基于無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)耐咚節(jié)舛葯z測(cè)儀設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、畢業(yè)生畢業(yè)論文題 目: 基于無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)耐咚節(jié)舛葯z測(cè)儀設(shè)計(jì) 34 / 40摘要在我國(guó)，煤炭行業(yè)中的瓦斯爆炸事故始終是煤礦安全生產(chǎn)的大敵，目前己成為制約煤礦安全生產(chǎn)的主要因素。因此，實(shí)時(shí)檢測(cè)瓦斯氣體的濃度變化，對(duì)礦井安全運(yùn)行，人身安全與環(huán)境保護(hù)有著十分重要的作用。而目前國(guó)礦井中用于瓦斯檢測(cè)的設(shè)備比較落后，這些設(shè)備探測(cè)圍小，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，數(shù)據(jù)傳輸采用有線(xiàn)方式，且具有成本高、功耗高和設(shè)備龐大等特點(diǎn)，不適應(yīng)大多數(shù)煤礦的需求，因此需要研制一種集成化、智能化、小型化、無(wú)線(xiàn)化的新型瓦斯檢測(cè)報(bào)警設(shè)備，增強(qiáng)礦井的安全監(jiān)測(cè)能力。本論文將無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)引入礦井瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，從而設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)耐咚節(jié)舛葯z

2、測(cè)儀。使其實(shí)現(xiàn)即走即測(cè)、即測(cè)即發(fā)的功能,論文研究成果為礦井安全監(jiān)測(cè)提供了一套切實(shí)可行的新的解決方案。該瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀分為現(xiàn)場(chǎng)部分和手持部分兩部分，現(xiàn)場(chǎng)部分是處于瓦斯檢測(cè)點(diǎn)的部分，這部分主要由瓦斯傳感器、信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊PTR2000組成。而手持部分主要由無(wú)線(xiàn)接收模塊PTR2000、單片機(jī)、顯示單元、報(bào)警單元等組成。硬件部分主要對(duì)如何應(yīng)用低功耗的AT89C51單片機(jī)來(lái)完成數(shù)據(jù)的采集、處理判斷、數(shù)據(jù)的顯示和傳輸?shù)纫幌盗泄δ茏髁酥攸c(diǎn)地分析和闡述。而軟件部分則對(duì)各部分的程序流程作了詳細(xì)說(shuō)明。關(guān)鍵詞：瓦斯?jié)舛?；無(wú)線(xiàn)傳輸；檢測(cè)儀；AT89C51Title Design of G

3、as Concentration Detector Based on the Wireless Transmission Technology AbstractIn China, the gas explosion accident has always been the greatest problem in the coal industry.At present,it even has become the main factor constraining the safe producing of the coal. Therefore, the real-time detection

4、 of the change of gas concentration plays a very important role on the safe operation of mining, personal safety and environmental protection. But in current, domestic detection equipment hung behind the other counties. The detected scopes of these equipments are small, the reaction times are long,

5、and using wire transmission approach in data transmission, these equipment do not meet the needs of majority of coal mines because of the high cost and high power needs and large volumes. It was necessary to develop an integrated, intelligent, small and the new wireless gas detection and alarm equip

6、ment. This equipment can enhance the mine safety monitoring capabilities.This paper introduced the wireless data transmission technology in mine environmental monitoring data transmission process. Thus, a gas concentration detector is designed which based on the wireless transmission technology. So

7、it can moving then detecting and detecting then transmission. This papers research findings provided a new feasible solution scheme of mine safety.The detector composed of two parts, the scene part and the hand-held part. The scene part is at the gas detection point, the main components of it are ga

8、s sensor, signal conditioning circuit, A/D converter, MCU and Wireless transmitter module PTR2000. While the hand-held part mainly consists of wireless receiver module PTR2000,MCU,displaying unit, alarming unit and so on. In the hardware design, this paper analyses and elaborates how to complete the

9、 data acquisition, processing judgments,display and transmission of data, such as a series of function across the low-power AT89C51 MCU. While in the part of software,the paper described the program flow in detail.Key Words Gas concentration；Wireless transmission；Detector；AT89C51目次1 緒論11.1 煤礦瓦斯氣體概述1

10、1.2 國(guó)家關(guān)于煤礦安全濃度的規(guī)定21.3 無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)概述31.4 煤礦瓦斯檢測(cè)儀的發(fā)展?fàn)顩r41.5 本課題的研究意義51.6 本課題的主要工作容52 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)72.1 系統(tǒng)總體構(gòu)成與工作原理72.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求82.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理93 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)153.1 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)153.2 數(shù)據(jù)采集與信號(hào)調(diào)理電路部分設(shè)計(jì)163.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD574A原理與連接方法173.4 無(wú)線(xiàn)傳輸模塊PTR2000原理與應(yīng)用203.5 LED顯示電路設(shè)計(jì)213.6 報(bào)警電路223.7 電池電量監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)234 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)254.1 現(xiàn)場(chǎng)單片機(jī)主程序設(shè)計(jì)254.2 手持部分單片機(jī)主程序設(shè)計(jì)2

11、54.3 串行口子程序設(shè)計(jì)264.4 傳感器控制程序設(shè)計(jì)27結(jié)論29致30參考文獻(xiàn)31附錄A：現(xiàn)場(chǎng)部分總體電路圖33附錄B：手持部分總體電路圖341 緒論中國(guó)煤炭產(chǎn)量高居世界第一，國(guó)家一直把煤礦的安全生產(chǎn)作為重中之重，給予高度的關(guān)注。在我國(guó)的煤礦生產(chǎn)事故中，瓦斯爆炸造成的傷亡和損失成為實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的最大障礙，與時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)瓦斯?jié)舛群蛨?bào)告危險(xiǎn)在安全生產(chǎn)中具有重要意義。為了確保礦井的生產(chǎn)安全，防止瓦斯爆炸，國(guó)外煤礦研究所在此領(lǐng)域進(jìn)行了很長(zhǎng)時(shí)間的研究，開(kāi)發(fā)出很多種類(lèi)型的瓦斯檢測(cè)儀，但目前已有的瓦斯檢測(cè)儀器都普遍存在著體積較大、安裝復(fù)雜、操作不便、智能化程度低等缺點(diǎn)。因此開(kāi)發(fā)研制便于攜帶、多功能、精度

