兰花煤矿煤矿井下安全检测系统初步设计.doc

兰州工业学院兰州工业学院 毕业设计 论文 毕业设计 论文 题目题目 煤矿安全检测系统设计煤矿安全检测系统设计 学学 院院 电气工程学院电气工程学院 专专 业业 生产过程自动化生产过程自动化 班班 级级 过控过控 11 2 班班 姓姓 名名 马成伟马成伟 学学 号号 201102102222 指导教师 职称 指导教师 职称 秦雯 副教授 秦雯 副教授 日期日期 I 42 毕业设计 论文 任务书毕业设计 论文 任务书 电气工程 学院学院 2014 届届 生产过程自动化 专业专业 毕业设计 论文 题目 煤矿安全参数检测装置的设计 校内 外 指导 教师 职 称工作单位及部门联系方式 秦雯 副教授电气工程系一 题目说明 目的和意义 煤炭作为一种重要的能源 在煤炭开采中采取现代安全监测措施在煤炭 开采中势在必行 通过对这一课题的设计 是学生进一步学习和掌握电子技术 单片机 传感器 为基测控技术等知识的综合应用 进行以单片机为控制核心 的智能系统设计 培养理论联系实际 以及分析 解决工程问题的能力 二 设计 论文 要求 工作量 内容 成果 1 说明 以单片机为核心 设计一个煤矿安全参数检测装置的设计 完成对瓦斯 浓度 二氧化碳浓度 温度等安全参数的检测 根据题目提供的参数指标 当 检测值超过上限指标时能打出声光报警 报警上线指标如下 1 瓦斯或二氧化碳浓度超过 0 75 时 发出绿色声光报警 2 瓦斯或二氧化碳浓度超过 1 时 发出橙色声光报警 3 瓦斯或二氧化碳浓度超过 1 5 时 发出红色声光报警 4 温度超过 26 发出红色声光报警 2 设计内容 1 系统主电路设计 2 检测电路设计 能实时测量瓦斯浓度 二氧化碳浓度 温度等安全 参数 3 系统显示电路设计 能循环显示测量值 4 报警电路设计 5 设计软件流程框图并编写主程序清单 6 控制装置面板设计 3 设计成果 1 毕业设计设计报告字数 1 5 2 万字 2 1 设计图纸 2 张 一张为硬件电路 一张为系统总体流程图 3 根据检测参数要求 选择传感器 设计传感器应用电路并计算电路 元件参数 4 报警电路有放大器电路参数计算 II 42 三 进度表 日 期内 容 2020 2011 学年秋 第十五周 第十六周 第十七周 第十八周 第十九周 第二十周 2010 2011 学年春 第一周 第二周 查阅资料 熟悉设计任务书 总体方案论证 方案设计 硬件线路分析 硬件电路分析 参数计算 撰写论文 准备答辩材料 撰写论文 准备答辩材料 答辩 答辩 完成日期 答辩日期 四 主要参考文献 资料 设备和实习地点及翻译工作量 主要参考文献 资料 1 胡汉才 单片机原理及接口技术 北京 清华大学出版社 2004 2 孙涵芳 MCS 51 96 系列单片机原理及应用 北京 北京航天空航天 出版社 2005 3 陈杰美 电子仪器 北京 国防工业出版社 2003 4 潘新民 单片微型计算机实用系统设计 北京 人民邮电出版社 2005 教研室意见 教研室主任 签字 201 年 月 日 系意见 系主任 签字 201 年 月 日 III 42 摘 要 本设计用单片机 电子技术 传感器 微机控制技术等知识设计了一个简 单的煤矿安全参数检测装置 本装置以单片机为控制核心 完成对瓦斯浓度 温度 二氧化碳浓度 温度等参数的检测 并且具有对危险情况的报警功能 满足了用户对井下生产状况的实时监控和对险情及时发现和排除的要求 能有 效杜绝多数矿难事故的发生 是保障煤矿安全生产 防止瓦斯事故的重要手段 在煤矿安全环境监测监控系统在煤矿安全生产中有着重要地位 关键词关键词 煤矿安全生产监测 二氧化碳浓度 温度 IV 42 AbstractAbstract This design with a monolithic integrated circuits the electronic sensor and microcomputer technology and control technology knowledge and design a coal mine safety of the parameters of the inspection unit this device in a monolithic integrated circuits to control centre on the gas concentration temperature carbon dioxide concentration temperature and other parameters and in danger of the alarm functions and satisfy the users to the production of the situation of the real time monitoring and timely find out about the dangers and demand can effectively eliminate most of the ore difficult the accident Is to protect the coal production safety accident an important means to prevent