基于51礦用瓦斯檢測(cè)報(bào)警器硬件設(shè)計(jì)

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文題目：基于51礦用瓦斯檢測(cè)報(bào)警器 -硬件設(shè)計(jì)提示：（與“基于51礦用瓦斯檢測(cè)報(bào)警器硬件設(shè)計(jì)”配套，也在百度文庫(kù)里）基于51礦用瓦斯檢測(cè)報(bào)警器硬件設(shè)計(jì)摘要本課題設(shè)計(jì)的是用單片機(jī)控制的甲烷濃度報(bào)警監(jiān)控儀，是采用熱催化原理(俗稱(chēng)黑白元件)探頭制成的甲烷濃度測(cè)量?jī)x，適用于中小型煤礦井、下各作業(yè)場(chǎng)所中測(cè)量空氣中的甲烷濃度。儀器能夠根據(jù)甲烷濃度報(bào)警限(1.00%)進(jìn)行聲、光報(bào)警，并啟動(dòng)排風(fēng)設(shè)備，同時(shí)具有通信功能。儀器由CPU、敏感元件、看門(mén)狗監(jiān)控電路、小信號(hào)放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、通信電路、顯示電路、報(bào)警電路等組成。其中CPU是監(jiān)控儀的核心，完成數(shù)據(jù)采集、處理、輸出、顯示等功能；敏感元件

2、是準(zhǔn)確檢測(cè)甲烷氣體含量的主要元件之一，其輸出是與甲烷濃度相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)；小信號(hào)放大電路則是用來(lái)放大敏感元件輸出的電壓信號(hào)；A/D轉(zhuǎn)換電路把放大了的電壓信號(hào)由模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)送入CPU；顯示電路則顯示實(shí)時(shí)甲烷濃度；報(bào)警電路對(duì)超限甲烷濃度進(jìn)行報(bào)警。該儀器的特點(diǎn)是測(cè)量范圍寬，精度高；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低；可靠性和穩(wěn)定性好，是一種電路設(shè)計(jì)新穎、參數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確、操作方便的礦用甲烷濃度監(jiān)控儀。關(guān)鍵詞：CPU；A/D轉(zhuǎn)換電路；敏感元件；報(bào)警Based On 51 Mine Gas Detection AlarmHardware DesignAbstractThis topic is designed MCU

3、 control the concentration of methane alarm monitoring device, is a hot catalytic principle (commonly known as Black-and-White Components) probe into the methane concentration measuring instrument, applicable to small and medium-sized coal mines well, the next in the workplace measuring the concentr

4、ation of methane in the air. According to the concentration of methane equipment to alarm limit (1.00 percent), sound, light alarm, and start ventilation equipment, communications function at the same time. Equipment from the CPU, sensitive components, the watchdog monitoring circuit, small-signal a

5、mplifier, A/D converter circuit, communication circuits, display circuit, alarm circuits and other components. Monitor CPU which is the core of the completion of data collection, processing, export, display, and other functions; sensitive components are accurate detection of methane gas in one of th

6、e main components, and its output is the concentration of methane corresponding to the voltage signal; small signal Larger circuit is used to enlarge the sensor output voltage signal; A/D converter circuit to enlarge a voltage signal from analog signals into digital signals into the CPU; show circui

7、t showed real-time methane concentration; alarm circuits to gauge methane concentration alarm. The instrument is to measure the characteristics of a wide range and high precision; structure is simple, low cost, reliability and stability, is a new circuit design, measurement accurate, easy to operate

8、 the mine methane concentration monitoring instrument.Keywords: CPU;A/D converter circuit; Sensitive components; Alarm目錄摘要（I）Abstract（II）1 緒論（1）1.1本課題的研究背景及意義（1）1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況及研究方向（1）1.3礦用瓦斯檢測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)的構(gòu)思及主要任務(wù)（2）1.4 本文論的結(jié)構(gòu)安排（2）2 用瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)及實(shí)現(xiàn)功能（3）2.1 煤礦氣體檢測(cè)技術(shù)系統(tǒng)概述（3）2.2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求（3）2.2.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則（3）2.2.2 技術(shù)指標(biāo)

9、要求（4）2.2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能（5）3 甲烷檢測(cè)設(shè)備的工作原理分析（6）3.1甲烷濃度檢測(cè)儀的分類(lèi)（6）3.2 熱催化元件的結(jié)構(gòu)及工作原理（7）3.2.1熱催化元件的結(jié)構(gòu)（7）3.2.2敏感元件工作原理（10）3.3 整機(jī)的工作原理（11）4 礦用瓦斯檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)（12）4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理框圖（12）4.2微控制器CPU的選擇（13）4.3遙控鍵盤(pán)部分設(shè)計(jì)（16）4.3.1紅外遙控的發(fā)射電路（16）4.3.2紅外遙控的接受電路（20）4.4 A/D轉(zhuǎn)換檢測(cè)電路（23）4.4.1 A/D轉(zhuǎn)換器介紹（23）4.4.2 多路開(kāi)關(guān)4051（24）4.5顯示部分電路（25）4.6聲光

10、報(bào)警電路（26）4.7看門(mén)狗監(jiān)控電路（27）4.8系統(tǒng)電源電路（29）5 原理圖的繪制和PCB板的完成（31）5.1 Protel 99 se 介紹及電路板的繪制（31）5.2系統(tǒng)布局（31）5.3系統(tǒng)布線(xiàn)（32）5.4去耦合電容配置（32）6 硬件聯(lián)合調(diào)試（34）6.1調(diào)試結(jié)構(gòu)圖（34）6.2 本設(shè)計(jì)試驗(yàn)條件（34）6.3 硬件調(diào)試（35）6.3.1 電源電路模塊的檢測(cè)與調(diào)試（35）6.3.2 甲烷檢測(cè)儀CPU的調(diào)試（35）6.3.4 A/D轉(zhuǎn)換、顯示電路的調(diào)試（35）6.3.5 聲光報(bào)警電路的檢測(cè)與調(diào)試（35）7 結(jié)論（36）致謝（37）參考文獻(xiàn)（38）1 緒論1.1本課題的研究背景及意義

