基于无线传输的瓦斯浓度检测仪设计

毕业生毕业论文题目基于无线传输的瓦斯浓度检测仪设计I摘要在我国，煤炭行业中的瓦斯爆炸事故始终是煤矿安全生产的大敌，目前己成为制约煤矿安全生产的主要因素。因此，实时检测瓦斯气体的浓度变化，对矿井安全运行，人身安全及环境保护有着十分重要的作用。而目前国内矿井中用于瓦斯检测的设备比较落后，这些设备探测范围小，反应时间长，数据传输采用有线方式，且具有成本高、功耗高和设备庞大等特点，不适应大多数煤矿的需求，因此需要研制一种集成化、智能化、小型化、无线化的新型瓦斯检测报警设备，增强矿井的安全监测能力。本论文将无线传输技术引入矿井瓦斯监测数据传输过程中，从而设计了一种基于无线传输的瓦斯浓度检测仪。使其实现即走即测、即测即发的功能,论文研究成果为矿井安全监测提供了一套切实可行的新的解决方案。该瓦斯浓度检测仪分为现场部分和手持部分两部分，现场部分是处于瓦斯检测点的部分，这部分主要由瓦斯传感器、信号调理、A/D转换器、单片机、无线发射模块PTR2000组成。而手持部分主要由无线接收模块PTR2000、单片机、显示单元、报警单元等组成。硬件部分主要对如何应用低功耗的AT89C51单片机来完成数据的采集、处理判断、数据的显示和传输等一系列功能作了重点地分析和阐述。而软件部分则对各部分的程序流程作了详细说明。关键词瓦斯浓度；无线传输；检测仪；AT89C51IITITLEDESIGNOFGASCONCENTRATIONDETECTORBASEDONTHEWIRELESSTRANSMISSIONTECHNOLOGYABSTRACTINCHINA,THEGASEXPLOSIONACCIDENTHASALWAYSBEENTHEGREATESTPROBLEMINTHECOALINDUSTRYATPRESENT,ITEVENHASBECOMETHEMAINFACTORCONSTRAININGTHESAFEPRODUCINGOFTHECOALTHEREFORE,THEREALTIMEDETECTIONOFTHECHANGEOFGASCONCENTRATIONPLAYSAVERYIMPORTANTROLEONTHESAFEOPERATIONOFMINING,PERSONALSAFETYANDENVIRONMENTALPROTECTIONBUTINCURRENT,DOMESTICDETECTIONEQUIPMENTHUNGBEHINDTHEOTHERCOUNTIESTHEDETECTEDSCOPESOFTHESEEQUIPMENTSARESMALL,THEREACTIONTIMESARELONG,ANDUSINGWIRETRANSMISSIONAPPROACHINDATATRANSMISSION,THESEEQUIPMENTDONOTMEETTHENEEDSOFMAJORITYOFCOALMINESBECAUSEOFTHEHIGHCOSTANDHIGHPOWERNEEDSANDLARGEVOLUMESITWASNECESSARYTODEVELOPANINTEGRATED,INTELLIGENT,SMALLANDTHENEWWIRELESSGASDETECTIONANDALARMEQUIPMENTTHISEQUIPMENTCANENHANCETHEMINESAFETYMONITORINGCAPABILITIESTHISPAPERINTRODUCEDTHEWIRELESSDATATRANSMISSIONTECHNOLOGYINMINEENVIRONMENTALMONITORINGDATATRANSMISSIONPROCESSTHUS,AGASCONCENTRATIONDETECTORISDESIGNEDWHICHBASEDONTHEWIRELESSTRANSMISSIONTECHNOLOGYSOITCANMOVINGTHENDETECTINGANDDETECTINGTHENTRANSMISSIONTHISPAPERSRESEARCHFINDINGSPROVIDEDANEWFEASIBLESOLUTIONSCHEMEOFMINESAFETYTHEDETECTORCOMPOSEDOFTWOPARTS,THESCENEPARTANDTHEHANDHELDPARTTHESCENEPARTISATTHEGASDETECTIONPOINT,THEMAINCOMPONENTSOFITAREGASSENSOR,SIGNALCONDITIONINGCIRCUIT,A/DCONVERTER,MCUANDWIRELESSTRANSMITTERMODULEPTR2000WHILETHEHANDHELDPARTMAINLYCONSISTSOFWIRELESSRECEIVERMODULEPTR2000,MCU,DISPLAYINGUNIT,ALARMINGUNITANDSOONINTHEHARDWAREDESIGN,THISPAPERANALYSESANDELABORATESHOWTOCOMPLETETHEDATAACQUISITION,PROCESSINGJUDGMENTS,DISPLAYANDTRANSMISSIONOFDATA,SUCHASASERIESOFFUNCTIONACROSSTHEIIILOWPOWERAT89C51MCUWHILEINTHEPARTOFSOFTWARE,THEPAPERDESCRIBEDTHEPROGRAMFLOWINDETAILKEYWORDSGASCONCENTRATION；WIRELESSTRANSMISSION；DETECTOR；AT89C51IV目次1绪论111煤矿瓦斯气体概述112国家关于煤矿安全浓度的规定213无线传输技术概述314煤矿瓦斯检测仪的发展状况415本课题的研究意义516本课题的主要工作内容52系统总体方案设计721系统总体构成及工作原理722系统设计要求823系统设计原理93系统硬件设计1531系统电源设计1532数据采集与信号调理电路部分设计1633模数转换芯片AD574A原理及连接方法1734无线传输模块PTR2000原理及应用2035LED显示电路设计2136报警电路2237电池电量监测电路设计234系统软件设计2541现场单片机主程序设计2542手持部分单片机主程序设计2543串行口子程序设计2644传感器控制程序设计27结论29致谢30参考文献31附录A现场部分总体电路图33附录B手持部分总体电路图3411绪论中国煤炭产量高居世界第一，国家一直把煤矿的安全生产作为重中之重，给予高度的关注。在我国的煤矿生产事故中，瓦斯爆炸造成的伤亡和损失成为实现安全生产的最大障碍，及时准确地检测瓦斯浓度和报告危险在安全生产中具有重要意义。为了确保矿井的生产安全，防止瓦斯爆炸，国内外煤矿研究所在此领域进行了很长时间的研究，开发出很多种类型的瓦斯检测仪，但目前已有的瓦斯检测仪器都普遍存在着体积较大、安装复杂、操作不便、智能化程度低等缺点。因此开发研制便于携带、多功能、精度高的瓦斯检测仪对促进煤炭行业的安全生产具有重要的现实意义。11煤矿瓦斯气体概述要设计一个瓦斯浓度检测仪，就必须首先搞清楚瓦斯气体，明确研究对象的性质及其爆炸所需的条件等，只有在明确了研究对象之后，才能很好地对其进行检测，下面就将对瓦斯气体的特性和爆炸条件作详细地介绍。111瓦斯气体性质了解瓦斯的特点和性质是搞好瓦斯管理的先决条件。瓦斯是煤矿开采过程中的一种有害气体的总称，它有自己的性质和特点，是可以被认识的，也是可以被控制和利用的。所以说要搞好瓦斯管理工作，必须首先学习有关瓦斯的知识，了解瓦斯的性质和特点。矿井瓦斯是指从煤体和围岩中逸出的以及在生产过程中产生的多成分的混合气体，包括、4CH、CO、等。主要成分是甲烷、一氧化碳CO和2CO2N6CH2SO二氧化碳、硫化氢等。甲烷是矿井瓦斯的主要成分，是一种无色无味的气体，不助燃，但当与空气混合到一定浓度时，遇火能燃烧或爆炸，爆炸界限为516空气中甲烷浓度超过40时，空气中的氧含量将下降到12以下，此时空气与甲烷的混合气体不再发生爆炸，但将使人窒息。112瓦斯气体的爆炸瓦斯爆炸须具备3个条件浓度、浓度及引爆温度。4CH2O瓦斯在煤体和围岩中以游离状态和吸附状态存在，一般情况下处于动态平衡，当外界温度、压力变化时，几种状态会互相转化，煤层在开采过程中，瓦2斯被逸散出来，在井下积聚，造成瓦斯浓度增加，当浓度达516时具4CH有爆炸性，浓度为95时，爆炸威力最大，当浓度小于5或大于164CH时，一般不会爆炸，遇明火只会燃烧，瓦斯爆炸的上下限是可变的，当现场混合气体的温度和压力发生变化或混入煤尘及其它可燃气体时，可影响瓦斯爆炸的上下限，如空气中的煤尘含量为1012浓度达到4时，遇火就会爆炸。3MG/要消除引爆火源，必须严禁明电、明火下井，禁止明火放炮，要求井下电器设备必须防爆。所以控制瓦斯浓度是防止瓦斯爆炸的根本，实时掌握瓦斯浓度状况是煤矿安全的头等大事。12国家关于煤矿安全浓度的规定煤矿安全规程对井下各点瓦斯浓度规定如下1矿井总回风巷或一翼回风巷风流中瓦斯浓度超过075，矿总工程师必须立即查明原因，进行处理，并报告矿务局总工程师。2采区回风巷、采掘工作面回风巷风流中瓦斯浓度超过1时，必须停止工作，撤出人员，并由矿总工程师负责采取措施，进行处理。3综合机械化、水采和煤层厚度小于8米的保护层的采煤工作面，经抽放瓦斯和增加风量已达到最高允许风速后，其回风巷风流中瓦斯浓度仍不能降低到1以下时，经矿务局局长批准，瓦斯浓度最高不得超过15，并应符合下列要求工作面的风流控制必须可靠；通风巷必须保持设计断面；必须制定安全措施，配有专职瓦斯检查员并安设瓦斯自动检测报警、断电装置。4采掘工作面风流中瓦斯浓度达到1时，必须停止用电钻打眼放炮地点附近20米以内风流中的瓦斯浓度达到1时，严禁放炮。采掘工作面风流中瓦斯浓度达到15时，必须停止工作，撤出人员，切断电源，进行处理电动机或其开关地点附近20米以内风流中瓦斯浓度达到15时，必须停止运转，撤出人员，切断电源，进行处理。5采掘工作面内，体积大于05立方米的空间，局部积聚瓦斯浓度达到2时，附近20米内，必须停止工作，撤出人员，切断电源，进行处理。6综合机械化采掘工作面，应在采煤机和掘进机上安设机载式断电仪，当其附近瓦斯浓度达到1时报警，达到15时必须停止工作，切断采煤机和掘进机的电源。313无线传输技术概述常用的无线传输方式有蓝牙、红外、UWB、ZIGBEE、WIFI、微波、无线电波，其中蓝牙、红外、UWB、ZIGBEE、WIFI适用于短距离或中距离无线信号传输，微波和无线电波适用于中远距离传播，由于矿井巷道比较狭长，中短距离的无线传输方式在此无法使用，下面着重介绍两种较长距离数据传送方式。