毕业设计（论文）-基于单片机控制的甲烷浓度监测仪硬件设计.doc

第1章 概述1.1 项目提出的必要性和国内外研究水平和动向 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。甲烷浓度检测仪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，甲烷浓度检测仪器在煤矿是数量最多，使用最普遍的安全检测仪器，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。1.2 煤矿安全仪器概况煤矿生产是地下作业，自然条件和生产条件都复杂，在采掘过程中出现的瓦斯涌出、煤尘飞扬、自然发火等都有可能造成严重事故。为了防止事故发生，保障矿工的健康和安全，促进生产发展，提高煤炭企业的经济效益，应对井下的气象进行检测，对可能造成灾害事故的各种有的害气体及矿尘进行及时而准确的检测和严格控制，一旦发生灾变，必须及时救护遇难人员和处理事故。所有这些都需要有相应的检测仪器和救护装备。 最初，人们为了防止井下空气中混有一氧化碳造成中毒事故，曾使用过金丝雀一类的小动物来进行检测。1815年英国人在煤矿井下开始使用安全火焰灯检测瓦斯。1897年瑞典制成第一台容积压力式瓦斯浓度测量仪。随着矿井开采深度的增大，机械化和综合机械采煤的普遍推广，通风安全方面问题日益突出。与此同时，随着仪表工业及电子技术的发展，矿井通风安全仪器也得到了不断的发展。1927年日本制造成光干涉原理甲烷检定器，以后又陆续出现热导、热催化原理、气敏半导体等各种不同原理的甲烷检定器，其测量精度不断提高，检测方式从“间断”、“就地”检测发展到“连续”、“集中自动”遥测。特别是随着电子计算机技术的应用，一套监测系统，除能检测高低浓度甲烷外，还可测一氧化碳、氧、氢的浓度，气温，风速等等。同时还能对井下设备的工作状态进行监控。如英国DYNSLINK-MINOS系统的监测容量为986个模拟量，896个开关量，传输距离为13km。在地面中心站一般都配有用来进行数据采集和处理的计算机、打印机、显示器、控制台和模拟盘等。譬如当井下某测点的甲烷浓度超限时，能发出声、光报警信号，切断该测点附近的电源。作为间断方式检测的携带式仪器，也随着测试技术的飞速发展及多功能集成电路的出现，检测元件的性能不断提高而实现了单机分级报警，数码显示，自动校正，电源监视和故障指示等功能,而且操作简单，维修量小，体积小。例如美国MSA公司生产的携带式甲烷检测仪重量只有0.28Kg，外形尺寸为146*65*38mm 解放前我国煤炭工业技术十分落后，矿井通风安全仪器更是属于空白。解放后，党和政府对安全工作极为重视，煤矿安全状况及劳动条件得到了很大的改善，通风安全仪器从无到有地发展起来。在仪器的研究、生产制造方面，多年来投入了很大的力量，形成了以抚顺、重庆、西安、常州、上海等地为中心的安全仪器生产基地，除生产大量的通风安全仪器和救护设备外，从1980年起，先后从波兰、英国、美国和西德等地引进了多种形式的煤矿安全监测系统和生产监控系统，在引进的基础上，我国也研制了一批安全监测系统，如常州煤研所的KJ1型，北京长城科学仪器厂的KJ4型，重庆煤矿安全仪器厂的TF-200型和AWJ-80型，西安仪表厂的MJC-100型，抚顺煤矿安全仪器厂的AU1型，总参6904厂的WDJ-1型和镇江煤矿专用设备厂的A-1型等安全监控系统来装备矿井。其中KJ4型的系统容量为1536个，传输距离为13 km。所有这些成就，表明我国的安全监测仪器的研制和装备进入了新的水平。但是目前安全监测传感器的种类和质量与国际水平的差距还较大，这是需要解决的问题。1.3 测量仪器的基本性能1.3.1 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。1.3.2 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。1.4 本论文的结构安排 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。 第二章是研究内容、方法和原则。阐述了课题研究的内容，设计思路和方法以及整体设计所遵循的原则。 第三章是监控仪的工作原理。对甲烷浓度监控仪作了原理分析，同时介绍了敏感元件的结构和工作原理以及整机工作原理。 第四章是硬件设计。对组成系统的CPU、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。 第五章是软件设计。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。 