煤矿瓦斯监测仪设计

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）： 新能源学院新能源学院 专业班级：专业班级： 光伏应用技术光伏应用技术13131 1 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 曲善民曲善民 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间：2012016 6.06.20-201.06.20-2016 3 本科生课程设计（论文） II 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号 学生姓名曲善民 专业班级电气131 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 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 的腾升，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。 该传感器以 89C51 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：煤矿事故；传感器；89C51 本科生课程设计（论文） IV 目 录 第 1 章 绪论 .1 1.1 瓦斯监测仪概况 .1 1.2 本文研究内容 .2 第 2 章 CPU 最小系统设计.3 2.1 瓦斯监测仪总体设计方案 .3 2.2 CPU 的选择 .3 2.3 数据存储器扩展 .5 2.4 时钟电路设计 .6 2.5 复位电路设计 .7 2.6 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 .8 3.1 瓦斯监测仪传感器的选择 .8 3.1.1 敏感元件的组成及作用.8 3.1.2 热催化原件的特性.9 3.2 小信号放大电路 .11 3.3 瓦斯监测仪检测接口电路设计 .12 3.3.1 A/D 转换器选择.12 3.3.2 模拟量检测接口电路图.13 3.4 瓦斯监测仪输出接口电路设计 .13 第 4 章 瓦斯监测仪软件设计 .15 4.1 软件实现功能综述 .15 4.1.1 主程序流程图设计.15 4.1.2 模拟量检测流程图设计.16 4.1.3 报警装置流程图设计.16 4.2 程序清单 .17 第 5 章 系统设计与分析 .20 5.1 系统原理图 .20 5.2 系统原理综述 .20 本科生课程设计（论文） V 第 6 章 课程设计总结 .21 参考文献 .22 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 瓦斯监测仪概况 我国监测监控技术应用较晚，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控系统，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，先后研制出一系列监控系统，在我国煤矿已大量使 用。实践表明，安全监控系统为煤矿安全生产和管理起到了十分重要的作用，各 局矿已作为一项重大安全装备。由于当时相当一部分监控系统由于技术水平低、 功能和扩展性能差、现场维修维护和技术服务跟不上等原因，或者已淘汰、或者 停产。因此造成相当一部分矿井无法继续正常使用已装备的系统。特别是近年来 由于老系统服务年限将至，已无继续维修维护的必要，系统面临更新改造的机遇。 随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展和企业自身发展的需要，国内各 主要科研单位和生产厂家又相继推出了一系列监控系统，以及一些煤矿安全综合 化和数字化网络监测管理系统。同时，在“以风定产，先抽后采，监测监控”十 二字方针和煤矿安全规程有关条款指导下，规定了我国各大、中、小煤矿的高瓦 斯或瓦斯突出矿井必须装备矿井监测监控系统。因此，大大小小的系统生产厂家 如雨后春笋般的不断出现，为用户提供了更多的选择机会、也促进了各厂家在市 场竞争条件下不断提高产品质量和服务意识。瓦斯安全监测监控系统是传感器技 术、信息传输技术、计算机应 用技术、电气防爆技术和控制技术等多种技术在 矿井安全生产监控领域应用的产物，对保障煤矿安全生产，提高生产效率和机电 设备的利用率都具有十分重要的作用。 矿井安全监控系统一般由三部分组成:中心站(包括应用软件、计算机及外 围设备)；信息传输装置(包括传输接口、分站、传输线、接线盒等)；传感器 和执行装置。