gas in the security environment monitoring system of production safety in coal mines in an important position Keywords coal mine safety monitoring carbon dioxide concentration temperature the gas V 42 目录目录 摘摘 要要 IIIIII 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1 1 1 煤矿安全生产的背景 1 1 2 我国煤炭安全生产的状况和趋势 1 1 2 1 煤矿事故统计 1 1 2 2 重特大事故多发的主要原因 2 1 3 煤矿安全生产的发展趋势 3 第第 2 2 章章 方案论证方案论证 4 4 2 1 设计方案 4 图 2 1 煤矿安全参数检测装置系统框图 4 2 2 单片机的选型 4 2 3 温度检测传感器的选择 4 2 4 二氧化碳检测传感器的选择 5 2 5 瓦斯传感器的选择 5 2 6 A D 转换 6 2 7 显示电路的选择 6 2 8 存储器选择 7 2 9 声光报警 7 第第 3 3 章章 硬件设计硬件设计 8 8 3 1 系统框图 8 3 2 8051 单片机的介绍 8 3 2 1 8051 单片机的基本结构及管脚说明 8 3 2 2 MCS 51 的中断源和中断标志 10 3 3 外部存储器 ROM 2764 介绍 11 3 3 2 8031 和 2764 的连接 12 3 4 ADC0809 转换器 13 3 4 1 ADC0809 的内部结构 13 3 4 2 引脚功能 14 3 5 显示与键盘设计 16 3 5 1 LED 数码显示管显示原理 16 3 5 3 8155 对 LED 的显示 17 3 5 4 键盘 显示系统 17 3 6 传感器电路设计 18 3 6 1 AD590 的应用电路 18 3 6 2 GMM221 矿用二氧化碳传感器参数 19 3 6 3 瓦斯传感器电路设计 20 3 7 报警电路 20 第第 4 4 章章 软件程序设计软件程序设计 2121 4 1 8155 流程图 21 VI 42 4 2 显示子程序 22 4 3 数据采集终端中的程序 23 4 4 键盘扫描子程序 24 结结 束束 语语 2727 致致 谢谢 2828 参考文献参考文献 2929 毕业设计 论文 评语 1 42 第 1 章 绪论 1 1 煤矿安全生产的背景 煤炭是古代植物埋藏在地下经历了复杂的生物化学和物理化学变化逐渐形 成的固体可燃性矿物 一种固体可燃有机岩 主要由植物遗体经生物化学作用 埋藏后再经地质作用转变而成 俗称煤炭 煤炭被人们誉为黑色的金子 工业 的食粮 它是十八世纪以来人类世界使用的主要能源之一 煤炭作为一种重要的能源 在煤炭开采中采取现代安全监测措施在煤炭开 采中势在必行 瓦斯 二氧化碳 温度等则成为矿井开采中安全最大的威胁 瓦斯爆炸有一定的浓度范围 我们把在空气中瓦斯遇火后能引起爆炸的浓度范 围称为瓦斯爆炸界限 瓦斯爆炸界限为 5 16 当瓦斯浓度低于 5 时 遇火不爆炸 但能在火焰外围形成燃烧层 当瓦斯浓度为 9 5 时 其爆炸威 力最大 氧和瓦斯完全反应 瓦斯浓度在 16 以上时 失去其爆炸性 但在空 气中遇火仍会燃烧 二氧化碳是无色 略带酸臭味的气体 相对密度为 1 52 不助燃也不能供 人呼吸 略带毒性 易溶于水 二氧化碳比空气重 常常积聚在煤矿井下的巷 道底板 水仓 溜煤眼 下山尽头 盲巷 采空区及通风不良处 当空气中的 二氧化碳浓度过高时 轻则使人呼吸加快 呼吸量增加 严重时也能造成人员 中毒或窒息 矿井中二氧化碳的主要来源有 煤和有机物的氧化 人员呼吸 井下爆破 井下火灾 瓦斯 煤尘爆炸等 有时也能从煤岩中大量涌出 甚至 与煤或岩石一起突然喷出 给安全生产造成重大影响 二氧化碳窒息同缺氧窒 息一样 都是造成矿井人员伤亡的重要原因之一煤矿安全形势严峻 大的事故频 繁出现 给人民 社会带来巨大的损失 煤矿作为一个高危行业 由于生产环境的 特殊性 条件多变性和不可知性 发生事故的机率较高 安全工作历来成为全社会 关注的话题 矿难频发可以看作是高能耗 粗放式的经济发展模式的市场反应 1 2 我国煤炭安全生产的状况和趋势 长期以来 全国煤矿通过坚持 安全第一 预防为主 的方针 依靠科技 进步 推进安全综合治理 重视安全思想教育 强化安全技术培训和开展各种 形式的安全宣传活动等 促进了全国煤矿安全生产状况的好转 如国有重点煤 矿百万吨死亡率曾连续多年以平均每年近 20 的速度递减 1994 年以后国有重 点煤矿百万吨死亡率降到 1 2 以下 但受诸多方面的因素制约与限制 全国煤 矿事故多 伤亡重 经济损失大的状况尚未得到根本好转 致使每年煤矿事故 死亡人数一直徘徊在六七千人左右 位于全国各行业之首 煤矿事故多 伤亡 大 不仅给职工家属带来了极大痛苦 也会给国家造成巨大的经济损失和严重 的政治影响 每发生一起特大事故 尤其是瓦斯爆炸事故 都在社会上引起广 泛影响 它直接涉及到社会安定与政治稳定 1 2 1 煤矿事故统计 据煤炭工业经济运行中心的统计数据 在 1990 2000 年的 11 年间 全国 煤矿共生产煤炭 126 83 亿 