第六章是结束语。对整个系统作了一个概括性的总结，既介绍了仪器的优点又指出了其不足之处。 致谢中对参与了课题的研究和给予帮助的老师和同学作了感谢。最后是文章的参考文献和中英文附录。第2章 研究内容、方法和原则2.1 研究内容 仪器的设计，本着简明、科学、实用的原则，力求从整体出发，从实际使用出发，突出系统的可靠性、免维护、免培训特点和系统结构的简明和完整性，把对操作人员的专业技术要求降到最低，发挥系统整体设计的优势，使系统整体性能达到最佳，功能强大而操作简单，测量精确而维护方便。在系统设计中，应充分应用近年来发展起来的各种新技术、新器件、新方法，在保证各项性能指标能够满足系统各方面要求的前提下，力求简化结构，降低成本，提高可靠性和稳定性。作为一种完整的煤矿生产安全监控系统，它至少应具备以下设备和功能:1.传感器: 监测要素的采集，转换 转换后电信号的处理，加工2.传输系统 信号的远距离传送 信号的调制和解调3.计算机系统 信号的采集 数据的处理设计时需要注意的问题：1.产品的技术指标、生产工艺等要符合国家有关规定及煤炭部，地方管理部门的规定。2.运行的可靠性和稳定性一定要好，安装、维护要方便，操作要简单。3.各项功能要实用，既要满足国家和地方的有关规定也要考虑用户的要求。4.设计、制造尽可能使用通用的有替代产品的元件，器件和设备。5.能使用软件实现的功能，一般不使用硬件来实现，以减小体积，将成本降至最低。6.设计要从整体出发，分步、分层实施，突出系统的整体性能，力求系统整体性能最优化。在以上设计原则的指导下，本系统各部分的主要实现方法确定如下：1.发送采用调制解调方式通讯。2.数据处理功能尽可能完善，容易扩充。3.为提高软件的运行效率，软件全部使用汇编语言。2.2 仪器的设计原则在总体结构的设计上，首先重点突出系统整体性能，价格最优的原则，本着先进、简明、实用的设计指导思想，从传感器的信号采集、处理传输，到系统软件的设计，在整体最优原则的指导下，发挥各自的设计灵活性。其次，系统整体设计上，着重考虑系统运行的可靠性和稳定性，监测的快速和准确，安装、维护的方便和经济性，操作使用的简便，少维护，免培训等。2.3 课题研究的总体思路1.加强监控系统的实用性，将监控系统的设计制造同现场的实际需要密切结合起来，整体结构大为简化，安装使用十分简便，希望使监控系统真正成为矿井通风管理的得力助手。2.提高产品的技术应用水平和整体质量档次，在结构设计、材料适用、工艺安排等方面都努力使产品在技术上、质量上更上一个新的台阶。3.花大力气提高产品的可靠性，从软件到硬件，从元器件到整机，都尽最大努力提高整体系统的可靠性。第三章 监控仪工作原理3.1 甲烷浓度检测仪原理分析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。3.2 热催化元件的结构及工作原理3.2.1 热催化元件的结构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。3.2.2 敏感元件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。3.3 整机工作原理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。甲烷浓度报警监控仪的工作原理如图3-1所示。时钟芯片通信电路显示电路报警电路可编程看门狗电路CPU敏感元件小信号放大电路A/D转换图3-1工作原理图 Figure 3-1 Working drawings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CPU, CPU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。时钟芯片用于产生实时时间，并通过4位数码管显示小时和分。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。第四章 硬件电路设计为适应安全生产的需要，同时满足体积小、耗电少、精度高的要求，硬件电路设计中尽可能选用功耗小，性能稳定的集成电路芯片。4.1 微控制器CPUCPU是监控报警仪的核心，完成数据采集、处理、输出、显示等功能,是整个仪器正常工作的基础，它的选择直接关系到整个系统的工作。选择通用性强、功耗小、性能稳定良好的8位CMOS微处理器芯片AT89C51，它与常用MCS-51型单片机兼容，工作电压为2.7V6.OV,具有32条可编程I/O端口，3个16位定时计数器，2568位内部RAM,内带8K字节快闪EEPROM的特点，大大简化了电路的设计。