基于單片機控制的甲烷濃度監(jiān)測儀硬件設(shè)計

1、第1章 概述1.1 項目提出的必要性和國內(nèi)外研究水平和動向 從我國煤炭生產(chǎn)的現(xiàn)狀及我國能源結(jié)構(gòu)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”的甲烷爆炸事故更是重大事故發(fā)生率之首。在去年又接連發(fā)生了多起甲烷爆炸事故，事故的結(jié)果觸目驚心，因此通過強化甲烷管理，提高通風、甲烷檢測監(jiān)控水平，已成為中小型煤礦甲烷檢測監(jiān)控的最迫切的任務(wù)之一。 煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)，是

2、目前為止實際通風甲烷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)的煤礦的甲烷事故發(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(yīng)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(shè)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、

3、維護復雜，操作不便，人機界面較差系統(tǒng)設(shè)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(yīng)用于國內(nèi)煤礦尚有一定的局限性，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(wù)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(guān)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(guān)鍵所在。沼氣(甲烷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

4、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。甲烷濃度檢測儀器就是用來監(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(zāi)害的嚴重性，甲烷濃度檢測儀器在煤礦是數(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甲烷叫做瓦斯，因此檢測甲烷濃度的儀器，有的叫瓦斯檢定器，有的又叫沼氣檢定器，在這里，甲烷，沼氣和瓦斯是同義詞。1.2 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，

5、提高煤炭企業(yè)的經(jīng)濟效益，應(yīng)對井下的氣象進行檢測，對可能造成災(zāi)害事故的各種有的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(zāi)變，必須及時救護遇難人員和處理事故。所有這些都需要有相應(yīng)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甲烷檢

6、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甲烷檢定器，其測量精度不斷提高，檢測方式從“間斷”、“就地”檢測發(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(yīng)用，一套監(jiān)測系統(tǒng)，除能檢測高低濃度甲烷外，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(shè)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(guān)量，傳輸距離為13km。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甲烷濃度超限時，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

7、的攜帶式儀器，也隨著測試技術(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)的攜帶式甲烷檢測儀重量只有0.28Kg，外形尺寸為146*65*38mm 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(shè)

8、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礦安全監(jiān)測系統(tǒng)和生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，在引進的基礎(chǔ)上，我國也研制了一批安全監(jiān)測系統(tǒng)，如常州煤研所的KJ1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(shè)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 km。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。1

9、.3 測量儀器的基本性能1.3.1 測量儀器的概念煤礦安全儀器是用來檢查測量礦井安全狀況的物質(zhì)手段。什么是測量呢?測量是人們對自然界的客觀事物取得數(shù)量觀念的一種認識過程。在這一過程中，借助于專門的技術(shù)工具，通過實驗方法，求出以所采用的測量單位表示的未知量的數(shù)值大小。測量的目的是為了在限定的時間內(nèi)盡可能正確地收集被測對象未知信息，以便掌握被測對象的參數(shù)及控制生產(chǎn)過程。例如，在采煤機上安裝采煤機瓦斯斷電控制儀。它不僅可以連續(xù)監(jiān)測采煤機附近風流的甲烷濃度，而且在甲烷濃度超限時還可發(fā)出聲、光報警信號，并自動切斷采煤機的工作電源以防發(fā)生瓦斯事故, 確保生產(chǎn)安全。1.3.2 測量儀器的基本性能評價測量儀器

10、品質(zhì)的指標是多方面的。儀器的基本性能，主要是衡量儀器測量能力的一些指標，如精確度、穩(wěn)定性、測量范圍、動態(tài)范圍等。但工作可靠性、經(jīng)濟性也很重要，這些因素在很大程度上影響儀器的使用。1.4 本論文的結(jié)構(gòu)安排 第一章是文章概述。介紹了該課題提出的必要性和國內(nèi)外研究水平與動向以及測量儀器的基本性能，同時給出整個論文的結(jié)構(gòu)安排。 第二章是研究內(nèi)容、方法和原則。闡述了課題研究的內(nèi)容，設(shè)計思路和方法以及整體設(shè)計所遵循的原則。 第三章是監(jiān)控儀的工作原理。對甲烷濃度監(jiān)控儀作了原理分析，同時介紹了敏感元件的結(jié)構(gòu)和工作原理以及整機工作原理。 第四章是硬件設(shè)計。對組成系統(tǒng)的CPU、時鐘電路、敏感元件、小信號放大電路、

11、A/D轉(zhuǎn)換電路、通信電路以及看門狗監(jiān)控電路都作了詳細介紹。 第五章是軟件設(shè)計。介紹了軟件設(shè)計采用的方法和所遵循的原則，并給出了部分主要程序的軟件流程圖及程序。 第六章是結(jié)束語。對整個系統(tǒng)作了一個概括性的總結(jié)，既介紹了儀器的優(yōu)點又指出了其不足之處。 致謝中對參與了課題的研究和給予幫助的老師和同學作了感謝。最后是文章的參考文獻和中英文附錄。第2章 研究內(nèi)容、方法和原則2.1 研究內(nèi)容 儀器的設(shè)計，本著簡明、科學、實用的原則，力求從整體出發(fā)，從實際使用出發(fā)，突出系統(tǒng)的可靠性、免維護、免培訓特點和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡明和完整性，把對操作人員的專業(yè)技術(shù)要求降到最低，發(fā)揮系統(tǒng)整體設(shè)計的優(yōu)勢，使系統(tǒng)整體性能達到最佳