t 共死亡 66196 人 平均百万吨死亡率为 5 22 其中 国有重点煤矿生产煤炭 52 16 亿 t 事故死亡 6357 人 平均百万吨死 亡率为 1 22 国有地方煤矿产煤 22 77 亿 t 事故死亡 10329 人 平均百万 吨死亡率为 4 54 乡镇煤矿产煤 50 26 亿 t 事故死亡 47673 人 百万吨死 2 42 亡率为 9 49 详细情况见表 1 1 安全状况最好的一年是 1992 年 全年共死 亡 4942 人 当年全国煤矿共生产煤炭 10 61 亿 t 百万吨死亡率为 4 65 其 中 国有重点煤矿生产煤炭 4 81 亿 t 事故死亡 488 人 百万吨死亡率为 1 01 国有地方煤矿产煤 1 87 亿 t 事故死亡 843 人 百万吨死亡率为 4 50 乡镇煤矿产煤 3 93 亿 t 事故死亡 3611 人 百万吨死亡率为 9 20 死亡人数最多的年份是 1994 年 全年共死亡 7016 人 当年全国煤矿共生产煤 炭 12 55 亿 t 百万吨死亡率为 5 15 其中 国有重点煤矿生产煤炭 4 38 亿 t 事故死亡 551 人 百万吨死亡率为 1 19 国有地方煤矿产煤 2 22 亿 t 事故死亡 1070 人 百万吨死亡率为 4 82 乡镇煤矿产煤 5 95 亿 t 事故 死亡 4953 人 百万吨死亡率为 8 32 1 2 2 重特大事故多发的主要原因 1 思想认识有差距 安全第一的观念没有牢固树立起来 一些地区和煤炭 企业的负责同志在贯彻落实江总书记和党中央 国务院关于安全生产的一系列 重要指示上有差距 有些县乡领导安全第一的思想没有真正树立起来 安全生 产责任制不落实 特别是在市场销售有所兴旺的情况下 不能正确处理安全与 生产 安全与效益的关系 出现了盲目追求产量和突击生产的现象 有些省区 小煤矿死灰复燃 使近几年来之不易的关井压产成果遭到严重影响 而且放松 安全管理工作 致使事故不断发生 贵州 湖南等省的问题尤其突出 所以 安全第一 的观念淡化仍是当前煤矿安全生产的最大隐患 2 煤矿安全管理薄弱 安全生产防范措施不落实 一段时期来 有些煤炭 企业 三违 现象严重 基础管理薄弱 从发生特别重大事故的几个煤矿来看 无论是现场管理 还是技术管理 有些措施制定后并没有认真抓落实 瓦斯监 控监测和抽放 井下设备和电器防爆 通风系统和巷道维修等日常性安全管理 制度有些流于形式 对大量的事故隐患得过且过 整改不力 管理混乱 工作 不落实是造成一些重特大事故发生的直接原因 3 一通三防 工作滑坡 安全欠账多 矿井总体防灾能力下降 近几年 一些煤矿由于经济困难 资金紧张 降低维简费和安全技措资金的提取标准 安全投入严重不足 安全欠账多 一些煤矿通风系统及配套设施不完善 致使 矿井通风能力不足 有些高瓦斯矿井监控系统不完善或没有安装监控系统 今 年以来组织的两次安全大检查发现 贵州 黑龙江 陕西 江西等省区的国有 重点煤矿都程度不同地存在着 一通三防 监测系统不完善 设备老化等问题 矿井防灾能力严重下降 重大事故隐患增多 4 小煤矿的问题仍然制约着煤矿的安全生产 通过两年多的关井压产 小 煤矿数量大幅度减少 但是存在的问题依然很严重 一些不具备安全生产基本 条件的小煤矿仍在继续生产 国有大矿井田范围内关闭小井 1 36 万处 还有 1270 多处至今没有采取关闭措施 直接威胁大矿的安全 在最近进行的全国煤 矿安全生产大检查中 发现各省区都程度不同地存在着已关闭矿井死灰复燃的 问题 这里面也存在一些腐败现象 有的地方干部参股分利 致使一些私营和 个体窑主忽视安全生产 甚至要钱不要命 这些都说明 不具备安全生产条件 的小煤矿仍然是当前煤矿安全生产的重大隐患 5 矿规章制度不健全 不落实 矿领导值班不认真履行职责 没有定期召 开安全办公会 重要的技术措施编写和审批制度不健全 把关不严 针对性不 强 如通风行人下山延伸掘进工作面在未编制作业规程的情况下就安排开工掘 进 3 42 6 企业对职工缺乏必要的培训和教育 职工安全意识淡薄 素质低 该矿 一线职工 70 是农民协议工 由于缺乏对他们的安全培训 都不具备起码的安 全常识 甩掉煤电钻综合保护装置作业 用新鲜风流吹瓦斯监测探头和在井下 拆卸矿灯等严重违章现象屡见不鲜 7 矿务局安全管理松弛 监督不力 矿务局对木冲沟煤矿布置 41114 普采 工作面 不合理集中生产等问题没有及时采取措施予以制止 对矿井风量不足 瓦斯经常超限等重大事故隐患没有引起足够重视 认真对待 有关业务部门监 督检查不力 1 3 煤矿安全生产的发展趋势 作为煤炭行业唯一的大型综合性科研机构和技术创新基地 煤炭科学研究 总院近年来以瓦斯 火灾 水灾 顶板和机电等煤矿事故发生因素为重点研究 对象 承担了我国煤矿安全 的科研项目 取得了上百项技术成果 为煤 矿安全生产提供了有力的技术 工艺和装备支撑 在地质灾害防治 内外因火 灾的控制与预防 瓦斯煤尘爆炸与尘害防治 矿山防灾救灾 煤矿应急救灾 矿山安全评价等方面 已形成了先进的技术研发体系与成套装备 煤科总院配 合国家有关部委 组织了一批煤矿安全重大科技项目 先后牵头承担了国家 计划项目 预防煤矿瓦斯动力灾害的基础研究 十五 科技攻关 计划项目 煤矿瓦斯治理技术集成与示范 和 矿山重大瓦斯煤尘爆炸事故预 防与监控技术 国家 十一五 科技支撑计划项目 煤矿瓦斯 火灾与顶板重 