1无线电波无线电波或射频波是指在自由空间（包括空气和真空）传播的电磁波，其频率下限较不统一,在各种射频规范书,常见的有三种3KHZ、9KHZ、10KHZ。波长为3000米03毫米。无线电技术是通过无线电波传播信号，现在，无线电有着多种应用形式，包括无线数据网，各种移动通信以及无线电广播等，其传输距离远，是应用最广的无线通信手段。2微波通信微波通信MICROWAVECOMMUNICATION,是使用波长在01毫米至1米之间的电磁波进行的通信。微波通信不需要固体介质,当两点间直线距离内无障碍时就可以使用微波传送，利用微波进行通信具有容量大、质量好并可传至很远的距离,因此是国家通信网的一种重要通信手段,也普遍适用于各种专用通信网，我国微波通信广泛应用L、S、C、X诸频段,K频段的应用尚在开发之中。一般说来,由于地球幽面的影响以及空间传输的损耗,每隔50公里左右,就需要设置中继站,将电波放大转发而延伸。这种通信方式,也称为微波中继通信或称微波接力通信。长距离微波通信干线可以经过几十次中继而传至数千公里仍可保持很高的通信质量。煤矿有线监控系统是煤矿安全生产的重要保障，但由于煤矿井下工况环境十分复杂，有线监控系统由于自身的局限性还难以对瓦斯、煤尘、火灾、地压、温度、风速等对矿井安全生产具有重要影响的矿井环境参数实施全面、有效和灵活的监测，不可避免地留下大量的安全隐患。建立矿井无线安全监测与预警信息系统可以对有线监控系统难以监测的区域实施十分有效、实时和灵活的监测。矿井无线传输受工作频率、导体、巷道截面包括形状尺寸、拐弯、分支、倾斜、风门等影响，其特点有矿井无线传输受巷道截面和传输频率影响。4巷道截面越大，传输频率越高，传输衰减越小。但在300900KHZ频率传输其衰减较小。巷道截面对无线传输的影响程度与波长有关，当巷道截面等效半径与波长相差不大于10倍时无论等效半径大于波长，还是波长大于等效半径，巷道截面对无线传输的影响较大；巷道截面等效半径远远小于波长，或远远大于波长时，巷道截面对无线传输的影响较小。因此。巷道截面对中频及其以下频率的无线传输影响较小，所以在本设计中可选用适当频率的无线电波作为无线传输方式。14煤矿瓦斯检测仪的发展状况多年来市场上用于瓦斯浓度检测的仪器主要有气相色谱仪，气敏元件传感器，光学干涉仪等。1气相色谱仪该类仪器可以检测、CO、C02等多种气体，测量范围大而且精度很高，4CH但成本较高，目前国内一台这样的仪器要8万元。这种仪器的缺点是体积较大，无法方便携带，工作环境要求很高，无法进行野外探测；测量时要先对气体取样，无法实时探测，功率很大一般达到2500W，需要与计算机相连。这种仪器目前主要应用在实验室内。2气敏元件传感器该类仪器是以“催化”元件作为传感元件，利用催化元件在不同浓度的瓦斯中使电桥电阻发生变化而制成的，是目前矿井中最常见的瓦斯检测手段。它的特点是体积小、重量轻、线性度较好、可实现电量输出、使用方便、价格便宜。但当甲烷浓度较大时，催化元件温度过高会使催化剂氧化或者烧断铂金丝而损坏仪器。该仪器的缺点是测量范围有限、精度较低、响应时间长。3光学干涉仪该类仪器是利用光干涉的原理，当两束光所经过光程相同时，干涉条纹不发生移动。如果气样室中气体的成分、温度、压力发生改变，则折射率会发生改变，光程也会发生变化，所看到的干涉条纹就发生移动。当两个气室的温度等条件相同时，由于甲烷的折射率N1000411，而空气的折射率N1000272，便可以利用测量干涉条纹的移动对甲烷的浓度进行定量分析。这种仪器在使用中必须消除二氧化碳和水蒸气的干扰。一般要在仪器的进气口处加一个吸收管，5装入碱石灰和氯化钙以吸收二氧化碳和水蒸气。光学干涉仪的特点是使用的条件要求不高，精度可以达到01左右，一般矿井中的瓦斯安全员用的多为这种仪器。缺点是当水蒸气含量较高时，测量精度下降，需要经常更换药品；仪器的安装较困难，读数不方便，读数的精度直接与使用人员的操作有很大关系；测量范围有限，精度不高。综合来说，目前市场上的每种系统都可能存在量程小、体积大、功耗大、需短期内校准、使用寿命短、无数据传输方式等其中某种或某几种缺点。因此十分需要研制一种新型瓦斯浓度检测仪以克服现有设备存在的各种问题，使其具有微型化、智能化、低功耗、无线化并能够准确的测量出现场的瓦斯浓度检测仪。15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、加工和利用等各个环节，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,CO,等。后两种气体含量少，且易4CH2SO2SO溶于水，经煤矿开采时的喷水处理后变成酸。但是气体含量多，且几乎不4CH溶于水，属于易燃易爆气体，发生爆炸事极易造成人身伤害。瓦斯是在成煤过程中形成并大量贮存于煤层之中的气体，对人体的4CH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应非常重视。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重的，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瓦斯气体监测仪对煤矿工业安全生产，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。