基于单片机的井下瓦斯浓度智能传感器设计

本科毕业设计（论文）学 科 门 类 ： 单位代码 ： 毕业设计说明书（论文）基 于 单 片 机 的 井 下 瓦 斯 浓 度 智 能 传 感 器 的 设 计BASED ON THE UNDERGROUND GAS DENSITY SINGLE-CHIP MICROCOMPUTER INTELLIGENT SENSE ORQAN DESIGN学 生 姓 名所 学 专 业 班 级 学 号 指 导 教 师 XXXXXXXXX 系二 *年 XX 月本科毕业设计（论文）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。这篇文章就是针对导致矿难频发的瓦斯浓度进行监控而设计的。在文章里，我针对瓦斯的特点，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 AT87C552 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。关键词：瓦斯，AT87C552，PID 控制器 本科毕业设计（论文）ABSTRACTWith the rapid development of Chinas economy, various industries on the sharp increase in the demand for coal. but each kind of mining accidents occurrence, causes the coal safety in production faced with the stern challenge. This piece of article aims at the gas to carry on the monitoring to design.In the article, I in view of the gas characteristic, design simultaneously monitor the height density the gas system, all-weather uninterrupted carries on the monitor to the mine shaft gas density. Simultaneously uses the acousto-optics alarm system, once gas exceeding the allowed figure, the system reminds the downhole operation worker to evacuate urgently immediately, avoids the personnel casualty. Also put to use infrared remote-control system carry through long-distence supur risory control. Design this intelligent sensor adopt close-cycle control insure sampling placidity.This system take at87C552 monolithic integrated circuit as a core, realizes to the gas examination, the warning and the control, safe reliable, durable, suits each kind of coal mine gas the monitoring, may reduce coal mining accidents occurrence greatly, reduces the private costs, raises the coal recovery ratio, makes the contribution for our country coal enterprise.KEYWARDS: gas, AT87C552, PID controller本科毕业设计（论文）目录摘要（中文） .I摘要（英文） .II1 绪论 .11.1 引言 .11.2 系统简介 .22 系统功能介绍 .32.1 性能描述 .32.2 系统框架结构 .33 硬件电路介绍 .53.1 甲烷传感器 .53.1.1 KG9701 型智能低浓度沼气传感器.53.1.2 高浓度瓦斯传感器(国产) 型号:ZR14-GJW4/100 .63.2 ADC0809 引脚图与接口电路 .83.2.1 A/D 