基于at89s52单片机的煤矿瓦斯监测系统的研制.doc

基于at89s52单片机的煤矿瓦斯监测系统的研制.txt偶尔要回头看看，否则永远都在追寻，而不知道自己失去了什么。男人掏钱是恋人关系，女人掏钱是夫妻关系，男女抢着掏钱是朋友关系。男人爱用眼睛看女人，最易受美貌迷惑；女人爱用心看男人，最易受伤心折磨。江苏大学硕士学位论文基于AT89S52单片机的煤矿瓦斯监测系统的研制姓名：王天福申请学位级别：硕士专业：农业电气化与自动化指导教师：陈志刚20070611江苏大学硕士学位论文摘要能源工业是国家经济发展的命脉，近年来，随着石油资源的紧张、石油价格的飚升，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生产形势却不容乐观，尤其是重、特大伤亡事故屡见报端。在这些事故中，瓦斯爆炸又占绝大多数。这其中，固然有很多诱发因素，但各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频发的重要原因之一。本课题采用镇江中煤电子有限公司研发的无火焰燃烧式气体传感器，以AT89S52单片机作为硬件电路核心，研制煤矿瓦斯(CH4)监测系统，开发出实现对CH4的识别、浓度监测、闽值报警以及实时上传数据至地面监控PC，通过串口通讯软件界面显示。论文首先阐述了CH4监测系统的发展及现状，通过对无火焰燃烧式CH4传感器的原理分析确立了系统的研发方向；接着介绍了监测系统的设计要求，由于煤矿井下工作环境特殊，空间狭窄，湿度大，有易燃易爆的瓦斯和煤尘，所以，煤矿电气设备必须符合防爆要求，应有接地、过流、漏电保护装置。在此基础上，详细论述了瓦斯气体监测系统的硬件电路设计与系统软件设计及实用分析。本课题采用具有较高性价比的单片机AT89S52构成煤矿气体监测系统的核心部分，根据气体传感器测量的信号，实现对CH4的成分识别和浓度测量；使用按键面板输入外部命令；采用ATMEL公司的Data Flash存储器AT24C02存储设定的参数及大量的测量数据；采用RS-485协议，实现数据远传，由地面串口通讯软件接收处理。串口通讯软件对单片机而言意义重大，不但可以实现将单片机的数据传输到电脑端，而且能实现电脑对单片机的控制。本文设计开发的串口通讯软件，是煤矿气体监测系统标定及其与PC机江苏大学硕士学位论文之间通讯的配套工具。基于串El通讯协议，使用该软件可以通过Pc机实时监控煤矿气体监测系统的运行状态，读取系统存储器中的数据， 并可实时显示系统监测到的不同环境下的气体浓度，运用PC强大的数据处理能力分析保存数据，并通过串1：3通讯软件将所测量的结果显示到软件界面，便于工作人员更直观地了解井下的工况，实施相应处理与控制。关键词：传感器：煤矿；数据采集；串口通讯江苏大学硕士学位论文Abstract Energy industry is the vitals of our countr3fls economy developmentIn recent years，in company with petroleum resources shortage、petroleum prices grow rapidlyThe importance and unsubstitutability of coal industry increase everydayBut Chinese coal industry safety in production refuse optimism，as serious casualty repeatedly appeared in the newspaperGas explosion occupy the most part of those accidentIt is sure that many factors caused that,but each colliery enterpriseS lack of safety monitoring equipment、ladder ofmanagement lag are the one ofsubstantial reasons The dissertation adopt fireless burning gasses sensor that designed by Zhenjiang Zhongmei electronic compang developed a instrument that call