具体来讲，煤矿安全监控系统是指对煤矿的瓦斯、风速、一氧化碳、 烟雾、温度等环境参数和矿井生产、运输、提升、排水等环节的机电设备工作状 态进行监测和控制，用计算机分析处理并取得数据的一种系统。安全监控系统可 以为各级生产指挥者和业务部门提供环境安全参数动态信息，为指挥生产提供及 时的现场资料和信息，便于提前采取防范措施。另外通过对被测参数的比较和分 析，系统可以实现自动报警、断电和闭锁，便于制止事故的发生或扩大；在发生 事故的情况下，能及时指示最佳救灾和避灾路线，为抢救和疏散人员、器材，提 本科生课程设计（论文） 2 供决策信息。 1.2 本文研究内容 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。 本设计主要设计内容是： 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 本科生课程设计（论文） 3 第 2 章 CPU 最小系统设计 2.1 瓦斯监测仪总体设计方案 催化元件小信号放 大电路A/D 转换CPU 报警电路 图 2.1 瓦斯监测仪原理框图 在催化元件电源端加上一正电压，使催化元件开始工作，输出与甲烷浓度相 对应的电压信号，此电压经过放大电路放大后，送到A/D转换，A/D转换电路将 模拟信号转换为数字信号送入CPU, CPU对采样值进行数值计算，处理后，驱动显 示器显示出被测气体中的甲烷浓度值，若被测气体中甲烷浓度超过报警电路预定 的数值时，报警电路即发出声、光报警信号，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。 2.2 CPU 的选择 CPU 是监控报警仪的核心，完成数据采集、处理、输出、显示等功能,是整个 仪器正常工作的基础，它的选择直接关系到整个系统的工作。选择通用性强、功 耗小、性能稳定良好的 8 位 CMOS 微处理器芯片 AT89C51，它与常用 MCS-51 型单 片机兼容，工作电压为 2.7V6.OV,具有 32 条可编程 I/O 端口，3 个 16 位定时 计数器，2568 位内部 RAM,内带 8K 字节快闪 EEPROM 的特点，大大简化了电路 的设计。 引脚图如图： 本科生课程设计（论文） 4 EA /V PP 31 X 1 19 X 2 18 R ESE T 9 IN T0 12 IN T1 13 T0、 P3.4 14 T1、 P3.5 15 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P0.0 39 P0.1 38 P0.2 37 P0.3 36 P0.4 35 P0.5 34 P0.6 33 P0.7 32 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 R D 、 P3.7 17 W R、 P3.6 16 PS EN 29 A LE/P 30 TX D 11 R X D 10 V CC 40 V SS 20 89C51. . 图2.2 89C51引脚图 部分引脚功能说明： RST：AT89C51的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片复位时，只 要将此引脚电位提升到高电位，并持续两个机器周期以上的时间，AT89C51便能 完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态。 XTAL1：接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一反相放大器输入端， 这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时，此引脚应接地。 XTAL2：接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反相放大器输出端和 内部时钟发生器输入端。当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。 ：访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。在访问外部程序存储 PSEN 器读取指令码时，每个机器周期产生二次 信号。在执行片内程序存储器指 PSEN 令时，不产生PSEN 信号，在访问外部数据时，亦不产生信号。 PSEN ALE/：ALE表示允许地址锁存允许信号。当访问外部存储器时，ALE PROG 信号负跳变来触发外部的8位锁存器 (如74LS373)，将端口P0 的地址总线(A0-A7) 锁存进入锁存器中。在非访问外部存储器期间，ALE引脚的输出频率是系统工作 本科生课程设计（论文） 5 频率的1/16，因此可以用来驱动其他外围芯片的时钟输入。 