【基于单片机的矿井智能排风系统设计6300字（论文）】

基于单片机的矿井智能排风系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u1绪论 系统设计方案介绍2.1设计目标该系统的主要目标是检测和分析大气中的可燃气体。如果有害气体的浓度超过该设置气体浓度的允许极限，则系统会设置警报[1]。系统具体功能如下。（1）气体传感器在检测有毒气体中的作用；（2）A/D转换模块；（3）液晶显示功能；（4）声光报警模块；（5）继电器排风控制；（6）环境温度检测模块。基于对所需系统功能的分析，系统拟设计如下。系统将由单片机模块、瓦斯检测传感器，，矿井环境温度检测电路，设置电路，声光报警电路，显示模块组成，它们在单个芯片上使用微计算机来控制其周围的可燃气体。首先，气体传感器测量瓦斯气体的浓度，将其转换为其他信号，将气体传感器的输出连接到D/A转换芯片，并将其用作模数输入模数转换器[1]。如果传感器气体浓度的测量值大于或等于预设气体浓度，则将通过模拟数字模块转换信号传送到单片机，并发送到微控制器端口P3，P3.4=0，闪烁，并并行P3.5=0，完成气体检测[1]。图2.1系统设计框图2.2设计方案选择2.2.1单片机的选择STC89C51微处理器具有千个或更多个可擦除的修改参数值的特性，并且具有8位中央处理器，其多次可修改特性对于系统中的开发和程序参数的多次修改是有用的。处理数据信号的能力对于系统设计的要求是足够的。这种宏处理器的最高频率范围很广，处理器的处理速度完全达到了系统的要求。该种单片机的最高频率范围较为宽广，单片机处理速度完全达到系统要求，用于评估项目中气体含量的设备应接受对微电路中使用的微机功能的评估，操作，处理，存储和演示。数据量和管理的复杂性很小。只需一个八位微控制器即可满足项目要求，故选择STC89C51单片机作为本系统设计中的芯片。图2.2.1STC89C51单片机引脚图2.2.2转换芯片的选择ADC0832转换芯片,体积小,兼容性强，当传感器接收信号进行A/D信号转换时,须先将CS端置于低电平状态直至转换结束[2]。根据功能要求创建所需功能设计图。首先,这是最简单的设计方法,可设计每个功能模块的实际作用,从而可以通过选择单片机的I/O端口来实现每个模块的功能。该项目将使用该程序来开发51单片机芯片,设计系统使用单片机作为控制核心,并依靠所添加的传感器来收集信息,通过模数转换电路传输到单片机中。经过处理后控制继电器控制风扇工作。固态继电器的开/关由单片机控制,该单片机在工频和频率转换电路之间切换,系统使用键盘输入来自微控制器的控制数据,发生故障时,信息会显示在相应的显示图上,当达到安全作业标准时,系统重新进入检测。图2.3ADC0832引脚图2.2.3气体及温度传感器的选择矿井瓦斯浓度采用对甲烷、天然气灵敏度高的MQ-4气体传感器，常常具有使用寿命长和可靠的稳定性，是用于确定天然气浓度的半导体型的气敏性元件。检测时将检测信号被发送到转换电路处理，通过单片机处理信号后连接继电器来作为控制风扇的开关。常常因为它响应速度非常快，而且功耗相对与其他气敏元件低得多，对天然气、甲烷有较强的灵敏性，MQ-4在较宽的浓度范围内对于气体中的甲烷有较高的灵敏度，是家庭天然气使用和工业生产制造中可燃气体检测的优选装置。图2.2.3MQ-4引脚图DSl8b20数字温度传感器是直连的温度传感模块，通过温度检测传输到单片机中，从而实现对矿井内部温度环境的检测,并可以随意设定报警温度值，也可以数值大小调整,ds18b20小体积抗干扰的优点，但是也具有一定的温度差异，常预热一会儿再进行检测，当矿井内部温度达到预设温度值时,温度传感器检测到的信号值将通过模数转换电路,并通过接口传输到单片机。然后将其发送到单片机以处理后控制继电器开关,从而通电到风扇进行工作,进而达到正常指标进行生产工作。DS18b20图2.2.4液晶显示模块的选择该显示屏是可以实时显示的LCD1602液晶显示屏模块，是由16字符x2字符的LCD显示模块,其具有14个引脚,其引脚可以连接到单片机上进行工作，LCD模块具有小体积,功耗低、显示内容好,重量轻的优良特性，而且它可以显示两行字幕,每行16个字符,对应于32个数字显像管,并且可以显示比数字显像管更多的数据。使用+5V电源,外围设备的老化方式既简单又便宜。因此,选择LCD1602显示模块具有较高的成本效益。LCD模块的引脚如图2.6所示[1]。图2.2.4显示屏LCD1602

