基于PIC16F877的瓦斯监测系统

I摘要矿井中瓦斯浓度的监测，直接关系到煤矿的安全生产和广大的矿工的生命安全。而单片机传感器近年来发展的相当快，其本身具有速度快、精度高、操作简便、运行可靠等特点，十分适合作为瓦斯监控传感器的核心。根据国家煤矿安全生产规范的要求，本文设计了一种使用PIC16F877单片机的智能矿井瓦斯传感器，除具有浓度显示，声光报警等传统功能外，还具有上位机监控的功能，能将瓦斯浓度通过RS485总线向上位机进行报告，大大提高了此类产品的可靠性、方便性和网络化程度。此外，本设计采用了红外传感器，其具有气体选择性好，测量精度高，寿命长和不易老化等优点。关键词瓦斯检测PIC16F877单片机红外吸收传感器IIABSTRACTMINEGASCONCENTRATIONMONITORING,ISDIRECTLYRELATEDTOTHESAFETYOFCOALPRODUCTIONANDTHEMAJORITYOFTHELIVESANDSAFETYOFMINERSSINGLECHIPSENSORSANDTHEDEVELOPMENTOFAFAIRLYRAPIDPACEINRECENTYEARS,WITHITSOWNSPEED,HIGHPRECISION,EASYTOOPERATE,RELIABLERUNNINGISVERYSUITABLEASTHECOREOFTHEGASMONITORINGSENSORSCOALMINEPRODUCTIONSAFETYINACCORDANCEWITHNATIONALNORMS,THEPAPERDESIGNOFAPIC16F877MICROCONTROLLERSMARTUSEOFGASSENSOR,WITHTHEEXCEPTIONOFACONCENTRATIONSHOWSTHATTHETRADITIONALSOUNDANDLIGHTALARMFUNCTIONS,ALSOHASTHEFUNCTIONOFTHEPCMONITOR,CAPABLEOFGASCONCENTRATIONTHROUGHTHERS485BUSCREWREPORTEDUPWARD,GREATLYIMPROVINGTHERELIABILITYOFTHESEPRODUCTS,CONVENIENCEANDTHEDEGREEOFTHENETWORKINADDITION,THEDESIGNUSESANINFRAREDSENSOR,ITSGASSELECTIVITY,ANDHIGHMEASUREMENTACCURACY,LONGLIFEANDTHEADVANTAGESOFAGINGISNOTEASYKEYWORDSGASDETECTIONPIC16F877MICROCONTROLLERINFRAREDABSORPTIONSENSORSIII目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111瓦斯事故的危害112矿井安全监测装置的现行状况213国内外红外传感器发展情况3第2章PIC系列单片机简介521PIC16F877单片机简介522PIC单片机的优越之处523PIC16F877管脚功能简介6231引脚图6232特殊内嵌功能7233PIC16F877基本电路8234PIC16F877I/O设备924PIC16F877指令简介10第3章甲烷探测仪硬件部分设计1231红外甲烷气体检测的原理及红外气体检测仪简介12311原理12312红外气体检测仪的构成13313IR32BC1432红外光源16321红外光源的选择16322红外光源驱动1633热释电探测器18331热释电探测器原理18332热释电探测器信号与气体浓度的关系分析1934放大电路2135与上位机通信设计23IV351上位机与井下通讯方式23352接口器件简介24353通讯电路设计2736报警、显示电路设计2937系统电源电路设计30第4章甲烷探测仪软件部分设计3241系统功能说明3242主程序流程图3243A/D转换程序流程图3344键盘转换程序34第5章上位机软件3551计算机端VC通信程序的编写3552PIC单片机汇编程序的编写36结论37致谢38参考文献39附录一瓦斯气体检测的基本方法41附录二THEBASICGASDETECTIONMETHOD44附录三48附录四491第1章绪论我国是世界煤炭生产和消费大国，煤炭在今后相当长的时期内仍将是主要能源。近年来，瓦斯爆炸事故频繁发生，造成了重大伤亡和经济损失，教训深刻。事实上瓦斯超限造成爆炸事故是煤矿事故的主要原因之一。随着国民经济的不断发展，煤炭等能源的需求量与日俱增，保证煤矿行业的安全是非常重要的，为此煤矿生产管理单位对煤矿瓦斯监测非常重视，控制瓦斯超限成为煤矿可以生产的必要条件。避免瓦斯超限及瓦斯爆炸事故的一个重要措施就做好瓦斯的检测工作。通过建立煤矿瓦斯监测监控系统，提前掌握煤矿瓦斯的变化情况，一旦出现瓦斯超限，及时采取相应措施，保障煤矿的安全生产。11瓦斯事故的危害瓦斯是煤矿开采的伴生物，矿井瓦斯是对煤矿井下，各种有害气体的总称，其主要成分是甲烷CH4、二氧化碳CO2、一氧化碳CO等。在这些有毒有害气体中，甲烷含量占了80以上，所以人们习惯上将甲烷称为瓦斯1。瓦斯是一种无色、无味、无臭的气体，瓦斯在空气中浓度增大时，能使空气中的氧气含量相对降低，而使人窒息，当空气中瓦斯含量达到40以上时，能使人立刻死亡。