单片机原理及接口技术课程设计(煤矿瓦斯监测仪设计).doc

I 辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 单片机原理及接口技术单片机原理及接口技术 课程设计 论文 课程设计 论文 题目 题目 煤矿瓦斯监测仪设计煤矿瓦斯监测仪设计 院 系 院 系 电气工程学院电气工程学院 专业班级 专业班级 电气电气0909 学学 号 号 090303xxx090303xxx 学生姓名 学生姓名 指导教师 指导教师 签字 起止时间 起止时间 2012 07 24 2012 07 062012 07 24 2012 07 06 本科生课程设计 论文 II 课程设计 论文 任务及评语课程设计 论文 任务及评语 院 系 电气工程学院 教研室 注 成绩 平时20 论文质量60 答辩20 以百分制计算 学 号学生姓名专业班级 课程设计 论文 题目 煤矿瓦斯监测仪设计 课程设计 论文 任务 该检测仪实时监测煤矿的瓦斯 当瓦斯浓度超过阈值时发出报警信号 并启动输出相 应的开关量信号 可以启动排风设备 检测仪由 AC220V 供电 设计任务 设计任务 1 CPU 最小系统设计 包括 CPU 选择 晶振电路 复位电路 2 传感器选择及瓦斯检测接口电路设计 3 报警电路以及工作电源设计 4 程序流程图设计及 程序清单编写 技术参数 技术参数 1 瓦斯浓度上限为 3 2 检测仪的工作电源为 220V 设计要求设计要求 1 分析系统功能 尽可能降低成本 选择合适的单片机 AD 转换器 输出电路等 2 应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图 3 按规定格式 撰写 打印设计说明书一份 其中程序开发要有详细的软件设计说明 详细阐述系统的工作过程 字数应在 4000 字以上 进度计划 第 1 天 查阅收集资料 第 2 天 总体设计方案的确定 第 3 4 天 CPU 最小系统设计 第 5 天传感器选择及瓦斯检测接口电路设计 第 6 天报警电路以及工作电源设计 第 7 天 程序流程图设计 第 8 天 软件编写与调试 第 9 天 设计说明书完成 第 10 天 答辩 指导教师评语及成绩 平时 论文质量 答辩 总成绩 指导教师签字 年 月 日 本科生课程设计 论文 III 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 此次设计的主要课题是瓦斯监测 报警器 从题目上看此次设计主要分两大部分来解决 一是煤矿瓦斯的监测 二 是系统的报警 文中首先阐述了CH4监测系统的发展及状况 其次着重介绍了我 们此次基于甲烷传感器MQ 5和单片机AT89C52的煤矿瓦斯监测报警器 本设计的 硬件电路包括浓度检测 A D转换 单片机系统 数据显示电路 串口通信及各 控制电路 软件设计包括浓度采集 数据转换及处理 动态显示及浓度控制等 通过软硬件的设计可实现对瓦斯浓度的监测并且当其浓度超过预警值时可进行声 光报警 可有效防止和避免瓦斯燃烧或爆炸的恶性事故发生 对避免人员伤亡财 产损失有着积极的作用 该装置具有经济实用 数据直观准确 适应性强等特点 可大量应用于煤矿井下作业现场 关键字 关键字 瓦斯报警系统 单片机 瓦斯传感器 本科生课程设计 论文 IV 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 煤矿瓦斯概况 1 1 2 本文研究内容 2 第 2 章 CPU 最小系统设计 3 2 1 瓦斯监测总体设计方案 3 2 2 CPU 的选择 4 2 3 CPU 最小系统图 7 第 3 章 瓦斯监测仪输入输出接口电路设计 9 3 1 瓦斯监测仪传感器的选择 9 3 2 瓦斯检测接口电路设计 13 3 2 1 A D 转换器选择 13 第 4 章 仪器硬件设计 16 4 1 硬件实现功能综述 16 4 2 硬件系统单元模块调试 16 第 5 章 系统设计与分析 19 5 1 系统原理图 19 5 2 系统原理综述 20 第 6 章 课程设计总结 23 参考文献 24 本科生课程设计 论文 1 第 1 章 绪论 1 1 煤矿瓦斯概况 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 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 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 因此对现场采矿的工作人员的生命安全造成潜在的威胁 特 别是针对瓦斯气体的检测和报警仍旧存在隐患 每年由于瓦斯泄露造成的特 大事故依然很多 据 中国煤炭报 统计 全国共有大小煤矿 60000 多个 从业矿工 800 多万 2 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 但由于某些技术上的不足 导致一些 关键问题至今没有能够解决 由于瓦斯气体本身的危险性和对人民生产生活 造成的巨大危害 因此瓦斯气体的检测和报警是一项非常必要的工作 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 