基于單片機(jī)的甲烷濃度監(jiān)測報警儀論文 完整版

1、第一章 概 述1項目提出的必要性和國內(nèi)外研究水平與動向從我國煤炭生產(chǎn)的現(xiàn)狀及我國能源結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略規(guī)劃均可看出, 在本世紀(jì)中葉以 前, 煤炭仍是支持我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要能源, 煤炭生產(chǎn), 作為我國能源工業(yè) 的支柱, 其地位將是長期的, 穩(wěn)定的, 但是煤炭工業(yè)的安全生產(chǎn)狀況卻不容樂觀, 中小型煤礦的情況尤為嚴(yán)重, 已經(jīng)直接威脅到整個煤炭工業(yè)的穩(wěn)定生產(chǎn), 給國家 財產(chǎn)和人民生命造成了很大的損失, 作為 “萬惡之首” 的甲烷爆炸事故更是重大 事故發(fā)生率之首。 在去年, 又接連發(fā)生了多起甲烷爆炸事故, 事故的結(jié)果觸目驚 心,因此通過強(qiáng)化甲烷管理,提高通風(fēng)、甲烷監(jiān)測監(jiān)控水平,已經(jīng)成為中小型煤 礦甲烷監(jiān)測監(jiān)控

2、的最迫切的任務(wù)之一。煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng), 是目前為止實際通風(fēng)甲烷管理工作中最重要和最有 效的自動化手段, 已經(jīng)裝備監(jiān)控系統(tǒng)的煤礦的甲烷事故發(fā)生率大為下降, 實踐證 明, 煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)對保障煤礦安全生產(chǎn), 提高煤礦生產(chǎn)率, 提高煤礦自 動化程度以及促進(jìn)煤礦管理現(xiàn)代化水平,都有著舉足輕重的作用。煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)雖在國內(nèi)已有生產(chǎn)和應(yīng)用, 但還沒有一種真正適合于 中小型煤礦使用的產(chǎn)品,我國從八十年代初期開始引進(jìn)煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng), 歷經(jīng)了直接引進(jìn)、消化吸收、仿制配套、自主開發(fā)的過程,但迄今為止的產(chǎn)品大 多都是面對大型礦井設(shè)計的,而且自身尚有一些有待解決的問題,如 :²造價高,

3、系統(tǒng)最基本的配置過于龐大,運(yùn)行費用大²傳感器測量穩(wěn)定性差,調(diào)校頻繁,壽命短²系統(tǒng)安裝、維護(hù)復(fù)雜,操作不便,人機(jī)界面較差²系統(tǒng)設(shè)備可靠性差²必須依賴專業(yè)的維護(hù)隊伍,對人員技術(shù),素質(zhì)有較高的要求。國外的監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)理論上講高于國內(nèi)發(fā)展水平, 但應(yīng)用于國內(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, 價格過高不適于國內(nèi)煤礦現(xiàn)有條 件,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值。綜上所述,開發(fā)研制適用于中小型煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)迫在眉睫, 而根據(jù)我國煤礦生產(chǎn)和管理模式,依照我國的有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),其技術(shù)的先進(jìn)性、 產(chǎn)品的可靠性和實用性則是

4、本項目的關(guān)鍵所在。沼氣 (甲烷 CH4的俗稱 礦井在我國煤礦生產(chǎn)礦井中所占比重很大, 隨著礦井 開采強(qiáng)度和深度的增加, 沼氣涌出量也在不斷增加, 沼氣積聚可能引起沼氣事故, 及時掌握煤礦井下沼氣動態(tài)是一件十分重要的工作。 甲烷濃度檢測儀器就是用來 監(jiān)視礦井沼氣動態(tài)的有效工具。 鑒于沼氣在礦井中存在的普遍性及其可能造成災(zāi) 害的嚴(yán)重性, 甲烷濃度檢測儀器在煤礦是數(shù)量最多, 使用最普遍的安全檢測儀器, 而且也是煤炭系統(tǒng)研制種類最多的儀器, 需要說明的是, 由于我國煤礦習(xí)慣把甲 烷叫做瓦斯, 因此檢測甲烷濃度的儀器, 有的叫瓦斯檢定器, 有的又叫沼氣檢定 器。在這里,甲烷,沼氣和瓦斯是同義詞。2煤礦安

5、全儀器概況煤礦生產(chǎn)是地下作業(yè), 自然條件和生產(chǎn)條件都復(fù)雜, 在采掘過程中出現(xiàn)的瓦 斯涌出、煤塵飛揚(yáng)、自然發(fā)火等都有可能造成嚴(yán)重事故。為了防止事故發(fā)生,保 障礦工的健康和安全, 促進(jìn)生產(chǎn)發(fā)展, 提高煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益, 應(yīng)對井下的氣 象進(jìn)行檢測, 對可能造成災(zāi)害事故的各種有害氣體及礦塵進(jìn)行及時而準(zhǔn)確的檢測 和嚴(yán)格控制,一旦發(fā)生災(zāi)變,必須及時救護(hù)遇難人員和處理事故。所有這些都需要有相應(yīng)的檢測儀器和救護(hù)裝備。最初,人們?yōu)榱朔乐咕驴諝庵谢煊幸谎趸荚斐芍卸臼鹿?曾使用過金絲雀一類的小動物來進(jìn)行檢測。 1815年英國人在煤礦井下開始使用安全 火焰燈檢測瓦斯。 1897年瑞典制成第一臺容積壓力式瓦斯?jié)舛?/p>

6、測量儀。隨著礦 井開采深度的增大, 機(jī)械化和綜合機(jī)械采煤的普遍推廣, 通風(fēng)安全方面問題日益 突出。 與此同時, 隨著儀表工業(yè)及電子技術(shù)的發(fā)展, 礦井通風(fēng)安全儀器也得到了 不斷的發(fā)展。 1927年日本制造成光干涉原理甲烷檢定器,以后又陸續(xù)出現(xiàn)熱導(dǎo)、 熱催化原理、氣敏半導(dǎo)體等各種不同原理的甲烷檢定器,其測量精度不斷提高, 檢測方式從“間斷” 、 “就地”檢測發(fā)展到“連續(xù)” 、 “集中自動”遙測。特別是隨 著電子計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用, 一套監(jiān)測系統(tǒng), 除能檢測高低濃度甲烷外, 還可測一 氧化碳、氧、氫的濃度,氣溫,風(fēng)速等等。同時還能對井下設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行 監(jiān)控。 如英國 DYNSLINK-MINOS