12、，功能強大而操作簡單，測量精確而維護方便。在系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)充分應(yīng)用近年來發(fā)展起來的各種新技術(shù)、新器件、新方法，在保證各項性能指標能夠滿足系統(tǒng)各方面要求的前提下，力求簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，提高可靠性和穩(wěn)定性。作為一種完整的煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)，它至少應(yīng)具備以下設(shè)備和功能:1.傳感器: 監(jiān)測要素的采集，轉(zhuǎn)換 轉(zhuǎn)換后電信號的處理，加工2.傳輸系統(tǒng) 信號的遠距離傳送 信號的調(diào)制和解調(diào)3.計算機系統(tǒng) 信號的采集 數(shù)據(jù)的處理設(shè)計時需要注意的問題：1.產(chǎn)品的技術(shù)指標、生產(chǎn)工藝等要符合國家有關(guān)規(guī)定及煤炭部，地方管理部門的規(guī)定。2.運行的可靠性和穩(wěn)定性一定要好，安裝、維護要方便，操作要簡單。3.各項功能要實用，既

13、要滿足國家和地方的有關(guān)規(guī)定也要考慮用戶的要求。4.設(shè)計、制造盡可能使用通用的有替代產(chǎn)品的元件，器件和設(shè)備。5.能使用軟件實現(xiàn)的功能，一般不使用硬件來實現(xiàn)，以減小體積，將成本降至最低。6.設(shè)計要從整體出發(fā)，分步、分層實施，突出系統(tǒng)的整體性能，力求系統(tǒng)整體性能最優(yōu)化。在以上設(shè)計原則的指導下，本系統(tǒng)各部分的主要實現(xiàn)方法確定如下：1.發(fā)送采用調(diào)制解調(diào)方式通訊。2.數(shù)據(jù)處理功能盡可能完善，容易擴充。3.為提高軟件的運行效率，軟件全部使用匯編語言。2.2 儀器的設(shè)計原則在總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，首先重點突出系統(tǒng)整體性能，價格最優(yōu)的原則，本著先進、簡明、實用的設(shè)計指導思想，從傳感器的信號采集、處理傳輸，到系統(tǒng)軟件

14、的設(shè)計，在整體最優(yōu)原則的指導下，發(fā)揮各自的設(shè)計靈活性。其次，系統(tǒng)整體設(shè)計上，著重考慮系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性，監(jiān)測的快速和準確，安裝、維護的方便和經(jīng)濟性，操作使用的簡便，少維護，免培訓等。2.3 課題研究的總體思路1.加強監(jiān)控系統(tǒng)的實用性，將監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計制造同現(xiàn)場的實際需要密切結(jié)合起來，整體結(jié)構(gòu)大為簡化，安裝使用十分簡便，希望使監(jiān)控系統(tǒng)真正成為礦井通風管理的得力助手。2.提高產(chǎn)品的技術(shù)應(yīng)用水平和整體質(zhì)量檔次，在結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料適用、工藝安排等方面都努力使產(chǎn)品在技術(shù)上、質(zhì)量上更上一個新的臺階。3.花大力氣提高產(chǎn)品的可靠性，從軟件到硬件，從元器件到整機，都盡最大努力提高整體系統(tǒng)的可靠性。第三章 監(jiān)

15、控儀工作原理3.1 甲烷濃度檢測儀原理分析甲烷濃度檢測儀器按其工作原理不同，有下列幾種:1.光干涉式光干涉式是利用光波對空氣和甲烷折射率不同所產(chǎn)生的光程差，引起干涉條紋移動來實現(xiàn)對不同甲烷濃度的測定。其優(yōu)點是準確度高，堅固耐用，校正容易，高低濃度均可測量，還可測量二氧化碳濃度;其缺點是濃度指示不直觀，受氣壓溫度影響嚴重，特別是空氣中氧氣不足或氮、氧的比例不正常時，要產(chǎn)生誤差;光學零件加工復雜，成本較高和實現(xiàn)自動檢測較困難。2.熱催化式熱催化式是利用甲烷在催化元件上的氧化生熱引起其電阻的變化來測定甲烷濃度。其優(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

16、顯示都比較方便，所以儀器的結(jié)構(gòu)簡單，受背景氣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，不能測高濃度甲烷，硫化氫及硅蒸汽會引起元件中毒而失效。目前國內(nèi)外檢測甲烷的儀器廣泛采用這一原理。3.熱導式熱導式是利用甲烷與空氣熱導率之差來實現(xiàn)甲烷濃度的測定。其優(yōu)點是熱導元件和儀器設(shè)計制作比較簡單，成本低、量程大，可連續(xù)檢測，有利于實現(xiàn)自動遙測，被測氣體不發(fā)生物理化學變化，讀數(shù)穩(wěn)定，元件壽命長。其缺點是測量低濃度甲烷時輸出信號小，受氣溫及背景氣體的影響較大。4.紅外線式紅外線式是利用甲烷分子能吸收特定波長的紅外線來測定甲烷濃度。其優(yōu)點是采用這一原理的儀器精度高，選擇性好，不受其它氣