detect the CH4 aerometry,as well as whether the consistency reach the alarm threshold，then send the data to the monitoring PC，USe the powerful data analysis ability of PC and grey theory to forecast the CH4 aerometry First ofall，the dissertation expounds the development and actuality ofCH4 instrumentationThen introduce the design requirement of the instrumentation，because collierys underground working envffonmenfs high humidity、has flammable and detonahle gasses and smut，particularly with other locations working environmentSO the electric installation must conform blast protection requirement and must have grounding、overflowing、creepage protectorAt mird chapter,the dissertation elaborated the CH4 detection instrumentS hardware and softwareThe whole detection instruments hardcore is SCM AT89S52，according to the signal detected by the gas sensor to identify the ingredient“the air and the Use eight LED nixie tube to display the gas consistency of CH4Use keyboard panel to input the external command；Adopt Data Flash AT24C02 produced by ATMEL to store the parameters and substantive dataUse III江苏大学硕士学位论文eight LED nixie tube to display the gas consistencyUnder the PC controlled modeadopt RS一485 protocol to realize the data being sent to the serial port communication softwareThe serial port communication software means lot to the SCM，not only realized data transfer,but also realize the SCM be controlled by PCThe serial port communication software is the useful tool for the instrument calibration and communication between SCM and PCBase 011 the serial port communication protocol，the using of software could monitoring the status of the gas detection instrument all the timefetch stored data in the flash，and call show the real-time CH4 value，SO the worker Can know the environmentS statuS all the time Key words：sensor；coal mine；data collection；serial communication江苏大学硕士学位论文学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密回。