3硬件设计3.1硬件最小系统电路中的电容器C1和C2稳定振荡频率并快速移动。该设计模型使用连接到微控制器的XTAL1和XTAL2引脚的22pF电容器。通常，晶体频率为6MHz。正常值为12MHz。图3.1.1晶振电路微控制器的RST引脚具有用于外部复位信号的输入端口[1]。复位电路包括两种模式：手动复位和启动。下图显示了C51系列微型计算机中常用的单片机的手动控制电路和功率恢复电路。维修后，单片机的组件恢复到原始状态[1]。图3.1.2复位电路3.2电源模块它使用外部电源的形式，并且在外部电源为5V时使用。当S1开关闭合时，LED灯为微控制器供电。图3.2电源模块电路3.3按键设置模块按钮模块：可以将两个按钮添加到警报浓度值，例如加号和减号按钮，这些按钮具有连续的加号和减号功能。将按钮的一端接地，另一端连接到微控制器的引脚P3.2和P3.3。单片机具有封闭存储功能，所设置的参数可以直接存储在单片机中[1]。图3.3按键设置模块电路3.4气体传感器模块MQ-4传感器作为瓦斯浓度的测试感应装置，其测试方式是将预热20秒左右，MQ-4传感器应用于不同气体有着阻值差异，此处我们选用5000ppm作为标准来校准传感器，当测量浓度大于所设定的浓度值时，单片机IO口低电平输出,从而将信号传输至单片机中进行处理,在输出到后面电路部分。图3.4气体传感器模块电路3.5温度检测模块设计DS18b20采用单线数字传输型温度传感器，其在连接单片机时仅用一根线即可达到双向通讯，测试温度范围-55度到+125度之间，引脚GND为接地信号，DQ为输入/输出引脚，其引脚 VDD在工作于寄生电源时必须接地使用，虽不会烧毁元器件，但是不能正常工作。详细工作原理于2.2.3中温度模块已经做介绍。3.6A/D转换电路设计ADC0832属于8位分辨率、且具有两个通道的A/D转换芯片，其体积小、兼容性强的特性，作为系统优选转换模块，当ADC0832作业时其CS端输入高电平，此时ADC0832芯片属于禁用状态，CLK和DO/DI两个端口的电平可任意接入（DI与DO常并联使用）[3]。创建设计图。如果决定先设计每个I/O信号模块，然后再将I/O端口连接单片机，是最简单的设计方法，可让您设计每个功能模块，从而可以通过选择单片机的I/O端口来完全实现单片机的功能。图3.6ADC0832连接电路3.7显示电路模块LCD1602是一个16字符x2字符LCD模块,具有14个引脚,可以连接到外部引脚。LCD模块具有体积小,功耗低,显示内容好,重量轻,薄型的优点。它可以显示两行,每行16个字符[1],对应于32个数字显像管,并且可以显示比数字显像管更多的数据。使用+5V电源,LCD1602液晶显示模块与单片STC89C51芯片可互相连接使用,第3引脚的可调电位器两端一端连接电源另外一端接地。P2.0、P2.1、P2.2分别对应的是RS、R/W、E这三个控制位端口,P0.0到P0.7共计8个端口，RS=0时表示写入指令,RS=1表示写入数据值。R/W是读/写指令,R/W=1为读信号,R/W=0是写信号,E引脚为使能端。如图3.7图3.7lcd1062显示电路3.8报警电路模块微型计算机的P1端口用于控制光信号电路并在各种条件下传输光信号[1]。当浓度超过标准值时，发出蜂鸣声，红灯亮起，最后发出警报。并提供了视觉警报。该图如图3.8所示。如果系统出现故障，控制系统应发出警报。在该项目中，LED指示器用作警告信号，并且根据矿井的状态LED灯显示不同颜色。当矿井中有害气体的浓度、温度过高时，红色LED会亮起。当采矿条件正常时，它变成绿色。图3.8报警模块电路3.9继电器控制模块固态继电器（SSR）是非接触式电子电源开关。当施加触发信号时，主电路通电。如果没有信号，则将其阻止。它使用电子技术在控制回路（输入）和负载电路（输出）之间提供电气隔离和信号传输，而无需移动部件或触点，并且执行与电磁继电器相同的功能。它具有体积小，切换速度快，抗腐蚀，使用寿命长的特别优点。因此，该设计使用STC89c51来控制固态继电器来控制风扇工作。图3.9.1继电器模块电路图3.9.2继电器实物图片使用固态继电器时，请记住以下几点：（1）由于在接通电源时RC电路的充电和放电失败，因此风扇电动机的输出功率高，因此需要大功率固态继电器和大功率固态继电器。没有连接到为继电器供电的RC吸收保护网络。因此，您以使用压敏电阻保护。（2）固态继电器的负载承受能力在很大的程度上取决于工作中环境的温度。温度越高，相反的负载能力就越小。因此，您需要注意散热，让您自由选择。本设计使用STC89c51的P3.6作为控制输出，以控制固态继电器停用，以达到目标。对于单片机，如图3.9.1所示，提供了一个控制电路，以通过固态继电器控制风扇转动。P3.6端口的控制输出和其他端口的输出与连接固态继电器时的输出相同。在单片机的抗干扰功能很小，采用固态继电器可以减少单片机的干扰。3.10总体电路原理图图3.10总电路图4软件设计4.1软件设计流程框图4.1.1软件总设计流程图打开系统电源时，将初始化LCD屏幕，触发气体传感器以检测气体和温度传感器检测温度，A/D转换器对气体进行A/D转换，并将数字信号发送到显示的单体[1]。处理芯片的微处理器和显示器，当实时检测值高于标准值时，会发出声音和视觉警报，继电器将被激活并且燃气阀将关闭。而是继续检测并执行A/D转换[1]。软件开发流程图4.1.1如下：图4.1.1软件总设计流程图4.1.2按键模块流程图首先重置系统，然后设置警报密度并使用加号和减号按钮进行调整。如果在配置过程中未禁用该按钮，则必须再次按下它。当按钮关闭时，子例程调用的开始被延迟，并且抖动消除了10ms的延迟。如果按钮没有关闭，则必须再次按下它。如果按钮关闭，则可以检索键值并完成作业[1]。图4.1.2按键模块流程图4.1.31602显示模块流程图首先，在系统启动并运行后，它初始化设备组件，同时初始化LCD1602[1]，在屏幕上显示欢迎词“HelloWelcom”，然后显示气体浓度值。LCD的第一行显示实时检测的浓度值，并显示为“Gas：ppm”。第二行是报警值，显示为“警报：200ppm”的气体浓度警报值，警报浓度设置为200ppm。当实际值超过设定值时，发生警报。否则，检测和标记将继续。（注：ppm通常用于表示气体或溶液的浓度[1]，即是按每百万立方米200ppm的体积浓度表示的气体表示200m3的气体浓度。）图4.1.3显示模块流程图4.2软件设计思路该程序的模块化结构方便且易于修改,特别是在编写复杂程序时，需要模块化编程。系统软件项目是一个模块化程序，主要由主程序，停止处理子程序，输入/显示子程序，报警子程序，A/D转换子程序，D/A转换子程序等组成[2]。采用结构。根据硬件设计要求，系统程序控制框图如图4.4所示。图4.2程序控制流程图在开发控制系统软件时，该项目考虑了软件和硬件要求，以便可以更好地组合软件和硬件设计。

