煤矿瓦斯监测报警器

煤矿瓦斯监测报警器摘要能源工业是一个国家经济发展的命脉。近年来，随着石油的紧张，石油价格的飙升，煤炭行业的重要地位和不可替代性也日益显现。然而，中国煤炭行业的安全形势却不容乐观，尤其是重、特大上网那个事故屡见报端。在这些事故中，瓦斯爆炸有占绝大多数。这其中，固然有很多诱发因素，但个煤矿生产企业安全监测设备不完备、管理手段落后是造成事故的重要因素之一。论文设计的内容是煤矿监测报警器，论文的内容从题目上看就可知道要分两部分来解决一是煤矿瓦斯的监测，二是系统的报警。论文首先阐述了CH4监测系统同的发展及状况。在本文中，我们设计介绍了一种基于甲烷传感器MQ4和单片机AT89S51的煤矿瓦斯监测报警器。我们给出了其硬件组成及软件的设计方案，使其能达到进行瓦斯监测的预期目标。本设计的硬件电路包括浓度检测，A/D转换，单片机系统，键盘电路，数据显示电路及各控制电路；软件设计包括浓度采集，数据转换及处理，键盘扫描，动态显示及浓度控制等。通过软硬件的设计可实现对瓦斯浓度的监测并且当其浓度超过预警值时可进行声光报警并排风以降低瓦斯浓度。在论文中，我们简单论述了报警器的控制方案及工作原理，给出了主程序及主要子程序的框图。此次设计的瓦斯监测报警器具有操作简便，运行稳定，检测比较准确的特点。关键字瓦斯监测传感器单片机声光报警A/D转换电路THEDESIGNOFTHEMONITORINGDETECTORSFORTHECOALMINEGASABSTRACTENERGYINDUSTRYISTHEVITALSOFOURCOUNTRYSECONOMYDEVELOPMENTINRECENTYEARS,INCOMPANYWITHPETROLEUMRESOURCESSHORTAGE,PETROLEUMPRICESGROWRAPIDLYTHEIMPORTANCEANDUNSUBSTITUTABILITYOFCOALINDUSTRYINCREASEEVERYDAYBUTCHINESECOALINDUSTRYSAFETYINPRODUCTIONREFUSEOPTIMISM,ASSERIOUSCASUALTYREPEATEDLYAPPEAREDINTHENEWSPAPERGASEXPLOSIONOCCUPYTHEMOSTPARTOFTHOSEACCIDENTITISSURETHATMANYFACTORSCAUSEDTHAT,BUTEACHCOLLIERYENTERPRISESLACKOFSAFETYMONITORINGEQUIPMENT,LADDEROFMANAGEMENTLAGARETHEONEOFSUBSTANTIALREASONSTHEDISSERTATIONDESIGNCONTENTISTHEMINEPITCOALGASEXAMINATION,THEALARMSYSTEMDESIGNTHEPAPERCONTENTFROMTHETOPICLOOKEDMAYKNOWMUSTDIVIDETWOPARTSTOSOLVEONEISTHEMINEPITCOALGASEXAMINATION,ANDANOTHERISTHEALARMSYSTEMDESIGNFIRSTOFALL,THEDISSERTATIONEXPOUNDSTHEDEVELOPMENTANDACTUALITYOFCH4INSTRUMENTAIONINTHISPAPER,WEINTRODUCEDADESIGNOFTHEMONITORINGDETECTORSFORTHECOALMINEGASWHICHBASEDONAGASSENSORMQ4ANDSINGLEENLARGEMENTAT89S51SYSTEMWEGAVETHEHARDWAREANDSOFTWAREOFTHEDESIGNOFPROGRAMMERSTOACHIEVETHEDESIREDOBJECTIVESFORGASMONITORINGTHEHARDWAREINCLUDINGTHEDESIGNOFTHECONCENTRATIONTESTING,ELECTRICCIRCUITA/DCONVERSION,AT89S51SYSTEM,KEYBOARDCIRCUIT,ELECTRICCIRCUITMONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITACOUSTOOPTICSREPORTSTOTHEPOLICE,THEDATASHOWCIRCUITANDCONTROLCIRCUITTHESOFTWAREDESIGNINCLUDINGCONCENTRATIONSCOLLECTION,DATACONVERSIONANDHANDLING,KEYBOARDSCANNING,DYNAMICSCANNING,ANDTHECONTROLOFTHECONCENTRATIONANDSOONSOFTWAREANDHARDWAREDESIGNCANREALIZETHEMONITORINGOFTHEGASCONCENTRATIONSANDIFTHECONCENTRATIONSEXCEEDTHEVALUEOFEARLYWARNINGCANSOUNDANDLIGHTWARNINGANDOPENTHEPLATOONFANSTOREDUCEGASCONCENTRATIONSINTHEPAPER,WEBRIEFLYDISCUSSEDDETECTORSPROGRAMMERSANDOPERATINGPRINCIPLESOFTHECONTROL,ANDGIVENTHEMAINFLOWCHARTTHEDIAGRAMOFTHEPROCEDURESTHISDESIGNISEASYTOOPERATEANDTHEDESIGNSOPERATIONISSTABILITY,ANDTHEDETECTIONISMOREACCURATETHEKEYWORDSGASMONITORING,SENSORS,SINGLEENLARGEMENT,ELECTRICCIRCUITMONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITACOUSTOOPTICSREPORTSTOTHEPOLICE,ELECTRICCIRCUITA/DCONVERSION目录中文摘要英文摘要绪论111背景课题112瓦斯监测的现状213瓦斯监测的发展方向2第二章系统概述11系统框图312工作原理4第二章单片机的选用21单片机简介及发展趋势422单片机AT89S515221AT89S51的引脚说明523单片机的I/O口扩展14第三章浓度测试电路31瓦斯监测气体的介绍1332气体传感器13321气体传感器的分类322气体传感器的选项33MQ4331MQ4标准工作条件14332MQ4的环境条件15333MQ4的测试电路及灵敏度调节15第四章A/D转换电路41A/D转换器的选型942ICL7109芯片简介843A/D转换部分电路9第五章数据显示电路51显示器件选择1352数据显示电路13第六章硬件单元电路中其它电路硬件61电源部分电路2062声光报警部分电路21第七章系统的软件设计71主程序2272子程序设计22721中断子程序22722声光报警子程序23结束语25致谢26参考文献27（附录）2绪论煤矿中含有大量的甲烷（CH4）等易燃易爆气体，发生事故后会造成巨大的经济损失，危及矿工的生命。随着煤矿开采技术手段的不断改进和开采规模的扩大及开采深度的不断延伸，安全隐患越来越多，瓦斯事故特别是中、特大瓦斯事故在煤矿事故中所占的比例也越来越高。如果不把瓦斯事故控制住，就不能实现煤矿安全生产状况的稳定，也就无法保障煤炭工业的持续健康发展。所以，对煤矿井下瓦斯气体进行快速准确的监测显得尤为重要，对易燃易爆混合气体监测的研究和开发也成为人们一直关注的问题。11课题背景我国是煤炭生产大国，随着煤矿机械化程度的提高，矿井生产能力和生产效率普遍加大，煤炭年产量居世界首位，产煤量占世界总产煤量的20。但同时我国也是煤矿安全形势最为严峻的国家之一。近年来，瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等灾害，严重威胁着煤矿的安全生产和数百万名煤矿工的生命安全，瓦斯灾害已成为制约我国煤矿安全生产和煤炭工业发展的重要因素，可以说瓦斯爆炸已经成为矿难的第一大祸首。国有地方和乡镇煤矿中，高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井占15左右。在许多发达国家中为了减少事故的发生，一般不会开采高瓦斯灾害隐患严重的矿井。但中国是一个能源饥渴大国，煤炭是我国的主要能源，占一次性能源构成的75,所以不论是低瓦斯还是高瓦斯，都在积极创造条件，照采不误。多年来的实践证明，瓦斯浓度的监测监控器在监测煤矿井下安全状况，防范安全隐患方面起着重要作用，充分发挥其作用，是我国煤矿安全形势实现好转的关键。近年来，国有重点煤矿瓦斯爆炸事故较少的原因之一，就是绝大多数煤矿的高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井安装了瓦斯浓度监测监控器。综上所述，瓦斯浓度监测监控器所要实现的功能包括根据所选的瓦斯传感器来设定瓦斯浓度预警值，采集瓦斯浓度并进行浓度显示及处理。当实际浓度超限时进行声光报警并同时控制排风扇进行排风以降低浓度含量。所以开发设计出一种操作简单的瓦斯监测监控器，对有效的预防和减少瓦斯爆炸具有非常现实的意义。12瓦斯监测的现状国内对瓦斯的检测以CH4检测为主,毒气的检测以CO检测为主而国外用可燃性气体的检测代替单一CH4气体的测量,毒气包括H2S的测量。单从我国技术发展上来说，我国在瓦斯监测监控系统的应用上起步较晚，上世纪80年代初才从国外引进了这一系统，而且仅用于部分国有重点煤矿，所以就瓦斯监测监控系统而言，目前也存在着不够完善的地方第一，我国煤矿的瓦斯灾害防治技术虽已处于世界先进水平，但防灾抗灾的安全仪表和装备的技术水平与国外相比差距较大。第二，受技术条件限制，许多煤矿的瓦斯监测数据无法传输给集团公司或上级主管部门，仍未建立全集团或整个地区的瓦斯监测监控网络。第三，已安装的瓦斯监测监控系统型号各异，信号传输方式不尽相同，有的采取时分制，有的采取频分制，还有的利用载波传输，给系统的管理、使用、维护以及联网带来诸多不便。第四，由于瓦斯监测监控系统对气体传感器的精度、性能、稳定性方面的要求越来越高，因此对气体传感器的研究和开发也越来越重要。