转换器芯片 ADC0809 简介.83.2.2. ADC0809 的内部结构.93.2.3信号引脚 .103.2.4 MCS-51 单片机与 ADC0809 的接口.113.2.5 A/D 转换应用举例.143.3 AT89C51 简介 .153.3.1 AT89C51 概述.153.3.2 主要特性 .163.3.3 管脚说明 .163.3.4 振荡器特性 .183.3.5 芯片擦除 .183.4 8155 简介 .213.4.1 8155 各引脚功能.223.4.2 8155 的地址编码及工作方式.233.4.3 8155 的定时/计数器.263.5 DAC0832 介绍 .263.6 LED 显示器 .293.6.1 LED 显示器的结构.293.6.2 LED 显示器的工作原理.32本科毕业设计（论文）4 PID 控制.334.1 PID 控制器介绍 .334.2 PID 控制实现 .385 软件流程图 .40总结 .43参考文献 .44致谢 .45本科毕业设计（论文）1 绪论1.1 引言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。井下部本科毕业设计（论文）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。1.2 系统简介我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 AT87C552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、红外遥控系统、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，AT87C552 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。本科毕业设计（论文）2 系统原理介绍单 片 机存 储 器数 据 显 示红 外 遥 控信 号 输 出电 压 比 较 器瓦 斯 检 测 电 路脉 宽 控 制 电 路锯 齿 波 发 生 器信 号 适 配 通 道稳 幅 电 路声 光 报 警图 2.1 原理框图2.1 电路简介根据上节所述的变流瓦斯检测原理，设计了如图 7 所示的变流瓦斯检测电路，该电路主要由电桥不平衡信号取样电路、锯齿波发生电路、电压比较器和脉冲稳幅电路四个部分组成。本科毕业设计（论文）图 7 变流检测电路Fig7 methane detecting circuit on variable current A 部分为电桥不平衡信号取样电路，用此信号去调节 C 部分电压比较器输出的脉冲电压宽度；B 部分为锯齿波发生电路，由 555 构成的时基电路工作在自激状态，振荡频率为 1kHz，即周期为 T=1ms，输出的锯齿波电压送到电压比较器的正端；C 部分电压比较器的负端接受来自 A 部分的输出电压 Uo2，当锯齿波电压超过控制电压 Uo2 时，比较器输出电压为高电平，锯齿波回扫时，当其电压值低于 Uo2 时，比较器输出为低电平，这样将形成一个矩形脉冲电压。在一系列锯齿波作用下，比较器就输出一矩形脉冲电压系列；D 部分由高准确度可控稳压管 TL431 构成的脉冲稳幅电路，当通过 TL431 的电流在(1100)mA 范围内时，只要分压电阻的温度系数相同，则输出电压有很高的稳定性，从而保证了在输入脉冲幅值变化时，输出脉冲的幅值恒定。为保证有足够的电流通过载体催化元件，设置了由三极管组成的脉冲电流放大环节。下面将详细讨论这四部分电路。2.1.1 恒温控制信号取样电路图 8 为恒温控制信号取样电路：这里没有采用传统的惠斯通电桥来获取瓦斯本科毕业设计（论文）图 8 恒温控制信号取样电路Fig8 constant temperature controlling signal sampling circuit与催化元件反应时产生的不平衡电压，而是用运放集成块组成运算电路，对电压信号进行处理，这样做的好处是抑制共模信号的能力增强了，同时由于黑元件上催化燃烧产生的电压只有毫伏级，不能直接与锯齿波信号进行比较，在 Uo1 的后面加入了同相比例运算电路，对前面输出的电压进行放大，以使其能与锯齿波电压进行比较从而输出所需的脉冲电压。当有瓦斯气体时，在黑元件上发生催化燃烧，黑元件温度上升，其阻值也随之上升，它上面的电压升高，不难推出：)()2()0()(014iCHi RRiiiU白白黑黑黑 白黑 白白黑 式中 、 为无瓦斯时的阻值， 、 为电流流经元件时温度上升产生)0(黑R)0(白 )(i黑 )(i白的阻值， 为瓦斯气体在元件上燃烧时温度上升产生的阻值，前面已经提及，所)(4CH黑谓的恒温是指温度在一个很小的范围内波动近似看成的，因此 、 、 的)(iR黑 )(i白 )(4CH黑值都是非常小的，故 U 也很小，需要经过放大才能与锯齿波进行比较。