基于51礦用瓦斯檢測報警器硬件設計

1、本科畢業(yè)設計論文題目：基于51礦用瓦斯檢測報警器 -硬件設計提示：（與“基于51礦用瓦斯檢測報警器硬件設計”配套，也在百度文庫里）基于51礦用瓦斯檢測報警器硬件設計摘要本課題設計的是用單片機控制的甲烷濃度報警監(jiān)控儀，是采用熱催化原理(俗稱黑白元件)探頭制成的甲烷濃度測量儀，適用于中小型煤礦井、下各作業(yè)場所中測量空氣中的甲烷濃度。儀器能夠根據(jù)甲烷濃度報警限(1.00%)進行聲、光報警，并啟動排風設備，同時具有通信功能。儀器由CPU、敏感元件、看門狗監(jiān)控電路、小信號放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、通信電路、顯示電路、報警電路等組成。其中CPU是監(jiān)控儀的核心，完成數(shù)據(jù)采集、處理、輸出、顯示等功能；敏感元件

2、是準確檢測甲烷氣體含量的主要元件之一，其輸出是與甲烷濃度相對應的電壓信號；小信號放大電路則是用來放大敏感元件輸出的電壓信號；A/D轉(zhuǎn)換電路把放大了的電壓信號由模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號送入CPU；顯示電路則顯示實時甲烷濃度；報警電路對超限甲烷濃度進行報警。該儀器的特點是測量范圍寬，精度高；結(jié)構(gòu)簡單，成本低；可靠性和穩(wěn)定性好，是一種電路設計新穎、參數(shù)測量準確、操作方便的礦用甲烷濃度監(jiān)控儀。關(guān)鍵詞：CPU；A/D轉(zhuǎn)換電路；敏感元件；報警Based On 51 Mine Gas Detection AlarmHardware DesignAbstractThis topic is designed MCU

3、 control the concentration of methane alarm monitoring device, is a hot catalytic principle (commonly known as Black-and-White Components) probe into the methane concentration measuring instrument, applicable to small and medium-sized coal mines well, the next in the workplace measuring the concentr

4、ation of methane in the air. According to the concentration of methane equipment to alarm limit (1.00 percent), sound, light alarm, and start ventilation equipment, communications function at the same time. Equipment from the CPU, sensitive components, the watchdog monitoring circuit, small-signal a

5、mplifier, A/D converter circuit, communication circuits, display circuit, alarm circuits and other components. Monitor CPU which is the core of the completion of data collection, processing, export, display, and other functions; sensitive components are accurate detection of methane gas in one of th

6、e main components, and its output is the concentration of methane corresponding to the voltage signal; small signal Larger circuit is used to enlarge the sensor output voltage signal; A/D converter circuit to enlarge a voltage signal from analog signals into digital signals into the CPU; show circui

7、t showed real-time methane concentration; alarm circuits to gauge methane concentration alarm. The instrument is to measure the characteristics of a wide range and high precision; structure is simple, low cost, reliability and stability, is a new circuit design, measurement accurate, easy to operate

8、 the mine methane concentration monitoring instrument.Keywords: CPU;A/D converter circuit; Sensitive components; Alarm目錄摘要（I）Abstract（II）1 緒論（1）1.1本課題的研究背景及意義（1）1.2國內(nèi)外發(fā)展概況及研究方向（1）1.3礦用瓦斯檢測儀硬件設計的構(gòu)思及主要任務（2）1.4 本文論的結(jié)構(gòu)安排（2）2 用瓦斯檢測系統(tǒng)的技術(shù)指標及實現(xiàn)功能（3）2.1 煤礦氣體檢測技術(shù)系統(tǒng)概述（3）2.2 系統(tǒng)的設計要求（3）2.2.1 系統(tǒng)的設計原則（3）2.2.2 技術(shù)指標

9、要求（4）2.2.3 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能（5）3 甲烷檢測設備的工作原理分析（6）3.1甲烷濃度檢測儀的分類（6）3.2 熱催化元件的結(jié)構(gòu)及工作原理（7）3.2.1熱催化元件的結(jié)構(gòu)（7）3.2.2敏感元件工作原理（10）3.3 整機的工作原理（11）4 礦用瓦斯檢測報警系統(tǒng)的硬件設計（12）4.1 系統(tǒng)設計的原理框圖（12）4.2微控制器CPU的選擇（13）4.3遙控鍵盤部分設計（16）4.3.1紅外遙控的發(fā)射電路（16）4.3.2紅外遙控的接受電路（20）4.4 A/D轉(zhuǎn)換檢測電路（23）4.4.1 A/D轉(zhuǎn)換器介紹（23）4.4.2 多路開關(guān)4051（24）4.5顯示部分電路（25）4.6聲光