引脚图如图4-1：图4-1 AT89C51引脚图 Figure 4-1 The pin chart of AT89C51部分引脚功能说明：XTAL1：接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时，此引脚应接地。XTAL2：接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。RST：AT89C51的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片复位时，只要将此引脚电位提升到高电位，并持续两个机器周期以上的时间，AT89C51便能完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态。ALE/：ALE表示允许地址锁存允许信号。当访问外部存储器时，ALE信号负跳变来触发外部的8位锁存器 (如74LS373)，将端口P0 的地址总线(A0-A7)锁存进入锁存器中。在非访问外部存储器期间，ALE引脚的输出频率是系统工作频率的1/16，因此可以用来驱动其他外围芯片的时钟输入。：访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。在访问外部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生二次 信号。在执行片内程序存储器指令时，不产生PSEN 信号，在访问外部数据时，亦不产生信号。P0：P0口(P0.0P0.7)是一个8位漏极开路双向输入输出端口，当访问外部数据时，它是地址总线（低8位）和数据总线复用。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向I/O口用。P0口每一个引脚可以推动8个LSTTL负载。P2：P2口(P2.0P2.7)是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，当访问外部程序存储器时，它是高8位地址。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向I/O口用。每一个引脚可以推动4个LSTL负载。P1：P1口(P1.0P1.7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，其输出可以推动4个LSTTL负载。仅供用户作为输入输出用的端口。P3：P3口(P3.0P3.7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，它还提供特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能。其特殊功能引脚分配如下：P3.0 RXD 串行通信输入P3.1 TXD 串行通信输出P3.2 外部中断0输入,低电平有效P3.3 外部中断1输入,低电平有效P3.4 T0 计数器0 外部事件计数输入端P3.5 T1 计数器1 外部事件计数输入端P3.6 外部随机存储器的写选通，低电平有效P3.7 外部随机存储器的读选通，低电平有效在设计中用到了多片串行通信的芯片，但选用的单片机AT89C51只有一个串行口，这给连接带来了极大的麻烦。在设计中，用单片机未用到的普通I/O口辅之控制软件来模拟串行口工作，从而解决了串行口不够用的难题。4.2 敏感元件4.2.1 热催化元件的特性在选择敏感元件时，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: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:元件的工作温度; 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:20S4.2.2 敏感元件的组成及作用敏感元件是准确检测甲烷气体含量的核心元件之一，它由工作元件和补偿元件组成，将这两个元件分别接在惠斯登电桥上，在元件的电源端加入高电平时元件开始工作，当环境中无甲烷气体时，调整电桥使之输出为零，当有甲烷气体时，甲烷气体以扩散方式进入仪器原测量气室，内部接于桥臂的热催化元件或热导元件发生氧化还原反应，引起元件温度升高，阻值增大，使原来平衡的电桥失去平衡，输出与甲烷浓度相对应的电压信号，测量该电压信号即可知甲烷浓度它的基本测试电路图如图4-2所示。