新鲜空气中，瓦斯浓度达到515时，就达到爆炸浓度，也称爆炸极限。当瓦斯浓度在5以下时，遇到火源能燃烧，不能爆炸，当瓦斯浓度大于15时，在混合气体中遇到火源不能燃烧，也不会爆炸，如有新鲜空气供给，在混合气体与新鲜空气的接触面上，遇火就会燃烧，其浓度在516时，遇火源就会爆炸，在95时，爆炸能力最强。在新鲜空气中，瓦斯的引燃温度为650750，所以明火、吸烟、电火花、放炮产生的火焰以及摩擦火花，都可以引起瓦斯爆炸。全国已有相当数量的矿井开采到6O0M以下的高瓦斯和瓦斯突出区，条件十分困难。而每向下开掘垂深100M，作业面温度就会升高34，瓦斯的相对涌出量呈线性增长不同地区梯度值不一样，瓦斯灾害就容易发生。瓦斯爆炸是一种激烈的化学反应，瓦斯爆炸后会产生大量有毒有害气体，使空气中的含氧量大大降低，瓦斯爆炸时产生大量的热量，形成火焰，温度可达18502650，这样的高温及火焰能使工作人员烧伤，还会引起煤2尘爆炸及矿井火灾。由于空气温度的骤然升高，使爆炸源附近空气压力急剧增大，因而形成强大的冲击波。这种直接冲击波，使爆炸源附近的气体以每秒几百米甚至几千米的速度向外传播，从而造成井巷、设备损坏及人员伤亡。瓦斯、煤尘爆炸后，由于空气稀薄，在爆炸源附近形成低压区，因而又形成了爆炸波的反向冲击，对井巷、设备会造成更大的破坏，对工作人员也构成更大的威胁。煤矿安全规程2第一百三十三条至一百三十六条规定一个矿井中只要有一个煤岩层发现瓦斯，该矿井即为瓦斯矿井。每年必须对矿井进行瓦斯等级和二氧化碳涌出量的鉴定工作，报省自治区、直辖市负责煤炭行业管理的部门审批，并报省级煤矿安全监察机构备案。上报时应包括开采煤层最短发火期和自燃倾向性、煤尘爆炸性的鉴定结果低瓦斯矿井中，相对瓦斯涌出量大于10M3/T或有瓦斯喷出的个别区域采区或工作面为高瓦斯区，该区应按高瓦斯矿井管理矿井总回风巷或一翼回风巷中的瓦斯浓度超过075时，必须立即查明原因，进行处理。采区回风巷、采掘工作面回风巷风流中瓦斯浓度超过10必须停止工作，撤出人员，采取措施，进行处理。及时、准确地检测瓦斯气体的产生源、浓度，对于工矿安全运行、人身安全及环境保护有着十分重要的意义。所以，开发研制一种安全可靠，高灵敏度的瓦斯传感系统具有重大的社会意义和经济意义。12矿井安全监测装置的现行状况目前，国内煤矿所用的甲烷传感器绝大部分采用载体催化型催化燃烧型，这种方法虽然可以进行瓦斯检测，但存在使用寿命短、工作稳定性差和调校频繁的致命弱点。采用载体催化型的煤矿,首先需要建立安全测控仪器检修室，然后每隔10天须用校准气体和空气样对载体催化传感器进行校准。低浓度甲烷传感器经过大于4的甲烷冲击后，必须及时进行调校或更换。同时，煤矿环境中高粉尘、高湿度的环境加速了载体催化传感器的老化，严重制约着对瓦斯的有效、准确检测。由于载体催化甲烷检测方法的弱点无法解决，欧美等发达国家多年来一直在研究将红外吸收光谱技术应用于甲烷检测，终于在2004年推出了煤矿用红外甲烷传感器。该产品一经推出，即受到了各国广泛重视。红外光谱吸收法与载体催化法相比，在稳定性、可靠性以及长寿命等方面，都表现出明显的优势，是煤矿用甲烷传感器的更新换代理想产品，具有良好的发3展前景。但这些产品在我国推广时却遇到了难题。首先，这些产品在我国矿井下的高粉尘、高湿度环境无法正常使用；其次是这些产品价格昂贵，国内的企业难以接受；同时，这些产品还不能与国内煤矿现有的安全检测系统兼容。13国内外红外传感器发展情况红外气体传感器是红外检测仪的基础，红外光源和红外探测器又是红外气体传感器的关键部件，也是成本的主要构成。国外发达国家对红外气体传感器的研究起步较早。德国微传感器执行器和系统研究所、波兰化学研究所、瑞士微系统所都利用微机电系统MEMS技术设计了可直接调制的红外辐射源；美国PERKIN一ELINER和HONEYWELL传感器公司都已大量利用红外热电堆制作传感器。我国的相关单位也一直致力于红外气体传感器方面的研究工作，并取得了一定的成果3。中科院微系统所、复旦大学等单位也开展了脉冲调制的MEMS脉冲辐射源的研制。国外发达国家对气体在线检测仪器研究和应用方面起步较早，现已研制出的基于光干涉原理、热催化原理、热导原理的传感器都在气体检测中起到了推动作用，在大多数的检测方法和仪器中，红外光谱吸收型气体传感器技术方案是最有效和广泛采用的方法。1979年HINABA提出利用光谱吸收法通过光纤传输光信号进行长距离的大气污染检测；法国生产的LEL5610型气体分析仪能检测CH4、CO2、CO混合气体，并且具有自检功能美国西屋电气公司研制的红外瓦斯遥测仪能在40M内确定工作面周围的平均瓦斯浓度；美国罗斯蒙特公司研制的红外吸收气体分析仪具有性能可靠、安全防爆等特点，同时能够提供标准电压或电流输出信号。这些仪器广泛应用于环境监测和工矿安全检测。近年来，国内的有关单位也一直致力于基于红外技术的气体浓度检测研究工作。中国科学院开发的红外激光汽车尾气检测仪可以在汽车驶过瞬间，分析出尾气中的各种废气含量，并在大约4秒钟内得出结果；浙江大学的叶险峰博士用13M的LED作光源，配合闪耀光栅对甲烷气体进行了检测实验；燕山大学的王玉田教授对吸收式光纤瓦斯传感系统也作了大量的研究。但目前国内针对瓦斯浓度检测的红外技术还不是很成熟，实时性、稳定性和灵敏度方面都有待提高。