11、從我國(guó)煤炭生產(chǎn)的現(xiàn)狀及我國(guó)能源結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略規(guī)劃均可看出，在本世紀(jì)中葉以前，煤炭仍將是支持我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要能源。煤炭生產(chǎn)作為我國(guó)能源工業(yè)的支柱，其地位將是長(zhǎng)期的，穩(wěn)定的。但是，目前煤炭工業(yè)的安全生產(chǎn)狀況卻很差，其中之一便是有害氣體的危害性，包括CH4，CO，SO2等。瓦斯(CH4)是煤礦井下危害最大的氣體，它是在成煤過(guò)程中形成并大量貯存于煤層之中的氣體，無(wú)色、無(wú)味，有易燃、易爆等特點(diǎn)。瓦斯的危害主要表現(xiàn)為三個(gè)方面：第一、瓦斯?jié)舛冗^(guò)高，對(duì)工人身體健康造成傷害，表現(xiàn)為缺氧，呼吸困難，窒息等；第二、瓦斯煤塵爆炸，瓦斯爆炸所產(chǎn)生的巨大沖擊波和高溫火焰，往往導(dǎo)致群死群傷，而且揚(yáng)起的煤塵又會(huì)參與爆炸，摧毀

12、巷道，毀壞設(shè)備，甚至毀滅整個(gè)礦井，給國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。第三、大量的瓦斯排入大氣，污染大氣環(huán)境。目前我國(guó)已經(jīng)使用的瓦斯報(bào)警礦燈具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，但存在的問(wèn)題是傳感器漂移大，要定期維護(hù)，并且需要維護(hù)的周期很短；維護(hù)方法復(fù)雜，成本較高，抗機(jī)械干擾能力較差。為了解決這些問(wèn)題，本課題在分析模擬式瓦斯報(bào)警器特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，充分利用51單片機(jī)的強(qiáng)大功能，對(duì)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)處理，對(duì)瓦斯傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)自校零、非線(xiàn)性補(bǔ)償，對(duì)提高瓦斯檢測(cè)的可靠性和系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比具有十分重要的意義。1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況及研究方向伴隨氣體傳感器的發(fā)展，氣體監(jiān)測(cè)儀器不斷更新。其類(lèi)型根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象可分

13、為可燃性氣體監(jiān)測(cè)儀，毒性氣體監(jiān)測(cè)儀和氧氣監(jiān)測(cè)儀等；從儀器結(jié)構(gòu)和方法上分為袖珍式，便攜式和固定式。袖珍式儀器的采樣方法為擴(kuò)散式，用于在危險(xiǎn)環(huán)境中的工作人員隨身攜帶；便攜式儀器采樣方法為泵吸式，用于監(jiān)測(cè)人員定期安檢；固定式儀器用于煤礦井下固定地點(diǎn)氣體監(jiān)測(cè)。世界各國(guó)均有煤礦瓦斯氣體監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，如波蘭的DAN6400、法國(guó)的TF200、德國(guó)的MINOS和英國(guó)的Senturion-200等，其中全礦井綜合監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)有代表性的產(chǎn)品有美國(guó)公司生產(chǎn)的MSN系統(tǒng)，德國(guó)BEBRO公司的PROMOS系統(tǒng)。但是這兩種系統(tǒng)只是基于井下監(jiān)測(cè)，并無(wú)數(shù)據(jù)上傳，不能實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)控。國(guó)外的監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)雖然高于國(guó)內(nèi)發(fā)展水平，但應(yīng)

14、用于國(guó)內(nèi)煤礦尚有一定的局限性，如煤礦管理模式生產(chǎn)方式的不同，價(jià)格過(guò)高等。因此，除在傳感器技術(shù)方面可供借鑒外，其它僅具一定的參考價(jià)值。我國(guó)監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用較晚，80年代初，從波蘭、法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)和美國(guó)等引進(jìn)了一批安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，裝備了部分煤礦在引進(jìn)的同時(shí)，通過(guò)消化、吸收并結(jié)合我國(guó)煤礦的實(shí)際情況，先后由重慶煤科院、遼寧撫順煤科院等國(guó)內(nèi)知名煤礦科學(xué)研究所研制出KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92、KJ95、KJ101等煤礦有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在我國(guó)煤礦己有大量使用，但其中很大一部分儀表的傳輸數(shù)據(jù)是模擬方式，將氣體濃度轉(zhuǎn)化為脈沖量，易受礦

15、井下強(qiáng)電磁設(shè)備干擾，造成監(jiān)測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確，易出現(xiàn)誤報(bào)警等現(xiàn)象。1.3礦用瓦斯檢測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)的構(gòu)思及主要任務(wù)目前的甲烷檢測(cè)儀，除了在檢測(cè)方法上的選擇有不同之外，在甲烷檢測(cè)儀的硬件選擇上也各不相同。而本次設(shè)計(jì)主要任務(wù)就是甲烷檢測(cè)儀的硬件電路的設(shè)計(jì)，這里甲烷檢測(cè)儀的硬件部分采用AT89C52單片機(jī)控制。經(jīng)過(guò)對(duì)比和綜合考慮，遙控鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)采用HS0038芯片，通過(guò)紅外遙控對(duì)信號(hào)進(jìn)行發(fā)射和接收，在這之前要對(duì)電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換。具體設(shè)計(jì)是將220V交流經(jīng)過(guò)整流后轉(zhuǎn)換為12V的直流，再經(jīng)過(guò)34063芯片將12V的直流電壓轉(zhuǎn)換為所須的5V直流電源。經(jīng)過(guò)黑白元件以及橋式電路后，甲烷濃度被采集成電壓信號(hào)U，要顯示出當(dāng)前的

16、甲烷濃度，需要經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，在以前的學(xué)習(xí)中重點(diǎn)接觸的是AD574等逐次比較式的轉(zhuǎn)換方式，但是經(jīng)過(guò)各種性能的比較，尤其是抗干擾性能的比較，本課題設(shè)計(jì)采用了雙斜積分式，為方便設(shè)計(jì)和直面的檢測(cè)到甲烷的濃度，選用四個(gè)LED作為顯示器。經(jīng)過(guò)構(gòu)思目前的主要任務(wù)是根據(jù)要求選擇相應(yīng)的元器件、設(shè)計(jì)電路圖、安裝、調(diào)試，設(shè)計(jì)出符合要求的甲烷檢測(cè)議硬件電路，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。1.4 本文論的結(jié)構(gòu)安排第一章是文章概述。介紹了該課題研究的內(nèi)容及意義，國(guó)內(nèi)外研究概況與動(dòng)向，同時(shí)給出整個(gè)設(shè)計(jì)的構(gòu)思及本論文的結(jié)構(gòu)安排。第二章是本課題設(shè)計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的各種技術(shù)指標(biāo)以及系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能。第三章是甲烷檢測(cè)設(shè)備的工作原理。對(duì)甲烷濃度監(jiān)控

