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1、目錄一、 設(shè)計(jì)背景與要求1(一)設(shè)計(jì)背景1(二)設(shè)計(jì)要求1二、方案論證1(一)單片機(jī)選擇1(二) 傳感器的選擇2(三)顯示模塊的選擇2(四)風(fēng)機(jī)的選擇3三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3(一)硬件方框圖4(二)硬件設(shè)計(jì)原理圖5四、系統(tǒng)實(shí)物圖12五、測(cè)試結(jié)果13六、總結(jié)13瓦斯氣體濃度檢測(cè)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)()摘要:瓦斯等可燃危險(xiǎn)氣體的濃度檢測(cè)一直是煤礦安全生產(chǎn)重要前提。鑒于此,利用STC89C52單片機(jī)智能控制技術(shù)并集成了瓦斯傳感器等功能電路設(shè)計(jì)了一種瓦斯氣體濃度檢測(cè)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)包括單片機(jī)主控模塊、瓦斯傳感器、雙色燈顯示模塊、報(bào)警模塊、液晶顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。系統(tǒng)主控模塊采用性價(jià)比高的單片機(jī)最小系統(tǒng);選用
2、瓦斯傳感器進(jìn)行信號(hào)采集;利用雙色燈顯示變化信息,報(bào)警裝置報(bào)警,液晶顯示濃度的變化,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)瓦斯氣體的濃度。本系統(tǒng)成本低,性能較穩(wěn)定,可自動(dòng)檢測(cè)和調(diào)節(jié)瓦斯氣體濃度并報(bào)警。 關(guān)鍵詞:STC89C52;瓦斯傳感器;成本低;報(bào)警一、 設(shè)計(jì)背景與要求(一)設(shè)計(jì)背景煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)雖在國(guó)內(nèi)已有生產(chǎn)和應(yīng)用,但還沒(méi)有一種真正適合于中小型煤礦使用的產(chǎn)品,我國(guó)從八十年代初期開(kāi)始引進(jìn)煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng),歷經(jīng)了直接引進(jìn)、消化吸收、仿制配套、自主開(kāi)發(fā)的過(guò)程,但迄今為止的產(chǎn)品大多都是面對(duì)大型礦井設(shè)計(jì)的,而且自身尚有一些有待解決的問(wèn)題,如: :造價(jià)高系統(tǒng)最基本的配置過(guò)于龐大,運(yùn)行費(fèi)用大傳感器測(cè)量穩(wěn)定性差,調(diào)校頻繁
3、,壽命短。系統(tǒng)安裝、維護(hù)復(fù)雜,操作不便,人機(jī)界面較差。系統(tǒng)設(shè)備可靠性差。必須依賴專業(yè)的維護(hù)隊(duì)伍,對(duì)人員技術(shù),素質(zhì)有較高的要求。綜上所述,瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)監(jiān)控器所要實(shí)現(xiàn)的功能包括根據(jù)所選的瓦斯傳感器來(lái)設(shè)定瓦斯?jié)舛阮A(yù)警值,采集瓦斯?jié)舛炔⑦M(jìn)行濃度顯示及處理。當(dāng)實(shí)際濃度超限時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警并同時(shí)控制排風(fēng)扇進(jìn)行排風(fēng)以降低濃度含量。所以開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出一種操作簡(jiǎn)單的瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控器,對(duì)有效的預(yù)防和減少瓦斯爆炸具有非?,F(xiàn)實(shí)的意義。(二)設(shè)計(jì)要求當(dāng)瓦斯?jié)舛日r(shí),電動(dòng)機(jī)緩慢正轉(zhuǎn),雙色燈的顯示綠燈。當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^(guò)警戒值時(shí),警報(bào)器報(bào)警,電動(dòng)機(jī)加速正轉(zhuǎn),超過(guò)危險(xiǎn)值時(shí),電動(dòng)機(jī)再減速停止,然后反向轉(zhuǎn)動(dòng),雙色燈顯示紅燈。當(dāng)瓦斯?jié)舛然謴?fù)