铄签占月师教7 年导一力7 。侈1哆日签者乡月作E 姘啤论位易1 学江苏大学硕士学位论文独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：Z乏枷日期：b年月，日江苏大学硕士学位论文第一章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T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小断延伸，安全隐患越来越多。瓦斯事故特别是重、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其晕要，对易燃易爆混合气体监测系统的研究和开发也成为人们一直关注的问题。11煤矿气体监测系统概述煤矿气体监测系统是能够监测矿井环境中瓦斯气体的浓度，具有报警功能并能实现数据远传垒地面监控室PC的系统。本课题中完整的煤矿气体监测系统由以下五个部分组成： 1) 气体传感器：能感知环境中甲烷气体及其浓度的一种敏感元件，它能将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号2) 显示单元：根据测量信号，由单片机将待显示数据按相应方式进行数据传输给显示处理模块显示于仪表3) 声光报警单元：当监测气体浓度超出设定报警值时，发出声光报警： 4) 通讯单元：将采集数据通过RS-485通讯方式进行数据通信5) 数据采集分析软件；运用vc+编写串口通讯软件，实现气体数据的采集、分析及保存煤矿气体监测系统其他的技术参数还有存储数据性能、传输数据性能、使用寿命与可靠性等。气体传感器是煤矿气体监测系统的重要组成部分，就其原理可以分为四大类： 光学类气体传感器、电化学类气体传感器、高分子材料类气体传感器及电学类气体传感器。利用气体的光学特性来监测气体成分和浓度的传感器为光学类气体传感器，根据具体的光学原理可分为红外吸收式、可见光吸收光度式、光干涉式、江苏大学硕士学位论文化学发光式和试纸光电光度式、光离子化式等气体传感器。电化学类气体传感器是利用电化学性质的气体传感器，该类气体传感器包括：定电位电解式、伽伐尼电池式、同体电解质等种类的气体传感器。高分子气敏材料气体传感器主要有高分子电阻式、高分子电介质式、浓差电池式、声表面波式、石英振子式等。利用材料的电学参量随气体浓度的变化而改变的特性制作的气体传感器为电学类气体传感器。这类气体传感器又可分为电阻式和非电阻式两大类，其中非电阻式气体传感器是利用材料的电流或电压随气体含量变化的特点而制成的传感器“1，主要包括MOS-极管式、结型二极管式和场效应管式，而电阻式气体传感器则通常主要有接触燃烧式、热导式、半导体气体传感器等等。世界上发达国家用于煤矿井下易燃易爆气体监测的方式主要有光干涉式、载体催化燃烧式两种。光T涉式气体监测仪表是利用了光的干涉原理实现对已知待监测气体浓度的测量。比较典型的产品有矿用光干涉型CH4气体监测仪，它是利用不同种类、不同浓度的气体对光的折射率不同这一性质，针对CH4气体设计适当的光路系统，把CH4气体浓度的变化转换成光的干涉条纹的位置变化。具体地说，就是采用一个光源，经过适当的光学设计，使其分解为两列光波，一路通过标准空气窜，另一路穿过采样气室后在某处相遇，此时由于满足光的相干条件， 从而产生丁涉条纹。把两气窜都充有空气时的干涉条纹作为初始位置，当CH4气体充入采样窜后，由于光程差的结果，干涉条纹会相对于原位置移动一段距离， 并且这个距离将随CH4气体浓度的不同而产生相应的变化。因此只要测量该位移量，就可以获得CH4在空气中的含量。该测量仪测量范围大，使用寿命长，但仪器设备大，价格高，测量不直观，而且无法与监控系统连接，因此在煤矿中的使用量逐年减少。在这二种气体监测仪表中，载体催化燃烧方式监测可燃气浓度的方法冈其线性和稳定性较好，以爆炸下限百分体积浓度为单位的浓度标度方法能统一衡量各种可燃气浓度所呈现的爆炸危险度，且量程符合工业要求，故被较多的用于爆炸危险场所可燃性气体的测量。该监测方式使用催化载体型气体传感器作浓度的榆知器，该元件由铂丝上烧结一层陶瓷载体(如Al。0。)后再涂覆催化活性物(Rh，Pd等)构成。当Pt丝中通以工作电流使之达到临界反应温度(320-350。