7、系統(tǒng)的監(jiān)測容量為 986個模擬量, 896個開關(guān) 量,傳輸距離為 13 1n。在地面中心站一般都配有用來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理的計 算機(jī)、打印機(jī)、顯示器、控制臺和模擬盤等。譬如當(dāng)井下某測點的甲烷濃度超限 時,能發(fā)出聲、光報警信號,切斷該測點附近的電源。作為間斷方式檢測的攜帶 式儀器, 也隨著測試技術(shù)的飛速發(fā)展及多功能集成電路的出現(xiàn), 檢測元件的性能 不斷提高而實現(xiàn)了單機(jī)分級報警, 數(shù)碼顯示, 自動校正, 電源監(jiān)視和故障指示等 功能。而且操作簡單,維修量小,體積小。例如美國 MSA 公司生產(chǎn)的攜帶式甲 烷檢測儀重量只有 0. 28噸,外形尺寸為 146*65*38 解放前我國煤炭工業(yè)技術(shù)十分落后,

8、礦井通風(fēng)安全儀器更是屬于空白。 解放 后, 黨和政府對安全工作極為重視, 煤礦安全狀況及勞動條件得到了很大的改善, 通風(fēng)安全儀器從無到有地發(fā)展起來在儀器的研究、 生產(chǎn)制造方面, 多年來投入了 很大的力量,形成了以撫順、重慶、西安、常州、上海等地為中心的安全儀器生 產(chǎn)基地, 除生產(chǎn)大量的通風(fēng)安全儀器和救護(hù)設(shè)備外, 從 1980年起, 先后從波蘭、 英國、 美國和西德等地引進(jìn)了多種形式的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)和生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng), 在 引進(jìn)消化的基礎(chǔ)上,我國也研制了一批安全監(jiān)測系統(tǒng),如常州煤研所的 KJl 型, 北京長城科學(xué)儀器廠的 KJ4型, 重慶煤礦安全儀器廠的 TF-200型和 AWJ-80型, 西安儀

9、表廠的 MJC-100型, 撫順煤礦安全儀器廠的 AU1型, 總參 6904廠的 WDJ-1型和鎮(zhèn)江煤礦專用設(shè)備廠的 A-1型等安全監(jiān)控系統(tǒng)來裝備礦井。其中 KJ4型的 系統(tǒng)容量為 1536個, 傳輸距離為 13 n。 所有這些成就,表明我國的安全監(jiān)測儀 器的研制和裝備進(jìn)入了新的水平。 但是目前安全監(jiān)測傳感器的種類和質(zhì)量與國際 水平的差距還較大,這是需要解決的問題。3. 儀器的基本性能一、測量儀器的概念煤礦安全儀器是用來檢查測量礦井安全狀況的物質(zhì)手段。什么是測量呢 ? 測 量是人們對自然界的客觀事物取得數(shù)量觀念的一種認(rèn)識過程。 在這一過程中, 借 助于專門的技術(shù)工具, 通過實驗方法, 求出以所

10、采用的測量單位表示的未知量的 數(shù)值大小。 測量的目的是為了在限定的時間內(nèi)盡可能正確地收集被測對象未知信 息,以便掌握被測對象的參數(shù)及控制生產(chǎn)過程。 例如, 在采煤機(jī)上安裝采燈機(jī)瓦斯斷電控制儀。 它不僅可以連續(xù)監(jiān) 測采煤機(jī)附近風(fēng)流的甲烷濃度, 而且在甲烷濃度超限時還可發(fā)出聲、 光報警信號, 并自動切斷采煤機(jī)的工作電源以防發(fā)生瓦斯事故,確保生產(chǎn)安全。二、測量儀器的基本性能評價測量儀器品質(zhì)的指標(biāo)是多方面的。 儀器的基本性能, 主要是衡量儀器測 量能力的一些指標(biāo), 如精確度、 穩(wěn)定性、 測量范圍、 動態(tài)范圍等。 但工作可靠性、 經(jīng)濟(jì)性也很重要,這些因素在很大程度上影響儀器的使用。(一 精確度與這個性能

11、有關(guān)的指標(biāo)有 :1. 精密度精密度是指在測量中所測數(shù)值重復(fù)一致的程度。 即對某一穩(wěn)定的被 測量在相同的規(guī)定工作條件下, 由同一測量者用同一儀器在相當(dāng)短的時間內(nèi)按同 一方法連續(xù)重復(fù)測量多次, 其測量示值的不一致程度。 不一致程度愈小, 說明測 量愈精密。例如某溫度儀表精密度為 0. 5K ,意即用該儀表測量溫度時其不一致 程度不會大于 0. 5K。但精密不一定準(zhǔn)確。2. 準(zhǔn)確度準(zhǔn)確度是指儀器的示值有規(guī)律地偏離真值大小的程度。3. 精確度 (簡稱精度 精度是測量的精密與準(zhǔn)確程度的綜合反映。 精密度高是精 度高的必要條件, 但并非充分條件。 要使儀器的精度高, 還必須使其準(zhǔn)確度高才 行。 在工程測試

12、中, 為了簡單表示儀器測量結(jié)果的可靠程度, 引入一個儀器精度 等級的概念,用 A 表示。 A 以一系列標(biāo)準(zhǔn)百分比數(shù)值進(jìn)行分檔。這個數(shù)值通常 是儀器在規(guī)定條件下, 其最大絕對允許誤差值相對于儀器測量范圍的百分?jǐn)?shù), 即 : 式中 : 儀器在全刻度范圍內(nèi)的最大絕對允許誤差 ;測量范圍的上、下限值 :儀器的精度等級?？茖W(xué)研究用的儀器的精度等級值約為 10-,一 10-io; 工業(yè)檢測用的儀器的精 度等級值約為 。(二 穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指儀器的性能在工作條件保持恒定的情況下, 在規(guī)定的時間內(nèi)保持 不變的能力。它用精密度的數(shù)值和觀測時間長短一起來表示。例如,某儀表 24小時內(nèi)示值變化幅度達(dá) 1. 3mV,則

13、該儀表的穩(wěn)定度為 1 .3mV/d0(三 影響系數(shù)儀器由于室溫、 大氣壓、 振動等外部狀態(tài)變化及電源電壓、 工作條件變化對示 值的影響統(tǒng)稱為環(huán)境影響, 為儀器在校準(zhǔn)時都規(guī)定有一個標(biāo)準(zhǔn)工作條件, 用影響 系數(shù)表示。 頻率等這是因但在實際使用該儀器時又很難達(dá)到這個要求。 影響系數(shù)是用示值變化值與影響量變化值之比來表示。例如某壓力表的溫度影響系數(shù)為 2Pa/即溫度每變化 1 0C,就會引起壓力表示值變化 2Pa 。(四 儀器輸入輸出特性說明儀器輸入輸出對應(yīng)關(guān)系的主要性能有 ;1. 靈敏度靈敏度是指儀器在穩(wěn)態(tài)下輸出變化對輸入變化的比值,用 S 表示, 即 S=dy/dx。它是儀器在穩(wěn)態(tài)下輸入輸出關(guān)系的

