shù)，該時間常數(shù)決定了恢復速度。對于 409.6mv的滿刻度輸入電壓，azc值選為intc的兩倍最佳。 對于 4.096

52、v的滿刻刻度輸入電壓，azc值應為intc的一半。所以1/2cint又因為上面我們計算出來的 cint0.33uf。所以0.15uf 4基準電容refc的選擇在大多數(shù)應用場合，refc選為 1uf 最合適，但系統(tǒng)如果存在著較大共模干擾時，對于 409.6mv的滿刻度輸入，可將refc值選得大一些，例如取4.7uf。5基準電壓refv的選擇對模擬輸入要求滿度輸出4096 個時鐘數(shù)時，應滿足refivu2的關系。即對于滿度輸入 409.6mv ，refv204.8mv ；對于滿度輸入 409.6v，refv2.048v。但在有些應用場合， a/d轉(zhuǎn)換的輸出不一定是滿度量程，這時將refv選為輸入電

53、壓 ui 的一半即可?；鶞孰妷旱膩碓?，可以使用29 腳輸出的基準電壓 (2.8v) 分壓得到，也可通過外接基準源得到。我們這次設計的基準電壓是采用外接基準源來的得到的。我們的外接基準源選用基準電壓源mc1403芯片作為12 位 a/d 轉(zhuǎn)換芯片icl7109 的基準電壓， 它可以提供2.5 v基準電壓，保證了轉(zhuǎn)換的溫度穩(wěn)定性和精度。2.4 數(shù)據(jù)顯示電路2.4.1 顯示器的選擇我們選用 led數(shù)碼管作為顯示器件。數(shù)碼管的工作原理如下：數(shù)碼管由 8 個 led發(fā)光二極管組成，外形如圖2-6 所示。 a-g 和 dp 為 8 個23 發(fā)光二極管，其中a-g 用于顯示字符， dp 用于顯示小數(shù)點。當發(fā)

54、光二極管正向?qū)〞r，借著點亮每一段的led就可以顯示出數(shù)字。 本設計采用的就是共陰極接法的數(shù)碼管。下圖是八段數(shù)碼管的引腳：圖 2-6 led 引腳圖各段碼位的對應關系如下：段碼位d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0 顯示段dp g f e d c b a 表 2-2 段碼位與顯示位對應關系表字型和對應的共陰極段碼如下表：字型共陰極段碼字型共陰極段碼0 3fh 9 6fh 1 06h a 77h 2 5bh b 7ch 3 4fh c 39h 4 66h d 5eh 5 6dh e 79h 6 7dh f 71h 7 07h 空白00h 8 7fh p 73h 表 2-3 十六進制數(shù)及

55、空白字符與p的顯示段碼2.4.2 數(shù)據(jù)顯示電路在顯示器件的選擇中我們采用了數(shù)碼管進行顯示數(shù)據(jù)。其中數(shù)碼管顯示器有兩種顯示方式， 即靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式。由于此次顯示電路是為了顯示瓦斯?jié)舛戎登移錆舛仁亲兓?，所以采用動態(tài)顯示。由于采用動態(tài)顯示， 因此除了要給顯示器提供顯示段碼之外，還要對顯示器24 進行位控制，即通常所說的“段控”和“位控”。因此對于采用動態(tài)顯示的電路來說，單片機都需要提供兩種輸出口，一種用于輸出顯示段碼， 另一種用于輸出位控信號?！拔豢亍睂嶋H上就是對led顯示器的公共端進行控制，位控信號的數(shù)目與顯示器的位數(shù)相同。圖 2-7 顯示電路設計顯示電路設計為四位led ，由單片機

56、 89s51的串行輸出口經(jīng)串行輸入轉(zhuǎn)并行輸出來控制段選，位選接在p1口的 p1.3p1.6。這種設計是為了采用動態(tài)顯示方式。2.5 按鍵電路此次設計的瓦斯?jié)舛葓缶瘍x應具備兩種基本功能，一是隨時輸入報警上限值，二是隨時對當前的報警上限值進行修改，要實現(xiàn)這兩種功能， 可以接入鍵盤輸入電路。將按鍵分別直接與單片機的p2口的 p2.0、p2.1、p2.2、p2.3 連接，分別控制改變數(shù)字顯示器的個位、十位、百位、千位。25 圖 2-8 按鍵設計電路2.6 電源電路在此次設計中我們所用到的電源只有5v，所以我們只需設計 5v 的電源即可。電源部分電路由220v 交流電經(jīng)整流 , 濾波 , 穩(wěn)壓后得到的，