17、儀作了原理分析，同時(shí)介紹了熱敏感元件的結(jié)構(gòu)和工作原理以及整機(jī)工作原理。第四章是硬件設(shè)計(jì)。對(duì)組成系統(tǒng)的CPU、電源電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、看門(mén)狗監(jiān)控電路等各個(gè)模塊都作了詳細(xì)介紹。第五章介紹原理圖的繪制以及PCB板的布局和布線(xiàn)。第六章是軟硬件的聯(lián)合調(diào)試。第七章是結(jié)束語(yǔ)。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)作了一個(gè)概括性的總結(jié)，既介紹了儀器的優(yōu)點(diǎn)又指出了其不足之處。致謝中對(duì)參與了課題的研究和給予幫助的老師和同學(xué)作了感謝。最后是文章的參考文獻(xiàn)。2 礦用瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)及實(shí)現(xiàn)功能2.1 煤礦氣體檢測(cè)技術(shù)系統(tǒng)概述煤礦氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是能夠監(jiān)測(cè)礦井環(huán)境中瓦斯氣體的濃度，具有報(bào)警功能能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至地面監(jiān)控室PC的系統(tǒng)。本課題中完整的

18、煤礦氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由以下四部分組成：（1）氣體傳感器：能感知環(huán)境中甲烷氣體及其濃度的一種敏感元件，它能將與氣體種類(lèi)和濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；（2）顯示單元：根據(jù)測(cè)量信號(hào)，由單片機(jī)將待顯示數(shù)據(jù)按相應(yīng)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸給顯示處理模塊顯示于儀表；（3）聲光報(bào)警單元：當(dāng)監(jiān)測(cè)氣體濃度超出設(shè)定報(bào)警值時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警；（4）數(shù)據(jù)采集分析軟件：運(yùn)用C語(yǔ)言編寫(xiě)串口通訊軟件，實(shí)現(xiàn)氣體數(shù)據(jù)的采集、分析及保存煤礦氣體檢測(cè)系統(tǒng)其他的技術(shù)參數(shù)還有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)性能、傳輸數(shù)據(jù)性能、使用壽命與可靠性等1。2.2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求2.2.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則在總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，首先重點(diǎn)突出系統(tǒng)整體性能，價(jià)格最優(yōu)的原則，本著先進(jìn)、簡(jiǎn)明、實(shí)

19、用的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想，從傳感器的信號(hào)采集、處理傳輸，到系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，在整體最優(yōu)原則的指導(dǎo)下，發(fā)揮各自的設(shè)計(jì)靈活性。其次，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)上，著重考慮系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，監(jiān)測(cè)的快速和準(zhǔn)確，安裝、維護(hù)的方便和經(jīng)濟(jì)性，操作使用的簡(jiǎn)便，少維護(hù)，免培訓(xùn)等?？傮w設(shè)計(jì)的原則有2：1.先進(jìn)性盡可能使用先進(jìn)、成熟的技術(shù)，有明確理論支持的技術(shù)，對(duì)不確切，但非用不可的技術(shù)要通過(guò)必要的試驗(yàn)和論證。2.實(shí)用性密切結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作的要求，盡量減少對(duì)操作使用人員的專(zhuān)業(yè)技術(shù)水平的依賴(lài)。3.準(zhǔn)確性通過(guò)優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和應(yīng)用誤差理論分析，盡可能減小測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度。4.可靠性從設(shè)計(jì)階段著手保證產(chǎn)品的可靠性，將可靠性貫穿于設(shè)計(jì)、

20、工藝、加工等各個(gè)環(huán)節(jié)。5.標(biāo)準(zhǔn)化嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家和煤炭部以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。6.經(jīng)濟(jì)性在保證儀器功能的前提下，盡可能降低成本，以軟代硬，化繁為簡(jiǎn)。7.通用性在完成自身系統(tǒng)配套的基礎(chǔ)上，盡可能使產(chǎn)品具有良好的通用性，使之能與其它產(chǎn)品配套，易于擴(kuò)充新的用途。8.可操作性設(shè)計(jì)要從整體出發(fā)，分步、分層實(shí)施，方案要實(shí)際設(shè)計(jì)，制造中盡量采用通用的、有替代產(chǎn)品的元器件及附件。9.廣泛性廣泛調(diào)查研究，認(rèn)真分析其優(yōu)缺點(diǎn)，充分借鑒其它儀器的優(yōu)點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，博采眾長(zhǎng)。2.2.2 技術(shù)指標(biāo)要求（1）工作環(huán)境條件溫度：040相對(duì)濕度：98%大氣壓力：86116kps風(fēng)速：08m/s（2） 測(cè)量范圍及誤差：表 2.1測(cè)量范圍(%C

21、H4)基本誤差(%CH4)0.001.000.101.003.00真值的10%3.004.000.30（3）分辨率：0.01%CH4（4）顯示方式：四位LED（5）測(cè)量范圍：04.00% CH4（6）響應(yīng)時(shí)間：20s（7）報(bào)警點(diǎn)：可調(diào)，設(shè)定在1.00%CH4（8）斷電點(diǎn)：可調(diào)，設(shè)定在1.50%CH4（9）復(fù)電點(diǎn)：可調(diào)，設(shè)定在1.00%CH4（10）報(bào)警方式：聲光報(bào)警，其中：響度：80dB光可見(jiàn)度：20m （11）工作方式：擴(kuò)散式（12）防爆型式：礦用本安兼隔爆型（13）輸出信號(hào)制式：頻率型2001000Hz斷電信號(hào)輸出：光電耦合器輸出（14）技術(shù)參數(shù)工作電源：924VDCUi：18.5VDCI

22、i：100mACi：0.1F Li：1.0mH（15）外形尺寸：155mm106mm48mm（16）重量：1.5Kg2.2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能儀器上電開(kāi)機(jī)后，儀器內(nèi)部進(jìn)行自檢。自檢結(jié)果正常后，進(jìn)入工作狀態(tài)。探頭通電10s內(nèi)，顯示為0.00并閃爍，10s以后顯示甲烷濃度且不閃爍3。當(dāng)儀器自檢結(jié)果不正常時(shí)，不進(jìn)入工作狀態(tài)，儀器顯示不變。此時(shí)表明儀器有故障，應(yīng)該維修。儀器進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，可通過(guò)遙控器對(duì)儀器進(jìn)行校正或設(shè)定報(bào)警點(diǎn)、斷電點(diǎn)、復(fù)電點(diǎn)。對(duì)儀器進(jìn)行校正應(yīng)該在儀器通電預(yù)熱15分鐘后進(jìn)行。當(dāng)甲烷濃度達(dá)到4.00%以上時(shí)，為了保護(hù)黑白元件，電橋間斷工作，顯示器閃爍，顯示的值只能作為參考。保護(hù)狀態(tài)下

