畢業(yè)論文-基于單片機(jī)的礦用氣體傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者：學(xué)號(hào)：系部：信息工程系專業(yè)：應(yīng)用電子技術(shù)題目：基于單片機(jī)的礦用氣體傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用指導(dǎo)者：評(píng)閱者：2014年5月畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文摘要隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)煤炭的需求急劇增加，而各種礦難事故的發(fā)生，使得煤炭安全生產(chǎn)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。人們對(duì)礦內(nèi)環(huán)境問(wèn)題及工作人員健康問(wèn)題日益重視，礦內(nèi)空氣品質(zhì)狀況受到越來(lái)越多的關(guān)注。本文針對(duì)瓦斯的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出同時(shí)監(jiān)測(cè)高低濃度的瓦斯系統(tǒng)，全天候不間斷的對(duì)井下瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測(cè)。同時(shí)采用聲光報(bào)警系統(tǒng)，一旦瓦斯超標(biāo)，系統(tǒng)立即提醒正在井下作業(yè)的工人緊急撤離，避免人員傷亡，并且還運(yùn)用紅外遙控系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。設(shè)計(jì)這種智能傳感器采用閉環(huán)控制來(lái)確保采樣的平穩(wěn)。該傳感器以AT89C51單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯的檢測(cè)、報(bào)警和控制，安全可靠，經(jīng)久耐用，適合各類煤礦瓦斯的監(jiān)控，可以大大降低煤礦事故的發(fā)生，降低企業(yè)成本，提高煤炭開(kāi)采率，為我國(guó)煤炭事業(yè)做出貢獻(xiàn)。關(guān)鍵字：AT89C51瓦斯數(shù)碼管目錄TOC\o"1-3"\f\h240141緒論 188561.1系統(tǒng)簡(jiǎn)介 147911.1.1本文的主要研究?jī)?nèi)容 1130741.1.2本文的結(jié)構(gòu)安排 1151781.2項(xiàng)目提出的背景 2298181.3國(guó)內(nèi)外研究狀況 3272151.4測(cè)量?jī)x器儀器概況 581461.4.1測(cè)量?jī)x器的概念 522311.4.2測(cè)量?jī)x器的基本性能 516472礦內(nèi)環(huán)境品質(zhì)的基本介紹 697272.1礦內(nèi)主要污染物 6305492.2.安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 6175853礦內(nèi)空氣傳感器的原理及主要元器件 7256493.1甲烷濃度檢測(cè)儀原理分析 7194333.2AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介 10274643.2.1單片機(jī)選用 10199763.2.2AT89C51單片機(jī)的擴(kuò)展 14219843.3瓦斯傳感器的選用 1456284礦內(nèi)空氣傳感器的硬件 17222524.1實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊 17142764.2放大電路 17296874.3模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的模塊 1815614.4看門狗電路 2047844.5聲光報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 2277824.6數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì) 23142074.7電源電路設(shè)計(jì) 2413964.8本章小結(jié) 2497335礦內(nèi)空氣傳感器的軟件設(shè)計(jì) 25252015.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路 25231715.1.1總體設(shè)計(jì)思想 2549265.1.2編程語(yǔ)言的選擇 26193105.2軟件模塊設(shè)計(jì) 26276895.2.1主程序模塊 2673635.2.2AD轉(zhuǎn)換模塊 27180495.2.3比較判斷函數(shù) 28314465.2.4顯示報(bào)警函數(shù) 29237075.2.5液晶顯示模塊 29165565.2.4聲光報(bào)警模塊 30100595.3本章小結(jié) 3028199結(jié)論 3020445致謝 3021640附錄A 321緒論本文的主要研究?jī)?nèi)容本課題設(shè)計(jì)的是基于單片機(jī)的井下瓦斯?jié)舛戎悄軅鞲衅?，該系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C51為核心，包含甲烷濃度采樣器、把220V的交流電轉(zhuǎn)換成5V的直流電源、存儲(chǔ)器的擴(kuò)展、LCD顯示器和報(bào)警裝置等組成。該傳感器可以有效的監(jiān)測(cè)井下低濃及高濃瓦斯，試用范圍非常廣泛。監(jiān)測(cè)到的信息傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后發(fā)出指令，如果瓦斯超過(guò)規(guī)定值，該系統(tǒng)可以立即發(fā)出聲光報(bào)警并自動(dòng)發(fā)出執(zhí)行指令以降低瓦斯?jié)舛?。該系統(tǒng)可有效的降低瓦斯事故發(fā)生率，，結(jié)構(gòu)靈活，擴(kuò)展性強(qiáng)，具有較高的性價(jià)比，AT89C51的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了電子硬件設(shè)計(jì)的“軟件化”，大大的提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，非常實(shí)用于各種大小煤礦井下瓦斯的監(jiān)測(cè)監(jiān)控，性能優(yōu)良，經(jīng)久耐用，可靠性高。本文的結(jié)構(gòu)安排第一章是文章概述。介紹了該課題提出的必要性和國(guó)內(nèi)外研究水平與動(dòng)向以及測(cè)量?jī)x器的基本性能，同時(shí)給出整個(gè)論文的結(jié)構(gòu)安排。第二章是礦內(nèi)空氣品質(zhì)的基本介紹。闡述了礦內(nèi)污染物種類及來(lái)源分析礦內(nèi)環(huán)境品質(zhì)監(jiān)測(cè)方法及安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。第三章是對(duì)瓦斯傳感器的原理及主要元器件單片機(jī)及敏感原件的簡(jiǎn)介。第四是硬件設(shè)計(jì)。闡述了該傳感器的基本原理以及對(duì)組成系統(tǒng)的單片機(jī)、時(shí)鐘電路、敏感元件、小信號(hào)放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、通信電路以及看門狗監(jiān)控電路都作了詳細(xì)介紹。第五是軟件設(shè)計(jì)。介紹了軟件設(shè)計(jì)采用的方法和所遵循的原則，并給出了部分主要程序的軟件流程圖及程序。圖原理框圖圖原理框圖1.2項(xiàng)目提出的背景從我國(guó)煤炭生產(chǎn)的現(xiàn)狀及我國(guó)能源結(jié)構(gòu)規(guī)劃均可看出，在本世紀(jì)中葉以前，煤炭仍是支持我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要能源，煤炭生產(chǎn)，作為我國(guó)能源工業(yè)的支柱，其地位將是長(zhǎng)期的、穩(wěn)定的，但是煤炭工業(yè)的安全生產(chǎn)狀況卻不容樂(lè)觀，中小型煤礦的情況尤為嚴(yán)重，已經(jīng)直接威脅到整個(gè)煤炭工業(yè)的穩(wěn)定生產(chǎn)，給國(guó)家財(cái)產(chǎn)和人民生命造成了很大的損失，作為“萬(wàn)惡之首”的甲烷爆炸事故更是重大事故發(fā)生率之首。在去年又接連發(fā)生了多起甲烷爆炸事故，事故的結(jié)果觸目驚心，因此通過(guò)強(qiáng)化甲烷管理，提高通風(fēng)、甲烷檢測(cè)監(jiān)控水平，已成為中小型煤礦甲烷檢測(cè)監(jiān)控的最迫切的任務(wù)之一。煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)，是目前為止實(shí)際通風(fēng)甲烷管理工作中最重要和最有效的自動(dòng)化手段，已經(jīng)裝備監(jiān)控系統(tǒng)的煤礦的甲烷事故發(fā)生率大為下降，實(shí)踐證明，煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)保障煤礦安全生產(chǎn)，提高煤礦生產(chǎn)率，提高煤礦自動(dòng)化程度以及促進(jìn)煤礦管理現(xiàn)代化水平，都有著舉足輕重的作用。