在图 8 中有213)(URf则 2114214235 )()(RRfff ff21 21732142731473 21211735731 )()()()(nUmURRRUUffffff ffffff ffo 适当选取电阻值，使 m=1，n=2，这样便可获得瓦斯在黑元件上燃烧产生的电压。这里在实验室用 QJ23 单臂直流电桥对铂丝绕制的黑白元件的阻值进行了测定，当环境温度为 1619时，测得的黑白元件的阻值分别为 8.236 和 8.227（实际上这时黑白元件的温度已经大于 400，达到了工作状态） 。在检测瓦斯时需要将催化元件加热到 500左右，给黑白元件提供 3V 的恒定电压，发生催化燃烧时，假设温度上升 10，这时候黑元件阻值变为 10 左右，电流大概是 150mA，则黑元件上产生的本科毕业设计（论文）电压大概为 0.265V。在图 8 中有：12042)(ofoUR取 为 14 左右，则可将瓦斯催化燃烧产生的电压放大到合适的幅值与锯齿波电压进204Rf行比较。2.1.2 锯齿波发生电路555 定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。该芯片使用灵活方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。图 9 为 NE555 和 R2，R3，C1 组成的无稳态多谐振荡器： 图 9 锯齿波发生电路Fig9 toothed wave generating circuit振荡器的输出频率为：13214.CRf由此可算得输出频率为 1kHz，C2 起正反馈作用，即在 Q1 射级跟随器输出锯齿波的同时，正反馈至 R2 的上端，故在 C1 充电期间，R2 上的压降保持不变，即 C1 的充电速率不变，因而极大地保证了锯齿波的线性。其非线性可控制在 1%以下，且温度稳定性好。图中在 555 的电压控制端 5 脚外接了一个可调的控制电压，用以改变 555 内部比较器的基准电压值，即比较电平，由此可改变锯齿波的振幅，这里通过调节 Rp1 使输出锯齿波的最大值为 4V。2.1.3 电压比较电路电压比较器可将模拟信号转换成二值信号，即只有高电平和低电平两种状态的离散信号。因此可用电压比较器来产生脉冲方波电压信号。电路如图 10 所示： 本科毕业设计（论文）图 10 电压比较器电路Fig10 voltage comparing circuit这里选用的电压比较器的型号为 AD790，它有同相和反相两个输入端，同相端接锯齿波电压信号，反相端接瓦斯检测电路的输出电压，也就是脉冲电压宽度的控制信号。比较器采用单电源供电，引脚 8 接逻辑电平，其取值决定于负载所需高电平，这里接+5V，此时比较器输出高电平为 4.3V。引脚 5 为锁存控制端，当它为低电平时，锁存输出信号。图 10 中 C4、C5 均为去耦电容，用于滤去比较器输出产生变化时电源电压的波动，R8 是输出高电平时的上拉电阻。2.1.4 脉冲电压稳幅电路电路中选用 TL431 芯片对比较器输出的脉冲电压进行稳幅。电路如图 11 所示：图 11 脉冲稳压电路Fig11 range of pulse stabilitating circuitTL431 是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源, 它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从 Vref（2.5V）到 36V 的任何值，工作电流范围为1mA100mA，K、A 脚两端输出电压为：102)(5.RVpo本科毕业设计（论文）改变 Rp2 的阻值，就可以改变输出基准电压大小，这里通过调节 Rp2 使输出的脉冲电压的幅值稳定在 3V。2.1.5 声光报警电路R3220K R33180K R3420KR3515KR36BG13DG6C14C15D12CPI6R10220R4 Q3DIS 7THR6cvolt5TRIG2VCC8gnd1R3710kC16C17BG23DG6BG33AX81R38820HIC18R39SCRDWR40C19D2D3C20CZCT上述是本设计瓦斯传感器的声光报警电路，有图可以看出是以 555 为核心的电路由 555 电路组成一单稳态触发电路，上电打开开关 S1 后，C1 两端电压为 0，555 电路的输出脚输出高电平，报警器电路工作，进入报警状态。此时若水银开关断开，电源经 R2 向 C1 充电，当 C1 两端的电压充到高于 2/3Vcc 时，电路翻转，输出端变为低电平输出，报警电路失电停止工作。