图4-2 敏感元件的基本测试电路 Figure 4 -2 the basic testing circuit of sensitive components 4.3 实时时钟模块：本设计的仪器具有实时时间显示功能，通过4位LED显示当前时间（小时和分）。我选择DS1307芯片作为系统的时钟。DS1307串行实时时钟芯片，是具有I2C总线接口的外围器件，该芯片内部具有BCD码时钟/日历和56个字节的非易失性SRAM的数据存储器，两线串行接口，自动的掉电保护和开关循环等功能，具有可编程、低功耗、体积较小和引脚少的特点。同时它独立于CPU工作，不受CPU主晶振和电容的影响，计时准确。4.3.1 DS1307时钟芯片的引脚功能部分引脚功能如下：Vbat:电池接入端，电池电压必须在2.0V和3.5V之间，能使DS1307在没有电源的情况下工作十年。SCL：时钟信号输入端，使数据在串行接口的传送同步进行SDA：串行数据输入/输出的引脚，需外接上拉电阻。X1，X2：外接晶振引脚，与标准32.768 KHZ晶振相连，可以修正时钟的精确度。4.3.2 DS1307时钟格式与地址分配1.内部寄存器与RAM地址分配DS1307内部由存储区RAM和时间寄存器两部分组成。时间寄存器的地址从00H到07H，RAM有56个字节，地址从08H到3FH。在多字节数据存取时，地址指针自动加一，当地址指针指到3FH时，自动循环到00H。使用时，只要在程序中规定好第一个字节地址及读写字节数，读写N个字节与一个字节一样方便。2.时钟的格式时间和日期都以BCD码形式分别存放在7个时间寄存器中。通过读这些相应的寄存器字节可以得到时钟的信息。通过写入相应寄存器字节可以设置时间和日期。4.3.3 DS1307芯片与单片机的连接 图4-3 DS1307与AT89C51的接口电路 Figure 4-3 The interface circuit of DS1307 and AT89C51DS1307芯片与单片机AT89C51的接口如图4-3所示。说明：Vbat端接备用电池，以便在没有主电源的情况下能够保存时间信息和一些重要的数据；X1、X2接32.768KHz的晶体振荡器，为时钟芯片提供计时脉冲；SDA与SCL接点构成串行数据总线；两个电阻为上拉电阻。4.3.4 DS1307的操作时序DS1307的操作时序可以概括的归纳为以下几个步骤：1) 发送起始信号。2) 发送DS1307的读/写命令字。3) 发送DS1307的读/写地址。4) 执行读写数据操作。5) 接收或发送应答信号。6) 发送停止信号4.4 小信号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4-4所示： 图4-4 INA128应用电路 Figure 4-4 The applied circuit of INA1238 设置增益：在引脚1和引脚8之间外接一个电阻RG可对增益进行设置 等式中的50K是两个内部反馈电阻A1和A2的和。在信号的输入电路设计中，INA128的增益设为固定值，在这里取G=20,则RG2.632K。电源电压取为3.3V。在有噪声或高阻抗供电电源的应用中，要在器件的引脚附近接去耦电容器。如上图中电源与地之间的去耦电容。4.5 A/D转换电路因为单片机不能直接接收模拟量信号，所以电压测量信号，必须通过A/D转换后方可以输入单片机进行处理。A/D转换器芯片有很多种,在此选择比较熟悉的ADC0809。ADC0809是8路8位逐次逼近行A/D转换CMOS器件，能对多路模拟信号进行分时采集和A/D转换，输出数字信号通过三态缓冲器，可直接与微处理器的数据总线相连接。4.5.1ADC0809的主要特性ADC0809的主要特性如下：分辨率为8位最大不可调误差小于ULSB可锁存三态输出，能与8位微处理器接口输出与TTL兼容不必进行零点和满度调整单电源供电，供电电压为+5V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125uS4.5.2 ADC0809 芯片的引脚图及引脚功能引脚图如图4-3所示，部分引脚功能说明如图4-5： 图4-5 ADC0809引脚图 Figure 4-5 The pin chart of ADC0809 IN0IN7：8路模拟信号输入端D0D7：8位数字量输出端START：启动控制输入端，高电平有效，用于启动ADC0809内部的A/D转换过程ALE：地址锁存控制输入端。ALE端可与START端连接在一起，通过软件输入一个正脉冲，可立即启动A/D转换。EOC：转换结束信号输出端，开始A/D转换时为低电平，转换结束时输出高电平。OE：输出允许控制端，用于打开三态输出锁存器。