畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）煤礦瓦斯監(jiān)測報(bào)警器

1、 鄭州科技學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 煤礦瓦斯監(jiān)測報(bào)警器 學(xué)生姓名 專業(yè)班級 電氣自動化一班 學(xué) 號 200816017 所 在 系 電子工程系 指導(dǎo)教師 完成時間 2010年12月10日 煤礦瓦斯監(jiān)測報(bào)警器摘 要能源工業(yè)是一個國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈。近年來，隨著石油的緊張，石油價(jià)格的飆升，煤炭行業(yè)的重要地位和不可替代性也日益顯現(xiàn)。然而，中國煤炭行業(yè)的安全形勢卻不容樂觀，尤其是重、特大上網(wǎng)那個事故屢見報(bào)端。在這些事故中，瓦斯爆炸有占絕大多數(shù)。這其中，固然有很多誘發(fā)因素，但個煤礦生產(chǎn)企業(yè)安全監(jiān)測設(shè)備不完備、管理手段落后是造成事故的重要因素之一。 論文設(shè)計(jì)的內(nèi)容是煤礦監(jiān)測報(bào)警器，論文的內(nèi)容從題目

2、上看就可知道要分兩部分來解決：一是煤礦瓦斯的監(jiān)測，二是系統(tǒng)的報(bào)警。論文首先闡述了ch4監(jiān)測系統(tǒng)同的發(fā)展及狀況。在本文中，我們設(shè)計(jì)介紹了一種基于甲烷傳感器mq-4和單片機(jī)at89s51的煤礦瓦斯監(jiān)測報(bào)警器。我們給出了其硬件組成及軟件的設(shè)計(jì)方案，使其能達(dá)到進(jìn)行瓦斯監(jiān)測的預(yù)期目標(biāo)。本設(shè)計(jì)的硬件電路包括濃度檢測，a/d轉(zhuǎn)換，單片機(jī)系統(tǒng)，鍵盤電路，數(shù)據(jù)顯示電路及各控制電路；軟件設(shè)計(jì)包括濃度采集，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及處理，鍵盤掃描，動態(tài)顯示及濃度控制等。通過軟硬件的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)對瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測并且當(dāng)其濃度超過預(yù)警值時可進(jìn)行聲光報(bào)警并排風(fēng)以降低瓦斯?jié)舛取?在論文中，我們簡單論述了報(bào)警器的控制方案及工作原理，給出了主程序

3、及主要子程序的框圖。此次設(shè)計(jì)的瓦斯監(jiān)測報(bào)警器具有操作簡便，運(yùn)行穩(wěn)定，檢測比較準(zhǔn)確的特點(diǎn)。 關(guān)鍵字 瓦斯監(jiān)測 傳感器 單片機(jī) 聲光報(bào)警 a/d轉(zhuǎn)換電路the design of the monitoring detectors for the coal mine gasabstractenergy industry is the vitals of our countrys economy development. in recent years, in company with petroleum resources shortage, petroleum prices grow rapidl

4、y. the importance and unsubstitutability of coal industry increase everyday. but chinese coal industry safety in production refuse optimism, as serious casualty repeatedly appeared in the newspaper. gas explosion occupy the most part of those accident. it is sure that many factors caused that, but e

5、ach colliery enterprises lack of safety monitoring equipment, ladder of management lag are the one of substantial reasons.the dissertation design content is the mine pit coal gas examination, the alarm system design. the paper content from the topic looked may know must divide two parts to solve. on

6、e is the mine pit coal gas examination, and another is the alarm system design. first of all, the dissertation expounds the development and actuality of ch4 instrumentaion. in this paper, we introduced a design of the monitoring detectors for the coal mine gas which based on a gas sensor mq-4 and si

7、ngle enlargement at89s51 system. we gave the hardware and software of the design of programmers to achieve the desired objectives for gas monitoring. the hardware including the design of the concentration testing, electric circuit a/d conversion, at89s51 system, keyboard circuit, electric circuit mo

8、nolithic integrated circuit acousto-optics reports to the police, the data show circuit and control circuit. the software design including concentrations collection, data conversion and handling, keyboard scanning, dynamic scanning , and the control of the concentration and so on. software and hardw

9、are design can realize the monitoring of the gas concentrations and if the concentrations exceed the value of early warning can sound and light warning and open the platoon fans to reduce gas concentrations. in the paper, we briefly discussed detectors programmers and operating principles of the con