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，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。國(guó)外的監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)理論上講高于國(guó)內(nèi)發(fā)展水平，但應(yīng)用于國(guó)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(jià)格過(guò)高不適于國(guó)內(nèi)煤礦現(xiàn)有條件，除在傳感器技術(shù)方面可供借鑒外，其它僅具一定參考價(jià)值。綜上所述，開(kāi)發(fā)研制適用于中小型煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)迫在眉睫，而根據(jù)我國(guó)煤礦生產(chǎn)和管理模式，依照我國(guó)的有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其技術(shù)的先進(jìn)性、產(chǎn)品的可靠性和實(shí)用性則是本項(xiàng)目的關(guān)鍵所在。沼氣(甲烷CH4的俗稱)礦井在我國(guó)煤礦生產(chǎn)礦井中所占比重很大，隨著礦井開(kāi)采強(qiáng)度和深度的增加，沼氣涌出量也在不斷增加，沼氣積聚可能引起沼氣事故，及時(shí)掌握煤礦井下沼氣動(dòng)態(tài)是一件十分重要的工作。甲烷濃度傳感器就是用來(lái)監(jiān)視礦井沼氣動(dòng)態(tài)的有效工具。鑒于沼氣在礦井中存在的普遍性及其可能造成災(zāi)害的嚴(yán)重性，甲烷濃度傳感器在煤礦是數(shù)量最多，使用最普遍的安全傳感器，而且也是煤炭系統(tǒng)研制種類最多的儀器，需要說(shuō)明的是，由于我國(guó)煤礦習(xí)慣把甲烷叫做瓦斯，因此檢測(cè)甲烷濃度的儀器，有的叫瓦斯檢定器，有的又叫沼氣檢定器，在這里，甲烷，沼氣和瓦斯是同義詞。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)煤炭需求量也越來(lái)越大，這就使得煤礦的安全生產(chǎn)面臨著一個(gè)十分嚴(yán)峻的問(wèn)題。煤礦礦難事故屢屢發(fā)生，造成的原因有很多，其中不少是因?yàn)橥咚贡ㄒ鸬摹榱朔乐雇咚贡ㄊ鹿实陌l(fā)生，除了加強(qiáng)井下作業(yè)人員的管理，改善井下的作業(yè)環(huán)境外，還必須建立一個(gè)性能可靠的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)。煤礦瓦斯是指礦井中主要由煤層氣構(gòu)成的以甲烷為主的有害氣體的總稱。有時(shí)也單獨(dú)指甲烷。瓦斯在空氣的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到一定的程度（5%～12%）時(shí)，在一定條件下可與空氣中的氧氣發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)而形成瓦斯爆炸，對(duì)煤礦安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。礦井瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)是伴隨著煤炭工業(yè)發(fā)展而逐步發(fā)展起來(lái)的。1815年，英國(guó)發(fā)明的世界上第一種瓦斯監(jiān)測(cè)儀器——瓦斯檢定燈。利用火焰的高度來(lái)檢測(cè)瓦斯?jié)舛龋?0世紀(jì)30年代，日本發(fā)明了光干涉瓦斯檢定器，一直沿用至今；20世紀(jì)40年代，美國(guó)研制了檢測(cè)瓦斯?jié)舛鹊拿舾性K絲催化元件；1954年，英國(guó)采礦安全所研制了最早的載體催化元件。電子技術(shù)的進(jìn)展推動(dòng)了瓦斯檢測(cè)控制裝置的進(jìn)一步發(fā)展，如20世紀(jì)70年代后期法國(guó)研制的CTT63/40U礦井監(jiān)控系統(tǒng)、英國(guó)的MINOS系統(tǒng)、美國(guó)的SCA—DA系統(tǒng)等。我國(guó)礦井瓦斯監(jiān)控技術(shù)經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從低水平到高水平的發(fā)展過(guò)程。從新中國(guó)成立初期到20世紀(jì)70年代，煤礦下井人員主要使用光學(xué)瓦斯檢定儀、風(fēng)表等攜帶式儀器檢測(cè)井下環(huán)境參數(shù)。20世紀(jì)60年代初期，我國(guó)開(kāi)始研制載體催化元件，隨著敏感元件制造水平的提高和電子技術(shù)的發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路、微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，使監(jiān)控技術(shù)進(jìn)入了新的發(fā)展時(shí)期。20世紀(jì)70年代瓦斯斷電儀問(wèn)世，裝備在采掘工作面、回風(fēng)港道等井下固定地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)瓦斯的自動(dòng)連續(xù)檢測(cè)及超限自動(dòng)切斷被控制設(shè)備的電源。隨后，陸續(xù)研制了便攜式瓦斯監(jiān)控檢測(cè)報(bào)警儀、瓦斯報(bào)警礦燈。1983年至1985年，從歐美國(guó)家先后引進(jìn)了數(shù)十套監(jiān)控系統(tǒng)及配套的傳感器和便攜式儀器裝備煤礦礦井，并相應(yīng)地引進(jìn)了部分監(jiān)控系統(tǒng)、傳感器和敏感元件制造技，由此推動(dòng)了我國(guó)礦井安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展。1983年以后，國(guó)內(nèi)有多種型號(hào)礦井監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)了技術(shù)鑒定，逐步實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦礦井安全、生產(chǎn)多種參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理。近幾年，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用，特別是網(wǎng)絡(luò)和信息化建設(shè)的不斷發(fā)展，給瓦斯治理提供了機(jī)遇條件，煤礦瓦斯監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。這些裝備和系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用，豐富了我國(guó)煤礦安全監(jiān)控產(chǎn)品的市場(chǎng)，改善了煤礦安全技術(shù)裝備的面貌，縮小了我國(guó)與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)水平的差距。傳統(tǒng)的煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)大體可以分為兩大部分：井下部分和井上部分。井下部分主要通過(guò)各種檢測(cè)設(shè)備（各種傳感器，如風(fēng)量傳感器、負(fù)壓（壓力）傳感器、一氧化碳傳感器和礦用設(shè)備開(kāi)停傳感器等）來(lái)采集井下各種氣體的濃度與含量、井下空氣狀況、設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況等數(shù)據(jù)，然后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄稀Ｔ诰?，井下傳上?lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)專線與煤礦安全管理辦公室服務(wù)器和更高一級(jí)安全主管部門服務(wù)器連接。服務(wù)器上面運(yùn)行的是監(jiān)控軟件。上面有井下每一個(gè)傳感器的標(biāo)簽，所顯示的數(shù)據(jù)通過(guò)上傳數(shù)據(jù)的改變而不斷刷新。同時(shí)，監(jiān)控軟件還可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、處理、分析和存檔，可以作為相關(guān)負(fù)責(zé)人員決策的重要依據(jù)。并且監(jiān)控軟件具有超標(biāo)自動(dòng)報(bào)警功能，用來(lái)提示工作人員對(duì)設(shè)備的故障或現(xiàn)場(chǎng)瓦斯?jié)舛惹闆r，以及時(shí)采取措施，避免重大事件的發(fā)生。煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)的意義不言而喻。以山西省為例，近幾年，特別是2006年以來(lái)，山西省煤炭系統(tǒng)在黨和各級(jí)政府及安全部門的重視下，全省煤礦信息化工作有了新發(fā)展，取得了新成績(jī)。