616本课题的主要工作内容本课题假设煤矿的矿井巷道无弯道，由甲烷传感器检测矿井空气中甲烷的含量并转换成相应的电信号，经信号调理和放大而成为标准电信号，然后标准电信号经A/D转换器转换成数字信号送入单片机中，然后经无线发射模块发射，由接收模块接收信号后送入手持部分的单片机，经处理后进行显示和超限报警。使用单片机AT89C51作为控制芯片，用汇编语言进行程序设计，采用甲烷气体传感器、信号调理电路、A/D转换器、无线发射模块、无线接收模块加上显示报警电路等器件构成系统，具体部件及其功能如下1使用数码管显示瓦斯浓度的大小2使用报警电路，当瓦斯浓度超过1时发出报警信号3使用发射和接收模块对信号进行无线传输4使用电源监测电路对干电池电量进行监测目前国内有一些用于煤矿中CH4气体的检测仪，但是很少有能实现无线数据传输的，本文针对煤矿气体检测仪的现状及发展趋势，阅读了大量文献及资料，研发了基于无线传输的瓦斯浓度检测仪，本文的主要工作包括1甲烷气体传感器的选用2单片机的选用3系统方案的设计及论证4系统硬件电路的设计5系统软件的设计72系统总体方案设计本系统的总体方案设计包括系统总体构成和工作原理；系统的设计要求或者指标；系统设计原理。在第一部分中介绍了系统的总体的构成及其由各部分组成的完整系统的工作原理。而在设计要求中详细阐述了系统的设计要求，包含设计所应达到的技术指标和仪表在特殊场合的防爆设计要求。最后，在系统设计原理部分主要介绍了本设计主要用到的几个器件的选择及器件的性质介绍。21系统总体构成及工作原理系统硬件结构图如图21和图22所示。图21为系统位于井下对固定点的瓦斯浓度进行检测和无线数据发射部分，主要由单片机、气体检测与变送单元、A/D转换电路、电源时钟及复位电路、无线发射模块组成。图22为系统手持机部分，主要由单片机、无线接收模块、电源时钟及复位电路、报警电路、显示电路组成。在硬件设计中，采用了高集成度和性价比的外围器件。瓦斯浓度检测仪的功能是能够检测浓度，同时本着方便使用的原则，还应具备声光报4CH警、浓度显示等功能。其工作原理是现场瓦斯浓度通过瓦斯传感器MQ214探头及信号调理电路转变成相应的电信号，电信号通过A/D转换器转成相应的数字信号送入单片机，单片机处理数据后通过连接在串行口的无线传输模块PTR2000传输到手持部分进行浓度显示和报警操作。AT89C51无线发射模块瓦斯传感器信号调理电路电源时钟、复位电路A/D转换器图21现场部分结构图8AT89C51报警电路电源时钟、复位电路无线接收模块瓦斯浓度显示电路图22手持部分结构图22系统设计要求221技术指标本课题的研究目的是设计一个基于无线传输的瓦斯浓度检测仪，该瓦斯浓度检测仪主要完成数据采集、处理和无线传输，瓦斯浓度显示以及超限报警等功能，并且具有体积小、携带方便、多功能、精度高等特点，其具体技术指标上的要求如下1应用环境煤矿气体监测2监测对象监测甲烷气体3测量范围甲烷0124灵敏度065响应时间30S6功耗150MW7环境工作温度范围2070C8环境下作湿度范围95RH222防爆要求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，煤矿电器同一般电器有较大的区别。这就对煤矿电器有特殊要求，如体积要小，易于搬运，坚固，防潮防水，防爆属于煤矿安全标志管理目录内的矿用产品应有安全标志，电气设备必须符合防爆要求，应有接地、过流、漏电保护装置。隔爆型仪表的主要特点是有一个可靠的隔爆外壳，它将把可能产生火花和危险温度的仪表传感器、电阻电路及接线端子等，都放在隔爆外壳里，达9到外壳内可能发生的爆炸不影响周围易燃易爆物质，它的设计方法与隔爆型电器和电机基本相类似。如外壳的各配合面隔爆面的间隙大小和长度要符合GB38362标准规定要求，另一方面外壳要有一定的机械强度，须达到外壳内部爆炸参考压力的15倍压力不损坏和变形等。隔爆型仪表设计须注意如下几个方面1确定合理的外壳结构根据仪表的特点，专门设计与原结构相适应的外壳，达到既不损害仪表原来使用特征又经济合理的外壳，外壳腔内有细长通道，避免腔内发生压力重叠现象,外壳的材质采用新型的工程塑料和优质轻合金，结构轻巧。2接线盒结构隔爆型仪表设计带有接线盒的隔爆外壳，且接线盒的防爆类型为隔爆型。由于隔爆型仪表具有低电压、小电流特点，隔爆型仪表的主腔和接线盒贯通部分，可以尽量采取橡胶密封结构，使隔爆型仪表结构简单，加工方便。3指示表结构为了使井下工作人员及时地了解瓦斯浓度数据，隔爆型仪表带有指示表。指示表设计在仪表的主腔室，透明窗面积不大于100，透明玻璃厚度大于2M8MM,与外壳密封采用橡胶密封措施。23系统设计原理231传感器选择本设计采用MQ214可燃性气体传感器作为甲烷传感器，根据MQ214数据手册规定，加热电压为6V，瓦斯测量单元的工作是周期性的加热30S后进行测量，然后经过45S进行恢复，因此电路具有“6V电压加热”和“自然恢复”2种状态。这种传感器的外观图和结构如图23所示，由两个引脚构成，一正一负，正端接6V电源，此电源要求有较高稳定性，否则对测量结果会产生误差。负端串接一电阻后，通过其在不同的瓦斯气体中的电阻值的变化来确定瓦斯浓度的大小，是催化氧化型的一种气体传感器，具有抗气体干扰能力强、选择性好、反应速度快、灵敏度高、线性和稳定性好、功耗低、寿命长、体积小等特点。