12、高的瓦斯檢測(cè)儀對(duì)促進(jìn)煤炭行業(yè)的安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.1 煤礦瓦斯氣體概述 要設(shè)計(jì)一個(gè)瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀，就必須首先搞清楚瓦斯氣體，明確研究對(duì)象的性質(zhì)與其爆炸所需的條件等，只有在明確了研究對(duì)象之后，才能很好地對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，下面就將對(duì)瓦斯氣體的特性和爆炸條件作詳細(xì)地介紹。1.1.1 瓦斯氣體性質(zhì)了解瓦斯的特點(diǎn)和性質(zhì)是搞好瓦斯管理的先決條件。瓦斯是煤礦開(kāi)采過(guò)程中的一種有害氣體的總稱(chēng)，它有自己的性質(zhì)和特點(diǎn)，是可以被認(rèn)識(shí)的，也是可以被控制和利用的。所以說(shuō)要搞好瓦斯管理工作，必須首先學(xué)習(xí)有關(guān)瓦斯的知識(shí)，了解瓦斯的性質(zhì)和特點(diǎn)。礦井瓦斯是指從煤體和圍巖中逸出的以與在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的多成分的混合氣體，包括

13、、CO、等。主要成分是甲烷()、一氧化碳(CO)和二氧化碳()、硫化氫()等。甲烷是礦井瓦斯的主要成分，是一種無(wú)色無(wú)味的氣體，不助燃，但當(dāng)與空氣混合到一定濃度時(shí)，遇火能燃燒或爆炸，爆炸界限為516%;空氣中甲烷濃度超過(guò)40%時(shí)，空氣中的氧含量將下降到12%以下，此時(shí)空氣與甲烷的混合氣體不再發(fā)生爆炸，但將使人窒息。1.1.2 瓦斯氣體的爆炸瓦斯爆炸須具備3個(gè)條件：濃度、濃度與引爆溫度。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(kāi)采過(guò)程中，瓦斯被逸散出來(lái)，在井下積聚，造成瓦斯?jié)舛仍黾?，?dāng)濃度達(dá)5%16%時(shí)具有爆炸性，濃度為

14、9.5%時(shí)，爆炸威力最大，當(dāng)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(chǎng)混合氣體的溫度和壓力發(fā)生變化或混入煤塵與其它可燃?xì)怏w時(shí)，可影響瓦斯爆炸的上下限，如空氣中的煤塵含量為1012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荆瑢?shí)時(shí)掌握瓦斯?jié)舛葼顩r是煤礦安全的頭等大事。1.2 國(guó)家關(guān)于煤礦安全濃度的規(guī)定煤礦安全規(guī)程對(duì)井下各點(diǎn)瓦斯?jié)舛纫?guī)定如下：(1) 礦井總回風(fēng)巷或一翼回風(fēng)巷風(fēng)流中瓦斯?jié)舛瘸^(guò)0.75%，礦總工程師必須立即查明原因，進(jìn)行處理，并報(bào)告礦務(wù)

15、局總工程師。(2) 采區(qū)回風(fēng)巷、采掘工作面回風(fēng)巷風(fēng)流中瓦斯?jié)舛瘸^(guò)1%時(shí)，必須停止工作，撤出人員，并由礦總工程師負(fù)責(zé)采取措施，進(jìn)行處理。(3) 綜合機(jī)械化、水采和煤層厚度小于8米的保護(hù)層的采煤工作面，經(jīng)抽放瓦斯和增加風(fēng)量已達(dá)到最高允許風(fēng)速后，其回風(fēng)巷風(fēng)流中瓦斯?jié)舛热圆荒芙档偷?%以下時(shí)，經(jīng)礦務(wù)局局長(zhǎng)批準(zhǔn)，瓦斯?jié)舛茸罡卟坏贸^(guò)1.5%，并應(yīng)符合下列要求：工作面的風(fēng)流控制必須可靠；通風(fēng)巷必須保持設(shè)計(jì)斷面；必須制定安全措施，配有專(zhuān)職瓦斯檢查員并安設(shè)瓦斯自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警、斷電裝置。(4) 采掘工作面風(fēng)流中瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1%時(shí)，必須停止用電鉆打眼;放炮地點(diǎn)附近20 米以風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1%時(shí)，嚴(yán)禁放炮。采

16、掘工作面風(fēng)流中瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1.5%時(shí)，必須停止工作，撤出人員，切斷電源，進(jìn)行處理;電動(dòng)機(jī)或其開(kāi)關(guān)地點(diǎn)附近20米以風(fēng)流中瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1.5%時(shí)，必須停止運(yùn)轉(zhuǎn)，撤出人員，切斷電源，進(jìn)行處理。(5) 采掘工作面，體積大于0.5立方米的空間，局部積聚瓦斯?jié)舛冗_(dá)到2%時(shí)，附近20米，必須停止工作，撤出人員，切斷電源，進(jìn)行處理。(6) 綜合機(jī)械化采掘工作面，應(yīng)在采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)上安設(shè)機(jī)載式斷電儀，當(dāng)其附近瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1%時(shí)報(bào)警，達(dá)到1.5%時(shí)必須停止工作，切斷采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)的電源。1.3 無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)概述常用的無(wú)線(xiàn)傳輸方式有藍(lán)牙、紅外、UWB、ZigBee、WI-FI、微波、無(wú)線(xiàn)電波，其中藍(lán)牙、紅外、UWB

17、、ZigBee、WI-FI適用于短距離或中距離無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸，微波和無(wú)線(xiàn)電波適用于中遠(yuǎn)距離傳播，由于礦井巷道比較狹長(zhǎng)，中短距離的無(wú)線(xiàn)傳輸方式在此無(wú)法使用，下面著重介紹兩種較長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳送方式。(1)無(wú)線(xiàn)電波 無(wú)線(xiàn)電波或射頻波是指在自由空間（包括空氣和真空）傳播的電磁波，無(wú)線(xiàn)電波或射頻波是指在自由空間（包括空氣和真空）傳播的電磁波，其頻率300GHz以下下限較不統(tǒng)一,在各種射頻規(guī)書(shū),常見(jiàn)的有三種3kHz、9kHz、10kHz。GHz,9KHz300GHz, 10KHz300GHz)。波長(zhǎng)為3000米0.3毫米。無(wú)線(xiàn)電技術(shù)是通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波傳播信號(hào)，現(xiàn)在，無(wú)線(xiàn)電有著多種應(yīng)用形式，多種應(yīng)用形式，包括無(wú)線(xiàn)數(shù)

