单片机瓦斯浓度警报仪.doc

目录绪 论21.项目提出的必要性和国内外研究水平与动向22.煤矿安全仪器概况3第一章 总体方案设计51.1 系统结构图51.2 工作原理6第二章 硬件电路设计72.1单片机选择72.1.1 单片机简介72.1.2 单片机AT89C5182.1.3单片机的I/O口扩展112.2瓦斯浓度检测122.2.1瓦斯浓度检测仪热催化式原理分析122.2.2热催化元件的结构及工作原理132.2.3检测电路设计142.3 A/D转换电路172.3.1 A/D转换器的选型172.3.3 A/D转换部分电路182.4数据显示电路202.4.1 显示器的选择222.4.2 数据显示电路222.5按键电路232.6电源电路242.7声光报警电路25第三章 系统的软件设计263.1 主程序273.2 子程序设计273.2.1中断子程序283.2.2 声光报警子程序28 附 录30参考文献35绪 论1.项目提出的必要性和国内外研究水平与动向 从我国煤炭生产的现状及我国能源结构战略规划均可看出，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”的瓦斯爆炸事故更是重大事故发生率之首。在去年，又接连发生了多起瓦斯爆炸事故，事故的结果触目惊心，因此通过强化瓦斯管理，提高通风、瓦斯监测监控水平，已经成为中小型煤矿瓦斯监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瓦斯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瓦斯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，其它仅具一定的参考价值。 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(瓦斯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。瓦斯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，瓦斯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瓦斯叫做瓦斯，因此检测瓦斯浓度的仪器，有的叫瓦斯检定器，有的又叫沼气检定器。在这里，瓦斯，沼气和瓦斯是同义词。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瓦斯检定器，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瓦斯检定器，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，除能检测高低浓度瓦斯外，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13 1n。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瓦斯浓度超限时，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公司生产的携带式瓦斯检测仪重量只有0. 28吨，外形尺寸为146*65*38 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，在引进消化的基础上，我国也研制了一批安全监测系统，如常州煤研所的KJl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 n。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。第一章 总体方案设计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AT89C51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MQ-KT，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ICL7109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。1.1 系统结构图此次设计的煤矿瓦斯监测报警器的系统结构图如下所示：主要由气体传感器MQ-KT、A/D转换器ICL7109、单片机AT89C51、LED显示电路、键盘控制电路、声光报警装置和附件电路组成。声光报警键 盘AT89C51LED显示瓦斯探测器（MQ-KT）电 源A/D7109图1-1 系统结构图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AT89C51。甲烷传感器采用MQ-KT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。1.2 工作原理在这里我们用甲烷传感器MQ-4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AT89C51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 硬件电路设计2.1单片机选择2.1.1 单片机简介单片微型计算机简称单片,它是把组成微型计算机的各部件:中央处理器、存储器、输入输出接口电路、定时器/计算器等，制作在一块集成电路芯片中，构成一个完整的微型计算机。1971年，Intel公司首次推出4004的4位单片微处理器。1974年12月仙童（Fairchild）公司推出8位单片机F8（需另加一块3851芯片），其后Mostek公司和仙童公司一起推出了F8兼容的3870单片机系列。Intel公司1976年推出MCS-48系列单片机。