大灾害防治关键技术研究 等重大科研项目 并完成了中国工程院委托的重大 咨询项目 煤矿灾害防治的技术及对策研究 在取得上述成果的基础上 煤科 总院选择了一批具有典型性和代表性的矿区 井 开展技术集成与示范 建立 和完善了一批煤矿灾害治理的技术示范工程 推动了安全科技成果的推广 此 外 我国已基本建立了科技创新体系 据对 78 家国内 100 强的煤炭企业调查 2006 年的研发经费总投入达到了 75 9 亿元 比 2005 年增长了 50 9 4 42 第 2 章 方案论证 2 1 设计方案 本论文用单片机 电子技术 传感器 微机控制技术等知识设计一个简单 的煤矿安全参数检测装置 以单片机为控制核心 完成对瓦斯浓度 温度 二 氧化碳浓度等参数的检测 系统框图如图 2 1 所示 温度检测 CO2 检测 单 片 机 A D 转 换 瓦斯检测 外扩 I O 功设计方 案能指示 外扩 ROM 声光报警 显示 键盘 图 2 1 煤矿安全参数检测装置系统框图 2 2 单片机的选型 迄今为止 单片机制造商有很多 主要有美国的 Intel Motorola Zilog 和 TI 公司 日本的 NEC 荷兰的 Philips 英国 的 Inmos 和德国的 Siemens 西门子 公司 等等 8 位单片机的生产厂家较 多 品种也最齐全 MCS 51 系列单片机是 Intel 公司 1980 年推出的 8 位单片机 与该公司 的 MCS 48 系列机相比 MCS 51 无论 CPU 功能还是存储容量以及特殊功能部 件性能上都要高出一筹 典型产品为8051 其内部资源分配和性能如下 8 位 CPU 寻址能力达 2 64K 4KB 的 ROM 和 128 字节 RAM 4 个 8 位 I O 接口电路 一个串行全双工异步接口 5 个中断源和两个中断优先级 2 3 温度检测传感器的选择 测量温度元件可以选择集成温度传感器或热敏电阻 能感受温度并转换成 可用输出信号的传感器 利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换 为电量的传感器 温度传感器是温度测量仪表的核心部分 品种繁多 按测量 方式可分为接触式和非接触式两大类 利用一般热敏电阻还需要另外设计连接 电路 并要进行温度修正 故考虑选择温度传感器 集成温度传感器有电压输 出型和电流输出型 方案一 电流型输出型 AD590 AD590 具有较高精度和重复性 重复性优于 0 1 其良好的非线性可以保 证优于 0 1 的精确度 利用其重复性较好的特点 通过非线性补偿 可以达 到 0 1 测量精度 其输出电流信号传输距离可达到 1km 以上 作为一种高阻 电流源 最高可达 20M 所以它不必考虑选择开关或 CMOS 多路转换器所引入 5 42 的附加电阻造成的误差 适用于多点温度测量和远距离温度测量的控制 方案二 电压输出型温度传感器 LM350 LM350 为电压输出型温度传感器 电路内部已校准 并采用内部补偿输出 电压与摄氏温度成正比 无需校准 精度可达 0 5 方案三 采用逻辑输出型温度传感器 LM56 LM56 是 NS 公司生产的高精度低压温度开关 内置 1 25V 参考电压输出端 最大只能带 50 A 的负载 电源电压从 2 7 10V 工作电流最大 230 A 内置 传感器的灵敏度为 6 2mV 传感器输出电压为 6 2mV T 395mV 综上所述 这里选择 AD590 温度传感器检测温度 2 4 二氧化碳检测传感器的选择 方案一 TGS4160 集成传感器 FIGARO 弗加罗 公司生产的 TGS4160 集成传感器是一种固态电化学性 CO2 传感器 该器件除具有体积小 寿命长 选择性和稳定性好等特性外 同 时还具有耐高湿和耐低温等特点 因而可以广泛用于自动通风换气系统或 CO2 气体长期监测等应用场合 方案二 TG4160 型 CO2 传感器 TG4160 型 CO2 传感器特别适合于连续监测的场合 它不需断电稳定性好 这样大大简化了普通 CO2 传感器的外围电路 且提高了测量的精度 利用 TG4160 型传感器并通过高输入阻抗 低偏置电流的运放进行放大 在做一些简 单的运算处理 就可以在 CO2 浓度为 300 5000ppm 范围内测得信号 该信号 0 几百毫伏的电压信号 可以供高精度 A D 采样使用 方案三 GMM221 222 二氧化碳传感器 维萨拉公司生产的 GMM221 222 二氧化碳测量模件是专门用于如下场合的 温室控制 孵化器 室 发酵罐 安全报警以及相关系统 由于 GMM220 具有很 多优点 所以在许多特殊场合里实现了 CO2 无故障控制 由于传感器不受灰尘 水汽和大多数化学气体的影响 GMM220 模件可广泛用于环境恶劣 潮湿的地方 GMM221 222 的探头可以更换 这不但极大地方便了校验和现场服务 而且很容 易地改变量程 此外 GMM220 可以有不同的安装方式 供电方式和输出方式 鉴于 GMM221 COCO2 2传感器功率小 有良好的时间和温度稳定性 专门用于恶 劣场合等诸多优点 在本设计中选择 GMM221 CO2传感器 2 5 瓦斯传感器的选择 方案一 GJ4 型矿用低浓度甲烷传感器 整机工作电压为 9 24V 测量范围为 0 00 4 00 CH4 信号输出范围为 1 5mA 或 200 