18、據(jù)網(wǎng)，各種移動(dòng)通信以與無(wú)線(xiàn)電廣播等，其傳輸距離遠(yuǎn)，是應(yīng)用最廣的無(wú)線(xiàn)通信手段。(2)微波通信微波通信(Microwave Communication),是使用波長(zhǎng)在0.1毫米至1米之間的電磁波進(jìn)行的通信。微波通信不需要固體介質(zhì),當(dāng)兩點(diǎn)間直線(xiàn)距離無(wú)障礙時(shí)就可以使用微波傳送，利用微波進(jìn)行通信具有容量大、質(zhì)量好并可傳至很遠(yuǎn)的距離,因此是國(guó)家通信網(wǎng)的一種重要通信手段,也普遍適用于各種專(zhuān)用通信網(wǎng)，我國(guó)微波通信廣泛應(yīng)用L、S、C、X諸頻段,K頻段的應(yīng)用尚在開(kāi)發(fā)之中。一般說(shuō)來(lái),由于地球幽面的影響以與空間傳輸?shù)膿p耗,每隔50公里左右,就需要設(shè)置中繼站,將電波放大轉(zhuǎn)發(fā)而延伸。這種通信方式,也稱(chēng)為微波中繼通信或稱(chēng)微

19、波接力通信。長(zhǎng)距離微波通信干線(xiàn)可以經(jīng)過(guò)幾十次中繼而傳至數(shù)千公里仍可保持很高的通信質(zhì)量。煤礦有線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)的重要保障，但由于煤礦井下工況環(huán)境十分復(fù)雜，有線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)由于自身的局限性還難以對(duì)瓦斯、煤塵、火災(zāi)、地壓、溫度、風(fēng)速等對(duì)礦井安全生產(chǎn)具有重要影響的礦井環(huán)境參數(shù)實(shí)施全面、有效和靈活的監(jiān)測(cè)，不可避免地留下大量的安全隱患。建立礦井無(wú)線(xiàn)安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警信息系統(tǒng)可以對(duì)有線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)難以監(jiān)測(cè)的區(qū)域?qū)嵤┦钟行?、?shí)時(shí)和靈活的監(jiān)測(cè)。礦井無(wú)線(xiàn)傳輸受工作頻率、導(dǎo)體、巷道截面(包括形狀尺寸)、拐彎、分支、傾斜、風(fēng)門(mén)等影響，其特點(diǎn)有：礦井無(wú)線(xiàn)傳輸受巷道截面和傳輸頻率影響。巷道截面越大，傳輸頻率越高，傳輸衰減越

20、小。但在300900kHz頻率傳輸其衰減較小。巷道截面對(duì)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)挠绊懗潭扰c波長(zhǎng)有關(guān)，當(dāng)巷道截面等效半徑與波長(zhǎng)相差不大于10倍時(shí)(無(wú)論等效半徑大于波長(zhǎng)，還是波長(zhǎng)大于等效半徑)，巷道截面對(duì)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)挠绊戄^大；巷道截面等效半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，或遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)時(shí)，巷道截面對(duì)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)挠绊戄^小。因此。巷道截面對(duì)中頻與其以下頻率的無(wú)線(xiàn)傳輸影響較小，所以在本設(shè)計(jì)中可選用適當(dāng)頻率的無(wú)線(xiàn)電波作為無(wú)線(xiàn)傳輸方式。1.4 煤礦瓦斯檢測(cè)儀的發(fā)展?fàn)顩r多年來(lái)市場(chǎng)上用于瓦斯?jié)舛葯z測(cè)的儀器主要有：氣相色譜儀，氣敏元件傳感器，光學(xué)干涉儀等。(1)氣相色譜儀該類(lèi)儀器可以檢測(cè)、CO、C02等多種氣體，測(cè)量圍大而且精度很高，但成本較高，

21、目前國(guó)一臺(tái)這樣的儀器要8萬(wàn)元。這種儀器的缺點(diǎn)是：體積較大，無(wú)法方便攜帶，工作環(huán)境要求很高，無(wú)法進(jìn)行野外探測(cè)；測(cè)量時(shí)要先對(duì)氣體取樣，無(wú)法實(shí)時(shí)探測(cè)，功率很大一般達(dá)到2500W，需要與計(jì)算機(jī)相連。這種儀器目前主要應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室。(2)氣敏元件傳感器該類(lèi)儀器是以“催化”元件作為傳感元件，利用催化元件在不同濃度的瓦斯中使電橋電阻發(fā)生變化而制成的，是目前礦井中最常見(jiàn)的瓦斯檢測(cè)手段。它的特點(diǎn)是：體積小、重量輕、線(xiàn)性度較好、可實(shí)現(xiàn)電量輸出、使用方便、價(jià)格便宜。但當(dāng)甲烷濃度較大時(shí)，催化元件溫度過(guò)高會(huì)使催化劑氧化或者燒斷鉑金絲而損壞儀器。該儀器的缺點(diǎn)是：測(cè)量圍有限、精度較低、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。(3)光學(xué)干涉儀該類(lèi)儀器是利

22、用光干涉的原理，當(dāng)兩束光所經(jīng)過(guò)光程一樣時(shí)，干涉條紋不發(fā)生移動(dòng)。如果氣樣室中氣體的成分、溫度、壓力發(fā)生改變，則折射率會(huì)發(fā)生改變，光程也會(huì)發(fā)生變化，所看到的干涉條紋就發(fā)生移動(dòng)。當(dāng)兩個(gè)氣室的溫度等條件一樣時(shí)，由于甲烷的折射率n=1.000411，而空氣的折射率n=1.000272，便可以利用測(cè)量干涉條紋的移動(dòng)對(duì)甲烷的濃度進(jìn)行定量分析。這種儀器在使用中必須消除二氧化碳和水蒸氣的干擾。一般要在儀器的進(jìn)氣口處加一個(gè)吸收管，裝入堿石灰和氯化鈣以吸收二氧化碳和水蒸氣。光學(xué)干涉儀的特點(diǎn)是：使用的條件要求不高，精度可以達(dá)到0.1左右，一般礦井中的瓦斯安全員用的多為這種儀器。缺點(diǎn)是：當(dāng)水蒸氣含量較高時(shí)，測(cè)量精度下降