当OE为高电平时，打开三台数据输出锁存器，将转换后的数据量输送到数据总线上。CLK：时钟信号输入端。ADDA（ADDB、ADDC）：8路模拟选通开关的3位地址选通输入端。VREF+：参考电压正端。VREF-：参考电压负端。4.5.3 ADC0809与AT89C51 单片机的接口设计ADC0809 与AT89C51的硬件接口方式有：查询方式、中断方式和等待延时方式。采用中断方式不浪费CPU的等待时间，但如果A/D转换时间较短，也可采用程序查询方式和等待延时方式。在此采用中断方式，接口电路如图4-6： 图4-6 ADC0809与AT89C51的接口电路 Figure 4-6 The interface circuit of ADC0809 and AT89C51 P2.6与WR相或非，产生启动信号START和地址锁存控制信号ALE；P2.6与RD相或非产生输出允许控制信号OE。OE为高电平时，打开三态数据输出锁存器，将转换后的数据量输送到数据总线上。4.6 通信电路对于远程数据传送问题，我们首先考虑到对传送信号的调制和解调。我们知道，对于长距离的均匀传输线只能传送连续的模拟信号，而且传送频带往往存在一定的限制，一般的传输线有效传输频带在3400HZ以下，而发送设备发送的原始数据又都是离散的二进制数据信号序列。若使用模拟线路来传送数据信号时，必须在发送前先将原始信号经过数字-模拟转换，这就是调制过程。在数据终端接受前，则需进行相反的转换，称解调。调制解调器就是实现这一功能的装置，它是为解决模拟线路上传输数字信号而设计的一种信号变换装置，由此，调制解调器的基本作用把数字信号变换成模拟信号，在模拟线路上传输，并把经过传输的模拟信号反变成原始发送的数字信号。其过程如图4-7所示:调制解调现场仪表调制解调监控中心 图4-7 数字信号传输过程 Figure 4-7 Digital signal transmission4.6.1 串行通讯随着微机特别是单片机的发展，其应用已从单机逐渐向多机或联网，而多机应用的关键又在于微机之间的相互通讯，互传数据信息。在微型计算机系统中，CPU与外部的基本通讯方式有两种:并行通讯数据的各位同时传送;串行通讯数据一位一位顺序传送。在并行通讯中，数据有多少位就需要多少条传送线，而串行通讯只需要一对传送线，故串行通讯能节省传送线，特别是当数据位数很多和远距离数据传送时，这一优点更加突出。但串行数据也有缺点，那就是速度比并行通讯要慢。1.串行通讯是指将构成字符的每个二进制数据位，依据一定的顺序逐位进行传送的通讯方法。在串行通讯中，有二种基本的通讯方式:异步通讯和同步通讯。2.串行通讯中，要把数据从一个地方传送到另一个地方，必须使用通讯线路。数据在通讯线路两端的工作(通讯线路或计算机)之间传送。按通讯方式，可将数据传输线路分成三种: 1.单工方式 2.半双工方式3.全双工方式有一点需要注意，尽管许多串行通讯接口电路具有全双工通讯能力，但在实际使用中，大多数情况只工作于半双工方式，即两个工作站通常并不同时收发。这种用法并无害处，虽然没有充分发挥效率，但简单，实用。4.6.2 信号的调制和解调串行通讯中传输的信号是数字信号(方波脉冲序列)，它要求通讯媒介必须有比方波本身频率更宽频带，否则高频分量将被滤掉，使方波出现毛刺而变形。解决这一问题的办法是:利用调制手段，将数字方波信号变换成某种能在通讯线上传输而不受影响的波形信号，正弦波正是最理想的选择。这不仅因为产生正弦波很方便，更重要的正弦波不易受通讯线固有频率的影响。所谓调制，就是将载波信号(待传送的数字信号)通过一种信号进行编码，而将信号的恢复称为解调，相应的设备称为调制器和解调器。信号发送端的调制器将待传输的数字信号转换成模拟信号，接收方用解调器检测此模拟信号，再把它转换成数字信号。由于串行通讯大都是双向进行的，通讯线路的任一端既需要调制器也需要解调器，将调制器和解调器合二为一的装置称为调制解调器。4.6.3 芯片的选择通信电路采用日本OKI公司的MSM7512B远距离、低功耗、高可靠性的调制解调器芯片。该芯片编程容易，外围接口电路简单，通信距离远，数据传输可靠，传输率设置为1200bps时，通信距离可达20km,远远大于其它常用通信芯片的传输距离，并且小信号传送稳定可靠，克服模拟传送中小信号失真的特点，满足使用需要。芯片为低功耗型，通信时典型功耗为25mW，掉电时最大为O.1mW。引脚如图4-7，部分引脚说明：AO：模拟发送信号输出。AI：模拟接收信号输入。EAI：内部模拟信号输出，本引脚上的信号通过发送输出放大器从AO脚发送出去，不用此脚时，它应该被悬空。X1、X2：连接晶体振荡器。CLK：时钟信号输出。