17、體影響，測量范圍寬，可連續(xù)檢測;其缺點是由于有光電轉(zhuǎn)換精密結(jié)構(gòu)，使制造和保養(yǎng)產(chǎn)生困難，而且體積大，成本高，耗電多，因此推廣使用受到一定限制。5.氣敏半導體式氣敏半導體的種類較多，如氧化錫、氧化鋅等燒結(jié)型金屬氧化物。這一原理是利用氣敏半導體被加熱到200時，其表面能夠吸附甲烷而改變其電阻值來檢測甲烷濃度。其優(yōu)點是對微量甲烷比較敏感，結(jié)構(gòu)簡單、成本低。但當濃度大于1 %CH4時，其反應(yīng)遲鈍，選擇性和線性均較差，所以很少用于煤礦井下甲烷濃度的檢測，而多用于可燃氣體的檢漏報警。6.聲速差式在溫度為220、氣壓為101325Pa條件下，聲波在甲烷中的傳播速度為432m/s，而在清潔空氣中為332m/s。

18、比較這兩種速度就可測定高濃度甲烷。其優(yōu)點是讀數(shù)不受氣壓影響;其缺點是不適合測量低濃度甲烷，一般只用來檢測礦井抽放甲烷管道中的甲烷濃度，對背景氣體、粉塵及氣溫變化很敏感。7.離子化式氣體在放射性元素的輻射作用下發(fā)生電離，在氣體介質(zhì)中的兩個電極之間便有電流產(chǎn)生。測量空氣介質(zhì)和被測甲烷中的電流大小，便可測出甲烷濃度。其優(yōu)點是快速，可以連續(xù)自動檢測，靈敏度高，測量準確，可測二氧化碳濃度。其缺點是測量低濃度甲烷困難，空氣濕度對儀器讀數(shù)有影響，傳感器結(jié)構(gòu)復雜。3.2 熱催化元件的結(jié)構(gòu)及工作原理 熱催化元件的結(jié)構(gòu)載體催化元件最里層是用0.02O.O5mm的高性能鉑絲繞制的螺旋圈，外面是由三氧化二鋁和催化劑組

19、成的催化外殼。鉑絲螺旋圈完成加熱;三氧化二鋁載體有定型、傳熱和載附催化劑等功能。催化劑由氯化鈀外加穩(wěn)定劑釷(Tu)配制而成，有降低起燃溫度、加強選擇性、提高穩(wěn)定性等功能。當載體催化元件遇到甲烷與空氣的混合氣體時，在催化劑的作用下，甲烷氣體在元件表面發(fā)生無焰燃燒，產(chǎn)生的熱量使鉑絲的溫度升高。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(shè)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(yīng)，為使電橋在無甲烷狀態(tài)下處于平衡狀態(tài)，

20、橋路內(nèi)裝有調(diào)零電位器W。此外，傳感器電源應(yīng)是經(jīng)過穩(wěn)壓的穩(wěn)壓源。根據(jù)設(shè)計要求，本項目采用熱催化式工作原理。3.2.2 敏感元件工作原理黑元件載體是催化燃燒式元件，當甲烷氣體在元件表面與氧氣產(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，對非甲烷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。當含有甲烷的空氣在高溫和催化劑的作用下，發(fā)

21、生無焰燃燒，而在白元件上則不致使甲烷燃燒，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(yīng)溫度的熱敏元件，根據(jù)鉑絲的正溫度系數(shù)的特性，溫度升高時電阻增大，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甲烷濃度的高低，檢測此電壓便可測量出甲烷濃度。3.3 整機工作原理熱催化原理又稱催化燃燒原理。利用該原理的甲烷測定器是當前國內(nèi)測量低濃度甲烷的檢測儀器中采用最廣泛的一種，而且還在不斷的提高和發(fā)展。其基本原理是根據(jù)甲烷在一定的溫度條件下氧化燃燒，且在一定的濃度范圍內(nèi)，不同濃度的甲烷在燃燒過程中要釋放出熱量不同的特性，來達到測定甲烷濃度的目的。甲

22、烷濃度報警監(jiān)控儀的工作原理如圖3-1所示。時鐘芯片通信電路顯示電路報警電路可編程看門狗電路CPU敏感元件小信號放大電路A/D轉(zhuǎn)換圖3-1工作原理圖 Figure 3-1 Working drawings在催化元件電源端加上一正電壓，使催化元件開始工作，輸出與甲烷濃度相對應(yīng)的電壓信號，此電壓經(jīng)過放大電路放大后，送到A/D轉(zhuǎn)換，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甲烷濃度值，若被測氣體中甲烷濃度超過報警電路預定的數(shù)值時，報警電路即發(fā)出聲、光報警信號。時鐘芯片用于產(chǎn)生實時時間，并通過4位數(shù)碼管顯示小時和分。當計算機控制系

23、統(tǒng)需要查詢甲烷濃度時，只要發(fā)出相應(yīng)信息，報警儀即可將測量結(jié)果經(jīng)串行口及通信電路傳送出去，最長傳輸距離可達到20km。第四章 硬件電路設(shè)計為適應(yīng)安全生產(chǎn)的需要，同時滿足體積小、耗電少、精度高的要求，硬件電路設(shè)計中盡可能選用功耗小，性能穩(wěn)定的集成電路芯片。4.1 微控制器CPUCPU是監(jiān)控報警儀的核心，完成數(shù)據(jù)采集、處理、輸出、顯示等功能,是整個儀器正常工作的基礎(chǔ)，它的選擇直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的工作。選擇通用性強、功耗小、性能穩(wěn)定良好的8位CMOS微處理器芯片AT89C51，它與常用MCS-51型單片機兼容，工作電壓為2.7V6.OV,具有32條可編程I/O端口，3個16位定時計數(shù)器，256