4、正常時(shí),警報(bào)器停止報(bào)警,電動(dòng)機(jī)反向緩慢減速,停止,然后再緩慢正轉(zhuǎn),雙色燈顯示綠燈。用諾基亞5110液晶顯示瓦斯?jié)舛戎?。二、方案論證(一)單片機(jī)選擇選擇STC89C52RC 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器在單芯片上,擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash,使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能: 8k字節(jié)Flash,512字節(jié)RAM, 32 位I/O 口線,看門(mén)狗定時(shí)器,內(nèi)置4KB EEPROM,MAX810復(fù)位電路,三個(gè)16 位 計(jì)數(shù)器/計(jì)數(shù)器,一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu),全雙工串行
5、口。另外 STC89X52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作,支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下,CPU 停止工作,允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下,RAM內(nèi)容被保存,振蕩器被凍結(jié)單片機(jī)一切工作停止,直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35MHz,6T/12T可選。 圖1 STC89C52引腳圖 圖2 STC89C52實(shí)物圖(二) 傳感器的選擇由于瓦斯氣體很難提取,我們這次實(shí)訓(xùn)用酒精代替,于是我們選擇了MQ-3酒精傳感器。它具有以下特點(diǎn): A、具有信號(hào)輸出指示 B、模擬量輸出和TTL電平輸出 C、TTL輸出信號(hào)為低電平,可以直接連接單片機(jī) D、模擬輸出量為05
6、V,濃度越高電壓越高 E、對(duì)乙醇濃度具有很高的靈敏性 F、具有快速響應(yīng)恢復(fù)特性 圖3 酒精傳感器實(shí)物圖(三)顯示模塊的選擇選用諾基亞5110液晶顯示,因?yàn)樗?4x48 的點(diǎn)陣LCD,可以顯示4 行漢字; 采用串行接口與主處理器進(jìn)行通信,接口信號(hào)線數(shù)量大幅度減少,包括電源和地在內(nèi)的信號(hào)線僅有9 條。支持多種串行通信協(xié)議(如AVR 單片機(jī)的I、MCS51 的串口模式等),傳輸速率高達(dá)4Mbps,可全速寫(xiě)入顯示數(shù)據(jù),無(wú)等待時(shí)間;可通過(guò)導(dǎo)電膠連接模塊與印制版,而不用連接電纜,用模塊上的金屬鉤可將模塊固定到印制板上,因而非常便于安裝和更換;LCD 控制器驅(qū)動(dòng)器芯片已綁定到LCD 晶片上,模塊的體積很小;
7、采用低電壓供電,正常顯示時(shí)的工作電流在200µA 以下,且具有掉電模式 。 圖4 諾基亞5110液晶顯示(四)風(fēng)機(jī)的選擇在礦道內(nèi)瓦斯氣體濃度正常時(shí)風(fēng)機(jī)的主要作用是正轉(zhuǎn)向礦道中通入空氣當(dāng)?shù)V道內(nèi)瓦斯氣體濃度異常時(shí)風(fēng)機(jī)會(huì)先停止然后反轉(zhuǎn)抽出礦道中高濃度的瓦斯氣體恢復(fù)正常后風(fēng)機(jī)由反轉(zhuǎn)到停止然后再正轉(zhuǎn)向礦道中通入空氣。 風(fēng)機(jī)之所以要先停止在轉(zhuǎn)動(dòng)是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)在由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)后有反轉(zhuǎn)直接進(jìn)行正轉(zhuǎn)是瞬間電流會(huì)很大燒毀電機(jī)。 圖5 交流電機(jī)PCB圖三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)(一)硬件方框圖1、最小系統(tǒng)及采樣電路設(shè)計(jì)部分框圖本部分包括采樣電路、供電電路、晶振電路、復(fù)位電路、電頻轉(zhuǎn)換電路及單片機(jī)電路部分,供電電路主要是為
8、單片機(jī)提供12V電;復(fù)位電路是對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位,要想復(fù)位必須達(dá)到兩個(gè)條件,一是復(fù)位引腳處是高電壓,二是時(shí)間達(dá)到兩個(gè)機(jī)器周期以上;晶振電路是由兩個(gè)22PF的電容和一個(gè)晶振構(gòu)成,連接單片機(jī)的18、19引腳;電頻轉(zhuǎn)換電路主要用的是MAX232芯片,它主要是和單片機(jī)進(jìn)行電頻的轉(zhuǎn)換;采樣電路是主要是瓦斯傳感器,對(duì)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行采集,將信息傳送給單片機(jī)。框圖如下: 圖 6 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖2、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖本部分包括雙色燈顯示部分、報(bào)警模塊、液晶顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊,雙色燈顯示電路主要是用于顯示瓦斯?jié)舛仁欠癯^(guò)危險(xiǎn)值,如果超過(guò)危險(xiǎn)值則顯示紅燈,否則顯示綠燈;報(bào)警電路用于報(bào)警,提示工作人員,給以警報(bào)的作用;液