10、報警電路（26）4.7看門狗監(jiān)控電路（27）4.8系統(tǒng)電源電路（29）5 原理圖的繪制和PCB板的完成（31）5.1 Protel 99 se 介紹及電路板的繪制（31）5.2系統(tǒng)布局（31）5.3系統(tǒng)布線（32）5.4去耦合電容配置（32）6 硬件聯(lián)合調(diào)試（34）6.1調(diào)試結(jié)構(gòu)圖（34）6.2 本設計試驗條件（34）6.3 硬件調(diào)試（35）6.3.1 電源電路模塊的檢測與調(diào)試（35）6.3.2 甲烷檢測儀CPU的調(diào)試（35）6.3.4 A/D轉(zhuǎn)換、顯示電路的調(diào)試（35）6.3.5 聲光報警電路的檢測與調(diào)試（35）7 結(jié)論（36）致謝（37）參考文獻（38）1 緒論1.1本課題的研究背景及意義

11、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，煤炭仍將是支持我國國民經(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，目前煤炭工業(yè)的安全生產(chǎn)狀況卻很差，其中之一便是有害氣體的危害性，包括CH4，CO，SO2等。瓦斯(CH4)是煤礦井下危害最大的氣體，它是在成煤過程中形成并大量貯存于煤層之中的氣體，無色、無味，有易燃、易爆等特點。瓦斯的危害主要表現(xiàn)為三個方面：第一、瓦斯?jié)舛冗^高，對工人身體健康造成傷害，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，往往導致群死群傷，而且揚起的煤塵又會參與爆炸，摧毀

12、巷道，毀壞設備，甚至毀滅整個礦井，給國家和人民生命財產(chǎn)造成巨大損失。第三、大量的瓦斯排入大氣，污染大氣環(huán)境。目前我國已經(jīng)使用的瓦斯報警礦燈具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便等優(yōu)點，但存在的問題是傳感器漂移大，要定期維護，并且需要維護的周期很短；維護方法復雜，成本較高，抗機械干擾能力較差。為了解決這些問題，本課題在分析模擬式瓦斯報警器特點的基礎上，充分利用51單片機的強大功能，對瓦斯?jié)舛冗M行實時采集、數(shù)據(jù)處理，對瓦斯傳感器進行實時自校零、非線性補償，對提高瓦斯檢測的可靠性和系統(tǒng)的性價比具有十分重要的意義。1.2國內(nèi)外發(fā)展概況及研究方向伴隨氣體傳感器的發(fā)展，氣體監(jiān)測儀器不斷更新。其類型根據(jù)監(jiān)測對象可分

13、為可燃性氣體監(jiān)測儀，毒性氣體監(jiān)測儀和氧氣監(jiān)測儀等；從儀器結(jié)構(gòu)和方法上分為袖珍式，便攜式和固定式。袖珍式儀器的采樣方法為擴散式，用于在危險環(huán)境中的工作人員隨身攜帶；便攜式儀器采樣方法為泵吸式，用于監(jiān)測人員定期安檢；固定式儀器用于煤礦井下固定地點氣體監(jiān)測。世界各國均有煤礦瓦斯氣體監(jiān)測的系統(tǒng)，如波蘭的DAN6400、法國的TF200、德國的MINOS和英國的Senturion-200等，其中全礦井綜合監(jiān)測控制系統(tǒng)有代表性的產(chǎn)品有美國公司生產(chǎn)的MSN系統(tǒng)，德國BEBRO公司的PROMOS系統(tǒng)。但是這兩種系統(tǒng)只是基于井下監(jiān)測，并無數(shù)據(jù)上傳，不能實現(xiàn)智能化監(jiān)控。國外的監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)雖然高于國內(nèi)發(fā)展水平，但應

14、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，價格過高等。因此，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。我國監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)應用較晚，80年代初，從波蘭、法國、德國、英國和美國等引進了一批安全監(jiān)測系統(tǒng)，裝備了部分煤礦在引進的同時，通過消化、吸收并結(jié)合我國煤礦的實際情況，先后由重慶煤科院、遼寧撫順煤科院等國內(nèi)知名煤礦科學研究所研制出KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92、KJ95、KJ101等煤礦有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)，在我國煤礦己有大量使用，但其中很大一部分儀表的傳輸數(shù)據(jù)是模擬方式，將氣體濃度轉(zhuǎn)化為脈沖量，易受礦