24、5;8位內(nèi)部RAM,內(nèi)帶8K字節(jié)快閃EEPROM的特點，大大簡化了電路的設(shè)計。引腳圖如圖4-1：圖4-1 AT89C51引腳圖 Figure 4-1 The pin chart of AT89C51部分引腳功能說明：XTAL1：接外部晶振的一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是一反相放大器輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。它采用外部振蕩器時，此引腳應(yīng)接地。XTAL2：接外部晶振的一個引腳。在片內(nèi)接至振蕩器的反相放大器輸出端和內(nèi)部時鐘發(fā)生器輸入端。當采用外部振蕩器時，則此引腳接外部振蕩信號的輸入。RST：AT89C51的復位信號輸入引腳，高電位工作，當要對芯片復位時，只要將此引腳電位提升到高電位，并持續(xù)

25、兩個機器周期以上的時間，AT89C51便能完成系統(tǒng)復位的各項工作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器的內(nèi)容均被設(shè)成已知狀態(tài)。ALE/：ALE表示允許地址鎖存允許信號。當訪問外部存儲器時，ALE信號負跳變來觸發(fā)外部的8位鎖存器 (如74LS373)，將端口P0 的地址總線(A0-A7)鎖存進入鎖存器中。在非訪問外部存儲器期間，ALE引腳的輸出頻率是系統(tǒng)工作頻率的1/16，因此可以用來驅(qū)動其他外圍芯片的時鐘輸入。：訪問外部程序存儲器選通信號，低電平有效。在訪問外部程序存儲器讀取指令碼時，每個機器周期產(chǎn)生二次 信號。在執(zhí)行片內(nèi)程序存儲器指令時，不產(chǎn)生PSEN 信號，在訪問外部數(shù)據(jù)時，亦不產(chǎn)生信號。P0：P0口(

26、P0.0P0.7)是一個8位漏極開路雙向輸入輸出端口，當訪問外部數(shù)據(jù)時，它是地址總線（低8位）和數(shù)據(jù)總線復用。外部不擴展而單片應(yīng)用時，則作一般雙向I/O口用。P0口每一個引腳可以推動8個LSTTL負載。P2：P2口(P2.0P2.7)是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/0端口(準雙向并行I/O口)，當訪問外部程序存儲器時，它是高8位地址。外部不擴展而單片應(yīng)用時，則作一般雙向I/O口用。每一個引腳可以推動4個LSTL負載。P1：P1口(P1.0P1.7)口是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/0端口(準雙向并行I/O口)，其輸出可以推動4個LSTTL負載。僅供用戶作為輸入輸出用的端口。P3：P3口(P3.0P3.

27、7)口是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/0端口(準雙向并行I/O口)，它還提供特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計時計數(shù)控制及外部隨機存儲器內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ?。其特殊功能引腳分配如下：P3.0 RXD 串行通信輸入P3.1 TXD 串行通信輸出P3.2 外部中斷0輸入,低電平有效P3.3 外部中斷1輸入,低電平有效P3.4 T0 計數(shù)器0 外部事件計數(shù)輸入端P3.5 T1 計數(shù)器1 外部事件計數(shù)輸入端P3.6 外部隨機存儲器的寫選通，低電平有效P3.7 外部隨機存儲器的讀選通，低電平有效在設(shè)計中用到了多片串行通信的芯片，但選用的單片機AT89C51只有一個串行口，這給連接帶來了極大的麻煩

28、。在設(shè)計中，用單片機未用到的普通I/O口輔之控制軟件來模擬串行口工作，從而解決了串行口不夠用的難題。4.2 敏感元件4.2.1 熱催化元件的特性在選擇敏感元件時，主要從以下幾個方面來衡量:(1)活性。元件活性是指元件對甲烷氧化燃燒的速率。元件活性高，通過電橋測量甲烷時，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甲烷中，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

29、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, 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，在同一甲烷濃度下輸出活性大小是不相同的。只有當工作電壓或工作電流在某一范圍內(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±10%。(4)輸出特性。元件輸出特性，是指在不同的甲烷濃度下，元件的活性與甲烷濃度的關(guān)系。在0-5%CH4范圍內(nèi)，電橋輸出信號與甲烷濃度呈線性關(guān)系。當甲烷濃度在9.5%處時

30、，曲線出現(xiàn)拐點，以后隨著甲烷濃度的增大，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度甲烷氣體中缺氧使燃燒不完全所造成的。所以，這種原理的甲烷檢測儀只能測量低濃度甲烷。(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(shè)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，就會阻止甲烷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

31、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)象稱為元件被濃甲烷激活。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)會造成輸出不穩(wěn)，這是在使用中應(yīng)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(yīng)速度。反應(yīng)速度是工作元件的一個重要指標。特別是當元件應(yīng)用到各種運動機械上時，就更為突出。在井下空氣中，當甲烷濃度發(fā)生變化時，元件

32、的反應(yīng)速度由兩個因素決定，一是元件本身的時間常數(shù):，二是甲烷向元件擴散的速度。元件的時間常數(shù)可由下式確定: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; :常數(shù); T:元件的工作溫度; I:工作電流; R:元件電阻; :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(yīng)速度。本設(shè)計中選擇的敏感元件型號為:FWC-2。參數(shù)為:測量介質(zhì):甲烷工作電流:直流穩(wěn)壓工作點:2. 8V/175mA測量范圍:0-4%CH4穩(wěn)定性:靈敏度變化±0.1%CH4響應(yīng)時間:20S4.2.2 敏感元件的組成及作用敏感元件是準確檢測甲烷氣體含