10、trol, and given the main flowchart the diagram of the procedures. this design is easy to operate and the designs operation is stability, and the detection is more accurate. the key words: gas monitoring, sensors, single enlargement, electric circuit monolithic integrated circuit acousto-optics repor

11、ts to the police, electric circuit a/d conversion 目 錄中文摘要英文摘要緒論11.1背景課題11.2瓦斯監(jiān)測的現(xiàn)狀21.3瓦斯監(jiān)測的發(fā)展方向2 第二章 系統(tǒng)概述1.1 系統(tǒng)框圖31.2 工作原理4第二章 單片機(jī)的選用2.1單片機(jī)簡介及發(fā)展趨勢42.2 單片機(jī)at89s5152.2.1 at89s51的引腳說明52.3 單片機(jī)的i/o口擴(kuò)展14第三章 濃度測試電路 3.1瓦斯監(jiān)測氣體的介紹133.2氣體傳感器13 3.2.1 氣體傳感器的分類 3.2.2 氣體傳感器的選項(xiàng)3.3 mq-43.3.1 mq-4標(biāo)準(zhǔn)工作條件14 3.3.2 mq-4的

12、環(huán)境條件153.3.3 mq-4的測試電路及靈敏度調(diào)節(jié)15第四章 a/d轉(zhuǎn)換電路 4.1 a/d轉(zhuǎn)換器的選型 94.2 icl7109芯片簡介84.3 a/d轉(zhuǎn)換部分電路9 第五章 數(shù)據(jù)顯示電路5.1顯示器件選擇135.2 數(shù)據(jù)顯示電路13第六章 硬件單元電路中其它電路硬件6.1 電源部分電路206.2 聲光報(bào)警部分電路21第七章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)7.1主程序227.2子程序設(shè)計(jì)227.2.1 中斷子程序227.2.2 聲光報(bào)警子程序23結(jié)束語25致謝26參考文獻(xiàn)27（附錄）2 緒 論煤礦中含有大量的甲烷（ch4）等易燃易爆氣體，發(fā)生事故后會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，危及礦工的生命。隨著煤礦開采技術(shù)手

13、段的不斷改進(jìn)和開采規(guī)模的擴(kuò)大及開采深度的不斷延伸，安全隱患越來越多，瓦斯事故特別是中、特大瓦斯事故在煤礦事故中所占的比例也越來越高。如果不把瓦斯事故控制住，就不能實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)狀況的穩(wěn)定，也就無法保障煤炭工業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。所以，對煤礦井下瓦斯氣體進(jìn)行快速準(zhǔn)確的監(jiān)測顯得尤為重要，對易燃易爆混合氣體監(jiān)測的研究和開發(fā)也成為人們一直關(guān)注的問題。1.1 課題背景我國是煤炭生產(chǎn)大國，隨著煤礦機(jī)械化程度的提高，礦井生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率普遍加大，煤炭年產(chǎn)量居世界首位，產(chǎn)煤量占世界總產(chǎn)煤量的20%。但同時我國也是煤礦安全形勢最為嚴(yán)峻的國家之一。近年來，瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)和數(shù)

14、百萬名煤礦工的生命安全，瓦斯災(zāi)害已成為制約我國煤礦安全生產(chǎn)和煤炭工業(yè)發(fā)展的重要因素，可以說瓦斯爆炸已經(jīng)成為礦難的第一大禍?zhǔn)?。國有地方和鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦中，高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井占15%左右。在許多發(fā)達(dá)國家中為了減少事故的發(fā)生，一般不會開采高瓦斯災(zāi)害隱患嚴(yán)重的礦井。但中國是一個能源饑渴大國，煤炭是我國的主要能源，占一次性能源構(gòu)成的75%,所以不論是低瓦斯還是高瓦斯，都在積極創(chuàng)造條件，照采不誤。多年來的實(shí)踐證明，瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測監(jiān)控器在監(jiān)測煤礦井下安全狀況，防范安全隱患方面起著重要作用，充分發(fā)揮其作用，是我國煤礦安全形勢實(shí)現(xiàn)好轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。近年來，國有重點(diǎn)煤礦瓦斯爆炸事故較少的原因之一，就是絕大多數(shù)煤礦的