15、井下強電磁設備干擾，造成監(jiān)測結(jié)果不準確，易出現(xiàn)誤報警等現(xiàn)象。1.3礦用瓦斯檢測儀硬件設計的構(gòu)思及主要任務目前的甲烷檢測儀，除了在檢測方法上的選擇有不同之外，在甲烷檢測儀的硬件選擇上也各不相同。而本次設計主要任務就是甲烷檢測儀的硬件電路的設計，這里甲烷檢測儀的硬件部分采用AT89C52單片機控制。經(jīng)過對比和綜合考慮，遙控鍵盤的設計采用HS0038芯片，通過紅外遙控對信號進行發(fā)射和接收，在這之前要對電源進行轉(zhuǎn)換。具體設計是將220V交流經(jīng)過整流后轉(zhuǎn)換為12V的直流，再經(jīng)過34063芯片將12V的直流電壓轉(zhuǎn)換為所須的5V直流電源。經(jīng)過黑白元件以及橋式電路后，甲烷濃度被采集成電壓信號U，要顯示出當前的

16、甲烷濃度，需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，在以前的學習中重點接觸的是AD574等逐次比較式的轉(zhuǎn)換方式，但是經(jīng)過各種性能的比較，尤其是抗干擾性能的比較，本課題設計采用了雙斜積分式，為方便設計和直面的檢測到甲烷的濃度，選用四個LED作為顯示器。經(jīng)過構(gòu)思目前的主要任務是根據(jù)要求選擇相應的元器件、設計電路圖、安裝、調(diào)試，設計出符合要求的甲烷檢測議硬件電路，從而實現(xiàn)設計要求。1.4 本文論的結(jié)構(gòu)安排第一章是文章概述。介紹了該課題研究的內(nèi)容及意義，國內(nèi)外研究概況與動向，同時給出整個設計的構(gòu)思及本論文的結(jié)構(gòu)安排。第二章是本課題設計所要實現(xiàn)的各種技術(shù)指標以及系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能。第三章是甲烷檢測設備的工作原理。對甲烷濃度監(jiān)控

17、儀作了原理分析，同時介紹了熱敏感元件的結(jié)構(gòu)和工作原理以及整機工作原理。第四章是硬件設計。對組成系統(tǒng)的CPU、電源電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、看門狗監(jiān)控電路等各個模塊都作了詳細介紹。第五章介紹原理圖的繪制以及PCB板的布局和布線。第六章是軟硬件的聯(lián)合調(diào)試。第七章是結(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。2 礦用瓦斯檢測系統(tǒng)的技術(shù)指標及實現(xiàn)功能2.1 煤礦氣體檢測技術(shù)系統(tǒng)概述煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng)是能夠監(jiān)測礦井環(huán)境中瓦斯氣體的濃度，具有報警功能能實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠傳至地面監(jiān)控室PC的系統(tǒng)。本課題中完整的

18、煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng)由以下四部分組成：（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；（2）顯示單元：根據(jù)測量信號，由單片機將待顯示數(shù)據(jù)按相應方式進行數(shù)據(jù)傳輸給顯示處理模塊顯示于儀表；（3）聲光報警單元：當監(jiān)測氣體濃度超出設定報警值時，發(fā)出聲光報警；（4）數(shù)據(jù)采集分析軟件：運用C語言編寫串口通訊軟件，實現(xiàn)氣體數(shù)據(jù)的采集、分析及保存煤礦氣體檢測系統(tǒng)其他的技術(shù)參數(shù)還有存儲數(shù)據(jù)性能、傳輸數(shù)據(jù)性能、使用壽命與可靠性等1。2.2 系統(tǒng)的設計要求2.2.1 系統(tǒng)的設計原則在總體結(jié)構(gòu)的設計上，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

19、用的設計指導思想，從傳感器的信號采集、處理傳輸，到系統(tǒng)軟件的設計，在整體最優(yōu)原則的指導下，發(fā)揮各自的設計靈活性。其次，系統(tǒng)整體設計上，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?？傮w設計的原則有2：1.先進性盡可能使用先進、成熟的技術(shù)，有明確理論支持的技術(shù)，對不確切，但非用不可的技術(shù)要通過必要的試驗和論證。2.實用性密切結(jié)合現(xiàn)場實際工作的要求，盡量減少對操作使用人員的專業(yè)技術(shù)水平的依賴。3.準確性通過優(yōu)化電路設計和應用誤差理論分析，盡可能減小測量誤差，提高測量精度。4.可靠性從設計階段著手保證產(chǎn)品的可靠性，將可靠性貫穿于設計、

20、工藝、加工等各個環(huán)節(jié)。5.標準化嚴格執(zhí)行國家和煤炭部以及行業(yè)標準。6.經(jīng)濟性在保證儀器功能的前提下，盡可能降低成本，以軟代硬，化繁為簡。7.通用性在完成自身系統(tǒng)配套的基礎上，盡可能使產(chǎn)品具有良好的通用性，使之能與其它產(chǎn)品配套，易于擴充新的用途。8.可操作性設計要從整體出發(fā)，分步、分層實施，方案要實際設計，制造中盡量采用通用的、有替代產(chǎn)品的元器件及附件。9.廣泛性廣泛調(diào)查研究，認真分析其優(yōu)缺點，充分借鑒其它儀器的優(yōu)點，揚長避短，博采眾長。2.2.2 技術(shù)指標要求（1）工作環(huán)境條件溫度：040相對濕度：98%大氣壓力：86116kps風速：08m/s（2） 測量范圍及誤差：表 2.1測量范圍(%C