23、，需要經(jīng)常更換藥品；儀器的安裝較困難，讀數(shù)不方便，讀數(shù)的精度直接與使用人員的操作有很大關(guān)系；測(cè)量圍有限，精度不高。綜合來(lái)說(shuō)，目前市場(chǎng)上的每種系統(tǒng)都可能存在量程小、體積大、功耗大、需短期校準(zhǔn)、使用壽命短、無(wú)數(shù)據(jù)傳輸方式等其中某種或某幾種缺點(diǎn)。因此十分需要研制一種新型瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀以克服現(xiàn)有設(shè)備存在的各種問(wèn)題，使其具有微型化、智能化、低功耗、無(wú)線(xiàn)化并能夠準(zhǔn)確的測(cè)量出現(xiàn)場(chǎng)的瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀。1.5 本課題的研究意義我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，也是世界上少數(shù)幾個(gè)以煤為主要能源的國(guó)家之一。雖然通過(guò)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)，但每個(gè)環(huán)節(jié)卻同時(shí)帶來(lái)了環(huán)境污染、安全等一系列的

24、問(wèn)題。其中之一便是有害氣體影響，包括,CO ,等。后兩種氣體含量少，且易溶于水，經(jīng)煤礦開(kāi)采時(shí)的噴水處理后變成酸。但是氣體含量多，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()是在成煤過(guò)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^(guò)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，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(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)造

25、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(guó)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(cè)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(chǎng)應(yīng)用前景十分廣闊。1.6 本課題的主要工作容本課題假設(shè)煤礦的礦井巷道無(wú)彎道，由甲烷傳感器檢測(cè)礦井空氣中甲烷的含量并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理和放大而成為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，然后標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)中，然后經(jīng)無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊發(fā)射，由接收模塊接收信號(hào)后送入手持部分的單片

26、機(jī)，經(jīng)處理后進(jìn)行顯示和超限報(bào)警。使用單片機(jī)AT89C51作為控制芯片，用匯編語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，采用甲烷氣體傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊、無(wú)線(xiàn)接收模塊加上顯示報(bào)警電路等器件構(gòu)成系統(tǒng)，具體部件與其功能如下：(1) 使用數(shù)碼管顯示瓦斯?jié)舛鹊拇笮?2) 使用報(bào)警電路，當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^(guò)1%時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)(3) 使用發(fā)射和接收模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸(4) 使用電源監(jiān)測(cè)電路對(duì)干電池電量進(jìn)行監(jiān)測(cè)目前國(guó)有一些用于煤礦中CH4氣體的檢測(cè)儀，但是很少有能實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，本文針?duì)煤礦氣體檢測(cè)儀的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，閱讀了大量文獻(xiàn)與資料，研發(fā)了基于無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)耐咚節(jié)舛葯z測(cè)儀，本文的主要工作包括：(1)

27、甲烷氣體傳感器的選用(2) 單片機(jī)的選用(3) 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與論證(4) 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)(5) 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)包括：系統(tǒng)總體構(gòu)成和工作原理；系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求或者指標(biāo)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理。在第一部分中介紹了系統(tǒng)的總體的構(gòu)成與其由各部分組成的完整系統(tǒng)的工作原理。而在設(shè)計(jì)要求中詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，包含設(shè)計(jì)所應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)和儀表在特殊場(chǎng)合的防爆設(shè)計(jì)要求。最后，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理部分主要介紹了本設(shè)計(jì)主要用到的幾個(gè)器件的選擇與器件的性質(zhì)介紹。2.1 系統(tǒng)總體構(gòu)成與工作原理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2.1和圖2.2所示。圖2.1為系統(tǒng)位于井下對(duì)固定點(diǎn)的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測(cè)和無(wú)線(xiàn)

28、數(shù)據(jù)發(fā)射部分，主要由單片機(jī)、氣體檢測(cè)與變送單元、A/D轉(zhuǎn)換電路、電源時(shí)鐘與復(fù)位電路、無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊組成。圖2.2為系統(tǒng)手持機(jī)部分，主要由單片機(jī)、無(wú)線(xiàn)接收模塊、電源時(shí)鐘與復(fù)位電路、報(bào)警電路、顯示電路組成。在硬件設(shè)計(jì)中，采用了高集成度和性?xún)r(jià)比的外圍器件。瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀的功能是能夠檢測(cè)濃度，同時(shí)本著方便使用的原則，還應(yīng)具備聲光報(bào)警、濃度顯示等功能。其工作原理是現(xiàn)場(chǎng)瓦斯?jié)舛韧ㄟ^(guò)瓦斯傳感器MQ214探頭與信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電信號(hào)，電信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)，單片機(jī)處理數(shù)據(jù)后通過(guò)連接在串行口的無(wú)線(xiàn)傳輸模塊PTR2000傳輸?shù)绞殖植糠诌M(jìn)行濃度顯示和報(bào)警操作。圖2.1 現(xiàn)場(chǎng)部分結(jié)構(gòu)

29、圖圖2.2 手持部分結(jié)構(gòu)圖2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求2.2.1 技術(shù)指標(biāo)本課題的研究目的是設(shè)計(jì)一個(gè)基于無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)耐咚節(jié)舛葯z測(cè)儀，該瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀主要完成數(shù)據(jù)采集、處理和無(wú)線(xiàn)傳輸，瓦斯?jié)舛蕊@示以與超限報(bào)警等功能，并且具有體積小、攜帶方便、多功能、精度高等特點(diǎn)，其具體技術(shù)指標(biāo)上的要求如下：(1) 應(yīng)用環(huán)境：煤礦氣體監(jiān)測(cè)(2) 監(jiān)測(cè)對(duì)象：監(jiān)測(cè)甲烷氣體(3) 測(cè)量圍：甲烷0.12%(4) 靈敏度：0.6%(5) 響應(yīng)時(shí)間：<30s(6) 功耗：150mw(7) 環(huán)境工作溫度圍：-20+70C(8) 環(huán)境下作濕度圍：<95%RH2.2.2 防爆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

30、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(guò)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、電阻電路與接線(xiàn)端子等，都放在隔爆外殼里，達(dá)到外殼可能發(fā)生的爆炸不影響周?chē)兹家妆镔|(zhì)，它的設(shè)計(jì)方法與隔爆型電器和電機(jī)基本相類(lèi)似。如外殼的各配合面(隔爆面)的間隙大小和長(zhǎng)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)到外殼部爆炸參考?jí)毫Φ?.5倍壓力不損壞和變形