长期以来，我国矿井现场都采用热催化元件来检测瓦斯浓度。采用热催化4元件制成的甲烷检测仪，适用于煤矿井下各工作场所测量空气中的甲烷浓度。仪器具有红外线遥控功能，超限声、光报警功能，超限断电指令输出功能。并具有检测精度高，调校简单，工作稳定等特性。但其检测精度不高，易老化且发生错误等缺点在应用过程中逐渐显露出来，因此，急切需要一个新的方法来克服这些缺点。随着红外技术的迅猛发展，国内外用于精确测定和标定气体浓度的分析仪大多数都采用了红外技术。因此，研制一种高稳定性、高灵敏度的矿用红外瓦斯浓度检测仪来实时的检测瓦斯浓度，对于提高我国煤矿安全监测水平，防止煤矿瓦斯事故发生，保障我国煤炭事业的可持续性发展有着重要的现实意义。5第2章PIC系列单片机PIC系列单片机是有美国MICROCHIP公司生产的单片机产品。目前在世界8位单片机中销量第一。PIC16F877单片机在多个方面较之其它系列单片机更有优越性，它的最大优点表现在引脚少、功能强、可直接带LED负载；具有低耗能工作方式，较简便地实现掉电保护；外围接口电路简单，提高了整机的可靠性；具有较强的抗干扰性，大大提高抵御外界的电磁干扰和本机控制电路的电磁干扰的能力，从而提高了工业电脑自动控制器的适应能力。21PIC16F877单片机PIC16F877单片机的指令字节位14位，属于中级产品，是PIC中级单片机中很有特色的一个子系列。PIC16F877单片机电压运行范围为20V至55V，具有高性能的RISCCPU，仅仅有35条单字指令，执行速度快，指令易学易用；带有256字节的电可擦写的EEPROM存储器，每次报警和断电界限的设定值可以从EEPROM中读出以前写入的设定值，或重新按键设定并写入EEPROM以备下次使用；8K14个FLASH程序存储器，3688个数据存储器（RAM）字节，充足的资源可供以后开发改进；内含10位多通道模/数转换器，转换精度高；看门狗可以对软件运行出错提供保护功能4。22PIC单片机的优越之处1重实际PIC最大的特点是从实际出发，重视产品的性价比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。2效率PIC系列8位单片机具有独特的RISC结构，数据总线和指令总线分离的（HARVARD）结构，使指令具有单字长的特性，且允许指令码的位数可多于8位的数据位数，这与传统的采用CISC结构的8位单片机相比，可以达到21的代码压缩，速度提高了4倍。63发环境优越PIC在推出一款新型号的同时推出了相应的仿真芯片，所有的开发系统有专用的仿真芯片支持，实时性非常好。4强的抗干扰能力PIC单片机通过限流电阻可以接至220V交流电源，可直接与继电器控制电路相连，无需光电耦合隔离，给应用带来极大方便。5彻底的保密性PIC以保密熔丝来保护代码，用户在写入代码后熔短熔丝，别人无法读出，除非恢复熔丝。目前，PIC采用熔丝深埋工艺，恢复熔丝的可能性极小。6带看门狗定时器自带的看门狗定时器可以提高程序运行的可靠性。7眠何低功耗模式睡眠和低功耗模式使PIC单片机对电源具有非常低的功耗。23PIC16F877管脚功能简介231引脚图PIC16F877的40根接脚图，PDIP是指一般最常见的DIPDUALINLINEPACKAGE包装，而PIC单片机也有PLCCPLASTICLEADEDCHIPCARRIER与QFPQUADFLATPACKAGE两种形式的包装，依照不同的需求，寻找不同的包装形式。如图21所示，每根接脚都有其特定功能，例如PIN11与PIN32VDD为正电源接脚，PIN12与PIN31VSS为地线接脚；而有些接脚有两种甚至三种以上功能，例如PIN2RA0/AN0代表PORTA的第一支接脚，在系统重置RESET后，可自动成为模拟输入接脚，接收模拟讯号，也可经由程序规划为数字输出输入接脚56。PIC16F877属于闪控式FLASH单片机，可以重复烧录，其ROM的容量总共是8K字节，以2K为一个页，区分为4个页；内部RAM总共有512个字节00F1FFH，以128个字节为一个BANK，共区分为4个BANK，每个BANK的前半段都有其特殊用途，分别连接到其特殊功能模块，例如I/O、CCP、TIMER、USART、MSSP等。7PIC16F87712345687911101213141517161918202122232425262728333534323129304039383637_MCLR/VPPRB7/PGDRB4RB5RB6/PGCRB3/PGMRB2RB1RB0/INTVDDVSSVDDVSSRD7/PSP7RD5/PSP5RD6/PSP6RD4/PSP4RD3/PSP3RD1/PSP1RD2/PSP2RD0/PSP0OSC1/CLKINOSC2/CLKOUTRC5/SDORC7/RX/DTRC4/SDI/SDARC6/TX/CKRC3/SCK/SCLRC2/CCP1RC1/T1OSI/CCP2RC0/T1OSO/TICKI_RE0/RD/AN5_RE1/WR/AN6_RE2/CS/AN7RA0/AN0RA1/AN1RA2/AN2/VREFRA3/AN3/VREFRA4/TOCKI_RA5/AN4/SS图21PIC16F877芯片232特殊内嵌功能PIC16F877属于内嵌功能较多的单片机，除了CPU、ROM、RAM、I/O等基本构造外，还包括以下各种功能，简介如下A/DCONVERTER模拟数字转换器，最多可以读取8组模拟输入讯号。