21、H4)基本誤差(%CH4)0.001.000.101.003.00真值的10%3.004.000.30（3）分辨率：0.01%CH4（4）顯示方式：四位LED（5）測量范圍：04.00% CH4（6）響應時間：20s（7）報警點：可調(diào)，設定在1.00%CH4（8）斷電點：可調(diào)，設定在1.50%CH4（9）復電點：可調(diào)，設定在1.00%CH4（10）報警方式：聲光報警，其中：響度：80dB光可見度：20m （11）工作方式：擴散式（12）防爆型式：礦用本安兼隔爆型（13）輸出信號制式：頻率型2001000Hz斷電信號輸出：光電耦合器輸出（14）技術(shù)參數(shù)工作電源：924VDCUi：18.5VDCI

22、i：100mACi：0.1F Li：1.0mH（15）外形尺寸：155mm106mm48mm（16）重量：1.5Kg2.2.3 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能儀器上電開機后，儀器內(nèi)部進行自檢。自檢結(jié)果正常后，進入工作狀態(tài)。探頭通電10s內(nèi)，顯示為0.00并閃爍，10s以后顯示甲烷濃度且不閃爍3。當儀器自檢結(jié)果不正常時，不進入工作狀態(tài)，儀器顯示不變。此時表明儀器有故障，應該維修。儀器進入正常工作狀態(tài)后，可通過遙控器對儀器進行校正或設定報警點、斷電點、復電點。對儀器進行校正應該在儀器通電預熱15分鐘后進行。當甲烷濃度達到4.00%以上時，為了保護黑白元件，電橋間斷工作，顯示器閃爍，顯示的值只能作為參考。保護狀態(tài)下

23、電橋每3分鐘工作15秒。當甲烷濃度低于4.00%時，電橋恢復正常工作。如果黑白元件的一臂發(fā)生開路或短路故障，儀器顯示“-”。3 甲烷檢測設備的工作原理分析3.1甲烷濃度檢測儀的分類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；光學零件加工復雜，成本較高和實現(xiàn)自動檢測較困難4。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%

24、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，硫化氫及硅蒸氣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4。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5。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

25、這一原理的儀器精度高，選擇性好，不受其它氣體影響，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7。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22、氣壓為Pa條件下，聲波在甲烷中的傳播速度為432m/s，而

26、在清潔空氣中為3m/s。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，對背景氣體、粉塵及氣溫變化很敏感，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。根據(jù)設計要求及各類檢測儀的優(yōu)缺點，本課題設計采用熱催化式工作原理。3.2 熱催化元件的結(jié)構(gòu)及工作原理3.2.1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7。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

27、橋在無甲烷狀態(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。這種敏感元件的外觀圖見圖3.1，其具有抗氣體干擾能力強、選擇性好、反應速度快、靈敏度高、線性和穩(wěn)定性好、功耗低、壽命長等特點。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。 圖 3.1熱催化元件外觀圖1.元件使用環(huán)境條件溫度：-20+70濕度：95%RH風速：2mV4.傳感器對多種可燃氣體的敏感特性圖3.2表示CH4氣體敏感元件對各種氣體的反應關(guān)系，從圖上我們可以看出敏感元件輸出電壓與對各種氣體濃度之間具有較好的線性關(guān)系。圖 3.2傳感器對各種氣體的反應關(guān)系5.溫濕度的影響1)恒定濕熱試驗：40，95

28、%RH，96小時(見圖3.3)。Y軸表示Vo的輸出電壓值。圖 3.3 恒定濕熱實驗圖2)低溫試驗見表3.1（氣敏元件在040的環(huán)境下維持4小時的數(shù)據(jù)）表 3.1 低溫試驗記錄 代表傳感器輸出出現(xiàn)振幅在02.5V之問的振蕩波型，見圖3.4圖 3.4 傳感器震蕩波形6.高濃度甲烷試驗將O一7#傳感器置于10%的甲烷環(huán)境中2小時，放氣前后的數(shù)據(jù)狀態(tài)。表 3.2 高濃度甲烷試驗放氣前后的數(shù)據(jù)7.穩(wěn)定性 l)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輸出可能不為零，只需在工作點電壓穩(wěn)定十分鐘后輸出零點將歸零b.在氣體中的穩(wěn)定性貯存一周到一年的元件剛開始下作時靈敏度可能達不到最佳點，只

29、需在工作點電壓穩(wěn)定二十分鐘后輸出靈敏度將復原2)長期穩(wěn)定性圖 3.5 長期穩(wěn)定性3.2.2敏感元件工作原理黑元件載體催化燃燒式元件，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，不參加低溫燃燒。但由于白元件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8。黑白元件的工作原理：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)生無焰燃燒