适用于煤矿井下作业环境测量空气中的甲烷气体浓度，所以本设计选择其作为传10感器，对照本设计的所要达到的指标要求，MQ214可燃性气体传感器在各方面都达到了要求，是比较理想的选择。图23传感器的外观图和结构图传感器规格如表21表23所示。表24列出了传感器的标准工作条件；表25描述了传感器的使用的环境条件；而表3则详细阐述了传感器的灵敏度特性，标示出了其检测范围。表21标准工作条件符号参数名称技术条件备注VC回路电压6V01VDCRH取样电阻501室温PH功耗约150毫瓦表22环境条件符号参数名称技术条件备注TAO使用温度1050TAS储存温度2070RH相对湿度小于95RH11O2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表23灵敏度特性符号参数名称技术参数备注RS敏感体表面电阻201005000PPM甲烷5000/3000甲烷浓度斜率06标准工作条件温度202VC6V01相对湿度655预热时间不少于24S探测浓度范围500PPM10000PPM液化气和丙烷1000PPM20000PPM甲烷500PPM10000PPM氢气其测量电路如图24所示。图24MQ214测量电路图25给出了MQ214气敏元件的灵敏度特性曲线。其中，温度20；相对湿度65；氧气浓度21；RL50，RS元件在不同气体、不同浓度下的电阻值；RO元件在洁净空气中的电阻值。图26给出了MQ214型气敏元件的温湿度特性曲线，RO20，33RH条件下，5000PPM甲烷中元件电阻。RS不同温度、湿度下，5000PPM甲烷中元件电阻。MQ214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。此处建议使用1000PPM12液化气或5000PPM甲烷校准传感器。图25MQ214灵敏度特性曲线00204060811214161820100102030405060DEGREERS/RO33RH85RH图26MQ214温湿度特性曲线232无线数据传输模块的选择从模块内置芯片数据传输的编码方式、芯片外围元件的数量、功耗、发射功率、芯片的封装和管脚数等几个方面来考虑，本设计采用PTR2000作为无线传输模块。无线收发一体数传MODEM模块PTR2000芯片性能优异，在业界居于领先水平，它的显著特点是所需外围元件少，设计非常方便。该模板在内部集成了高频接收、PLL合成、FSK调制/解调、参量放大、功率放大、频道切换等功能，因而是目前集成度较高的无线数传产品。以往设计无线数传产品常常需要相当多的无线电专业知识和昂贵的专业设备，而且传统的电路设计方案不是电路太复杂就是调试困难，而令人望而却步，以至影响了用户的使用和新产品的开发研制工作。PTR2000的出现，使用户摆脱了传统无线产品设计的困扰。该器件13采用抗干扰能力强的FSK调制/解调方式，其工作频率稳定可靠、外围元件少、功耗极低且方便设计生产。它的优异特性使其非常适合于应用在便携式及手持产品的设计中，符合本设计的要求，其具体性能指标如下1该器件将接收和发射合接为一体2工作频率为国际通用的数传频段433MHZ3采用FSK调制/解调，可直接进入数据输入/输出，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合4采用DDS直接数据合成PPL频率合成技术，因而频率稳定性好5灵敏度高达105DBM6工作电压低27V,功耗小，接受待机状态电流仅为8UA7具有两个频道，可满足需要多信道工作的场合8工作频率最高达20KBIT/S也可在较低频率下工作，如9600BIT/S,超小体积，约402753M9可直接与CPU串口进行连接如AT89C51,也可以用RS232与计算机接口连接，软件编程方便10标准的DIR管脚间距更适合于嵌入式设备11由于采用了低发射功率、高接收灵敏的设计，因此使用无需申请许可证，开阔地时使用距离最远可达1000M233单片机型号选择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、家用电器以及网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。正因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MCS51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干扰能力。由于甲烷气体监测传感器处于煤矿矿井巷道中，工作环境比较恶劣，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，所以应采用抗干扰性能较好的单片机机型；二是要有较高的性价比。由于51系列在我国14使用最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公司推出的AT89C51单片机，其具有较高的性能价格比和较高的抗干扰能力。本文采用AT89C51单片机作为检测仪的核心部件，AT89C51单片机是ATMEL公司89系列单片机中的一种，它现已广泛应用于工业控制等各领域，是80C51的增强型并且指令完全兼容。