毕业设计-基于AT89C51单片机的矿用气体传感器的设计与应用.doc

常州机电职业技术学院毕业设计（论文） 作 者： 学 号： 系 部： 信息工程系 专 业： 应用电子技术 题 目： 基于单片机的矿用气体传感器的设计与应用 指导者：评阅者：2014年 5 月 中文摘要随着我国经济的快速发展，各行各业对煤炭的需求急剧增加，而各种矿难事故的发生， 使得煤炭安全生产面临严峻的挑战。人们对矿内环境问题及工作人员健康问题日益重视，矿内空气品质状况受到越来越多的关注。本文针对瓦斯的特点，设计出同时监测高低浓度的瓦斯系统，全天候不间断的对井下瓦斯浓度进行监测。同时采用声光报警系统，一旦瓦斯超标，系统立即提醒正在井下作业的工人紧急撤离，避免人员伤亡，并且还运用红外遥控系统来进行远程监控。设计这种智能传感器采用闭环控制来确保采样的平稳。该传感器以AT89C51单片机为核心，实现对瓦斯的检测、报警和控制，安全可靠，经久耐用，适合各类煤矿瓦斯的监控，可以大大降低煤矿事故的发生，降低企业成本，提高煤炭开采率，为我国煤炭事业做出贡献。关键字：AT89C51 瓦斯 数码管目 录1 绪论11.1系统简介11.1.1本文的主要研究内容11.1.2本文的结构安排11.2项目提出的背景21.3国内外研究状况31.4测量仪器仪器概况51.4.1 测量仪器的概念51.4.2 测量仪器的基本性能52 矿内环境品质的基本介绍62.1矿内主要污染物62.2.安全质量标准63 矿内空气传感器的原理及主要元器件73.1 甲烷浓度检测仪原理分析73.2 AT89C51单片机简介103.2.1 单片机选用103.2.2 AT89C51单片机的扩展143.3瓦斯传感器的选用144 矿内空气传感器的硬件174.1 实时时钟模块174.2放大电路174.3模数转换电路的模块184.4 看门狗电路204.5声光报警电路的设计224.6数码管显示电路设计234.7电源电路设计244.8本章小结245 矿内空气传感器的软件设计255.1系统软件设计思路255.1.1 总体设计思想255.1.2编程语言的选择265.2软件模块设计265.2.1主程序模块265.2.2 AD转换模块275.2.3比较判断函数285.2.4显示报警函数295.2.5液晶显示模块295.2.4声光报警模块305.3本章小结30结 论30致 谢30附录A321 绪论1.1系统简介1.1.1本文的主要研究内容本课题设计的是基于单片机的井下瓦斯浓度智能传感器，该系统以单片机AT89C51为核心，包含甲烷浓度采样器、把220V的交流电转换成5V的直流电源、存储器的扩展、LCD显示器和报警装置等组成。该传感器可以有效的监测井下低浓及高浓瓦斯，试用范围非常广泛。监测到的信息传输到单片机，经单片机处理后发出指令，如果瓦斯超过规定值，该系统可以立即发出声光报警并自动发出执行指令以降低瓦斯浓度。该系统可有效的降低瓦斯事故发生率，结构灵活，扩展性强，具有较高的性价比，AT89C51的应用实现了电子硬件设计的“软件化”，大大的提高了系统的可靠性和抗干扰能力，非常实用于各种大小煤矿井下瓦斯的监测监控，性能优良，经久耐用，可靠性高。1.1.2本文的结构安排第一章是文章概述。介绍了该课题提出的必要性和国内外研究水平与动向以及测量仪器的基本性能，同时给出整个论文的结构安排。第二章是矿内空气品质的基本介绍。阐述了矿内污染物种类及来源分析矿内环境品质监测方法及安全质量标准。第三章是对瓦斯传感器的原理及主要元器件单片机及敏感原件的简介。第四是硬件设计。阐述了该传感器的基本原理以及对组成系统的单片机、时钟电路、敏感元件、小信号放大电路、A/D转换电路、通信电路以及看门狗监控电路都作了详细介绍。第五是软件设计。介绍了软件设计采用的方法和所遵循的原则，并给出了部分主要程序的软件流程图及程序。图1.1.1 原理框图1.2项目提出的背景从我国煤炭生产的现状及我国能源结构规划均可看出，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重大事故发生率之首。在去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，提高通风、甲烷检测监控水平，已成为中小型煤矿甲烷检测监控的最迫切的任务之一。 