1000HZ 是有煤层及瓦斯爆炸危险环境中使用的低浓度甲烷气 体本质安全型传感器 除能连续监测外还能自动地将检测到的甲烷浓度转换成 标准的电信号输送给井下监控系统 具有故障自检功能 使用 维护方便 外 壳结构采用了高强度的不锈钢材料 增强了传感器的抗冲击能力 方案二 瓦斯传感器 MJC4 3 0L MC112 瓦斯传感器 MJC4 3 0L 根据催化燃烧效应的原理工作 灵敏度20 40 mV 1 甲烷 工作电压 3 0 V 0 1 工作电流 110 10 mA 由检测元件和 补偿元件配对组成电桥的两个臂 遇可燃性气体时检测元件电阻升高 桥路 输出电压变化 该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大 补偿元件起参 6 42 比及温湿度补偿作用 响应速度快 元件工作稳定 可靠 适用于工业现场 的天然气 液化气 煤气 烷类等可燃性气体及汽油 醇 酮 苯等有机 溶剂蒸汽的浓度检测 方案三 GJ B 煤矿用低浓度瓦斯传感器 一种采用热催化原理探头制成的智能型甲烷检测仪表 用于检测煤矿井下 各作业场所空气中的甲烷浓度 该仪器测量范围 0 4 00 CH4 输出信号 频 率 200 1000Hz 电流 恒流 1 5 mA 供电电压范围 DC 9 24V 具有半 自动调零 调满度 该仪器具有半自动调零 调满度 设置报警点和断电点 所有功能均可通过红外遥控实现 并且具有超限声 光报警 超限断电信号输 出功能 仪器具有多种信号输出形式 除了和本公司的 KJ205 煤矿综合监测系 统配合使用外还可以和其他煤矿监测系统相兼容 也可以独立使用于多种矿用 火灾检测系统 经过对比 瓦斯传感器 GJ B 更适合本设计 2 6 A D 转换 方案一 采用 ADC0809 ADC0809 是采样分辨率为 8 位的 以逐次逼近原理进行模 数转换的器件 其内部有一个 8 通道多路开关 它可以根据地址码锁存译码后的信号 只选通 8 路模拟输入信号中的一个进行 A D 转换 方案二 采用 AD574 AD574 模数转换器已被许多国外厂商用于各自的数据采集系统 国内也有不 少单位选用 AD574 设计数据采集系统 有的器件制造厂正在引进生产这种先进的 集成电路 AD574 主要特点 AD574 是美国模拟器件公司制造的大规模集成电路 是目前国际市场上较先进的 高集成度 价格低廉的逐次比较式模数转换器 它 的突出特点是芯片内部包含微机接口逻辑 可方便地与 8080 8085 Z 80 6800 6502 等通用微处理器系统配接 输入与 TTL 及 CMOS 兼容 数据总线 可与微机数据总线直接相连 读写及转换命令由控制总线提供 输出可以是 12 位 一次读出或分两次 先读高 8 位 再读低 4 位 读出 输入电压有单极性和双极性 两种 对外可提供一个 10 000V 基准电压 最大输出电流 1 5mA 有较宽的温度使 用范围并保证此温度范围内的线性度 方案三 12 位并行模 数转换芯片 AD1674 AD1674 是美国 AD 公司推出的一种完整的 12 位并行模 数转换单片 该芯 片内部自带采样保持器 SHA 10 伏基准电压源 时钟源以及可和微处理器总 线直接接口的暂存 三态输出缓冲器 与原有同系列的 AD574A 674A 相比 AD1674 的内部结构更加紧凑 集成度更高 工作性能 尤其是高低温稳定性 也 更好 而且可以使设计板面积大大减小 因而可降低成本并提高系统的可靠性 在本设计中 我们选择 ADC0809 2 7 显示电路的选择 显示电路可采用液晶 LCD 也可采用数码管 LED 本系统由五位显示 故可 采用五位数码管组成显示电路 LED 显示方式分为静态显示和动态显示两种 所谓静态显示 就是把多个 LED 显示器的每一段与一个独立的并行口连接起来 而公共端则根据数码管的种类连接到 VCC 或 GND 端 这种连接方式的每一个显 示器都要占用一个单独的具有锁存功能的 I O 端口 用于笔划段字形代码 单 7 42 片机只需把要显示的字形代码发送到接口电路 就不用再管它了 直到要显示 新的数据时 再发送新的字形码 因此 使用这种方法当显示位数较多时单片 机中 I O 口的开销很大 需要提供的 I O 接口电路也较复杂 因而增加了成本 而且显示始终维持 功耗大 但它具有编程简单 显示稳定 CPU 的效率较高 的优点 动态显示是单片机在任何时刻只显示一位数字 多位数字轮流分时显示 由于人眼的视觉暂留效应 所以看起来就像所有数码管全在显示一样 这种显 示方式的优点是使用器件少 接口简单 成本相对低 因此 本系统显示采用 动态显示 2 8 存储器选择 EPROM Erasable PROM 可擦洗 PROM 可以多次复用 每次编程前只要先 进行一次擦洗即可 因此 EPRONM 在微型机中的应用非常广泛 尤其可以满足 试验和研究工作的需要 常用的 EPROM 存储器比较见表 2 1 表 2 1 27 系列常用 EPROM 存储器 型号容量 KB读出时间 ns制造工艺所用电源 V管脚数 2732A4200 450NMOS 524 27648200 450HMOS 528 2712816250 450HMOS 528 2725632200 450HMOS 528 2751264250 450HMOS 528 27513256250 