9、晶顯示電路時(shí)用諾基亞5110液晶,框圖如下: 圖 7 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方框圖3、系統(tǒng)總圖 圖8 總系統(tǒng)方框圖(二)硬件設(shè)計(jì)原理圖1、最小系統(tǒng)電路部分 供電電路圖9是電源電路原理圖,主要由開(kāi)關(guān)、發(fā)光二極管、電阻組成。在這里電阻的作用是防止二極管擊穿。 圖9 電源電路原理圖 復(fù)位電路圖10是復(fù)位電路原理圖,主要有電阻、電容和按鍵組成。復(fù)位電路分為手動(dòng)復(fù)位和上電復(fù)位。上電復(fù)位即通電時(shí)復(fù)位引腳處于高電平狀態(tài),在此電路中電容與電阻串聯(lián),電阻所得電壓幾乎為5V,當(dāng)電容進(jìn)行充電時(shí),電容兩端電壓增大,電阻兩端電壓減小,當(dāng)電阻電壓減小到3.5V時(shí),復(fù)位引腳處于低電平狀態(tài),在此期間所需時(shí)間大于兩個(gè)機(jī)器周期,滿足復(fù)位條件,
10、故單片機(jī)復(fù)位;手動(dòng)復(fù)位即按鍵未按前,復(fù)位引腳處的電位值為0V,處于低電平狀態(tài),當(dāng)按鍵按下時(shí),復(fù)位引腳處的電位值為10K電阻所得電壓值,即:10K*5V/(1+10)K;當(dāng)電壓值大于3.5V時(shí)為高電平,經(jīng)公式算得電壓值大于3.5V,故此時(shí)復(fù)位引腳處于高電平狀態(tài),按下按鍵所需的時(shí)間大于兩個(gè)機(jī)器周期,滿足復(fù)位所需條件,故單片機(jī)復(fù)位。 圖 10 復(fù)位電路原理圖 晶振電路圖11是晶振電路原理圖,主要有晶振和電容組成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩電路,產(chǎn)生單片機(jī)芯片工作所需要的時(shí)鐘脈沖,提供振蕩源。測(cè)量起振方法有兩種,一種是用萬(wàn)用表測(cè)晶振兩端是否有電壓差;第二種方法是用示波器測(cè)量。 圖11 晶振電路原理圖串行通信電路
11、圖12是串行通信原理圖,串行通信的電路使用的是MAX232芯片,實(shí)現(xiàn)PC和單片機(jī)之間的通信轉(zhuǎn)換,16的引腳是電荷泵電路,79腳懸空,為一組通信;1114腳為通信功能引腳,為另一組通信。C5電容是單獨(dú)的屬性,濾波作用,保護(hù)芯片;C2,C3,C4,C6電容是同一屬性。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭;DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。 圖12 串行通信原理圖 最小系統(tǒng)實(shí)物圖 如下:圖13 圖13 最小系統(tǒng)實(shí)物圖1、驅(qū)動(dòng)部分電路 雙色燈顯示電路雙色燈
12、電路主要有三極管和電阻組成。三極管在這里主要事放大作用。如下圖14是雙色燈顯示原理圖,圖15是雙色燈顯示實(shí)物圖 圖14 雙色燈顯示原理圖 圖15 雙色燈顯示實(shí)物圖報(bào)警電路圖16是報(bào)警電路原理圖,聲光報(bào)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(bào)警電路的使能信號(hào)輸出端。為了提高聲光報(bào)警電路的驅(qū)動(dòng)能力均加有74LS04反向驅(qū)動(dòng)器同時(shí)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伏直流蜂鳴器其屬于無(wú)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(dāng)采集到的瓦斯?jié)舛瘸^(guò)預(yù)先設(shè)定的上限值時(shí)系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。圖17是報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)物圖。 圖 16 報(bào)警電
13、路原理圖 圖17 警報(bào)器實(shí)物圖電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由穩(wěn)壓模塊、移相電路模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊組成。A、穩(wěn)壓模塊圖18是穩(wěn)壓模塊原理圖,此部分電路主要有CL7660芯片和78L05芯片。ICL7660主要的作用就是將+5V的電壓轉(zhuǎn)換成-5V電壓;78L05芯片主要是將輸入的12V轉(zhuǎn)換成5V,穩(wěn)壓作用。 圖18 穩(wěn)壓電路原理圖B、移相電路圖19是移相電路原理圖,此部分主要有TCA785芯片、MOC3021和TLP521光耦。TCA785芯片是移向控制電路,用來(lái)控制半導(dǎo)體晶閘流管,雙向可控硅開(kāi)關(guān),觸發(fā)脈沖在0180度之間,可以手動(dòng)控制脈沖輸出寬度。光耦在這里主要起到隔離電壓作用。在管腳11引入移相