23、電橋每3分鐘工作15秒。當(dāng)甲烷濃度低于4.00%時(shí)，電橋恢復(fù)正常工作。如果黑白元件的一臂發(fā)生開(kāi)路或短路故障，儀器顯示“-”。3 甲烷檢測(cè)設(shè)備的工作原理分析3.1甲烷濃度檢測(cè)儀的分類(lèi)1.光干涉式光干涉式是利用光波對(duì)空氣和甲烷折射率不同所產(chǎn)生的光程差，引起干涉條紋移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同甲烷濃度的測(cè)定。其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高，堅(jiān)固耐用，校正容易，高低濃度均可測(cè)量，還可測(cè)量二氧化碳濃度；其缺點(diǎn)是濃度指示不直觀，受氣壓溫度影響嚴(yán)重；光學(xué)零件加工復(fù)雜，成本較高和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)較困難4。2.熱催化式熱催化式是利用甲烷在催化元件上的氧化生熱引起其電阻的變化來(lái)測(cè)定甲烷濃度。其優(yōu)點(diǎn)是元件和儀器的生產(chǎn)成本低，輸出信號(hào)大，對(duì)于1%

24、氣樣，電橋輸出可達(dá)15mV以上，處理和顯示都比較方便，所以?xún)x器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受背景氣體和溫度變化的影響小，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。其缺點(diǎn)是探測(cè)元件的壽命較短，不能測(cè)高濃度甲烷，硫化氫及硅蒸氣會(huì)引起元件中毒而失效。目前國(guó)內(nèi)外檢測(cè)甲烷的儀器廣泛采用這一原理4。3.熱導(dǎo)式熱導(dǎo)式是利用甲烷與空氣熱導(dǎo)率之差來(lái)實(shí)現(xiàn)甲烷濃度的測(cè)定。其優(yōu)點(diǎn)是熱導(dǎo)元件和儀器設(shè)計(jì)制作比較簡(jiǎn)單，成本低、量程大，可連續(xù)檢測(cè)，有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)遙測(cè)，被測(cè)氣體不發(fā)生物理化學(xué)變化，讀數(shù)穩(wěn)定，元件壽命長(zhǎng)。其缺點(diǎn)是測(cè)量低濃度甲烷時(shí)輸出信號(hào)小，受氣溫及背景氣體的影響較大5。4.紅外線(xiàn)式紅外線(xiàn)式是利用甲烷分子能吸收特定波長(zhǎng)的紅外線(xiàn)來(lái)測(cè)定甲烷濃度。其優(yōu)點(diǎn)是采用

25、這一原理的儀器精度高，選擇性好，不受其它氣體影響，測(cè)量范圍寬，可連續(xù)檢測(cè)；其缺點(diǎn)是由于有光電轉(zhuǎn)換精密結(jié)構(gòu)，使制造和保養(yǎng)產(chǎn)生困難，而且體積大，成本高，耗電多，因此推廣使用受到一定限制7。5.氣敏半導(dǎo)體式氣敏半導(dǎo)體的種類(lèi)較多，如氧化錫、氧化鋅等燒結(jié)型金屬氧化物。這一原理是利用氣敏半導(dǎo)體被加熱到200時(shí)，其表面能夠吸附甲烷而改變其電阻值來(lái)檢測(cè)甲烷濃度。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)微量甲烷比較敏感，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。但當(dāng)濃度大于1%CH4時(shí)，其反應(yīng)遲鈍，選擇性和線(xiàn)性均較差，所以很少用于煤礦井下甲烷濃度的檢測(cè)，而多用于可燃?xì)怏w的檢漏報(bào)警。6.聲速差式在溫度為22、氣壓為Pa條件下，聲波在甲烷中的傳播速度為432m/s，而

26、在清潔空氣中為3m/s。比較這兩種速度就可測(cè)定高濃度甲烷。其優(yōu)點(diǎn)是讀數(shù)不受氣壓影響，對(duì)背景氣體、粉塵及氣溫變化很敏感，其缺點(diǎn)是不適合測(cè)量低濃度甲烷，一般只用來(lái)檢測(cè)礦井抽放甲烷管道中的甲烷濃度。根據(jù)設(shè)計(jì)要求及各類(lèi)檢測(cè)儀的優(yōu)缺點(diǎn)，本課題設(shè)計(jì)采用熱催化式工作原理。3.2 熱催化元件的結(jié)構(gòu)及工作原理3.2.1熱催化元件的結(jié)構(gòu)載體催化燃燒式傳感器一般被制成一個(gè)便于測(cè)量的探頭，探頭可以單獨(dú)設(shè)置，也可以作為一個(gè)獨(dú)立單元裝配在儀器內(nèi)使用7。探頭內(nèi)部的主要元件是黑元件(催化元件)和白元件(補(bǔ)償元件)，兩個(gè)元件分別配置在電橋電路中，作為一組橋臂，另一組橋臂是兩個(gè)固定電阻，作為電橋的比率臂。與黑白元件相對(duì)應(yīng)，為使電

27、橋在無(wú)甲烷狀態(tài)下處于平衡狀態(tài)，橋路內(nèi)裝有調(diào)零電位器W。此外，傳感器電源應(yīng)是經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓的穩(wěn)壓源。這種敏感元件的外觀圖見(jiàn)圖3.1，其具有抗氣體干擾能力強(qiáng)、選擇性好、反應(yīng)速度快、靈敏度高、線(xiàn)性和穩(wěn)定性好、功耗低、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。適用于煤礦井下作業(yè)環(huán)境測(cè)量空氣中的甲烷氣體濃度。 圖 3.1熱催化元件外觀圖1.元件使用環(huán)境條件溫度：-20+70濕度：95%RH風(fēng)速：2mV4.傳感器對(duì)多種可燃?xì)怏w的敏感特性圖3.2表示CH4氣體敏感元件對(duì)各種氣體的反應(yīng)關(guān)系，從圖上我們可以看出敏感元件輸出電壓與對(duì)各種氣體濃度之間具有較好的線(xiàn)性關(guān)系。圖 3.2傳感器對(duì)各種氣體的反應(yīng)關(guān)系5.溫濕度的影響1)恒定濕熱試驗(yàn)：40，95