14、靜特性曲線上各點的斜率。在線 性特性的儀器中靈敏度 S 是常數(shù)。在非線性特性的儀器中靈敏 S 在整個量程內(nèi) 不是常數(shù)。對特定的測量裝置來說,其靈敏度的定義方法往往是不同的。例如,在接 收機(jī)中,靈敏度定義為產(chǎn)生具有指定信噪比的輸出信號所需的最小輸入信號 ; 而 在頻率計中,它與頻率計的輸出示值之間沒有直接的關(guān)系。2. 分辯率如果輸入量從某個任意非零值慢慢地變化,我們將會發(fā)現(xiàn),在輸入 變化值沒有超過某一數(shù)值之前, 儀器示值是不會變化的, 這個使示值變化的最小 輸入變化值叫做儀器的分辯率, 也應(yīng)該對示值的變化從量上規(guī)定一個數(shù)值。 一般 模擬式儀表的分辯率規(guī)定為最小刻度分格值的一半, 數(shù)字式儀表的分辯

15、率是最后 一位數(shù)的數(shù)值。3. 線性度線性度用來說明輸出量與輸入量的實際關(guān)系曲線偏離直線的程度。 無論是模擬式的儀表, 還是數(shù)字式的儀表, 都希望它們的特性是線性關(guān)系。 這樣 模擬式儀表的刻度就可以做成均勻的刻度, 而數(shù)字式儀表就可以不必采用線性化 環(huán)節(jié)?；趩纹瑱C(jī)的甲烷濃度監(jiān)測報警儀論文4. 滯環(huán)滯環(huán)是指儀器正向特性和反向特性不一致的程度。 這種現(xiàn)象是由于儀 器元件吸收能量所引起的。例如機(jī)械儀表中有內(nèi)摩擦,電磁儀表中有磁滯損耗。(五 量程量程 B 是指測量上限值與下限值之差, 即儀表刻度盤上的上限值減去 下限值 ,其表達(dá)式為。通常儀表的 ,這時。 但在整個測量范圍內(nèi)儀表提供被測量信息的可靠程度

16、并不相同, 一般在儀表的上、下限值附近的測量誤差較大,故不宜在該區(qū)使用。這樣, 更確切的量程概念應(yīng)定為 :在工作量程內(nèi)的相對誤差應(yīng)該不超過某個設(shè)定值。量程用絕對值 B 來表示時, 各類不同儀表之間便無法比較, 所以常用量程比 D 作為量程的指標(biāo),即 (六 可 靠性可靠性是指儀器對規(guī)定的條件在規(guī)定時間內(nèi)完成所要求功能的能力。 儀器的 可靠性可用平均無故障工作時間 MTBF 來表征。它是儀器連續(xù)運(yùn)行時發(fā)生一次 故障的時間間隔的平均值。 假設(shè)某儀器在 90000小時的運(yùn)行中發(fā)生了 12次故障, 則該儀器的 MTBF 為 7500小時。(七 經(jīng)濟(jì)性任何工業(yè)產(chǎn)品都要講究經(jīng)濟(jì)性。 對生產(chǎn)者來講, 以重金制

17、造高質(zhì)量的產(chǎn)品是 比較容易的。但是,如果生產(chǎn)出的儀器價格太高,使用者無力購買,出就談不上 發(fā)揮作用。 對使用者來講總是希望有最少的錢買到一臺具有指定性能的儀器。 所 以,工程檢測儀器的經(jīng)濟(jì)性也是其重要的指標(biāo)之一。在實際工作中, 對給定的測量任務(wù)只需達(dá)到規(guī)定的精度就行了, 決不是精度 愈高愈好, 盲目地提高測量精度的做法, 往往會帶來相反的效果, 浪費人力和財 力,降低測量的可靠性。在工程檢測中,應(yīng)該根據(jù)測量的目的,全面考慮測量的 可靠性、 精度、 經(jīng)濟(jì)性經(jīng)及操作的簡便性, 而在科研工作中往往把測量精度放在 首位。甲烷濃度監(jiān)測報警儀的發(fā)展已經(jīng)歷了三個階段:模擬儀器、 數(shù)字式儀器以及 目前的智能儀

18、器。 基于單片機(jī)的甲烷濃度監(jiān)測報警儀即為一種智能儀器, 因為就 儀器本身來講, 無論數(shù)據(jù)的采集還是處理都是由單片機(jī)來控制的。 利用單片機(jī)的 算術(shù)邏輯處理能力和用軟件取代過去電子線路的硬件功能, 而軟件的靈活性又使 得儀器可用各種算法和處理方法進(jìn)行信息的采集、 處理、 存儲和報警, 不再需要 專用的電子線路,從而使儀器的控制結(jié)構(gòu)得以很大的簡化。4 單片機(jī)系統(tǒng)性能特點單片微型計算機(jī)簡稱單片 , 它是把組成微型計算機(jī)的各部件 :中央處理器、存 儲器、輸入輸出接口電路、定時器 /計算器等,制作在一塊集成電路芯片中,構(gòu) 成一個完整的微型計算機(jī)。 1971年, Intel 公司首次推出 4004的 4位單

19、片微處理 器。 1974年 12月仙童(Fairchild 公司推出 8位單片機(jī) F8(需另加一塊 3851芯片 , 其后 Mostek 公司和仙童公司一起推出了 F8兼容的 3870單片機(jī)系列。 Intel 公司 1976年推出 MCS-48系列單片機(jī)。 GI(Gentra Instrument Crop 公司在 1977年 10月宣布了 PIC1650單片機(jī)系列。 1978年, Rockwell 公司也推出了 R6500/1系列(與 6502兼容 。有些單片機(jī)有 8位 CPU ,若干個并行 I/O , 8位定時器 /計算器,容量有限的 PAM 和 ROM ,以及簡單中斷處理功能。Motor

20、ola 公司和 Zilog 公司的單片機(jī)問世較遲,但是產(chǎn)品性能較高,單片機(jī) 內(nèi)有串行 I/O,多級中斷處理能力,內(nèi)片的 RAM 和 ROM 容量較大;有些還帶 有 A/D轉(zhuǎn)換接口。 Motorola 公司在 1978年下半年宣布了與 6800微處理機(jī)兼容 的 6801單片機(jī)。 Zilog 公司在同年 10月也推出了 Z80單片機(jī)系列。 Intel 公司在 原 MCS-48基 礎(chǔ) 上 , 于 1980年 推 出 了 高 性 能 的 MCS-51系 列 (包 括 8031/8051/8751 。 1982年, Mostek 公司和 Intel 公司先后推出了 16位單片機(jī) MK68200(與 68

21、000微處理器兼容和 MCS-96(8096、 8098系列。 1987年 Intel 公司推出了性能是 80962.5倍的新型單片機(jī) 80296。由于單片機(jī)超小型化,結(jié)構(gòu)緊湊,可能性高,價格低廉,在國民經(jīng)濟(jì)中得到 廣泛應(yīng)用。 工業(yè)方面:電機(jī)控制、工業(yè)機(jī)器人、過程控制、數(shù)字控制。 儀器儀表方面:智能儀器、醫(yī)療器械、色譜儀、示波器。 民用方面:電子玩具、高級電視游戲機(jī)、錄象機(jī)、激光盤驅(qū)動。 電訊方面:調(diào)制解調(diào)器、智能線路運(yùn)行控制。 導(dǎo)航與控制方面:導(dǎo)彈控制、魚雷執(zhí)導(dǎo)控制、只能武器裝置、航天導(dǎo) 航系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)處理方面:圖形終端、彩色黑白復(fù)印機(jī)、溫氏硬盤驅(qū)動器、磁帶 機(jī)、打印機(jī)。 汽車方面:點火控制

