基于单片机控制的甲烷浓度控制设计

1、目录第1章 绪论················································

2、3;····11.1 课题研究的必要性···········································

3、83;······11.2 国内外研究水平和动向·········································

4、·····11.3 课题研究的总体解决方案··········································&#

5、183;·2第2章 智能仪器的研制、基本要求和思路····························32.1 智能仪器的研制···············

6、·····································32.2 智能仪器设计的基本要求··········&#

7、183;·································32.3 课题研究的总体思路··············

8、··································3第3章 瓦斯报警器的总体设计方案·············&

9、#183;····················53.1 概述····························

10、··································53.2 总体设计方案··············&

11、#183;·······································53.3 总体分析········

12、3;·················································5第4章

13、 硬件电路设计··············································64.1 核心器件8031单片机&

14、#183;··············································64.2 敏感元件·

15、3;·················································

16、3;······84.2.1 热催化元件的结构·········································8

17、4.2.2 敏感元件工作原理·········································84.3 小信号放大电路····

18、3;···············································94.4 A/D转换电路

19、3;·················································

20、3;···114.4.1 ADC0809的主要特性······································114.4.2 ADC0809芯片的引脚图及引脚功能·

21、·························124.4.3 ADC0809与8031单片机的接口设计····················&#

22、183;····134.5 看门狗电路···········································

23、83;···········144.6 报警电路·····································

24、;····················164.7 显示电路····························&

25、#183;····························164.7.1 CD4511简介··················

26、83;··························164.7.2 74LS377简介····················

27、3;·······················174.8 电源部分·························

28、·································184.9 总体硬件原理图：··············

29、3;····································19第5章 结束语············&

30、#183;······································20参考文献··········&

31、#183;·············································21附录1···&#

32、183;·················································&#

33、183;····22第1章 绪论1.1 课题研究的必要性 从我国煤炭生产的现状及我国能源结构规划均可看出，在本世纪中叶以前，煤炭仍是支持我国国民经济发展的主要能源，煤炭生产，作为我国能源工业的支柱，其地位将是长期的、稳定的，但是煤炭工业的安全生产状况却不容乐观，中小型煤矿的情况尤为严重，已经直接威胁到整个煤炭工业的稳定生产，给国家财产和人民生命造成了很大的损失，作为“万恶之首”的甲烷爆炸事故更是重大事故发生率之首。在去年又接连发生了多起甲烷爆炸事故，事故的结果触目惊心，因此通过强化甲烷管理，提高通风、甲烷检测监控水平，已成为中小型煤矿甲烷检测监控的最迫切

34、的任务之一。 煤矿生产安全监控系统，是目前为止实际通风甲烷管理工作中最重要和最有效的自动化手段，已经装备监控系统的煤矿的甲烷事故发生率大为下降，实践证明，煤矿生产安全监控系统对保障煤矿安全生产，提高煤矿生产率，提高煤矿自动化程度以及促进煤矿管理现代化水平，都有着举足轻重的作用。1.2 国内外研究水平和动向解放前我国煤炭工业技术十分落后，矿井通风安全仪器更是属于空白。解放后，党和政府对安全工作极为重视，煤矿安全状况及劳动条件得到了很大的改善，通风安全仪器从无到有地发展起来。在仪器的研究、生产制造方面，多年来投入了很大的力量，形成了以抚顺、重庆、西安、常州、上海等地为中心的安全仪器生产基地，除生产

35、大量的通风安全仪器和救护设备外，从1980年起，先后从波兰、英国、美国和西德等地引进了多种形式的煤矿安全监测系统和生产监控系统，在引进的基础上，我国也研制了一批安全监测系统，如常州煤研所的KJ1型，北京长城科学仪器厂的KJ4型，重庆煤矿安全仪器厂的TF-200型和AWJ-80型，西安仪表厂的MJC-100型，抚顺煤矿安全仪器厂的AU1型，总参6904厂的WDJ-1型和镇江煤矿专用设备厂的A-1型等安全监控系统来装备矿井。其中KJ4型的系统容量为1536个，传输距离为13 km。所有这些成就，表明我国的安全监测仪器的研制和装备进入了新的水平。但是目前安全监测传感器的种类和质量与国际水平的差距还较

36、大，这是需要解决的问题。煤矿生产安全监控系统虽在国内已有生产和应用，但还没有一种真正适合于中小型煤矿使用的产品，我国从八十年代初期开始引进煤矿生产安全监控系统，历经了直接引进、消化吸收、仿制配套、自主开发的过程，但迄今为止的产品大多都是面对大型矿井设计的，而且自身尚有一些有待解决的问题，如:造价高，系统最基本的配置过于庞大，运行费用大传感器测量稳定性差，调校频繁，寿命短 系统安装、维护复杂，操作不便，人机界面较差系统设备可靠性差必须依赖专业的维护队伍，对人员技术，素质有较高的要求。国外的监控系统技术理论上讲高于国内发展水平，但应用于国内煤矿尚有一定的局限性，如煤矿管理模式生产方式的不同，价格过

37、高不适于国内煤矿现有条件，除在传感器技术方面可供借鉴外，其它仅具一定参考价值。 综上所述，开发研制适用于中小型煤矿生产安全监控系统的任务迫在眉睫，而根据我国煤矿生产和管理模式，依照我国的有关技术标准，其技术的先进性、产品的可靠性和实用性则是本项目的关键所在。1.3 课题研究的总体解决方案本论文中设计的瓦斯自动报警系统采用8031单片机进行控制，传感信号由气敏电阻和放大器转换成电信号，由ADC0809转换成数字量，监测电路可靠工作，使电路结构简单，气体检测仪表的功能主要是指所测气体浓度值、报警点的设置，声光报警，开机指示，电池欠压指示等。该系统由单片机、瓦斯气体检测电路、A/D转换、LED数码管

38、显示电路和声光报警电路组成，以单片机为核心构成一个具备数据采集，对象控制，结果显示等功能的完整系统。本论文针对8031单片机在检测和过程控制方面的应用来分析瓦斯气体浓度控制系统。在分析过程中，详细叙述了该实例的物理工作原理和电路工作原理。1.4 本论文的结构安排 介绍了该课题提出的必要性和国内外研究水平与动向以及测量仪器的基本性能，同时给出整个论文的结构安排。研究内容、方法和原则。阐述了课题研究的内容，设计思路和方法以及整体设计所遵循的原则。监控仪的工作原理。对甲烷浓度监控仪作了原理分析，同时介绍了敏感元件的结构和工作原理以及整机工作原理。硬件设计。对组成系统的CPU、时钟电路、敏感元件、小信

39、号放大电路、A/D转换电路、通信电路以及看门狗监控电路都作了详细介绍。 第2章 测控仪器的选取、基本要求和思路2.1测控仪器的选取主要划分为确定任务、拟定设计方案、硬件设计研制、仪器总调、性能测试等几个阶段。在系统设计中，应充分应用近年来发展起来的各种新技术、新器件、新方法，在保证各项性能指标能够满足系统各方面要求的前提下，力求简化结构，降低成本，提高可靠性和稳定性。设计时需要注意的问题：1.产品的技术指标、生产工艺等要符合国家有关规定及煤炭部，地方管理部门的规定。2.运行的可靠性和稳定性一定要好，安装、维护要方便，操作要简单。3.各项功能要实用，既要满足国家和地方的有关规定也要考虑用户的要求

40、。4.设计、制造尽可能使用通用的有替代产品的元件，器件和设备。5.能使用软件实现的功能，一般不使用硬件来实现，以减小体积，将成本降至最低。6.设计要从整体出发，分步、分层实施，突出系统的整体性能，力求系统整体性能最优化。2.2测控仪器设计的基本要求硬件：仪器所用器件的质量和仪器结构工艺是影响可靠性的重要因素故应合 理选择元器件和采用在极限情况下进行试验的方法。所谓合理选择元器件是 指在设计时对元器件的负载、速度、功耗、工作环境等技术参数应留有一定 的余量并对元器件进行老化和筛选。而极限情况下的试验是指在研制过程 中一台样机要承受低温、高温、冲击、振动、干扰、烟雾等试验以保证 其对环境的适应性。

41、便于操作和维护：在仪器设计过程中，应考虑操作方便，尽量降低对操作人员的专业知识的要求，以便产品的推广应用。仪器的控制开关或按钮不能太多、太复杂，操作程序应简单明了，从而使操作者无需专门训练，便能掌握仪器的使用方法。2.3 课题研究的总体原则1.加强监控系统的实用性，将监控系统的设计制造同现场的实际需要密切结合起来，整体结构大为简化，安装使用十分简便，希望使监控系统真正成为矿井通风管理的得力助手。2.提高产品的技术应用水平和整体质量档次，在结构设计、材料适用、工艺安排等方面都努力使产品在技术上、质量上更上一个新的台阶。3.花大力气提高产品的可靠性，从软件到硬件，从元器件到整机，都尽最大努力提高整