28、%RH，96小時(shí)(見(jiàn)圖3.3)。Y軸表示Vo的輸出電壓值。圖 3.3 恒定濕熱實(shí)驗(yàn)圖2)低溫試驗(yàn)見(jiàn)表3.1（氣敏元件在040的環(huán)境下維持4小時(shí)的數(shù)據(jù)）表 3.1 低溫試驗(yàn)記錄 代表傳感器輸出出現(xiàn)振幅在02.5V之問(wèn)的振蕩波型，見(jiàn)圖3.4圖 3.4 傳感器震蕩波形6.高濃度甲烷試驗(yàn)將O一7#傳感器置于10%的甲烷環(huán)境中2小時(shí)，放氣前后的數(shù)據(jù)狀態(tài)。表 3.2 高濃度甲烷試驗(yàn)放氣前后的數(shù)據(jù)7.穩(wěn)定性 l)初始穩(wěn)定性a.在空氣中的初始穩(wěn)定性貯存一周到一年的元件初始零點(diǎn)輸出可能不為零，只需在工作點(diǎn)電壓穩(wěn)定十分鐘后輸出零點(diǎn)將歸零b.在氣體中的穩(wěn)定性貯存一周到一年的元件剛開(kāi)始下作時(shí)靈敏度可能達(dá)不到最佳點(diǎn)，只

29、需在工作點(diǎn)電壓穩(wěn)定二十分鐘后輸出靈敏度將復(fù)原2)長(zhǎng)期穩(wěn)定性圖 3.5 長(zhǎng)期穩(wěn)定性3.2.2敏感元件工作原理黑元件載體催化燃燒式元件，當(dāng)甲烷氣體在元件表面與氧氣產(chǎn)生無(wú)焰燃燒時(shí)，電橋失去平衡，輸出一個(gè)電壓信號(hào)。白元件是補(bǔ)償元件，基本結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)與黑元件相同，但表面不涂鍍催化劑，不參加低溫燃燒。但由于白元件處于與黑元件相同的工作環(huán)境中，所以，對(duì)非甲烷濃度變化引起的催化元件阻值變化起補(bǔ)償作用，以提高儀器零點(diǎn)穩(wěn)定性和抗干擾能力8。黑白元件的工作原理：使用時(shí)一般將黑白元件串聯(lián)，作為電橋的一臂，用普通電阻構(gòu)成電橋的另一臂，電橋的兩端加上穩(wěn)定的工作電壓U。當(dāng)含有甲烷的空氣在高溫和催化劑的作用下，發(fā)生無(wú)焰燃燒

30、，而在白元件上則不致使甲烷燃燒，從而使黑元件的溫度比白元件的溫度高，黑元件中的鉑絲既是加熱元件，又是感應(yīng)溫度的熱敏元件，根據(jù)鉑絲的正溫度系數(shù)的特性，溫度升高時(shí)電阻增大，黑元件上的電壓降即增大，電橋失去平衡，輸出一個(gè)電壓信號(hào)U，該電壓值的大小反映了甲烷濃度的高低，檢測(cè)此電壓便可測(cè)量出甲烷濃度8。圖 3.6黑白元件的基本測(cè)試電路根據(jù)黑白元件的工作原理，設(shè)計(jì)電路如下圖3.7。圖 3.7黑白原件的工作原理圖3.3 整機(jī)的工作原理儀器由電源電路、甲烷氣體敏感元件及電橋電路、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示電路及報(bào)警/斷電電路、看門(mén)狗電路、多路開(kāi)關(guān)電路等組成。儀器將關(guān)聯(lián)設(shè)備送來(lái)的電源穩(wěn)壓為5V電壓，供給整機(jī)

31、電路使用。甲烷氣體敏感元件是采用熱催化原理探頭，電橋供電電壓為3V。黑白元件的工作原理是：黑白元件由測(cè)量元件和補(bǔ)償元件構(gòu)成，測(cè)量元件的表面有黑色的催化劑。工作時(shí)黑白元件有工作電流通過(guò)而發(fā)熱，空氣中的甲烷在高溫的測(cè)量元件的催化劑作用下，發(fā)生無(wú)焰燃燒。甲烷濃度越高，測(cè)量元件的溫度越高，而補(bǔ)償元件的溫度不變。測(cè)量電橋輸出與甲烷濃度成比例的信號(hào)電壓。電橋信號(hào)電壓經(jīng)過(guò)放大和A/D轉(zhuǎn)換后，變成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)處理后，由顯示電路顯示甲烷濃度值，并經(jīng)信號(hào)輸出電路輸出相應(yīng)的頻率信號(hào)。報(bào)警/斷電電路由蜂鳴器，發(fā)光二極管和驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。當(dāng)甲烷濃度超過(guò)設(shè)定的報(bào)警點(diǎn)時(shí)，儀器會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。當(dāng)甲烷濃度超過(guò)設(shè)定的斷電

32、點(diǎn)時(shí)，儀器會(huì)有斷電指令輸出；甲烷濃度超過(guò)斷電點(diǎn)以后，只有當(dāng)甲烷濃度降低到設(shè)定的復(fù)電點(diǎn)以下時(shí)，儀器才會(huì)解除斷電指令輸出9。4 礦用瓦斯檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理框圖本次設(shè)計(jì)的甲烷檢測(cè)報(bào)警器的工作程序：電源電路（34063）為系統(tǒng)供電5V，在氣體敏感元件黑白元件的作用下將接觸在黑白元件上的甲烷氣體轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)U，小信號(hào)U經(jīng)過(guò)放大電路將信號(hào)放大，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換、CPU的計(jì)算將輸入的U轉(zhuǎn)換成數(shù)字在LED上顯示，當(dāng)甲烷濃度超過(guò)預(yù)設(shè)的安全點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，此一系列信息通過(guò)頻率方式傳到上位機(jī)系統(tǒng)9。圖 4.1瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理框圖本課題設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)思路如下：圖 4.2硬件