22、、變速器控制、防滑剎車、排器控制。21單片機(jī)的發(fā)展趨勢是:增加存儲器的容量,片內(nèi) EPROM 開始 EEPROM 化,存 儲器編程保密化,片內(nèi) I/O 多功能化及低功耗 CMOS 化。目前單片機(jī)的現(xiàn)狀為: 4位單機(jī)片機(jī)4位單片機(jī)的主要產(chǎn)品有:NEC 公司的 PD75xx ;TI 公司的 TMS1000系列;松下公司的 MN1400系列;NS 公司 COP400;Rockwell 公司的 PPS/1系列;SAMSUNG 公司的 KS56和 KS57系列;富士同公司的 MB88系列。其中, PD75xx 與 COP400在 4位機(jī)中占有重要地位,年產(chǎn)量已達(dá)到數(shù) 千萬片。4位單片機(jī)的特點是價格便宜,

23、如 COP400的價格僅為 8位單片機(jī) 8048和 6805價格的一半,但是功能并不弱,只是 4位 CPU ,片內(nèi)的 CPU 片內(nèi)的 ROM 有 2K , PAM 為 128³4位。 NEC 公司的 PD75xx 片內(nèi)的 ROM 可達(dá) 8K 字節(jié), RAM 為 512³4位, I/O 引腳位 58根,甚至還有 6位 A/D。近年倆, 4位單片機(jī) 的產(chǎn)量仍在增長,但所占比例逐年下降,單片機(jī)的主角讓給了 8位單片機(jī)。 4位 機(jī)與 8位機(jī)進(jìn)行競爭, 只有進(jìn)一步降低價格, 并增強(qiáng) I/O的功能 (特別是專用 I/O功能 。 4位機(jī)主要用于家用電器和電子玩具等方面。 8位單片機(jī)8位單

24、片機(jī)的產(chǎn)量占整個單片機(jī)的 60以上,并逐年增長。 1985年的產(chǎn)量 位 1.7億片 1986年的產(chǎn)量位 2.1億片, 1992年達(dá) 7億片。 8位單片機(jī)的舊的機(jī) 種正在被淘汰,新的機(jī)型不斷涌現(xiàn)。自 1985年以來,各種高性能、大容量、多 功能的新型 8位單片機(jī)不斷推出。如 Inte 公司的 8x552、 PI-452(8051的增強(qiáng) 型 、 Motorola 公司的 MC68HC11(6801增強(qiáng)型 、 Zilog 公司的 Super8等,它 們將代表單片機(jī)發(fā)展的方向,將在單片機(jī)領(lǐng)域中起越來越大的作用。第二章監(jiān)控儀工作原理2.1甲烷濃度檢測儀原理分析甲烷濃度檢測儀器按其工作原理不同,有下列幾種

25、 :1. 光干涉式光干涉式是利用光波對空氣和甲烷折射率不同所產(chǎn)生的光程差, 引起干涉條 紋移動來實現(xiàn)對不同甲烷濃度的測定。 其優(yōu)點是準(zhǔn)確度高, 堅固耐用, 校正容易, 高低濃度均可測量,還可測量二氧化碳濃度 ; 其缺點是濃度指示不直觀,受氣壓 溫度影響嚴(yán)重,特別是空氣中氧氣不足氮、氧的比例不正常時,要產(chǎn)生誤差 ; 光 學(xué)零件加工復(fù)雜,成本較高和實現(xiàn)自動檢測較困難。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測定甲 烷濃度。其優(yōu)點是元件和儀器的生產(chǎn)成本低,輸出信號大,對于 1%氣樣,電橋 輸出可達(dá) 15mV 以上, 處理和顯示都比較方便, 所以儀器的結(jié)構(gòu)簡單, 受背景

26、氣 體和溫度變化的影響小, 容易實現(xiàn)自動檢測。 其缺點是探測元件的壽命較短, 不 能測高濃度甲烷, 硫化氫及硅蒸氣會引起元件中毒而失效。 目前國內(nèi)外檢測甲烷 的儀器廣泛采用這一原理。3. 熱導(dǎo)式熱導(dǎo)式是利用甲烷與空氣熱導(dǎo)率之差來實現(xiàn)甲烷濃度的測定。其優(yōu)點是熱 導(dǎo)元件和儀器設(shè)計制作比較簡單,成本低、量程大,可連續(xù)檢測,有利于實現(xiàn)自 動遙測,被測氣體不發(fā)生物理化學(xué)變化,讀數(shù)穩(wěn)定,元件壽命長。其缺點是測量 低濃度甲烷時輸出信號小,受氣及背景氣體的影響較大。4. 紅外線式紅外線式是利用甲烷分子能吸收特定波長的紅外線來測定甲烷濃度。 其優(yōu)點 是采用這一原理的儀器精度高,選擇性好,不受其它氣體影響,測量范

27、圍寬,可 連續(xù)檢測 ; 其缺點是由于有光電轉(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。5. 氣敏半導(dǎo)體式氣敏半導(dǎo)體的種類較多, 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, 其表面能夠吸附甲烷而改變其電阻值來檢 測甲烷濃度。其優(yōu)點是對微量甲烷比較敏感,結(jié)構(gòu)簡單、成本低。但當(dāng)濃度大于 1 %CH4時,其反應(yīng)遲鈍,選擇性和線性均較差,所以很少用于煤礦井下甲烷濃 度的檢測,而多用于可燃?xì)怏w的檢漏報警。6. 聲速差式在溫度為 220C 、氣壓為 101325Pa 條件下,聲波在甲烷中的傳播速度為 432m/s,而

28、在清潔空氣中為 332m/s。比較這兩種速度就可測定高濃度甲烷。其 優(yōu)點是讀數(shù)不受氣壓影響 ; 其缺點是不適合測量低濃度甲烷,一般只用來檢測礦 井抽放甲烷管道中的甲烷濃度,對背景氣體、粉塵及氣溫變化很敏感。7. 離子化式 氣體在放射性元素的輻射作用下發(fā)生電離, 在氣體介質(zhì)中的兩 個電極度之間便有電流產(chǎn)生。測量空氣介質(zhì)和被測甲烷中的電流大小,便可測出甲烷濃度。其優(yōu)點是快速,可以連續(xù)自動檢測,靈敏度高,測量準(zhǔn) 確,可測二氧化碳濃度。其缺點是測量低濃度甲烷困難,空氣濕度對儀 器讀數(shù)有影響,傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜。根據(jù)設(shè)計要求,本項目采用熱催化式工作原理。2.2熱催化元件的結(jié)構(gòu)及工作原理1. 熱催化元件的結(jié)構(gòu)