13瓦斯监测的发展方向随着我国电子技术以及各项科学技术的飞速发展，作为保证我国煤矿安全生产的有效措施之一的煤矿瓦斯监测监控技术在科研和应用方面必定会在原有基础上不断的加以完善，并取得长足的发展。为了满足安全生产的需求，随着先进科学技术的应用，气体传感器发展的趋势应该是微型化、智能化和多功能化。第一章系统概述随着超大规模数字集成电路、单片机技术的飞速发展，利用单片机及其它外围芯片实现对瓦斯的监测成为一种可能，并且成为一种发展趋势。它具有体积小、操作简单、携带方便、功能较齐全等优点，而且性能价格比也很高，应用前景非常广泛。因此此次设计整体上是基于AT89S51单片机来实现煤矿瓦斯浓度监测报警。在这里我们运用到的气敏传感器是MQ4，它是用来检测外部瓦斯的浓度（其检测到的浓度值为模拟量），并将检测到的模拟信号转化为电压信号输出出来。然后再将电压信号输入到AD7109进行A/D转换变换成数字信号，并在51单片机的控制下将其输入，然后在内部软件编程下进行数值变换处理。在单片机进行完数据处理后就将其结果输出显示，从而显示出瓦斯气体的浓度，其中显示部分我们采用四位的LED数码管，用于显示瓦斯浓度值。若实际瓦斯浓度超限（浓度超限预警值可键盘控制输入）则在单片机的控制下进行声光报警。提醒生产人员离开，避免生产事故。11系统框图此次设计的煤矿瓦斯监测报警器的系统框图如下所示主要由气体传感器MQ4、A/D转换器ICL7109、单片机AT89S51、LED显示电路、键盘控制电路、声光报警装置和附件电路组成。AT89S51LED显示瓦斯探测器（MQ4）电源A/D7109图11系统框图声光报警由图可以看出煤矿瓦斯监测报警器的硬件部分设计是以单片机系统为核心，用于整个设计的数据处理、声光报警电路等正常工作。在这里我们选用ATMEL公司生产的8位单片机AT89S51，该种单片机与以往所采用的AT89C51相比新增加了很多功能，性能有了较大提升，片内4K的FLASH存储空间也能满足我们设计的要求，价格较之AT89C51基本不变甚至更低。甲烷传感器采用MQ4气敏传感器，用于探测采集瓦斯的浓度。由于该传感器的输出信号为模拟电压信号，要想将采集到的数据送至单片机系统进行数据处理则需要将模拟信号转换成数字信号，所以在这里我们还要选用ICL7109芯片进行模数转换处理。这里的ICL7109是一种双积分的12位A/D转换器，其性能价格比很高，是一种高精度、低噪声、低漂移A/D转换器。瓦斯浓度显示部分采用四位的LED数码管显示，在这里我们采用动态扫描方法来显示各种参数。12工作原理在这里我们用甲烷传感器MQ4来对煤矿瓦斯浓度进行检测，由于其检测所得数据模拟电压量而单片机只能对数字信号进行处理，所以在送入单片机中进行处理之前需先送入模数转换器ICL7109中进行模数转换，然后才能将转换所得数据送入单片机AT89S51中处理，这里的处理主要是指将输入进来的数据与我们设置的瓦斯爆炸预警值进行比较，在这里我们的预警值可通过键盘进行设置，显示其瓦斯浓度值。第二章单片机的选用21单片机简介及发展趋势在一块芯片上集成由运算器、控制器、储存器、输入/输出接口5个基本部分，则这种芯片为单片微型计算机，简称单片机。以单片机为核心的硬件系统称为单片机系统。目前单片机正朝着高性能和多产品方向发展今后的发展趋势将进一步向低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格、高速化、高可靠行方向发展。从生产工艺上讲，主要是住呢个在CMOS化。（1）CMOS化。CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低价格。近年来随着CMOS技术的进步，单片机全面COMS化，这种工艺的单片机功耗低，可控性抢，能够工作在功耗精细管理状态。目前生产CHMOS电路意境能够达到LSTTL的传输速度，延迟时间小于2N是，其综合优势已大于TTL电路，所以单片机领域CMOS正逐渐取代TTL电路。（2）低电压、低功耗化。目前新一代的单片机都具有WAIT和STOP等省电运行方式，可以在适当的时候唤醒但盘基。电源电压也呈下降趋势，33的单片机越来越成为主流单片机的趋势，而一些低电压供电的单片机电源下限可大12V。目前08供电的MSP430已问世。（3）大容量化。标准的8031单片机没有ROM，8051单片机有4KB的ROM，RAM均为128B。PHILIPS公司的NXP的P87C51MC2/02的ROM为96KB，RAM达到了3KB，完全能够适应一般控制设备的要求。（4）高速化。这主要是进一步改进CPU的性能，加快指令的速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度，当前指令速度最高者已达100MIPS（MILLIONINSTRUCTIONPERSECONDS,兆指令每秒），并加强了未处理功能、中断和定时控制功能。（5）低噪声和高可靠性。（6）小容量、低价格化。与大容量相反，以4位、8位机位中心的小容量、低价格也是一个趋势。（7）集成多种外设功能。随着集成度的不断提高，越来越多单片机把各种外围设备的功能器件集成在片内。