P0：P0口(P0.0P0.7)是一个8位漏极开路双向输入输出端口，当访问外部数 据时，它是地址总线（低8位）和数据总线复用。外部不扩展而单片应用时，则 作一般双向I/O口用。P0口每一个引脚可以推动8个LSTTL负载。 P2：P2口(P2.0P2.7)是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)， 当访问外部程序存储器时，它是高8位地址。外部不扩展而单片应用时，则作一 般双向I/O口用。每一个引脚可以推动4个LSTL负载。 P1：P1口(P1.0P1.7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)， 其输出可以推动4个LSTTL负载。仅供用户作为输入输出用的端口。 P3：P3口(P3.0P3.7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)， 它还提供特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存 储器内容的读取或写入控制等功能。其特殊功能引脚分配如下： P3.0 RXD 串行通信输入 P3.1 TXD 串行通信输出 P3.2 外部中断0输入,低电平有效 0INT P3.3 外部中断1输入,低电平有效 1INT P3.4 T0 计数器0 外部事件计数输入端 P3.5 T1 计数器1 外部事件计数输入端 P3.6 外部随机存储器的写选通，低电平有效 WR P3.7 外部随机存储器的读选通，低电平有效 RD 在设计中用到了多片串行通信的芯片，但选用的单片机AT89C51只有一个串 行口，这给连接带来了极大的麻烦。在设计中，用单片机未用到的普通I/O口辅之 控制软件来模拟串行口工作，从而解决了串行口不够用的难题。 2.3 数据存储器扩展 89C51单片机片内有128B的RAM存储器，在实际应用中仅靠这128B的数据存 储器是远远不够的。这种情况下可利用89C51单片机所具有的拓展功能，拓展数 据存储器。本文利用6264与单片机进行拓展。 6264是8K*8位的静态随机存储器，采用CMOS工艺制造，单一+5电源供电， 额定功耗200mW,典型存取时间200ns，为28线双列直插式封装。如图： 本科生课程设计（论文） 6 图2.3 89C51与6264的拓展 2.4 时钟电路设计 片内电路与片外器件就构成一个时钟产生电路，CPU的所有操作均在时钟脉 冲同步下进行。片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，一般多在 1.2MHz24MHz之间选取。C1、C2是反馈电容，其值在20pF100pF之间选取， 典型值为30pF。本电路选用的电容为30pF，晶振频率为12MHz。 振荡周期； 机器周期； 指令周期 s121 sSm1 s41 D7 18 D6 17 D5 14 D4 13 D3 8 D2 7 D1 4 D0 3 Q7 19 Q6 16 Q5 15 Q4 12 Q3 9 Q2 6 Q1 5 Q0 2 G 11 1 OE OE 22 WE 27 CE1 20 A12 2 A11 23 A10 21 A9 24 A8 25 A7 3 A6 4 A5 5 A4 6 A3 7 A2 8 A1 9 A0 10 I/O7 19 I/O6 18 I/O5 17 I/O4 16 I/O3 15 I/O2 13 I/O1 12 I/O0 11 VCC 28 CE2 26 GND 14 17 16 P2.7 28 P2.4 25 P2.3 24 P2.2 23 P2.1 22 P2.0 21 P0.7 32 P0.6 33 P0.5 34 P0.4 35 P0.3 36 P0.2 37 P0.1 38 P0.0 39 ALE 30 74LS373 89C51 6264 1k +5V WR RD +5V 本科生课程设计（论文） 7 30pF 30pF 晶振 XTAL1 XTAL2 图2.4 晶振电路图 2.5 复位电路设计 在时钟电路工作后，只要在单片机的RESET引脚上出现24个时钟振荡脉冲 （两个机器周期）以上的高电平，单片机就可以实现复位。为了保证系统可靠复 位，在设计复位电路时，一般使RESET引脚保持10ms以上的高电平，单片机就可 以可靠的复位。 本文采用按键复位方式。该方式可以通过按键实现复位。按下键后，通过R1 和R2形成回路，使RESET端产生高电平。按键的时间决定了复位的时间。 