煤矿生产安全监控系统，是目前为止实际通风甲烷管理工作中最重要和最有效的自动化手段，已经装备监控系统的煤矿的甲烷事故发生率大为下降，实践证明，煤矿生产安全监控系统对保障煤矿安全生产，提高煤矿生产率，提高煤矿自动化程度以及促进煤矿管理现代化水平，都有着举足轻重的作用。煤矿生产安全监控系统虽在国内已有生产和应用，但还没有一种真正适合于中小型煤矿使用的产品，我国从八十年代初期开始引进煤矿生产安全监控系统，历经了直接引进、消化吸收、仿制配套、自主开发的过程，但迄今为止的产品大多都是面对大型矿井设计的，而且自身尚有一些有待解决的问题，如:造价高，系统最基本的配置过于庞大，运行费用大传感器测量稳定性差，调校频繁，寿命短 系统安装、维护复杂，操作不便，人机界面较差系统设备可靠性差必须依赖专业的维护队伍，对人员技术，素质有较高的要求。国外的监控系统技术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。综上所述，开发研制适用于中小型煤矿生产安全监控系统的任务迫在眉睫，而根据我国煤矿生产和管理模式，依照我国的有关技术标准，其技术的先进性、产品的可靠性和实用性则是本项目的关键所在。沼气(甲烷CH4的俗称)矿井在我国煤矿生产矿井中所占比重很大，随着矿井开采强度和深度的增加，沼气涌出量也在不断增加，沼气积聚可能引起沼气事故，及时掌握煤矿井下沼气动态是一件十分重要的工作。甲烷浓度传感器就是用来监视矿井沼气动态的有效工具。鉴于沼气在矿井中存在的普遍性及其可能造成灾害的严重性，甲烷浓度传感器在煤矿是数量最多，使用最普遍的安全传感器，而且也是煤炭系统研制种类最多的仪器，需要说明的是，由于我国煤矿习惯把甲烷叫做瓦斯，因此检测甲烷浓度的仪器，有的叫瓦斯检定器，有的又叫沼气检定器，在这里，甲烷，沼气和瓦斯是同义词。1.3国内外研究状况 随着我国国民经济的不断发展，对煤炭需求量也越来越大，这就使得煤矿的安全生产面临着一个十分严峻的问题。煤矿矿难事故屡屡发生，造成的原因有很多，其中不少是因为瓦斯爆炸引起的。为了防止瓦斯爆炸事故的发生，除了加强井下作业人员的管理，改善井下的作业环境外，还必须建立一个性能可靠的瓦斯监控系统。 煤矿瓦斯是指矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体的总称。有时也单独指甲烷。瓦斯在空气的体积分数达到一定的程度（5%12%）时，在一定条件下可与空气中的氧气发生剧烈的化学反应而形成瓦斯爆炸，对煤矿安全构成严重威胁。 矿井瓦斯监测监控技术是伴随着煤炭工业发展而逐步发展起来的。1815年，英国发明的世界上第一种瓦斯监测仪器瓦斯检定灯。利用火焰的高度来检测瓦斯浓度；20世纪30年代，日本发明了光干涉瓦斯检定器，一直沿用至今；20世纪40年代，美国研制了检测瓦斯浓度的敏感元件铂丝催化元件；1954年，英国采矿安全所研制了最早的载体催化元件。电子技术的进展推动了瓦斯检测控制装置的进一步发展，如20世纪70年代后期法国研制的CTT63/40U矿井监控系统、英国的MINOS系统、美国的SCADA系统等。 我国矿井瓦斯监控技术经历了从简单到复杂、从低水平到高水平的发展过程。从新中国成立初期到20世纪70年代，煤矿下井人员主要使用光学瓦斯检定仪、风表等携带式仪器检测井下环境参数。20世纪60年代初期，我国开始研制载体催化元件，随着敏感元件制造水平的提高和电子技术的发展，特别是大规模集成电路、微型计算机的广泛应用，使监控技术进入了新的发展时期。20世纪70年代瓦斯断电仪问世，装备在采掘工作面、回风港道等井下固定地点，实现了对瓦斯的自动连续检测及超限自动切断被控制设备的电源。随后，陆续研制了便携式瓦斯监控检测报警仪、瓦斯报警矿灯。1983年至1985年，从欧美国家先后引进了数十套监控系统及配套的传感器和便携式仪器装备煤矿矿井，并相应地引进了部分监控系统、传感器和敏感元件制造技，由此推动了我国矿井安全监测监控技术的发展。1983年以后，国内有多种型号矿井监控系统通过了技术鉴定，逐步实现了对煤矿矿井安全、生产多种参数的连续监测、监控、数据存储和数据处理。近几年，随着计算机的发明和应用，特别是网络和信息化建设的不断发展，给瓦斯治理提供了机遇条件，煤矿瓦斯监控网络系统应运而生。这些装备和系统的推广与应用，丰富了我国煤矿安全监控 产品的市场，改善了煤矿安全技术装备的面貌，缩小了我国与国外先进技术水平的差距。