31、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)儀表的特點(diǎn)，專(zhuān)門(mén)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(lái)使用特征又經(jīng)濟(jì)合理的外殼，外殼腔有細(xì)長(zhǎng)通道，避免腔發(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(xiàn)盒結(jié)構(gòu)隔爆型儀表設(shè)計(jì)帶有接線(xiàn)盒的隔爆外殼，且接線(xiàn)盒的防爆類(lèi)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(xiàn)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(jiǎn)單，加工方便。(3) 指示表結(jié)構(gòu)為了使井下工作人員與時(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100，透明玻

32、璃厚度大于8mm,與外殼密封采用橡膠密封措施。2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理2.3.1 傳感器選擇 本設(shè)計(jì)采用MQ-214可燃性氣體傳感器作為甲烷傳感器，根據(jù)MQ214數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定，加熱電壓為+6V，瓦斯測(cè)量單元的工作是周期性的 加熱30s后進(jìn)行測(cè)量，然后經(jīng)過(guò)45s進(jìn)行恢復(fù)，因此電路具有“6V電壓加熱”和“自然恢復(fù)”2種狀態(tài)。這種傳感器的外觀圖和結(jié)構(gòu)如圖2.3所示，由兩個(gè)引腳構(gòu)成，一正一負(fù)，正端接6V電源，此電源要求有較高穩(wěn)定性，否則對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)產(chǎn)生誤差。負(fù)端串接一電阻后，通過(guò)其在不同的瓦斯氣體中的電阻值的變化來(lái)確定瓦斯?jié)舛鹊拇笮?，是催化氧化型的一種氣體傳感器，具有抗氣體干擾能力強(qiáng)、選擇性好、反應(yīng)速度快

33、、靈敏度高、線(xiàn)性和穩(wěn)定性好、功耗低、壽命長(zhǎng)、體積小等特點(diǎn)。適用于煤礦井下作業(yè)環(huán)境測(cè)量空氣中的甲烷氣體濃度，所以本設(shè)計(jì)選擇其作為傳感器，對(duì)照本設(shè)計(jì)的所要達(dá)到的指標(biāo)要求，MQ-214可燃性氣體傳感器在各方面都達(dá)到了要求，是比較理想的選擇。圖2.3 傳感器的外觀圖和結(jié)構(gòu)圖傳感器規(guī)格如表2.1表2.3所示。表2.4列出了傳感器的標(biāo)準(zhǔn)工作條件；表2.5描述了傳感器的使用的環(huán)境條件；而表3則詳細(xì)闡述了傳感器的靈敏度特性，標(biāo)示出了其檢測(cè)圍。表2.1 標(biāo)準(zhǔn)工作條件符號(hào)參數(shù)名稱(chēng)技術(shù)條件備注Vc回路電壓6V±0.1VDCRH取樣電阻50±1室溫PH功耗約150毫瓦表2.2 環(huán)境條件符號(hào)參數(shù)名稱(chēng)

34、技術(shù)條件備注Tao使用溫度-1050Tas儲(chǔ)存溫度-2070RH相對(duì)濕度小于95%RHO2氧氣濃度21%(標(biāo)準(zhǔn)條件)氧氣濃度會(huì)影響靈敏度特性最小值大于表2.3 靈敏度特性符號(hào)參數(shù)名稱(chēng)技術(shù)參數(shù)備注Rs敏感體表面電阻20-100(5000ppm甲烷)探測(cè)濃度圍500ppm-10000ppm液化氣和丙烷1000ppm-20000ppm 甲烷500ppm-10000ppm 氫氣(5000/3000)甲烷濃度斜率0.6標(biāo)準(zhǔn)工作條件溫度： 20±2 Vc:6V±0.1相對(duì)濕度： 65%±5%預(yù)熱時(shí)間不少于24s其測(cè)量電路如圖2.4所示。圖2.4 MQ-214測(cè)量電路圖2.5給

35、出了MQ-214氣敏元件的靈敏度特性曲線(xiàn)。其中，溫度：20；相對(duì)濕度：65%；氧氣濃度：21%；RL=50 ，Rs：元件在不同氣體、不同濃度下的電阻值；Ro：元件在潔凈空氣中的電阻值。圖2.6給出了MQ-214型氣敏元件的溫濕度特性曲線(xiàn)，Ro：20，33%RH條件下，5000ppm甲烷中元件電阻。Rs：不同溫度、濕度下，5000ppm甲烷中元件電阻。MQ-214氣敏元件對(duì)不同種類(lèi)、不同濃度的氣體有不同的電阻值。 因此，在使用此類(lèi)型氣敏元件時(shí)，靈敏度的調(diào)整是很重要的。此處建議使用1000ppm液化氣或5000ppm甲烷校準(zhǔn)傳感器。 圖2.5 MQ-214靈敏度特性曲線(xiàn)圖2.6 MQ-214溫濕度

36、特性曲線(xiàn)2.3.2 無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊的選擇從模塊置芯片數(shù)據(jù)傳輸?shù)木幋a方式、芯片外圍元件的數(shù)量、功耗、發(fā)射功率、芯片的封裝和管腳數(shù)等幾個(gè)方面來(lái)考慮，本設(shè)計(jì)采用PTR2000作為無(wú)線(xiàn)傳輸模塊。無(wú)線(xiàn)收發(fā)一體數(shù)傳Modem模塊PTR2000芯片性能優(yōu)異，在業(yè)界居于領(lǐng)先水平，它的顯著特點(diǎn)是所需外圍元件少，設(shè)計(jì)非常方便。該模板在部集成了高頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制/解調(diào)、參量放大、功率放大、頻道切換等功能，因而是目前集成度較高的無(wú)線(xiàn)數(shù)傳產(chǎn)品。以往設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)數(shù)傳產(chǎn)品常常需要相當(dāng)多的無(wú)線(xiàn)電專(zhuān)業(yè)知識(shí)和昂貴的專(zhuān)業(yè)設(shè)備，而且傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方案不是電路太復(fù)雜就是調(diào)試?yán)щy，而令人望而卻步，以至影響了用戶(hù)的使用和新產(chǎn)品