29、載體催化燃燒式傳感器一般被制成一個便于測量的探頭, 探頭可以單獨設(shè) 置,也可以作為一個獨立單元裝配在儀器內(nèi)使用。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, 另一組橋臂是兩個固定電阻, 作為電橋的 比率臂。 與黑白元件相對應(yīng), 為使電橋在無甲烷狀態(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)過穩(wěn)壓的穩(wěn)壓源。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)生無焰燃燒 時,電橋失去平衡,輸出一個電壓信號。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,所以

30、,它不參加低溫燃燒。但由于它處 于與黑元件相同的工作環(huán)境中, 所以, 對非甲院濃度變化引起的催化元件阻值變 化起補(bǔ)償作用,以提高儀器零點穩(wěn)定性和抗干擾能力。使用時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)生無焰燃燒, 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, 輸出一個電壓信號 U , 該電壓值的大小反映了甲

31、烷濃度的高低, 檢測此電壓便可測量出甲烷濃度。3整機(jī)工作原理熱催化原理又稱催化燃燒原理。 利用該原理的甲烷測定器是當(dāng)前國內(nèi)測量低 濃度甲烷的檢測儀器中采用最廣泛的一種, 而且還在不斷的高和發(fā)展。 其基本原 理是根據(jù)甲烷在一定的溫度條件下氧化燃燒, 且在一定的濃度范圍內(nèi), 不同濃度 的甲烷在燃燒過程中要釋放出熱量不同的特性,來達(dá)到測定甲烷濃度的目的。甲烷濃度報警監(jiān)控儀的工作原理是 CPU 通過 V o 口輸出低電平經(jīng)反相器加在催 化元件電源端, 使催化元件開始工作, 輸出與甲烷濃度相對應(yīng)的電壓信號, 此電 壓經(jīng)過放大電路放大后,分別送到 A/D轉(zhuǎn)換、報警電路, A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬 信號轉(zhuǎn)換為數(shù)

32、字信號送入 CPU, CPU對采樣值進(jìn)行數(shù)值計算, 處理后, 驅(qū)動顯示 器顯示出被測氣體中的甲烷濃度值, 若被測氣體中甲烷濃度超過報警電路預(yù)定的 數(shù)值時, 報警電路即發(fā)出聲音報警信號。 遙控發(fā)射裝置再將報警信號傳輸給遠(yuǎn)方 的接收裝置,最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)到 10km 。第三章 基于單片機(jī)甲烷濃度監(jiān)測報警儀系統(tǒng)分析與設(shè)計的硬件在硬件的設(shè)計前期, 根據(jù)框圖對電路中可能出現(xiàn)的電路進(jìn)行了分析, 并根據(jù) 指導(dǎo)老師提出的要求對硬件設(shè)計進(jìn)行了合理化的修改完善。 在第二章中已分析了 系統(tǒng)并繪制了框圖,下面將根據(jù)框圖分別設(shè)計各部分電路。3.1輸入電路的設(shè)計甲烷濃度信號的采集電路, 放大電路輸入口連接甲烷濃度傳感器的

33、兩個引腳。 此 傳感器采用的是氣敏元件是一種具有良好溫度特性的電壓輸入 /電流輸出型氣敏 元件?？梢栽?-55 150溫度范圍內(nèi)正常工作。1. 熱催化元件的特性在選擇敏感元件時,主要從以下幾個方面來衡量 :(1活性。元件活性是指元件對甲烷氧化燃燒的速率。元件活性高,通過電 橋測量甲烷時,可以得到較高的電壓輸出。(2穩(wěn)定性。元件的穩(wěn)定性是指元件在新鮮空氣與一定濃度的甲烷中,在規(guī) 定的連續(xù)工作時間里的活性下降率。 下降率其值越低越好, 活性下降率越低, 表 明元件工作性能越穩(wěn)定。(3工作點與工作區(qū)間。元件工作點是指元件的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓和電流值。實 際使用中,為了便于組成電橋和選定電橋電流,通常是指一

34、對元件 (即一只黑元 件和一只白元件 的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓或電流值。在工作點上,元件具有較大的輸出, 較好的穩(wěn)定性和最小的零點飄移。 目前國內(nèi)元件的工作點有 :直 1.2V, 2.2V, 2.4V,2.8V 及 320mA 等幾種。 當(dāng)元件的工作電壓或工作電流變動時, 在同一甲烷濃度 下輸出活性大小是不相同的。只有當(dāng)工作電壓或工作電流在某一范圍內(nèi)變動時, 輸出活性才接近直線。 這個電壓或電流的變動范圍稱為元件的工作區(qū)間。 區(qū)間越 寬越好。目前元件的工作區(qū)間只能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)電壓的士 10% o(4輸出特性。元件輸出特性。是指在不同的甲烷濃度下,元件的活性與甲 烷濃度的關(guān)系。在 0-S%CH4范圍內(nèi),電橋輸

35、出信號與甲烷濃度呈線性關(guān)系。當(dāng) 甲烷濃度在 9.5%處時,曲線出現(xiàn)拐點,以后隨著甲烷濃度的增大,電橋輸出信 號不斷下降, 出現(xiàn)了高濃度和低濃度輸出信號相同現(xiàn)象。 產(chǎn)生的原因是由于高濃 度甲烷氣體中缺氧使燃燒不完全所造成的。 所以, 這種原理的甲烷檢測儀只能測 量低濃度甲烷。(5元件的壽命。元件的壽命是指元件在使用過程中,其活性下降到某一規(guī) 定值的時間。(6元件的“中毒現(xiàn)象” 。礦井空氣中的硫化氫、二氧化硫等氣體會使元件產(chǎn) 生中毒現(xiàn)象, 使活性降低。 其原因主要是由于這些毒性氣體元件活性下降。 此外, 井下電氣設(shè)備用的硅油、 硅絕緣材料等揮發(fā)物, 也會使元件中毒。 這主要是由于 硅分子量大, 一

36、旦吸附在元件表面, 就會阻止甲烷進(jìn)入而影響元件氧化速率, 致 使活性下降。為防止元件中毒,可以加過濾器,例如用活性炭吸收管, 1 cm 厚活性炭的 吸收管,可使工作在有毒環(huán)境中的元件壽命延長數(shù)百倍。經(jīng)過一段時間工作的元件,遇到較高濃度,工作數(shù)分鐘后,元件的活性將 升高, 高濃度消失后, 元件在幾十小時內(nèi)活性才會逐步下降到原值附近, 以后又 保持穩(wěn)定的活性。 這種現(xiàn)象稱為元件被濃甲烷激活。 元件的激活特性是一個缺點, 因為被激活的元件在一段時間內(nèi)會造成不穩(wěn), 這是在使用中應(yīng)該加以注意和調(diào)整 的。載體催化元件與純鉑絲元件相比,其抗毒性能較弱,在有毒氣體的環(huán)境中, 宜采用鉑絲元件。(7反應(yīng)速度。反應(yīng)