450HMOS 528 通过以上各种类型的比较 基于本设计程序量不大的特点 最终决定选用 2764 作为本次设计的 ROM 存储器 2 9 声光报警 在我们的设计中为了实现安全生产 对于重要的参数和系统部位 都要设 计紧急状态报警系统 以便提醒操作人员注意或采取安全措施 使生产继续进 行或保证人身及设备安全的前提下 终止生产 光报警通常采用发光二极管和 蜂鸣器实现 8 42 第 3 章 硬件设计 3 1 系统框图 本系统框图如图 3 1 所示 本系统采用 8051 作为控制核心来检测煤矿中 CO2 瓦斯的浓度以及温度 其中温度传感器采用了 AD590 瓦斯传感器采用 GJ B 煤矿用低浓度瓦斯传感器 温度传感器 AD590 CO2传感器 8051 ADC 0809 瓦斯传感器 外扩 I O 8155 功能指示 外扩 ROM 2764 声光报警 显示 键盘 图 3 1 系统框图 3 2 8051 单片机的介绍 3 2 1 8051 单片机的基本结构及管脚说明 8051 单片机通常有两种封装 一种是双列直插式封装 一种是方形封装 本系统 8051 单片机采用双列直插式 40 引脚封装结构 其引脚功能共可分为端 口线 电源线和控制线三类 芯片结构如下图 3 2 所示 一 端口线 32 条 8051 共有四个并行 I O 端口 每个端口都有 8 条端口线 用于传送数据 地址 1 P0 口 P08 位输入输出线 其最高为 P0 7 最低位为 P0 0 其功能八 位输入输出线可作为八位的地址线使用 也可作为八位数据总线使用 此时要 分时操作先选送低八位地址 利用 ALE 信号的下降沿将地址锁存 然后作为八 位双向数据总线使用 用来传送 8 位数据 另外 8031 在不带外存储器的情 况下 可作 I O 口使用 此时为准双向输入 输出口 2 P1 口 P1 口 8 条引脚和 P0 口的 8 条引脚类似 最高位为 P1 7 最低 位为 P1 0 当 P1 口作为通用 I O 口使用时 P1 7 P1 0 的功能和 P0 口的第一 功能相同 也用于传送用户的输入输出数 3 P2 口 P2 口这组引脚的第一功能和上述两组引脚的第一功能相同 即它可以作为通用 I O 口使用 它的第二功能和 P0 口引脚第二功能相配合 用 于输出片外存储器的高 8 位地址 共同选中片外存储器单元 但不能像 P0 口那 样还可以传送存储器的读写数据 4 P3 口 这组引脚的第一功能和其余三个端口的第一功能相同 它的 第二功能如下 9 42 图 3 2 MCS 51 封装和引脚分配 P3 0 RXD 作为串行数据输出口 P3 1 TXD 作为数据发送口 P3 2 INT0 作为外中断 0 输入 P3 3 INT0 作为外中断 1 输入 P3 4 T0 作为计数器 0 计数输入 P3 5 T1 作为计数器 1 计数输入 P3 6 WR 作为外部 RAM 写选通信号 P3 7 RD 作为外部 RAM 读选通信号 二 电源线 2 条 VCC 为主电源 接 5V 电源线 VSS 为接地线 三 控制线 6 条 1 RST VPD 复位 备用电源线 当作为 RST 使用时为系统复位输入端 此时输入两个机器周期的高电平 即可实现系统复位 当作为 VPD 使用时 当 VCC 电压降到允许限度以下时 后备电源从此引脚自动加电 保证片内 RAM 中 的信息不被丢失 2 PSEN 片外 ROM 选通线 在执行访问片外 ROM 的指令 MOVC 时 8031 自动在 PSEN 上产生一个负脉冲 用于为片外 ROM 的选通 其它情况下 PSEN 均 为高电平封锁状态 3 ALE PROG 地址锁存允许 编程线 当作为 ALE 使用时 为访问外部 程序存储器的低 8 位地址封锁信号 输出正脉冲 利用其下降沿实现地址锁存 以便空出 P0 7 P0 0 引线去传送随后而来的片外存储器读写数据 当不访问外部存储器时 ALE 仍以振荡器 1 6 频率周期性的出现 此时可 作为输出时钟信号使用 对于在片外 EPROM 编程时 从此引脚输出编程脉冲信 号 4 EA VPP 允许访问片外存储器 编程电源线 可以控制 8031 使用片内 ROM 还是使用片外 ROM 由于 8031 无片内 ROM 所以当 EA 0 时允许使用片外 ROM 10 42 5 XTAL1 和 XTAL2 片内震荡电路输入线 这两个端子用来外接石英晶体 和微调电容 3 2 2 MCS 51 的中断源和中断标志 一 中断源 8031 的五级中断分为两个外部中断 两个定时器溢出中断和一个串行口中 断 1 外部中断源 8031 有 INT0 和 INT1 两条外部中断请求输入线 用于输入两个外部中断源 的中断请求信号 并允许外部中断源以低电平或负边沿两种触发方式输入中断 请求信号 8031 究竟工作于哪种中断触发方式可由用户通过对定时器控制寄存 器 TCON 中 IT0 和 IT1 位状态的设定来选取 8031 在每个机器周期的 S5P2 时对 INT0 INT1 线上的中断请求信号进行一次检测 检测方式和中断触发方式的选 取有关 若 8031 设定为电平触发方式 IT0 0 或 IT1 1 则 CPU 需要两次检测 INT0 INT1 线上的点评方能确定其中断请求有效 若设定为边沿触发方式 IT0 1 或 IT1 0 则 CPU 需要两次检测 INT0 