RD：调制解调器接收串行数据输出。 图4-8 MSM7512B引脚图 Figure 4-8 The pin chart of MSM7512BCD：FSK接收信号和应答信号控制，数字0和1分别表示“检测到”和“未检测到。XD：调制解调器接收串行数据输出。RS：FSK接收信号和应答信号控制，当数字“0”加至RS时，发送被使能。MOD1、MOD2：工作模式选择当Mod1=0,Mod2=0时,MSM7512B工作于调制模式。XD输入为0或1的数字信号,AO端对应输出频率为2200Hz或1200Hz的FSK信号,RS是FSK信号输出的使能控制端;当Mod1=1,Mod2=0时,MSM7512B工作于解调模式,AI输入频率为2200Hz或1200Hz的FSK信号,RD对应输出解调后的0或1数字信号,CD是输入检测的指示;当Mod1=0,Mod2=1时,MSM7512B工作于环路自测模式,用于检测芯片工作是否正常;当Mod1=1,Mod2=1时,MSM7512B工作于节电模式,此时MSM7512B功耗仅0.1mW,其他模式一般功耗为25mW。MSM7512B芯片主要性能特点:符合ITU-TV.23标准，数据传输方式有1200bps半双工通信或1200bps接收/75bps发送两种方式；采用3-5V单电源供电；低功耗:工作模式:25mW(典型值) 掉电模式:0.1mW(最大值)具有载波检测和自环测试功能；内部具有输出信号放大驱动电路；晶振频率为3.579545MHZ；数据接口与TTL电平兼容。4.6.4 MSM7512B的应用 MSM7512B在通信中是单电源调制解调芯片，可以通过有线和无线通信的方式进行信号传输。在有线传输方式中，可以用专用的双绞线，也可以通过电话线进行传输。单片机控制并利用传输线进行信息传输时，MSM7512B可以连接到双绞线上，利用有线方式进行传输，它与传输线的接口电路由1: 1的音频变压器，外部的输入/输出电压调整电路组成。在线上的传输信号电压和集成电路接收的信号电压可以根据实际需要独立的设置。实际的应用电路如图4-9： 图4-9 MSM7512B应用电路 Figure 4-9 The applied circuit of MSM7512B 1.HT9200A是串行式DTMF电路，用于产生DTMF信号送入MSM7512B的外部信号输入端EAI。AT89C51通过P2.7、P1.2、P1.3控制HT9200A，P2.7用于产生片选信号，P1.2用于输出串行数据，P1.3用于产生串行同步信号。2.通过P2.0、P2.1来控制7512B的工作模式，串行口TXD接XD，用于进行数据传输RXD接RD，用于进行数据接收。3.在发送状态下，通过AI口输出调制完的模拟信号。在接收状态下，通过AO口输入待调制的模拟信号，经7512B解调送入单片机内部。由图可知，在发送一侧，MSM7512B的操作由MCU1控制，MCU1的串行发送数据由MSM7512B的XD端接收，经MSM7512B的AO端口调制输出，再经过音频变压器耦合到均匀传输线上。在接收一侧，传输线上的模拟信号经音频变压器耦合到MSM7512B的AI端进行解调，由MSM7512B的RD输出数字信号直接进入MCU2的串行接收端，MSM7512B的操作由MCU2控制。由此我们可知信号的传输过程如下:MCU1发送数据时，MCU1的下载数据以数字信号格式通过串口发送给MSM7512B。MSM7512B利用FSK技术把数字信号格式变换成1200HZ或2200HZ频率的调制信号(其中1200HZ代表逻辑1,2200HZ代表逻辑0)，通过总线发送到接收端的MSM7512B，在接收端由MSM7512B解调为数字信号发送给MCU2进行分析及处理。另一方面，MCU 1接收数据时，MCU2利用串口把数据发送给MSM7512B,MSM7512B同样利用FSK技术把数字信号调制成1200HZ或2200HZ频率的调制信号，通过总线传送给首端的MSM7512B, MSM7512B把调制信号解调为数字信号，再把数据发送给MCU1分析和处理。4.7 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CPU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4-10，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4-10 X25045引脚图Figure 4-10 Pin chart of X25045SI：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