度瓦斯和硫化物的中毒以及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 每 7 天校准一次 由于检测装置向更迅速更快 捷发展 方便携带等要求发展 传统的机械检测仪一般灵敏度和准确度也比 较低或者检测方法难 同时单片机既有通用计算机的基本部件 又不同于计 算机 1 体积小 能实时快速的对外部事件作出响应 迅速采集大量数据 做出逻辑判断与推理后实现被控对象的参数调整与控制 且能满足检测仪的 设计要求 所以基于单片机的智能瓦斯检测系统设计的开发有很大意义 因 此各国都采用智能煤矿瓦斯检测系统装置 运营单片机工作原理 它能提高 本科生课程设计 论文 2 煤矿瓦斯检测技术水平和检测的实时性 更能有效预防煤矿瓦斯事故的发生 电子技术的迅猛发展一方面带动了煤矿瓦斯检测系统技术的发展 一方面也 对煤矿瓦斯检测产品提出了越来越高的要求 智能煤矿瓦斯检测主要是依据 单片机为核心进行设计的 传感器设计的智能煤矿瓦斯检测系统速度快 体 积小 重量轻 可连续检测再加上气体传感器向低功耗 多功能 集成化方 向的发展 单片机具有受集成限制 片内储存量较小 可靠性好 扩展简单 控制功能强等特点 因此 基于单片机的智能煤矿瓦斯检测系统的研究和开 发生产具有十分广泛的现实市场和潜在的市场需求 3 随着单片机的广泛应 用 将大大促进各领域的技术更新 向自动化 小型化 智能化方向迈进 而且单片机内部具有 8 路 A D 转换和大容量的 ROM 和 RAM 不需要外部扩展 电路 硬件电路结果简单 维护方便 设计出了基于单片机的瓦斯传感器 系统由 单片机 瓦斯气体检测电路 A D 转换 液晶显示电路 声光报警 电路组成 以 52 单片机为核心构成一个具备数据采集 对象控制 结果显 示等功能的完整系统 1 2 本文研究内容 这次设计的主要内容与要求是 设计一个瓦斯气体安全监控装置 在气休浓 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 假设这个单片机气 体安全监控系统要实现以下的功能 气体测试 超过设定的门限值后自动报警装 置 以单片机为主机 气敏传感器通过一根口线与单片机相连接 再加上浓度控 制部分和人机对话部分来共同实现瓦斯安全监测与控制 通过显示器显示矿内瓦 斯浓度值并能通过上位机下位机实现与 PC 机之间的信息通信 及时准确地显示 井下瓦斯和氧气超限的实际情况 使安全局主要负责人对矿主 安检员 某些矿 的负责人进行监管 督促他们认真贯彻煤矿安全规程 实现自动监管功能 本科生课程设计 论文 3 第二章 CPU 最小系统设计 2 1 瓦斯监测的总体设计方案 针对此课题要求 现提出以下二种设计方案 总体方案一 基于 FPGA 的总体设计方案 按键控制 电路 通信电路 显示电路 报警电路 复位电路 FPGA 敏感元件 信号调理电路 A D 转换 图 2 1 总体方案一总体框图 方案一总体框图如图 2 1 所示 FPGA Field Programmable Gate Array 即现场可编程门阵列 它是在 PAL GAL CPLD 等可编程器件的基础上进一步发 展的产物 它是作为专用集成电路 ASIC 领域中的一种半定制电路而出现的 既解决了定制电路的不足 又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点 本系 统基于 FPGA 充分利用了它的功能 是一个效率比较高的设计方案 从框图可以 看出系统的核心处理模块几乎全是要经过 FPGA 系统可以分两个部分 前一部分 主要是关于传感器的信号 包括信号的监测和 A D 转换 气敏传感器输出的信号 送给 ADC0809 转换成数字量 最终送给 FPGA 来处理 FPGA 根据检测量的大小将 气体浓度显示到 LCD1602 上 当检测到的气体浓度超过设定值时 系统便会报警 4 该系统的可靠性强 容易实现 但 FPGA 作为核心电路 成本是其最大的障碍 因为本产品是要进入平常百姓家 不能在实际产品中的应用 总体方案二 基于单片机的总体设计方案 本科生课程设计 论文 4 时钟芯片 通信电路 显示电路 报警电路 复位电路 AT89C52 敏感元件 信号采集电路 A D 转换 图 2 2 方案二总体框图 方案二总体框图如图 2 2 所示 本系统是以单片机为核心 系统所要实现的 功能几乎与前面方案一样 具有信号的监控处理和报警显示 用单片机完全可以 取代了方案一的 FPGA 的功能 使整体的价格大幅度的下降 具有很高的实际开发 价值 气敏传感器的电路的处理使其精度可能受到周围的环境的影响比较大 方 案一也是一样 基于对第一套方案中 FPGA 不是特别熟悉同时较第一套方案 方案二更节能 节约成本 更简单精确可靠所以在本次毕业设计中我们采用方案二 2 2 CPU 的选择 本课题设计采用 CPU 为 AT89C52 AT89C52 是美国 ATMEL 公司生产的低电压 高性能 CMOS8 位单片机 片内含 8KB 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256B 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 与标准 MCS 51 指令系统 及 8052 产品引脚兼容 片内置用 8 位中央处理处理器 