33、設(shè)計(jì)思路4.2微控制器CPU的選擇89系列同 8051 系列相比具有以下特點(diǎn)：4KB可編程序 FLASH 存儲(chǔ)器（可經(jīng)受1000次的寫(xiě)入/擦除周期）；全靜態(tài)工作：024MHz；三級(jí)程序存儲(chǔ)器保密。另外，AT89C51是用靜態(tài)邏輯來(lái)設(shè)計(jì)的，其工作頻率可下降到 0Hz，并提供兩種可用軟件來(lái)控制的省電方式：空閑方式和掉電方式。它是通過(guò)控制專(zhuān)用寄存器 PCON （電源控制寄存器）中的 PD(PCON.1 )和 IDL( PCON.0) 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。PD 是掉電方式位，當(dāng) PD = 1 時(shí)激活掉電工作方式，IDL 是空閑工作位，當(dāng) IDL = 1 時(shí)激活空閑方式，當(dāng) PD 和IDL 同時(shí)為 1 時(shí)，則先激

34、活掉電方式。本課題設(shè)計(jì)采用CPU為AT89C52。AT89C52是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8K bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256Bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，器件采用ATMEL公司高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置用8位中央處理處理器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大AT89C52單片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合9。主要性能參數(shù)：與MCS-51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容8 字節(jié)可重擦寫(xiě)Flash閃速存儲(chǔ)器1000次擦寫(xiě)周期全靜態(tài)操作：0Hz24MHz三級(jí)加密程

35、序存儲(chǔ)器2568字節(jié)內(nèi)部RAM32個(gè)可編程I/O口線(xiàn)3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器8個(gè)中斷源可編程串行UART通道低功耗空閑和掉電模式AT89C52的管腳圖如圖4.3： 圖 4.3 AT89C52管腳圖功能特性：P0口：P0口是一組8位漏極開(kāi)路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線(xiàn)復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門(mén)電路，對(duì)端口P0寫(xiě)“1”時(shí)，可作為高阻抗輸入端用。在訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線(xiàn)分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線(xiàn)復(fù)用，在訪(fǎng)問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時(shí)，P0口接受指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。P1口：P

36、1口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)端口寫(xiě)“1”通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作為輸入口。作為輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流I。與AT89C51不同的是，P1.0和P1.1還可分別作為定時(shí)/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和輸入（P1.1/T2EX）。Flash編程和程序校驗(yàn)期間，P1接受低8位地址。P2口：P2口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)端口P2寫(xiě)“1”通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電

37、平，此時(shí)可作為輸入口。因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流I。在訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX DPTR指令）時(shí)。P2口送出8位地址數(shù)據(jù)，在訪(fǎng)問(wèn)8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。P3口：P3口是具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3口的輸出緩沖可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)端口P3口寫(xiě)“1”時(shí)，它們被內(nèi)部的上拉電阻拉高并可作為輸入端。此時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流I。P3口除了作為一般的I/O口線(xiàn)外，更重要的是它的第二功能，如表4.1所示：表 4.1 P3口管腳功能此外，P3口還接

38、受一些用于Flash閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/：當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)，一般情況下，ALE仍以時(shí)鐘震蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖喜好，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是，每當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)要跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。對(duì)Flash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（）。如有必要，可通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。讀位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將AL

39、E激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無(wú)效。：程序存儲(chǔ)允許（）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89C52 由外部程序存儲(chǔ)器指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過(guò)兩次信號(hào)。 /VPP：外部訪(fǎng)問(wèn)允許。欲使CPU僅訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H-FFFFH），端必須保持低電平。如果EA端為高電平，CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。Flash存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上12V的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。XTAL1：振蕩器反相放大器的內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。XT

40、AL2：振蕩器反相放大器的輸出端。特殊功能寄存器：在AT89C52片內(nèi)存儲(chǔ)器中，80H-FFH共128個(gè)字節(jié)為特殊功能寄存器（SFE）。并非所有的地址都被定義，從80H-FFH共128個(gè)字節(jié)只有一部分被定義，還有相當(dāng)一部分沒(méi)有定義，對(duì)沒(méi)有定義的單元讀寫(xiě)將是無(wú)效的，讀出的數(shù)值將不確定，而寫(xiě)入的數(shù)據(jù)也將丟失。不應(yīng)將數(shù)據(jù)“1”寫(xiě)入為定義的單元，由于這些單元在將來(lái)的產(chǎn)品中可能賦予新的功能，在這種情況下，復(fù)位后這些單元值總是“0”。AT89C52除了與AT89C51所有的定時(shí)/計(jì)數(shù)器0和定時(shí)/計(jì)數(shù)器1外，還增加了一個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器2。 定時(shí)/計(jì)數(shù)器2的控制狀態(tài)位位于T2CON、T2MOD,寄存器對(duì)（RCA

41、02H、RCAP2L）是定時(shí)器2在16位捕獲方式或16位自動(dòng)重裝載方式下的捕獲/自動(dòng)重裝載寄存器。4.3遙控鍵盤(pán)部分設(shè)計(jì)鍵盤(pán)是由若干按鍵組成的最簡(jiǎn)單輸入設(shè)備，操作人員可以通過(guò)鍵盤(pán)輸入數(shù)據(jù)或命令，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)通信。由于鍵盤(pán)是一組按鈕開(kāi)關(guān)的集合，在智能儀表中，常采用軟件來(lái)識(shí)別按鍵，所以，在鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)中應(yīng)同時(shí)從硬件和軟件兩方面加以考慮11。本系統(tǒng)所選用的鍵盤(pán)為紅外遙控鍵盤(pán)，主要由發(fā)射電路和接受電路兩部分組成。4.3.1紅外遙控的發(fā)射電路芯片所用的晶振應(yīng)該有足夠的耐物理撞擊能力，不能選用普通的石英晶體，一般是選用陶瓷共鳴器，陶瓷共鳴器準(zhǔn)確性沒(méi)有石英晶體高，但通常一點(diǎn)誤差可以忽略不計(jì)11。紅外線(xiàn)通過(guò)紅

42、外發(fā)光二極管(LED)發(fā)射出去，紅外發(fā)光二極管內(nèi)部材料和普通發(fā)光二極管不同，在其兩端施加一定電壓時(shí)，它發(fā)出的是紅外線(xiàn)而不是可見(jiàn)光。本系統(tǒng)選用的芯片是CX9012。CX9012是用一塊用于紅外遙控系統(tǒng)中的專(zhuān)用發(fā)射集成電路，采用CMOS工藝制造。它具有32個(gè)功能鍵，若配合用戶(hù)編碼的變化則可提供256種不同的發(fā)射碼，另外CX9012還提供6種雙重按鍵功能。CX9012的管腳設(shè)置和外圍應(yīng)用線(xiàn)路都進(jìn)行了優(yōu)化，以方便PCB版的布圖和低成本的要求。主要特點(diǎn)： 高性能的CMOS工藝，低功耗 內(nèi)置振蕩電路 外圍元件少 32個(gè)功能按鍵，8種用戶(hù)編碼（相當(dāng)于可提供256種不同的發(fā)射碼） 發(fā)射信號(hào)的LED指示管腳排列