VCC 22u CAP 10k RES2 D1 4148 RESET 200 RES2 RST 图2.5 按键复位电路图 本科生课程设计（论文） 8 2.6 CPU 最小系统图 图2.6为完整的CPU最小系统图 图2.6 CPU最小系统图 D7 18 D6 17 D5 14 D4 13 D3 8 D2 7 D1 4 D0 3 Q7 19 Q6 16 Q5 15 Q4 12 Q3 9 Q2 6 Q1 5 Q0 2 G 11 1 OE OE 22 WE 27 CE1 20 A12 2 A11 23 A10 21 A9 24 A8 25 A7 3 A6 4 A5 5 A4 6 A3 7 A2 8 A1 9 A0 10 I/O7 19 I/O6 18 I/O5 17 I/O4 16 I/O3 15 I/O2 13 I/O1 12 I/O0 11 VCC 28 CE2 26 GND 14 74LS373 6264 1k +5V C1 C2 Y1 SW-10 、 R5 1K R4 200 C4 22F P2.7 28 P2.6 27 P2.5 26 P2.4 25 P2.3 24 P2.2 23 P2.1 22 P2.0 21 P0.7 32 P0.6 33 P0.5 34 P0.4 35 P0.3 36 P0.2 37 P0.1 38 P0.0 39 ALE 470 XTAL1 19 XTAL2 18 VCC 40 RESET 9 +5V C? CAP 89C51 本科生课程设计（论文） 9 第 3 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 3.1.1 敏感元件的组成及作用 敏感元件是准确检测甲烷气体含量的核心元件之一，它由工作元件和补偿元 件组成，将这两个元件分别接在惠斯登电桥上，在元件的电源端加入高电平时元 件开始工作，当环境中无甲烷气体时，调整电桥使之输出为零，当有甲烷气体时， 甲烷气体以扩散方式进入仪器原测量气室，内部接于桥臂的热催化元件或热导元 件发生氧化还原反应，引起元件温度升高，阻值增大，使原来平衡的电桥失去 平衡，输出与甲烷浓度相对应的电压信号，测量该电压信号即可知甲烷浓度 它的基本测试电路图如图3.1所示。 R c R p 1K 1K 1K 2.8V m A 图3.1 敏感元件的基本测试电路 3.1.2 热催化元件的特性 本文采用的是热催化式瓦斯监测仪传感器。热催化式是利用甲烷在催化元件 上的氧化生热引起其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 本科生课程设计（论文） 10 测。其缺点是探测元件的寿命较短，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。 在选择敏感元件时，主要从以下几个方面来衡量: (1) 工作点与工作区间。元件工作点是指元件的标准工作电压和电流值。实 际使用中，为了便于组成电桥和选定电桥电流，通常是指一对元件(即一只黑元件 和一只白元件)的标准工作电压或电流值。在工作点上，元件具有较大的输出，较 好的稳定性和最小的零点飘移。目前国内元件的工作点有:直1.2V, 2.2V, 2.4V, 2.8V及320mA等几种。 当元件的工作电压或工作电流变动时，在同一甲烷浓度下输出活性大小是不 相同的。只有当工作电压或工作电流在某一范围内变动时，输出活性才接近直线。 这个电压或电流的变动范围称为元件的工作区间。区间越宽越好。目前元件的工 作区间只能达到标准电压的10%。 (2) 活性。元件活性是指元件对甲烷氧化燃烧的速率。元件活性高，通过电 桥测量甲烷时，可以得到较高的电压输出。 (3) 稳定性。元件的稳定性是指元件在新鲜空气与一定浓度的甲烷中，在规 定的连续工作时间里的活性下降率。下降率其值越低越好，活性下降率越低，表 明元件工作性能越稳定。 (4)输出特性。元件输出特性，是指在不同的甲烷浓度下，元件的活性与甲 烷浓度的关系。在0-5%CH4范围内，电桥输出信号与甲烷浓度呈线性关系。当甲 烷浓度在9.5%处时，曲线出现拐点，以后随着甲烷浓度的增大，电桥输出信号不 断下降，出现了高浓度和低浓度输出信号相同现象。产生的原因是由于高浓度甲 烷气体中缺氧使燃烧不完全所造成的。所以，这种原理的甲烷检测仪只能测量低 浓度甲烷。 (5) 元件的“中毒现象”。矿井空气中的硫化氢、二氧化硫等气体会使元件 产生中毒现象，使活性降低。其原因主要是由于这些毒性气体元件活性下降。此 外，井下电气设备用的硅油、硅绝缘材料等挥发物，也会使元件中毒。这主要是 由于硅分子量大，一旦吸附在元件表面，就会阻止甲烷进入而影响元件氧化速率， 致使活性下降。 为防止元件中毒，可以加过滤器，例如用活性炭吸收管，1 cm厚活性炭的吸 收管，可使工作在有毒环境中的元件寿命延长数百倍。 经过一段时间工作的元件，遇到较高浓度，工作数分钟后，元件的活性将升 高，高浓度消失后，元件在几十小时内活性才会逐步下降到原值附近，以后又保 持稳定的活性。这种现象称为元件被浓甲烷激活。