15、高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井安裝了瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測監(jiān)控器。綜上所述，瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測監(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)際濃度超限時進(jìn)行聲光報(bào)警并同時控制排風(fēng)扇進(jìn)行排風(fēng)以降低濃度含量。所以開發(fā)設(shè)計(jì)出一種操作簡單的瓦斯監(jiān)測監(jiān)控器，對有效的預(yù)防和減少瓦斯爆炸具有非常現(xiàn)實(shí)的意義。 1.2 瓦斯監(jiān)測的現(xiàn)狀國內(nèi)對瓦斯的檢測以ch4檢測為主,毒氣的檢測以co檢測為主;而國外用可燃性氣體的檢測代替單一ch4氣體的測量,毒氣包括h2s的測量。單從我國技術(shù)發(fā)展上來說，我國在瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用上起步較晚，上世紀(jì)80年代初才從國外引進(jìn)了這一系統(tǒng)，而且僅用于

16、部分國有重點(diǎn)煤礦，所以就瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)而言，目前也存在著不夠完善的地方：第一，我國煤礦的瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)雖已處于世界先進(jìn)水平，但防災(zāi)抗災(zāi)的安全儀表和裝備的技術(shù)水平與國外相比差距較大。第二，受技術(shù)條件限制，許多煤礦的瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)無法傳輸給集團(tuán)公司或上級主管部門，仍未建立全集團(tuán)或整個地區(qū)的瓦斯監(jiān)測監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。第三，已安裝的瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)型號各異，信號傳輸方式不盡相同，有的采取時分制，有的采取頻分制，還有的利用載波傳輸，給系統(tǒng)的管理、使用、維護(hù)以及聯(lián)網(wǎng)帶來諸多不便。第四，由于瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)對氣體傳感器的精度、性能、穩(wěn)定性方面的要求越來越高，因此對氣體傳感器的研究和開發(fā)也越來越重要。1.3 瓦斯監(jiān)

17、測的發(fā)展方向 隨著我國電子技術(shù)以及各項(xiàng)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，作為保證我國煤礦安全生產(chǎn)的有效措施之一的煤礦瓦斯監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)在科研和應(yīng)用方面必定會在原有基礎(chǔ)上不斷的加以完善，并取得長足的發(fā)展。為了滿足安全生產(chǎn)的需求，隨著先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，氣體傳感器發(fā)展的趨勢應(yīng)該是微型化、智能化和多功能化。 第一章 系統(tǒng)概述隨著超大規(guī)模數(shù)字集成電路、單片機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，利用單片機(jī)及其它外圍芯片實(shí)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(diǎn)，而且性能價(jià)格比也很高，應(yīng)用前景非常廣泛。因此此次設(shè)計(jì)整體上是基于at89s51單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測報(bào)警。在這里我

18、們運(yùn)用到的氣敏傳感器是mq-4，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ad7109進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換變換成數(shù)字信號，并在51單片機(jī)的控制下將其輸入，然后在內(nèi)部軟件編程下進(jìn)行數(shù)值變換處理。在單片機(jī)進(jìn)行完數(shù)據(jù)處理后就將其結(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?。若?shí)際瓦斯?jié)舛瘸蓿舛瘸揞A(yù)警值可鍵盤控制輸入）則在單片機(jī)的控制下進(jìn)行聲光報(bào)警。提醒生產(chǎn)人員離開，避免生產(chǎn)事故。1.1 系統(tǒng)框圖此次設(shè)計(jì)的煤礦瓦斯監(jiān)測報(bào)警器的系統(tǒng)框圖如下所示：主要由氣體傳感器mq-4、

19、a/d轉(zhuǎn)換器icl7109、單片機(jī)at89s51、led顯示電路、鍵盤控制電路、聲光報(bào)警裝置和附件電路組成。聲光報(bào)警at89s51led顯示瓦斯探測器（mq-4）電 源a/d7109圖1-1 系統(tǒng)框圖由圖可以看出煤礦瓦斯監(jiān)測報(bào)警器的硬件部分設(shè)計(jì)是以單片機(jī)系統(tǒng)為核心，用于整個設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理、聲光報(bào)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(jī)at89s51，該種單片機(jī)與以往所采用的at89c51相比新增加了很多功能，性能有了較大提升，片內(nèi)4k的flash存儲空間也能滿足我們設(shè)計(jì)的要求，價(jià)格較之a(chǎn)t89c51基本不變甚至更低。甲烷傳感器采用mq-4氣敏傳感器，用于探測采集瓦斯的濃度

20、。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(jī)系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)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(jià)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 工作原理在這里我們用甲烷傳感器mq-4來對煤礦瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測，由于其檢測所得數(shù)據(jù)模擬電壓量而單片機(jī)只能對數(shù)字信號進(jìn)行處理，所以在送入單片機(jī)中進(jìn)行處理之前需先送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器icl7109中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后才能將轉(zhuǎn)換所