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。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MCS51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，其特点如下1与MCS51兼容24K字节可编程闪烁存储器3寿命1000写/擦循环4数据保留时间10年5全静态工作0HZ24MHZ6三级程序存储器锁定71288位内部RAM832可编程I/O线9两个16位定时器/计数器105个中断源11可编程串行通道12低功耗的闲置和掉电模式13片内振荡器和时钟电路14工作温度为5512515最高工作电压66V正是由于AT89C51单片机具有如上特点，其工作温度范围宽，能够适应矿井下恶劣的环境，且具有较高的可靠性，和抗干扰能力，所以此处选用此单片机作为控制器。153系统硬件设计系统硬件设计是本设计的重中之重，其具体包括系统的电源、数据采集以及信号调理部分、A/D转换电路部分、显示部分电路、电池电量监测部分、报警电路等各部分的设计电路，下面给予详细阐述。31系统电源设计311煤矿现场部分电源设计由于煤矿矿井下可采用有线电缆供电，所以本设计中采用220V交流市电，经变压、整流滤波、稳压后得到所需电源。因现场部分的电路中需使用到不同的电源电压值，例如传感器需要6V的标准电压，而A/D转换器则需要15V的基准电压，单片机的电源电压为5V，所以，此处采用三端集成稳压芯片LM7815、LM7806、LM7805、LM7915，来分别得到15V、6V、5V、15V电压作为输出，供现场部分的系统使用。具体的电路设计如图31所示。T13W/18V1234IN400705AIN4007VIN15V3GND2IC3LM7805VIN2GND115V3IC4LM7915VIN1GND215V3IC1LM7815VIN1GND26V3IC2LM1806器220VC2104UFC11000UFC31000UFC610UFC810UFC1010UFC1210UFC9104UFC11104UFC5104UFC4104UFC7104UF6V15V15V5VGNDR1KR1K图31现场部分的电源电路图设计312手持部分电源设计16手持部分的电源采用南孚9V电池6LR61碱性电池供电，其技术数据为电压9V，尺寸MM高485长265宽175，有效期3年。在不同的测试条件下，其终止电压和使用寿命如表31所示。表31南孚9V电池的终止电压和使用寿命测试条件终止电压使用寿命620欧2H/D54V300H180欧30H/D48V105H270欧1H/D54V160H由于手持部分的特殊性，只能使用电池供电，而单片机的供电电压为5V直流电，且要求电压稳定，所以在设计中采用了三端集成稳压芯片LM7805，由其输出端提供稳定的5V电压，以供单片机使用。其具体电路连接图如图32所示。9VL1100UHVD1IN4007VIN1GND25V3IC1LM7805C11000UFC3100UFC201UFC401UFR11K5VVD2LEDGND图32手持部分的电源设计32数据采集与信号调理电路部分设计根据MQ214数据手册规定，加热电压为6V，瓦斯测量单元的工作是周期性的加热30S后进行测量，然后经过45S进行恢复，因此电路具有“6V电压加热”和“自然恢复”2种状态。本设计利用AT89C51的P21口，当到达加热或恢复时间后，由CH4_KZ端输入的控制电平，切换2种工作状态。信号采集及调理电路图如图9所示。图33中，T2是瓦斯传感器MQ214，当CH4_KZ输入低电平时，处于加热状态，加热通路为T2、Q1、R4。加热时，加热电路串入51电阻，以限制通过传感器的电流。MQ214的加热电阻为20100，因此，T2第2脚的电压最大为51/51206432V，最小为51/5110062V；选择A/D转换器AD574A的最高输入电压为10V的模拟输入端，范围为010V，为了使调理电路输出电压在合理的范围内，电路使用了反向放大2倍的放大电路；同时，为了17保持相位与输入信号相同，在后一级使用反向放大倍数为1的放大器。因此，输入A/D转换器的电压范围是4864V。当控制电平端输入高电平时，电路处于恢复状态Q1三极管关断，输入电压略小于3V。整个电路的输出电压与瓦斯传感器电阻之间的运算关系如式31所示。（31）62CH4_INXX511VR56VC110UFC201UFR310KQ18050R23KR1510Q28050R4515IN1OUT2T2MQ214OP07R510KR710KR620KOP0715V15V15V15VR910KR1010KR810KGNDGNDCH4_INCH4_KZ图33信号采集及调理电路图33模数转换芯片AD574A原理及连接方法AD574A是美国模拟数字公司ANALOG推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换芯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。