此时报警器便进入报警守候状态。这时若报警器受到振动，就会使水银开关中的水银一起振动，当开关接通时，555 电路的 2 脚便输入一个低电平信号，这个低电平信号使得单稳电路输出状态改变，输出端变为高电平，报警电路工作，另一方面通过 7 脚将充于电容 C1 上的电荷放完，这时就算水银开关再次断开，由于 C1 两电压低于 2/3Vcc，电路也将保持输出高电平，使报警电路工作，若一直有振通信号使水银开关接通，系统将一直报警，若报警后报警器不再振动，则当 C1 上的电充到大于 2/3Vcc 时，报警将自动停止，因此每次报警的自动关断时间为 R2 和 C1 的充电常数值。 。该报警器由直流稳压电源、定时开关电路和声控脉冲产生器三部分组成。图中 S 为话筒，它将脚步声或其他声响转换为电信号，且放大后加至 555 时基电路的触发端脚。555 与 R6、C2 组成一个单稳态触发器，调节电阻 R6 使脚的电压略高于 l/3VDD。555 3 脚输出低电平。当有情况发生时，BG2输出一定幅值的负脉冲，使 555 翻转，相应脚输出高电平，信号经 BG2 缓冲放大后使可控硅 SCR 触发导通，将报警器的电源电路接通，发出报警信号。报警时间长短取决于电容器 C2 的充电时间常数 td=1.1R6C2 的大小。当 C2 上的充电电压超过 2/3VDD时，555 复位，3 脚输出低电平，BG2 相应截止，可控硅 SCR 断开。在 C2 充电期间，即报警定时结束之前，应使 555脚通过 R5 和 D1 将输出高电平反馈到触发端脚，以免本科毕业设计（论文）后继脉冲或其他干扰影响定时精度。定时的长短可通过改变时间常数 R6C2 的大小来调节。常见故障现象与查找方法 ：1)发光二极管不亮：，用万用表测 12V 供电电源是否正常；，用数字万用表检测电阻 R1、发光二极管 VDl、三极管 VT2 是否损坏；测 lCl 所构成单稳态电路，若 ICl 的脚始终输出低电平，VT2 将一直处于截止状态，发光二极管不亮，可采用代换法判断 555 集成电路的好坏。 2)发光二极管亮但不闪烁：测三极管 VT2，若 VT2 击穿，更换 VT2 故障即可排除；测 ICl、脚的电平，若为低电平，查 RP1 及连线是否有断线或虚焊，查C1 是否击穿及 ICl脚是否悬空。在外围元件检查无误后，可采用代换法判断 lCl 是否损坏；用上述方法，查找 IC2、IC3 及其外围元器件。 3)发光二极管闪烁频率不正常：主要查单稳态电路 ICl，当单稳态电路工作不正常时会造成发光二极管闪烁频率不正常，其主要原因是由于电容 C2 造成的，可调当调整C2 的大小。 4)扬声器不响：查供电电源电压及检测三极管 VT3、扬声器是否损坏；测量 IC4 第 5 脚的控制信号电压，不正常查 IC3 第 3 脚信号及 R4，也可通过示波器测量输出波形判断故障部位。2.1.62.2 变流瓦斯检测方法的原理2.2.1 变流瓦斯检测方法的基本思想为了解决上节所提到催化传感器存在的问题，就必须抛开连续电流供电的传统方法，以保证测量元件与参比元件温度永远相等，设计出真正的恒温检测桥路。实现方法是通过一个硬件电路构成的闭环反馈系统，强迫检测元件与参比元件保持在平衡状态，使测量元件工作在恒温状态下。该检测环路使测量元件的温度与参比元件的温度进行比较，当环境中的 CH4 气体在测量元件表面燃烧时，测量元件的温度将很快上升使电桥失去平衡，硬件电路构成的闭环反馈系统监测到偏移信号后，输出控制脉冲信号，将已经偏移的桥路“矫正”回来，使回路周而复始地工作在偏移/校正的振荡之中。测量元件的温度是以微小的锯齿波形状的轨迹在恒温区波动 26，如图 6所示：本科毕业设计（论文）图 6 传统的检测桥路与恒温桥路的浓度温度特性曲线Fig6 contrasting curve between two methods这个波动的温差很小，只有零点几度的差别，基本上可以认为参比元件和测量元件的温度是相等的。这种方法保证了在任何 CH4 浓度下，测量元件的温度不变，彻底有效地杜绝了高浓 CH4 的燃烧，大大延长了催化元件的使用寿命，也使仪器的零点稳定性、精度稳定性得到了的提高。本研究所研制的脉冲供电检测桥路与传统的测量机理截然不同，检测元件工作于间歇脉冲供电状态，不随 CH4 温度变化，反馈环路中的脉冲频率与 CH4 浓度呈正比关系。从微观的角度上看，单片机检测的是测量元件上温度的上升速率，而传统方法则是检测元件上的绝对温度。测量桥路是恒温的，无论检测多高浓度的瓦斯，检测元件的温度都不变，所以它能够抗高浓冲击，能够拥有更长的寿命和极好的稳定性。2.2.2 变流瓦斯检测方法的原理变流检测方法是一种使载体催化传感元件在检测瓦斯气体时保持恒温状态的新型检测方法。