5仿真与测试5.1软件仿真电路该Proteus中不好用风扇进行仿真模拟电路调试，故选择灯泡作为风扇工作的仿真显示，设定所需要的浓度值与温度值，通过电路中按键模块的加减经行调节，打开仿真开始按钮进行仿真。图5.1智能排风仿真模拟模拟。图5.1电路仿真图当电路进行报警时的仿真电路：图5.1.2报警电路图

5.2实物调试系统设计中，采用stc89c51作为系统单片机芯片，下载完成后安装到模型模块中，测试开始时，通过按键将浓度值与温度值设置分别为200PPM和30℃，检测环境中的温度与瓦斯浓度（打火机天然气代替）。图5.2.1实物测试图1图5.2.2实物测试图2当打火机气体靠近传感器,气体放出后屏幕显示浓度值达到设定预设值时,蜂鸣器响起报警系统工作打开继电气开关,风扇开始工作转动;当温度传感探头感应到温度升高达到报警值时,单片机打开继电气开关,风扇开始工作.本次失误调试中,各个功能均可正常工作,与预设功能目标预期理想一致,可以算是比较成功.6总结在该系统设计项目中，传感器用于检测矿井环境中的温度、瓦斯浓度并且显示警报，及时对环境内作出调节，检测到矿井中所需要检测的信号后，在通过单片机接收信号处理后，通过控制继电器开关打开风扇工作，此外，设计系统可以通过程序更改轻松更改控制功能，实现安全的生产工作环境，本次设计已经达到设计目的，单片机在矿井通风控制系统中的使用将继续增加，我们可以期待在技术创新和新控制系统的开发中充分利用它们的强大优势，在家庭、工业制造生产中充分应用其有点，改善生活质量，促进社会进步。

参考文献[1]徐诗蕾.基于单片机可燃气体监控系统设计[D].大学生论文库,2020[2]马瑞婧.基于单片机的数字电压表设计[D].大学生论文库,2020[3]赵祥康.AT89S52单片