C) 时，可燃气在元件表面催化燃烧使Pt丝电阻增加”1，在完全燃烧且热辐射可忽略时，电阻增量R与可燃气浓度C成正比，即有江苏大学硕学位论文ARe=tt*a*C+QC,-k,c，(缸=口aQCP) (11) 口a，Q，c。分别为Pt电阻温度系数、催化剂性能常数、可燃气燃烧热、元件热容，故k，是仅与元件及可燃气种类有关的常数。将R，转换成电信号，通过这一阻值变化，转换为电压变化，从而通过AD转换可得到被测气体的浓度值。12煤矿气体监测系统的国内外发展状况伴随气体传感器的发展，气体监测仪器不断更新。其类型根据监测对象可分为可燃性气体监测仪、毒性气体监测仪和氧气监测仪等；从仪器结构和方法上分为袖珍式、便携式和同定式。袖珍式仪器的采样方法为扩散式，用于在危险环境中的丁作人员随身携带：便携式仪器用象吸式采样，用于监测人员定期安检：固定式仪器用于煤矿升下同定地点气体监测。世界再国也均有煤矿瓦斯气体监测的系统，如波兰的DAN6400、法国的TF200、德国的MINOS和英国的Senturion一200等，其中全矿井综合监测控制系统有代表性的产品有美国MS公司生产的系统，德国BEBRO公司的PROldOS系统。但是这两种系统只足基于井下监测，并无数据上传，不能实现智能化监控。我国监测监控技术麻用较晚，80年代初，从波兰、法国、德国、英国和美国等引进了一批安全监测系统，装备了部分煤矿；在引进的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况，先后由重庆煤科院、辽宁抚顺煤科院等国内知名煤矿科学研究所研制出KJ2、KJ4、KJ8、KJIO、KJl3、KJl9、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92、KJ95、KJl01等煤矿有害气体监测系统，在我国煤矿已有大量使用， 但其中很大一部分仪表的传输数据是模拟方式，将气体浓度转化为脉冲量，易受矿弗下强电磁设备T扰，造成监测结果不准确，易出现误报警等现象。13本课题的研究意义我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一。虽然通过煤炭生产、加T和利用等各个环节，提供了相当多的就业机会，但每个环节却同时带来了环境污染、安全等一系列的问题。其中之一便是有害气体影响，包括CH4，CO，SO。等。后两种气体含量少，RSOz易溶于水，经煤江苏大学硕士学位论文矿开采时的喷水处理后变成酸。但是CH4气体含量多，且几乎不溶于水，属于易燃易爆气体，发生爆炸事极易造成人身伤害。因此，认识并研制监测这种气体的新型系统，显得非常霞要。瓦斯(CH4)是在成煤过程中形成并大量贮存于煤层之中的气体，是煤矿井下危害最大的气体。瓦斯是一种无色、无味的气体，密度为07167kgm3，对人体的危害是超限时能引起人窒息死亡。其有易燃、易爆等特点，因此煤矿对瓦斯的治理麻非常重视。瓦斯的灾害主要表现为四个方面。第一、瓦斯浓度过高，对工人身体健康的影响表现为缺氧，呼吸困难，窒息等。第二，瓦斯煤尘爆炸，瓦斯爆炸所产生的巨大冲击波和高温火焰，往往导致群死群伤，而且扬起的煤尘又会参与爆炸，摧毁巷道，毁坏设备，甚至毁灭整个矿井，给国家和人民生命财产造成巨大损失。第二、煤中瓦斯突出。突出直接影响着工人的人身安全。第四、大量的瓦斯从通风井排入大气，污染大气环境。我国煤矿的瓦斯灾害是比较严蘑的，瓦斯灾害始终是煤矿安全生产的大敌， 日前已成为制约煤矿安全生产的主要矛盾。因此，研制先进适用的煤矿气体监测系统对煤矿丁业安全生产，减少事故发生和生命财产损失有重要意义，市场应用前景十分广阔。14本课题的主要工作内容目前国内有一些用于煤矿中CH4气体的监测系统，但是很少有能实现数据上传做到实时监测，本文针对煤矿气体监测系统的现状及发展趋势，阅读了大量文献及资料，研发了煤矿气体监测系统主要T作包括： I)甲烷气体传感器的选用及实验2)单片机的选用3)系统硬件电路的设计4)系统软件的设计5)通讯方式及通讯协议设计6)终端数据采集及显示软件的设计7)系统测试及实验数据记录、分析4江苏大学硕士学位论文第二章煤矿气体监测系统设计的特殊要求及设计原理本课题的研究日标，是设计一种能够有效监测煤矿瓦斯气体的监测系统，并可以将实时数据上传垒地面监控电脑，实施控制。为此，应根据煤矿工作环境及煤矿巷道中气体监测系统使用的特殊要求进行系统设计。