37、的開(kāi)發(fā)研制工作。PTR2000的出現(xiàn)，使用戶(hù)擺脫了傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的困擾。該器件采用抗干擾能力強(qiáng)的FSK調(diào)制/解調(diào)方式，其工作頻率穩(wěn)定可靠、外圍元件少、功耗極低且方便設(shè)計(jì)生產(chǎn)。它的優(yōu)異特性使其非常適合于應(yīng)用在便攜式與手持產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，符合本設(shè)計(jì)的要求，其具體性能指標(biāo)如下：(1) 該器件將接收和發(fā)射合接為一體(2) 工作頻率為國(guó)際通用的數(shù)傳頻段433MHz(3)采用FSK調(diào)制/解調(diào)，可直接進(jìn)入數(shù)據(jù)輸入/輸出，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合(4)采用DDS(直接數(shù)據(jù)合成)PPL頻率合成技術(shù)，因而頻率穩(wěn)定性好(5)靈敏度高達(dá)105dBm(6)工作電壓低(2.7V),功耗小，接受待機(jī)狀態(tài)電流僅為8

38、uA(7)具有兩個(gè)頻道，可滿(mǎn)足需要多信道工作的場(chǎng)合(8)工作頻率最高達(dá)20kbit/s(也可在較低頻率下工作，如9600bit/s),超小體積，約40×27×5(9)可直接與CPU串口進(jìn)行連接(如AT89C51),也可以用RS-232與計(jì)算機(jī)接口連接，軟件編程方便(10)標(biāo)準(zhǔn)的DIR管腳間距更適合于嵌入式設(shè)備(11)由于采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏的設(shè)計(jì)，因此使用無(wú)需申請(qǐng)?jiān)S可證，開(kāi)闊地時(shí)使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000m2.3.3 單片機(jī)型號(hào)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)域如過(guò)程控制、數(shù)據(jù)采集、機(jī)電一體化、智能化儀表、家用電器

39、以與網(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?guó)外多家電子生產(chǎn)廠(chǎng)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?xún)r(jià)比、精度和速度等來(lái)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(cè)傳感器處于煤礦礦井巷道中，工作環(huán)境比較惡劣，以與實(shí)際的運(yùn)行工況比較復(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?xún)r(jià)比。由于51系列在我國(guó)使用最廣且該系列的資料和能夠兼容的外圍芯片也比

40、較多，特別是ATMEL公司推出的AT89C51單片機(jī)，其具有較高的性能價(jià)格比和較高的抗干擾能力。本文采用AT89C51單片機(jī)作為檢測(cè)儀的核心部件，AT89C51單片機(jī)是ATMEL公司89系列單片機(jī)中的一種，它現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制等各領(lǐng)域，是80C51的增強(qiáng)型并且指令完全兼容。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89

41、C51是一種高效微控制器，其特點(diǎn)如下：(1) 與MCS-51 兼容(2) 4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 (3) 壽命：1000寫(xiě)/擦循環(huán)(4) 數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年(5) 全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz(6) 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定(7) 128×8位部RAM(8) 32可編程I/O線(xiàn)(9) 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(10) 5個(gè)中斷源 (11) 可編程串行通道(12) 低功耗的閑置和掉電模式(13) 片振蕩器和時(shí)鐘電路(14) 工作溫度為-55+125(15) 最高工作電壓6.6V正是由于AT89C51單片機(jī)具有如上特點(diǎn)，其工作溫度圍寬，能夠適應(yīng)礦井下惡劣的環(huán)境，且具有較高的可靠性，和抗干

42、擾能力，所以此處選用此單片機(jī)作為控制器。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是本設(shè)計(jì)的重中之重，其具體包括：系統(tǒng)的電源、數(shù)據(jù)采集以與信號(hào)調(diào)理部分、A/D轉(zhuǎn)換電路部分、顯示部分電路、電池電量監(jiān)測(cè)部分、報(bào)警電路等各部分的設(shè)計(jì)電路，下面給予詳細(xì)闡述。3.1 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)3.1.1 煤礦現(xiàn)場(chǎng)部分電源設(shè)計(jì)由于煤礦礦井下可采用有線(xiàn)電纜供電，所以本設(shè)計(jì)中采用220V交流市電，經(jīng)變壓、整流濾波、穩(wěn)壓后得到所需電源。因現(xiàn)場(chǎng)部分的電路中需使用到不同的電源電壓值，例如：傳感器需要+6V的標(biāo)準(zhǔn)電壓，而A/D轉(zhuǎn)換器則需要±15V的基準(zhǔn)電壓，單片機(jī)的電源電壓為+5V，所以，此處采用三端集成穩(wěn)壓芯片LM7815、LM78

43、06、LM7805、LM7915，來(lái)分別得到+15V、+6V、+5V、-15V電壓作為輸出，供現(xiàn)場(chǎng)部分的系統(tǒng)使用。具體的電路設(shè)計(jì)如圖3.1所示。圖3.1 現(xiàn)場(chǎng)部分的電源電路圖設(shè)計(jì)3.1.2 手持部分電源設(shè)計(jì)手持部分的電源采用南孚9V電池(6LR61堿性電池)供電，其技術(shù)數(shù)據(jù)為：電壓：9V，尺寸(mm)：高48.5×長(zhǎng)26.5×寬17.5，有效期：3年。在不同的測(cè)試條件下，其終止電壓和使用壽命如表3.1所示。表3.1南孚9V電池的終止電壓和使用壽命測(cè)試條件終止電壓使用壽命620歐2h/d5.4V30.0h180歐30h/d4.8V10.5h270歐1h/d5.4V16.0h

44、由于手持部分的特殊性，只能使用電池供電，而單片機(jī)的供電電壓為5V直流電，且要求電壓穩(wěn)定，所以在設(shè)計(jì)中采用了三端集成穩(wěn)壓芯片LM7805，由其輸出端提供穩(wěn)定的+5V電壓，以供單片機(jī)使用。其具體電路連接圖如圖3.2所示。圖3.2 手持部分的電源設(shè)計(jì)3.2 數(shù)據(jù)采集與信號(hào)調(diào)理電路部分設(shè)計(jì)根據(jù)MQ214數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定，加熱電壓為+6V，瓦斯測(cè)量單元的工作是周期性的加熱30s后進(jìn)行測(cè)量，然后經(jīng)過(guò)45s進(jìn)行恢復(fù)，因此電路具有“6V電壓加熱”和“自然恢復(fù)”2種狀態(tài)。本設(shè)計(jì)利用AT89C51的P2.1口，當(dāng)?shù)竭_(dá)加熱或恢復(fù)時(shí)間后，由CH4_KZ端輸入的控制電平，切換2種工作狀態(tài)。信號(hào)采集與調(diào)理電路圖如圖9所示。圖