33、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，在元件的電源端加入高電平時元件開始工作，當環(huán)境中無甲烷氣體時，調(diào)整電橋使之輸出為零，當有甲烷氣體時，甲烷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)生氧化還原反應(yīng)，引起元件溫度升高，阻值增大，使原來平衡的電橋失去平衡，輸出與甲烷濃度相對應(yīng)的電壓信號，測量該電壓信號即可知甲烷濃度它的基本測試電路圖如圖4-2所示。圖4-2 敏感元件的基本測試電路 Figure 4 -2 the basic testing circuit of sensitive components 4.3 實時時鐘模塊：本

34、設(shè)計的儀器具有實時時間顯示功能，通過4位LED顯示當前時間（小時和分）。我選擇DS1307芯片作為系統(tǒng)的時鐘。DS1307串行實時時鐘芯片，是具有I2C總線接口的外圍器件，該芯片內(nèi)部具有BCD碼時鐘/日歷和56個字節(jié)的非易失性SRAM的數(shù)據(jù)存儲器，兩線串行接口，自動的掉電保護和開關(guān)循環(huán)等功能，具有可編程、低功耗、體積較小和引腳少的特點。同時它獨立于CPU工作，不受CPU主晶振和電容的影響，計時準確。 DS1307時鐘芯片的引腳功能部分引腳功能如下：SCL：時鐘信號輸入端，使數(shù)據(jù)在串行接口的傳送同步進行SDA：串行數(shù)據(jù)輸入/輸出的引腳，需外接上拉電阻。X1，X2：外接晶振引腳，與標準32.768

35、 KHZ晶振相連，可以修正時鐘的精確度。 DS1307時鐘格式與地址分配1.內(nèi)部寄存器與RAM地址分配DS1307內(nèi)部由存儲區(qū)RAM和時間寄存器兩部分組成。時間寄存器的地址從00H到07H，RAM有56個字節(jié)，地址從08H到3FH。在多字節(jié)數(shù)據(jù)存取時，地址指針自動加一，當?shù)刂分羔樦傅?FH時，自動循環(huán)到00H。使用時，只要在程序中規(guī)定好第一個字節(jié)地址及讀寫字節(jié)數(shù)，讀寫N個字節(jié)與一個字節(jié)一樣方便。2.時鐘的格式時間和日期都以BCD碼形式分別存放在7個時間寄存器中。通過讀這些相應(yīng)的寄存器字節(jié)可以得到時鐘的信息。通過寫入相應(yīng)寄存器字節(jié)可以設(shè)置時間和日期。 DS1307芯片與單片機的連接 圖4-3 D

36、S1307與AT89C51的接口電路 Figure 4-3 The interface circuit of DS1307 and AT89C51DS1307芯片與單片機AT89C51的接口如圖4-3所示。說明：Vbat端接備用電池，以便在沒有主電源的情況下能夠保存時間信息和一些重要的數(shù)據(jù)；X1、X2接32.768KHz的晶體振蕩器，為時鐘芯片提供計時脈沖；SDA與SCL接點構(gòu)成串行數(shù)據(jù)總線；兩個電阻為上拉電阻。 DS1307的操作時序DS1307的操作時序可以概括的歸納為以下幾個步驟：1) 發(fā)送起始信號。2) 發(fā)送DS1307的讀/寫命令字。3) 發(fā)送DS1307的讀/寫地址。4) 執(zhí)行讀寫

37、數(shù)據(jù)操作。5) 接收或發(fā)送應(yīng)答信號。6) 發(fā)送停止信號4.4 小信號放大電路目前有許多型號的單片測量放大器集成芯片可供選擇，因此不再用分立的運算放大器來構(gòu)成測量放大器。采用單片測量放大器芯片與用分立的運算放大器相比具有性能優(yōu)異、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點。在本設(shè)計中選擇集成芯片INA128儀用放大器。其特點如下： 低偏置電壓最大50V，低溫度漂移最大0.5V/，低輸入偏置電流最大5nA，高共模抵制CMR 最小120DB，輸入保護至±40V，寬電源電壓范圍±2.25 至±18V，低靜態(tài)電流700A，8 引腳塑料DIP 和SO-8封裝。電路圖如圖4-4所示： 圖4

38、-4 INA128應(yīng)用電路 Figure 4-4 The applied circuit of INA1238 設(shè)置增益：在引腳1和引腳8之間外接一個電阻RG可對增益進行設(shè)置 等式中的50K是兩個內(nèi)部反饋電阻A1和A2的和。在信號的輸入電路設(shè)計中，INA128的增益設(shè)為固定值，在這里取G=20,則RG2.632K。電源電壓取為3.3V。在有噪聲或高阻抗供電電源的應(yīng)用中，要在器件的引腳附近接去耦電容器。如上圖中電源與地之間的去耦電容。4.5 A/D轉(zhuǎn)換電路因為單片機不能直接接收模擬量信號，所以電壓測量信號，必須通過A/D轉(zhuǎn)換后方可以輸入單片機進行處理。A/D轉(zhuǎn)換器芯片有很多種,在此選擇比較熟悉的