37、速度是工作元件的一個重要指標(biāo)。特別是當(dāng)元件應(yīng)用到 各種運(yùn)動機(jī)械上時,就更為突出。在井下空氣中, 當(dāng)甲烷濃度發(fā)生變化時, 元件的反應(yīng)速度由兩個因素決定, 一是元件本身的時間常數(shù) :, 二是甲烷向元件擴(kuò)散的速度。 元件的時間常數(shù) 可由 下式確定 : 式中 :元件的時間常數(shù) ;E :元件的熱容量 ;A :等效熱導(dǎo)系數(shù) ;S :元件的表面積 ;0:常數(shù) ;T :元件的工作溫度 ;I :工作電流 ;R :元件電阻 ;RQ :鉑絲電阻溫度系數(shù)²通過對上式的分析, 可以合理地選擇元件參數(shù), 以提高工作元件的反應(yīng)速度。 本設(shè)計中選擇的敏感元件型號為 :MQ-K7參數(shù)為 :測量介質(zhì) :甲烷工作電流 :

38、直流穩(wěn)壓工作點 :2. 8V/ < 175MA測量范圍 :0-4%CN穩(wěn)定性 :靈敏度變化士 0. 1%CH4響應(yīng)時間 :(20S本設(shè)計選用的氣敏元件是由太原電子廠和哈爾濱通江晶體管廠生產(chǎn)的 MQ K7型號的半導(dǎo)體氣敏元件, 太被用于做各種可燃?xì)怏w的檢測、 檢漏、 監(jiān)控 設(shè)備的敏感元件。 氣敏元件是準(zhǔn)確檢測甲烷氣體含量的核心元件之一, 它由工作 元件和補(bǔ)償元件組成, 將這兩個元件分別接在惠斯登電橋上, 在元件的電端加入 高電平時元件開始工作, 當(dāng)環(huán)境中無甲烷氣體時, 調(diào)整電橋使之輸出為零, 當(dāng)有 甲烷氣體時, 甲烷氣體以擴(kuò)散方式進(jìn)入儀器原測量氣室, 內(nèi)部接于橋臂的熱催化 元件或熱導(dǎo)元件發(fā)

39、生氧化一還原反應(yīng), 引起元件溫度升高, 阻值增大, 使原來平 衡的電橋失去平衡, 輸出與甲烷濃度相對應(yīng)的電壓信號, 測量該電壓信號即可知 甲烷濃度。它的基本測試電路圖如附一圖所示3.2 按鍵電路設(shè)計與器件選擇此次設(shè)計的甲烷濃度報警儀應(yīng)具備兩種基本功能,一是隨時輸入報警上限值, 二是隨時對當(dāng)前的報警上限值進(jìn)行修改, 要實現(xiàn)這兩種功能, 可以接入鍵盤輸入 電路。1. 鍵盤的結(jié)構(gòu)選擇在單片機(jī)組成的監(jiān)測系統(tǒng)及智能化儀器中, 用得最多的是非編碼鍵盤。 鍵盤的結(jié)構(gòu)分為獨立式鍵盤和行列式鍵盤兩類。本設(shè)計中只需要三個按鍵, 因此選擇獨立式鍵盤。 如圖所示, 電路由按鍵和三個 電阻組成,按鍵分別命名為 SET

40、、 +1和 RET 鍵。按鍵可以采用輕觸開關(guān),電阻 可以采用 4腳排電阻(3*1K 2. 如附二圖所示,將鍵盤直接與單片機(jī)的 P3口連接。用 P3.3引腳通過按鍵 SET 接一格外部中斷的請求信號 INT1; P3.1、 P3.0引腳作為 I/O口使用,通過兩個 按鍵 +1、 RET 接入兩個輸入信號。SET 鍵功能:設(shè)置當(dāng)前報警上限值,即當(dāng)前報警儀的報警上限值有誤差時,需要 隨時對它進(jìn)行調(diào)整,使用 SET 、 +1和 RET 鍵配合完成這一功能。當(dāng) SET 被按下時,在單片機(jī)的 INT1引腳產(chǎn)生一個低電平觸發(fā)中斷請求信號, CPU 響應(yīng)中斷請求時,就轉(zhuǎn)移到 INT1中斷服務(wù)程序的入口地址,執(zhí)

41、行 INT1的中 斷服務(wù)程序。 +1調(diào)整鍵的功能:分別對報警值的十位、個位和小數(shù)位進(jìn)行 +1調(diào)整,即每按 一次鍵,對應(yīng)的值調(diào)整為 +1。 RET 確認(rèn)鍵的功能:確認(rèn),即對 +1調(diào)整為進(jìn)行確認(rèn),該鍵按下時,說明被調(diào) 整位的值已經(jīng)確認(rèn),轉(zhuǎn)去調(diào)整下一位。3.3 蜂鳴器電路的設(shè)計設(shè)計要求報警上限濃度到時要有聲音提醒信號產(chǎn)生, 可選擇一只蜂鳴器來實現(xiàn)這一功能。壓電式蜂鳴器工作時約需 10mA 的驅(qū)動電流,并設(shè)計一個相應(yīng)的驅(qū) 動及控制電路。 電路設(shè)計如圖所示, 蜂鳴器作為三極管的集電極負(fù)載, 當(dāng)它導(dǎo)通 時,蜂鳴器發(fā)出聲音,截止時不發(fā)聲。它的報警時間長短是靠軟件設(shè)置的。3.4放大電路的設(shè)計在許多需要 A/D

42、轉(zhuǎn)換和數(shù)字采集的單片機(jī)系統(tǒng)中,很多情況下,傳感器輸 出的模擬信號都很微弱, 必須通過一個模擬放大器對其進(jìn)行一定倍數(shù)的放大, 才 能滿足 A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號電平的要求,這種情況下,就必須選擇一種符合 要求的放大器。儀表器的選型很多,可選用的運(yùn)算放大器相當(dāng)多,如 OP-07, OP-725,如果要求不高,甚至可選價廉的 uA741等通用運(yùn)算放大器。本設(shè)計的 放大電路采用高精度集成運(yùn)放 OP-07做放大元件 ,OP-07為一種具有低失調(diào)電 壓、 低失調(diào)電流和低溫漂的超低失調(diào)運(yùn)算放大器, 其廣泛地應(yīng)用于穩(wěn)定積分、 精 密加法、比較、闔值電壓檢測、微弱信號精確放大等場合,是一種通用性極強(qiáng)的 運(yùn)算放大

43、器。 OP-07的電源電壓范圍 3 18V,輸入電壓范圍為 0 14V,3.5 TLC1549與 AT89C2051接口電路的設(shè)計TLC1549芯片與單片機(jī) AT89C2051的連接比較簡單,如圖所示。被測電壓 從 2、 4腳輸入,經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換后在 6腳輸出, 5、 6、 7分別與單片機(jī)的 P3.2、 P3.7、 P3.1連接。其工作原理是:由單片機(jī)產(chǎn)生片選控制信號和時鐘信號,當(dāng) P3.0=0(CS=1時,片選信號有效, P3.2引腳輸出時鐘脈沖送到 I/O CLOCK引 腳,在 10個時鐘脈沖的作用下,電壓轉(zhuǎn)換值從 DATAOUT 引腳輸出,按照高位在 前低位在后的順序通過 P3.7引腳送