GI(Gentra Instrument Crop)公司在1977年10月宣布了PIC1650单片机系列。1978年，Rockwell公司也推出了R6500/1系列（与6502兼容）。有些单片机有8位CPU，若干个并行I/O，8位定时器/计算器，容量有限的PAM和ROM，以及简单中断处理功能。Motorola公司和Zilog公司的单片机问世较迟，但是产品性能较高，单片机内有串行I/O，多级中断处理能力，内片的RAM和ROM容量较大；有些还带有A/D转换接口。Motorola公司在1978年下半年宣布了与6800微处理机兼容的6801单片机。Zilog公司在同年10月也推出了Z80单片机系列。Intel公司在原MCS-48基础上，于1980年推出了高性能的MCS-51系列（包括8031/8051/8751）。1982年，Mostek公司和Intel公司先后推出了16位单片机MK68200（与68000微处理器兼容）和MCS-96（8096、8098）系列。1987年Intel公司推出了性能是80962.5倍的新型单片机80296。由于单片机超小型化，结构紧凑，可能性高，价格低廉，在国民经济中得到广泛应用。 工业方面：电机控制、工业机器人、过程控制、数字控制。 仪器仪表方面：智能仪器、医疗器械、色谱仪、示波器。 民用方面：电子玩具、高级电视游戏机、录象机、激光盘驱动。 电讯方面：调制解调器、智能线路运行控制。 导航与控制方面：导弹控制、鱼雷执导控制、只能武器装置、航天导航系统。 数据处理方面：图形终端、彩色黑白复印机、温氏硬盘驱动器、磁带机、打印机。 汽车方面：点火控制、变速器控制、防滑刹车、排器控制。单片机的发展趋势是：增加存储器的容量，片内EPROM开始EEPROM化，存储器编程保密化，片内I/O多功能化及低功耗CMOS化。2.1.2 单片机AT89C51 AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。图2-1 AT89C51管脚图1)主要特性：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电路 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。2.1.3单片机的I/O口扩展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P1.0接+5V的直流蜂鸣器当P1.0=0时蜂鸣器蜂鸣P1.1接发光二极管LED,当P1.1=1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。P1.2接排风扇的继电器部分P1.3P1.6作为数码管显示部分的位选P1.7作为7109的片选P2口我们仅用了P2.6和P2.7作为7109的数据选通端P3：P3.0（RXD）和P3.1（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： RXD TXD 单片机DSADSB 74LS164CPQ0 Q7图2-2 I/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图2-3 74LS164的管脚图 输 入 输 出CLK A B L L L L H L QA0 QB0 QH0 H H H H QAn QGn H L L QAn QGn H L L QAn QGnH=高电平 L=低电平 =任意 =电平上升表2-1 74LS164功能表在使用时将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。2.2瓦斯浓度检测2.2.1瓦斯浓度检测仪热催化式原理分析 热催化式是利用瓦斯在催化元件上的氧化生热引起其电阻的变化来测定瓦斯浓度。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，不能测高浓度瓦斯，硫化氢及硅蒸气会引起元件中毒而失效。目前国内外检测瓦斯的仪器广泛采用这一原理。2.2.2热催化元件的结构及工作原理1) 热催化元件的结构 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，为使电桥在无瓦斯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。 2)敏感元件工作原理 黑元件载体催化燃烧式元件，当瓦斯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，对非甲院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。当含有瓦斯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瓦斯燃烧，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瓦斯浓度的高低，检测此电压便可测量出瓦斯浓度。 3)整机工作原理 热催化原理又称催化燃烧原理。利用该原理的瓦斯测定器是当前国内测量低浓度瓦斯的检测仪器中采用最广泛的一种，而且还在不断的高和发展。其基本原理是根据瓦斯在一定的温度条件下氧化燃烧，且在一定的浓度范围内，不同浓度的瓦斯在燃烧过程中要释放出热量不同的特性，来达到测定瓦斯浓度的目的。瓦斯浓度报警监控仪的工作原理是CPU通过Vo口输出低电平经反相器加在催化元件电源端，使催化元件开始工作，输出与瓦斯浓度相对应的电压信号，此电压经过放大电路放大后，分别送到A/D转换、报警电路，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瓦斯浓度值，若被测气体中瓦斯浓度超过报警电路预定的数值时，报警电路即发出声音报警信号。遥控发射装置再将报警信号传输给远方的接收装置，最远传输距离可达到10km。