14、控制電平,管腳6接調(diào)制信號(hào),管腳5接同步信號(hào),管腳9和管腳10分別接鋸齒波斜率電阻和電容,管腳12通過(guò)電容接地,管腳15和管腳14為脈沖輸出端Q1、Q2。由管腳5引入的同步信號(hào),經(jīng)內(nèi)部零點(diǎn)鑒別器,同步寄存器控制鋸齒波發(fā)生器,使之產(chǎn)生與同步信號(hào)同步且頻率為同步信號(hào)兩倍的鋸齒波。鋸齒波的斜率由管腳9和管腳10間的電阻電容決定,當(dāng)鋸齒波的電壓等于移相控制電平時(shí),便產(chǎn)生一個(gè)經(jīng)調(diào)制的脈沖信號(hào)送到內(nèi)部輸出邏輯單元。管腳14、管腳15輸出脈沖相位差180°。光耦在這里主要起到隔離電壓作用。圖 19 移相電路原理圖C、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路圖20是數(shù)模轉(zhuǎn)換電路原理圖,此部分電路主要有PCF8591芯片、和PC
15、817光耦、比較放大器、二極管組成。PCF8591是一個(gè)單片集成、單獨(dú)供電、低功耗、8-bit CMOS數(shù)據(jù)獲取器件。PCF8591具有4個(gè)模擬輸入、1個(gè)模擬輸出和1個(gè)串行I²C總線接口。PCF8591的3個(gè)地址引腳A0, A1和A2可用于硬件地址編程,允許在同個(gè)I²C總線上接入8個(gè)PCF8591器件,而無(wú)需額外的硬件。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號(hào)都是通過(guò)雙線雙向I²C總線以串行的方式進(jìn)行傳輸。光耦在這的作用是將12V和5V隔離,也就是隔離電壓作用。圖20 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路原理圖D、驅(qū)動(dòng)電路實(shí)物圖圖21是驅(qū)動(dòng)電路實(shí)物圖,用直接對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試。
16、然后下載到電路板中。圖21 交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)物圖四、系統(tǒng)實(shí)物圖 圖22 系統(tǒng)實(shí)物圖五、測(cè)試結(jié)果 圖23測(cè)試結(jié)果顯示圖六、總結(jié)通過(guò)這次設(shè)計(jì),復(fù)習(xí)了以前學(xué)過(guò)的Protel和Keil等繪圖知識(shí),當(dāng)然在這個(gè)過(guò)程中我們遇到了好些問(wèn)題例如:、畫(huà)圖的時(shí)候器件查找錯(cuò)誤、畫(huà)PCB圖示元器件封裝弄錯(cuò),把貼片式的封裝搞成了插針式封裝、PCB布線時(shí)布的太亂,元器件之間的空隙過(guò)大,造成了很大的浪費(fèi)、使用keil軟件編輯程序時(shí),總是出現(xiàn)錯(cuò)誤、焊接時(shí)把二極管焊接反了,有的元器件找不到,以至于焊接速度很慢、連接實(shí)物時(shí)電機(jī)總是不轉(zhuǎn)、連接液晶顯示時(shí)總是顯示不了出現(xiàn)了問(wèn)題當(dāng)然要解決,首先我們小組進(jìn)行了討論,比如說(shuō)那些畫(huà)圖過(guò)程中遇到的
17、問(wèn)題,我們就按照老師給的參考圖去放置元器件,自己動(dòng)手翻書(shū)去查找那些元器件的封裝,有的元器件封裝沒(méi)有,我們就自己畫(huà);由于我們程序那方面不太熟練,我們就請(qǐng)教老師,幫我查找了錯(cuò)誤;焊接過(guò)程中出現(xiàn)了錯(cuò)誤首先自己用萬(wàn)用表測(cè)量下,然后分析哪部分出現(xiàn)了錯(cuò)誤,進(jìn)行解決;連接實(shí)物圖時(shí)由于我們接的是220V的電壓,老師擔(dān)心我們安全,就自己先演示一遍,但我們之前把繼電器焊接錯(cuò)誤,導(dǎo)致連接后電機(jī)無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)重新焊接繼電器之后電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)了;在接液晶顯示時(shí)出現(xiàn)了液晶亮但不顯示的情況,這個(gè)問(wèn)題最難解決,我們一開(kāi)始以為是酒精傳感器的問(wèn)題,換了兩三個(gè)酒精傳感器之后還是不顯示酒精的度數(shù),最終我們知道原來(lái)是程序上的錯(cuò)誤。通過(guò)這次實(shí)訓(xùn),我最深的感受就是自己真的很缺乏鍛煉,理論學(xué)的再好也得
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