INT1 上的中断请求才有效 因 此 8031 检测 INT0 INT1 上负边沿中断请求的时刻不一定恰好是其上中断请求 信号发生负跳变的时刻 但两者之间最多不会相差一个机器周期时间 2 定时器溢出中断源 定时器溢出中断源由 8031 内部定时器中断源产生 故它们属于内部中断 8031 内部有两个 16 位定时器 计数器 由内部定时脉冲 主脉冲经 12 分频后 或 T0 T1 引脚上输入端外部定时脉冲计数 定时器 T0 T1 在定时脉冲作用下从 全 1 变为全 0 时可以自动向 CPU 提出溢出中断请求 以表明定时器 T0 或 T1 的定时时间已到 定时器 T0 T1 的定时时间可由用户通过程序设定 以便 CPU 在定时器溢出中断服务程序内进行计时 例如 若定时器 T0 定时时间设定 为 10ms 则 CPU 每响应一次 T0 输出中断请求就可在中断服务程序中使 1 100s 单元加 1 100 次中断后 1 10s 的能源清零的同时使秒单元加 1 以后则重复上 述过程 定时器溢出中断常用于需要进行定时控制的场合 3 串行口中断源 串行口中断源由 8031 内部串行口中断源产生 故也是一种内部中断源 串 行口中断分为串行口发送中断和串行口接受中断两种 在串行口进行发送 接收 数据时 每当串行口发送 接收完一组穿行数据时 串行口电路自动使串行口控 制寄存器 SCON 中的 RI 或 T1 中断标志位职位如图 3 3 所示 并自动向 CPU 发 出串行口中断请求 CPU 响应串行口中断后便立即转入串行口中断服务程序的 执行 因此 只要在串行口中断服务程序中安排一段对 SCON 中的 RI 和 TI 中断标 志位状态的判断程序 便可区分串行口发生了接收中断请求还是发送中断请求 二 中断标志 8031 在每个机器周期的 S5P2 时检测 或接收 外部 或内部 中断源发 来的中断请求信号后先使相应中断标志置位 然后便在下个机器周期检测这些 中断标志位状态 以决定是否响应该中断 8031 中断标志位集中安排在定时器 控制寄存器 TCON 和串行口控制寄存器 SCON 中 1 定时器控制寄存器 TCON 定时器控制寄存器各位定义如图 3 3 所示 各位含义如下 11 42 1 IT0 和 IT1 IT0 为 INT0 中断触发标志位 位地址是 88H IT0 状态 可由可由用户通过程序设定 若使 IT0 0 则 INT0 上中断请求信号的中断触发 方式为电平触发 即低电平引起中断 若 IT0 1 则 INT0 设定为负边沿中断 触发方式 即由负边沿引起中断 IT1 的功能和 IT0 相同 区别仅在于被设定 的中断触发方式不是 INT0 而是 INT0 位地址为 8AH 图 3 3 串行口控制寄存器 SCON 定义 2 IE0 和 IE1 IE0 为外部中断 INT0 中断请求标志位 位地址是 89H 当 CPU 在每个机器周期的 S5P2 是检测到 INT0 上的中断请求有效时 IE0 由硬 件自动置位 当 CPU 响应 INT0 上的中断请求后进入相应中断服务程序时 IE0 被自动复位 IE1 为外部中断 INT1 的中断请求标志位 位地址为 8BH 其作用 和 IE0 相同 3 TR0 和 TR1 TR0 为定时器 T0 的启停控制位 位地址为 8CH TR0 状态 可由用户通过程序设定 若使 TR0 1 则定时器 T0 立即开始计数 若 TR0 0 则定时器 T0 停止计数 TR1 为定时器 T1 的启停控制位 位地址为 8EH 其作用 和 TR0 相同 4 TF0 和 TF1 TF0 为定时器 T0 的溢出中断标志位 位地址为 8DH 当 定时器 T0 产生溢出中断 全 1 变为全 0 时 TF0 由硬件自动置位 当 定时器 T0 的溢出中断为 CPU 响应后 TF0 被硬件复位 3 3 外部存储器 ROM 2764 介绍 3 3 1 引脚功能 12 42 图 3 4 2764 管脚图 图 3 4 为 2764 的引脚分配图 引脚功能分述如下 1 地址输入线 A12 A0 2764 的存储容量为 8KB 故按照地址线条数和存储容量的关系 213 8192 共需 13 条地址线 编号为 A12 A0 2764 的地址线应和 MCS 51 单片机的 P2 口和 P0 口相接 用于传送单片机送来的地址编码信号 其中 A12 为最高位 2 数据线 O7 O0 O7 O0 是双向数据总线 O7 为最高位 在正常工作时 O7 O0 用于传送 从 2764 中读出的数据或程序代码 在编程方式时用于传送需要写入的程序代码 及程序的机器码 3 控制线 3 条 片选输入线 CE 该输入线用于控制本芯片是否工作 若给 CE 上加一个高 电平 则本片不工作 若给 CE 上加一个低电平 则选中本片共作 编程输入线 PGM 该输入线用于控制 2764 处于正常工作状态还是编程 工 作状态 若给它输入一个 TTL 高电平 即 VIH 则 2764 处于正常工作状态 若给 PGM 输入一个 50ms 宽的负脉冲 则 2764 配合 VPP 引脚上的 21V 高压可以 处于编程状态 允许输入线 OE OE 也是一条由用户控制的输入线 若给 OE 线上输入一个 TTL 高电平 则数据线 O7 O0 处于高阻状态 若给 OE 线上输入一个 TTL 低电 平 则 O7 O0 处于读出状态 4 