它的基本原理是：在瓦斯浓度升高时，通过闭环反馈电路，使工作电流相应减少，以保持催化元件的温度不变，利用电流的减少量和瓦斯含量间的对应关系，实现瓦斯含量的检测。载体催化元件的静态热平衡方程是 47：)()(4010142 tBAtCHrI 式中 I载体催化元件的工作电流；r载体催化元件的电阻；瓦斯氧化反应燃烧热系数；空气中瓦斯体积分数；4CH载体催化元件温度；1t环境温度；0热传导系数；本科毕业设计（论文）B元件面积；A辐射系数；角系数。方程式左边是单位时间内工作电流所产生的热量和瓦斯气体在载体催化传感元件表面发生氧化反应所产生的热量之和，后者与瓦斯体积分数成正比；方程式右边是催化传感元件在单位时间内热传导和热辐射损失的热量之和，其中传导热是催化传感元件通过导线和空气传递的热量之和，由于催化传感元件工作在一个半封闭的气罩内，其同空气的对流散热很小，可忽略不计。方程两边在催化传感元件达到热平衡时是相等的。在变流瓦斯检测中，工作电流随着瓦斯浓度增加而减小，元件处于恒温状态，载体催化元件工作温度和阻值保持不变。故在环境温度一定的情况下，方程式右边为一常数，设 )()(401010 tBAtK对于该种检测方法，因保持 不变，即当无瓦斯( )时， ；当有4CH02rKI瓦斯时rICHrI2042式中 I、 分别为有瓦斯、无瓦斯的工作电流，即0420rI此式表明电流变化与瓦斯体积分数不是线性关系。因此，在设计检测电路时，为使电流大小能反映瓦斯体积分数，不能采用一般的可控直流电源，而需采用宽度可调的脉冲电流源，即脉冲电流的幅值恒定，但其宽度可由反馈信号调节。当瓦斯体积分数增加时，减少脉冲的宽度 T 以减少通过元件的平均电流。由式（3-3）知，瓦斯体积分数为204IrCH与电流平方成线性关系，脉冲电流有效值为21021mTmIdtII式中 T 为脉冲电流周期， 为脉冲电流幅值。在 一定的条件下与占空比的平方根 成线性关系，即其平方与占空比成线性关系。又脉冲电流平均值 为/1 PI，与占空比成线性关系，故脉冲电流的平均值可以线性地反映瓦斯体积分数，mPIT本科毕业设计（论文）即瓦斯浓度。2.2.3智能瓦斯监测仪原理框图3 硬件电路介绍3.1 甲烷传感器3.1.1 KG9701 型智能低浓度沼气传感器KG9710 型智能低浓度沼气传感器主要用于监测煤矿井下环境气体中的瓦斯浓度，是煤矿预防瓦斯突出和瓦斯爆炸必不可少的测量仪表。它可以连续自动地将井下沼气浓度转换成标准电信号输送给关联设备，并具有就地显示瓦斯浓度值，超限声光报警等功能。采用国家科技“九五”攻关项目成果：高稳定性、长寿命热催化元件，通过改变制作工艺及催化剂配方(自制)等，大大提高了催化元件的性能指标，利用人工智能技术对信息进行处理分析，增强了仪器抗高瓦斯冲击的能力，将稳定性能指标由一周提高至一月，使用寿命由一年延长至一年半。具有性能稳定、测量精确、响应速度快、结构坚固、易使用易维护等特点，增加了遥控调校、断电控制、故障自校自检等新功能，大大节约了使用与维护费用。目前该传感器已广泛应用于全国大、中、小型煤矿，在国内市场占有率超过60，在煤矿预防瓦斯灾害方面经常发挥重要作用，产生了可观的经济效益和良好的社会效益。 主要技术指标：测量范围：04.00%CH4(010.00%CH4)本科毕业设计（论文）测量精度：0.001.00%CH4 0.10%CH41.002.00%CH4 0.20%CH42.004.00%CH4 0.30%CH44.0010.00%CH4 8.00%真值(相对误差)元件检测反应速度：20s调校周期：1 个月使用寿命：1.5 年信号带负载能力：0400报警方式：二级间歇式声光报警，85dB(声强)，能见度20m(光强)报警点范围：0.52.5连续可调采样方式：限制扩散式整机工作电压：924V DC传输距离：3km(供电 18V DC 使用 1.5mm2 截面铜芯电缆)输出信号：2001000Hz、15mA DC防爆型式：Exibd矿用本安兼隔爆型3.1.2 高浓度瓦斯传感器(国产) 型号:ZR14-GJW4/100基本参数工作环境条件:温度: 040相对湿度: 98%大气压力: 86kPa116kPa风速: 0m/s8m/s测量范围:高浓： 0%CH4100%CH4温度： 040测量范围（%CH4）高浓：4.00-10.010.0基本误差（%CH4）1.0测量上限的10% 温度：基本误差：2本科毕业设计（论文）分辨率: 高浓 0. 