報警器工作原理

1、報警器工作原理1.1 工作原理 隨著超大規(guī)模數(shù)字集成電路、單片機技術(shù)的飛速發(fā)展，利用單片機及其它外圍芯片實現(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，而且性能價格比也很高，應(yīng)用前景非常廣泛。因此此次設(shè)計整體上是基于AT89C51單片機來實現(xiàn)煤礦瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測報警。在這里我們運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ADC0809進行A/D轉(zhuǎn)換變換成數(shù)字信號，并在51單片機的控制下將其輸入，然后在內(nèi)部軟件編程下進行數(shù)值變換處理。在單片

2、機進行完數(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LCD顯示，用于顯示瓦斯?jié)舛戎?。若實際瓦斯?jié)舛瘸蓿舛瘸揞A(yù)警值可鍵盤控制輸入）則在單片機的控制下進行報警。1.2系統(tǒng)框圖此次設(shè)計的煤礦瓦斯監(jiān)測報警器的系統(tǒng)框圖如下所示：主要由氣體傳感器MQ-4、A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809、單片機AT89C51、LCD顯示電路、鍵盤控制電路、報警裝置和附件電路組成。 報 警 AT89C51LCD顯示瓦斯探測器（MQ-4）電 源ADC0809圖1-1 系統(tǒng)框圖由圖可以看出煤礦瓦斯監(jiān)測報警器的硬件部分設(shè)計是以單片機系統(tǒng)為核心，用于整個設(shè)計的數(shù)據(jù)處理、聲光報警電路等正常工作。在這里

3、我們選用ATMEL公司生產(chǎn)的8位單片機AT89C51。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。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)送至單片機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理則需要將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，我們采用ADC0809.瓦斯?jié)舛蕊@示部分采用LCD顯示，在這里我們采用動態(tài)掃描方法來顯示各種參數(shù)。1.3單片機的選擇1.3.1 單片機簡介及發(fā)展趨勢在一塊芯片上集成由運算器、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算機，簡稱單片機。以單片機為核心的硬件系統(tǒng)稱為單片機系統(tǒng)。目前單片機正朝著高性能和多產(chǎn)品方向發(fā)展今后的發(fā)展趨勢將進一步向低功耗、小體積

4、、大容量、高性能、低價格、高速化、高可靠行方向發(fā)展。從生產(chǎn)工藝上講，采用CMOS化工藝。1.3.2選用單片機AT89C51經(jīng)綜合分析選用單片機AT89C51適合。AT89C51是一種低功耗高性能的8位單片機，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系列單片機中，要算ATMEL公司的AT89C51更實用，因為它不僅和MCU-51系列單片機指令、管腳完全兼容，而且

5、它將通用CPU和在線可編程Flash集成在一個芯片上。這種單片機對開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。 AT89C51是一個低功耗高性能單片機，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位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，AT89C51可以按照常規(guī)方法進行編程，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Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。圖1-2 AT89C51引腳圖VCC(40腳)：供電電壓。    GND(20腳)：接地。   P

6、0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進行校驗時，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編程和校驗時，P1口作為第八位地址

7、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編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。   P3口(10腳17腳)：P3口管腳

8、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AT89C51的一些特殊功能口，P3口管腳備選功能如下表所示：表1-1 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/計數(shù)器0計數(shù)脈沖輸入端）P3.5 T1（定時器/計數(shù)器1計數(shù)脈沖輸入端）P3.6/WR（

9、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，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止A

10、LE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)

11、部程序存儲器。在FLASH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。1.4 氣體傳感器的選擇要進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。因為，即使是測量同一物理量，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)被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大??；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，有線或是非

12、接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進口，還是自行研制，價格能否承受。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。1.4.1 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。1.4.2 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1-3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。 結(jié)

13、構(gòu) 外形圖1-3 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） MQ-4標(biāo)準(zhǔn)工作條件MQ-4的標(biāo)準(zhǔn)工作條件見表1-2：表1-2 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5.0V±0.2VAc or DcRL負(fù)載電阻可調(diào)RH加熱電阻31±3室溫PH加熱功耗900mw MQ-4的環(huán)境條件MQ-4的環(huán)境條件見表1-3：表1-3 M

14、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%1.4.3 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1-4 測試電路（2）靈敏度調(diào)節(jié)在對MQ-4的靈敏度進行調(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1-4及圖1-5表1-4 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，

