煤矿瓦斯监测系统设计—毕业设计论文.doc

煤矿瓦斯监测系统设计毕业设计论文煤矿瓦斯监测系统设计1 绪论1.1 课题研究背景及意义从我国煤炭生产的现状及我国能源结构规划均可以看出，在本世纪中叶以前煤炭仍是支持我国国民经济发展的主要能源。煤炭生产，作为我国能源工业的支柱，其地位将是长期的、稳定的。但是煤炭工业的安全生产状况却不容乐观，中小型煤矿的情况尤为严重，已经直接威胁到整个煤炭工业的稳定生产，给国家财产和人民生命造成了很大的损失，作为“万恶之首”的甲烷爆炸事故更是居重大事故发生率之首。今年又接连发生了多起甲烷爆炸事故，事故的结果触目惊心，因此通过强化甲烷管理，提高甲烷检测监控水平，已成为中小型煤矿最迫切的任务之一。随着采矿技术的不断发展，井下作业的安全越来越有保障，但是仍然有许多采矿企业的机械化程度低，现场采矿的工作人员的生命安全存在潜在的威胁，特别是在瓦斯的检测和报警仍旧存在隐患的情况下，每年由于瓦斯泄露造成的特大事故依然很多。据统计，全国共有大小煤矿60000多个，从业矿工800多万。根据煤矿三班作业的实际情况，目前至少需要300万个瓦斯报警器，可见其市场非常广阔。1.2 国内外研究现状及发展方向最早监测瓦斯浓度的装置是安全灯，安全灯的构造简单，性能稳定，使用寿命长，一百多年来一直被沿用下来，至今仍在许多国家使用。从1675年英国北威尔士欣煤矿发生的第一次瓦斯爆炸矿难起，世界各国开始更进一步关注对瓦斯检测报警的相关安全研究。一直以来，光干涉瓦斯监测器在我国以及日本使用比较广泛，自20世纪30年代以来，已经连续使用了数十年，至今仍在多数些矿井的瓦斯检测中使用。目前，在瓦斯检测仪中占主导地位的是催化瓦斯检测仪，据最早文献记载，1943年以前美国已制成vcc瓦斯测量仪，日本在铂丝元件上加上涂有催化剂的载体小珠，制成最早的载体催化元件，并利用这种原件制成了北辰型瓦斯指示器。1958年法国cherchar研究所已研制成功利用ai2o3为载体，钯pd、钍th为催化剂的载体催化元件，获得了较好的催化性能。1961年英国矿山安全研究所采用新的工艺，改进了载体催化元件的性能。从此，催化瓦斯传感器进入了其发展过程中的全盛时期。1961年以后，英、美、法、日、德、前苏联等国家又对其进行改进研究，并把它作为瓦斯检测的主要工作方向。我国对于催化型瓦斯传感器的研究工作起步稍晚。 催化瓦斯传感器系统由两台drs4型计算机控制，共有128个测头。当前国际催化瓦斯传感器的主要是向小型化、高稳定、长寿命方向发展。在这些要求中，努力提高元件的稳定性、延长元件使用寿命是中心课题。由于通过采用筛选催化剂配方和改进工艺的方法来提髙元件稳定性和延长元件使用寿命已经收获不大，所以必须在研究工作中进一步探索元件催化剂及载体的变化规律，找出提高元件的稳定性和延长元件的使用寿命的方法。为此需要深入研究催化剂的价态、颗粒大小、表面状态以及载体的晶型变化的规律，而这种深入的研究采用以前的检验手段已经不行了，必须采用更先进的技术，进入催化剂的微观世界，探索其变化规律。目前与此有关的现代分析技术主要有光电子能谱、扫描电子显微镜、x射线衍射、电子顺磁共振等。虽然世界各国在此方面的研究都有了些许初步的成果，但是关于催化剂和载体变化规律的研究报告或文章很少见发表。由于传感器是获取信息的工具，是信息技术（包括传感与控制技术、通讯技术和计算机技术）三大支柱之一，位于信息系统的最前端，其特性的好坏、输出信息的可靠性对整个系统质虽至关重要。因此目前世界各国一直把发展智能化传感器作为研究课题，投入大量人力物力进行开发研究。智能传感系统与传统传感器相比，具有高精度、高可靠性、高性能价格比、多功能化等优点，它代表了传感器的发展方向，是传感器克服自身落后向前发展的必然趋势。 国外的监控系统技术水平理论上讲高于国内发展水平，但应用于国内煤矿尚有一定的局限性，如煤矿管理模式生产方式的不同，价格过高不适于国内煤矿现有条件，除在传感器技术方面可供借鉴外，其它仅具一定参考价值。80年代初，世界各产煤国检测装置的缺点是：1）测量范围小2）易受高浓度瓦斯和硫化物的影响，存在零点漂移和灵敏度漂移问题，存在检测不准确及井下校准困难等弊端。 瓦斯报警对现在采矿业的安全起着非常重要的作用。现有的监测设备，都是采用数字显示或灯光显示的方式来提供测试数据的，这在环境狭窄、能见度差的井下工作面很不方便。采用直接的语音播报方式，可以主动向现场人员提供各种信息，遇到危险情况还能作为紧急广播使用。这对于提高安全意识、避免重大伤亡事故具有重要意义。由于我的水平有限，所以本设计仍然选择声光报警方式。本设计能够监控矿井的瓦斯气体的浓度，显示测量结果，并对当前的环境状态做出判断，发出报警信息。