2.2.3检测电路设计瓦斯浓度信号的采集电路，放大电路输入口连接瓦斯浓度传感器的两个引脚。此传感器采用的是气敏元件是一种具有良好温度特性的电压输入/电流输出型气敏元件。可以在-55150温度范围内正常工作。1)气敏元件选择及简介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瓦斯氧化燃烧的速率。元件活性高，通过电桥测量瓦斯时，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瓦斯中，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，在同一瓦斯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士10% o(4)输出特性。元件输出特性。是指在不同的瓦斯浓度下，元件的活性与瓦斯浓度的关系。在0-S%CH4范围内，电桥输出信号与瓦斯浓度呈线性关系。当瓦斯浓度在9.5%处时，曲线出现拐点，以后随着瓦斯浓度的增大，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瓦斯气体中缺氧使燃烧不完全所造成的。所以，这种原理的瓦斯检测仪只能测量低浓度瓦斯。(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，就会阻止瓦斯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瓦斯激活。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，当瓦斯浓度发生变化时，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:，二是瓦斯向元件扩散的速度。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; 0：常数; T：元件的工作温度; I：工作电流; R：元件电阻; RQ：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:MQ-KT，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。参数为:测量介质:瓦斯工作电流:直流稳压 工作点:2. 8V/ 175MA测量范围:0-4%CN稳定性:灵敏度变化士0. 1%CH4响应时间:(20S)2)气敏元件的组成及作用本设计选用的气敏元件是由太原电子厂和哈尔滨通江晶体管厂生产的MQKT型号的半导体气敏元件，太被用于做各种可燃气体的检测、检漏、监控设备的敏感元件。气敏元件是准确检测瓦斯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，在元件的电端加入高电平时元件开始工作，当环境中无瓦斯气体时，调整电桥使之输出为零，当有瓦斯气体时，瓦斯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一还原反应，引起元件温度升高，阻值增大，使原来平衡的电桥失去平衡，输出与瓦斯浓度相对应的电压信号，测量该电压信号即可知瓦斯浓度。2.3 A/D转换电路A/D转换器（analog digital converter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。2.3.1 A/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。如果用百分数表示分辨率，则分辨率为 （4-1）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 （4-2）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：u 12位二进制形式输出，并带有极性和溢出位；u 与TTL兼容，具有三态控制输出；u 具有通用控制信号端，能用来方便地监视和控制转换时间；u 片内有振荡器，只需外接晶体或RC器件；u 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；u 真正的差分输入和差分基准电压；u 最大运行速度为每秒转换30次；u 所有输入都具有防止静电的保护措施；u 双电源供电；u 输入阻抗为1012；u 功耗为20mw；2.3.2 ICL7109芯片简介图2-4 ICL7109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。 19脚：（为低），高4位及极性位、溢出位选通端，低电平有效。 20脚：/，片选端，低电平有效，并同时配合21脚MODE信号工作。 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+2.8V，经电阻分压输出。 30脚：BUF，缓冲放大器输出端，接积分电阻。 31脚：AZ，自零电容端，接自零电容。 32脚：INT，积分器输出端，接积分电容。 33脚：COM，模拟公共端。 34、35脚：INLO、INHI，差分输入低端与高端。36、39脚：REF IN+、REF IN-，基准电压输入正端与负端37、38脚：REFCAP+、REFCAP-，基准电容输入端。2.3.3 A/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MQ-KT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。