CCPCAPTURE、COMPARE、PWM，用于控制直流马达。TIMER内部定时器，有TIMER0、TIMER1、TIMER2等。USARTUNIVERSALSYNCHRONOUSASYNCHRONOUSRECEIVERTRANSMITTE同步/异步串行传输，如RS232、RS485等。8MSSP；MASTERSYNCHRONOUSSERIALPORT，两线式I2C与三线式SPI标准同步串行传输协定，常用于EEPROM内存资料的烧录与读取，或是与其它集成电路沟通与联系，形成多芯片网络。233PIC16F877基本电路1PIC振荡频率电路单片机振荡电路与整体系统工作速度有直接的关系，例如同步异步串行传输、定时器等，都与振荡频率有关，不同系列单片机有不同振荡频率，根据产品资料手册，PIC16F877振荡频率最高可到20MHZ；在图22中，振荡电路接于PIN13OSC1/CLKIN与PIN14OSC2/CLKOUT，而振荡电路有以下四种形式LP使用低功率振荡晶体LOWPOWERCRYSTALXT使用振荡器谐振器CRYSTAL/RESONATORHS使用高速振荡器HIGHSPEEDCRYSTAL/RESONATORRC使用电阻电容RESISTER/CAPACITOR一般常用振荡晶体或是谐振器作为单片机振荡源，外接电路及PIC内部电路说明如图22所示。图中电容C1与C2规格大小是根据CRYSTAL或RESONATOR而有所不同，本设计选用的是4MHZ的晶振，所以电容选用的是15UF。PIC16F877OSC1OSC2C1C2XTAL图22振荡源电路图9PIC16F877R1C1SWPBDIODE5V5V1111232315V/MCLRVPPVDDVDDVSSVSS图23电源与重置电路2外加电源与复位电路PIC16F877的工作电压为5V，连接PIN11与PIN32，PIN12与PIN31为地线接脚；复位电路连接PIN1，按下RESET后，内部指令重头开始执行，系统重新运作。如图23所示7。234PIC16F877I/O功能PIC16F877除了上述基本电路所占用的7支接脚外，其余的33支接脚都可当成输出、输入接脚，输入输出端口是单片机基本界面，可以与周边电路进行电路控制和信号传输与检测。PIC是8位的单片机，以接脚特性分组，每组尽量凑满8支接脚，并将I/O命名为PORTARA0RA5、PORTBRB0RB7、10PORTCRC0RC7、PORTDRD0RD7和PORTERE0RE2等，各分组接口特性说明如下PORTAPIC16F877的PORTA总共有6个位RA0RA5，PORTA的接脚可作为数字输出输入端口，而系统重置后，PORTA自动成为模拟输入状态，可读取模拟输入讯号。PORTBPORTB总共有8个位RB0RB7，可以撰写程序规划输入输出方向、状态，其中，要进行烧录时，使用到三支接脚，分别是PIN36RB3/PGM、PIN39RB6/PGC与PIN40RB7/PGD。PORTCPORTC总共有8个位RC0RC7，除了可作为数字I/O外，还和一些特殊功能的周边电路共享接脚，例如CCP（直流马达控制）、I2C、SPI（同步串行通讯电路）、USART（异步串行传输电路）等等。PORTDPORTD总共有8个位RD0RD7，可作一般数字I/O，并与PSPPARALLELSLAVEPORT并列传输接口共享。当整体系统需要多单片机时，彼此可以经由并列传输接口来快速传输资料。PORTEPORTE总共有3个位RE0RE2，PORTE的PIN8、9、10有三种功能，除了基本I/O功能，也有模拟输入功能，而上述PORTD的并列传输接口设定所需的控制接脚，如/RD、/WR、/CS等，也是属于PORTE接脚。24PIC16F877指令简介PIC16F877常用的语言有汇编语言与C语言两种，汇编语言是将每一个机器码使用一个文字代号代表，比较接近处理器真正动作模式，而C语言是比较符合人们的使用习惯，事先将汇编语言组合成C语言形式，使用较为方便，但是C语言所组译的机器码程序通常比较大，且组译软件通常需要额外购买。以下简介汇编语言相关指令与一套C语言组译软件。PIC16F877指令摘要。PIC是采用RISC（REDUCEDINSTRUCTIONSET11COMPUTING，精简指令集），与8051系列采用的CISC（COMPLICATEDINSTRUCTIONSETCOMPUTING，复杂指令集）不同，PIC16F877所有指令指有35个，而8051却高达111个指令。12第3章瓦斯检测系统硬件部分设计31红外甲烷气体检测的原理及红外气体检测仪简介311原理红外吸收型甲烷检测仪是利用不同气体对红外辐射有着不同的吸收光谱，吸收强度与气体浓度有关的事实来检测甲烷浓度的。红外吸收型气体分析检测仪一般由红外辐射源白炽灯或红外LED，测量气样室，波长选择装置滤光片，红外探测装置热电探测器，热电池组成。如果气体吸收谱线在入射光谱范围内，那么红外辐射透过被测气体后，在相应谱线处就会发生能量的衰减，未被吸收的辐射被探头测出，通过测量该谱线处能量的衰减量来得知被测气体浓度8。