21、得數(shù)據(jù)送入單片機(jī)at89s51中處理，這里的處理主要是指將輸入進(jìn)來的數(shù)據(jù)與我們設(shè)置的瓦斯爆炸預(yù)警值進(jìn)行比較，在這里我們的預(yù)警值可通過鍵盤進(jìn)行設(shè)置，顯示其瓦斯?jié)舛戎?。第二?單片機(jī)的選用2.1 單片機(jī)簡介及發(fā)展趨勢在一塊芯片上集成由運(yùn)算器、控制器、儲存器、輸入/輸出接口5個基本部分，則這種芯片為單片微型計(jì)算機(jī)，簡稱單片機(jī)。以單片機(jī)為核心的硬件系統(tǒng)稱為單片機(jī)系統(tǒng)。目前單片機(jī)正朝著高性能和多產(chǎn)品方向發(fā)展今后的發(fā)展趨勢將進(jìn)一步向低功耗、小體積、大容量、高性能、低價(jià)格、高速化、高可靠行方向發(fā)展。從生產(chǎn)工藝上講，主要是住呢個在cmos化。（1）cmos化。cmos電路的特點(diǎn)是低功耗、高密度、低價(jià)格。近年來

22、隨著cmos技術(shù)的進(jìn)步，單片機(jī)全面coms化，這種工藝的單片機(jī)功耗低，可控性搶，能夠工作在功耗精細(xì)管理狀態(tài)。目前生產(chǎn)chmos電路意境能夠達(dá)到lsttl的傳輸速度，延遲時間小于2n是，其綜合優(yōu)勢已大于ttl電路，所以單片機(jī)領(lǐng)域cmos正逐漸取代ttl電路。（2）低電壓、低功耗化。目前新一代的單片機(jī)都具有wait和stop等省電運(yùn)行方式，可以在適當(dāng)?shù)臅r候喚醒但盤基。電源電壓也呈下降趨勢，3.3的單片機(jī)越來越成為主流單片機(jī)的趨勢，而一些低電壓供電的單片機(jī)電源下限可大12v。目前0.8供電的msp430已問世。（3）大容量化。標(biāo)準(zhǔn)的8031單片機(jī)沒有rom，8051單片機(jī)有4kb的rom，ram均為

23、128b。philips公司的nxp的p87c51mc2/02的rom為96kb，ram達(dá)到了3kb，完全能夠適應(yīng)一般控制設(shè)備的要求。（4）高速化。這主要是進(jìn)一步改進(jìn)cpu的性能，加快指令的速度和提高系統(tǒng)控制的可靠性。采用精簡指令集（risc）結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù)，可以大幅度提高運(yùn)行速度，當(dāng)前指令速度最高者已達(dá)100mips（million instruction per seconds,兆指令每秒），并加強(qiáng)了未處理功能、中斷和定時控制功能。（5）低噪聲和高可靠性。（6）小容量、低價(jià)格化。與大容量相反，以4位、8位機(jī)位中心的小容量、低價(jià)格也是一個趨勢。（7）集成多種外設(shè)功能。隨著集成度的不斷提高，

24、越來越多單片機(jī)把各種外圍設(shè)備的功能器件集成在片內(nèi)。除了一般必須具有的cpu、rom、ram和定時/計(jì)數(shù)器等以外，片內(nèi)集成的部件常見的還有a/d轉(zhuǎn)換器、d/a轉(zhuǎn)換器、i2c總線、can總線、spi總線、dma控制器、pwm控制器、聲音制造器、監(jiān)測定時器和鎖相電路等。2.2 單片機(jī)at89s51經(jīng)綜合分析選用單片機(jī)at89s51適合。at89s51是一種低功耗高性能的8位單片機(jī)，片內(nèi)帶有一個4kb的flash在線可編擦除只讀存儲器，它采用了cmos工藝和atmel公司的高密度非易失性存儲器技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)和51系列單片機(jī)兼容。片內(nèi)的存儲器允許在線重新編程或用常規(guī)的非易失性存儲器編程器