30、，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8。圖 3.6黑白元件的基本測試電路根據(jù)黑白元件的工作原理，設計電路如下圖3.7。圖 3.7黑白原件的工作原理圖3.3 整機的工作原理儀器由電源電路、甲烷氣體敏感元件及電橋電路、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示電路及報警/斷電電路、看門狗電路、多路開關(guān)電路等組成。儀器將關(guān)聯(lián)設備送來的電源穩(wěn)壓為5V電壓，供給整機

31、電路使用。甲烷氣體敏感元件是采用熱催化原理探頭，電橋供電電壓為3V。黑白元件的工作原理是：黑白元件由測量元件和補償元件構(gòu)成，測量元件的表面有黑色的催化劑。工作時黑白元件有工作電流通過而發(fā)熱，空氣中的甲烷在高溫的測量元件的催化劑作用下，發(fā)生無焰燃燒。甲烷濃度越高，測量元件的溫度越高，而補償元件的溫度不變。測量電橋輸出與甲烷濃度成比例的信號電壓。電橋信號電壓經(jīng)過放大和A/D轉(zhuǎn)換后，變成數(shù)字信號，經(jīng)單片機處理后，由顯示電路顯示甲烷濃度值，并經(jīng)信號輸出電路輸出相應的頻率信號。報警/斷電電路由蜂鳴器，發(fā)光二極管和驅(qū)動電路構(gòu)成。當甲烷濃度超過設定的報警點時，儀器會發(fā)出聲光報警信號。當甲烷濃度超過設定的斷電

32、點時，儀器會有斷電指令輸出；甲烷濃度超過斷電點以后，只有當甲烷濃度降低到設定的復電點以下時，儀器才會解除斷電指令輸出9。4 礦用瓦斯檢測報警系統(tǒng)的硬件設計4.1 系統(tǒng)設計的原理框圖本次設計的甲烷檢測報警器的工作程序：電源電路（34063）為系統(tǒng)供電5V，在氣體敏感元件黑白元件的作用下將接觸在黑白元件上的甲烷氣體轉(zhuǎn)換為電壓信號U，小信號U經(jīng)過放大電路將信號放大，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換、CPU的計算將輸入的U轉(zhuǎn)換成數(shù)字在LED上顯示，當甲烷濃度超過預設的安全點時，系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警，此一系列信息通過頻率方式傳到上位機系統(tǒng)9。圖 4.1瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計原理框圖本課題設計硬件設計思路如下：圖 4.2硬件

33、設計思路4.2微控制器CPU的選擇89系列同 8051 系列相比具有以下特點：4KB可編程序 FLASH 存儲器（可經(jīng)受1000次的寫入/擦除周期）；全靜態(tài)工作：024MHz；三級程序存儲器保密。另外，AT89C51是用靜態(tài)邏輯來設計的，其工作頻率可下降到 0Hz，并提供兩種可用軟件來控制的省電方式：空閑方式和掉電方式。它是通過控制專用寄存器 PCON （電源控制寄存器）中的 PD(PCON.1 )和 IDL( PCON.0) 來實現(xiàn)的。PD 是掉電方式位，當 PD = 1 時激活掉電工作方式，IDL 是空閑工作位，當 IDL = 1 時激活空閑方式，當 PD 和IDL 同時為 1 時，則先激

34、活掉電方式。本課題設計采用CPU為AT89C52。AT89C52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8K bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256Bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，器件采用ATMEL公司高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，與標準MCS-51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置用8位中央處理處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大AT89C52單片機適合于許多較為復雜控制應用場合9。主要性能參數(shù)：與MCS-51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容8 字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲器1000次擦寫周期全靜態(tài)操作：0Hz24MHz三級加密程

35、序存儲器2568字節(jié)內(nèi)部RAM32個可編程I/O口線3個16位定時/計數(shù)器8個中斷源可編程串行UART通道低功耗空閑和掉電模式AT89C52的管腳圖如圖4.3： 圖 4.3 AT89C52管腳圖功能特性：P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口P0寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時，P0口接受指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。P1口：P

36、1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。作為輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流I。與AT89C51不同的是，P1.0和P1.1還可分別作為定時/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和輸入（P1.1/T2EX）。Flash編程和程序校驗期間，P1接受低8位地址。P2口：P2口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口P2寫“1”通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電

37、平，此時可作為輸入口。因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流I。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX DPTR指令）時。P2口送出8位地址數(shù)據(jù)，在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。P3口：P3口是具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3口的輸出緩沖可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口P3口寫“1”時，它們被內(nèi)部的上拉電阻拉高并可作為輸入端。此時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流I。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的是它的第二功能，如表4.1所示：表 4.1 P3口管腳功能此外，P3口還接