其它引脚线 4 条 VCC 为 5V 10 电源输入线 GND 为直流地线 VPP 为编程电源输入线 当 它接 5V 时 2764 处于正常工作状态 当 VPP 接 21V 电压时 2764 处于编程 校验工作状态 NC 为 2764 的空线 3 3 2 8031 和 2764 的连接 一 8031 对片外 ROM 的读操作 如果片外 ROM 的 2050H 单元有一个常数 X 且累加器 A 中为 0 现欲把 X 读 出并送入 CPU 的累加器 A 则指令为 MOVC A A DPTR A A DPTR X 8031 执行上述指令的具体步骤为 1 8031CPU 先把累加器 A 中的 0 和 DPTR 中的 2050H 相加后送回 DPTR 然后 把 DPH 中的 20H 送到 P2 7 P2 0 上 把 DPL 中的 50H 送到 P0 7 P0 0 上 2 一旦 P0 口上片外存储器低 8 位地址 50H 稳定 8031 在 ALE 线上发出正 脉冲的下降沿就把 50H 锁存到地址锁存器 74LS373中 3 由于 CPU 执行的是 MOVC 指令 故 8031 自动使 PSEN 变为低电平以及 RD 和 WR 保持高电平 以至于 1 芯片可以进行读操作且 2 芯片被封锁 4 1 芯片按照 CPU 送来的 2050H 地址 从中读出 X 并被送到 8031 的 P0 口 8031CPU 先打开 P0 口的输入门后再把它送到了累加器 A 至此 这条指令的执行 宣告结束 二 8031 和 2764 的连接 8031 和 2764 的连接如图 3 5 所示 13 42 30P 图 3 5 8031 和 2764 的连接 由于 2764 存储容量为 8KB 故 8031 片内地址线为 P2 4 P2 0 和 P0 7 P0 0 P2 4 P2 0 直接与 2764 的 A12 A8 相接 P0 7 P0 0 经 74LS373 输出后接到 2764 的 A7 A0 共 13 条 片选地址线共 三条 其中 P2 5 直接与 2764 的 CE 相接 P2 7 和 P2 6 悬空 或作其它芯片的片选线 PSEN 与 2764 的 OE 相接 以便 8031 执行 MOVC 指令时产生低电平而选中 2764 工作 根据基本地址范围的定义 即为参加译码的片选先 P2 7 和 P2 6 上以低电 平 0 计算时的地址范围 2764 基本地址范围应为 0000H 1FFFH 重叠地址范 围定义为未参加译码的片选地址和片内地址从全 0 变到全 1 时的地址范 围 故 2764 重叠地址范围为 0000H 1FFFH 8KB 8000H 9FFFH 8KB 4000H 5FFFH 8KB C000H DFFFH 8KB 显然 2764 共有 32KB 重叠地址范围 它们在整个 64KB 区域中是不连续的 使用该硬件电路时 应注意把程序和常数放在基本地址范围内 3 4 ADC0809 转换器 3 4 1 ADC0809 的内部结构 ADC0809 是 CMOS 单片型逐次逼近式 A D 转换器 ADC0809 由 8 路模拟 开关 地址锁存与译码器 逐次逼近式寄存器 SAR 控制电路和三态输出锁存 器等组成 如图 3 6 所示 14 42 图 3 6 ADC0809 内部逻辑结构 3 4 2 引脚功能 图 3 7 ADC0809 引脚图 ADC0809 采用双列直插式封装 图 3 7 为 ADC0809 管脚图 共有 28 条引脚 1 IN0 IN7 8 条 IN0 IN7 为 8 路模拟电压输入线 用于输入被转换 档模拟电压 被选通路与地址的关系如表 3 1 所示 2 ADDA ADDB ADDC 3 位地址输入线 用于选通 8 路模拟输入中的一路 ALE 地址锁存允许信号 输入 高电平有效 START A D 转换启动脉冲输入端 输入一个正脉冲 至少 100ns 宽 使 其启动 脉冲上升沿使 0809 复位 下降沿启动 A D 转换 EOC A D 转换结束信号 输出 当 A D 转换结束时 此端输出一个高 电平 转换期间一直为低电平 OE 数据输出允许信号 输入 高电平有效 当 A D 转换结束时 此端输 入一个高电平 才能打开输出三态门 输出数字量 CLK 时钟脉冲输入端 要求时钟频率不高于 640KHZ 15 42 REF REF 基准电压 Vcc 电源 单一 5V GND 地 表 3 1 被选模拟量路数和地址的关系 被选模拟电压路数 ADDCADDBADDA IN0000 IN1001 IN2010 IN3011 IN4100 IN5101 IN6110 IN7111 3 数字量输出及控制线 11 条 START 为 启动脉冲 输入线 该线上 的正脉冲由 CPU 送来 宽度应大于 100ns 上升沿清零 SAR 下降沿启动 ADC 工 作 EOC 为转换结束输出线 该线上的高电平表示 A D 转换已结束 数字量已 锁入 三态输出锁存器 2 1 2 8为数字量输出线 2 1为最高位 OE 为 输出允许 线 高电平时 能使 2 1 2 8引脚上输出转换后的数字量 电源线及其它 5 条 CLOCK 为时钟输入线 用于为 ADC0809 提供逐次比较所需 640KHz 时钟脉冲 序列 VCC 为 5V 电源输入线 GND 为地线 VREF 和 VREF 为参考电压