特別是由瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)所形成的全省煤礦四級(jí)信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及信息技術(shù)用于瓦斯安全治理的一項(xiàng)創(chuàng)舉，極大的促進(jìn)了山西煤炭信息化工作。山西省煤炭系統(tǒng)2005年底累計(jì)安裝使用瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)3868套。目前，該省國(guó)有重點(diǎn)煤礦121座礦井全部安裝了瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，并全部聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，在線運(yùn)行率達(dá)100%。地方煤礦現(xiàn)有2806座礦井全部安裝了瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，已連網(wǎng)運(yùn)行2671座。這些系統(tǒng)的運(yùn)用，極大的降低了煤礦瓦斯事故。由此可知，為了最大限度的降低煤礦瓦斯事故的發(fā)生，除了對(duì)工作人員嚴(yán)格要求外，加緊建設(shè)煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)必不可少，它對(duì)預(yù)防瓦斯事故的發(fā)生具有舉足輕重的作用。況測(cè)量?jī)x器的概念煤礦安全儀器是用來(lái)檢查測(cè)量礦井安全狀況的物質(zhì)手段。什么是測(cè)量呢?測(cè)量是人們對(duì)自然界的客觀事物取得數(shù)量觀念的一種認(rèn)識(shí)過(guò)程。在這一過(guò)程中，借助于專門的技術(shù)工具，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法，求出以所采用的測(cè)量單位表示的未知量的數(shù)值大小。測(cè)量的目的是為了在限定的時(shí)間內(nèi)盡可能正確地收集被測(cè)對(duì)象未知信息，以便掌握被測(cè)對(duì)象的參數(shù)及控制生產(chǎn)過(guò)程。例如，在采煤機(jī)上安裝采煤機(jī)瓦斯斷電控制儀。它不僅可以連續(xù)監(jiān)測(cè)采煤機(jī)附近風(fēng)流的甲烷濃度，而且在甲烷濃度超限時(shí)還可發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)，并自動(dòng)切斷采煤機(jī)的工作電源以防發(fā)生瓦斯事故,確保生產(chǎn)安全。測(cè)量?jī)x器的基本性能評(píng)價(jià)測(cè)量?jī)x器品質(zhì)的指標(biāo)是多方面的。儀器的基本性能，主要是衡量?jī)x器測(cè)量能力的一些指標(biāo)，如精確度、穩(wěn)定性、測(cè)量范圍、動(dòng)態(tài)范圍等。但工作可靠性、經(jīng)濟(jì)性也很重要，這些因素在很大程度上影響儀器的使用。1.精確度：是指在測(cè)量中所測(cè)數(shù)值重復(fù)一致的程度。即對(duì)某一穩(wěn)定的被測(cè)量在相同的規(guī)定工作條件下，由同一測(cè)量者用同一儀器在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)按同一方法連續(xù)重復(fù)測(cè)量多次，其測(cè)量示值的不一致程度。不一致程度愈小，說(shuō)明測(cè)量愈精密。2.穩(wěn)定性：是指儀器的性能在工作條件保持恒定的情況下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)保持不變的能力。它用精密度的數(shù)值和觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)短一起來(lái)表示。3.影響系數(shù)：儀器由于室溫、大氣壓、振動(dòng)等外部狀態(tài)變化及電源電壓、工作條件變化對(duì)示值的影響統(tǒng)稱為環(huán)境影響，為儀器在校準(zhǔn)時(shí)都規(guī)定有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工作條件，用影響系數(shù)表示。4.可靠性是指儀器對(duì)規(guī)定的條件在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成所要求功能的能力。5.經(jīng)濟(jì)性：任何工業(yè)產(chǎn)品都要講究經(jīng)濟(jì)性。對(duì)生產(chǎn)者來(lái)講，以重金制造高質(zhì)量的產(chǎn)品是比較容易的。但是，如果生產(chǎn)出的儀器價(jià)格太高，使用者無(wú)力購(gòu)買，出就談不上發(fā)揮作用。對(duì)使用者來(lái)講總是希望有最少的錢買到一臺(tái)具有指定性能的儀器。所以，工程檢測(cè)儀器的經(jīng)濟(jì)性也是其重要的指標(biāo)之一。2礦內(nèi)環(huán)境品質(zhì)的基本介紹礦內(nèi)污染物種類繁多，不可能逐一測(cè)量，研究的思路是用一個(gè)典型的污染物來(lái)代表一類污染物，這種污染物稱為評(píng)價(jià)指標(biāo)。（1）瓦斯（CO）：是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)臭的氣體；它可燃燒，當(dāng)含量在13％～75％時(shí)，遇火能引起爆炸；瓦斯極毒，當(dāng)其含量達(dá)0．4％時(shí)，人在短時(shí)間內(nèi)就可中毒死亡?！睹旱V安全規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》）規(guī)定其最高容許濃度為0．0024％。（2）硫化氫（HzS）：是一種無(wú)色、微甜、有臭雞蛋味的氣體，易溶于水，遇火后能燃燒及爆炸；硫化氫極毒，它能使血液中毒，對(duì)眼睛及呼吸系統(tǒng)的粘液膜有強(qiáng)烈的刺激作用?！兑?guī)程》容許其最高濃度為0．00066％。（3）二氧化硫（SO2）：是一種無(wú)色、有強(qiáng)烈硫磺味及酸味的氣體，同呼吸氣管潮濕表皮接觸能產(chǎn)生硫酸，刺激并麻痹上部呼吸氣管的細(xì)胞組織，使肺及支氣管發(fā)炎。《規(guī)程》規(guī)定其最高容許濃度為0.0005％。（4）二氧化氮（NO2）：為紅褐色，易溶于水，是劇毒氣體，對(duì)人的眼睛及呼吸器官有強(qiáng)烈刺激作用?！兑?guī)程》容許其最高濃度為0．00025％。（5）沼氣（CH。）：沼氣是煤礦常見(jiàn)的有害氣體,化學(xué)名稱叫甲烷，無(wú)色、無(wú)味、無(wú)臭、無(wú)毒；它比空氣輕常聚集在巷道上方，當(dāng)其在空氣中含量高時(shí)可降低氧含量，引起窒息；它具有爆炸性，爆炸濃度一般為5%～16％?！兑?guī)程》中對(duì)沼氣容許濃度因在井下各點(diǎn)不同，。（6）氨氣（NH。）：是一種無(wú)色氣體，有似氨水的劇臭；它極毒，能刺激皮膚和上呼吸道并能嚴(yán)重?fù)p傷眼睛?！兑?guī)程》規(guī)定其最高容許濃度為0．004%。（7）二氧化碳（COz）：是一種無(wú)色、微毒、稍有酸味的氣體，它不助燃，也不維持久的呼吸，它比空氣重，常聚集在巷道的下方及通風(fēng)不良的下山盡頭；易溶于水，生成碳酸，對(duì)人的眼、鼻、喉的粘膜有刺激作用?！兑?guī)程》規(guī)定其最高容許濃度為0．5％。為做到全國(guó)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，原國(guó)家煤炭部曾在1964年就已經(jīng)提出煤礦質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化，1986年在全國(guó)開(kāi)展實(shí)施。國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局分別于2004年2月23日對(duì)原部頒標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，以煤安監(jiān)辦字【2004】24號(hào)文下發(fā)了《關(guān)于印發(fā)“煤礦安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)及考核評(píng)級(jí)辦法（試行）”的通知》。于2009年8月8日，國(guó)家安監(jiān)總局、國(guó)家煤礦安監(jiān)局對(duì)標(biāo)準(zhǔn)再次修訂，聯(lián)合頒布安監(jiān)總煤行〔2009〕150號(hào)《關(guān)于印發(fā)“煤礦安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)及考核評(píng)級(jí)辦法（試行）”的通知》?，F(xiàn)在執(zhí)行的是國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局于2013年1月17日以煤安監(jiān)行管[2013]1號(hào)文件下發(fā)的《煤礦安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化考核評(píng)級(jí)辦法（試行）》版本。