38、受一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。RST：復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。ALE/：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)，一般情況下，ALE仍以時鐘震蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖喜好，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時要跳過一個ALE脈沖。對Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。讀位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將AL

39、E激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置ALE禁止位無效。：程序存儲允許（）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C52 由外部程序存儲器指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次信號。 /VPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H-FFFFH），端必須保持低電平。如果EA端為高電平，CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。Flash存儲器編程時，該引腳加上12V的編程允許電源Vpp，當然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。XTAL1：振蕩器反相放大器的內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。XT

40、AL2：振蕩器反相放大器的輸出端。特殊功能寄存器：在AT89C52片內(nèi)存儲器中，80H-FFH共128個字節(jié)為特殊功能寄存器（SFE）。并非所有的地址都被定義，從80H-FFH共128個字節(jié)只有一部分被定義，還有相當一部分沒有定義，對沒有定義的單元讀寫將是無效的，讀出的數(shù)值將不確定，而寫入的數(shù)據(jù)也將丟失。不應將數(shù)據(jù)“1”寫入為定義的單元，由于這些單元在將來的產(chǎn)品中可能賦予新的功能，在這種情況下，復位后這些單元值總是“0”。AT89C52除了與AT89C51所有的定時/計數(shù)器0和定時/計數(shù)器1外，還增加了一個定時/計數(shù)器2。 定時/計數(shù)器2的控制狀態(tài)位位于T2CON、T2MOD,寄存器對（RCA

41、02H、RCAP2L）是定時器2在16位捕獲方式或16位自動重裝載方式下的捕獲/自動重裝載寄存器。4.3遙控鍵盤部分設計鍵盤是由若干按鍵組成的最簡單輸入設備，操作人員可以通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實現(xiàn)簡單的人機通信。由于鍵盤是一組按鈕開關(guān)的集合，在智能儀表中，常采用軟件來識別按鍵，所以，在鍵盤的設計中應同時從硬件和軟件兩方面加以考慮11。本系統(tǒng)所選用的鍵盤為紅外遙控鍵盤，主要由發(fā)射電路和接受電路兩部分組成。4.3.1紅外遙控的發(fā)射電路芯片所用的晶振應該有足夠的耐物理撞擊能力，不能選用普通的石英晶體，一般是選用陶瓷共鳴器，陶瓷共鳴器準確性沒有石英晶體高，但通常一點誤差可以忽略不計11。紅外線通過紅

42、外發(fā)光二極管(LED)發(fā)射出去，紅外發(fā)光二極管內(nèi)部材料和普通發(fā)光二極管不同，在其兩端施加一定電壓時，它發(fā)出的是紅外線而不是可見光。本系統(tǒng)選用的芯片是CX9012。CX9012是用一塊用于紅外遙控系統(tǒng)中的專用發(fā)射集成電路，采用CMOS工藝制造。它具有32個功能鍵，若配合用戶編碼的變化則可提供256種不同的發(fā)射碼，另外CX9012還提供6種雙重按鍵功能。CX9012的管腳設置和外圍應用線路都進行了優(yōu)化，以方便PCB版的布圖和低成本的要求。主要特點： 高性能的CMOS工藝，低功耗 內(nèi)置振蕩電路 外圍元件少 32個功能按鍵，8種用戶編碼（相當于可提供256種不同的發(fā)射碼） 發(fā)射信號的LED指示管腳排列

43、如圖4.4圖 4.4 CX9012管腳角圖內(nèi)部框圖：圖4.5常用紅外遙控發(fā)射器碼產(chǎn)生電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖極限參數(shù)如表4.2（除非特別說明，Tamb=25）表 4.2 極限參數(shù)參數(shù)符號參數(shù)范圍單位電源電壓VDD-0.35.0V輸入電壓VINVSS-0.3VDD+0.3V輸出電流IOUT (REO)-20mA功耗PD300mW貯存溫度Tstg-40+125工作溫度Topr-20+75電氣參數(shù)如表4.3（除非特別說明，Tamb=25，VDD=3.0V）表4.3 電氣參數(shù)參數(shù) 符號 測試條件 最小值典型值 最大值單位電源電壓VDD 全部功能 2 - 4 V 工作電流IDD fosc=455kHz - -

44、1 mA靜態(tài)電流ISB 停振 - - 1 uA 高電平輸入電壓VIH VDD=3V 0.7VDD- VDD V 低電平輸入電壓VIL VDD=3V 0 - 0.3VDDV 高電平輸出電流IOH VOH=1.5V, VDD=3V -10 - - mA低電平輸出電流IOL VOL=1.5V, VDD=3V 5 - - mA輸入下拉電阻RON VDD=3V 100 300 500 K 管腳說明如表4.4表4.4 管腳說明管腳號 符 號 輸入/輸出 功 能 描 述 14 KI0KI3 I 鍵掃描輸入端（內(nèi)置下拉電阻）。 5 DOUT O 發(fā)射碼輸出管腳。 6 VDD - 電源正端。 7 NC - 空腳