CPU 和 Flash 存储单元 功能强大 AT89C52 单片机适合于许多较为复杂控制应用场合 主要性能参数 与 MCS 51 产品指令和引脚完全兼容 8 字节可重擦写 Flash 闪速存储器 1000 次擦写周期 全静态操作 0Hz 24MHz 三级加密程序存储器 256 8 字节内部 RAM 本科生课程设计 论文 5 32 个可编程 I O 口线 3 个 16 位定时 计数器 8 个中断源 可编程串行 UART 通道 低功耗空闲和掉电模式 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 与 AT89C51 不同的是 P1 0 和 P1 1 还可分别作为定时 计数器 2 的外部计数 输入 P1 0 T2 和输入 P1 1 T2EX Flash 编程和程序校验期间 P1 接受低 8 位地址 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 在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器 例如执行 MOVX DPTR 指令 时 P2 口送出 8 位地址数据 在访问 8 位地址的外部数据存储器时 P2 口输出 P2 锁存器的内容 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 如下表所示 本科生课程设计 论文 6 表 2 1 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 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 PROG 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 PROG 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 PSEN PSEN AT89C52 由外部程序存储器指令 或数据 时 每个机器周期两次均有 PSEN 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 PSEN 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 EA 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 EA 器中的指令 在 Flash 存储器编程时 该引脚加上 12V 的编程允许电源 Vpp 当然这必 须是该器件是使用 12V 编程电压 Vpp XTAL1 振荡器反相放大器的内部时钟发生器的输入端 本科生课程设计 论文 7 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 特殊功能寄存器 在 AT89C52 片内存储器中 80H FFH 共 128 个字节为特殊功能寄存器 SFE 并非所有的地址都被定义 从 80H FFH 共 128 个字节只有一部分被定义 还有相 当一部分没有定义 对没有定义的单元读写将是无效的 读出的数值将不确定 而写入的数据也将丢失 不应将数据 1 写入为定义的单元 由于这些单元在 将来的产品中可能被赋予了新的功能 在这种情况下 复位后这些单元值总是 0 AT89C52 除了与 AT89C51 所有的定时 计数器 0 和定时 计数器 1 外 还增 加了一个定时 计数器 2 定时 计数器 2 的控制状态位位于 T2CON T2MOD 中 寄 存器对 RCA02H RCAP2L 是定时器 2 在 16 位捕获方式或 16 位自动重装载方式 下的捕获 自动重装载寄存器 2 3 CPU 最小系统图 图 2 3 单片机最小系统电路 单片机最小系统复位电路的极性电容 C1 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 本科生课程设计 论文 8 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 单片机最小系统起振电容 C2 C3 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 P0 口为开漏输出 作为输出口时需加上拉电阻 阻值一般为 10k 此次我们 用的也为 10k 其他接口内部有上拉电阻 作为输出口时不需外加上拉电阻 在设置为定时器模式时 加 1 计数器是对内部机器周期计数 1 个机器周期 等于 12 个振荡周期 即计数频率为晶振频率的 1 12 计数值 N 乘机器周期 Tcy 就是定时时间 t 在设置为计数器模式时 外部事件计数脉冲由 T0 或 T1 引脚输入到计数器 在每个机器周期的 S5P2 期间采样 T0 T1 引脚电平 当某周期采样到一高电平输 入而下一周期又采样到一低电平时 则计数器加 1 更新的计数值在下一个机器 周期的 S3P1 期间装入计数器 由于检测一个从 1 到 0 的下降沿需要 2 个机器周 期 因此要求被采样的电平至少要维持一个机器周期 当晶振频率为 12MHz 时 最高计数频率不超过 1 2MHz 即计数脉冲的周期要大于 2 ms 10 