3礦內(nèi)空氣傳感器的原理及主要元器件3.1甲烷濃度檢測(cè)儀原理分析甲烷濃度傳感器按其工作原理不同，有下列幾種:光干涉式是利用光波對(duì)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(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同甲烷濃度的測(cè)定。其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高，堅(jiān)固耐用，校正容易，高低濃度均可測(cè)量，還可測(cè)量二氧化碳濃度;其缺點(diǎn)是濃度指示不直觀，受氣壓溫度影響嚴(yán)重，特別是空氣中氧氣不足或氮、氧的比例不正常時(shí)，要產(chǎn)生誤差;光學(xué)零件加工復(fù)雜，成本較高和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)較困難。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(lái)測(cè)定甲烷濃度。其優(yōu)點(diǎn)是元件和儀器的生產(chǎn)成本低，輸出信號(hào)大，對(duì)于1%氣樣，電橋輸出可達(dá)15mV以上，處理和顯示都比較方便，所以儀器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受背景氣體和溫度變化的影響小，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。其缺點(diǎn)是探測(cè)元件的壽命較短，不能測(cè)高濃度甲烷，硫化氫及硅蒸汽會(huì)引起元件中毒而失效。目前國(guó)內(nèi)外檢測(cè)甲烷的儀器廣泛采用這一原理。熱導(dǎo)式是利用甲烷與空氣熱導(dǎo)率之差來(lái)實(shí)現(xiàn)甲烷濃度的測(cè)定。其優(yōu)點(diǎn)是熱導(dǎo)元件和儀器設(shè)計(jì)制作比較簡(jiǎn)單，成本低、量程大，可連續(xù)檢測(cè)，有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)遙測(cè)，被測(cè)氣體不發(fā)生物理化學(xué)變化，讀數(shù)穩(wěn)定，元件壽命長(zhǎng)。其缺點(diǎn)是測(cè)量低濃度甲烷時(shí)輸出信號(hào)小，受氣溫及背景氣體的影響較大。紅外線式是利用甲烷分子能吸收特定波長(zhǎng)的紅外線來(lái)測(cè)定甲烷濃度。其優(yōu)點(diǎn)是采用這一原理的儀器精度高，選擇性好，不受其它氣體影響，測(cè)量范圍寬，可連續(xù)檢測(cè);其缺點(diǎn)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。氣敏半導(dǎo)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(dǎo)體被加熱到200℃在溫度為220℃、氣壓為101325Pa條件下，聲波在甲烷中的傳播速度為432m/s，而在清潔空氣中為332m氣體在放射性元素的輻射作用下發(fā)生電離，在氣體介質(zhì)中的兩個(gè)電極之間便有電流產(chǎn)生。測(cè)量空氣介質(zhì)和被測(cè)甲烷中的電流大小，便可測(cè)出甲烷濃度。其優(yōu)點(diǎn)是快速，可以連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)，靈敏度高，測(cè)量準(zhǔn)確，可測(cè)二氧化碳濃度。其缺點(diǎn)是測(cè)量低濃度甲烷困難，空氣濕度對(duì)儀器讀數(shù)有影響，傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜。5mm的高性能鉑絲繞制的螺旋圈，外面是由三氧化二鋁和催化劑組成的催化外殼。鉑絲螺旋圈完成加熱;三氧化二鋁載體有定型、傳熱和載附催化劑等功能。催化劑由氯化鈀外加穩(wěn)定劑釷(Tu)配制而成，有降低起燃溫度、加強(qiáng)選擇性、提高穩(wěn)定性等功能。當(dāng)載體催化元件遇到甲烷與空氣的混合氣體時(shí)，在催化劑的作用下，甲烷氣體在元件表面發(fā)生無(wú)焰燃燒，產(chǎn)生的熱量使鉑絲的溫度升高。載體催化燃燒式傳感器一般被制成一個(gè)便于測(cè)量的探頭，探頭可以單獨(dú)設(shè)置，也可以作為一個(gè)獨(dú)立單元裝配在儀器內(nèi)使用。探頭內(nèi)部的主要元件是黑元件(催化元件)和白元件(補(bǔ)償元件)，兩個(gè)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(gè)固定電阻，作為電橋的比率臂。與黑白元件相對(duì)應(yīng)，為使電橋在無(wú)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(yīng)是經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓的穩(wěn)壓源。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本項(xiàng)目采用熱催化式工作原理。黑元件載體是催化燃燒式元件，當(dāng)甲烷氣體在元件表面與氧氣產(chǎn)生無(wú)焰燃燒時(shí)，電橋失去平衡，輸出一個(gè)電壓信號(hào)。白元件是補(bǔ)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，所以，它不參加低溫燃燒。但由于它處于與黑元件相同的工作環(huán)境中，所以，對(duì)非甲烷濃度變化引起的催化元件阻值變化起補(bǔ)償作用，以提高儀器零點(diǎn)穩(wěn)定性和抗干擾能力。使用時(shí)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(dāng)含有甲烷的空氣在高溫和催化劑的作用下，發(fā)生無(wú)焰燃燒，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(yīng)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(shí)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(gè)電壓信號(hào)△U，該電壓值的大小反映了甲烷濃度的高低，檢測(cè)此電壓便可測(cè)量出甲烷濃度。熱催化原理又稱催化燃燒原理。利用該原理的甲烷測(cè)定器是當(dāng)前國(guó)內(nèi)測(cè)量低濃度甲烷的傳感器中采用最廣泛的一種，而且還在不斷的提高和發(fā)展。其基本原理是根據(jù)甲烷在一定的溫度條件下氧化燃燒，且在一定的濃度范圍內(nèi)，不同濃度的甲烷在燃燒過(guò)程中要釋放出熱量不同的特性，來(lái)達(dá)到測(cè)定甲烷濃度的目的。圖3-1工作原理圖時(shí)鐘圖3-1工作原理圖時(shí)鐘電源模塊顯示電路報(bào)警電路可編程看門狗電路單片機(jī)敏感元件小信號(hào)放大電路A/D轉(zhuǎn)換在催化元件電源端加上一正電壓，使催化元件開(kāi)始工作，輸出與甲烷濃度相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，此電壓經(jīng)過(guò)放大電路放大后，送到A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī),單片機(jī)對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，處理后，驅(qū)動(dòng)顯示器顯示出被測(cè)氣體中的甲烷濃度值，若被測(cè)氣體中甲烷濃度超過(guò)報(bào)警電路預(yù)定的數(shù)值時(shí)，報(bào)警電路即發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)。當(dāng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)需要查詢甲烷濃度時(shí)，只要發(fā)出相應(yīng)信息，報(bào)警儀即可將測(cè)量結(jié)果經(jīng)串行口及通信電路傳送出去，最長(zhǎng)傳輸距離可達(dá)到20km。3.2AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介單片機(jī)選用隨著計(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、家用電器以及網(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。根據(jù)上述幾方面及本課題的實(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。由于一般室礦內(nèi)環(huán)境惡劣，這對(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：是要有較高的性價(jià)比。由于MCS-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較多，故本文采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C5AT89C51單片機(jī)是AT89C系列單片機(jī)中的一種，圖圖3-2AT圖3-2AT89C51芯片AT89C51單片機(jī)有以下特點(diǎn)：·與MCS-51兼容