43、如圖4.4圖 4.4 CX9012管腳角圖內(nèi)部框圖：圖4.5常用紅外遙控發(fā)射器碼產(chǎn)生電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖極限參數(shù)如表4.2（除非特別說(shuō)明，Tamb=25）表 4.2 極限參數(shù)參數(shù)符號(hào)參數(shù)范圍單位電源電壓VDD-0.35.0V輸入電壓VINVSS-0.3VDD+0.3V輸出電流IOUT (REO)-20mA功耗PD300mW貯存溫度Tstg-40+125工作溫度Topr-20+75電氣參數(shù)如表4.3（除非特別說(shuō)明，Tamb=25，VDD=3.0V）表4.3 電氣參數(shù)參數(shù) 符號(hào) 測(cè)試條件 最小值典型值 最大值單位電源電壓VDD 全部功能 2 - 4 V 工作電流IDD fosc=455kHz - -

44、1 mA靜態(tài)電流ISB 停振 - - 1 uA 高電平輸入電壓VIH VDD=3V 0.7VDD- VDD V 低電平輸入電壓VIL VDD=3V 0 - 0.3VDDV 高電平輸出電流IOH VOH=1.5V, VDD=3V -10 - - mA低電平輸出電流IOL VOL=1.5V, VDD=3V 5 - - mA輸入下拉電阻RON VDD=3V 100 300 500 K 管腳說(shuō)明如表4.4表4.4 管腳說(shuō)明管腳號(hào) 符 號(hào) 輸入/輸出 功 能 描 述 14 KI0KI3 I 鍵掃描輸入端（內(nèi)置下拉電阻）。 5 DOUT O 發(fā)射碼輸出管腳。 6 VDD - 電源正端。 7 NC - 空腳

45、。建議在使用時(shí)接電源正端。 8 OSCO O 振蕩器輸出管腳。 9 OSCI I 振蕩器輸入管腳。 10 VSS - 電源接地端。 11 LMP O 輸出LED指示。 1219 KO0KO7 O 鍵掃描輸出管腳。 20 SEL I 用戶(hù)編碼選擇管腳。 功能說(shuō)明：1.振蕩線(xiàn)路部分 CX9012的振蕩線(xiàn)路由OSCO與OSCI間接一只455kHz的陶瓷諧振器及2個(gè)100pf的接地電容所組成，其振蕩頻率為455kHz。沒(méi)有按鍵操作時(shí)，該振蕩電路停振處于待機(jī)狀態(tài)以減少功率消耗。當(dāng)有按鍵操作時(shí)，振蕩電路開(kāi)始起振，有發(fā)射碼輸出，按鍵釋放后，電路停振重新處于待機(jī)狀態(tài)，請(qǐng)參考圖4.6。圖 4.6 CX9012系

46、統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2. 振蕩頻率部分 CX9012的振蕩頻率為455kHz，經(jīng)內(nèi)部的12分頻電路，得到頻率為37. 939.2kHz，占空比為1/3的調(diào)制載波。455kHz的振蕩頻率另經(jīng)256分頻，得到系統(tǒng)的基本工作時(shí)鐘為1.78kHz。調(diào)制載波的頻率（fc）及內(nèi)部工作時(shí)鐘周期（Tm）與振蕩頻率（fosc）的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下式表示： fc=(1/12) fosc (占空比：1/3) Tm=256/fosc。 (Tm：一個(gè)高電平脈沖的寬度)。紅外遙控發(fā)射器編碼原理：圖4.6為常用紅外遙控器碼產(chǎn)生電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，振蕩電路提供系統(tǒng)工作時(shí)鐘和常用的38K占空比為1：3的載波，鍵掃描輸入輸出電路與SEL輸入口形成

47、用戶(hù)碼與鍵碼，并由碼產(chǎn)生電路形成待發(fā)射數(shù)據(jù)，在輸出控制電路控制下，通過(guò)REMO輸出口由紅外線(xiàn)輸出。在遙控器發(fā)射的每幀數(shù)據(jù)中，包括引導(dǎo)碼，用戶(hù)碼，和鍵碼三個(gè)部分。并采用脈沖位置調(diào)制方式（PPM）區(qū)分“1”和“0”，脈沖的寬度，脈沖間的時(shí)間間隔的大小，每幀數(shù)據(jù)所包含的位數(shù)以及引導(dǎo)碼高低電平的時(shí)間寬度的不同，為不同的發(fā)碼格式，常用的如NEC6122格式。（見(jiàn)圖2.7，圖2.8所示）在該格式中一幀數(shù)據(jù)中含有32位數(shù)據(jù)，即8位用戶(hù)編碼（C7C0：（0EH），8位用戶(hù)編碼的反碼，8位鍵數(shù)據(jù)編碼（D0D7）以及鍵數(shù)據(jù)編碼的反碼。用戶(hù)碼和鍵數(shù)據(jù)碼的發(fā)送均是低位在前，高位在后。圖4.7 NEC6122格式一幀數(shù)

48、據(jù)圖4.8 NEC6122位“0”與位“1”4.3.2紅外遙控的接受電路 紅外信號(hào)接收系統(tǒng)的典型電路如圖4.9所示：圖4.9 紅外接收頭內(nèi)部電路該電路包括紅外監(jiān)測(cè)二極管，放大器，限副器，帶通濾波器，積分電路，比較器等。紅外監(jiān)測(cè)二極管監(jiān)測(cè)到紅外信號(hào)，然后把信號(hào)送到放大器和限幅器，限幅器把脈沖幅度控制在一定的水平，而不論紅外發(fā)射器和接收器的距離遠(yuǎn)近。交信號(hào)進(jìn)入帶通濾波器，帶通濾波器可以通過(guò)30khz到60khz的載波，通過(guò)解調(diào)電路和積分電路進(jìn)入比較器，比較器輸出高低電平，還原出發(fā)射端的信號(hào)波形。因此輸出的高低電平和發(fā)射端是反相的，這樣的目的是為了提高接收的靈敏度。以上電路被集成在一個(gè)元件中，成為一