1.3 课题的主要研究内容与要求这次毕业设计的主要内容与要求是：设计一个煤矿瓦斯监测系统装置，在气体浓度一定的范围内进行安全检测，并能在矿内瓦斯浓度达到报警上限时进行声光报警，通知矿内工作人员及时撤离减少人员伤亡和财产损失。这个基于单片机的煤矿瓦斯监测系统要实现以下的功能：瓦斯浓度测试，超过设定的门限值后自动报警。本设计是以单片机为主机，通过显示器显示矿内瓦斯浓度值并能通过上位机实现与pc机之间的信息通信，及时准确地显示井下瓦斯浓度的实际情况，并在浓度超过报警上限时进行声光报警。2 系统总体方案设计2.1 系统设计方案及系统模块基于单片机的总体设计方案。晶振通信电路显示电路报警电路复位电路at89s51敏感元件信号采集电路a/d转换图2-1方案总体框图fig.2-1 the overall block diagram program方案总体框图如图2-1所示。本系统是以单片机为核心,系统具有信号的监控处理和报警显示。本设计的硬件电路模块包括浓度检测、a/d转换、单片机最小系统、数据显示电路、串口通信。2.2 系统功能描述 一个易燃易爆气体监控系统能够及时的发现易燃易爆气体并报警，肯定能提高人民的生活水平和加快我们的现代化建设，减少不必要的人员跟财产损失，有利于整个社会稳定。基于这个思路，我们研究设计了煤矿瓦斯监测系统。能较为准确科学的检测并显示矿内瓦斯浓度和温度，并且当温度和气体的浓度超出某一设定范围后会产生报警，从而达到实时安全监控作用。达到效果：井下瓦斯浓度、温度在设定值范围内，声光报警器不报警，正常显示，当瓦斯浓度、温度、超出范围外时，声光报警器报警，工作人员及时发现撤离，防止事故发生。2.3 单片机最小系统电路 图2-2单片机最小系统电路 fig.2-2 scm minimum system circuit 单片机最小系统复位电路的极性电容cr的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用10uf-30uf，单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。单片机常用最小系统晶振12mhz或者11.0592mhz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。本设计采用11.0592mhz。单片机最小系统起振电容c1、c2一般采用15pf-33pf，此设计采用30pf，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好。2.3.1 单片机的选择 本课题设计采用cpu为at89s51。at89s51是美国atmel公司生产的低电压、高性能8位单片机，片内含4kb的可反复擦写的flash只读程序存储器和128b的随机存取数据存储器(ram)，器件采用atmel公司高密度、非易失性存储技术生产。 at89s51单片机的硬件组成：片内硬件组成结构如图2-3所示。把作为控制应用所必需的基本功能部件都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。 图2-3 at89s51单片机片内结构 tig.2-3 the structure of the chip microprocessor at89s51有如下功能部件和特性：（1）8位微处理器（cpu）；（2）数据存储器（128b ram）；（3）程序存储器（4kb flash rom）；（4）4个8位可编程并行i/o口（p0口、p1口、p2口和p3口）；（5）1个全双工的异步串行口；（6）2个可编程的16位定时器/计数器；（7）1个看门狗定时器；（8）中断系统具有5个中断源、5个中断向量；（9）特殊功能寄存器（sfr）26个；（10）低功耗模式有空闲模式和掉电模式，且具有掉电模式下的中断恢复模式；（11）3个程序加密锁定位。与at89c51相比，at89s51有更突出的优点：（1）增加在线可编程功能isp（in system program），字节和页编程，现场程序调试和修改更加方便灵活；（2）数据指针增加到两个，方便了对片外ram的访问过程；（3）增加了看门狗定时器，提高了系统的抗干扰能力；（4）增加断电标志；（5）增加掉电状态下的中断恢复模式。片内各功能部件通过片内单一总线连接而成（见图2-3），基本结构依旧是cpu 加上外围芯片的传统微机结构。cpu对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器（sfr，special function register）的集中控制方式下面介绍图2-3中片内各功能部件。