42、体系统的可靠性。第3章 瓦斯报警器的总体设计方案3.1 概述瓦斯浓度监测监控器所要实现的功能包括根据所选的瓦斯传感器来设定瓦斯浓度预警值，采集瓦斯浓度并进行浓度显示及处理。当实际浓度超限时进行声光报警并同时控制排风扇进行排风以降低浓度含量。所以开发设计出一种操作简单的瓦斯监测监控器，对有效的预防和减少瓦斯爆炸具有非常现实的意义3.2 总体设计方案瓦斯气体转换电路转换电路电源显示输出检测系统A/D转换存储看门狗计算3.3 总体分析本设计是以单片机处理部分作为核心的矿井瓦斯浓度实时检测报警系统，其主要的功能是检测气体浓度，当矿井中的瓦斯气体浓度达到一定数值时会及时发出报警信息，防止发生瓦斯爆炸，保

43、证井下工人安全。将监控系统的设计制造同现场的实际需要密切结合起来，希望使监控系统真正成为矿井通风管理的得力助手。第4章 硬件电路设计为适应安全生产的需要，同时满足体积小、耗电少、精度高的要求，硬件电路设计中尽可能选用功耗小，性能稳定的集成电路芯片。4.1 核心器件8031单片机8031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8031，工作电压为2.7V6.OV,具有32条可编程I/O端口，2个16位定时计数器大大简化了电路的设计。引脚图如图4-1：图4-1

44、8031单片机引脚图 部分引脚功能说明：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。RST：8031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，8031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。ALE/：ALE表示允许地址锁存允许信号。当访问外部存储器时，ALE信号负跳

45、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

46、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P3.3 外部中断1输入,低电平有效P3.4 T0 计数器0 外部事件计数输入端P3.5

47、 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P3.7 外部随机存储器的读选通，低电平有效在设计中用到了多片串行通信的芯片，但选用的单片机8031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。4.2 敏感元件4.2.1 热催化元件的结构载体催化元件最里层是用0.02O.O5mm的高性能铂丝绕制的螺旋圈，外面是由三氧化二铝和催化剂组成的催化外壳。铂丝螺旋圈完成加热;三氧化二铝载体有定型、传热和载附催化剂等功能。催化剂由氯化钯外加稳定剂钍(Tu)配制而成，有降低起燃温度、

48、加强选择性、提高稳定性等功能。当载体催化元件遇到甲烷与空气的混合气体时，在催化剂的作用下，甲烷气体在元件表面发生无焰燃烧，产生的热量使铂丝的温度升高。载体催化燃烧式传感器一般被制成一个便于测量的探头，探头可以单独设置，也可以作为一个独立单元装配在仪器内使用。探头内部的主要元件是黑元件(催化元件)和白元件(补偿元件)，两个元件分别配置在电桥电路中，作为一组桥臂，另一组桥臂是两个固定电阻，作为电桥的比率臂。与黑白元件相对应，为使电桥在无甲烷状态下处于平衡状态，应先对电桥进行调零。此外，传感器电源应是经过稳压的稳压源。根据设计要求，本项目采用热催化式工作原理。4.2.2 敏感元件工作原理黑元件载体是

49、催化燃烧式元件，当甲烷气体在元件表面与氧气产生无焰燃烧时，电桥失去平衡，输出一个电压信号。白元件是补偿元件，基本结构和技术参数与黑元件相同，但表面不涂镀催化剂，所以，它不参加低温燃烧。但由于它处于与黑元件相同的工作环境中，所以，对非甲烷浓度变化引起的催化元件阻值变化起补偿作用，以提高仪器零点稳定性和抗干扰能力。使用时一般将黑白元件串联，作为电桥的一臂，用普通电阻构成电桥的另一臂，电桥的两端加上稳定的工作电压U。当含有甲烷的空气在高温和催化剂的作用下，发生无焰燃烧，而在白元件上则不致使甲烷燃烧，从而使黑元件的温度比白元件的温度高，黑元件中的铂丝既是加热元件，又是感应温度的热敏元件，根据铂丝的正温

50、度系数的特性，温度升高时电阻增大，黑元件上的电压降即增大，电桥失去平衡，输出一个电压信号U，该电压值的大小反映了甲烷浓度的高低，检测此电压便可测量出甲烷浓度。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。其中R1为催化燃烧式元件，当

51、烷气体在元件表面与氧气产生无焰燃烧时，电桥失去平衡，在A和B之间输出一个电压信号，该电压值的大小反映了甲烷浓度的高低，检测此电压便可测量出甲烷浓度。它的基本测试电路图如图4-2所示:图4-2 敏感元件的基本测试电路4.3 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。它的内部原理图4-3： 图4-3 INA128内部原理图其特点如下： 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

52、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4-3-1所示： 图4-3-1 INA128应用电路 设置增益：在引脚1和引脚8之间外接一个电阻RG可对增益进行设置 等式中的50K是两个内部反馈电阻A1和A2的和。在信号的输入电路设计中，INA128的增益设为固定值，在这里取G=20,则RG2.632K。电源电压取为3.3V。在有噪声或高阻抗供电电源的应用中，要在器件的引脚附近接去耦电容器。如上图中电源与地之间的去耦电容。4.4 A/D转换电路因