·4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器

壽命：1000寫/擦循環(huán)

數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年

·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz

·三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定

·128*8位內(nèi)部RAM

·32可編程I/O線

·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

·5個(gè)中斷源

·可編程串行通道

·低功耗的閑置和掉電模式

·片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘(2)管腳說(shuō)明：VCC：供電電壓。

GND：接地。

P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)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(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。

P1口：P1口是一個(gè)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(shí)，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(shí)，P1口作為第八位地址接收。

P2口：P2口為一個(gè)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(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，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(shí)，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(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，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(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。

P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)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。

P3.5T1（記時(shí)器1外部輸入）

P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）

P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）

P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。

ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，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(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)，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(wú)效。

PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。

EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。

XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。

XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。（3）振蕩器說(shuō)明XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。芯片擦除整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來(lái)完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。

此外，AT89C3.2.2AT89C51單片機(jī)的擴(kuò)展設(shè)計(jì)中采用AT89S52單片機(jī)作為本系統(tǒng)控制單元的核心部件并采用8255A用作并行接口。硬件連接圖如圖3-3所示，其中AT89C51的P0口做擴(kuò)展用，PI口做通道選擇,P2口控制LCD1602顯示。 8255A的PA作輸出口控制燈的亮滅，PB口做輸入接收AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，PC口做輸入循環(huán)掃描按鍵是否按下。圖3-3圖3-38255A引腳圖瓦斯傳感器的選用在選擇敏感元件時(shí)，主要從以下幾個(gè)方面來(lái)衡量:(1)活性。元件活性是指元件對(duì)甲烷氧化燃燒的速率。元件活性高，通過(guò)電橋測(cè)量甲烷時(shí)，可以得到較高的電壓輸出。(2)穩(wěn)定性。元件的穩(wěn)定性是指元件在新鮮空氣與一定濃度的甲烷中，在規(guī)定的連續(xù)工作時(shí)間里的活性下降率。下降率其值越低越好，活性下降率越低，表明元件工作性能越穩(wěn)定。(3)工作點(diǎn)與工作區(qū)間。元件工作點(diǎn)是指元件的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓和電流值。實(shí)際使用中，為了便于組成電橋和選定電橋電流，通常是指一對(duì)元件(即一只黑元件和一只白元件)的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓或電流值。在工作點(diǎn)上，元件具有較大的輸出，較好的穩(wěn)定性和最小的零點(diǎn)飄移。目前國(guó)內(nèi)元件的工作點(diǎn)有:直1.2V,2.2V,2.4V,2.8V及320mA等幾種。當(dāng)元件的工作電壓或工作電流變動(dòng)時(shí)，在同一甲烷濃度下輸出活性大小是不相同的。只有當(dāng)工作電壓或工作電流在某一范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，輸出活性才接近直線。這個(gè)電壓或電流的變動(dòng)范圍稱為元件的工作區(qū)間。區(qū)間越寬越好。目前元件的工作區(qū)間只能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)電壓的±10%。(4)輸出特性。元件輸出特性，是指在不同的甲烷濃度下，元件的活性與甲烷濃度的關(guān)系。在0-5%CH4范圍內(nèi)，電橋輸出信號(hào)與甲烷濃度呈線性關(guān)系。當(dāng)甲烷濃度在9.5%處時(shí)，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，以后隨著甲烷濃度的增大，電橋輸出信號(hào)不斷下降，出現(xiàn)了高濃度和低濃度輸出信號(hào)相同現(xiàn)象。產(chǎn)生的原因是由于高濃度甲烷氣體中缺氧使燃燒不完全所造成的。所以，這種原理的甲烷檢測(cè)儀只能測(cè)量低濃度甲烷。(5)元件的壽命。元件的壽命是指元件在使用過(guò)程中，其活性下降到某一規(guī)定值的時(shí)間。(6)元件的“中毒現(xiàn)象”。礦井空氣中的硫化氫、二氧化硫等氣體會(huì)使元件產(chǎn)生中毒現(xiàn)象，使活性降低。其原因主要是由于這些毒性氣體元件活性下降。此外，井下電氣設(shè)備用的硅油、硅絕緣材料等揮發(fā)物，也會(huì)使元件中毒。這主要是由于硅分子量大，一旦吸附在元件表面，就會(huì)阻止甲烷進(jìn)入而影響元件氧化速率，致使活性下降。為防止元件中毒，可以加過(guò)濾器，例如用活性炭吸收管，1cm厚活性炭的吸收管，可使工作在有毒環(huán)境中的元件壽命延長(zhǎng)數(shù)百倍。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間工作的元件，遇到較高濃度，工作數(shù)分鐘后，元件的活性將升高，高濃度消失后，元件在幾十小時(shí)內(nèi)活性才會(huì)逐步下降到原值附近，以后又保持穩(wěn)定的活性。這種現(xiàn)象稱為元件被濃甲烷激活。元件的激活特性是一個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)楸患せ畹脑谝欢螘r(shí)間內(nèi)會(huì)造成輸出不穩(wěn)，這是在使用中應(yīng)該加以注意和調(diào)整的。載體催化元件與純鉑絲元件相比，其抗毒性能較弱，在有毒氣體的環(huán)境中，宜采用鉑絲元件。(7)反應(yīng)速度。反應(yīng)速度是工作元件的一個(gè)重要指標(biāo)。特別是當(dāng)元件應(yīng)用到各種運(yùn)動(dòng)機(jī)械上時(shí)，就更為突出。在井下空氣中，當(dāng)甲烷濃度發(fā)生變化時(shí)，元件的反應(yīng)速度由兩個(gè)因素決定，一是元件本身的時(shí)間常數(shù):，二是甲烷向元件擴(kuò)散的速度。元件的時(shí)間常數(shù)可由下式確定:(3-1)式中::元件的時(shí)間常數(shù)；E:元件的熱容量；a:等效熱導(dǎo)系數(shù)；s:元件的表面積；:常數(shù)；T:元件的作溫度；I:工作電流；R:元件電阻；:鉑絲電阻溫度系數(shù)；通過(guò)對(duì)上式的分析，可以合理地選擇元件參數(shù)，以提高工作元件的反應(yīng)速度。本設(shè)計(jì)中選擇的敏感元件型號(hào)為:FWC-2。參數(shù)為:測(cè)量介質(zhì):甲烷工作電流:直流穩(wěn)壓工作點(diǎn):2.8V/≤175mA測(cè)量范圍:0-4%CH4穩(wěn)定性:靈敏度變化±0.1%CH4響應(yīng)時(shí)間:≤20S