元件的激活特性是一个缺点， 本科生课程设计（论文） 11 因为被激活的元件在一段时间内会造成输出不稳，这是在使用中应该加以注意和 调整的。 载体催化元件与纯铂丝元件相比，其抗毒性能较弱，在有毒气体的环境中， 宜采用铂丝元件。 (6) 元件的寿命。元件的寿命是指元件在使用过程中，其活性下降到某一规 定值的时间。 (7)反应速度。反应速度是工作元件的一个重要指标。特别是当元件应用到各 种运动机械上时，就更为突出。 在井下空气中，当甲烷浓度发生变化时，元件的反应速度由两个因素决定， 一是元件本身的时间常数:，二是甲烷向元件扩散的速度。元件的时间常数可由 下式确定: a RITsas E 23 4 式中: :元件的时间常数; E:元件的热容量; a:等效热导系数; s:元件的表面积; :常数; T:元件的工作温度; I:工作电流; R:元件电阻; :铂丝电阻温度系数 a R 通过对上式的分析，可以合理地选择元件参数，以提高工作元件的反应速度。 本设计中选择的敏感元件型号为:FWC-2。 参数为: 测量介质:甲烷 工作电流:直流稳压 工作点:2. 8V/175mA 测量范围:0-4%CH4 稳定性:灵敏度变化0.1%CH4 响应时间:20S 本科生课程设计（论文） 12 3.2 小信号放大电路 目前有许多型号的单片测量放大器集成芯片可供选择，因此不再用分立的运 算放大器来构成测量放大器。采用单片测量放大器芯片与用分立的运算放大器相 比具有性能优异、体积小、结构简单、成本低的优点。在本设计中选择集成芯片 INA128 仪用放大器。其特点如下： 低偏置电压最大 50V，低温度漂移最大 0.5V/，低输入偏置电流最大 5nA，高共模抵制 CMR 最小 120DB，输入保护 至40V，宽电源电压范围2.25 至18V，低静态电流 700A，8 引脚塑料 DIP 和 SO-8 封装。电路图如图 3.2 所示： 10 0 0.1 F C 0.1 F INO U T R G A 128 V + 1 8 5 6 7 4 3 2IN - IN + 图3.2 小信号放大电路 3.3 瓦斯监测仪检测接口电路设计 3.3.1 A/D 转换器选择 因为单片机不能直接接收模拟量信号，所以电压测量信号，必须通过 A/D 转 换后方可以输入单片机进行处理。A/D 转换器芯片有很多种,在此选择比较熟悉的 ADC0809。ADC0809 是 8 路 8 位逐次逼近行 A/D 转换 CMOS 器件，能对多路模 拟信号进行分时采集和 A/D 转换，输出数字信号通过三态缓冲器，可直接与微处 理器的数据总线相连接。 ADC0809 的主要特性如下： 分辨率为 8 位 最大不可调误差小于ULSB 本科生课程设计（论文） 13 可锁存三态输出，能与 8 位微处理器接口 输出与 TTL 兼容 不必进行零点和满度调整 单电源供电，供电电压为+5V 转换速率取决于芯片的时钟频率，时钟频率范围是：101280KHZ，当时钟 频率为 500KHZ 时，对应的转换时间为 125uS ra b2- 1 21 2- 2 20 2- 3 19 2- 4 18 2- 5 8 2- 6 15 2- 7 14 tsb2- 8 17 B O C 7 A D D -A 25 A D D -C 23 A D D -B 24 A L E 22 E N A BL E 9 ST A R T 6 C L O CK 10 IN -0 26 IN -1 27 IN -2 28 IN -3 1 IN -4 2 IN -5 3 IN -6 4 IN -7 5 re f(+) 12 re f(-) 16 A D C 08 09 图3.3 ADC0809引脚图 本科生课程设计（论文） 14 3.3.2 模拟量检测接口电路图 P0.0 39 P0.1 38 P0.2 37 P0.3 36 P0.4 35 P0.5 34 P0.6 33 P0.7 32 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 A LE/P 30 RXD 10 TXD 11 PSEN 29 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 IN T1 13 IN T0 12 T1 15 T0 14 EA/VPP 17 X 1 19 X 2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 LS? A T89C51 Q 0 2 Q 1 5 Q 2 6 Q 3 9 Q 4 12 Q 5 15 Q 6 16 Q 7 19 D 0 3 D 1 4 D 2 7 D 3 8 D 4 13 D 5 14 D 6 17 D 7 18 O E 1 LE 11 LS? 74LS373 rab2-1 21 2-2 20 2-3 19 