1%CH4， 温度 0.1显示方式: 六位 LED，其右三位显示甲烷，左三位显示温度响应时间: 20s报警点: 可调,仪器出厂时设定在 1.00%CH4；在 0.3%CH4-3.5%CH4 内可调断电点: 可调,仪器出厂时设定在 1.50%CH4复电点: 可调, 仪器出厂时设定在 1.00%CH4高低浓度转换点：1）从低到高：3.5% CH42）从高到低：2.5% CH4调节方式：使用本公司生产的 FYF 型遥控器防爆标志：ExibI防爆合格证号：1044440安全标志证号：20042726报警方式:声光，其中:音量: 85dB光可见度: 20m工作方式:扩散式防爆型式:矿用本安兼隔爆型；防爆标志：ExibdI。输出信号: 两路 200Hz1000Hz 频率输出。甲烷：200600Hz 对应甲烷浓度为 04%6001000Hz 对应甲烷浓度为 4100%。温度：200Hz1000Hz 对应 040。Ui：DC 20V；Ii：90mA。关联设备:本公司生产的 DJ4G-2000 固定式甲烷断电仪防爆型式：矿用隔爆兼本质安全型防爆标志：ExdibI，传感器到断电仪的距离不大于 2000 米。防爆合格证号：1042460安全标志证号：20042728。配接设备：本公司生产的 KJF33 通用监控分站防爆型式：矿用本质安全型，防爆标志：ExibI 防爆合格证号：1034356 ，安全标志证号：本科毕业设计（论文）20033034 传感器到分站的距离不大于 2000 米。传输电缆:电缆最大长度：2000m分布电容0.1Fkm分布电感1mHkm外形尺寸：200 mm110 mm35mm质量：1.1kg3.2 ADC0809 引脚图与接口电路3.2.1 A/D 转换器芯片 ADC0809 简介 8 路模拟信号的分时采集，片内有 8 路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为 100s 左右。本科毕业设计（论文）图 3.2.1ADC0809 引脚图本科毕业设计（论文）3.2.2. ADC0809 的内部结构ADC0809 的内部逻辑结构图下图所示：图 3.2.2ADC0809 内部逻辑结构图中多路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8 路模拟量分时输入，共用一个 A/D 转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对A、B、C 3 个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连。表 3.2.1 为通道选择表。本科毕业设计（论文）表 3.2.1 通道选择表3.2.3信号引脚ADC0809 芯片为 28 引脚为双列直插式封装，其引脚排列见图 9.8。对 ADC0809 主要信号引脚的功能说明如下：IN7IN 0模拟量输入通道ALE地址锁存允许信号。对应 ALE 上跳沿，A、B、C 地址状态送入地址锁存器中。START转换启动信号。START 上升沿时，复位 ADC0809；START 下降沿时启动芯片，开始进行 A/D 转换；在 A/D 转换期间，START 应保持低电平。本信号有时简写为 ST.本科毕业设计（论文）A、B、C地址线。通道端口选择线，A 为低地址，C 为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB 和 ADDC。其地址状态与通道对应关系见表 9-1。CLK时钟信号。ADC0809 的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为 500KHz 的时钟信号EOC转换结束信号。EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。D7D 0数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D 0为最低位，D 7为最高 OE输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。Vcc +5V 电源。 Vref参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(Vref (+)=+5V, Vref(-)=-5V).3.2.4 MCS-51 单片机与 ADC0809 的接口ADC0809 与 MCS-51 单片机的连接如图 3.2.3 所示电路连接主要涉及两个问题。一是 8 路模拟信号通道的选择，二是 A/D 转换完成后转换数据的传送。1. 8 路模拟通道选择本科毕业设计（论文）图 3.2.3 ADC0809 与 MCS-51 的连接如图 3.2.3 所示模拟通道选择信号 A、B、C 分别接最低三位地址 A0、A 1、A 2即（P 0.0、P 0.1、P 0.2） ，而地址锁存允许信号 ALE 由 P2.0控制，则 8 路模拟通道的地址为 0FEF8H0FEFFH.