39、ADC0809。ADC0809是8路8位逐次逼近行A/D轉(zhuǎn)換CMOS器件，能對多路模擬信號進行分時采集和A/D轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號通過三態(tài)緩沖器，可直接與微處理器的數(shù)據(jù)總線相連接。4.5.1ADC0809的主要特性ADC0809的主要特性如下：分辨率為8位最大不可調(diào)誤差小于±ULSB可鎖存三態(tài)輸出，能與8位微處理器接口輸出與TTL兼容不必進行零點和滿度調(diào)整單電源供電，供電電壓為+5V轉(zhuǎn)換速率取決于芯片的時鐘頻率，時鐘頻率范圍是：101280KHZ，當時鐘頻率為500KHZ時，對應(yīng)的轉(zhuǎn)換時間為125uS4.5.2 ADC0809 芯片的引腳圖及引腳功能引腳圖如圖4-3所示，部分引腳功能說

40、明如圖4-5： 圖4-5 ADC0809引腳圖 Figure 4-5 The pin chart of ADC0809 IN0IN7：8路模擬信號輸入端D0D7：8位數(shù)字量輸出端START：啟動控制輸入端，高電平有效，用于啟動ADC0809內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換過程ALE：地址鎖存控制輸入端。ALE端可與START端連接在一起，通過軟件輸入一個正脈沖，可立即啟動A/D轉(zhuǎn)換。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端，開始A/D轉(zhuǎn)換時為低電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束時輸出高電平。OE：輸出允許控制端，用于打開三態(tài)輸出鎖存器。當OE為高電平時，打開三臺數(shù)據(jù)輸出鎖存器，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)量輸送到數(shù)據(jù)總線上。CLK：時鐘信號輸入端。ADDA

41、（ADDB、ADDC）：8路模擬選通開關(guān)的3位地址選通輸入端。VREF+：參考電壓正端。VREF-：參考電壓負端。4.5.3 ADC0809與AT89C51 單片機的接口設(shè)計ADC0809 與AT89C51的硬件接口方式有：查詢方式、中斷方式和等待延時方式。采用中斷方式不浪費CPU的等待時間，但如果A/D轉(zhuǎn)換時間較短，也可采用程序查詢方式和等待延時方式。在此采用中斷方式，接口電路如圖4-6： 圖4-6 ADC0809與AT89C51的接口電路 Figure 4-6 The interface circuit of ADC0809 and AT89C51 P2.6與WR相或非，產(chǎn)生啟動信號STA

42、RT和地址鎖存控制信號ALE；P2.6與RD相或非產(chǎn)生輸出允許控制信號OE。OE為高電平時，打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)量輸送到數(shù)據(jù)總線上。4.6 通信電路對于遠程數(shù)據(jù)傳送問題，我們首先考慮到對傳送信號的調(diào)制和解調(diào)。我們知道，對于長距離的均勻傳輸線只能傳送連續(xù)的模擬信號，而且傳送頻帶往往存在一定的限制，一般的傳輸線有效傳輸頻帶在3400HZ以下，而發(fā)送設(shè)備發(fā)送的原始數(shù)據(jù)又都是離散的二進制數(shù)據(jù)信號序列。若使用模擬線路來傳送數(shù)據(jù)信號時，必須在發(fā)送前先將原始信號經(jīng)過數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換，這就是調(diào)制過程。在數(shù)據(jù)終端接受前，則需進行相反的轉(zhuǎn)換，稱解調(diào)。調(diào)制解調(diào)器就是實現(xiàn)這一功能的裝置，它是為解決模擬

43、線路上傳輸數(shù)字信號而設(shè)計的一種信號變換裝置，由此，調(diào)制解調(diào)器的基本作用把數(shù)字信號變換成模擬信號，在模擬線路上傳輸，并把經(jīng)過傳輸?shù)哪M信號反變成原始發(fā)送的數(shù)字信號。其過程如圖4-7所示:調(diào)制解調(diào)現(xiàn)場儀表調(diào)制解調(diào)監(jiān)控中心 圖4-7 數(shù)字信號傳輸過程 Figure 4-7 Digital signal transmission4.6.1 串行通訊隨著微機特別是單片機的發(fā)展，其應(yīng)用已從單機逐漸向多機或聯(lián)網(wǎng)，而多機應(yīng)用的關(guān)鍵又在于微機之間的相互通訊，互傳數(shù)據(jù)信息。在微型計算機系統(tǒng)中，CPU與外部的基本通訊方式有兩種:并行通訊數(shù)據(jù)的各位同時傳送;串行通訊數(shù)據(jù)一位一位順序傳送。在并行通訊中，數(shù)據(jù)有多少位就需

44、要多少條傳送線，而串行通訊只需要一對傳送線，故串行通訊能節(jié)省傳送線，特別是當數(shù)據(jù)位數(shù)很多和遠距離數(shù)據(jù)傳送時，這一優(yōu)點更加突出。但串行數(shù)據(jù)也有缺點，那就是速度比并行通訊要慢。1.串行通訊是指將構(gòu)成字符的每個二進制數(shù)據(jù)位，依據(jù)一定的順序逐位進行傳送的通訊方法。在串行通訊中，有二種基本的通訊方式:異步通訊和同步通訊。2.串行通訊中，要把數(shù)據(jù)從一個地方傳送到另一個地方，必須使用通訊線路。數(shù)據(jù)在通訊線路兩端的工作(通訊線路或計算機)之間傳送。按通訊方式，可將數(shù)據(jù)傳輸線路分成三種: 1.單工方式 2.半雙工方式3.全雙工方式有一點需要注意，盡管許多串行通訊接口電路具有全雙工通訊能力，但在實際使用中，大多數(shù)