25、來編程。同時已具有三級程序存儲器保密的性能。在眾多的51系列單片機(jī)中，要算atmel公司的at89s51更實(shí)用，因?yàn)樗粌H和mcu-51系列單片機(jī)指令、管腳完全兼容，而且它將通用cpu和在線可編程flash集成在一個芯片上。這種單片機(jī)對開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。 2.2.1 at89s51的引腳說明at89s51是一個低功耗高性能單片機(jī)，40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（i/o）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，2個16位可編程定時計(jì)數(shù)器,2個全雙工串行通信口，at89s51可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的

26、flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。圖2-1 at89s51引腳圖vcc(40腳)：供電電壓。gnd(20腳)：接地。p0口(32腳39腳)：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(dāng)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(dāng)fiash進(jìn)行校驗(yàn)時，p0輸出原碼，此時p0外部必須被拉高。p1口(1腳8腳)：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口管腳寫入“1”后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部

27、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(yàn)時，p1口作為第八位地址接收。 p2口(21腳28腳)：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(dāng)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(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)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(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，p2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。p2口在flash編程和校驗(yàn)時接收高八位地址信

28、號和控制信號。 p3口(10腳17腳)：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(dāng)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at89s51的一些特殊功能口，p3口管腳備選功能如下表所示：表2-1 p3口第二功能引 腳第 2 功 能p3.0rxd（串行口輸入端）p3.1txd（串行口輸出端）p3.2/int0（外部中斷0請求輸入端，低電平有效）p3.3/int1（外部中斷1請求輸入端，低電平有效）p3.4t0（定時器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)脈沖輸入端）p3.5 t1

29、（定時器/計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)脈沖輸入端）p3.6/wr（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸出端，低電平有效）p3.7 /rd（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號輸出端，低電平有效）p3口同時為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。rst（9腳）：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持rst腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。 ale/prog（30腳）：當(dāng)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(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過

30、一個ale脈沖。如想禁止ale的輸出可在sfr8eh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（29腳）：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(jī)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（31腳）：當(dāng)/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(dāng)/ea端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在fla

31、sh編程期間，此引腳也用于施加12v編程電源（vpp）。xtal1（19腳）：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。xtal2（18腳）：來自反向振蕩器的輸出。2.3單片機(jī)的i/o口擴(kuò)展器件由于單片機(jī)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(dāng)i/o口不能滿足設(shè)計(jì)需求時則需要我們進(jìn)行i/o口的擴(kuò)展。其擴(kuò)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(jī)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(dāng)p1.0=0時蜂鳴器蜂鳴p1.1接發(fā)光

32、二極管led,當(dāng)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(shí)現(xiàn)的聲光報(bào)警。p1.2接排風(fēng)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(kuò)展所以很顯然我們要對單片機(jī)進(jìn)行擴(kuò)展i/o口，下圖所示為用串行口擴(kuò)展i/o口的電路： rxd txd 單片機(jī)dsadsb 74ls164cpq0 q7圖2-2 i/o口擴(kuò)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圖2-3 74ls164的管腳圖表

33、2-2 74ls164功能表 輸 入 輸 出clk a b l l l l h l qa0 qb0 qh0 h h h h qan qgn h l l qan qgn h l l qan qgnh=高電平 l=低電平 =任意 =電平上升在使用時將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(zhǔn)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(zhǔn)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，這種時序符合串行器件特性，即把164當(dāng)成一典型串行外設(shè)，可以用普通i/o口模擬其時序?qū)?shù)據(jù)移入。第三章 濃度測試

34、部分電路 3.1 瓦斯監(jiān)測氣體的介紹 當(dāng)可燃?xì)怏w、可燃的蒸汽（或可燃粉塵）與空氣混合餅達(dá)到一定濃度時，遇到火源就會發(fā)生爆炸。這個能夠發(fā)生爆炸的濃度范圍，叫做爆炸極限，通常用可燃?xì)怏w、蒸汽、或粉塵在空氣中的體積包粉筆來表示。在“發(fā)生爆炸范圍濃度”內(nèi)，有一個最低的爆炸濃度叫做爆炸下限；還有一個最高的爆炸濃度叫爆炸上限。只有在這兩個濃度之間，才有爆炸的危險(xiǎn)。如果可燃?xì)怏w、蒸汽或粉塵在空氣中濃度低于爆炸下限，遇到明火哦，既不會爆炸，也不會燃燒；高于爆炸下限，遇到明火，雖然不會爆炸，但接觸空氣卻能燃燒。因?yàn)榈陀诒ㄏ孪迺r，空氣所占比例很大，可燃物質(zhì)的濃度不夠；高于爆炸上限是，則有大量的可燃物質(zhì)，而空氣卻