除了一般必须具有的CPU、ROM、RAM和定时/计数器等以外，片内集成的部件常见的还有A/D转换器、D/A转换器、I2C总线、CAN总线、SPI总线、DMA控制器、PWM控制器、声音制造器、监测定时器和锁相电路等。22单片机AT89S51经综合分析选用单片机AT89S51适合。AT89S51是一种低功耗高性能的8位单片机，片内带有一个4KB的FLASH在线可编擦除只读存储器，它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统和51系列单片机兼容。片内的存储器允许在线重新编程或用常规的非易失性存储器编程器来编程。同时已具有三级程序存储器保密的性能。在众多的51系列单片机中，要算ATMEL公司的AT89S51更实用，因为它不仅和MCU51系列单片机指令、管脚完全兼容，而且它将通用CPU和在线可编程FLASH集成在一个芯片上。这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。221AT89S51的引脚说明AT89S51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89S51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和FLASH存储器结合在一起，特别是可反复擦写的FLASH存储器可有效地降低开发成本。图21AT89S51引脚图VCC40脚供电电压。GND20脚接地。P0口32脚39脚P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写“1”时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口1脚8脚P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入“1”后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口21脚28脚P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口10脚17脚P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89S51的一些特殊功能口，P3口管脚备选功能如下表所示表21P3口第二功能引脚第2功能P30RXD（串行口输入端）P31TXD（串行口输出端）P32/INT0（外部中断0请求输入端，低电平有效）P33/INT1（外部中断1请求输入端，低电平有效）P34T0（定时器/计数器0计数脉冲输入端）P35T1（定时器/计数器1计数脉冲输入端）P36/WR（外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）P37/RD（外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST（9脚）复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG（30脚）当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN（29脚）外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP（31脚）当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1（19脚）反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2（18脚）来自反向振荡器的输出。23单片机的I/O口扩展器件由于单片机本身只有4个8位并行输入输出I/O接口，1个串行I/O接口，非常有限，所以当I/O口不能满足设计需求时则需要我们进行I/O口的扩展。其扩展方法为根据需要在串行口上外接1个或多个移位寄存器。由电路原理图我们可以看到此次我们单片机89S51的I/O口分配如下P0口A/D转换器ICL7109转换后的数据的输入接口P1口其中P10接5V的直流蜂鸣器当P100时蜂鸣器蜂鸣P11接发光二极管LED,当P111时发光二极管发光，其和蜂鸣器结合就是我们所要实现的声光报警。P12接排风扇的继电器部分P13P16作为数码管显示部分的位选P17作为7109的片选P2口我们仅用了P26和P27作为7109的数据选通端P3P30（RXD）和P31（TXD）用于I/O口的扩展所以很显然我们要对单片机进行扩展I/O口，下图所示为用串行口扩展I/O口的电路RXDTXD单片机DSADSB74LS164CPQ0Q7图22I/O口扩展电路其中芯片74LS164为带清零端的串行输入/并行输出移位寄存器（8位），其管脚图和功能表如下123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE31MAY2006SHEETOFFILECPROGRAMFILESDESIGNEXPLORER99SEEXAMPLESMYDESIGNDDBDRAWNBYA1B2QA3QB4QC5QD6GND7CLK8CLR9QE10QF11QG12QH13VCC1474LS164图2374LS164的管脚图表2274LS164功能表输入输出CLRCLKABAQBHQLLLLHLQA0QB0QH0HHHHQANQGNHLLQANQGNHLLQANQGNH高电平L低电平任意电平上升在使用时将A,B并接作为数据的串行输人端,CLK作为时钟端。