21系统设计要求211技术指标要求本课题对煤矿气体监测仪表及其所用气体传感器在技术指标上的要求如下1)麻用环境：煤矿气体监测2)监测对象：监测甲烷气体3)测量范同：甲烷0一lo 4)灵敏度：0oi 5)响麻时间：30s 6)功耗：lOOmW 7)环境T作温度范围：-20一+70C 8)环境T作湿度范围：2mY (M：灵敏度) 4传感器对多种可燃气体的敏感特性图222表示CH4气体敏感元件对各种气体的反应关系，从图上我们可以看出敏7江苏大学硕士学位论文感元件输出电压与对各种气体浓度之间具有较好的线性关系。氢T烷丙烷历乏甲烷歹 0 059 I0 1战2嘣2嘣圈222输出vo在不同气体及浓度下的变化曲线5温湿度的影响1)恒定湿热试验：40C，95RH，96小时(见图224)。Y轴表示vo的输出电压值。薹12 塞1； 。 震l f t 、9_d“+Hp_。20ain,80Mir,4h 24h 48h h 圈2,23恒定湿热实验图B 5 43 21 0 管江苏大学硕士学位论文代表传感器输出山现振幅在025V之删的振荡波型，见图225 0 04 ； l (，X删 用224-40C传感器震荡曲线图6高浓度甲烷实验将O一7#传感器置于10的甲烷环境中2小时，放气前后的数据状态。表22 高浓甲烷实验放气前后的数据O撑1# 2# 3# 4 5群甜体单位空气9 10 9 7 3 8 8 5 mV 06CH4 16 18 17 15 13 19 20 14 mV 1062CH4 516 518 513 498 482 513 51l 502 V 10CH4(5小时后) 50l 502 500 500 478 503 502 498 V 7稳定性1)初始稳定性a在空气中的初始稳定性： 贮存一周到一年的元件初始零点输出可能不为零，只需在工作点电压稳定十分钟后输出零点将归零； b在气体中的稳定性： 贮存周到一年的元件刚开始T作时灵敏度可能达不到最佳点，只需在工作9江苏大学硕士学位论文点电压稳定二十分钟后输出灵敏度将复原2)长期稳定性25 20 奄15 蚤10 蒋：-5 0 222单片机型号的选择时问(年) 圈2 25长期稳定性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、家用电器以及嘲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。正冈为如此国内外多家电子生产厂商把目光投向了单片机的生产，其中最为著名的当数INTEL公司生产的MCS-51系列单片机。单片机型号的选择是根据控制系统的目标、功能、可靠性、性价比、精度和速度等来决定的。根据本课题的实际情况，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T扰能力。由于甲烷气体监测传感器处于煤矿矿井巷道中， T作环境比较恶劣，以及实际的运行工况比较复杂，这些都对单片机的干扰较大， 所以廊采用抗T扰性能较好的单片机机型；二是要有较高的性价比。由于5l系列在我国使用晟广且该系列的资料和能够兼容的外围芯片也比较多，特别是ATMEL公司2003年推出的新代89S系列单片机，其典型产品AT89S520单片机具有较高的性能价格比。本文采用ATMEL公司生产的AT89S52单片机作为监测系统的核心部件，AT89S52单片机是AT89S系列单片机中的一种，它是在现己广泛应用于T业控制等各领域的AT89C52系列单片机的换代产品。它具有89C52的全部功能，是80C51的增强型并且指令完全兼容，AT89S52新增加的功能由特殊功江苏大学硕士学位论文能寄存器完成。相信日后它将更广泛地应用于工业控制、汽车控制、智能仪器仪表及电机控制等席用领域。223 AT89S52单片机的特点1)兼容MCS一5l单片机2)8K宁节FLASH存贮器支持在系统编程ISPl000次擦写周期3)256字节片内RAM 4)T作电压4OV到6OV 5)全静态时钟OHz到33MHz 6)二级程序加密7)32个可编程IO口8)3个16位定时计数器9)6个中断源lO)上电复位标志11)完全的双T UART串行口12)低功耗支持Idle和Powerdown模式13)Power down模式支持中断唤醒14)看门狗定时器15)双数据指针此外，与AT89C52相比，AT89S52新增加了许多功能，这将使单片机在工作过程中具备更高的稳定性和电磁抗干扰性。首先，AT89S52内部增加了片内看门狗定时器，这将有利于坚周用户应用系统，提高系统可靠性：其次，AT89S52独有的双数据指针使数据操作更加快捷方便；再次，AT89S52运行速度更高，最高晶振可达到33MHZ：最后，AT89S52支持ISP(InSystem Programming)在线下载功能。