44、入單片機(jī)。當(dāng) P3.1=1(CS=0時,片選信號 無效, DATA OUT引腳輸出為高阻狀態(tài)。AT89C2051是美國和 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓,高性能 CMOS 8位單片機(jī), 片內(nèi)含 2k bytes的可反復(fù)檫寫的只讀程序存儲器(PEROM 和 128bytes 的隨 機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器 (RAM , 器件采用 ATMEL 公司的高密度、 非易失性存儲技術(shù) 生產(chǎn),兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS-51指令系統(tǒng),片內(nèi)置通用 8位中央處理器和 Flash 存儲 單元,功能強(qiáng)大 AT89C2051單片機(jī)可為您提供許多高性能價比的應(yīng)用場合。 主 要 性 能 參 數(shù):²與 MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼

45、容²2k 字節(jié)可重檫寫閃速存儲器²1000次檫寫周期²2.7-6V 的工作電壓范圍²全靜態(tài)操作 CHz-24MHz²兩極加密程序存儲器²128³8字節(jié)內(nèi)部 RAM²15個可編程 I/O口線²兩個 16位定時 /計數(shù)器²6個中斷源²可編程串行 UART 通道²可直接驅(qū)動 LED 的輸出端口²內(nèi)置一個模擬比較器²低功耗空閑和掉電模式功能特性概述:AT89C2051提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能:2k 字節(jié) Flash 閃速存儲器, 128字節(jié)內(nèi)部 RAM , 15和 I/O

46、口線,兩個 16位定時 /計數(shù)器,一個 5向量兩極中斷結(jié)構(gòu),一 個全雙工串行通信口,內(nèi)置一個精密比較器,片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時, AT89C2051可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作, 并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式,空閑方式停止 CPU 的工作,但允許 PAM ,定時 /計數(shù)器,串行通信口及中斷系 統(tǒng)繼續(xù)工作, 掉電方式保存 PAM 中的內(nèi)容, 但振蕩器停止工作并禁止其它所有 部件工作直到下一個硬件復(fù)位。方 框 圖引腳功能說明 ²Vcc:電源電壓²GND 地²P1口:P1口是一組 8位雙向 I/O口, P1.2- P1.7提供內(nèi)部上拉電阻, P1.0和 P1.

47、1內(nèi)部無上拉電阻,組要是考慮它們分別是內(nèi)部緊密比較器的同相 輸入端(AINO 和反向輸入端(AIN1 ,如果需要應(yīng)在外部接上拉電阻。 P1口 輸出緩沖器可吸收 20mA 電流并可直接驅(qū)動 LED 。當(dāng) P1口引腳寫入“ 1”時可做 輸入端,當(dāng)引腳 P1.2- P1.7用作輸入并被外部拉低時,它們將因內(nèi)部的上位電 阻而輸出電流(In 。P3口還用于實現(xiàn) AT89C2051特殊性能,如下表示: P1口 還 在 Flash 閃速編程及程序校驗時接受代碼數(shù)據(jù)。²P3口:P3口的 P3.0- P3.5、 P3.7是帶有內(nèi)部上拉電阻的 7個雙向 I/O口。 P3.6沒有引出,它作為一個通用的 I

48、/O口但不可訪問,但可作為固定輸入 片內(nèi)比較器的輸出信號, P3口緩沖器可吸收 20mA 電流,當(dāng) P3口寫入“ 1”時, 它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口,作輸入端時,被外部拉低的 P3口 將用上拉電阻輸出電流(In 。P3口還接受一些用于 Flash 閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。²RST :復(fù)位輸入。 RST 引腳一旦變成兩個機(jī)器周期以上高電平,所有的 I/O都將復(fù)位帶“ 1” (高電平狀態(tài),當(dāng)振蕩器正在工作時,持續(xù)兩個機(jī)器周期以上 的高電平可完成復(fù)位,每個機(jī)器周期為 12個振蕩時鐘周期。²XTAL1:振動器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。²

49、;XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。²振蕩器特征:XTAL1、 XTAL2為片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入和輸出端, 如下表示, 可采 用 石 英 晶 體 或 陶 瓷 震 蕩 器 組 成 時 鐘 振 蕩 器 , 如 需 從 外 部 輸 入 時 鐘 驅(qū) 動 AT89C2051,時鐘信號從 XTAL1輸入, XTAL2應(yīng)懸空。由于輸入到內(nèi)部電路是經(jīng)過一個 2分頻觸發(fā)器, 所以輸入的外部時鐘信號無需特殊要求, 但必須符合電平 的最大和最小植及時序規(guī)范。 ²特殊功能寄存器:并非存儲器中所有的地址都被占用,未占用的地址單元亦不能使用,如果對 其進(jìn)行讀訪問一般返回為隨機(jī)數(shù),寫訪問也不

50、確定。這些單元是為了以后利用這些未使用的地址單元擴(kuò)展新功能而設(shè)置, 所以用 戶軟件不要對它們寫“ 1” ,在這種情況下,新位的復(fù)位或不激活值為“ 0” 。²某些指令的約束條件:AT89C2051是經(jīng)濟(jì)型低假位的微控制器, 它含有 2k 字節(jié)的 Flash 閃速程序存儲器, 指令系統(tǒng)與 MCS-51完全兼容, 可使用 MCS-51指令系統(tǒng)對其進(jìn)行編程, 但 是在使用某些有關(guān)指令進(jìn)行編程時,程序員須注意一些事項。和跳轉(zhuǎn)或分支有關(guān)的 有一頂?shù)目臻g約束,使目的地址安全落在 AT89C2051的 2k 字節(jié)的物理程序存儲器空間內(nèi), 程序員必須注意一點。 對于 2k 字節(jié)存儲器 的 AT89C2

51、051來說, LJMP 7EOH是一條有效指令, 而 LJMP 900H則為無效指令。1. 分支指令2.3.對于 LCALL 、 ACALL 、 AJMP 、 SJMP 、 +DPTR 等指令,只要程序員記住這些分 支指令的目的地址在程序存儲器大小的物理范圍內(nèi)(AT89C2051程序地址空 間為:000H-7FFH 單元 , 這些無條件分支指令就會正確執(zhí)行, 超出物理空間 的限制會出現(xiàn)不可預(yù)知的程序出錯。 CJNE 、 DJNZ 、 JB 、 JNB 、 JC 、 JNC 、 JBC 、 JZ 、 JNZ 等這些條件轉(zhuǎn)移指令的使用與上述原則一樣,同樣,超 出物理空間的限制也會引起不可預(yù)知的程序