15、天然氣(1000ppm/5000ppmCH4)濃度斜率0.6標(biāo)準(zhǔn)工作條件溫度：20±2 Vc:5.0V±0.1V相對濕度：65%±5% Vh:5.0V±0.1V預(yù)熱時間不少于24小時圖1-5 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)傳感器進行校準(zhǔn)。其校準(zhǔn)過程如下

16、：在測試條件下對傳感器進行校準(zhǔn)時，我們進行硬件部分電路的調(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，又因為要求顯示的瓦斯?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)測實際中各個不同的瓦斯?jié)?/p>

17、度了。1.5 A/D轉(zhuǎn)換電路 A/D轉(zhuǎn)換器（analog 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算機可以識別的數(shù)字信息，它是模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)或計算機之間的接口。在這里選用的是ADC0809，下面就介紹ADC0809。A/D轉(zhuǎn)換的作用是將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，以便計算機進行處理，該課題選擇ADC0809芯片，將采集的溫度的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息號，然后送入單片機進行處理。ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機直接

18、接口。 1、ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) ADC0809由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。ADC0809完成1次轉(zhuǎn)換需100ms左右，可對05V信號進行轉(zhuǎn)換。具體內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809共有28腳，為雙列直插式封裝。主要引腳功能如下：（1） IN0IN7：8條模擬量輸入通道ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是05V，若信號太

19、小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。 （2） 地址輸入和控制線：4條 ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如下表所示。表1-5通道選擇表C B A選擇的通道0 0 0IN00 0 1IN10 1 0IN20 1 1IN31 0 0IN41 0 1IN51 1 0IN61 1 1IN7（3） 數(shù)字量輸出及控制線：11條 ST為

20、轉(zhuǎn)換啟動信號。當(dāng)ST上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應(yīng)保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當(dāng)EOC為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7D0為8位數(shù)字量輸出線。 CLK為時鐘輸入信號線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ，VREF（），VREF（）為參考電壓輸入。 3、ADC0809應(yīng)用說明 （1）ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與AT89S5

21、1單片機直接相連。（2）初始化時，使ST和OE信號全為低電平。（3）送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到A，B，C端口上。（4）在ST端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。（5）是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號來判斷。（6）當(dāng)EOC變?yōu)楦唠娖綍r，這時給OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機了。1.6顯示器件的選擇方案一：采用數(shù)碼管液晶顯示，只能夠顯示數(shù)字，簡單，比較實用。方案二：液晶顯示器（LCD）,采用LCD1602可以顯示文字，也可以顯示數(shù)據(jù)。在我們的課程設(shè)計中經(jīng)常用到它，因此，我們對液晶顯示器并不陌生。液晶顯示模塊已作為很多電子產(chǎn)品的通過器件，如在計算器、萬用表、電子表及很多家用電子產(chǎn)品中都可

22、以看到，顯示的主要是數(shù)字、專用符號和圖形。在基于單片機實時溫控系統(tǒng)中我們應(yīng)用液晶顯示器作為輸出器件具有顯示質(zhì)量高、數(shù)字式接口、體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點。相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。1、工作原理點陣圖形式液晶由M×N個顯示單元組成，假設(shè)LCD顯示屏有64行，每行有128列，每8列對應(yīng)1字節(jié)的8位，即每行由16字節(jié)，共16×8=128個點組成，屏上64×16個顯示單元與顯示RAM區(qū)1024字節(jié)相對應(yīng)，每一字節(jié)的內(nèi)容和顯示屏上相應(yīng)位置的亮暗對應(yīng)。例如屏的第一行的亮暗由RAM區(qū)的000H00FH的16字

23、節(jié)的內(nèi)容決定，當(dāng)（000H）=FFH時，則屏幕的左上角顯示一條短亮線，長度為8個點；當(dāng)（3FFH）=FFH時，則屏幕的右下角顯示一條短亮線；當(dāng)（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，（00EH）=00H，（00FH）=00H時，則在屏幕的頂部顯示一條由8段亮線和8條暗線組成的虛線。這就是LCD顯示的基本原理。字符型液晶顯示器LCD1602是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模塊。2、引腳功能液晶顯示器LCD1602引腳圖如下圖所示：1602LCD采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接

24、口說明如下表所示:表1-6 1602LCD各引腳接口說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負(fù)極第1腳：VSS為地電源。第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負(fù)極。3、 1602LCD的指令說明及時序1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，如下表所示： 表1-3716