串行输入时，先将数据在A,B端准备好，在CLK端产一上升沿，则一位数据移至最低位QA再将下一位数据准备好后，在CLK端产生下一上升沿，则下一位数据移至次低位QB,其余位顺次从低位到高位移动，这种时序符合串行器件特性，即把164当成一典型串行外设，可以用普通I/O口模拟其时序将数据移入。第三章浓度测试部分电路31瓦斯监测气体的介绍当可燃气体、可燃的蒸汽（或可燃粉尘）与空气混合饼达到一定浓度时，遇到火源就会发生爆炸。这个能够发生爆炸的浓度范围，叫做爆炸极限，通常用可燃气体、蒸汽、或粉尘在空气中的体积包粉笔来表示。在“发生爆炸范围浓度”内，有一个最低的爆炸浓度叫做爆炸下限；还有一个最高的爆炸浓度叫爆炸上限。只有在这两个浓度之间，才有爆炸的危险。如果可燃气体、蒸汽或粉尘在空气中浓度低于爆炸下限，遇到明火哦，既不会爆炸，也不会燃烧；高于爆炸下限，遇到明火，虽然不会爆炸，但接触空气却能燃烧。因为低于爆炸下限时，空气所占比例很大，可燃物质的浓度不够；高于爆炸上限是，则有大量的可燃物质，而空气却不足。了解各种可燃气体、蒸汽或粉尘的爆炸极限，对与做好防火、防爆工作有忠言意义。可燃物质危险性的大小，主要取决于爆炸极限幅度的宽窄。幅度越大，器危险系数就越大。国内对瓦斯的检测以CH4检测为主,毒气的检测以CO检测为主而国外用可燃性气体的检测代替单一CH4气体的测量,毒气包括H2S的测量。现对煤矿的主要成分甲烷进行论述。甲烷在自然界分布很广，是天然气、沼气、油田气及煤矿坑道气的主要成分。它可用作燃料及制造氢气、碳黑、一氧化碳、乙炔、氢氰酸及甲醛等物质的原料。化学号为CH4。化学品中文名称甲烷别名天然气，沼气，甲基氢化物英文名称METHANE技术说明书编码51CAS号74828分子式CH4分子量1604国标编号21007分类有机物CH键能413KJ/MOLHCH键角10928外观与性状无色无嗅气体，比空气轻。分子结构正四面体形非极性分子,一个C以SP3杂化位于正四面体中心,4个H位于正四面体的4个顶点上晶体类型分子晶体蒸汽压5332KPA/1688熔点1825沸点1615相对密度水1042164相对蒸气密度空气1055燃烧热89031KJ/MOL总发热量55900KJ/KG40020KJ/M3净热值50200KJ/KG（35900KJ/M3）临界温度826临界压力MPA459爆炸上限V/V15爆炸下限V/V53闪点188引燃温度538侵入途径吸入。健康危害甲烷对人基本无毒，但浓度过高时，使空气中氧含量明显降低，使人窒息。当空气中甲烷达2530时，可引起头痛、头晕、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速、共济失调。若不及时远离，可致窒息死亡。皮肤接触液化的甲烷，可致冻伤。毒理学资料及环境行为毒性属微毒类。允许气体安全地扩散到大气中或当作燃料使用。有单纯性窒息作用，在高浓度时因缺氧窒息而引起中毒。空气中达到2530出现头昏、呼吸加速、运动失调。危险特性易燃，与空气混合能形成爆炸性混合物，遇热源和明火有燃烧爆炸的危险。与五氧化溴、氯气、次氯酸、三氟化氮、液氧、二氟化氧及其它强氧化剂接触反应剧烈。32气体传感器321气体传感器的分类气体传感器又叫气敏传感器，主要用来监测气体的特定成分。气体传感器通常以气敏特性来分类，主要可分为（1）半导式方式包括氧化系、气敏二极管系、气敏MOSFET系。若气体接触到加热的金属，氧化物电阻值就会增大或者减少，其灵敏度高，构造电路简单，但输出与气体浓度不成比例。（2）固体电解质其利用铂等金属材料对氢吸附敏感使功函数改变原理制成，器特点是其他选择性好但不能重复使用。（3）接触燃烧式其原理是化学溶剂与气体反应产生使电导率发生变化。其特点是属于气体浓度成比例，但灵敏度较低。（4）其他类型包括光干涉式、热传导方式、红外线吸收式。气体传感器的类型虽然很多，但对它们有以下几个基本特性（1）对被测气体要有高的灵敏度，尽量减少外界一如的干扰信号；（2）选择性要好，即对和被测气体共存的其他气体不敏感；（3）能够长期稳定工作，它是关系整个监测系统监测精度的一个重要环节。（4）检测和报警要迅速。（5）响应时间，指从气敏元件到被测气体接触到气敏元件的参数达到新的稳定状态下所需要的时间，表示了气敏元件的反应速度。（6）温度特性。气敏元件的特性随温度的变化而变化为温度特性。消除这种影响的方法是采用温度补偿法。（7）湿度特性。气敏元件的特性随环境会死度的不同而发生变化的特性成为湿度特性。湿度特性是硬性检测精度的理工一个因素，就绝这一问题的措施之一是采用湿度补偿法。（8）电源电压特性电源电压发生变化时，气敏元件也会发生变化，解决的方法是采用恒压供电。322气体传感器的选择要进行个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，而这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，还是自行研制，价格能否承受。