45、。建議在使用時接電源正端。 8 OSCO O 振蕩器輸出管腳。 9 OSCI I 振蕩器輸入管腳。 10 VSS - 電源接地端。 11 LMP O 輸出LED指示。 1219 KO0KO7 O 鍵掃描輸出管腳。 20 SEL I 用戶編碼選擇管腳。 功能說明：1.振蕩線路部分 CX9012的振蕩線路由OSCO與OSCI間接一只455kHz的陶瓷諧振器及2個100pf的接地電容所組成，其振蕩頻率為455kHz。沒有按鍵操作時，該振蕩電路停振處于待機狀態(tài)以減少功率消耗。當有按鍵操作時，振蕩電路開始起振，有發(fā)射碼輸出，按鍵釋放后，電路停振重新處于待機狀態(tài)，請參考圖4.6。圖 4.6 CX9012系

46、統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2. 振蕩頻率部分 CX9012的振蕩頻率為455kHz，經(jīng)內(nèi)部的12分頻電路，得到頻率為37. 939.2kHz，占空比為1/3的調(diào)制載波。455kHz的振蕩頻率另經(jīng)256分頻，得到系統(tǒng)的基本工作時鐘為1.78kHz。調(diào)制載波的頻率（fc）及內(nèi)部工作時鐘周期（Tm）與振蕩頻率（fosc）的對應關(guān)系如下式表示： fc=(1/12) fosc (占空比：1/3) Tm=256/fosc。 (Tm：一個高電平脈沖的寬度)。紅外遙控發(fā)射器編碼原理：圖4.6為常用紅外遙控器碼產(chǎn)生電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，振蕩電路提供系統(tǒng)工作時鐘和常用的38K占空比為1：3的載波，鍵掃描輸入輸出電路與SEL輸入口形成

47、用戶碼與鍵碼，并由碼產(chǎn)生電路形成待發(fā)射數(shù)據(jù)，在輸出控制電路控制下，通過REMO輸出口由紅外線輸出。在遙控器發(fā)射的每幀數(shù)據(jù)中，包括引導碼，用戶碼，和鍵碼三個部分。并采用脈沖位置調(diào)制方式（PPM）區(qū)分“1”和“0”，脈沖的寬度，脈沖間的時間間隔的大小，每幀數(shù)據(jù)所包含的位數(shù)以及引導碼高低電平的時間寬度的不同，為不同的發(fā)碼格式，常用的如NEC6122格式。（見圖2.7，圖2.8所示）在該格式中一幀數(shù)據(jù)中含有32位數(shù)據(jù)，即8位用戶編碼（C7C0：（0EH），8位用戶編碼的反碼，8位鍵數(shù)據(jù)編碼（D0D7）以及鍵數(shù)據(jù)編碼的反碼。用戶碼和鍵數(shù)據(jù)碼的發(fā)送均是低位在前，高位在后。圖4.7 NEC6122格式一幀數(shù)

48、據(jù)圖4.8 NEC6122位“0”與位“1”4.3.2紅外遙控的接受電路 紅外信號接收系統(tǒng)的典型電路如圖4.9所示：圖4.9 紅外接收頭內(nèi)部電路該電路包括紅外監(jiān)測二極管，放大器，限副器，帶通濾波器，積分電路，比較器等。紅外監(jiān)測二極管監(jiān)測到紅外信號，然后把信號送到放大器和限幅器，限幅器把脈沖幅度控制在一定的水平，而不論紅外發(fā)射器和接收器的距離遠近。交信號進入帶通濾波器，帶通濾波器可以通過30khz到60khz的載波，通過解調(diào)電路和積分電路進入比較器，比較器輸出高低電平，還原出發(fā)射端的信號波形。因此輸出的高低電平和發(fā)射端是反相的，這樣的目的是為了提高接收的靈敏度。以上電路被集成在一個元件中，成為一

49、體化紅外接收頭，如圖4.10所示：圖4.10 紅外接收頭紅外接收頭的種類很多，引腳定義也不相同，一般都有三個引腳，包括供電腳，接地和信號輸出腳。根據(jù)發(fā)射端調(diào)制載波的不同應選用相應解調(diào)頻率的接收頭。紅外接收頭內(nèi)部放大器的增益很大，很容易引起干擾，因此在接收頭的供電腳上須加上濾波電容，一般在22uf以上。采用的接受控制芯片為HS0038B。該HS0038B系列是微型接收器紅外遙控器控制系統(tǒng)，PIN二極管和前置放大器在主角框架被裝配，環(huán)氧包裹被設計的象IR過濾器。該解調(diào)輸出信號可以由一個微處理器直接解碼。HS0038B是標準的紅外遙控器，接收器系列，它支持所有的主要傳輸碼。HS0038的特點：光電檢