49、體化紅外接收頭，如圖4.10所示：圖4.10 紅外接收頭紅外接收頭的種類(lèi)很多，引腳定義也不相同，一般都有三個(gè)引腳，包括供電腳，接地和信號(hào)輸出腳。根據(jù)發(fā)射端調(diào)制載波的不同應(yīng)選用相應(yīng)解調(diào)頻率的接收頭。紅外接收頭內(nèi)部放大器的增益很大，很容易引起干擾，因此在接收頭的供電腳上須加上濾波電容，一般在22uf以上。采用的接受控制芯片為HS0038B。該HS0038B系列是微型接收器紅外遙控器控制系統(tǒng)，PIN二極管和前置放大器在主角框架被裝配，環(huán)氧包裹被設(shè)計(jì)的象IR過(guò)濾器。該解調(diào)輸出信號(hào)可以由一個(gè)微處理器直接解碼。HS0038B是標(biāo)準(zhǔn)的紅外遙控器，接收器系列，它支持所有的主要傳輸碼。HS0038的特點(diǎn)：光電檢

50、測(cè)器及前置放大器在一個(gè)封裝內(nèi)部過(guò)濾器的PCM頻率TTL和CMOS兼容輸出有源低改進(jìn)對(duì)屏蔽電場(chǎng)干擾適合突發(fā)長(zhǎng)度10次循環(huán)/爆裂低功率消耗高免疫力環(huán)境光持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸盡可能（800比特/秒） 圖4.11 HS0038的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖該電路的HS0038B的設(shè)計(jì)是這樣的，無(wú)法檢測(cè)的輸出脈沖由于噪聲或干擾信號(hào)是可以避免的。一個(gè)代通濾波器，一個(gè)積分環(huán)節(jié)和自動(dòng)增益控制，是用來(lái)制止這種混亂的。鮮明區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)和干擾信號(hào)的是載波頻率，突發(fā)長(zhǎng)度和占空比。數(shù)據(jù)信號(hào)應(yīng)滿(mǎn)足下列條件：l 載波頻率應(yīng)接近中心頻率帶（如38khz）。每次爆裂后，這是10個(gè)周期和70個(gè)周期差距的時(shí)候，至少有14個(gè)周期是必要的；l 每爆裂是長(zhǎng)于1.

51、8ms 的一個(gè)相應(yīng)的時(shí)間差距，有必要在該數(shù)據(jù)流的某些時(shí)候，這種差距的時(shí)間應(yīng)至少4 倍以上；l 高達(dá)800短爆裂每秒可不斷的被收到。一些合適的數(shù)據(jù)格式的例子是：NEC代碼，東芝Micom格式，夏普代碼，RC5代碼，RC6代碼， R2000 代碼。當(dāng)干擾信號(hào)適用于HS0038B時(shí)，它依然可以接收該數(shù)據(jù)信號(hào)。然而靈敏度降低到這個(gè)水平，將發(fā)生不可預(yù)測(cè)的脈沖。舉一些被HS0038B所鎮(zhèn)壓的這種干擾信號(hào)的例子，1.直流燈（例如由鎢燈泡或日光）；2. 連續(xù)信號(hào)在38khz或在其他任何頻率；3.信號(hào)熒光燈用電子 鎮(zhèn)流器偏高或偏低調(diào)制無(wú)論鍵盤(pán)采用哪種組織形式及讀鍵方式，其主要的操作步驟如下：（1）讀鍵：判斷是否

52、有鍵按下；（2）鍵值判斷：在確認(rèn)有鍵按下以后，進(jìn)一步識(shí)別出是哪一個(gè)按鍵。根據(jù)HS0038的功能原理設(shè)計(jì)遙控發(fā)射如圖4.12：圖 4.12 HS0038與CPU連接圖4.4 A/D轉(zhuǎn)換檢測(cè)電路4.4.1 A/D轉(zhuǎn)換器介紹A/D轉(zhuǎn)換器是將連續(xù)的量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的接口，它是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)核心，模擬系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)之間的接口。A/D轉(zhuǎn)換器就是將模擬的電壓量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。ADC的類(lèi)型繁多，品種規(guī)格也相當(dāng)復(fù)雜，但從它的基本工作原理來(lái)分，大體上可以分成積分式（間接）和比較式（直接型）兩大類(lèi)12。所謂積分式ADC是將輸入的模擬量（電壓）轉(zhuǎn)換成某種中間量（時(shí)間間隔或頻率），再把中間量變換成數(shù)字量，根據(jù)量的不同，積分式

53、ADC又可分為電壓-時(shí)間間隔（V-T）和電壓-頻率（V-F）式兩種。 （1）雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理：雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理框圖如下：圖 4.13 雙積分A/D轉(zhuǎn)換器原理圖轉(zhuǎn)換過(guò)程，其轉(zhuǎn)換過(guò)程分3個(gè)階段進(jìn)行：首先：復(fù)位，接通S3，使電容C放電為0V。 第一階段：采樣階段。S1接通，S2，S3斷開(kāi)，積分器對(duì)模擬輸入Vi進(jìn)行定時(shí)積分，積分時(shí)間為T(mén)2（式 4.1） 第二階段：對(duì)Vr進(jìn)行反積分。S2接通，S1，S3斷開(kāi)，VR的積分和Vi的極性相反。（式 4.2）由于雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器要通過(guò)兩次積分才能得到相應(yīng)的字結(jié)果，因而速度低，但對(duì)周期性的干擾信號(hào)積分為零，抗干擾性很好。（2）

54、逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換的基本原理a.其轉(zhuǎn)換原理用流程圖表述如圖4.14所示。圖 4.14 逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換原理圖b.工作原理：數(shù)碼設(shè)定器設(shè)定一個(gè)數(shù)碼后，經(jīng)過(guò)DAC（解碼網(wǎng)絡(luò)）反變換成與此數(shù)碼比例的反饋電壓。通過(guò)比較器，反饋電壓與模擬電壓相比較，模擬電壓大于反饋電壓，數(shù)碼增加，反之減少，直至相等12。c.主要優(yōu)點(diǎn)：逐次逼近型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要優(yōu)點(diǎn)就是速度比較快。此外，與有同樣分辨率的雙積分型轉(zhuǎn)換器相比較，它不需要高精度的運(yùn)算放大器，而且成本也較低。這種形式的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器在微型機(jī)系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。 考慮到對(duì)周期性的干擾信號(hào)的大小，雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器為0，抗干擾性好，所以本課題采用了雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)電路圖如圖4.15