在考虑上述问题之后就能大致确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标，其具体性能指标见下。33MQ4瓦斯浓度测试部分电路是由气体传感器MQ4组成的，其作用为将瓦斯气体的体积分数转化成对应的模拟电压信号并输出出来。331MQ4的结构外形MQ4气敏元件的结构和外形如图31所示，由微型AL2O3陶瓷管、SNO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。结构外形图31MQ4的结构和外形其中部件材料1气体敏感层二氧化锡2电极金（AU）3测量电极引线铂（PT）4加热器镍铬合金（NICR）5陶瓷管三氧化二铝6防爆网100目双层不锈钢SUB3167卡环镀镍铜材（NICU）8基座胶木9针状管脚镀镍铜材（NICU）332MQ4标准工作条件MQ4的标准工作条件见表31表31MQ4的标准工作条件符号参数名称技术条件备注VC回路电压15VACORDCVH加热电压50V02VACORDCRL负载电阻可调RH加热电阻313室温PH加热功耗900MW333MQ4的环境条件MQ4的环境条件见表32表32MQ4的环境条件符号参数名称技术条件备注TAO使用温度1050TAS储存温度2070RH相对湿度小于95RHO2氧气浓度21标准条件氧气浓度会影响灵敏度最小值大于2334MQ4的测试电路及灵敏度调节（1）测试电路我们设计的MQ4测试电路如图32所示，其中可调节电阻R3是用来调整传感器的灵敏度的。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE11JUN2006SHEETOFFILEH东东东东东东东DDBDRAWNBYA1B2H3H4A1MQ4VCCR320K东东ICL7109图32测试电路（2）灵敏度调节在对MQ4的灵敏度进行调节之前首先要就要了解其灵敏度特性。具体的灵敏度特性见表33及图33表33MQ4的灵敏度特性符号参数名称技术参数备注RS敏感体表面电阻1060K（5000PPMCH4）1000PPM/5000PPMCH4浓度斜率06标准工作条件温度202VC50V01V相对湿度655VH50V01V预热时间不少于24小时适用范围30010000PPM甲烷，天然气图33MQ4型气敏元件的灵敏度特性其中温度为20、相对湿度为65、氧气浓度为21RL20KRS是指元件在不同气体，不同浓度下的电阻值。R0是指元件在洁净空气中的电阻值。由上可得MQ4型气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。因此，在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。在这里我们用5000PPM甲烷校准传感器进行校准。其校准过程如下在测试条件下对传感器进行校准时，我们进行硬件部分电路的调试。在调节确定MQ4的可调负载电阻值时，以空气中甲烷浓度值为5000PPM时作为校准，此时观察显示部分电路，又因为要求显示的瓦斯浓度精度要求优于5，即准确显示的范围为5000PPM（15）也就是4750PPM5250PPM的范围内，若不在该范围内则说明甲烷传感器的灵敏度不够高，需要进行调节。而灵敏度的调节是依靠调节负载电阻RL来实现的。我们调节RL使显示的瓦斯浓度值尽可能与实际相符合。这样确定下来的RL的阻值，换言之传感器的灵敏度也就确定下来了，此时我们已经完成了甲烷传感器的校准。校准后的传感器就可以用来监测实际中各个不同的瓦斯浓度了。第四章A/D转换电路A/D转换器（ANALOGDIGITALCONVERTER简称ADC）是将输入的模拟电压或电流转换成数字量的器件或设备，即能把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息，它是模拟系统与数字系统或计算机之间的接口。41A/D转换器的选型A/D转换器是测试系统的一个非常重要的环节，其芯片种类多，性能各异，功能引脚不尽相同，实际应用中应根据分辨率和转换时间两个重要参数选择适当的芯片。其中分辨率就是指A/D转换器可转换成二进制数的位数或BCD码的位数。与一般测量仪表的分辨率表达方式不同，A/D转换器不采用可分辨的输入模拟电压相对值表示，例如A/D转换器ADC0809的分辨率为8位，即该转换器的输出数据可以用个二进制数进行量化，其分辨率为1LSB。如果用82百分数表示分辨率，则分辨率为（439012561018N1）BCD码输出的A/D转换器一般用位数表示分辨率，例如5G14433双积分A/D转换器，分辨率为位，满度字位为1999；用百分数表示分辨率时，分辨率213为（405192）换而言之，分辨率就是A/D转换器可以转换成数字量的最小电压。如8位ADC满量程为5V，则它能分辨的最小电压为5000MV/25620MV,既模拟电压小于20MV，ADC就不能转换了。同样的5V电压，若采用12位ADC，则它能分辨的最小电压为5000MV/40961MV。可见，A/D转换器的位数越多，其分辨率越高，但转换速度就越慢。