标识符号 地址 寄存器名称 P3 0B0H I O 口 3 寄存器 PCON 87H 电源控制及波特率选择寄存器 SCON 98H 串行口控制寄存器 SBUF 99H 串行数据缓冲寄存器 TCON 88H 定时控制寄存器 TMOD 89H 定时器方式选择寄存器 TL0 8AH 定时器 0 低 8 位 TH0 8CH 定时器 0 高 8 位 TL1 8BH 定时器 1 低 8 位 TH1 8DH 定时器 1 高 8 位 本科生课程设计 论文 9 第三章 瓦斯监测仪输入输出接口电路设计 3 1 瓦斯监测仪传感器的选择 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 本科生课程设计 论文 10 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 图 3 1MQ 5 接线图 本科生课程设计 论文 11 图 3 2MQ 5 外形结构图 MQ 5 气敏元结构形如图 3 2 所示 结构 A 或 B 由微型 AL2O3 陶瓷 管 SnO2 敏感层 测量电极加热器构成敏感元固定塑料或不锈钢制成 腔体 加热器气敏元提供必工作条 封装好气敏元有 6 只 针状管脚 其4 个于信号出 2 个于提供加热电流设计MQ 5接线如 图 3 1 所示 实际测量 以按照其等效电路计算相应校数值 其 Ro 表示测量气体腔体等效电阻 RL接载电阻 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 0 5V RL调整至该范围 保证测量量程足够 甲烷浓度测试 其 RL 5K Ro 5 2K RL 载电阻 Ro 敏感 体电阻 Rs 表示传感器在不同浓度气体中的电阻值 Ro 表示传感器在 1000ppm 氢气中的电阻值图中所有测试都是在标准试验条件下完成的 表 3 1 甲烷浓度测试计算 浓度 ppm 计算值 100500800100020003000500010000 Rs R0 0 90 70 550 50 40 350 280 2 Rs k 4 683 63 6 2 858 4 2 595 6 2 077 2 1 81 8 1 45441 040 44 V RSRL RL V50 2 58 3 2 89 5 3 1813 2913 5323 66 8 4 5834 96 显示读数 255 5 0 V 132148162168180187234253 本科生课程设计 论文 12 图 3 3MQ 5 特性曲线 MQ 5 可燃气体检测用特点 应用在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度 家庭用气体泄漏报警 器对丁烷 丙烷 甲烷的灵敏度较高 工业用可燃气体报警器长寿命 低成本 便 携式气体检测器简单的驱动电路即可 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 2 6 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 Ro 横坐标为气体浓度 Rs 表示传感器 在不同浓度气体中的电阻值 Ro 表示传感器在 1000ppm 氢气中的电阻值图中所有 测试都是在标准试验条件下完成的 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 在满足传感器电性能要求的前提下 VC 和 VH 可以共用同一 个电源电路 为更好利用传感器的性能 所以需要选择恰当的 RL 值 规格 A 标准工作条件符号 参数名称 技术条件 备注 Vc 回路电压 24V DC VH 加热电 压 5 0V 0 2V AC or DC RL 负载电阻可调 RH 加热电阻 31 3 室温 PH 加热 本科生课程设计 论文 13 功耗 900mW B 环境条件符号 参数名称 技术条件 备注 Tao 使用温度 10 50 Tas 储存温度 20 70 R 相对湿度小 95 R O2 氧气浓度 21 标准条件 氧气浓度会影响灵敏度特性 最小值大于 C 灵敏度特性 符 号 参数名称 技术参数 备注 R 敏感体表面电阻 2K 20K 2000ppm C3H8 适用范围 300 10000ppm 甲烷 丙烷 丁烷 氢气 R1000ppm R500ppm H2 浓度斜率 0 6 标准工作条件 温度 20 2 Vc 5 0V 0 1V 相对湿度 65 5 VH 5 0V 0 1V 预热时间 不少于 48 小时 敏感体功耗 Ps 值可用 下式计算 传感器电阻 Rs 可用下式计算 Ps Vc2 Rs Rs RL 2 Rs Vc VRL 1 RL D 灵敏度调整 MQ 5 型气敏元件对不同种类 不同浓度的气体有不同的电阻值 因此 在 使用此类型气敏元件时 灵敏度的调整是很重要的 我们建议您用 1000ppm 异丁 烷或氢气校准传感器 当精确测量时 报警点的设定应考虑温湿度的影响 由于 实验条件有限无法进行此校准过程 3 2 瓦斯检测接口电路设计 3 2 1 A D 转换器选择 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 8 2 如果用百分数表示分辨率 则分辨率为 3 1 39 0 100 256 1 