（1）cpu（微处理器） 8位的cpu，与通用cpu基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，还有面向控制的位处理功能。（2）数据存储器（ram）片内为128b（52子系列为256b），片外最多可扩64kb。片内128b的ram以高速ram的形式集成，可加快单片机运行的速度和降低功耗。（3）程序存储器（flash rom）片内集成有4kb的flash存储器（at89s52 则为8kb；at89c55片内20kb），如片内容量不够，片外可外扩至64kb。（4）中断系统具有6个中断源，2级中断优先权。（5）定时器/计数器2个16位定时器/计数器（52子系列有3个），4种工作方式。 （6）1个看门狗定时器wdt当cpu由于干扰使程序陷入死循环或跑飞时，wdt可使程序恢复正常运行。（7）串行口1个全双工的异步串行口，4种工作方式。可进行串行通信，扩展并行i/o口，还可与多个单片机构成多机系统。（8）p0口、p1口、p2口和p3口4个8位并行i/o口。 p0口、p1口、p2口和p3口的功能特性：p0口：p0口是一组8位漏极开路型双向i/o口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个ttl逻辑门电路，对端口p0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。在flash编程时，p0口接受指令字节,而在程序校验时，输出指令字节,校验期间，要求外接上拉电阻。p1口：p1口是一个带内部上拉电阻的8位双向i/o口，p1的输出缓冲可驱动（吸收或输出电流）4个ttl逻辑门电路。对端口写“1”通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流i。p2口：p2口是一个带内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2的输出缓冲可驱动（吸收或输出电流）4个ttl逻辑门电路。对端口p2写“1”通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流i。p3口：p3口是具有内部上拉电阻的8位双向i/o口,p3口的输出缓冲可驱动（吸收或输出电流）4个ttl逻辑门电路。对端口p3口写“1”时,它们被内部的上拉电阻拉高并可作为输入端。此时,被外部拉低的p3口将用上拉电阻输出电流i。p3口除了作为一般的i/o口线外，更重要的是它的第二功能，如表2-4所示： 表2-4 p3口的第二功能定义 tab.2-4 second definitions of p3 port p3口管脚功能此外，p3口还可以接受一些用于flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。（9）特殊功能寄存器（sfr）rst：复位输入。当振荡器工作时，rst引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ale/：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ale（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节，在一般的情况下，ale仍以时钟震荡频率的1/6输出固定的脉冲喜好，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要特别注意的是，每当访问外部数据存储器时要跳过一个ale脉冲。对flash存储器编程期间，该引脚还可用于输入编程脉冲（）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（sfr）区中的8eh单元的d0位置位，可以禁止ale操作。读位置位后，只有一条movx和movc指令才能将ale激活。此外，该引脚会被微弱拉高，当单片机执行外部程序时，应设置ale禁止为无效。 ：程序存储允许（）输出是外部程序存储器的读选通信号，当at89s51由外部程序存储器指令（或数据）时，每个机器周期两次均有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次信号。 /vpp：外部访问允许。欲使cpu仅访问外部程序存储器（地址为0000h-ffffh），端必须保持低电平。如果ea端为高电平, cpu将执行内部程序存储器中的指令。xtal1：振荡器反相放大器的内部时钟发生器的输入端。xtal2：振荡器反相放大器的输出端。