35、不足。了解各種可燃?xì)怏w、蒸汽或粉塵的爆炸極限，對與做好防火、防爆工作有忠言意義?？扇嘉镔|(zhì)危險(xiǎn)性的大小，主要取決于爆炸極限幅度的寬窄。幅度越大，器危險(xiǎn)系數(shù)就越大。 國內(nèi)對瓦斯的檢測以ch4檢測為主,毒氣的檢測以co檢測為主;而國外用可燃性氣體的檢測代替單一ch4氣體的測量,毒氣包括h2s的測量?，F(xiàn)對煤礦的主要成分甲烷進(jìn)行論述。甲烷在自然界分布很廣，是天然氣、沼氣、油田氣及煤礦坑道氣的主要成分。它可用作燃料及制造氫氣、碳黑、一氧化碳、乙炔、氫氰酸及甲醛等物質(zhì)的原料。 化學(xué)號為ch4?；瘜W(xué)品中文名稱：甲烷別名：天然氣，沼氣，甲基氫化物 英文名稱：methane 技術(shù)說明書編碼：51 cas號：74-

36、82-8 分子式：ch4分子量：16.04 國標(biāo)編號：21007 分類：有機(jī)物 ch 鍵能：413kj/mol hch 鍵角：10928 外觀與性狀：無色無嗅氣體，比空氣輕 。 分子結(jié)構(gòu)：正四面體形非極性分子,一個c以sp3雜化位于正四面體中心,4個h位于正四面體的4個頂點(diǎn)上 晶體類型：分子晶體 蒸汽壓 53.32kpa/-168.8 熔點(diǎn)：-182.5 沸點(diǎn)：-161.5 相對密度(水=1)0.42(-164) 相對蒸氣密度(空氣=1)：0.55 燃燒熱：890.31kj/mol 總發(fā)熱量55900kj/kg(40020kj/m3)凈熱值50200kj/kg（35900kj/m3） 臨界溫度

37、()：-82.6 臨界壓力(mpa)：4.59 爆炸上限%(v/v)：15 爆炸下限%(v/v)：5.3 閃點(diǎn)()：-188 引燃溫度()：538 侵入途徑：吸入。 健康危害：甲烷對人基本無毒，但濃度過高時，使空氣中氧含量明顯降低，使人窒息。當(dāng)空氣中甲烷達(dá)25%-30%時，可引起頭痛、頭暈、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速、共濟(jì)失調(diào)。若不及時遠(yuǎn)離，可致窒息死亡。皮膚接觸液化的甲烷，可致凍傷。 毒理學(xué)資料及環(huán)境行為 毒性：屬微毒類。允許氣體安全地?cái)U(kuò)散到大氣中或當(dāng)作燃料使用。有單純性窒息作用，在高濃度時因缺氧窒息而引起中毒?？諝庵羞_(dá)到2530%出現(xiàn)頭昏、呼吸加速、運(yùn)動失調(diào)。 危險(xiǎn)特性：易燃，與空

38、氣混合能形成爆炸性混合物，遇熱源和明火有燃燒爆炸的危險(xiǎn)。與五氧化溴、氯氣、次氯酸、三氟化氮、液氧、二氟化氧及其它強(qiáng)氧化劑接觸反應(yīng)劇烈。3.2氣體傳感器3.2.1氣體傳感器的分類氣體傳感器又叫氣敏傳感器，主要用來監(jiān)測氣體的特定成分。氣體傳感器通常以氣敏特性來分類，主要可分為：（1）半導(dǎo)式方式包括氧化系、氣敏二極管系、氣敏mosfet系。若氣體接觸到加熱的金屬，氧化物電阻值就會增大或者減少，其靈敏度高，構(gòu)造電路簡單，但輸出與氣體濃度不成比例。（2）固體電解質(zhì)其利用鉑等金屬材料對氫吸附敏感使功函數(shù)改變原理制成，器特點(diǎn)是其他選擇性好但不能重復(fù)使用。 （3）接觸燃燒式其原理是化學(xué)溶劑與氣體反應(yīng)產(chǎn)生使電導(dǎo)