4礦內(nèi)空氣傳感器的硬件4.1實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊圖4-1時(shí)鐘電路原理圖圖4-1時(shí)鐘電路原理圖單片機(jī)工作時(shí)，從取指令到譯碼再進(jìn)行微操作，必須在時(shí)鐘信號(hào)控制下才能有序地進(jìn)行，時(shí)鐘電路就是為單片機(jī)工作提供基本時(shí)鐘的。單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常有兩種產(chǎn)生方式：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。本課題采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。在單片機(jī)XTAL1和XTAL2引腳上跨接上一個(gè)晶振和兩個(gè)穩(wěn)頻電容，可以與單片機(jī)片內(nèi)的電路構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。晶振頻率取12MHz。外接電容的作用是對(duì)振蕩器進(jìn)行頻率微調(diào)，使振蕩信號(hào)頻率與晶振頻率一致，同時(shí)起到穩(wěn)定頻率的作用，本課題選用33pF的電容。易知：本單片機(jī)最小系統(tǒng)的振蕩周期=1/(12MHz)=1/12us，時(shí)鐘周期=1/6us，機(jī)器周期=1us。目前有許多型號(hào)的單片測(cè)量放大器集成芯片可供選擇，因此不再用分立的運(yùn)算放大器來(lái)構(gòu)成測(cè)量放大器。采用單片測(cè)量放大器芯片與用分立的運(yùn)算放大器相比具有性能優(yōu)異、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中選擇集成芯片INA128儀用放大器。其特點(diǎn)如下：低偏置電壓最大50μμV/℃，低輸入偏置電流最大5nA，高共模抵制CMR最小120DB，輸入保護(hù)至±40V，寬電源電壓范圍±2.25至±18V，低靜態(tài)電流700μA，8引腳塑料DIP和SO-8封裝。電路圖如圖4-2所示：圖4-2INA128應(yīng)用電路圖4-2INA128應(yīng)用電路氣體傳感器出來(lái)的信號(hào)是模擬信號(hào)，而微處理器AT89C51只能處理數(shù)字信號(hào)，故需要對(duì)模擬信號(hào)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為處理器能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，由于經(jīng)過(guò)放大電路出來(lái)的模擬電壓變化范圍在0~5V，故選擇性價(jià)比比較合適的ADC0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。其管腳定義如圖4-3所示圖4-3ADC0809管腳示意圖 圖4-3ADC0809管腳示意圖ADC0809各腳功能如下表4-1：表4-1表4-1ADC0809各腳功能引腳功能介紹D7-D0IN0-IN78位數(shù)字量輸出引腳8位模擬量輸入引腳VCC+5V工作電壓REF（+）參考電壓正端REF（-）參考電壓負(fù)端STARTA/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)輸入端ALE地址鎖存允許信號(hào)輸入端EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出引腳，開(kāi)始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為高電平OE輸出允許控制端，用以打開(kāi)三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。CLK時(shí)鐘信號(hào)輸入端（一般為500KHz）。A、B、C地址輸入線電路連接：ADC0809輸出接單片機(jī)的P0口，各個(gè)控制引腳及單片機(jī)的P2口，參考電壓REF(+)、REF(-)分別接+5V電源和地。具體工作過(guò)程如下：首先，在程序的控制下，利用單片機(jī)的定時(shí)器T0以及中斷服務(wù)程序在P2.7輸出一個(gè)方波信號(hào)，作為ADC0809工作的時(shí)鐘信號(hào)。并對(duì)其他控制引腳進(jìn)行初始化。然后，單片機(jī)向ADC0809的A、B引腳循環(huán)輸出地址編號(hào)，C引腳接地；每輸入一個(gè)地址編號(hào)后，START和ALE變高電平，復(fù)位ADC0809并將地址鎖存，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)难訒r(shí)后，START和ALE變低電平，開(kāi)始模數(shù)轉(zhuǎn)換；P2.6接EOC引腳，當(dāng)收到高電平時(shí)，說(shuō)明模數(shù)轉(zhuǎn)換完成，此時(shí)向OE引腳輸出高電平，打開(kāi)輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量到P0口，然后OE引腳變低電平，完成一次模數(shù)轉(zhuǎn)換。圖4-4ADC0809與AT圖4-4ADC0809與AT89C51的接口電路4.4看門狗電路看門狗電路一般有軟件看門狗和硬件看門狗兩種。軟件看門狗不需外接硬件電路，但系統(tǒng)需要出讓一個(gè)定時(shí)器資源，這在許多系統(tǒng)中很難辦到，而且若系統(tǒng)軟件運(yùn)行不正常，可能導(dǎo)致看門狗系統(tǒng)也癱瘓。硬件看門狗是真正意義上的“程序運(yùn)行監(jiān)視器”，如計(jì)數(shù)型的看門狗電路通常由555多諧振蕩器、計(jì)數(shù)器以及一些電阻、電容等組成，分立元件組成的系統(tǒng)電路較為復(fù)雜，運(yùn)行不夠可靠?？删幊炭撮T狗電壓監(jiān)控電路選用Xicor公司的X25045集成芯片，它是集看門狗定時(shí)器功能，電壓監(jiān)控功能，快閃E2PROM存儲(chǔ)功能為一體的集成芯片，大大簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了對(duì)印制電路板的空間要求，降低了成本和系統(tǒng)功耗，是一種理想的單片機(jī)外圍芯片。看門狗定時(shí)器電路對(duì)微控制器提供了獨(dú)立的保護(hù)系統(tǒng)，可編程設(shè)置三種周期，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，在預(yù)先設(shè)定的周期之后產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，該周期一旦設(shè)定，即使在電源周期變化之后也不改變。電壓監(jiān)控功能可以保護(hù)系統(tǒng)使之免受低電壓狀況的影響，當(dāng)V0降到最小轉(zhuǎn)換點(diǎn)以下時(shí)，系統(tǒng)復(fù)位，直到電壓升高且穩(wěn)定為止，E2PROM可存放數(shù)據(jù)，安全可靠，這種組合不僅降低系統(tǒng)成本，減少電路板空間要求，而且與單片機(jī)接口簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定。