45、情況只工作于半雙工方式，即兩個工作站通常并不同時收發(fā)。這種用法并無害處，雖然沒有充分發(fā)揮效率，但簡單，實用。4.6.2 信號的調(diào)制和解調(diào)串行通訊中傳輸?shù)男盘柺菙?shù)字信號(方波脈沖序列)，它要求通訊媒介必須有比方波本身頻率更寬頻帶，否則高頻分量將被濾掉，使方波出現(xiàn)毛刺而變形。解決這一問題的辦法是:利用調(diào)制手段，將數(shù)字方波信號變換成某種能在通訊線上傳輸而不受影響的波形信號，正弦波正是最理想的選擇。這不僅因為產(chǎn)生正弦波很方便，更重要的正弦波不易受通訊線固有頻率的影響。所謂調(diào)制，就是將載波信號(待傳送的數(shù)字信號)通過一種信號進行編碼，而將信號的恢復稱為解調(diào)，相應(yīng)的設(shè)備稱為調(diào)制器和解調(diào)器。信號發(fā)送端的調(diào)制

46、器將待傳輸?shù)臄?shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，接收方用解調(diào)器檢測此模擬信號，再把它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。由于串行通訊大都是雙向進行的，通訊線路的任一端既需要調(diào)制器也需要解調(diào)器，將調(diào)制器和解調(diào)器合二為一的裝置稱為調(diào)制解調(diào)器。4.6.3 芯片的選擇通信電路采用日本OKI公司的MSM7512B遠距離、低功耗、高可靠性的調(diào)制解調(diào)器芯片。該芯片編程容易，外圍接口電路簡單，通信距離遠，數(shù)據(jù)傳輸可靠，傳輸率設(shè)置為1200bps時，通信距離可達20km,遠遠大于其它常用通信芯片的傳輸距離，并且小信號傳送穩(wěn)定可靠，克服模擬傳送中小信號失真的特點，滿足使用需要。芯片為低功耗型，通信時典型功耗為25mW，掉電時最大為O.1mW。引

47、腳如圖4-7，部分引腳說明：AO：模擬發(fā)送信號輸出。AI：模擬接收信號輸入。EAI：內(nèi)部模擬信號輸出，本引腳上的信號通過發(fā)送輸出放大器從AO腳發(fā)送出去，不用此腳時，它應(yīng)該被懸空。X1、X2：連接晶體振蕩器。CLK：時鐘信號輸出。RD：調(diào)制解調(diào)器接收串行數(shù)據(jù)輸出。 圖4-8 MSM7512B引腳圖 Figure 4-8 The pin chart of MSM7512BCD：FSK接收信號和應(yīng)答信號控制，數(shù)字0和1分別表示“檢測到”和“未檢測到。XD：調(diào)制解調(diào)器接收串行數(shù)據(jù)輸出。RS：FSK接收信號和應(yīng)答信號控制，當數(shù)字“0”加至RS時，發(fā)送被使能。MOD1、MOD2：工作模式選擇當Mod1=0

48、,Mod2=0時,MSM7512B工作于調(diào)制模式。XD輸入為0或1的數(shù)字信號,AO端對應(yīng)輸出頻率為2200Hz或1200Hz的FSK信號,RS是FSK信號輸出的使能控制端;當Mod1=1,Mod2=0時,MSM7512B工作于解調(diào)模式,AI輸入頻率為2200Hz或1200Hz的FSK信號,RD對應(yīng)輸出解調(diào)后的0或1數(shù)字信號,CD是輸入檢測的指示;當Mod1=0,Mod2=1時,MSM7512B工作于環(huán)路自測模式,用于檢測芯片工作是否正常;當Mod1=1,Mod2=1時,MSM7512B工作于節(jié)電模式,此時MSM7512B功耗僅0.1mW,其他模式一般功耗為25mW。MSM7512B芯片主要性能

49、特點:符合ITU-TV.23標準，數(shù)據(jù)傳輸方式有1200bps半雙工通信或1200bps接收/75bps發(fā)送兩種方式；采用3-5V單電源供電；低功耗:工作模式:25mW(典型值) 掉電模式:0.1mW(最大值)具有載波檢測和自環(huán)測試功能；內(nèi)部具有輸出信號放大驅(qū)動電路；晶振頻率為3.579545MHZ；數(shù)據(jù)接口與TTL電平兼容。4.6.4 MSM7512B的應(yīng)用 MSM7512B在通信中是單電源調(diào)制解調(diào)芯片，可以通過有線和無線通信的方式進行信號傳輸。在有線傳輸方式中，可以用專用的雙絞線，也可以通過電話線進行傳輸。單片機控制并利用傳輸線進行信息傳輸時，MSM7512B可以連接到雙絞線上，利用有線方

50、式進行傳輸，它與傳輸線的接口電路由1: 1的音頻變壓器，外部的輸入/輸出電壓調(diào)整電路組成。在線上的傳輸信號電壓和集成電路接收的信號電壓可以根據(jù)實際需要獨立的設(shè)置。實際的應(yīng)用電路如圖4-9： 圖4-9 MSM7512B應(yīng)用電路 Figure 4-9 The applied circuit of MSM7512B 1.HT9200A是串行式DTMF電路，用于產(chǎn)生DTMF信號送入MSM7512B的外部信號輸入端EAI。AT89C51通過P2.7、P1.2、P1.3控制HT9200A，P2.7用于產(chǎn)生片選信號，P1.2用于輸出串行數(shù)據(jù)，P1.3用于產(chǎn)生串行同步信號。串行口TXD接XD，用于進行數(shù)據(jù)傳輸