传统的煤矿瓦斯监控系统大体可以分为两大部分：井下部分和井上部分。井下部分主要通过各种检测设备（各种传感器，如风量传感器、负压（压力）传感器、一氧化碳传感器和矿用设备开停传感器等）来采集井下各种气体的浓度与含量、井下空气状况、设备的运转情况等数据，然后通过现场总线将数据传输到井上。在井上，井下传上来的数据通过专线与煤矿安全管理办公室服务器和更高一级安全主管部门服务器连接。服务器上面运行的是监控软件。上面有井下每一个传感器的标签，所显示的数据通过上传数据的改变而不断刷新。同时，监控软件还可以对这些数据进行汇总、处理、分析和存档，可以作为相关负责人员决策的重要依据。并且监控软件具有超标自动报警功能，用来提示工作人员对设备的故障或现场瓦斯浓度情况，以及时采取措施，避免重大事件的发生。煤矿瓦斯监控系统系统的意义不言而喻。以山西省为例，近几年，特别是2006年以来，山西省煤炭系统在党和各级政府及安全部门的重视下，全省煤矿信息化工作有了新发展，取得了新成绩。特别是由瓦斯监测监控系统建设所形成的全省煤矿四级信息网络平台，是计算机网络及信息技术用于瓦斯安全治理的一项创举，极大的促进了山西煤炭信息化工作。山西省煤炭系统2005年底累计安装使用瓦斯监控系统3868套。目前，该省国有重点煤矿121座矿井全部安装了瓦斯监测监控系统，并全部联网运行，在线运行率达100%。地方煤矿现有2806座矿井全部安装了瓦斯监测监控系统，已连网运行2671座。这些系统的运用，极大的降低了煤矿瓦斯事故。由此可知，为了最大限度的降低煤矿瓦斯事故的发生，除了对工作人员严格要求外，加紧建设煤矿瓦斯监测监控系统必不可少，它对预防瓦斯事故的发生具有举足轻重的作用。1.4测量仪器仪器概况1.4.1 测量仪器的概念煤矿安全仪器是用来检查测量矿井安全状况的物质手段。什么是测量呢?测量是人们对自然界的客观事物取得数量观念的一种认识过程。在这一过程中，借助于专门的技术工具，通过实验方法，求出以所采用的测量单位表示的未知量的数值大小。测量的目的是为了在限定的时间内尽可能正确地收集被测对象未知信息，以便掌握被测对象的参数及控制生产过程。例如，在采煤机上安装采煤机瓦斯断电控制仪。它不仅可以连续监测采煤机附近风流的甲烷浓度，而且在甲烷浓度超限时还可发出声、光报警信号，并自动切断采煤机的工作电源以防发生瓦斯事故, 确保生产安全。1.4.2 测量仪器的基本性能评价测量仪器品质的指标是多方面的。仪器的基本性能，主要是衡量仪器测量能力的一些指标，如精确度、稳定性、测量范围、动态范围等。但工作可靠性、经济性也很重要，这些因素在很大程度上影响仪器的使用。1.精确度 ：是指在测量中所测数值重复一致的程度。即对某一稳定的被测量在相同的规定工作条件下，由同一测量者用同一仪器在相当短的时间内按同一方法连续重复测量多次，其测量示值的不一致程度。不一致程度愈小，说明测量愈精密。2.稳定性：是指仪器的性能在工作条件保持恒定的情况下，在规定的时间内保持不变的能力。它用精密度的数值和观测时间长短一起来表示。3.影响系数 ：仪器由于室温、大气压、振动等外部状态变化及电源电压、工作条件变化对示值的影响统称为环境影响，为仪器在校准时都规定有一个标准工作条件，用影响系数表示。4. 可靠性是指仪器对规定的条件在规定时间内完成所要求功能的能力。5. 经济性 ：任何工业产品都要讲究经济性。对生产者来讲，以重金制造高质量的产品是比较容易的。但是，如果生产出的仪器价格太高，使用者无力购买，出就谈不上发挥作用。对使用者来讲总是希望有最少的钱买到一台具有指定性能的仪器。所以，工程检测仪器的经济性也是其重要的指标之一。2 矿内环境品质的基本介绍2.1矿内主要污染物矿内污染物种类繁多，不可能逐一测量，研究的思路是用一个典型的污染物来代表一类污染物，这种污染物称为评价指标。（1）瓦斯（CO）：是一种无色、无味、无臭的气体；它可燃烧，当含量在1375时，遇火能引起爆炸；瓦斯极毒，当其含量达04时，人在短时间内就可中毒死亡。煤矿安全规程（以下简称规程）规定其最高容许浓度为00024。（2）硫化氢（HzS）：是一种无色、微甜、有臭鸡蛋味的气体，易溶于水，遇火后能燃烧及爆炸；硫化氢极毒，它能使血液中毒，对眼睛及呼吸系统的粘液膜有强烈的刺激作用。规程容许其最高浓度为000066。（3）二氧化硫（ SO2）：是一种无色、有强烈硫磺味及酸味的气体，同呼吸气管潮湿表皮接触能产生硫酸，刺激并麻痹上部呼吸气管的细胞组织，使肺及支气管发炎。