其主要功能特性如下1分辨率12位2非线性误差小于1/2LBS或1LBS3转换速率25US4模拟电压输入范围010V和020V，05V和010V两档四种5电源电压15V和5V6数据输出格式12位/8位187芯片工作模式全速工作模式和单一工作模式AD574A的管脚如图34所示，其对应个管脚的功能、名称及序号如表32所示。R1KR1KVL1BIPOFF12AG9VEE11BIN10BOUT810VIN1320VIN14DG1512/82CS3A04R/C5DB1127DB1026DB925DB824DB723DB622DB521DB420DB319DB218DB117DB016CE6STS28VCC7AD574A图34AD574A管脚图表32AD574A管脚功能图管脚序号名称功能1VL5V电源输入端212/8数据模式选择端，为高电平时，输出数据为12位；当为低电平时，数据是作为两个8位字输出3CS片选端低电平有效4AO转换位数控制信号。当为高电平是，进行8位转换，为低电平进行12位转换5R/C读出或转换控制信号，用于控制ADC574A是转换还是读出。当为低电平时，启动AD转换；当为高电平时，将转换结果读出。6CE芯片允许信号，高电平有效。只有CS和CE同时有效，AD574A才能工作7VCC正电源输入端，输入15V电源。8BOUT10V基准电源电压输出端9AG模拟地端。1910BIN基准电源电压输入端11VEE负电源输入端，输入15V电源12BIPOFF正电源输入端，输入15V电源1310VIN10V量程模拟电压输入端1420VIN20V量程模拟电压输入端15DG数字地端1627DB0DB1112条数据总线。通过这12条数据总线向外输出A/D转换数据。28STS工作状态指示信号端，当STS1时，表示转换器正处于转换状态，当STS0时，声明A/D转换结束，通过此信号可以判别A/D转换器的工作状态，作为单片机的中断或查询信号之用EA/VPP31P0732P0633P0534P0435P0336P0237P0138P0039WR16RD17P2021PROG/ALE30P2122GND20RST9P31TXD11XALT218VCC40XTAL119AT89C51D718D617D514D413D38D27D14D03G11OE1Q02Q15Q26Q39Q412Q515Q616Q71774LS373Y3A1B274LS00GNDR2100R5100KR3100KR4100VL1BIPOFF12AG9VEE11BIN10BOUT810VIN1320VIN14DG1512/82CS3A04R/C5DB1127DB1026DB925DB824DB723DB622DB521DB420DB319DB218DB117DB016CE6STS28VCC7AD574AGND5V15V15VR10K图35AD574A与单片机连接图图35是AT89C51单片机与AD574A的接口电路，其中还使用了三态锁存器74LS373和74LS00与非门电路，逻辑控制信号由AT89C51的数据口P0发出，并由三态锁存器74LS373锁存到输出端Q0、Q1和Q2上，Q0、Q1、Q2分别连接到AD574A的CS、A0和R/C端，用于控制AD574A的工作过程。AD转换器的数据输出也通过P0口数据总线连至AT89C51，由于我们只使用了8位数据口，12位数据分两次读进AT89C51，所以当AT89C5120的P20查询到STS端转换结束信号后，先将转换后的12位A/D数据的高8位读进单片机，然后再将低4位读进单片机。这里不管AD574A是处在启动、转换和输出结果，使能端CE都必须为1，因此将AT89C51的写控制线和读控制线通过与非门74LS00与AD574A的使能端CE相连。34无线传输模块PTR2000原理及应用本文中的无线数据传输模块采用PTR2000，因为它是目前集成度较高的无线收发产品，其接收和发送合为一体，具有两个频道，可满足多信道工作的场合，内置NRF401芯片，数据无需曼彻斯特编码，外围元件只需10个，编程开发工作容易，图36是PTR2000模块的引脚。R10KR10KVCC1CS2DO3DI4PWR6TXIN7GND5PTR2000图36PTR2000模块引脚图PTR2000模块的引脚功能说明如下表33所示。表33PTR2000引脚功能说明管脚序号名称功能1VCC正电源端，27525V2CS频道选择端，CS0选择工作频道1，即43392MHZ；CS1选择工作频道2，即43433MHZ3DO数据输出端4DI数据输入端5GND电源地端6PWR节能控制端。PWR1时，正常工作状态，PWR0时，待机微功耗状态7TXEN发射接收控制。TXEN1时，模块为发射状态；TXEN0时，模块为接收状态由表33可得到模块不同的工作模式，具体设置可见表34，设置不同的引脚21输入电平将得到不同的工作模式，可以由此设置让PTR2000无线传输模块工作于接收或者放射状态。表34PTR2000工作模式设置引脚接入电平模块工作状态TXENCSPWR工作频道芯片状态0011接收0112接收1011发射1112发射0待机单片机与PTR2000的通信速率可约定为9600BIT/S，单片机选用12MHZ的晶振。PTR2000的DO脚连接AT89C51的RXD脚。其功能是PTR2000将接收到的数据解调后，输出到单片机中。PTR2000的DI脚连接AT89C51的TXD脚。