其中A/D转换器的转换时间是指完成一次转换所需要的时间，即从输入启动转换信号开始到转换结束所用的时间。转换速度是转换时间的倒数。通常，转换速度越快越好，特别是对动态信号采集。在选用A/D转换之前，主要应根据使用的场合的具体要求，按照转换速度，精度，价格，功能以及接口条件来决定选择何种类型。根据其性能指标，考虑到系统的精度我们这次选用了ICL7109转换器,它是一种高精度、低噪声、低漂移和低价格的双积分式A/D转换器，其数据输出为12位二进制数，配有较强的接口电路，能方便地与各种微处理机连接。其主要特性为12位二进制形式输出，并带有极性和溢出位；与TTL兼容，具有三态控制输出；具有通用控制信号端，能用来方便地监视和控制转换时间；片内有振荡器，只需外接晶体或RC器件；具有通用异步收发器UART数据交换制式，可通过简单的并行或串行接口与微机相接；真正的差分输入和差分基准电压；最大运行速度为每秒转换30次；所有输入都具有防止静电的保护措施；双电源供电；输入阻抗为1012；功耗为20MW；42ICL7109芯片简介GND1STATUS2POL3OR4B125B116B107B98B89B710B611B512B413B314B215B116TEST17LBEN18HBEN19CE/LOAD20MODE21OSCIN22OSCOUT23OSCSET24BUFOUT25RUN/HOLD26SEND27V28REFOUT29BUF30AZ31INT32COM33INLO34INLI35REFIN36REFCAP37REFCAP38REFIN39VCC40ICL7109图41ICL7109的管脚图由ICL7109的引脚图可见其采用40脚封装，其中各个引脚的功能意义如下1脚GND，逻辑地。2脚STATUS，工作状态输出端。该信号为“1”时表示正在转换，为“0”时表示转换完毕。3脚POL，极性输出端。为“1”时表示正信号输入，为“0”时表示负信号输入。4脚OR，超量程输出端。为“1”时表示溢出，为“0”时表示正常。516脚12位二进制数据输出端。17脚TEST，自身功能检测端。18脚，低8位数据输出选通端，低电平有效。LBEN19脚（为低），高4位及极性位、溢出位选通端，低电平有效。H20脚/，片选端，低电平有效，并同时配合21脚MODE信号COAD工作。2L脚MODE，工作方式选择端。低电平时转换器为直接输出方式，此时可在片选和字节使能的控制下直接读取数据；高电平脉冲时转换器处于UART方式，并在输出两个字节的数据后返回到直接输出方式。当输入高电平时，转换器将在信号交换方式的每一转换周期的结尾输出数据。22、23脚OSCIN、OSCOUT，时钟输入、输出端。24脚OSCSET，时钟振荡器方式选择端，高电平时采用RC振荡器工作方式，低电平时采用品体振荡器工作方式。25脚BUFOUT，时钟缓冲器输出端。26脚，转换控制端。高电平时，每经8192个时钟完成一次HOLDRUN/转换；低电平时，转换器将立即结束消除积分阶段并跳至自动调零阶段，从而缩短了消除积分阶段，提高了转换速度。27脚SEND，与外设进行数据交换控制端。28、40脚V、V，电源负与电源正端。29脚REFOUT，基准电压输出端，一般为28V，经电阻分压输出。30脚BUF，缓冲放大器输出端，接积分电阻。INTR31脚AZ，自零电容端，接自零电容。AZC32脚INT，积分器输出端，接积分电容。INTC33脚COM，模拟公共端。34、35脚INLO、INHI，差分输入低端与高端。36、39脚REFIN、REFIN，基准电压输入正端与负端37、38脚REFCAP、REFCAP，基准电容输入端。43A/D转换部分电路A/D转换部分电路是由A/D转换器ICL7109构成的，其主要作用是将气体传感器MQ4所得到的模拟电压信号转换成数字量（该模拟电压信号与瓦斯气体的体积分数相对应），便于输入到单片机中进行数据处理。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE11JUN2006SHEETOFFILEH东东东东东东东DDBDRAWNBYP275P26C11UF5R1100KINT1C2033UP17C3015UP07R420KP065P055P04P036MHZP02P01P00GND2Q3GND1MC1403VCCGND1POL3OR4B125B116B107B98B89B710B611B512B413B314B215B116TEST17LBEN18HBEN19CE/LOAD20MODE21OSCIN22OSCOUT23OSCSET24BUFOUT25RUN/HOLD26SEND27VEE28REFOUT29BUF30AZ31INT32COM33INLO34INHI35REFIN36REFCAP37REFCAP38REFIN39VCC40STATUS2ICL7109R21MC401U东MQ4图42A/D转换电路前面我们已经分析过气体传感器MQ4完全符合此次设计的要求，所以在这里MQ4的作用就是将气体瓦斯的浓度转换成与之相对应的模拟电压信号。我们需要将该模拟信号转换成数字量，只有这样才能经过单片机进行处理。在这里我们经过A/D转换器ICL7109将其进行转换。