衡量气体吸收的基本定律为LAMBERTBEER定律，其内容为当能量为I0的一束单色入射光透过长度为L的气体吸收介质后，在不考虑散射的情况下，其透射光强I可以表示为（31）0CLIE一气体吸收后的透射光强。I一通过待测气体前的光强。0一给定波长的单位浓度、单位长度气体的吸收系数。一待测气体浓度。C一待测气体与光相互作用的长度。L由上式可知光强与气体浓度、气体吸收系数和路径长度L具IC有相应的函数关系9。气体的吸收系13决定于被测气体的性质、传感器的结构等，它一般通过实验的方法求得。被测气体的浓度越大，气体的吸收系数越大，气体穿过的路径长度越长，能量衰减得越厉害。路径长度是指光在气体中的有效长度，路径长度越长，气体吸收越充分所以穿透过气体长度为的红外辐射I仅仅是待测气体浓度的单LC值函数，其关系如图31所示CI0图31LMBERTBEER定律确定的IC关系曲线312红外气体检测仪的构成红外吸收型气体传感器一般包括红外光源、采样气室、滤光片和红外探测器四部分，如图32。为了减少红外光源的背景干扰和系统的其它一些干扰，一般采用两路信号通道的结构，一路通道作为测量信号，一路通道作为参考信号。整个气体检测装置的测量精度和准确度等特性能都归功于这四个方面的优化设计程度。当红外辐射经过气室照射到探测头上时，具有特征吸收带的滤光片过滤掉其他波长的红外辐射，只保留甲烷的吸收波长，从而检测到因甲烷吸收而有所变化的光强信号，再通过探测头转变成电信号输出；另一个滤光片与这个滤光片不同，它对甲烷吸收的波长进行过滤而保留其他红外波长，以便检测到红外14辐射的入射光强，通过探测头转变成电信号输出1112。这样对两个引脚信号进行作差便可以得到。这种具有两个吸收通道的方法也就是所谓的差分式I吸收。差分式吸收比起直接吸收式指气体吸收通道下的被测气体直接吸收有很明显的优点首先，差分式具有更好的抗干扰能力。直接吸收式在红外波长抖动，温度发生变化和气室中有粉尘或干扰气体时，系统的检测光源参考滤光片探测器参考信号输出测量信号输出气室测量滤光片图32红外传感器结构图性能有很明显的影响。而差分式，在同一干扰源下由于作差除的原因可以降低这种误差带来的影响。其次差分式便于计算。依据LAMBERTBEER定律，在气室长度已知的情况下，要想求得气体浓度，必须知道，入射光强LC和气体吸收后光强，这对直接吸收式来说是有难度的。最后，差分式测量0II比直接吸收型精度高。因为式3L中的系数有随机因素存在，差分式吸收可以减弱这种随机干扰13。313IR32BCIR32BC红外吸收型甲烷气体传感器，其红外光源采用白炽小灯泡；红外探测器采用热释电探测器；测量红外滤光片的中心波长是33M，采样红外滤光片的中心波长是40M，两片滤光片与探测器封装在一起；采样气室采用铝合金制作，呈圆柱形，红外光源和红外探测器均固定在气室的底部，气室15的顶部留有让气体自由扩散的小孔，红外光源发出的光经过气室内壁多次反射而到达探测器，在有限的空间内增大了光程，使红外辐射能够被气体充分吸收，有利于提高分辨率。IR32BC传感器的基本参数如下量程05目标气体反应时间5年工作电压推荐5V最大15V光源工作电压最大电压5V60MA推荐调制频率4HZ，50占空比工作温度1050工作湿度0100探测器输出电压界限氮（165前置放大器增益）测量通道1342V参考通道1642VIR32BC红外吸收型甲烷气体传感器的实物图如下图33。图33IR32B实物图1632红外光源321红外光源的选择为了最终获得有效的信号，红外光源必须提供测量所需的足够能量的光强，这样，必须要求红外光源在气体强烈吸收红外辐射的波段处具有较高的辐射能量。采用IRL715作为红外光源，IRL715是白炽灯，波长从可见光到5M，具有很宽的波谱，高可靠性，稳定的输出，短时间常数，长寿命，当工作在5V电源时，可达40000小时。光谱图如图34所示。3540451020304050607050发射率G52G51G20CO2CH4波长M参考滤镜COG1HCG2图34IRL715光谱图注G52是测量滤光片，G20是参考滤光片322红外光源驱动由图35可见，在光线强度出现突变时灯由灭到亮,探测器信号产生明17显的变化,125MS典型值达到峰值此后若辐射光强维持恒定,则探测器输出逐渐下降至初始值直流分量并维持不变。同样,如果辐射光突然消失灯由亮到灭,探测器输出将产生与图35相似但方向相反的曲线。这样,如果给灯施加脉冲电压,提供一个连续的脉动光源,探测器将会产生连续的交反应时间125MS红外辐射无有探测信号图35红外辐射与探测信号的变化关系图变信号。由于光源关断和开通后,探测器信号达到峰值的时间约125MS,所以,最合适的脉冲驱动电压是频率为4HZ、占空比为50的方波,此时,探测器的输出近似为4HZ的正弦波。如图36所示。为使灯丝不完全冷却,脉冲驱动电源应能提供给灯丝一定大小的涌入电流。设置关断电压在0V以上,维持一个小电流流过灯丝,能够减少涌入电流。如果驱动电源不能提供涌入电流,则电压波形的上升沿将变缓,相应的探测器输出信号将会产生畸变。另外,当灯丝加高电平点亮时灯丝需要一个临界启动电压和一定的延迟时间,脉冲的低电平大于0V,可降低启动电压、减少延迟时间,使灯丝能在开关状态间快速地切换。脉冲驱动电压的高电平不能大于5V,电压过高,会烧坏灯丝14。