AT89S52中ISP引脚共有4个：RST、MOSI、MISO和SCK。用户可以直接替换应用系统中的AT89C5152，而软件硬件均不需作任何修改，这给正使用AT89C52单片机的用广更新换代带来许多方便。正冈为AT89S52单片机增加了高可靠性、安全性的功能，所以能避免因外部芯片扩展过多或传感器输入信号过多而引起的信号失真、电磁干扰等现象的发江苏大学硕士学位论文生。闵此用它作为甲烷气体测量可以满足监控、信息传送的要求。而且，从经济性的角度来看，AT89S52不但硬件结构简单，而且价格低、功能强、性价比高， 符合我国T业设计制造的要求。江苏大学硕士学位论文第三章基于气敏元件的煤矿瓦斯监测系统设计与试验本章将介绍基于甲烷气体传感器的气体监测系统的系统原理框图，及其整体协调T作实现的功能；系统的硬件电路设计及其主要功能模块；系统程序流程等内容。31系统原理框图基于气体传感器的甲烷气体监测系统主要由气体传感器、单片机、数据存储器以及LED显示器以及RS一485通讯接1：3等部分组成，其原理框图如图31所示。采用单片机AT89S52构成煤矿气体监测系统的核心部分，根据气体传感器及测量的信号，实现对CH4的成分识别和浓度测量；使用按键面板输入外部命令；采用ATMEL 公司的DataFlash存储器AT24C02存储设定的参数及大量的测量数据；通过8只8 段LED数码管显示气体浓度；也可以在Pc机控制模式下，采用RS-485协议，实现数据远传。田31系统硬件原理框圈江苏大学硕士学位论文32系统硬件设计能。系统硬件设计原理图见附录A，下面介绍其主要组成部分以及它们实现的功31系统电源该系统系统电源电路图如图32所示，Vin是外部输入电源，采用的是12V3A 的直流电源。c2，c4的作用是对LM317电压调节端(ADJ)的电压进行滤波，以提高输出电压的稳定性；D1、D2起保护作用，当有意外情况使得LM317的Vin电压比Vout电压还低的时候，防止从c3C4上有电流倒灌入LM317；起其损坏。整个系统用电可以划分为两部分：HVCC是LED显示器模块、气体传感器加热、传感器信号监测回路及AD转换参考电源模块输入需要的958V3：作电压：VCC是单片机等集成芯片需要5V的T作电压。电源部分的核心器件是二端可调输出集成稳压器LM317。LM317是美国国家半导体公_J的二端可调整流稳压器集成电路，输出电压范围是I25v至37v，负载电流最大为I5A。它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压，此外线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。内置过载保护、安全区保护等多种保护电路。输出引脚3与调节引脚i之间保持125V的参考电压Vref，并且引脚3为正端。当调节端接地时。输出端输出I25V。由Vin端提供工作电压以后， 便可以保持Vout端(3脚)比ADJ端(1脚)的电压高I25V。因此，只需要用极小的电流来调整ADj端的电压，便可在Vout端得到比较大的输出电流，并且输出电压比ADJ端电压高出恒定的I25V。LM317的输出电压=125x(I+ADJ端到地的电阻AIU端到Vout端的电阻)。通过调整接入ADJ端和Vout端电阻的比值，来改变输出电压。值得注意的是，LM317 有一个最小负载电流的问题，即只有负载电流超过某值时，才能起到稳压作用。这个电流随器件的生产厂家而有所差异，一般在38mA不等，可以通过在负载端接一个合适的电阻来解决。依据LM317的输出电压计算公式，可以得到图32中LMI 的输出：江苏大学硕士学位论文VCC吲每D 其中：v，。r：125V，Rl=1000Q，R2=150Q。数据代入上式得：HVCC=958V 另外LM2的输出： VCC=啪+争(32) 其中：V。产I25V，融=460Q，R4=150Q。数据代入公式得到：VCC=508V。品1一J23 I ；陌习3 缸P图32系统电源电路田32气体传感器加热及其信号采样气体传感器加热及其信号采样电路图如图33所示，由LM317提供加热电压。其中HVCC是输入电压，vE是气体传感器的加热电压，VH是监测回路的工作电压， GND为气体传感器加热地，Vss为信号采样地，Rs为气体传感器的敏感体电阻，R。为取样电阻。