规程规定其最高容许浓度为0.0005。（4）二氧化氮（NO2）：为红褐色，易溶于水，是剧毒气体，对人的眼睛及呼吸器官有强烈刺激作用。规程容许其最高浓度为000025。（5）沼气（CH。）：沼气是煤矿常见的有害气体,化学名称叫甲烷，无色、无味、无臭、无毒；它比空气轻常聚集在巷道上方，当其在空气中含量高时可降低氧含量，引起窒息；它具有爆炸性，爆炸浓度一般为5%16。规程中对沼气容许浓度因在井下各点不同，。（6）氨气（NH。）：是一种无色气体，有似氨水的剧臭；它极毒，能刺激皮肤和上呼吸道并能严重损伤眼睛。规程规定其最高容许浓度为 0004%。（7）二氧化碳（COz）：是一种无色、微毒、稍有酸味的气体，它不助燃，也不维持久的呼吸，它比空气重，常聚集在巷道的下方及通风不良的下山尽头；易溶于水，生成碳酸，对人的眼、鼻、喉的粘膜有刺激作用。规程规定其最高容许浓度为05。2.2.安全质量标准为做到全国统一标准，原国家煤炭部曾在1964年就已经提出煤矿质量标准化，1986年在全国开展实施。国家煤矿安全监察局分别于2004年2月23日对原部颁标准进行修订，以煤安监办字【2004】24号文下发了关于印发“煤矿安全质量标准化标准及考核评级办法（试行）”的通知。于2009年8月8日，国家安监总局、国家煤矿安监局对标准再次修订，联合颁布安监总煤行2009150号关于印发“煤矿安全质量标准化标准及考核评级办法（试行）”的通知。现在执行的是国家煤矿安全监察局于2013年1月17日以煤安监行管20131号文件下发的煤矿安全质量标准化考核评级办法（试行）版本。3 矿内空气传感器的原理及主要元器件3.1 甲烷浓度检测仪原理分析甲烷浓度传感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其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。其缺点是探测元件的寿命较短，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，选择性和线性均较差，所以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。载体催化元件最里层是用0.02O.O5mm的高性能铂丝绕制的螺旋圈，外面是由三氧化二铝和催化剂组成的催化外壳。铂丝螺旋圈完成加热;三氧化二铝载体有定型、传热和载附催化剂等功能。催化剂由氯化钯外加稳定剂钍(Tu)配制而成，有降低起燃温度、加强选择性、提高稳定性等功能。当载体催化元件遇到甲烷与空气的混合气体时，在催化剂的作用下，甲烷气体在元件表面发生无焰燃烧，产生的热量使铂丝的温度升高。载体催化燃烧式传感器一般被制成一个便于测量的探头，探头可以单独设置，也可以作为一个独立单元装配在仪器内使用。探头内部的主要元件是黑元件(催化元件)和白元件(补偿元件)，两个元件分别配置在电桥电路中，作为一组桥臂，另一组桥臂是两个固定电阻，作为电桥的比率臂。与黑白元件相对应，为使电桥在无甲烷状态下处于平衡状态，桥路内装有调零电位器W。此外，传感器电源应是经过稳压的稳压源。根据设计要求，本项目采用热催化式工作原理。黑元件载体是催化燃烧式元件，当甲烷气体在元件表面与氧气产生无焰燃烧时，电桥失去平衡，输出一个电压信号。白元件是补偿元件，基本结构和技术参数与黑元件相同，但表面不涂镀催化剂，所以，它不参加低温燃烧。但由于它处于与黑元件相同的工作环境中，所以，对非甲烷浓度变化引起的催化元件阻值变化起补偿作用，以提高仪器零点稳定性和抗干扰能力。使用时一般将黑白元件串联，作为电桥的一臂，用普通电阻构成电桥的另一臂，电桥的两端加上稳定的工作电压U。当含有甲烷的空气在高温和催化剂的作用下，发生无焰燃烧，而在白元件上则不致使甲烷燃烧，从而使黑元件的温度比白元件的温度高，黑元件中的铂丝既是加热元件，又是感应温度的热敏元件，根据铂丝的正温度系数的特性，温度升高时电阻增大，黑元件上的电压降即增大，电桥失去平衡，输出一个电压信号U，该电压值的大小反映了甲烷浓度的高低，检测此电压便可测量出甲烷浓度。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传感器中采用最广泛的一种，而且还在不断的提高和发展。