探测信号红外辐射有有有无无无图36探测信号随红外辐射有规律的变化图18满足上述要求的灯丝电源驱动电路如图37所示。三端稳压块LM317输出5V左右的直流电压VO。由单片机产生4HZ的方波脉冲控制三极管T。当脉冲为低电平时,三极管T导通,有较小的电流流过灯丝,灯丝电阻上获得较小的压降,灯熄灭；当脉冲为高电平时,三极管T截止,由于灯丝回路中增加了R12，灯丝电阻上获得较大的压降,灯被点亮。实际电路中还应在输入输出端增加滤波电容、考虑电源的功耗等因素。灯丝上施加5V电压时所需的典型电流值为60MA。此外,为防止灯丝驱动回路中电流脉冲信号通过地线产生干扰,灯丝驱动电路应与探测器信号电路隔离。这样,提供给两个热电探测器一个4HZ的脉动光源,以便对比有光和无光的情况,从而修正外部光线的干涉,并去掉两个热电探测器上的直流偏移1516。D3IN4002C910UFC801UFR1310KR112005VVOPWM脉冲GND1LM317U3BR12600Q1PNP图37红外光源驱动电路图33热释电探测器331热释电探测器原理热释电红外传感器是一种光电转换器件，它是一种PZT晶体结构的表面电荷极化随其温度变化而变化的传感器。自发极化的铁电体平时靠捕捉大气中的富有电荷保持平衡状态，受到红外线照射后，其内部温度将会升高，内部的极化状态便随之降低，表面电荷浓度也相应降低，这就相当于“释放”了一部分19电荷，这种现象称为电解质的“热释电效应”，从外部将释放的电荷取出，就变成传感器的输出电压。需要指出的是，如果红外辐射持续下去，铁电体的温度就会升到新的平衡状态，表面电荷也同时达到平衡，这时它就不再释放电荷，也就不再有信号输出了。所以，对于热释电红外传感器，只有在红外辐射不断变化，它的内部温度随之不断升降的过程中，传感器才有信号输出，而在稳定状态下，输出信号则为恒值，即热释电红外传感器只对红外辐射相对变化有反应，而对红外辐射的绝对值没有反应。因此在应用热释电传感器时，应设法使红外辐射不断变化，这样才能使传感器输出的信号有效，为了满足此要求，须将红外光源按一定频率进行调制17。332热释电探测器信号与气体浓度的关系分析红外传感头通过一个气体扩散栅栏获得样气,因此不受气流的影响。采用防火设计,不锈钢的结构使其能短期暴露在大部分的弱酸、碱溶剂中。测量通道热电探测器包括一个待检气体吸收光谱的滤光器,而参考通道探测器包括一个待检气体不吸收光谱的滤光器。这种方法使得测量探测器能够监测目标气体的主要吸收波段,而参考探测器提供了温度和光强改变等环境因素的影响18。如前所述,为使传感头工作,光源必须是脉动的,以便测量探测器和参考探测器检测到入射辐射的变化。测量探测器输出信号受光强、温度和对通过测量探测器滤光器的目标气体辐射吸收的影响。光强和温度也同样影响参考探测器,但目标气体的辐射吸收不影响参考探测器。从探测器出来的信号和光源的脉动是同步的,因此随着驱动光源方波的变化,探测器输出波形的最大值和最小值构成了有用的检测信号,其差值与光源入射辐射的强度有关。测量探测器给出了由目标气体浓度所影响的入射辐射量,相应地,参考探测器给出了不受目标气体浓度影响的入射辐射量,两个探测器输出信号与目标气体浓度的关系如下（32）0CLIE目标气体的吸收系数表示为（33）01/1/REIZACTZF20式中ZZERO是参考气体如氮气中的I/I0值,称为零点校准值；ACT和REF分别是测量探测器和参考探测器信号。例如,传感头在氮气中稳定后测得ACT和REF的峰峰值分别为16V和12V,则。将该值存储在E21632ZPROM中作为零点值,仅当再次校准时才需要改变。吸收系数与气体浓度之间的关系如下（34）01/1CLIZSE由式33得（35）/RCLACTF式中SSPAN是满浓度目标气体如5VOL氮气或2VOLCO2中的I/I0值,称为满刻度校准值,存储在E2PROM中,仅当再次校准时才需要改变。当然,进行校准时还应考虑温度的影响,采取适当的补偿措施。由式34、35可以推出被测气体浓度表达式（36）LN1/RE/CACTZFSAAL理论上可以按式36计算出被测甲烷气体的浓度,但在实际应用中存在两个问题一是如何准确方便地获取ACT/REF的值二是瓦斯传感器对实时性要求很高,用单片机汇编程序完成式（36）的计算很不现实。因此,本系统采用的方法是先获得ACT/REF的值,计算出吸收系数,再利用E2V技术公司提供的气体浓度与吸收系数的关系曲线求得气体浓度。式（33）的实用形式如下（37）12/FASR式中FA为吸收系数；S1和S2分别是测量探测器和参考探测器输出信号的峰峰值；R的定义如下（38）1/式中和分别是和在没有特定气体下的数值。1212ACT/REF的值采用信号的峰峰值之比是因为在最大值和最小值处,信号的变化21率最小,所得结果不会出现大的误差,最为可靠1920。IR32BC型红外传感头对甲烷气体的吸收系数与气体浓度的关系曲线如图38所示。020406080100002004006008010吸收系数FA甲烷浓度（LEL5VOL）图38对甲烷气体典型的敏感性曲线因为在矿井瓦斯监测中，瓦斯浓度超过1时，即要报警，不得进行生产。所以只需将上图中浓度05的一段曲线进行线性化，将数据存储于EEPROM中。单片机通过计算测量信号和参考信号的峰峰值的商，再通过查表程序，就可得到非常精确的瓦斯浓度值2122。