2-4 18 2-5 8 2-6 15 2-7 14 1sb2-8 17 ref(-) 16 ref(+) 12 IN -0 26 IN -1 27 IN -2 28 IN -3 1 IN -4 2 IN -5 3 IN -6 4 IN -7 5 EOC 7 A DD -A 25 A DD -B 24 A DD -C 23 A LE 22 ENA BLE 9 START 6 CLO CK 10 LS? A DC0809 U ? N OR U ? N OR 图3.4 ADC0809与单片机连接 3.4 瓦斯监测仪输出接口电路设计 报警电路由 NPN 三极管、蜂鸣器、LED 和限流电阻组成，如图 4-10 所示。 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。 8050 是一种常用的小功率开关三极管，它的最大负载电流为 700mA, VCEO=20V,饱和压降为 0.5V。 Q1 和 Q2 分别作为蜂鸣器和发光二极管的驱动器， 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 5lOmA。当单片机 I/O 口信号为高电平时，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，R2, R3 和 R1 均为限流电阻。 本科生课程设计（论文） 15 R3 10K R2 10K R1 470 Q2 8050 Q1 8050 D4 LS1 SPEAKER +3.3V +3.3V+3.3V P1.0 P1.1 图3.5报警装置电路图 本科生课程设计（论文） 16 第 4 章 瓦斯监测仪软件设计 4.1 软件实现功能综述 该系统软件主要由主程序、A /D 转换子程序和报警子程序等模块组成,因为 C 语言编写的软件易于实现模块化,生成的机器代码质量高、可读性强、移植好。 1) 报警的同时启动排风装置。 2) 比较监测到的瓦斯浓度值值和报警设置值,发现超限则蜂鸣器报警提示流 程图设计 4.1.1 主程序流程图设计 主程序功能是将 A/D 转换主程序与数据处理主程序结合在一起检验数据是否 大于阈值，若大于则报警，反之则不报警，主程序流程图如图： Y N 是 否 开 始 读 取 瓦 斯 浓 度 读 取 成 功 约 定 值 进 行 比 较 是否超限 返 回 发 送 报 警 信 号 并 启 动 通 风 图4.1 主程序流程图 本科生课程设计（论文） 17 4.1.2 模拟量检测流程图设计 A/D 转换子程序流程图如下图所示。ADC0809 初始化后，把 0 通道输入的 0- 5V 的模拟信号转换为对应的数字量 00H-FFH，然后将对应数值存储到内存单元。 程序框图如图： 开 始 启 动 ADC0809，并 延 时 100s 转 换 完 ？ 读 出 A/D 转 换 结 果 结 果 存 入 内 存 单 元 返 回 N Y 图4.2 A/D转换子程序流程图 4.1.3 报警装置流程图设计 系统设定阈值并保存在以 50H 开始的 3 个单元，为了便于比较和显示，阈值 的千位放入 50H 中，百位和十位放入 5lH，个位放人 52H 中。报警电路分为蜂鸣 器报警电路和 LED 发光报警电路组成。当输入端 P3.5 为低电平时，有电流通过 蜂鸣器，蜂鸣器发出声音报警。而当输入端为高电平时不报警。 报警子程序执行之前，将报警阈值转换为压缩的 BCD 码并存放在两个存储 单元中。传感器输入值 A/D 转换后，调用比较程序，经过数据处理后显示的测量 值与阈值比较，小于阈值则继续执行显示程序。若大于阈值则将单片机的 P3.5 口 清零进行声光报警。40H、4lH、42H 单元存放 A/D 转换后，并进行十进制转换后 本科生课程设计（论文） 18 的结果。40H 和 50H 分别存放的是处理后的测量值与阈值的千位的压缩 BCD 码， 41H 和 51H 分别存放的是处理后的测量值与阈值的百位、十位压缩的 BCD 码， 42H 和 52H 分别存放的是处理后的测量值与阈值的个位的压缩 BCD 码。程序首 先对 40H、50H 中的值进行比较大小，如果 40H 中的值大于 50H 中的值，则进行 报警。依此类推，比较 41H 和 51H，42H 和 52H。程序框图如图 4.3： N N 开 始 40H 中的 BCD 码50H 中的 BCD 码？ 与阈值相等？ 41H 中的 BCD 码51H 中的 BCD 码？ 与阈值相等？ 40H 中的 BCD 码50H 中的 BCD 码？ 返 回 报警 Y Y N Y N Y Y N 图4.3 报警子程序流程框图 4.2 程序清单 1.