2.3.2 复位电路 图2-5 片内复位电路 图2-6 上电复位电路 fig.2-5 internal reset circuit fig.2-6 power on reset circuit 复位电路有上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路如图2-6所示。对于cmos型单片机，由于在rst引脚内部有一个下拉电阻，可将电阻r去掉，而将电容c选为10uf。上电自动复位是给电容c 充电加给rst引脚一个短的高电平信号，此信号随着vcc对电容c 的充电过程而逐渐回落，即rst引脚上的高电平持续时间取决于电容c 充电时间。为保证系统可靠复位，rst引脚上的高电平必须维持足够长的时间。 除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。按键手动复位有电平和脉冲两种方式。按键手动复位电路见图2-7、2-8。脉冲复位是利用rc 微分电路产生的正脉冲来实现的，脉冲复位电路见图2-8。 图2-7 按键电平复位电路 图2-8 按键脉冲复位电路 fig.2-7 the key to reset the circuit fig.2-8 button reset pulse circuit2.3.3 晶振电路 图 2-9 内部时钟方式的电路 fig.2-9 circuit internal clock mode c1和c2的典型值通常选择为30pf。电容大小会影响振荡器频率高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振频率范围通常是1.212mhz。晶体频率越高，单片机速度就越快。速度快对存储器的速度要求就高，印制电路板的工艺要求也高，即线间的寄生电容要小。晶体和电容应尽可能与单片机靠近，以减少寄生电容，保证振荡器稳定、可靠地工作。为提高温度稳定性，采用温度稳定性能好的电容。2.3.4 电源电路 图2-10 单片机电源电路 tab. 2-10 single chip power supply circuit 交流220v的电网电压，需要通过降压器降压后，再对交流电处理。变压器副边电压通过整流电路从交流电压转换成直流电压，即将正弦波电压转换成单一方向的脉动电压。在经过低通滤波电容使电压平滑，再经过稳压稳压管使电压稳定，变成我们需要的直流电源。 3 硬件系统设计3.1 硬件系统功能设计仪器由甲烷气体敏感元件、a/d转换电路、显示电路及报警开关控制电路等组成。仪器将电源设备送来的稳定5v电压源，供整机电路使用。甲烷气体敏感元件是采用热催化原理探头，加热器电压（vh）和测试电压（vc）。其中vh用于为传感器提供特定的工作温度。vc是用于测定与传感器串联的负载电阻（rl）上的电压（vrl）。这种传感器具有轻微的极性，vc 需用直流电源。在满足传感器电性能要求的前提下，vc 和vh 可共用同一个电源电路，测量电桥输出与甲烷浓度成比例的信号电压。采集到的电压信号经过a/d转换后，变成数字信号，经单片机处理后，由显示电路显示甲烷浓度值，并经rs232通信串口实现与上位机的信息通信。声光报警电路由蜂鸣器，发光二极管构成。当甲烷浓度超过设定的报警点时，由软件设置选择是声报警还是光报警。3.2 信号采集电路 图3-1信号采集处理电路 fig.3-1 signal acquisition and processing circuit信号的采集是整个实验至关重要的一步，信号采集处理的准确与否直接关系到整个实验的成功与否。采集的电压信号在0-5v之间，符合adc0809的转换电压要求。考虑到采集的是电压信号，电压信号会随着传输距离的增加因为导线损耗儿导致信号不准确，所以在实际排版的时候尽量减少分压采集电路与adc0809之间的距离。同时根据甲烷浓度特性曲线做出相应的浓度与电压信号之间的数据对应表，在单片机接收到采集转换后的数字电压信号后，通过查找数据对应表输出相应甲烷浓度，并通过led数码管显示器显示出当前甲烷浓度值。3.2.1 瓦斯传感器的选择 甲烷浓度检测仪器按其工作原理不同，有下列几种:1.光干涉式光干涉式是利用光波对空气和甲烷折射率不同所产生的光程差,引起干涉条纹移动来实现对不同甲烷浓度的测定。其优点是准确度高，坚固耐用，校正容易，高低浓度均可测量，还可测量二氧化碳浓度;其缺点是浓度指示不直观，受气压温度影响严重，特别是空气中氧气不足或氮、氧的比例不正常时,要产生误差;光学零件加工复杂，成本较高和实现自动检测较困难。2.热催化式热催化式是利用甲烷在催化元件上的氧化生热引起电阻的变化来测定甲烷浓度。