51、RXD接RD，用于進行數(shù)據(jù)接收。3.在發(fā)送狀態(tài)下，通過AI口輸出調(diào)制完的模擬信號。在接收狀態(tài)下，通過AO口輸入待調(diào)制的模擬信號，經(jīng)7512B解調(diào)送入單片機內(nèi)部。由圖可知，在發(fā)送一側(cè)，MSM7512B的操作由MCU1控制，MCU1的串行發(fā)送數(shù)據(jù)由MSM7512B的XD端接收，經(jīng)MSM7512B的AO端口調(diào)制輸出，再經(jīng)過音頻變壓器耦合到均勻傳輸線上。在接收一側(cè)，傳輸線上的模擬信號經(jīng)音頻變壓器耦合到MSM7512B的AI端進行解調(diào)，由MSM7512B的RD輸出數(shù)字信號直接進入MCU2的串行接收端，MSM7512B的操作由MCU2控制。由此我們可知信號的傳輸過程如下:MCU1發(fā)送數(shù)據(jù)時，MCU1的下載

52、數(shù)據(jù)以數(shù)字信號格式通過串口發(fā)送給MSM7512B。MSM7512B利用FSK技術(shù)把數(shù)字信號格式變換成1200HZ或2200HZ頻率的調(diào)制信號(其中1200HZ代表邏輯1,2200HZ代表邏輯0)，通過總線發(fā)送到接收端的MSM7512B，在接收端由MSM7512B解調(diào)為數(shù)字信號發(fā)送給MCU2進行分析及處理。另一方面，MCU 1接收數(shù)據(jù)時，MCU2利用串口把數(shù)據(jù)發(fā)送給MSM7512B,MSM7512B同樣利用FSK技術(shù)把數(shù)字信號調(diào)制成1200HZ或2200HZ頻率的調(diào)制信號，通過總線傳送給首端的MSM7512B, MSM7512B把調(diào)制信號解調(diào)為數(shù)字信號，再把數(shù)據(jù)發(fā)送給MCU1分析和處理。4.7

53、看門狗電路 看門狗電路一般有軟件看門狗和硬件看門狗兩種。軟件看門狗不需外接硬件電路，但系統(tǒng)需要出讓一個定時器資源，這在許多系統(tǒng)中很難辦到，而且若系統(tǒng)軟件運行不正常，可能導致看門狗系統(tǒng)也癱瘓。硬件看門狗是真正意義上的“程序運行監(jiān)視器”，如計數(shù)型的看門狗電路通常由555多諧振蕩器、計數(shù)器以及一些電阻、電容等組成，分立元件組成的系統(tǒng)電路較為復雜，運行不夠可靠?？删幊炭撮T狗電壓監(jiān)控電路選用Xicor公司的X25045集成芯片，它是集看門狗定時器功能，電壓監(jiān)控功能，快閃E2PROM存儲功能為一體的集成芯片，大大簡化了硬件設(shè)計，提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了對印制電路板的空間要求，降低了成本和系統(tǒng)功耗，是一種

54、理想的單片機外圍芯片?？撮T狗定時器電路對微控制器提供了獨立的保護系統(tǒng)，可編程設(shè)置三種周期，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，在預先設(shè)定的周期之后產(chǎn)生復位信號，該周期一旦設(shè)定，即使在電源周期變化之后也不改變。電壓監(jiān)控功能可以保護系統(tǒng)使之免受低電壓狀況的影響，當V0降到最小轉(zhuǎn)換點以下時，系統(tǒng)復位，直到電壓升高且穩(wěn)定為止，E2PROM可存放數(shù)據(jù)，安全可靠，這種組合不僅降低系統(tǒng)成本，減少電路板空間要求，而且與CPU接口簡單，性能穩(wěn)定。芯片的性能特點:可編程的看門狗定時器；低VCC檢測，直到VCC等于1V時復位信號有效；1MHZ的串行時鐘頻率；512×8位串行EEPROM；低功耗CMOS設(shè)計，工作時電流3mA

55、，備用時10A；電源電壓為2.7V5.5V；片內(nèi)寫保護；高可靠性:使用期限:100000周期/字節(jié)； 數(shù)據(jù)保存期:100年； ESD保護:所有引腳2000V ;RESET高電平有效。 引腳如圖4-10，部分引腳說明：片選擇輸入；SO：SO是一個推/拉串行數(shù)據(jù)輸出引腳，在讀周期時間內(nèi)，數(shù)據(jù)從這個引腳輸出，串行時鐘脈沖下降沿時數(shù)據(jù)輸出；圖4-10 X25045引腳圖Figure 4-10 Pin chart of X25045SI：是串行數(shù)據(jù)輸入引腳，所有的操作碼，字節(jié)，地址及數(shù)據(jù)都通過這個引腳寫入存儲器，串行時鐘脈沖上升沿時，數(shù)據(jù)被鎖存； SCK：串行時鐘輸入，其上升沿將數(shù)據(jù)或命令寫入，下降沿將數(shù)據(jù)輸出； ：寫保護輸入。當它低電平時，寫操作被禁止； ：復位輸出。X25045硬件連接圖如圖4-11： 圖4-11 X25045硬件連接