45、3.3中，T2是瓦斯傳感器MQ214，當(dāng)CH4_KZ輸入低電平時(shí)，處于加熱狀態(tài)，加熱通路為T(mén)2、Q1、R4。加熱時(shí)，加熱電路串入51電阻，以限制通過(guò)傳感器的電流。MQ214的加熱電阻為20100，因此，T2第2腳的電壓最大為51/(51+20)×64.32V，最小為51/(51+100)×62V； 選擇A/D轉(zhuǎn)換器AD574A的最高輸入電壓為10V的模擬輸入端，圍為010V，為了使調(diào)理電路輸出電壓在合理的圍，電路使用了反向放大2倍的放大電路；同時(shí)，為了保持相位與輸入信號(hào)一樣，在后一級(jí)使用反向放大倍數(shù)為1的放大器。因此，輸入A/D轉(zhuǎn)換器的電壓圍是48.64V。當(dāng)控制電平端輸入

46、高電平時(shí)，電路處于恢復(fù)狀態(tài)(Q1三極管關(guān)斷)，輸入電壓略小于3V。整個(gè)電路的輸出電壓與瓦斯傳感器電阻之間的運(yùn)算關(guān)系如式3.1所示。 （3.1）圖3.3信號(hào)采集與調(diào)理電路圖3.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD574A原理與連接方法AD574A是美國(guó)模擬數(shù)字公司(Analog)推出的單片高速12位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換芯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個(gè)完整的A/D轉(zhuǎn)換器。其主要功能特性如下：     (1)分辨率：12位(2)非線(xiàn)性誤差：小于±

47、;1/2LBS或±1LBS (3)轉(zhuǎn)換速率：25us (4)模擬電壓輸入圍：010V和020V，0±5V和0±10V兩檔四種  (5)電源電壓：±15V和5V(6)數(shù)據(jù)輸出格式：12位/8位(7)芯片工作模式：全速工作模式和單一工作模式AD574A的管腳如圖3.4所示，其對(duì)應(yīng)個(gè)管腳的功能、名稱(chēng)與序號(hào)如表3.2所示。圖3.4 AD574A管腳圖表3.2 AD574A管腳功能圖管腳序號(hào)名稱(chēng)功能1VL+5V電源輸入端212/8數(shù)據(jù)模式選擇端，為高電平時(shí)，輸出數(shù)據(jù)為12位；當(dāng)為 低電平時(shí)，數(shù)據(jù)是作為兩個(gè)8位字輸出3CS片選

48、端低電平有效4Ao轉(zhuǎn)換位數(shù)控制信號(hào)。當(dāng)為高電平是，進(jìn)行8位轉(zhuǎn)換，為低電平進(jìn)行12位轉(zhuǎn)換5R/C讀出或轉(zhuǎn)換控制信號(hào)，用于控制ADC574A是轉(zhuǎn)換還是讀出。當(dāng)為低電 平時(shí)，啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換；當(dāng)為高電平時(shí)，將轉(zhuǎn)換結(jié)果讀出。6CE芯片允許信號(hào)，高電平有效。只有CS和CE同時(shí)有效，AD574A才能工作7Vcc正電源輸入端，輸入+15V電源。8BOUT10V基準(zhǔn)電源電壓輸出端9AG模擬地端。10BIN基準(zhǔn)電源電壓輸入端11VEE負(fù)電源輸入端，輸入-15V電源12bipoff正電源輸入端，輸入+15V電源1310Vin10V量程模擬電壓輸入端1420Vin20V量程模擬電壓輸入端15DG數(shù)字地端1627DB0-

49、DB1112條數(shù)據(jù)總線(xiàn)。通過(guò)這12條數(shù)據(jù)總線(xiàn)向外輸出A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。28STS工作狀態(tài)指示信號(hào)端，當(dāng)STS=1時(shí)，表示轉(zhuǎn)換器正處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)，當(dāng)STS=0時(shí)，聲明A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，通過(guò)此信號(hào)可以判別A/D轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)，作為單片機(jī)的中斷或查詢(xún)信號(hào)之用圖3.5AD574A與單片機(jī)連接圖圖3.5是AT89C51單片機(jī)與AD574A 的接口電路，其中還使用了三態(tài)鎖存器74LS373 和74LS00 與非門(mén)電路，邏輯控制信號(hào)由AT89C51的數(shù)據(jù)口P0發(fā)出，并由三態(tài)鎖存器74LS373 鎖存到輸出端Q0、Q1 和Q2 上，Q0、Q1、Q2分別連接到AD574A的CS、A0和R/C端，用于控制AD574A

50、 的工作過(guò)程。AD 轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出也通過(guò)P0口數(shù)據(jù)總線(xiàn)連至AT89C51，由于我們只使用了8 位數(shù)據(jù)口，12 位數(shù)據(jù)分兩次讀進(jìn)AT89C51，所以當(dāng)AT89C51的P2.0 查詢(xún)到STS 端轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)后，先將轉(zhuǎn)換后的12 位A/D 數(shù)據(jù)的高8 位讀進(jìn)單片機(jī)，然后再將低4 位讀進(jìn)單片機(jī)。這里不管AD574A 是處在啟動(dòng)、轉(zhuǎn)換和輸出結(jié)果，使能端CE 都必須為1，因此將AT89C51的寫(xiě)控制線(xiàn)和讀控制線(xiàn)通過(guò)與非門(mén)74LS00 與AD574A 的使能端CE 相連。3.4 無(wú)線(xiàn)傳輸模塊PTR2000原理與應(yīng)用本文中的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊采用PTR2000，因?yàn)樗悄壳凹啥容^高的無(wú)線(xiàn)收發(fā)產(chǎn)品，其接收和發(fā)