39、率發(fā)生變化。其特點(diǎn)是屬于氣體濃度成比例，但靈敏度較低。（4）其他類型 包括光干涉式、熱傳導(dǎo)方式、紅外線吸收式。氣體傳感器的類型雖然很多，但對它們有以下幾個基本特性：（1） 對被測氣體要有高的靈敏度，盡量減少外界一如的干擾信號；（2） 選擇性要好，即對和被測氣體共存的其他氣體不敏感；（3） 能夠長期穩(wěn)定工作，它是關(guān)系整個監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測精度的一個重要環(huán)節(jié)。（4） 檢測和報(bào)警要迅速。（5） 響應(yīng)時間 ，指從氣敏元件到被測氣體接觸到氣敏元件的參數(shù)達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)下所需要的時間，表示了氣敏元件的反應(yīng)速度。（6） 溫度特性。氣敏元件的特性隨溫度的變化而變化為溫度特性。消除這種影響的方法是采用溫度補(bǔ)償法。（7

40、） 濕度特性。氣敏元件的特性隨環(huán)境會死度的不同而發(fā)生變化的特性成為濕度特性。濕度特性是硬性檢測精度的理工一個因素，就絕這一問題的措施之一是采用濕度補(bǔ)償法。（8） 電源電壓特性電源電壓發(fā)生變化時，氣敏元件也會發(fā)生變化，解決的方法是采用恒壓供電。3.2.2 氣體傳感器的選擇要進(jìn)行個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，而這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)椋词故菧y量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大小；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有

41、線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進(jìn)口，還是自行研制，價(jià)格能否承受。在考慮上述問題之后就能大致確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)，其具體性能指標(biāo)見下。3.3 mq-4瓦斯?jié)舛葴y試部分電路是由氣體傳感器mq-4組成的，其作用為將瓦斯氣體的體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的模擬電壓信號并輸出出來。3.3.1 mq-4的結(jié)構(gòu)外形mq-4氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖3-1所示，由微型al2o3陶瓷管、sno2 敏感層,測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳，其中4個用于信號取出，2個用于提供加熱電流。

42、 結(jié)構(gòu) 外形圖3-1 mq-4的結(jié)構(gòu)和外形其中部件材料1氣體敏感層二氧化錫2電極金（au）3測量電極引線鉑（pt）4加熱器鎳鉻合金（nicr）5陶瓷管三氧化二鋁6防爆網(wǎng)100目雙層不銹鋼(sub316)7卡環(huán)鍍鎳銅材（nicu）8基座膠木9針狀管腳鍍鎳銅材（nicu）3.3.2 mq-4標(biāo)準(zhǔn)工作條件mq-4的標(biāo)準(zhǔn)工作條件見表3-1：表3-1 mq-4的標(biāo)準(zhǔn)工作條件符號參數(shù)名稱技術(shù)條件備注vc回路電壓15vac or dcvh加熱電壓5.0v0.2vac or dcrl負(fù)載電阻可調(diào)rh加熱電阻313室溫ph加熱功耗900mw3.3.3 mq-4的環(huán)境條件mq-4的環(huán)境條件見表3-2：表3-2 m

43、q-4的環(huán)境條件符號參數(shù)名稱技術(shù)條件備注tao使用溫度-10-50tas儲存溫度-20-70rh相對濕度小于 95%rho2氧氣濃度21%(標(biāo)準(zhǔn)條件)氧氣濃度會影響靈敏度最小值大于2%3.3.4 mq-4的測試電路及靈敏度調(diào)節(jié)（1）測試電路我們設(shè)計(jì)的mq-4測試電路如圖3-2所示，其中可調(diào)節(jié)電阻r3是用來調(diào)整傳感器的靈敏度的。圖3-2 測試電路（2）靈敏度調(diào)節(jié)在對mq-4的靈敏度進(jìn)行調(diào)節(jié)之前首先要就要了解其靈敏度特性。具體的靈敏度特性見表3-3及圖3-3表3-3 mq-4的靈敏度特性符號參數(shù)名稱技術(shù)參數(shù)備注rs敏感體表面電阻1060（5000ppmch4）適用范圍：30010000ppm甲烷，

44、天然氣(1000ppm/5000ppmch4)濃度斜率0.6標(biāo)準(zhǔn)工作條件溫度：202 vc:5.0v0.1v相對濕度：65%5% vh:5.0v0.1v預(yù)熱時間不少于24小時圖3-3 mq-4型氣敏元件的靈敏度特性 其中：溫度為20、相對濕度為65%、氧氣濃度為21% rl=20k rs是指元件在不同氣體，不同濃度下的電阻值。r0是指元件在潔凈空氣中的電阻值。 由上可得mq-4型氣敏元件對不同種類，不同濃度的氣體有不同的電阻值。 因此，在使用此類型氣敏元件時，靈敏度的調(diào)整是很重要的。在這里我們用5000ppm甲烷校準(zhǔn)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。其校準(zhǔn)過程如下：在測試條件下對傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)時，我們進(jìn)行硬件部