其基本原理是根据甲烷在一定的温度条件下氧化燃烧，且在一定的浓度范围内，不同浓度的甲烷在燃烧过程中要释放出热量不同的特性，来达到测定甲烷浓度的目的。 图3-1 工作原理图时钟电源模块显示电路报警电路可编程看门狗电路单片机敏感元件小信号放大电路A/D转换在催化元件电源端加上一正电压，使催化元件开始工作，输出与甲烷浓度相对应的电压信号，此电压经过放大电路放大后，送到A/D转换，A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号送入单片机, 单片机对采样值进行数值计算，处理后，驱动显示器显示出被测气体中的甲烷浓度值，若被测气体中甲烷浓度超过报警电路预定的数值时，报警电路即发出声、光报警信号。当计算机控制系统需要查询甲烷浓度时，只要发出相应信息，报警仪即可将测量结果经串行口及通信电路传送出去，最长传输距离可达到20km。3.2 AT89C51单片机简介3.2.1 单片机选用 随着计算机技术的发展，单片机因具有集成度高、体积小、速度快、价格低等特点而在许多领域如过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛应用，从而使这些领域的技术水平、自动化程度大大提高。根据上述几方面及本课题的实际情况，单片机型号的选择主要从以下两点考虑:一：是要有较强的抗干扰能力。由于一般室矿内环境恶劣，这对单片机的干扰较大，所以应采用抗干扰性能较好的单片机机型。二：是要有较高的性价比。由于MCS-51系列在我国使用最广且该系列的资料和能够兼容的外围芯片也比较多，故本文采用ATMEL公司生产的AT89C51单片机作为本系统控制单元的核心部件。AT89C51单片机是AT89C系列单片机中的一种，图3-2是一般常用的双列直插式，它是在现己广泛应用于工业控制等各领域。 图3-2 AT89C51芯片(1) AT89C51单片机有以下特点：与MCS-51 兼容4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟(2)管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：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：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：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：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AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：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：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：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：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），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：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。（3）振荡器说明XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。（4） 芯片擦除 整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，单片机停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。3.2.2 AT89C51单片机的扩展设计中采用AT89S52单片机作为本系统控制单元的核心部件并采用8255A用作并行接口。硬件连接图如图3-3所示，其中AT89C51的P0口做扩展用，PI口做通道选择,P2口控制LCD1602显示。