其优点是元件和仪器的生产成本低,输出信号大，对于1%气样，电桥输出可达15mv以上，处理和显示都比较方便，所以仪器的结构简单，受背景气体和温度变化的影响小，容易实现自动检测。其缺点是探测元件寿命较短，不能测高浓度甲烷，硫化氢及硅蒸汽会引起元件中毒而失效。目前国内外检测甲烷的仪器广泛采用这一原理。3.热导式热导式是利用甲烷与空气热导率之差来实现甲烷浓度的测定。其优点是热导元件和仪器设计制作比较简单，成本低,量程大，可连续检测，有利于实现自动遥测，被测气体不发生物理化学变化，读数稳定，元件寿命长。其缺点是测量低浓度甲烷时输出信号小，受气温及背景气体的影响较大。4.红外线式红外线式是利用甲烷分子能吸收特定波长的红外线来测定甲烷浓度。其优点是采用这一原理的仪器精度高，选择性好,不受其它气体影响，测量范围宽，可连续检测;其缺点是由于有光电转换精密结构，使制造和保养产生困难，而且体积大，成本高，耗电多，因此推广使用受到一定限制。5.气敏半导体式气敏半导体的种类较多，如氧化锡、氧化锌等烧结型金属氧化物。这一原理是利用气敏半导体被加热到200时，其表面能够吸附甲烷而改变其电阻值来检测甲烷浓度。其优点是对微量甲烷比较敏感、结构简单、成本低。但当浓度大于1 %ch4时，其反应迟钝，所以很气敏半导体式传感器很少用于煤矿井下甲烷浓度的检测，而多用于可燃气体的检漏报警。6.声速差式在温度为220、气压为101325pa条件下，声波在甲烷中的传播速度为432m/s，而在清洁空气中为332m/s。比较这两种速度就可测定高浓度甲烷。其优点是读数不受气压影响,其缺点是不适合测量低浓度甲烷，一般只用来检测矿井抽放甲烷管道中的甲烷浓度，对背景气体、粉尘及气温变化很敏感。7.离子化式气体在放射性元素的辐射作用下发生电离，在气体介质中的两个电极之间便有电流产生。测量空气介质和被测甲烷中的电流大小，便可测出甲烷浓度。其优点是快速，可以连续自动检测，灵敏度高，测量准确，可测二氧化碳浓度。其缺点是测量低浓度甲烷困难，空气湿度对仪器读数有影响，传感器结构复杂。 要进行个具体的测量工作，首先要考虑采用何种传感器，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来确定。选择传感器需要考虑以下一些具体问题：1)量程的大小；2)被测位置对传感器体积的要求；3)测量方式为接触式还是非接触式；4)信号的引出方法，有线或是非接触测量；5)传感器的来源，国产还是进口，还是自行研制，价格能否承受。综合考虑以上问题，我们选择mq-5传感器。热催化原理又称催化燃烧原理。利用该原理的甲烷测定器是当前国内测量低浓度甲烷的检测仪器中采用最广泛的一种，而且其适用范围还在不断地扩大。其基本原理是根据甲烷在一定的温度条件下氧化燃烧，不同浓度的甲烷在燃烧过程中要释放出热量不同的特性，引起电阻的变化，来达到测定甲烷浓度的目的。 图3-2 mq-5气敏元件的结构和外形 fig.3-2 the structure and shape of mq-5 gas sensitive element 图3-3 mq-5接线图 tig.3-3 the mq-5 wiring diagrammq-5气敏元件的结构和外形如图3-2示(结构a或b),由微型al2o3陶瓷管、sno2敏感层,测量电极加热器。由塑料或不锈钢制成的腔体为测量电极加热器提供必要的工作环境。封装好气敏元有6只针状管脚，其中4个用于信号输出，2个用于提供加热电流。mq-5接线如图3-3所示，实际测量中以按照其等效电路计算相应校数值，其中r0表示的是测量气体腔体内的等效电阻，rl是外接载电阻，用来调整输出模拟量电压范围，具体数值应根据a/d转换器输入范围确定输入范围05v， rl可调整至该范围，保证测量量程足够用。表3-4 甲烷浓度测试计算tab.3-4 calculation of methane concentration test 浓度（ppm） 显示值100500800100020003000500010000rs/r00.90.70.550.50.40.350.280.2rs(k)4.683.6362.85842.59562.07721.8181.45441.040442.5832.8953.1813.2913.5323.6684.5834.96132148162168180187234253 其：rl5k；r0=5.2k； rl载电阻；r0敏感体电阻；rs 表示传感器在不同浓度气体中的电阻值 ，r0表示传感器在1000ppm 甲烷中的电阻值，图中所有测试都是在标准试验条件下完成的。 图3-5 mq-5特性曲线 tig3-5 mq-5 characteristic curve mq-5特点： 应用在较宽的浓度范围内，对可燃气体有良好的灵敏度。