50、測器及前置放大器在一個封裝內(nèi)部過濾器的PCM頻率TTL和CMOS兼容輸出有源低改進對屏蔽電場干擾適合突發(fā)長度10次循環(huán)/爆裂低功率消耗高免疫力環(huán)境光持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸盡可能（800比特/秒） 圖4.11 HS0038的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖該電路的HS0038B的設計是這樣的，無法檢測的輸出脈沖由于噪聲或干擾信號是可以避免的。一個代通濾波器，一個積分環(huán)節(jié)和自動增益控制，是用來制止這種混亂的。鮮明區(qū)分數(shù)據(jù)信號和干擾信號的是載波頻率，突發(fā)長度和占空比。數(shù)據(jù)信號應滿足下列條件：l 載波頻率應接近中心頻率帶（如38khz）。每次爆裂后，這是10個周期和70個周期差距的時候，至少有14個周期是必要的；l 每爆裂是長于1.

51、8ms 的一個相應的時間差距，有必要在該數(shù)據(jù)流的某些時候，這種差距的時間應至少4 倍以上；l 高達800短爆裂每秒可不斷的被收到。一些合適的數(shù)據(jù)格式的例子是：NEC代碼，東芝Micom格式，夏普代碼，RC5代碼，RC6代碼， R2000 代碼。當干擾信號適用于HS0038B時，它依然可以接收該數(shù)據(jù)信號。然而靈敏度降低到這個水平，將發(fā)生不可預測的脈沖。舉一些被HS0038B所鎮(zhèn)壓的這種干擾信號的例子，1.直流燈（例如由鎢燈泡或日光）；2. 連續(xù)信號在38khz或在其他任何頻率；3.信號熒光燈用電子 鎮(zhèn)流器偏高或偏低調(diào)制無論鍵盤采用哪種組織形式及讀鍵方式，其主要的操作步驟如下：（1）讀鍵：判斷是否

52、有鍵按下；（2）鍵值判斷：在確認有鍵按下以后，進一步識別出是哪一個按鍵。根據(jù)HS0038的功能原理設計遙控發(fā)射如圖4.12：圖 4.12 HS0038與CPU連接圖4.4 A/D轉(zhuǎn)換檢測電路4.4.1 A/D轉(zhuǎn)換器介紹A/D轉(zhuǎn)換器是將連續(xù)的量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的接口，它是計算機控制系統(tǒng)核心，模擬系統(tǒng)和計算機之間的接口。A/D轉(zhuǎn)換器就是將模擬的電壓量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。ADC的類型繁多，品種規(guī)格也相當復雜，但從它的基本工作原理來分，大體上可以分成積分式（間接）和比較式（直接型）兩大類12。所謂積分式ADC是將輸入的模擬量（電壓）轉(zhuǎn)換成某種中間量（時間間隔或頻率），再把中間量變換成數(shù)字量，根據(jù)量的不同，積分式

53、ADC又可分為電壓-時間間隔（V-T）和電壓-頻率（V-F）式兩種。 （1）雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理：雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理框圖如下：圖 4.13 雙積分A/D轉(zhuǎn)換器原理圖轉(zhuǎn)換過程，其轉(zhuǎn)換過程分3個階段進行：首先：復位，接通S3，使電容C放電為0V。 第一階段：采樣階段。S1接通，S2，S3斷開，積分器對模擬輸入Vi進行定時積分，積分時間為T2（式 4.1） 第二階段：對Vr進行反積分。S2接通，S1，S3斷開，VR的積分和Vi的極性相反。（式 4.2）由于雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器要通過兩次積分才能得到相應的字結(jié)果，因而速度低，但對周期性的干擾信號積分為零，抗干擾性很好。（2）

54、逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換的基本原理a.其轉(zhuǎn)換原理用流程圖表述如圖4.14所示。圖 4.14 逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換原理圖b.工作原理：數(shù)碼設定器設定一個數(shù)碼后，經(jīng)過DAC（解碼網(wǎng)絡）反變換成與此數(shù)碼比例的反饋電壓。通過比較器，反饋電壓與模擬電壓相比較，模擬電壓大于反饋電壓，數(shù)碼增加，反之減少，直至相等12。c.主要優(yōu)點：逐次逼近型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要優(yōu)點就是速度比較快。此外，與有同樣分辨率的雙積分型轉(zhuǎn)換器相比較，它不需要高精度的運算放大器，而且成本也較低。這種形式的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器在微型機系統(tǒng)中被廣泛應用。 考慮到對周期性的干擾信號的大小，雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器為0，抗干擾性好，所以本課題采用了雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器，設計電路圖如圖4.15