其功能是单片机将待发数据传输到PTR2000并经过调制后发送到接收端。PTR2000的TXEN脚在本设计中分为现场部分和手持部分，每部分都只使用其发射或接收中的一种功能，现场部分的PTR2000模块的TXEN1，接到VCC上，PTR2000处于发射状态，手持部分的TXEN0，接到GND上，PTR2000处于接收状态。PTR2000的CS引脚和GND连接，即使固定通信频道为频道1。PTR2000的PWR引脚连接到VCC上，使PTR2000的固定工作在正常工作状态。具体单片机与PTR2000模块的连接图如图37和图38所示。VCC1CS2DO3DI4PWR6TXEN7GND5PTR20005VP30VCC1CS2DO3DI4PWR6TXEN7GND5PTR20005VP31图37发射端PTR2000连接图图38接收端PTR2000连接图35LED显示电路设计LED显示器分为共阳极和共阴极两种，两者输入代码不同，本设计采用共阴极数码管作为显示器件。22据此处的具体需要，采用小数点固定的方法，各小数点位单独控制，所以在选择译码驱动器件时可选择七段驱动器，这里选择CD4511作为译码驱动器，采用硬件译码方式，硬件译码减少了软件设计的麻烦，编程方便，在显示方式上采用动态显示，动态显示是单片机常用的显示方式之一，它是把所有显示器的同名段互相并联在一起，并把它们接到字形口上为了防止各个显示器同时显示出相同的字符，每个显示器还要受到另一组控制信号的控制，当需要输出数据时，应将LE口置高电平，表示此时可以向CD4511发送数据，但CD4511I的输出端AG不会有输出，因为LE1时，CD4511处于锁存状态。这时只要将要显示的数据的代码输入到AD口，送完后，将LE清零。这时便可以将要显示的数据的代码经CD4511译码后，从输出端AG输出，送LED显示器显示。这样将每位要显示的数据分别送入各个显示器件，由各个LE端控制，在合适的时间间隔内，由于视觉的延迟作用，我们可以看到各个清晰的数字。CD4511与单片机、数码管组成的系统显示模块的总连接电路图如图39所示。EA/VPP31P178P167P156P145P134P123P112P101WR16RD17P2021PROG/ALE30P2122GND20RST9P30RXD11XALT218VCC40XTAL119P2223P2324P2425PSEN29AT89C51GND8LE5BI4D6LT3C2VCC16B1A13A7B12C11G14D10F15E9CD4511GND8LE5BI4D6LT3C2VCC16B1A13A7B12C11G14D10F15E9CD4511GND8LE5BI4D6LT3C2VCC16B1A13A7B12C11G14D10F15E9CD4511ABFCGDEDPY1234567ABCDEFG8DPDPABFCGDEDPY1234567ABCDEFG8DPDPABFCGDEDPY1234567ABCDEFG8DPDP5V30021R24470GNDR1K图39显示模块电路连接图36报警电路23采用电磁式蜂鸣器作为声音报警的发声器件，其工作原理为电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声，当瓦斯浓度超过限定值时，单片机P23口输出低电平使PNP型三极管8550导通，蜂鸣器两端脚产生压差，从而发出声音报警信号。其具体连接方法如图310所示。采用发光二极管串接限流电阻作为光报警的发光器件，当瓦斯浓度超过限定值时，单片机P24口输出低电平使发光二极管导通，发出光亮，产生光报警信号。其具体连接方法如图311所示。器器器Q185505VR11KP23R1KLEDR13305VP24图310声音报警电路图311光报警电路37电池电量监测电路设计本设计将用到LM339集成块内部的四个独立的电压比较器，LM339元件图如图312所示。该电压比较器的特点有1失调电压小，典型值为2MV2电源电压范围宽，单电源为236V，双电源电压为1V18V3对比较信号源的内阻限制较宽4共模范围很大，为0UCC15VVO5差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压6输出端电位可灵活方便地选用24OUTPUT21OUTPUT12VCC3INPUT14INPUT15INPUT26INPUT27OUTPUT314OUTPUT413GND12INPUT411INPUT410INPUT39INPUT38LM339R1KR1K图312LM339元件图LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选315K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值,另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。电量检测电路采用了四电压比较器LM339，用稳压管提供基准电压，利用稳压管的反向击穿导通特性，当电池的电压大于相应稳压管的击穿电压时，由于运放的虚短和虚断特性，反向输入端与正向输入端的电压大小相等，使稳压管导通，稳压管导通后其内阻极小可忽略不计，则此时相当于LM339的比较器的反向输入端接至电池负极，此时运放正、反向