8255A的PA作输出口控制灯的亮灭，PB口做输入接收AD转换后的数字量，PC口做输入循环扫描按键是否按下。 图3-3 8255A引脚图3.3瓦斯传感器的选用在选择敏感元件时，主要从以下几个方面来衡量: (1)活性。元件活性是指元件对甲烷氧化燃烧的速率。元件活性高，通过电桥测量甲烷时，可以得到较高的电压输出。(2)稳定性。元件的稳定性是指元件在新鲜空气与一定浓度的甲烷中，在规定的连续工作时间里的活性下降率。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稳定。(3)工作点与工作区间。元件工作点是指元件的标准工作电压和电流值。实际使用中，为了便于组成电桥和选定电桥电流，通常是指一对元件(即一只黑元件和一只白元件)的标准工作电压或电流值。在工作点上，元件具有较大的输出，较好的稳定性和最小的零点飘移。目前国内元件的工作点有:直1.2V, 2.2V, 2.4V, 2.8V及320mA等几种。当元件的工作电压或工作电流变动时，在同一甲烷浓度下输出活性大小是不相同的。只有当工作电压或工作电流在某一范围内变动时，输出活性才接近直线。这个电压或电流的变动范围称为元件的工作区间。区间越宽越好。目前元件的工作区间只能达到标准电压的10%。(4)输出特性。元件输出特性，是指在不同的甲烷浓度下，元件的活性与甲烷浓度的关系。在0-5%CH4范围内，电桥输出信号与甲烷浓度呈线性关系。当甲烷浓度在9.5%处时，曲线出现拐点，以后随着甲烷浓度的增大，电桥输出信号不断下降，出现了高浓度和低浓度输出信号相同现象。产生的原因是由于高浓度甲烷气体中缺氧使燃烧不完全所造成的。所以，这种原理的甲烷检测仪只能测量低浓度甲烷。(5)元件的寿命。元件的寿命是指元件在使用过程中，其活性下降到某一规定值的时间。(6)元件的“中毒现象”。矿井空气中的硫化氢、二氧化硫等气体会使元件产生中毒现象，使活性降低。其原因主要是由于这些毒性气体元件活性下降。此外，井下电气设备用的硅油、硅绝缘材料等挥发物，也会使元件中毒。这主要是由于硅分子量大，一旦吸附在元件表面，就会阻止甲烷进入而影响元件氧化速率，致使活性下降。为防止元件中毒，可以加过滤器，例如用活性炭吸收管，1 cm厚活性炭的吸收管，可使工作在有毒环境中的元件寿命延长数百倍。经过一段时间工作的元件，遇到较高浓度，工作数分钟后，元件的活性将升高，高浓度消失后，元件在几十小时内活性才会逐步下降到原值附近，以后又保持稳定的活性。这种现象称为元件被浓甲烷激活。元件的激活特性是一个缺点，因为被激活的元件在一段时间内会造成输出不稳，这是在使用中应该加以注意和调整的。载体催化元件与纯铂丝元件相比，其抗毒性能较弱，在有毒气体的环境中，宜采用铂丝元件。(7)反应速度。反应速度是工作元件的一个重要指标。特别是当元件应用到各种运动机械上时，就更为突出。在井下空气中，当甲烷浓度发生变化时，元件的反应速度由两个因素决定，一是元件本身的时间常数:，二是甲烷向元件扩散的速度。元件的时间常数可由下式确定: (3-1)式中: :元件的时间常数； E:元件的热容量； a:等效热导系数； s:元件的表面积； :常数； T:元件的作温度； I:工作电流； R:元件电阻； :铂丝电阻温度系数；通过对上式的分析，可以合理地选择元件参数，以提高工作元件的反应速度。本设计中选择的敏感元件型号为:FWC-2。参数为:测量介质:甲烷工作电流:直流稳压工作点:2. 8V/175mA测量范围:0-4%CH4稳定性:灵敏度变化0.1%CH4响应时间:20S4 矿内空气传感器的硬件4.1 实时时钟模块图4-1 时钟电路原理图 单片机工作时，从取指令到译码再进行微操作，必须在时钟信号控制下才能有序地进行，时钟电路就是为单片机工作提供基本时钟的。单片机的时钟信号通常有两种产生方式：内部时钟方式和外部时钟方式。本课题采用内部时钟方式。在单片机XTAL1和XTAL2引脚上跨接上一个晶振和两个稳频电容，可以与单片机片内的电路构成一个稳定的自激振荡器。晶振频率取12 MHz。外接电容的作用是对振荡器进行频率微调，使振荡信号频率与晶振频率一致，同时起到稳定频率的作用，本课题选用33pF的电容。易知：本单片机最小系统的振荡周期=1/(12MHz)=1/12us，时钟周期=1/6us，机器周期=1us。4.2放大电路目前有许多型号的单片测量放大器集成芯片可供选择，因此不再用分立的运算放大器来构成测量放大器。