100 2 1 100 2 1 8 n BCD 码输出的 A D 转换器一般用位数表示分辨率 用百分数表示分辨率时 分辨率为 3 2 05 0 100 1999 1 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 256 20mV 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 本科生课程设计 论文 14 最小电压为 5000Mv 4096 1mV 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 ULSB 3 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 5V 7 转换速率取决于芯片的时钟频率 时钟频率范围是 10 1280KHZ 当时 钟频率为 500KHZ 时 对应的转换时间为 125uS ICL7109 双积分式 A D 转换器 1 12 位二进制形式输出 并带有极性和溢出位 2 与 TTL 兼容 具有三态控制输出 3 具有通用控制信号端 能用来方便地监视和控制转换时间 4 片内有振荡器 只需外接晶体或 RC 器件 5 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 6 真正的差分输入和差分基准电压 7 最大运行速度为每秒转换 30 次 8 所有输入都具有防止静电的保护措施 9 双电源供电 10 输入阻抗为 1012 11 功耗为 20mw 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 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 ADC0809 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 本科生课程设计 论文 15 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 在 AT89C52 片内存储器中 80H FFH 共 128 个字节为特殊功能寄存器 SFE 并非所有的地址都被定义 从 80H FFH 共 128 个字节只有一部分被定义 还有相当 一部分没有定义 对没有定义的单元读写将是无效的 读出的数值将不确定 而写 入的数据也将丢失 ADC0809 是 8 位逐次逼近型 A D 转换器 精确度约为 20mv 本科生课程设计 论文 16 第四章 硬件系统设计 4 1 硬件实现功能综述 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 14 16 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 发光二极管和驱动电路构成 当甲烷浓度超过设定 的报警点时 仪器会发出声光报警信号 4 2 硬件系统单元模块调试 硬件电路的调试部分是整个项目的最后也是最繁琐的部分 我们将其分为检 测和调试两个部分来进行 调试的结构图如图 4 1 在检测调试的过程中遇到了很多问题 我们主要通过以下几点对硬件电路进 行细致的检测 1 检测 protus 仿真原理图 重要器件的链接是否有问题 2 因为采用 PCB 制版所以检查 protel 链接 PCB 链接图是不是与 protus 仿 真原理图链接一致 3 由于采用传统的化学反应方法洗版难免会出现断路断路情况 用万用表 依次检测 4 检测焊接电路是否出现虚短虚断情况 本科生课程设计 论文 17 图 4 1 调试的结构图 硬件调试结构图 最小系统电路 信号采集电路 声光报警电路 开关控制电路 串口通信电路 显示电路 以下为几种经常面临的故障问题 1 排除逻辑故障 这类故障往往是由设计和加工制板过程中工艺性错误所造成的 主要包括错 线 开路和短路 排除的方法是首先将洗出的印制板跟原理图认真对照 看两者 是否一致 应特别注意电源系统检查 以防止电源短路和极性错误 并重点检查 系统总线 地址总线 数据总线和控制总线 是否存在相互之间短路或与其它信 号线路短路 必要还可以利用数字万用表的短路测试功能 可以缩短排错时间 2 排除元器件失效 造成这类错误的原因一般有两个 一个是元器件买来时就已坏了 另一个是 由于安装错误 造成器件烧坏 可以采取检查元器件与设计要求的型号 规格以 及安装是否一致 在保证安装无误后 可用替换方法排除错误 3 排除电源故障 在通电前 一定要检查电源电压的幅值和极性 否则很容易造成集成块的损 坏 加电后检查各插件上引脚的电位 一般先检查 VCC 与 GND 之间电位 若在 5V 4 8V 之间是属于正常的 若有高压 联机仿真器调试时 将会损坏仿真器等 有时会使应用系统中的集成块因发热而损坏 本科生课程设计 论文 18 调试首先从单片机最小系统开始 然后依次调试外围电路 以下为本次设计 调试过程中遇到的问题以及解决方法 1 检测单片机是否正常工作时 编写一死循环程序使 P1 0 检测 P1 口输出是否为低电平 结果发现 P1 口输出全部为高电平 说明单片机 未能正常工作 检查完链接电路后发现没有任何问题 用示波器检测时钟 电路输出发现未能输出矩形波 因此更换了晶振再检测 