mq-5气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(sno2)。当传感器所处的环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。 mq-5传感器对丁烷、丙烷、甲烷的灵敏度高，对甲烷和丙烷可较好的兼顾。这种传感器可检测多种可燃气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。图3-5是传感器典型的灵敏度特性曲线。图中纵坐标为传感器的电阻比（rs/r0），横坐标为气体浓度。 传感器的基本测试电路：该传感器需要施加2 个电压，加热器电压（vh）和测试电压（vc）。其中vh用于为传感器提供特定的工作温度。vc 则是用于测定与传感器串联的负载电阻（rl）上的电压（vrl）。这种传感器具有轻微的极性，vc 需用直流电源。3.2.2 ad转换芯片的选择 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，因此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，例如本次设计我们采用的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。如果用百分数表示分辨率，则分辨率为 （2-1）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，分辨率为 （2-2）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p=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全部时间。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。同时随着分辨路增高芯片的成本也会随之倍增。adc0809的主要特性1）分辨率为8位2）最大不可调误差小于1lsb3）可锁存三态输出，能与8位微处理器接口4）输出与ttl兼容5）不必进行零点和满度调整6）单电源供电，供电电压为+5v7）转换速率取决于芯片的时钟频率，时钟频率范围是：101280khz，当时钟频率为500khz时，对应的转换时间为125us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，考虑到系统的精度同时考虑价格成本原因我们这次选用了adc0809转换器。adc0809它是一种高精度、低噪声、低漂移和低价格的8位a/d转换器。 图3-6 adc0809管脚图 fig.3-6 adc0809 pinoutadc0809是8位逐次逼近型a/d转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个a/d转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入时，共用a/d转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存a/d转换完的数字量，当oe端为高电平时,才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。图3-7 adc0809内部结构图tig.3-7 adc0809 internal structurein0in7：8条模拟量输入通道。adc0809对输入模拟量要求：信号为单极性，电压范围是05v，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化过快，则需在输入前增加采样保持电路。地址输入和控制线：4条 ale为地址锁存允许输入线，其高电平有效。当ale线为高电平时，地址锁存与译码器将a， b，c三条地址线的地址信号进行锁存，经过译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。a，b和c为地址输入线，用于选通in0in7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。 表3-8 adc0809通道选择表 tab.3-8 adc0809 channel selection tablecba选择的通道000in0001in1010in2011in3100in4101in5110in6111in7数字量输出及控制线：11条 st为转换启动信号。