34放大电路经红外传感器转变的电压信号很微弱，单片机不能直接读出这样的信号，需将其放大到一个适于单片机读取的范围。所以电路中需要放大电路23。如图39所示。本设计IR32BC探测头输出中有直流信号，这部分信号必须滤波，因此采用电容C2和电阻R4组成对参考信号VINREF的滤波电路，参考信号的放大滤22波电路与测量信号的电路相同。这里以对参考信号VINREF的滤波电路为例分析，公式（39）VSVIN（310）1012/OUTSRC（311）1VOUTSASSR带入数值得（312）9013SS32184U1ALM358R51KR1300R227KR347KR41M5VC1100NFC21UFVINREFVOUTREF传传传传传VOGND1GND1GND1GND1图39放大电路此电路可以对频率小于1HZ的信号有显著的抑制作用，而对频率大于1HZ的信号基本没有影响。单片机通过控制多路开关中的某一路通断来选择输入测23量信号和参考信号。经内部A/D转换存储到指定的存储器中，再之后的计算时进行调用。35与上位机通信设计在工业控制领域，往往需要组成上位机下位机系统，由一台上位机去控制多台下位机。当上位机与下位机距离较远时，就需要在上位机与下位机之间进行远程串行数据通信。351上位机与井下通讯方式计算机与PIC16F877单片机之间的串行异步通信采用RS484接口电路实现，利用计算机串行接口进行数据传输。在异步通信中，数据是逐帧传送的，其数据格式如图310所示在帧格式中，一个字符由4部分组成起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。首先是一个起始位“0”，然后是58位数据（规定地位在前，高位在后），接下来是奇偶校验位（可省略），最后是停起始位数据位奇偶校验位停止位图310异步通信中的数据格式图止位“1”。起始位“0”信号只占用一位，用来通知接收设备一个待接收的字符开始到来。在不传送字符时，线路上应保持“1”。接收端不断检测线路的状态，若连续为“1”以后又检测到一个“0”，就知道要发来一个新字符，应立即准备接收。24352接口器件简介1RS232标准是美国EIA电子工业联合会制定的一种串行物理接口标准，广泛用于计算机与终端或外设之间的近端连接24。完整的RS232接口有25根线，一般在计算机串口采用简化的9芯插头座。工作时，应保证电平在515V之间。因此为了能够同计算机或控制器的TTL器件连接，必须在RS232与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。常用的转换芯片是MAX232。MAX232内部有电压倍增电路和转换电路，只需5V电源便可实现TTL电平与RS232电平转换。MAX232产品是由德州仪器公司TI推出的一款兼容RS232标准的芯片。该器件包含2个驱动器、2个接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA232F电平。芯片如图311所示。MAX232芯片是专门为电脑的RS232标准串口设计的接口电路,使用5V单电源供电。内部结构基本可分三个部分第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生12V和12V两个电源，提供给RS232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）168543729MAX23212111413161015C1C1C2VC2VT1INT1OUTT2INVCCR1INR2INT2OUTGNDR1OUTR2OUT图311MAX232管脚图为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS232数据从25T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（5V）。2信号接口简介与RS232相匹配的链接器有DB25、DB15和DB9，其引脚也各有不同，目前比较常用的是DB25和DB9两种。本设计中采用的是DB9。如图312所示。图312DB9实物图表31DB9管脚功能引脚管脚功能简写123456789CD载波帧测RXD接收数据TXD发送数据DTR数据终端设备GND地线DSR数据准备好RTS请求发送CTS清除发送RI振铃指示3RS485由于RS232协议通信距离的局限性（最大距离15M）,无法实现瓦斯监控系26统中的通信任务，所以需要RS485协议通信。RS485协议的通信最大距离为1200M，可以实现瓦斯监控的任务，同时RS485总线可以实现多机通讯，这样大大的提高了上位机的利用效率。与RS232协议中MAX232相似，RS485协议中使用的是MAX485芯片来完成TTL电平和单片机电平的转换。下图是MAX485的引脚图。如图313所示。R0_REDEDIVCCAGNDB12347865MAX485图313MAX485引脚图管脚介绍RO接收器输出/RE接收器输出使能DE驱动器输出使能DI驱动器输入A接收器输入和驱动输出B接收器反相输入和驱动器反相输出VCC电源端MAX485中具有一个驱动器和一个接收器。驱动器具有短路电流限制，并可以通过热关断电路将驱动器输出置为高阻状态，防止过度的功率损耗。