P1 端口输出全 部为低电平 单片机正常工作 2 检测信号采集时 用万用表检测采集信号线未能正常采集到电压 信号 检查电路与原理图一致 最后查阅 MQ 5 资料连接图发现其中一个 管教链接有误 导致未能正常采集到理想的电压信号 3 A D 转换电路检测时 用电源箱给 26 号管教供 2 5 4 5v 电压观 察 LCD1602 上的显示值是否跟计算值相同 发现不相同电路检测主要出现 两个问题 1 洗电路板时出现了断路情况 2 链接的时候输出端口参 照 ADC0808 链接导致输出的八位数字量高地位颠倒 由于是自己制版所以 只能重新做 PCB 板 更换部分元器件也因此增加了实验的成本 为了节 约成本我们更换为 ADC0809 这对于以后工厂生产是要特别应该注意的问 题 4 对于声光报警电路的检测调试则是直接在输入端接入低电平观察 灯亮 并且蜂鸣器正常工作发出警报 转为高电平灯灭蜂鸣器停止鸣叫 证明声光报警电路能正常工作 5 液晶显示部分开始一片黑并不显示 通过调节变位器阻值大小改 变对比度 6 由于实验条件的有限对于传感器信号采集部分数据的标定只能是 在普通实验室环境下实验标定 空气中的气体 粉尘颗粒会对实验结果造 成很大的影响 最佳的理想实验条件是在 1000ppm 的氢气环境下调试 RO 初始值 改变甲烷浓度进行精确标定 本科生课程设计 论文 19 第五章 系统分析与设计 5 1 系统原理图 图 5 1 信号采集处理电路 图 5 2 声光报警电路 本科生课程设计 论文 20 图 5 3 液晶显示电路 图 5 4 串行口通信电路 5 2 系统原理综述 1 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 在此选择采用传感器与 20k 的电阻串联 采集分压 信号作为检测气体的浓度反应信号 在电路的两端施加五伏电压 因此采集的电 本科生课程设计 论文 21 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之 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 LCD1602 液晶显示器显示出当前甲烷浓度值 2 报警电路由 PNP 三极管 蜂鸣器 LED 和限流电阻组成 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 9012 是非常见的晶体三极管 在收音机以及各种放大电路中经常看到它 应用范围很广 它是 PNP 型小功率三极管 1 集电极 发射极电压 30V 2 集电极 基电压 40V 3 射极 基极电压 5V 4 集电极电流 0 5A 5 耗散功率 0 625W 6 结温 150 7 特怔频率 最小 150MHZ 8 放大倍数 D64 91 E78 112 F96 135 G122 166 H144 220 I190 300 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 5 lOmA 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 R6 R7 和 R8 均为限流电阻 3 1602 液晶是一种专门用来显示字母 数字 符号等的点阵型液晶模块它 有若干个 5X7 或者 5X11 等点阵字符位组成 每个点阵字符位都可以显示一个字 符 每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作 用 正因为如此他才不能显示图形 微功耗 体积小 显示内容丰富 超薄轻巧 常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中 LCD1602 是指显示内容为 16X2 即可以显示两行 每行 16 个字符液晶模块 显示字符和数字 LCD1602 液晶显示器采用标准的 16 脚接口 其中 第 1 脚 VSS 为电源地 第 2 脚 VDD 接 5V 电源正极 本科生课程设计 论文 22 第 3 脚 V0 为液晶显示器对比度调整端 接正电源时对比度最弱 接地电源 时对比度最高 对比度过高时会 产生 鬼影 使用时可以通过一个 10K 的电 位器调整对比度 第 4 脚 RS 为寄存器选择 高电平 1 时选择数据寄存器 低电平 0 时选择指 令寄存器 第 5 脚 RW 为读写信号线 高电平 1 时进行读操作 低电平 0 时进行写操 作 第 6 脚 E 或 EN 端为使能 enable 端 第 7 14 脚 D0 D7 为 8 位双向数据端 第 15 16 脚 空脚或背灯电源 15 脚背光正极 16 脚背光负极 5V 电压 对比度可调 内含复位电路 提供各种控制命令 如 清屏 字符闪烁 光标闪烁 显示移位等多种功能 有 80 字节显示数据存储器 DDRAM 内建有 192 个 5X7 点阵的字型的字符发生器 CGROM 8 个可由用户自定义的 5X7 的字符发生器 CGRAM 4 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 232C RS 232D RS 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