52、出錯,至于中斷的使用, 80C51系列硬件結(jié)構(gòu)中已保留標(biāo)準(zhǔn)中斷服務(wù)子程序的地址。4. 與 MOVX 相關(guān)的指令,數(shù)據(jù)存儲器5.6.AT89C2051包含 128字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù),這樣, AT89C2051的堆棧深度局限于內(nèi) 部 RAM 的 128字節(jié)范圍內(nèi),它既不支持外部數(shù)據(jù)存儲器的訪問,也不支持外部程序的執(zhí)行,因此程序中應(yīng)有 MOVX 指令。一般的 80C51匯編器即使在違反上述指令約束而寫入的指令時仍對指令進(jìn)行 匯編,用戶應(yīng)了解正在使用的 AT89C2051微控制器的存儲器物理空間的約束范圍,適當(dāng)?shù)卣{(diào)整所使用的指令尋址范圍以適應(yīng) AT89C2051。²程序存儲器的加密: ²

53、空 閑模式:在空閑模式下, CPU 保持睡眠狀態(tài)而所有片內(nèi)的外設(shè)仍保持激活狀態(tài),這種 方式由軟件產(chǎn)生, 此時, 片內(nèi) RAM 和所有特殊功能寄存器的內(nèi)容保持不變, 空閑 模式可由任何允許的中斷請求或硬件復(fù)位終止。P1.0和 P1.1在不使用外部上拉電阻的情況下應(yīng)設(shè)置為“ 0” ,或者在使用上 拉電阻的情況下設(shè)置為“ 1”應(yīng)注意的是:在用硬件復(fù)位終止空閑模式時, AT89C2051通常從程序停止一 直到內(nèi)部復(fù)位獲得控制之前的兩個機(jī)器周期處恢復(fù)程序執(zhí)行。 在這種情況下片內(nèi) 硬件禁止對內(nèi)部 RAM 的讀寫, 但允許對端口的訪問, 要消除硬件復(fù)位終止空閑模 式對端口以外寫入的可能, 原則上進(jìn)入空閑模式

54、指令的下一條不應(yīng)對端口引腳或 外部存儲器進(jìn)行訪問。²掉電模式:在掉電模式下,振蕩器停止工作,進(jìn)入掉電模式的指令是最后一條執(zhí)行的指 令, 片內(nèi) RAM 和特殊功能寄存器的內(nèi)容在終止掉電模式前被凍結(jié)。 退出掉線模式 的唯一方法是硬件復(fù)位,復(fù)位后將重新定義全部特殊功能寄存器但不改變 RAM 中的內(nèi)容, 在 Vcc 恢復(fù)到正常工作電平前, 復(fù)位應(yīng)無效, 且必須保持一定時間以 使振蕩器重啟動并穩(wěn)定工作。P1.0和 P1.1在不使用外部上拉電阻的情況下應(yīng)設(shè)置為“ 0” ?；蛘咴谑褂猛?部上拉電阻隨時應(yīng)設(shè)為“ 1” 。²Flash 閃速存儲器的編程:AT89C2051是檫除狀態(tài)下(也即所

55、有單元內(nèi)容均為 FFH 時用 2k 字節(jié)內(nèi)的 PEROM 代碼存儲陣列進(jìn)行封裝微控制器,其程序存儲器是可反復(fù)編程的,代碼存 儲陣列一次編程一個字節(jié),一旦陣列被編程,如需重新編程一非空(空為:FFH 字節(jié),必須對整個存儲器陣列進(jìn)行電檫除。AT89C2051內(nèi) Flash 閃速存儲器的編程和校驗電路²內(nèi)部地址計數(shù)器:AT89C2051內(nèi)部包含一個 PEROM 編程地址計數(shù)器,它總 在 RST 上沿到來時復(fù)位到 000H ,并在 XTAL1引腳上出現(xiàn)在跳變脈沖時進(jìn)行加 1記數(shù)。 ²編程方法:要對 AT89C2051進(jìn)行編程,推薦使用以下方法。1. 上電次序:2.3.在 Vcc 和

56、 GND 引腳之間加上電源。設(shè)置 RST 和 XTAL1為 GND 電平。其它引腳置空,等待至少 10ms 以上。4. 置 RST 引腳為高電平,置 P3.2引腳為高電平。5.6.7. 對引腳 P3.3、 P3.4、 P3.5、 P3.7按下表正確組合加上邏輯高 “ H ” 或低 “ L ” 電平即對 PERM 進(jìn)行編程操作。8.9.10. 在 000H 地址單元對 P1.0-P1.7輸入數(shù)據(jù)代碼字節(jié)。11.12.13. 置 RST 端為+12V ,激活編程。14.15.16. 使 P3.2跳變一次來編程 PEROM 陣列中的一字節(jié)或者加密位,寫字節(jié)周期 是自身定時的,一般需時 1.2ms 。

57、17.18.19. 當(dāng)校驗已編程的數(shù)據(jù),使 RST 從+12V 降到邏輯電平“ H ” ,置 P3.3-P3.7引腳到正確的電平即可 P1口讀取數(shù)據(jù)。20.21.22. 對下一地址單元編程字節(jié), 使 XTAL1引腳正脈沖跳變一次使地址計數(shù)器加 1,在 P1口輸入新的數(shù)據(jù)字節(jié)。23.24.25. 重復(fù) 5至 8,可對整個 2k 字節(jié)陣列全部編程,直到目標(biāo)文件結(jié)束。 26.27.28. 下電次序:29.30.置 XTAL1為低“ L ”電平置 RST 為“ L ”點平置空所有其它 I/O引腳關(guān)閉 Vcc 電源²數(shù)據(jù)查詢:AT89C2051具有周期結(jié)束的數(shù)據(jù)查詢功能,在寫周期期間,對最 后

58、寫入的字節(jié)嘗試讀將令 P1.7上寫入數(shù)據(jù)的操作結(jié)束,當(dāng)寫周期完成,完全 輸出端的真實數(shù)據(jù)有效,同時下一個周期開始,數(shù)據(jù)查詢可在寫周期被初始 化的任一時刻開始。Ready/Busy:字節(jié)編程的進(jìn)度可通過 “ RDY/BSY輸出信號檢測, 編程期間, P3.1引腳在 P3.2變高“ H ”后被拉低來指示“ BSY ” , P3.1在編程結(jié)束后被再次拉 高“ H ”來指示 RDY 。²程序校驗:如果加密位 LB1、 LB2沒有進(jìn)行編程,則代碼數(shù)據(jù)可通過校驗數(shù) 據(jù)線讀取:1. 使 RST 從“ L ”變?yōu)椤?H ” ,復(fù)位內(nèi)部的地址計數(shù)器為 000H 。2.3.4. 對代碼數(shù)據(jù)加上正確的控制信號即可在 P1口引腳上讀取。5.6.7. XTAL1引腳跳變一次使內(nèi)部地址計數(shù)器腳 1。8.9.10. 從 P1口讀取下一個代碼字節(jié)。11.12.13. 重復(fù) 3到 4步驟,即可將全部單元的數(shù)據(jù)讀取。14.15.加密位不可直接