当st上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行a/d转换；在转换期间，st应保持低电平。eoc为转换结束信号。当eoc为高电平时,表明转换结束；否则，表明正在进行a/d转换。oe为输出允许信号,用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。oe1，输出转换得到的数据；oe0,输出数据线呈高阻状态。d7d0为数字量输出线。clk为时钟输入信号线。因adc0809的内部没有时钟电路,所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500khz,vref（）,vref（）为参考电压输入。3.3 声光报警电路 图3-9 声光报警电路 fig.3-9 acousto-optic alarm circuit 报警电路由pnp三极管、蜂鸣器、led和限流电阻组成，如图3-9所示。由单片机两个i/0口控制声报警方式和光报警方式，实际应用时，可以通过软件设置选择其中一种报警方式，也可以两种都选择。 蜂鸣器的正常工作为3v，声音强度为80db，发光二极管的额定电流为5loma。当单片机i/o口信号为低电平时，三极管导通，蜂鸣器发出报警声音，发光二极管则给出光指示信号，其中，r1和r4均为限流电阻。3.4 数码管显示电路 图3-10 数码管显示电路 fig.3-10 the digital display circuit led（light emitting diode）发光二极管缩写。led数码管是由发光二极管构成的。常见的led数码管为“8”字型的，共计8段。每一段对应一个发光二极管。有共阳极和共阴极两种，如图3-11所示。共阴极发光二极管的阴极连在一起，通常公共阴极接地。当阳极为高电平时，发光二极管点亮。同样，共阳极led数码管的发光二极管的阳极连接在一起，公共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。 图3-11 8段led数码管结构及外形 fig.3-11 the 8 led digital tube structure and shape 为了使数码管显示不同的符号或数字，要把某些段发光二极管点亮，就要为led数码管提供段码（字型码）。 led数码管共计8段。正好是一个字节。习惯上是以“a”段对应段码字节的最低位。各段与字节中各位对应关系如表3-12所示。 表3-12段码与字节中各位对应关系 tab.3-12 all the correspondence between the code and the byte按照上述格式，显示各种字符的8段led数码管的段码如表3-13所示。 表3-13 8段led段码 tab.3-13 the 8 section of led code led数码管有静态显示和动态显示两种显示方式。1led静态显示方式 无论多少位led数码管，同时处于显示状态。 静态显示方式，各位的共阴极（或共阳极）连接在一起并接地（或接+5v）；每位的段码线（adp）分别与一个8位的i/o口锁存器输出相连。如果送往各个led数码管所显示字符的段码一经确定，则相应i/o口锁存器锁存的段码输出将维持不变，直到送入另一个字符的段码为止。正因为如此，静态显示方式的显示无闪烁，亮度都较高，软件控制比较容易。 图3-14 4位led数码管的结构原理图 fig.3-14 4 structure and principle of led digital tube map图3-15为4位led数码管静态显示器电路，各位可独立显示，静态显示方式接口编程容易，但是占用口线较多。对鱼有些电路电路，若用i/o口线接口，要占用4个8位i/o口。因此在显示位数较多的情况下，所需的电流比较大，对电源的要求也就随之增高，这时一般都采用动态显示方式。 图3-15 4位led静态显示电路 fig.3-15 4 bit led static display circuit2led动态显示方式 无论在任何时刻只有一个led数码管处于显示状态，即单片机采用“扫描”方式控制各个数码管轮流显示 在多位led显示时，为简化硬件电路，通常将所有显示位的段码线的相应段并联在一起，由一个8位i/o口控制，而各位的共阳极或共阴极分别由相应的i/o线控制，形成各位的分时选通。 图3-16所示为一个4位8段led动态显示电路。其中段码线占用一个8位i/o口，而位选线占用一个4位i/o口。必须采用动态的“扫描”显示方式。即在某一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，同时，段码线上输出相应位要有显示的字符的段码。