芯片的性能特點(diǎn):可編程的看門狗定時(shí)器；低VCC檢測(cè)，直到VCC等于1V時(shí)復(fù)位信號(hào)有效；1MHZ的串行時(shí)鐘頻率；512×8位串行EEPROM；低功耗CMOS設(shè)計(jì)，工作時(shí)電流3mA，備用時(shí)10A電源電壓為2.7V～5.5V；片內(nèi)寫保護(hù)；高可靠性:使用期限:100000周期/字節(jié)；數(shù)據(jù)保存期:100年；ESD保護(hù):所有引腳2000V;RESET高電平有效。引腳如圖4-5，部分引腳說(shuō)明：：片選擇輸入；SO：SO是一個(gè)推/拉串行數(shù)據(jù)輸出引腳，在讀周期時(shí)間內(nèi)，數(shù)據(jù)從這個(gè)引腳輸出，串行時(shí)鐘脈沖下降沿時(shí)數(shù)據(jù)輸出；圖4-5X25045引腳圖圖4-5X25045引腳圖SI：是串行數(shù)據(jù)輸入引腳，所有的操作碼，字節(jié)，地址及數(shù)據(jù)都通過(guò)這個(gè)引腳寫入存儲(chǔ)器，串行時(shí)鐘脈沖上升沿時(shí)，數(shù)據(jù)被鎖存；SCK：串行時(shí)鐘輸入，其上升沿將數(shù)據(jù)或命令寫入，下降沿將數(shù)據(jù)輸出；：寫保護(hù)輸入。當(dāng)它低電平時(shí)，寫操作被禁止；：復(fù)位輸出。X25045硬件連接圖如圖4-6：圖4-6X25045硬件連接圖圖4-6X25045硬件連接圖報(bào)警電路由NPN三極管、蜂鳴器、LED和限流電阻組成，如圖4-7所示。由單片機(jī)兩個(gè)I/0口控制聲報(bào)警方式和光報(bào)警方式，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以通過(guò)軟件設(shè)置選擇其中一種報(bào)警方式，也可以兩種都選擇。8050是一種常用的小功率開(kāi)關(guān)三極管，它的最大負(fù)載電流為700mA,VCEO=20V,飽和壓降為0.5V。Q1和Q2分別作為蜂鳴器和發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)器，蜂鳴器的正常工作為3V，聲音強(qiáng)度為80dB，發(fā)光二極管的額定電流為5～lOmA。當(dāng)單片機(jī)I/O口信號(hào)為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音，發(fā)光二極管則給出光指示信號(hào)，其中，R2,R3和R1均為限流電阻。圖4-7聲光報(bào)警電路圖圖4-7聲光報(bào)警電路圖數(shù)據(jù)顯示是體現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)功能的部分，LED顯示成本低廉，配置靈活，與單片機(jī)連接方便。LED顯示塊具有亮度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、全天候的特點(diǎn)，因此在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)用最廣，本系統(tǒng)的顯示采用的就是四位七段共陽(yáng)極LED數(shù)碼管作為顯示部件。如圖4-8。圖4-8數(shù)碼管引腳圖圖4-8數(shù)碼管引腳圖圖4-9圖4-9顯示部分電路圖 4.7電源電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用集成穩(wěn)壓器7805，當(dāng)輸出電流較大時(shí)，7805應(yīng)配上散熱板。圖4-107805組成的5V電路圖圖4-107805組成的5V電路圖本章首先介紹了瓦斯的硬件結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)功能，該儀器以8位單片機(jī)AT89C51作為控制核心，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，完成了有毒氣體濃度信號(hào)的采集放大轉(zhuǎn)換電路、液晶顯示電路、聲光報(bào)警電路等的設(shè)計(jì)。該儀器能夠?qū)崿F(xiàn)有毒氣體濃度信號(hào)采集與顯示及超標(biāo)聲光報(bào)警等功能。本章重點(diǎn)介紹了信號(hào)采集模擬電路和以主控制器為中心的數(shù)字電路的設(shè)計(jì)與工作原理。首先討論了有毒氣體采集模塊中傳感器選擇問(wèn)題及模擬放大電路的設(shè)計(jì)問(wèn)題，最后討論了系統(tǒng)的外圍接口電路模塊，包括數(shù)碼管顯示,聲光報(bào)警等，實(shí)現(xiàn)了各外圍接口電路模塊與AT89C這一章比較具體的說(shuō)明了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的內(nèi)容，通過(guò)模塊化的設(shè)計(jì)思想，把一個(gè)復(fù)雜的單片機(jī)系統(tǒng)按照功能劃分成一個(gè)個(gè)單獨(dú)的電路模型，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后在集成到一起。這種方法對(duì)于設(shè)計(jì)復(fù)雜的單片機(jī)系統(tǒng)很有效。大大提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率與質(zhì)量。5礦內(nèi)空氣傳感器的軟件設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)思想總體思路是首先定義相關(guān)的硬件接口，然后進(jìn)行初始化，包括AD控制端和定時(shí)器的初始化。初始化后開(kāi)始無(wú)限無(wú)限循環(huán)，以保證24小時(shí)全天候的檢測(cè)甲烷的濃度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情并報(bào)警。無(wú)限循環(huán)中將依次調(diào)用AD轉(zhuǎn)換函數(shù)、比較判斷函數(shù)、聲音報(bào)警函數(shù)和顯示報(bào)警函數(shù)。圖5-1主函數(shù)流程圖圖5-1主函數(shù)流程圖 根據(jù)軟件設(shè)計(jì)的基本要求,采取了如下的措施:1.程序模塊化。軟件設(shè)計(jì)中包含有：主程序模塊、顯示模塊、A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子模塊、聲光報(bào)警模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、中斷處理模塊等。2.軟件設(shè)計(jì)采用C51匯編語(yǔ)言，可以保證數(shù)據(jù)計(jì)算的精度。3.中斷響應(yīng)外部事件，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理事件能力。4.軟、硬件抗干擾。軟件抗干擾措施提高了系統(tǒng)的可靠性。以下就對(duì)一些主要模塊進(jìn)行詳細(xì)的闡述。