51、送合為一體，具有兩個(gè)頻道，可滿(mǎn)足多信道工作的場(chǎng)合，置nRF401芯片，數(shù)據(jù)無(wú)需曼徹斯特編碼，外圍元件只需10個(gè)，編程開(kāi)發(fā)工作容易，圖3.6是PTR2000模塊的引腳。圖3.6PTR2000模塊引腳圖PTR2000模塊的引腳功能說(shuō)明如下表3.3所示。表3.3PTR2000引腳功能說(shuō)明管腳序號(hào)名稱(chēng)功能1VCC正電源端，2.75.25V2CS頻道選擇端，CS=0選擇工作頻道1，即43392MHz；CS=1選擇工作頻道2，即434.33MHz3DO數(shù)據(jù)輸出端4DI數(shù)據(jù)輸入端5GND電源地端6PWR節(jié)能控制端。PWR=1時(shí)，正常工作狀態(tài)，PWR=0時(shí)，待機(jī)微功耗狀態(tài)7TXEN發(fā)射接收控制。TXEN=1時(shí)

52、，模塊為發(fā)射狀態(tài)；TXEN=0時(shí)，模塊為接收狀態(tài)由表3.3可得到模塊不同的工作模式，具體設(shè)置可見(jiàn)表3.4，設(shè)置不同的引腳輸入電平將得到不同的工作模式，可以由此設(shè)置讓PTR2000無(wú)線(xiàn)傳輸模塊工作于接收或者放射狀態(tài)。表3.4 PTR2000工作模式設(shè)置引腳接入電平模塊工作狀態(tài)TXENCSPWR工作頻道芯片狀態(tài)0011接收0112接收1011發(fā)射1112發(fā)射××0待機(jī)單片機(jī)與PTR2000的通信速率可約定為9600bit/s，單片機(jī)選用12MHz的晶振。PTR2000的DO腳連接AT89C51的RXD腳。其功能是PTR2000將接收到的數(shù)據(jù)解調(diào)后，輸出到單片機(jī)中。PTR2000

53、的DI腳連接AT89C51的TXD腳。其功能是單片機(jī)將待發(fā)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇TR2000并經(jīng)過(guò)調(diào)制后發(fā)送到接收端。PTR2000的TXEN腳在本設(shè)計(jì)中分為現(xiàn)場(chǎng)部分和手持部分，每部分都只使用其發(fā)射或接收中的一種功能，現(xiàn)場(chǎng)部分的PTR2000模塊的TXEN=1，接到VCC上，PTR2000處于發(fā)射狀態(tài)，手持部分的TXEN=0，接到GND上，PTR2000處于接收狀態(tài)。PTR2000的CS引腳和GND連接，即使固定通信頻道為頻道1。PTR2000的PWR引腳連接到VCC上，使PTR2000的固定工作在正常工作狀態(tài)。具體單片機(jī)與PTR2000模塊的連接圖如圖3.7和圖3.8所示。圖3.7 發(fā)射端PTR200

54、0連接圖圖3.8 接收端PTR2000連接圖3.5 LED顯示電路設(shè)計(jì)LED顯示器分為共陽(yáng)極和共陰極兩種，兩者輸入代碼不同，本設(shè)計(jì)采用共陰極數(shù)碼管作為顯示器件。據(jù)此處的具體需要，采用小數(shù)點(diǎn)固定的方法，各小數(shù)點(diǎn)位單獨(dú)控制，所以在選擇譯碼驅(qū)動(dòng)器件時(shí)可選擇七段驅(qū)動(dòng)器，這里選擇CD4511作為譯碼驅(qū)動(dòng)器，采用硬件譯碼方式，硬件譯碼減少了軟件設(shè)計(jì)的麻煩，編程方便，在顯示方式上采用動(dòng)態(tài)顯示，動(dòng)態(tài)顯示是單片機(jī)常用的顯示方式之一，它是把所有顯示器的同名段互相并聯(lián)在一起，并把它們接到字形口上為了防止各個(gè)顯示器同時(shí)顯示出一樣的字符，每個(gè)顯示器還要受到另一組控制信號(hào)的控制，當(dāng)需要輸出數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)將LE口置高電平，表示

55、此時(shí)可以向CD4511發(fā)送數(shù)據(jù)，但CD4511I的輸出端ag不會(huì)有輸出，因?yàn)長(zhǎng)E=1時(shí)，CD4511處于鎖存狀態(tài)。這時(shí)只要將要顯示的數(shù)據(jù)的代碼輸入到AD口，送完后，將LE清零。這時(shí)便可以將要顯示的數(shù)據(jù)的代碼經(jīng)CD4511譯碼后，從輸出端ag輸出，送LED顯示器顯示。這樣將每位要顯示的數(shù)據(jù)分別送入各個(gè)顯示器件，由各個(gè)LE端控制，在合適的時(shí)間間隔，由于視覺(jué)的延遲作用，我們可以看到各個(gè)清晰的數(shù)字。CD4511與單片機(jī)、數(shù)碼管組成的系統(tǒng)顯示模塊的總連接電路圖如圖3.9所示。圖3.9顯示模塊電路連接圖3.6 報(bào)警電路采用電磁式蜂鳴器作為聲音報(bào)警的發(fā)聲器件，其工作原理為：電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線(xiàn)圈、磁

56、鐵、振動(dòng)膜片與外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號(hào)電流通過(guò)電磁線(xiàn)圈，使電磁線(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)。振動(dòng)膜片在電磁線(xiàn)圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動(dòng)發(fā)聲，當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^(guò)限定值時(shí)，單片機(jī)P2.3口輸出低電平使PNP型三極管8550導(dǎo)通，蜂鳴器兩端腳產(chǎn)生壓差，從而發(fā)出聲音報(bào)警信號(hào)。其具體連接方法如圖3.10所示。采用發(fā)光二極管串接限流電阻作為光報(bào)警的發(fā)光器件，當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^(guò)限定值時(shí)，單片機(jī)P2.4口輸出低電平使發(fā)光二極管導(dǎo)通，發(fā)出光亮，產(chǎn)生光報(bào)警信號(hào)。其具體連接方法如圖3.11所示。 圖3.10 聲音報(bào)警電路圖3.11 光報(bào)警電路3.7 電池電量監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)將用到LM339集成塊部的四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，LM339元件圖如圖3.12所示。該電壓比較器的特點(diǎn)有：(1)失調(diào)電壓小，典型值為2mV(2) 電源電壓圍寬，單電源為2-36V，雙電源電壓為±1V±18V(3)對(duì)比較信號(hào)源的阻限制較寬(4)共模圍很大，為0(Ucc-1.5V)Vo(5)差動(dòng)輸入電壓圍較大，大到可以等于電源電壓(6)輸出端電位可靈活方便地選用圖3.12 LM339元件圖LM339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時(shí)輸出端到正