此外，通道地址选择以 作写选通信号，这一部分电路连接如图 9.12 所示。本科毕业设计（论文）图 3.2.4 ADC0809 的部分信号连接WRALE地址所存START寄存器清“0”A/D 启动图 3.2.5 信号的时间配合本科毕业设计（论文）从图中可以看到，把 ALE 信号与 START 信号接在一起了，这样连接使得在信号的前沿写入（锁存）通道地址，紧接着在其后沿就启动转换。图 9.19 是有关信号的时间配合示意图。启动 A/D 转换只需要一条 MOVX 指令。在此之前，要将 P2.0清零并将最低三位与所选择的通道好像对应的口地址送入数据指针 DPTR 中。例如要选择 IN0通道时，可采用如下两条指令，即可启动 A/D 转换：MOV DPTR , #FE00H ；送入 0809 的口地址MOVX DPTR , A ；启动 A/D 转换（IN 0）注意：此处的 A 与 A/D 转换无关，可为任意值。1 转换数据的传送A/D 转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认 A/D 转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。（1）定时传送方式对于一种 A/D 转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809 转换时间为 128s，相当于 6MHz 的 MCS-51 单片机共 64 个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D 转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。（2）查询方式A/D 转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如 ADC0809 的 EOC 端。因此可以用查询方式，测试 EOC 的状态，即可却只转换是否完成，并接着进行数据传送。（3）中断方式把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。本科毕业设计（论文）不管使用上述那种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以 信号有效时，OE 信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。不管使用上述那种方式，只要一旦确认转换结束，便可通过指令进行数据传送。所用的指令为 MOVX 读指令，仍以图 9-17 所示为例，则有MOV DPTR , #FE00HMOVX A , DPTR该指令在送出有效口地址的同时，发出 有效信号，使 0809 的输出允许信号 OE 有效，从而打开三态门输出，是转换后的数据通过数据总线送入 A 累加器中。这里需要说明的示，ADC0809 的三个地址端 A、B、C 即可如前所述与地址线相连，也可与数据线相连，例如与 D0D 2相连。这是启动 A/D 转换的指令与上述类似，只不过 A的内容不能为任意数，而必须和所选输入通道号 IN0IN 7相一致。例如当 A、B、C 分别与 D0、D 1、D 2相连时，启动 IN7的 A/D 转换指令如下：MOV DPTR， #FE00H ；送入 0809 的口地址MOV A ，#07H ；D2D1D0=111 选择 IN7 通道MOVX DPTR， A ；启动 A/D 转换3.2.5 A/D 转换应用举例设有一个 8 路模拟量输入的巡回监测系统，采样数据依次存放在外部 RAM 0A0H0A7H 单元中,按图 9.10 所示的接口电路，ADC0809 的 8 个通道地址为0FEF8H0FEFFH.其数据采样的初始化程序和中断服务程序（假定只采样一次）如下：初始化程序：MOV R0, #0A0H ；数据存储区首地址MOV R2, #08H ；8 路计数器SETB IT1 ；边沿触发方式SETB EA ；中断允许SETB EX1 ；允许外部中断 1 中断本科毕业设计（论文）MOV DPTR,#0FEF8H ；D/A 转换器地址LOOP: MOVX DPTR,A ；启动 A/D 转换HERE: SJMP HERE ；等待中断中断服务程序：DJNZ R2,ADENDMOVX A,DPTR ；数据采样MOVX R0,A ；存数INC DPTR ；指向下一模拟通道INC R0 ；指向数据存储器下一单元MOVX DPTR,AADEND: RETI3.3 87c552 简介3.3.1 87c552 概述87C552 单片机系统87C5