接收器输入具有失效保护特性，当输入开路时，可以确保逻辑高电平输出。27353通讯电路设计1由于上位机无法直接识别MAX485转换的信号，所以需要转换电路。这要借助于RS232接口，作RS232和RS485RS422之间的电平转换。原理如图314所示。PICMAX232PCTXDRXDTINROUTTOUTRINGNDGNDTXDRXDMAX485MAX485BAABRORODIDIGNDGND图314上位机与PIC单片机通讯原理图图315为一个使用光电隔离方式连接的MAX485芯片电路。PIC16F877的USART串口的RXD、TXD通过光电隔离电路连接MAX485芯片的RO、DI引脚，控制信号R/D同样经光电隔离电路去控制MAX485芯片的DE和/RE引脚。由PIC16F877输出的R/D信号通过光电隔离器件控制MAX485芯片的发送器/接收器使能R/D信号为“1”，则MAX485芯片的DE和/RE引脚为“1”，发送器有效，接收器禁止，此时PIC16F877可以向RS485总线发送数据字节；R/D信号为“0”，则MAX485芯片的DE和/RE引脚为“0”，发送器禁止，接收器有效，此时PIC16F877可以接收来自RS485总线的数据字节。任一时刻，MAX485芯片中的“接收器”和“发送器”只能够有1个处于工作状态。钳位于68V的TVS管D6、D7、D8都是用来保护RS485总线的，避免RS485总线在受外界干扰时（雷击、浪涌）产生的高压损坏RS485收发器。电路中的L1、L2、C18，C19用于提高电路的EMI性能。附加的保护电路能够对MAX485芯片起到良好的保护效果。连接至A引脚的上拉电阻R32、接至B引脚的下拉电阻R34用于保证无连接的MAX485芯片处于空闲状态，提供网络失效保护，以提高RS485节点与网络的可靠性。使用DCDC器件可以产生1组与28PIC16F877电路完全隔离的电源输出，用于向RS485收发器电路提供5V电源。如图316所示。RC6RC7U106N317U16N317U96N317R2510K5VR261KR271K5V5VQ3PNPR281KR2910KR3010K5V5VR01RE/2DE3DI4B7A6GND5VC8U8MAX4851R311KR3120R32680R346805VC1801UFC1902UFL220UHL120UHD6P6KE68CAD7P6KE68CAD8P6KE68CA123J3CON3VOUT40V3VIN2GND1U13B0505S1W5VC201UFR37270RC0GND2GND2GND2GND2GND2GND1GND1GND2图315RS485与PIC16F877通信电路VOUT40V3VIN2GND1U13B0505S1W5VV485C201UR37270图316DCDC电源2转换电路RS232485转换电路主要包括了电源、232电平转换、485电路三部分。如图317所示。MAX485是通过两个引脚RE/（2脚）和DE（3脚）来控制数据的输入和输出。当RE为低电平时，MAX485数据输入有效；当DE为高电平时，MAX485数据输出有效。在半双工使用中，通常可以将这两个脚直接相连，然后由PC或者单片机输出的高低电平就可以让MAX485在接收和发送状态之间转换了。平时MAX232的9脚输出高电平，经Q4倒相后，使MAX485的RE和DE为低电平而处于数据接收状态。当PC机发送数据时，MAX232的9脚输出低电平，经Q4倒相后，使MAX485的RE和DE为高电平而处于数据发送状态。29162738495J2DB9C11C13C24C25T1IN11R1OUT12V6GND15R2IN8T2OUT7R2OUT9T2IN10R1IN13T1OUT14V2VCC16U7MAX232R01RE/2DE3DI4B7A6GND5VCC8U14MAX4851123J1CON3R211KR221K5V5VQ4NPNR2312K5VR2410KC1301UFC1401UFC1701UFC1601UFC1501UFGND1GND1GND1GND1GND1GND1GND1GND1GND2图317RS232/RS485转换电路图36报警、显示电路设计图318是报警电路原理图。本设计中的声光报警系统主旨在说明报警的原理，并未考虑实际情况。当瓦斯的浓度超过设定的上限值时，单片机通过比较判断，在RB6、RB7管脚上输出高电平，发光二极管点亮，同时蜂鸣器U6发出警报。在真正的工作场合使用的声光报警，还需设置大功率驱动电路。D5LEDR18470R19470U6BUZZERQ2NPNR201K5VRB6RB7GND1GND1图318声光报警电路30显示电路使用的是LED由于PIC单片机的驱动能力很强，因此直接驱动LED（发光二极管）进行数据显示。RC2RC5是使能端，RD0RD7用来传送数据即显示值。如图319所示。LED1传传传RA1008RBRCRDRERFRGRHQ5Q6Q7Q85VR17470K8R35R37R36RD7RD6RD5RD4RD3RD2RD1RD0ABCDEFGDPCOM1COM2COM3COM4RC2RC3RC4RC5图319显示电路37系统电源电路设计井下直流电压最低为36V，所以本设计的电源是在此基础上设计的。LM317是可调节的三端