传感器加热电压高，加热丝的电阻值小，这样势必导致流经加热回路的电流大；另外，为了方便测量，传感器探头电路与仪表数据处理电路不在同一个电路扳上，而是用了比较长的数据线相连。如果采样地与加热地共用一条回路，采样地就会流过较大的电流，这样就能在信号采样线上产生很大的压降，从而导致采集的信号受信号采集线的长短影响较大。必须把加热地与信号地分离开，才能降低T扰。依据LM317的输出电压计算公式，可以得到： D VE=(1+(33) n2 其中：V。=125V，R=470QR：=1500。数据代入公式得到：vE517V。江苏大学硕士学位论文图33气体传感器加热及信号采样电路田模数转换芯片选用的是美国模拟器件公司(Analog Devices)生产的一种低功耗io位高速串行AD转换器AD78lo，其转换精度为可岳=而1嚣。模数转换时 参考电源的稳定性很霞要，在奉系统中外部电源是f11TL431及其外围电路供给。根据欧姆定律得到气体传感器的输出电压： =彘册(34) 经AD转换后，换算出气体传感器输出电压： =岳阴(35) 其中：V。是AD的转换结果。由以上两式联立得： =。彘=南附(3-e， 上式化简得到： 岛=惫吃” (37) 从上式可以看出。Rs与采样回路电压vH无关，只要保证参考电压VH稳定就可以。如果确定了采样电阻RL以及AD转换结果，就可以得到气体传感器得敏感体电阳艮。江苏大学硕士学位论文323传感器信号监测回路及AD转换参考电源传感器信号监测回路及A1)转换参考电源电路图如图34所示，主要由三极管和TL43 1组成。TL431是TI公司生产的一个有良好的热稳定性能的三端可调精密电压基准集成电路，引脚分别为：阴极(CATHODE)、阳极(ANODE)和参考端(REF)；输出电乐范同是25VN30V；典型动态阻抗为020，输出杂波低。在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。该器件内部有一个的25V基准源vI，接在内部运放的反相输入端。由运放的特性可知，只有当REF端(同相端)的电压非常接近VI时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化。通过三极管的电流将从l到lOOmA变化。当在REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范同的分流来控制输出电压。需要注意的是，在选择电阻时必须保证TL4311作的必要条件，即通过阴极的电流要大于llA。图34中，R和风对vH的分压引入反馈。若输出增大，则反馈量增大，TL431 的分流也就增加，从而又导致VH下降。可见，这个深度的负反馈电路必然在VI 等于基准电压处稳定，此时TL431的输出： o 掰=(1+(38) 其中：v，。r：25VR。=200 Q，P。=1000 o。数据代入公式得到：VH-3V。为了降低系统功耗，用单片机ION控制该电源的工作状态。当IO为高电平”I”时，NPNZ极管Q，导通，其集电极为低电平，从而使PNP-极管Q2基极拉低， Q，导通，其射极输出高电平，这样就能满足TL431的工作条件，从而可以得至IJVH=3V 的输出电，R；当IO为低电平“0”时。NPN-极管Q。截止，其集电极为高电平， 从而使PNP-极管Q：基极为高，Q：截止，这样不能满足TL4311作条件，得NVH=OV 的输出电压。江苏大学硕士学位论文圈34传感器信号监铡回路及AD转换参考电源电路圈324模数转换芯片AD7810的原理及应用C2 16V 22u AD7810是美国模拟器件公司(Analog Devices)生产的一种低功耗10位高速串行AD转换器。该产品有8脚DIP和SOIC两种封装形式，并带有内部时钟。它的外围接线极其简单，AD7810的转换时间为2 u s，采用标准SPI同步串行接口输出和单一电源(27V55V)供电。在自动低功耗模式下，该器件在转换吞吐率为IkSPS时的功耗仅为27 p w。1AD7810引脚功能AD7810引脚排列如图I所示，各引脚的功能如下： I脚CONVST：转换启动输入信号2脚VIN+：模拟信号同相输入端3脚VIN-：模拟信号反相输入端4脚GND：接地端口5脚VREF：转换参考电压输入端6脚DOUT：串行数据输出端7脚SCLK：时钟输入端8脚VDD；电源端江苏大学硕士学位论文OIvST Vin+ Vin一6勘I VDD SQ工Dmzt Vref 圈35 A1)7810引脚功能2AD7810主要参数1)分辨率：10位二进制2)转换时间：2u s 3)非线性误差：1LSB 4)电源电乐范嗣：27-55V 5)电源功耗：高速方式时为175mW，低功耗方式时为5 u w 6)参考电压Vm?