采用单片测量放大器芯片与用分立的运算放大器相比具有性能优异、体积小、结构简单、成本低的优点。在本设计中选择集成芯片INA128仪用放大器。其特点如下： 低偏置电压最大50V，低温度漂移最大0.5V/，低输入偏置电流最大5nA，高共模抵制CMR 最小120DB，输入保护至40V，宽电源电压范围2.25 至18V，低静态电流700A，8 引脚塑料DIP 和SO-8封装。电路图如图4-2所示： 图4-2 INA128应用电路4.3模数转换电路的模块气体传感器出来的信号是模拟信号，而微处理器AT89C51只能处理数字信号，故需要对模拟信号信号进行转换，将其转换为处理器能识别的数字信号，由于经过放大电路出来的模拟电压变化范围在05V，故选择性价比比较合适的ADC0809进行模数转换。其管脚定义如图4-3所示。图4-3 ADC0809管脚示意图ADC0809各脚功能如下表4-1：表4-1 ADC0809各脚功能引脚功能介绍D7-D0IN0-IN78位数字量输出引脚8位模拟量输入引脚VCC+5V工作电压REF（+）参考电压正端REF（-）参考电压负端STARTA/D转换启动信号输入端ALE地址锁存允许信号输入端EOC转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平OE输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。CLK时钟信号输入端（一般为500KHz）。A、B、C地址输入线电路连接：ADC0809输出接单片机的P0口，各个控制引脚及单片机的P2口，参考电压REF(+)、REF(-)分别接+5V电源和地。具体工作过程如下：首先，在程序的控制下，利用单片机的定时器T0以及中断服务程序在P2.7输出一个方波信号，作为ADC0809工作的时钟信号。并对其他控制引脚进行初始化。然后，单片机向ADC0809的A、B引脚循环输出地址编号，C引脚接地；每输入一个地址编号后，START和ALE变高电平，复位ADC0809并将地址锁存，经过适当的延时后，START和ALE变低电平，开始模数转换；P2.6接EOC引脚，当收到高电平时，说明模数转换完成，此时向OE引脚输出高电平，打开输出三态门，输出数字量到P0口，然后OE引脚变低电平，完成一次模数转换。 图4-4 ADC0809与AT89C51的接口电路4.4 看门狗电路看门狗电路一般有软件看门狗和硬件看门狗两种。软件看门狗不需外接硬件电路，但系统需要出让一个定时器资源，这在许多系统中很难办到，而且若系统软件运行不正常，可能导致看门狗系统也瘫痪。硬件看门狗是真正意义上的“程序运行监视器”，如计数型的看门狗电路通常由555多谐振荡器、计数器以及一些电阻、电容等组成，分立元件组成的系统电路较为复杂，运行不够可靠。可编程看门狗电压监控电路选用Xicor公司的X25045集成芯片，它是集看门狗定时器功能，电压监控功能，快闪E2PROM存储功能为一体的集成芯片，大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，减少了对印制电路板的空间要求，降低了成本和系统功耗，是一种理想的单片机外围芯片。看门狗定时器电路对微控制器提供了独立的保护系统，可编程设置三种周期，当系统出现故障时，在预先设定的周期之后产生复位信号，该周期一旦设定，即使在电源周期变化之后也不改变。电压监控功能可以保护系统使之免受低电压状况的影响，当V0降到最小转换点以下时，系统复位，直到电压升高且稳定为止，E2PROM可存放数据，安全可靠，这种组合不仅降低系统成本，减少电路板空间要求，而且与单片机接口简单，性能稳定。芯片的性能特点:可编程的看门狗定时器；低VCC检测，直到VCC等于1V时复位信号有效；1MHZ的串行时钟频率；5128位串行EEPROM；低功耗CMOS设计，工作时电流3mA，备用时10A；电源电压为2.7V5.5V；片内写保护；高可靠性:使用期限:100000周期/字节； 数据保存期:100年； ESD保护:所有引脚2000V ;RESET高电平有效。 