图2-5 A/D转换电路前面我们已经分析过气体传感器MQ-4完全符合此次设计的要求，所以在这里MQ-KT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（主要用于判断传输数据的正误），我们将，分别接至单片机的P2.6和P2.7，同时将7109的片选端接至P1.7容易得知当P1.7为低（也就是说此时7109被选中可以进行数据的传输）且P2.6为低时低8位数据进行传输，而当P2.7为低时高4位数据进行传输。图3-4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 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4.096V满刻度输入电压，取比较合适。类似地，电阻对应于409.6mV满刻度输入电压。一般可以由下式选择： （4-3）针对于我们此次的设计，由于ICL7109输入电压是与MQ-4的输出电压相连的，而MQ-4的输出电压处与0.30.6V之间，所以我们电路的积分电阻值选为。2积分电容的选择 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0.3V)。对ICL7109加5V电源，模拟公共点接地，积分器输出摆幅一般为3.54V。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： （4-4）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4.096V，RINT20 K。此时，CINT在0.10.5uF之间选择，一般选0.33uF较好。3自零电容的选择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409.6mV的满刻度输入电压，值选为的两倍最佳。对于4.096V的满刻刻度输入电压，值应为的一半。所以1/2CINT又因为上面我们计算出来的CINT0.33uF。所以0.15uF4基准电容的选择在大多数应用场合，选为1uF最合适，但系统如果存在着较大共模干扰时，对于409.6mV的满刻度输入，可将值选得大一些，例如取4.7uF。5基准电压的选择 对模拟输入要求满度输出4096个时钟数时，应满足的关系。即对于满度输入409.6mV，204.8mV；对于满度输入409.6V，2.048V。但在有些应用场合，A/D转换的输出不一定是满度量程，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(2.8V)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2.5 V基准电压，保证了转换的温度稳定性和精度。2.4数据显示电路2.4.1 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2-6所示。A-g和dp为8个发光二极管，其中a-g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2-6 LED引脚图各段码位的对应关系如下：段码位D7D6D5D4D3D2D1D0显示段dpgfedcba表2-2 段码位与显示位对应关系表字型和对应的共阴极段码如下表：字型共阴极段码字型共阴极段码03FH96FH106HA77H25BHB7CH34FHC39H466HD5EH56DHE79H67DHF71H707H空白00H87FHP73H DEC 47H查出显示码送P2口并调用显示延时2ms选通个位,显示码表地址送DPTR从70H取出显示码送累加器A显示延时计数器47H等0么？ DEC 47H查出显示码送P2口并调用显示延时2ms选通个位,显示码表地址送DPTR从70H取出显示码送累加器A显示延时计数器47H等0么？表2-3 十六进制数及空白字符与P的显示段码2.4.2 数据显示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输出口，一种用于输出显示段码，另一种用于输出位控信号。“位控”实际上就是对LED显示器的公共端进行控制，位控信号的数目与显示器的位数相同。图2-7 显示电路设计显示电路设计为四位LED，由单片机89S51的串行输出口经串行输入转并行输出来控制段选，位选接在P1口的P1.3P1.6。这种设计是为了采用动态显示方式。2.5按键电路此次设计的瓦斯浓度报警仪应具备两种基本功能，一是随时输入报警上限值，二是随时对当前的报警上限值进行修改，要实现这两种功能，可以接入键盘输入电路。将按键分别直接与单片机的P2口的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3连接，分别控制改变数字显示器的个位、十位、百位、千位。 图2-8 按键设计电路2.6电源电路在此次设计中我们所用到的电源只有5V，所以我们只需设计5V的电源即可。电源部分电路由220v 交流电经整流, 滤波, 稳压后得到的，电路如下所示：图2-9电源电路2.7声光报警电路声光报警电路是由蜂鸣器和发光二极管组成的，用P1.0和P1.1作为声光报警电路的使能信号输出端。为了提高声光报警电路的驱动能力均加有74LS04反向驱动器同时为了保证电路可靠工作加了限流电阻。其中蜂鸣器我们采用+5伏直流蜂鸣器，其属于无源蜂鸣器，内部封装有音频振荡电路只要外加+5直流电源电压即可起振发声。当采集到的瓦斯浓度超过预先设定的上限值时，系统发出声光报警信号。声光报警电路如图2-10所示。图2-10声光报警电路第三章 系统的软件设计软件设计编制的程序易于调试、修改，可读性好，软件的设计是一个将需求转变为软件陈述的过程。系统软件设计采用自顶向下、模块化、结构化的程序设计方法，把总的编程过程逐步细分，分解成一个个功能模块，每个模块相互独立，其正确与否不依赖其它模块，每个模块都能完成一个明确的任务、实现某个具体的功能。3.1 主程序单片机系统上电后，首先要对系统进行初始化，初始化程序包括内存空间的分配、初始变量的设置、设定堆栈指针等。正常初始化后开放定时器