53、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。4.4.1 ADC0809的主要特性ADC0809的主要特性如下：1.分辨率为8位2.最大不可调误差小于±ULSB3.可锁存三态输出，能与8位微处理器接口4.输出与TTL兼容5.不必进行零点和满度调整6.单电源供电，供电电压为+5V7.转换速率取决于芯片的时钟频率，时钟频

54、率范围是：101280KHZ，当时钟频率为500KHZ时，对应的转换时间为125Us。其内部原理图为：4.4.2 ADC0809 芯片的引脚图及引脚功能ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。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A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。引脚图如图4-3所示，部分引脚功能说明如图4-5： 图4-4 ADC0809引脚图 IN0IN7：8路模拟信号输入端D0D7：8位数字量输出端START：启动控制输入端，

55、高电平有效，用于启动ADC0809内部的A/D转换过程ALE：地址锁存控制输入端。ALE端可与START端连接在一起，通过软件输入一个正脉冲，可立即启动A/D转换。EOC：转换结束信号输出端，开始A/D转换时为低电平，转换结束时输出高电平。OE：输出允许控制端，用于打开三态输出锁存器。当OE为高电平时，打开三台数据输出锁存器，将转换后的数据量输送到数据总线上。CLK：时钟信号输入端。ADDA（ADDB、ADDC）：8路模拟选通开关的3位地址选通输入端。VREF+：参考电压正端。VREF-：参考电压负端。4.4.3 ADC0809与8031 单片机的接口设计ADC0809 与8031的硬件接口方

56、式有：查询方式、中断方式和等待延时方式。采用中断方式不浪费CPU的等待时间，但如果A/D转换时间较短，也可采用程序查询方式和等待延时方式。在此采用中断方式，接口电路如图4-4-1： 图4-4-1 ADC0809与8031单片机的接口电路 P2.6与WR相或非，产生启动信号START和地址锁存控制信号ALE；P2.6与RD相或非产生输出允许控制信号OE。OE为高电平时，打开三态数据输出锁存器，将转换后的数据量输送到数据总线上。4.5 看门狗电路 看门狗电路一般有软件看门狗和硬件看门狗两种。软件看门狗不需外接硬件电路，但系统需要出让一个定时器资源，这在许多系统中很难办到，而且若系统软件运行不正常，

57、可能导致看门狗系统也瘫痪。硬件看门狗是真正意义上的“程序运行监视器”，如计数型的看门狗电路通常由555多谐振荡器、计数器以及一些电阻、电容等组成，分立元件组成的系统电路较为复杂，运行不够可靠。可编程看门狗电压监控电路选用Xicor公司的X25045集成芯片，它是集看门狗定时器功能，电压监控功能，快闪E2PROM存储功能为一体的集成芯片，大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，减少了对印制电路板的空间要求，降低了成本和系统功耗，是一种理想的单片机外围芯片。看门狗定时器电路对微控制器提供了独立的保护系统，可编程设置三种周期，当系统出现故障时，在预先设定的周期之后产生复位信号，该周期一旦设定，即使在

58、电源周期变化之后也不改变。电压监控功能可以保护系统使之免受低电压状况的影响，当V0降到最小转换点以下时，系统复位，直到电压升高且稳定为止，E2PROM可存放数据，安全可靠，这种组合不仅降低系统成本，减少电路板空间要求，而且与CPU接口简单，性能稳定。芯片的性能特点:1.可编程的看门狗定时器；2.低VCC检测，直到VCC等于1V时复位信号有效；3.1MHZ的串行时钟频率；4.512×8位串行EEPROM；5.低功耗CMOS设计，工作时电流3mA，备用时10A；6.电源电压为2.7V5.5V；7.片内写保护；8.高可靠性:使用期限:100000周期/字节；数据保存期:100年；ESD保护

59、:所有引脚2000V ;9.RESET高电平有效。 引脚如图4-10，部分引脚说明：片选择输入；SO：SO是一个推/拉串行数据输出引脚，在读周期时间内，数据从这个引脚输出，串行时钟脉冲下降沿时数据输出；图4-5 X25045引脚图SI：是串行数据输入引脚，所有的操作码，字节，地址及数据都通过这个引脚写入存储器，串行时钟脉冲上升沿时，数据被锁存； SCK：串行时钟输入，其上升沿将数据或命令写入，下降沿将数据输出； ：写保护输入。当它低电平时，写操作被禁止； ：复位输出。X25045硬件连接图如图4-5-1 ： 图4-5-1 X25045硬件连接图4.6 报警电路 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5lO