范围：12VVDD 7)模拟电压输入范同：OVVref 8)输出形式：SPI同步串行输出，与TTL电平兼容。3AD7810的丁作模式31高速模式图36是AD7810 T作在高速模式时的时序图。在此模式下，启动信号CONVST 一般处于高电乎。在CONVST端输入一个负脉冲，其下降沿将启动一次转换。若采用内部时钟，那么，转换需要2p s的时间(图中t1)。当转换结束时，AD7810 会自动将转换结果锁存到输出移位寄存器中。此后，在每一个SCLK脉冲的上升沿，数据按由高到低的原则(首先发送DB9，最后发送DBo)依次出现在DOUT上。如果在转换还未结束之前就发出SCLK信号来启动数据输出，那么， 在DOIJT上出现的将是上一次转换的结果。江苏大学硪士学位论文SCLK DoLt 圈36 AD7810高速模式时序图启动信号CONVST应在转换结束前变为高电平，即t2应小于tl，否则器件将自动进入低功耗模式。另外，串行时钟SCLK的最高频率不能超过20MHz。32自动低功耗模式图37是AD7810 T作在自动低功耗模式时的时序图。在此模式下，启动信号CONVST为低电平时，器件处于低功耗休眠状态。当在CONVST端输入一个正脉冲时，可在其上升沿将器件从休眠状态唤醒，唤醒过程需要1 p s的时间(图中t2)。当器件被唤醒后，系统将自动启动一次转换，转换时间也是2p s(图中t1)。转换结束时，AD7810将转换结果锁存到输出移位寄存器中，同时自动将器件再一次置于低功耗状态。9cLX Dolt 圉37D7810自动低功耗模式寤动信号CONVST正脉冲的宽度(图37中t2)应小于1 u s，否则器件被唤醒后将4i会自动启动转换，而是梅AD转换的启动时间顺延至CONVST的下降沿处。自动低功耗模式是AD7810的一大特色，一般当数据吞吐率小于IOOkSPS时， 席使器件丁作在此模式下。在5v电源电压下，当数据吞吐率为IOOkSPS时，器件的功耗27mW：而当数据吞吐率为IOkSPS时，功耗为270 uw；若数据吞吐率为lkSPS，则其功耗仅27“w。江苏大学硕士学位论文4AD7810的麻用电路AD7810应用时几乎不需外围元件。图38所示是其应用电路，其参考电压Vref 连接全参考电源VH，模拟输入VIN一接至GND，而待由气体传感器输出的信号从VIN+输入。AI)781n AT89S52 用38 AD7810应用电路AD7810几乎可与各种MCU进行接口，图38中的WCU可以是5l系列或PICl6C6X7X单片机。在本论文中AD7810与AT89S52接口时，电路采用的是一种模拟串口方式，AD7810的SCLK、DoUT和CONVST分别接至AT89S52的P15、PI6和P17，只要严格按照AD7810的时序要求操作，一般接口都不会有问题。这种方式实际上可扩展到所有的MCU种类。另外，AT89S52也可利用其串行口工作方式0与AD7810进行通讯(图中未画出)，但这时应解决好两个问题；一是由于AT89S52在TXD的上升沿进行采样，这样，TXD应经过一个反相器再接到SCLK， 而将RXD接全Dout，然后将CONVST接至任意一个输出端口。二是AT89S52串行口旨先接收低位数据，这一点与AD7810刚好相反，编程时需要注意。325 IIAX7219显示电路本课题中气体监测系统的T作环境是处于比较黑暗的矿井巷道中，所以不宜采用液晶显示模块，而采用了发光柔和的LED数码管作显示，显示颜色为红色。发光数码管的优点在于防潮防湿，温度特性极佳，而且有远距离视觉效果，很适合矿井下恶劣环境的需要。而我们使用的单片机AT89S52本身并无显示接口部分，需要外接显示的译码驱动电路。LED数码管显示有动态显示和静态显示两种方式。通常小管采用哪种显示方式，单片机往往都T作于并行IO或存储器方式。在奉课题的单片机数据采集控制系统中，利用MAXIM公司的串行接口8位LED显2l江苏大学硕士学位论文示驱动器MAX7219构成显示接口电路，仅需使用单片机3个引脚，即可实现对8 位LED数码管的显示控制和驱动，线路非常简单，控制简单方便。1、姒X7219的功能和设置MAX7219芯片为MAXIM公司推出的串行输入输出共阴极显示驱动器，是用一个芯片实现以往用软件完成的动态显示电路扫描工作的器件。每片可控制显示8 个七段LED数码管、条形图或