編程語(yǔ)言的選擇在系統(tǒng)硬件電路確定以后，其主要功能的實(shí)現(xiàn)將依賴于軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)同一硬件電路，配以不同的軟件，它所實(shí)現(xiàn)的功能也就不同，其設(shè)計(jì)軟件基本要求:1.可靠性?？煽啃允擒浖O(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。2.易理解性、易維護(hù)性。編制的軟件要求易閱讀，容易發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤，容易修改和補(bǔ)充。3.實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)外部事件的發(fā)生并能及時(shí)做出處理結(jié)果。4.準(zhǔn)確性。保證系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算數(shù)據(jù)的精度。目前存在有4種編程語(yǔ)言支持單片機(jī)，即匯編語(yǔ)言、PL/M51語(yǔ)言、C語(yǔ)言和BASI語(yǔ)言。其中匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言應(yīng)用的較多，匯編語(yǔ)言的機(jī)器代碼生成效率高，控制性好，但就是移植性不高。結(jié)合本系統(tǒng)的特點(diǎn)，這里選用了功能強(qiáng)、效率高的C語(yǔ)言。C語(yǔ)言主要有以下特點(diǎn)：用C語(yǔ)言編制的程序效率高，占用存儲(chǔ)空間小，運(yùn)行速度快。C語(yǔ)言能寫出最優(yōu)化程序，且能反映出計(jì)算機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況。C語(yǔ)言能直接與存儲(chǔ)器、接口電路打交道，也能申請(qǐng)中斷。具有良好的模塊化、容易閱讀、維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，且編寫的模塊程序易于移植?；贑語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的優(yōu)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編寫方法。主程序模塊主程序運(yùn)行流程圖如圖5-2所示。由主程序流程圖可以看出，軟件要實(shí)現(xiàn)的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算、分析、送數(shù)碼管進(jìn)行顯示。程序開(kāi)始時(shí)，先關(guān)閉中斷，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括單片機(jī)的各寄存器、RAM、定時(shí)器裝載初值、中斷設(shè)置及各模塊初始化等。完成初始化后，數(shù)碼管顯示參數(shù)為零，單片機(jī)等待傳感器傳入信號(hào)及AD轉(zhuǎn)換結(jié)束，從而完成當(dāng)前監(jiān)測(cè)參數(shù)的正確顯示。圖5-2主程序流程圖上電復(fù)位圖5-2主程序流程圖上電復(fù)位系統(tǒng)初始化執(zhí)行主程序數(shù)碼管顯示參數(shù)參數(shù)超標(biāo)聲光報(bào)警結(jié)束5.2.2AD轉(zhuǎn)換模塊由于定電位電解式氣體傳感器工作響應(yīng)時(shí)間為10-20秒左右，故進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換前設(shè)置AD等待25秒，以保證傳感器響應(yīng)完成并使所測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。AD完成轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，AD應(yīng)用中我們可以有兩種方法來(lái)：1.中斷查詢法，AD完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后會(huì)向中斷輸出端輸出一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，告訴單片機(jī)轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，單片機(jī)可以讀取數(shù)據(jù)。2.延時(shí)等待法，設(shè)定一定的時(shí)間讓單片機(jī)處于等待狀態(tài)，此時(shí)間足夠AD完成轉(zhuǎn)換，過(guò)了等待時(shí)間單片機(jī)再去讀取數(shù)據(jù)。綜合考慮各方面的因素，本研究采用第一種方法：中斷查詢法。所用的芯片為AD0809，根據(jù)所需的要求，AD的工作流程如圖5-3所示，首先AD先等待25秒以使得傳感器完全響應(yīng)完畢，然后AD開(kāi)始工作，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后向單片機(jī)發(fā)出一個(gè)中斷信號(hào)告訴單片機(jī)可以讀取數(shù)據(jù)，單片機(jī)響應(yīng)中斷，從PB口讀取轉(zhuǎn)換完畢后的8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，再進(jìn)一步進(jìn)行處理。對(duì)氣體傳感器分段選擇多個(gè)測(cè)試點(diǎn)盡享精確測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)繪制出傳感器的隔斷擬合曲線，為了提高數(shù)據(jù)精度，采用線性插值法。系統(tǒng)上電后，對(duì)單片機(jī)、ADC0809進(jìn)行初始化，開(kāi)單片機(jī)總中斷，外部中斷0，AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后，進(jìn)入中斷子程序讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在全局變量中，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、計(jì)算與處理，以便以后單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)LCD的顯示處理。圖5-3AD流程圖圖5-3AD流程圖5.2.3比較判斷函數(shù)比較判斷函數(shù)是將AD轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)與門限值比較，根據(jù)比較結(jié)果設(shè)置報(bào)警數(shù)組的對(duì)應(yīng)位。圖5-4時(shí)鐘程序流程圖圖5-4時(shí)鐘程序流程圖顯示報(bào)警函數(shù)顯示報(bào)警函數(shù)根據(jù)報(bào)警數(shù)組控制相應(yīng)數(shù)碼管顯示報(bào)警傳感器號(hào)碼。圖5-5顯示報(bào)警函數(shù)流程圖圖5-5顯示報(bào)警函數(shù)流程圖液晶顯示