45、分電路的調(diào)試。在調(diào)節(jié)確定mq-4的可調(diào)負(fù)載電阻值時，以空氣中甲烷濃度值為5000ppm時作為校準(zhǔn)，此時觀察顯示部分電路，又因?yàn)橐箫@示的瓦斯?jié)舛染纫髢?yōu)于5%，即準(zhǔn)確顯示的范圍為5000ppm（15%）也就是4750ppm5250ppm的范圍內(nèi)，若不在該范圍內(nèi)則說明甲烷傳感器的靈敏度不夠高，需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。而靈敏度的調(diào)節(jié)是依靠調(diào)節(jié)負(fù)載電阻rl來實(shí)現(xiàn)的。我們調(diào)節(jié)rl使顯示的瓦斯?jié)舛戎当M可能與實(shí)際相符合。這樣確定下來的rl的阻值，換言之傳感器的靈敏度也就確定下來了，此時我們已經(jīng)完成了甲烷傳感器的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)后的傳感器就可以用來監(jiān)測實(shí)際中各個不同的瓦斯?jié)舛攘恕５谒恼?a/d轉(zhuǎn)換電路 a/d轉(zhuǎn)換器（an

46、alog 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(shè)備，即能把被控對象的各種模擬信息變成計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)之間的接口。4.1 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(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)分辨率和轉(zhuǎn)換時間兩個重要參數(shù)選擇適當(dāng)?shù)男酒?。其中分辨率就是指a/d轉(zhuǎn)換器可轉(zhuǎn)換成二進(jìn)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(dá)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adc0809的分辨率為8位，即該轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)

47、可以用個二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行量化，其分辨率為1lsb。如果用百分?jǐn)?shù)表示分辨率，則分辨率為 （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，分辨率為位，滿度字位為1999；用百分?jǐn)?shù)表示分辨率時，分辨率為 （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/25620mv,既模擬電壓小于20mv，adc就不能轉(zhuǎn)換了。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?？梢?，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

48、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(yīng)根據(jù)使用的場合的具體要求，按照轉(zhuǎn)換速度，精度，價(jià)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(biāo)，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(jià)格的雙積分式a/d轉(zhuǎn)換器，其數(shù)據(jù)輸出為12位二進(jìn)制數(shù)，配有較強(qiáng)的接口電路，能方便地與各種微處理機(jī)連接。其主要特性為：u 12位二進(jìn)制形式輸出，并帶有極性和溢出位；u 與ttl兼容，具有三態(tài)控制輸出；u 具有通用控制信號端，

49、能用來方便地監(jiān)視和控制轉(zhuǎn)換時間；u 片內(nèi)有振蕩器，只需外接晶體或rc器件；u 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(jī)相接；u 真正的差分輸入和差分基準(zhǔn)電壓；u 最大運(yùn)行速度為每秒轉(zhuǎn)換30次；u 所有輸入都具有防止靜電的保護(hù)措施；u 雙電源供電；u 輸入阻抗為1012；u 功耗為20mw；4.2 icl7109芯片簡介圖4-1 icl7109的管腳圖由icl7109的引腳圖可見其采用40腳封裝，其中各個引腳的功能意義如下：1腳：gnd，邏輯地。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。

50、為“1”時表示正信號輸入，為“0”時表示負(fù)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。 516腳：12位二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸出端。 17腳：test，自身功能檢測端。 18腳：，低8位數(shù)據(jù)輸出選通端，低電平有效。 19腳：（為低），高4位及極性位、溢出位選通端，低電平有效。 20腳：/，片選端，低電平有效，并同時配合21腳mode信號工作。 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(dāng)輸入高電平時，轉(zhuǎn)換器將在信號交換方式的每一

51、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：，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(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換控制端。 28、40腳：v-、v+，電源負(fù)與電源正端。 29腳：refout，基準(zhǔn)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。 31腳：az，自零電容端，接自零電容。 32腳：int，積分器輸出端，接積分電容。 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(zhǔn)電壓輸入正端與負(fù)端37、38腳：refcap+、refcap-，基準(zhǔn)電容輸入端。4.3 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-4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?jǐn)?shù)相對應(yīng)），便于輸入到單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。圖4-2 a/d轉(zhuǎn)換電路