虽然这些字符是在不同时刻出现，而在同一时刻，只有一位显示，其他各位熄灭，由于余辉和人眼的“视觉暂留”作用，只要位显示间隔足够短，则可以造成“多位同时亮”的假象，达到同时显示的效果。 led不同位显示的时间间隔（扫描间隔）应根据实际情况而定。显示位数多，将占大量的单片机时间，因此动态显示的实质是以牺牲单片机时间来换取i/o端口的减少。 图3-16 4位led动态态显示电路 fig.3-16 4 led dynamic display circuit动态显示的优点是硬件电路简单，显示器越多，优势越明显。缺点是显示亮度不如静态显示的亮度高。如果“扫描”速率较低，会出现闪烁现象。显示电路用到了74hc573锁存器，下面介绍一下74hc573功能表： 表3-17 74hc573功能表 tab. 3-17 74hc573 function table输入输出输出使能锁存使能dqlhhhlhllllx不变hxxzx表示不用关心，z表示高阻态。 由于本设计用到的i/o口较多，需要用82c55扩展i/o口。 82c55芯片简介： intel公司的可编程并行i/o接口芯片，3个8位并行i/o口，3种工作方式，单片机与多种外设连接时的中间接口电路。引脚如图3-18所示。 图3-18 82c55引脚图 fig. 3-18 the 82c55 pin共40个引脚，引脚功能如下：d7d0：三态双向数据线，与单片机的p0口连接，用来与单片机之间传送数据信息。cs ：片选信号线，低有效，表示本芯片被选中。rd：读信号线，低有效，读82c55端口数据的控制信号。wr：写信号线，低电平有效，用来向82c55写入端口数据的控制信号。vcc：+5v电源。pa7pa0：端口a输入/输出线。pb7pb0：端口b输入/输出线。pc7pc0：端口c输入/输出线。a1、a0：地址线，用来选择82c55内部的4个端口。reset：复位引脚，高电平有效。 表3-18 82c55输入输出接口的选择方式 table 3-18 82c55 input select output interfacea1a0被选中的端口00pa01pb10pc11控制端口3.5 串口通信电路 图3-17 rs232串口通信电路 fig.3-17 rs232 serial communication circuit rs-232接口标准是eia广泛使用的标准，它有多重不同的版本，例如rs60-232crs-232drs-232e等。其中rs-232c标准是20世纪60年代为了利用电话网络作为媒介，通过调制解调器把不同距离范围内的设备相互连接在一起而制定的。由于当时主要采用电话线串行连接实现距离访问，这使得rs-232标准在终端和计算机中被广泛采用。此rs-232标准接口的设备采用一中简化的9针d型接头。它和25针接头一样dce（终端电缆）接头使用公外壳、母连接针，而dte(计算机)使用母外公连接针。rs-232标准有两个地：一个是直接连接到系统的屏蔽罩上的机壳地，在将两个设备的地连接起来时应保证这种连接对设备是安全的；另一个是其他信号提供公共参考点的信号地，信号地在使用过程中必须连接在一起。rs-232标准的信号频率也只能达到20khz，最大距离也只有30m，因为在这个距离内才能安全地连接起来。如上图单片机的数据输出端口txd连接到max232第一组收发器的输入端口t1 in，用于向pc发送数据。串行数据输入端口rxd连接到max232第一组收发器的输出端口r1out，用于接收pc串行输入的数据。pc的串行数据输入端口rxin连接到max232第一组收发器的输出端口t1out，用于接收单片机发送的串行数据，pc的串行数据输出端口txout连接到max232第一组的收发器数据输入端口r1in，用于向单片机发送串行数据。3.6 键盘接口电路 图3-18 键盘接口电路 fig.3-18 the keyboard interface circuit 本设计采用三个独立式键盘。 独立式键盘特点是：一键一线，各键相互独立，每个键各接一条i/o口线，通过检测i/o输入线的电平状态，可容易地判断哪个按键被按下。本设计键盘共有3个键，判断k2k4键是否按下，可采用软件查询和中断的方法，当某个键按下时，低电平有效。3个键k2k4的功能定义见表3-19。表3-19k2k4键的定义tab.3-19 the definition of k1 k4 bond标号名称作用k2功能转换键此键按下，led1亮，显示瓦斯浓度设定值，按键松开，led1不亮，显示当前瓦斯浓度值k3加50键设定的瓦斯浓度值加50k4减50键设定的瓦斯浓度值减50按键k2与 （p3.2）相连，采用外部中断方式，且优