ICL7109为12位的模数转换器，数据可分为低8位和高4位分时传送给单片机，由我们的电路图我们可以看出工作方式选择端MODE我们直接接地了，也就是说现在转换器的工作方式为直接输出方式，在该工作方式下我们可以在片选和字节使能的控制下直接读取数据。而且工作状态输出端STATUS与单片机的INT1直接相连，这样完成一次转换便能向单片机发出一个中断信号，表明数据转换已完成，单片机此时可以接收数据。具体的数据传输过程是由7109的片选及低8位数据输出CE选通端（低电平有效）和高4位数据输出选通端（也是低电平有LBENHBN效）配合来完成，同时也兼作极性位、溢出位选通端（主要用于判断传HBEN输数据的正误），我们将，分别接至单片机的P26和P27，同时L将7109的片选端接至P17容易得知当P17为低（也就是说此时7109被选中可以进行数据的传输）且P26为低时低8位数据进行传输，而当P27为低时高4位数据进行传输。图34中的A/D转换器ICL7109的外围电路参数计算如下1积分电阻的选择INTR缓冲放大器和积分器能够提供20UA的推动电流。积分电阻要足够大，以保证在输入电压范围内的线性当然也不能无限制地大，对于4096V满刻度输入电压，取比较合适。类似地，电阻对应于4096MV满刻度输入K20K20电压。一般可以由下式选择INTR（43）6102满度刻盘INTR针对于我们此次的设计，由于ICL7109输入电压是与MQ4的输出电压相连OV的，而MQ4的输出电压处与0306V之间，所以我们电路的积分电阻值OV选为。K202积分电容的选择INTC积分电容根据积分器给出的最大输出摆幅电压来选择，这个电压应使积分器不饱和大约为低于电源03V。对ICL7109加5V电源，模拟公共点接地，积分器输出摆幅一般为354V。对于不同的时钟频率，电容值也要改变，以保持积分器输出电压的镕幅。另外，要求积分电容具有低介质吸收，以防止滚动误差，一般选用聚丙烯电容。通常由下式给出INTC（44）积分输出摆幅时钟周期/10220486INTC积分器输出电压的摆幅值可以通过示波器在32脚观察积分器的输出波形来得到，一般取4。积分电容CINT接入积分电容连接端INT。当4096V，RINT20K。此时，CINT在0105UF之间选择，一般选033UF较好。3自零电容的选择AZ自零电容的大小与系统的噪声有关，电容越大，噪声越小。但电容不能无限制地增大，因为它和积分电容并联决定RC时间常数，该时间常数决定了恢复速度。对于4096MV的满刻度输入电压，值选为的两倍最佳。对于AZCINT4096V的满刻刻度输入电压，值应为的一半。所以1/2CINT又AZINT因为上面我们计算出来的CINT033UF。所以015UF4基准电容的选择REF在大多数应用场合，选为1UF最合适，但系统如果存在着较大共模干REF扰时，对于4096MV的满刻度输入，可将值选得大一些，例如取47UF。REFC5基准电压的选择REFV对模拟输入要求满度输出4096个时钟数时，应满足的关系。即REFIVU2对于满度输入4096MV，2048MV；对于满度输入REF4096V，2048V。但在有些应用场合，A/D转换的输出不一定是满度量REFV程，这时将选为输入电压UI的一半即可。基准电压的来源，可以使用29脚输出的基准电压28V分压得到，也可通过外接基准源得到。我们这次设计的基准电压是采用外接基准源来的得到的。我们的外接基准源选用基准电压源MC1403芯片作为12位A/D转换芯片ICL7109的基准电压，它可以提供25V基准电压，保证了转换的温度稳定性和精度。第五章数据显示电路51显示器的选择我们选用LED数码管作为显示器件。数码管的工作原理如下数码管由8个LED发光二极管组成，外形如图33所示。AG和DP为8个发光二极管，其中AG用于显示字符，DP用于显示小数点。当发光二极管正向导通时，借着点亮每一段的LED就可以显示出数字。本设计采用的就是共阴极接法的数码管。下图是八段数码管的引脚图51LED引脚图各段码位的对应关系如下表表51段码位与显示位对应关系表段码位D7D6D5D4D3D2D1D0显示段DPGFEDCBA字型和对应的共阴极段码如下表表52十六进制数及空白字符与P的显示段码字型共阴极段码字型共阴极段码从70H取出显示码送累加器A选通个位,显示码表地址送DPTR查出显示码送P2口并调用显示延时2MSDEC47H显示延时计数器47H等0么从70H取出显示码送累加器A选通个位,显示码表地址送DPTR查出显示码送P2口并调用显示延时2MSDEC47H显示延时计数器47H等0么03FH96FH106HA77H25BHB7CH34FHC39H466HD5EH56DHE79H67DHF71H707H空白00H87FHP73H注（1）本表所列各字符的显示段码均为小数点不亮的情况；（2）空白字符即没有任何显示52数据显示部分电路在显示器件的选择中我们采用了数码管进行显示数据。其中数码管显示器有两种显示方式，即静态显示方式和动态显示方式。由于此次显示电路是为了显示瓦斯浓度值且其浓度是变化的，所以我么采用动态显示。由于采用动态显示，因此除了要给显示器提供显示段码之外，还要对显示器进行位的控制，即通常所说的“段控”和“位控”。因此对于采用动态显示的电路来说，单片机都需要提供两种