引脚如图4-5，部分引脚说明：片选择输入；SO：SO是一个推/拉串行数据输出引脚，在读周期时间内，数据从这个引脚输出，串行时钟脉冲下降沿时数据输出； 图4-5 X25045引脚图SI：是串行数据输入引脚，所有的操作码，字节，地址及数据都通过这个引脚写入存储器，串行时钟脉冲上升沿时，数据被锁存； SCK：串行时钟输入，其上升沿将数据或命令写入，下降沿将数据输出；：写保护输入。当它低电平时，写操作被禁止； ：复位输出。X25045硬件连接图如图4-6： 图4-6 X25045硬件连接图 4.5声光报警电路的设计报警电路由NPN三极管、蜂鸣器、LED和限流电阻组成，如图4-7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。8050是一种常用的小功率开关三极管，它的最大负载电流为700mA, VCEO=20V,饱和压降为0.5V。 Q1和Q2分别作为蜂鸣器和发光二极管的驱动器，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口信号为高电平时，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，R2, R3和R1均为限流电阻。图4-7声光报警电路图4.6数码管显示电路设计数据显示是体现整个系统功能的部分，LED显示成本低廉，配置灵活，与单片机连接方便。LED显示块具有亮度高、结构简单、全天候的特点，因此在单片机应用系统中应用最广，本系统的显示采用的就是四位七段共阳极LED数码管作为显示部件。如图4-8。图4-8 数码管引脚图图4-9 显示部分电路图4.7电源电路设计本设计采用集成稳压器7805，当输出电流较大时，7805应配上散热板。 图4-10 7805组成的5V电路图 4.8本章小结 本章首先介绍了瓦斯的硬件结构以及系统功能，该仪器以8位单片机AT89C51作为控制核心，设计并构建了系统的硬件平台，完成了有毒气体浓度信号的采集放大转换电路、液晶显示电路、声光报警电路等的设计。该仪器能够实现有毒气体浓度信号采集与显示及超标声光报警等功能。本章重点介绍了信号采集模拟电路和以主控制器为中心的数字电路的设计与工作原理。首先讨论了有毒气体采集模块中传感器选择问题及模拟放大电路的设计问题，最后讨论了系统的外围接口电路模块，包括数码管显示,声光报警等，实现了各外围接口电路模块与AT89C51的硬件接口设计。这一章比较具体的说明了系统硬件设计的内容，通过模块化的设计思想，把一个复杂的单片机系统按照功能划分成一个个单独的电路模型，分别进行设计，最后在集成到一起。这种方法对于设计复杂的单片机系统很有效。大大提高系统设计的效率与质量。5 矿内空气传感器的软件设计5.1系统软件设计思路5.1.1 总体设计思想总体思路是首先定义相关的硬件接口，然后进行初始化，包括AD控制端和定时器的初始化。初始化后开始无限无限循环，以保证24小时全天候的检测甲烷的浓度，及时发现险情并报警。无限循环中将依次调用AD转换函数、比较判断函数、声音报警函数和显示报警函数。图5-1 主函数流程图根据软件设计的基本要求,采取了如下的措施:1.程序模块化。软件设计中包含有：主程序模块、显示模块、A/D数据转换子模块、声光报警模块、数据转换模块、中断处理模块等。2.软件设计采用C51汇编语言，可以保证数据计算的精度。3.中断响应外部事件，提高了系统的实时处理事件能力。4.软、硬件抗干扰。软件抗干扰措施提高了系统的可靠性。以下就对一些主要模块进行详细的阐述。5.1.2编程语言的选择在系统硬件电路确定以后，其主要功能的实现将依赖于软件来实现。对同一硬件电路，配以不同的软件，它所实现的功能也就不同，其设计软件基本要求:1.可靠性。可靠性是软件设计的重要指标，具有较强的抗干扰能力。2.易理解性、易维护性。编制的软件要求易阅读，容易发现和纠正错误，容易修改和补充。3.实时性。系统能够及时响应外部事件的发生并能及时做出处理结果。4.准确性。保证系统进行计算数据的精度。目前存在有4种编程语言支持单片机，即汇编语言、PL/M51语言、C语言和BASI语言。其中汇编语言和C语言应用的较多，汇编语言的机器代码生成效率高，控制性好，但就是移植性不高。结合本系统的特点，这里选用了功能强、效率高的C语言。C语言主要有以下特点：用C语言编制的程序效率高，占用存储空间小，运行速度快。C语言能写出最优化程序，且能反映出计算机的实际运行情况。C语言能直接与存储器、接口电路打交道，也能申请中断。具有良好的模块化、容易阅读、维护等优点，