初始化子程序清单 本科生课程设计（论文） 19 Private Sub Form_Load0窗体过程，设置串口属性 MSComm1.CommPort=1设置串口 1 MSComm1.Settings=9600,n,8,1 以字符串形式设置或返回波特率等参数 MSComm1.inputLen=0 用 input 可读出整个接收缓冲区中的内容 MSComm1.RThreshold=1 每当接收到一个数据时就引发 OnComm 事件 MSComm1.inBufferCount=0 清空接收缓冲区 MSComm1.OutBufferCount=0 清空发送缓冲区 MSComm1.inBufferSize=1024 设置接收缓冲区大小为 1024 个字符 MSComm1.OutBufferSize=1024 设置发送缓冲区大小为 1024 个字符 MSComm1.RThreshold=1 当缓冲区每接收到 1 个字符就引发一次 ONComm 事件 MSComm1.SThreshold=0 任何一次发送操作都触发 ONComm 事件 MSComm1.RTSEnable=False 允许 PC 机发送命令 MSCornm1.inputMode=comInputModeBinary 接收二进制数据 If MSComm1.PortOpen=False Then MSComm1.PortOpen=True 打开串口 1 End if End Sub 2.发送命令子程序清单 Private Sub Timer1_Timer() 定时器定时发送命令子程序 Dim FS(0 To 4) As Byte 定义发送变量 If IsEmpty(NumberofXWJ) Then 初始化下位机地址编号 NumberofXWJ = -1 End If NumberofXWJ = NumberofXWJ + 1 从 0 号下位机开始发采集命令 If MSComm1.PortOpen = True Then 打开串口 MSComm1.PortOpen = False End If MSComm1.Settings = 9600,d,8,1 发送地址 FS(0) = NumberofXWJ 取地址编号 MSComm1.OutBufferCount = 0 情输出缓冲区 MSComm1.Output = FS(0) 发送地址帧 MSComm1.Settings = 9600,S,8,1 发送数据 本科生课程设计（论文） 20 MSComm1.Output = FS(1) 7 发送标识符 MSComm1.Output = FS(2) 发送命令 MSComm1.Output = FS(3) 发送命令参数 MSComm1.Output = FS(4) 发送结束符 MSComm1.RTSEable = True 串口接收使能 End Sub 3.接收数据子程序清单 Private Sub MSComm1_OnComm() 串口接收中断子程序 Dim i As Integer 定义字节变量 Dim JS As Variant 定义接收变量 Select Case MSComm1.CommEvent 返回通讯事件代码 Case comEvReceive 缓冲区接收到信息 JS = MSComm1.Input 接收数据 i = i + i 变量递增 If i = 21 Then Textl.Text = JS 显示数据 i = 0 变量清零 Else MSComm1.InBufferCount = 0 清输入缓冲区 MSComm1.RTSEnable = False 发送使能 End If End Select End Sub 本科生课程设计（论文） 21 第 5 章 系统设计与分析 5.1 系统原理图 图5.1 系统原理图 P0.0 39 P0.1 38 P0.2 37 P0.3 36 P0.4 35 P0.5 34 P0.6 33 P0.7 32 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 ALE/P 30 RXD 10 TXD 11 PSEN 29 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 INT1 13 INT0 12 T1 15 T0 14 EA/VPP 17 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 U1 AT89C51 rab2-1 21 2-2 20 2-3 19 2-4 18 2-5 8 2-6 15 2-7 14 1sb2-8 17 BOC 7 ADD-A 25 ADD-C 23 ADD-B 24 ALE 22 ENABLE 9 START 6 CLOCK 10 IN-0 26 IN-1 27 IN-2 28 IN-3 1 IN-4 2 IN-5 3 IN-6 4 IN-7 5 ref