57、電路如下所示：圖 2-9 電源電路2.7 聲光報警電路聲光報警電路是由蜂鳴器和發(fā)光二極管組成的，用 p1.0 和 p1.1 作為聲光報警電路的使能信號輸出端。為了提高聲光報警電路的驅(qū)動能力均加有74ls04反向驅(qū)動器同時為了保證電路可靠工作加了限流電阻。其中蜂鳴器我們采用+5 伏26 直流蜂鳴器，其屬于無源蜂鳴器，內(nèi)部封裝有音頻振蕩電路只要外加+5 直流電源電壓即可起振發(fā)聲。 當采集到的瓦斯?jié)舛瘸^預先設定的上限值時，系統(tǒng)發(fā)出聲光報警信號。聲光報警電路如圖 2-10 所示。圖 2-10 聲光報警電路27 第三章系統(tǒng)的軟件設計軟件設計編制的程序易于調(diào)試、修改，可讀性好， 軟件的設計是一個將需求轉(zhuǎn)

58、變?yōu)檐浖愂龅倪^程。 系統(tǒng)軟件設計采用自頂向下、 模塊化、 結(jié)構(gòu)化的程序設計方法，把總的編程過程逐步細分， 分解成一個個功能模塊， 每個模塊相互獨立，其正確與否不依賴其它模塊， 每個模塊都能完成一個明確的任務、實現(xiàn)某個具體的功能。3.1 主程序單片機系統(tǒng)上電后， 首先要對系統(tǒng)進行初始化， 初始化程序包括內(nèi)存空間的分配、初始變量的設置、 設定堆棧指針等。 正常初始化后開放定時器中斷，外部中斷和串行口中斷， 然后啟動定時器定時。 每隔一段時間對瓦斯的濃度采集一次，將采集到的模擬量濃度數(shù)據(jù)存到寄存器中，當系統(tǒng)在取數(shù)據(jù)進行顯示的過程中要產(chǎn)生中斷，調(diào)用中斷處理子程序， 在中斷處理子程序中進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及顯

59、示濃度。主程序編好后編制各從屬的程序和子程序，最后完成整個系統(tǒng)的軟件設計。系統(tǒng)軟件設計中要實現(xiàn)的功能有： 用戶機的單片機系統(tǒng)要完成定時地對瓦斯?jié)舛鹊倪M行檢測，將瓦斯?jié)舛戎档倪M行a/d 轉(zhuǎn)換，動態(tài)地顯示采集到的瓦斯?jié)舛戎担暪鈭缶?。圖 3-1 主程序流程圖開 始初始化調(diào)顯示子程序28 3.2 子程序設計3.2.1 中斷子程序為了較準確的監(jiān)測瓦斯?jié)舛龋?我們需要對瓦斯?jié)舛冗M行數(shù)據(jù)采集，這里是指單片機的數(shù)據(jù)采集。 其硬件電路包括 mq-4 、a/d7109及單片機， 濃度經(jīng)過傳感器變換為模擬電壓再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入單片機中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完畢之后是通過中斷的方式送入單片機的。通過外部中斷int1 來

60、完成，由于檢測瓦斯?jié)舛仍跁r間上較嚴格，更不允許丟失數(shù)據(jù)，所以int1 的中斷優(yōu)先級設定為高。其流程圖如下所示：圖 3-2 中斷子程序流程圖3.2.2 聲光報警子程序當聲光報警開啟后，當達到提醒人們離開的目的后， 我們需要解除聲光報警，n y 保護現(xiàn)場單片機從 a/d轉(zhuǎn)換器中采集數(shù)據(jù)濃度超限 ? 用采集數(shù)據(jù)刷新顯示啟動報警中斷返主29 解除報警有兩種途徑， 一種是手動解除， 一種是系統(tǒng)自動解除， 若沒有手動解除報警，則系統(tǒng)可通過調(diào)用20s 的延時時間來自動解除報警。圖 3-3 聲光報警流程圖n y y n 采 集 濃 度值 設定濃度調(diào) 用 延 時 子程序啟動聲光報警手動解除報警 ? 延時到自動解