基于單片機(jī)控制的甲烷濃度監(jiān)測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)

1、第1章 概述1.1 項(xiàng)目提出的必要性和國(guó)內(nèi)外研究水平和動(dòng)向 從我國(guó)煤炭生產(chǎn)的現(xiàn)狀及我國(guó)能源結(jié)構(gòu)規(guī)劃均可看出，在本世紀(jì)中葉以前，煤炭仍是支持我國(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(gè)煤炭工業(yè)的穩(wěn)定生產(chǎn)，給國(guó)家財(cái)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)、甲烷檢測(cè)監(jiān)控水平，已成為中小型煤礦甲烷檢測(cè)監(jiān)控的最迫切的任務(wù)之一。 煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)，是

2、目前為止實(shí)際通風(fēng)甲烷管理工作中最重要和最有效的自動(dòng)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(shí)踐證明，煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)保障煤礦安全生產(chǎn)，提高煤礦生產(chǎn)率，提高煤礦自動(dòng)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(guó)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(guó)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(duì)大型礦井設(shè)計(jì)的，而且自身尚有一些有待解決的問題，如:造價(jià)高，系統(tǒng)最基本的配置過于龐大，運(yùn)行費(fèi)用大傳感器測(cè)量穩(wěn)定性差，調(diào)校頻繁，壽命短 系統(tǒng)安裝、

3、維護(hù)復(fù)雜，操作不便，人機(jī)界面較差系統(tǒng)設(shè)備可靠性差必須依賴專業(yè)的維護(hù)隊(duì)伍，對(duì)人員技術(shù)，素質(zhì)有較高的要求。國(guó)外的監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)理論上講高于國(guó)內(nèi)發(fā)展水平，但應(yīng)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)格過高不適于國(guó)內(nèi)煤礦現(xiàn)有條件，除在傳感器技術(shù)方面可供借鑒外，其它僅具一定參考價(jià)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(guó)煤礦生產(chǎn)和管理模式，依照我國(guó)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(shí)用性則是本項(xiàng)目的關(guān)鍵所在。沼氣(甲烷CH4的俗稱)礦井在我國(guó)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

4、能引起沼氣事故，及時(shí)掌握煤礦井下沼氣動(dòng)態(tài)是一件十分重要的工作。甲烷濃度檢測(cè)儀器就是用來監(jiān)視礦井沼氣動(dòng)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(cè)儀器在煤礦是數(shù)量最多，使用最普遍的安全檢測(cè)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(guó)煤礦習(xí)慣把甲烷叫做瓦斯，因此檢測(cè)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。1.2 煤礦安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，

5、提高煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)對(duì)井下的氣象進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)可能造成災(zāi)害事故的各種有的害氣體及礦塵進(jìn)行及時(shí)而準(zhǔn)確的檢測(cè)和嚴(yán)格控制，一旦發(fā)生災(zāi)變，必須及時(shí)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(cè)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(dòng)物來進(jìn)行檢測(cè)。1815年英國(guó)人在煤礦井下開始使用安全火焰燈檢測(cè)瓦斯。1897年瑞典制成第一臺(tái)容積壓力式瓦斯?jié)舛葴y(cè)量?jī)x。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(shí)，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

6、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(cè)量精度不斷提高，檢測(cè)方式從“間斷”、“就地”檢測(cè)發(fā)展到“連續(xù)”、“集中自動(dòng)”遙測(cè)。特別是隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，一套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，除能檢測(cè)高低濃度甲烷外，還可測(cè)一氧化碳、氧、氫的濃度，氣溫，風(fēng)速等等。同時(shí)還能對(duì)井下設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。如英國(guó)DYNSLINK-MINOS系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)容量為986個(gè)模擬量，896個(gè)開關(guān)量，傳輸距離為13km。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(jì)算機(jī)、打印機(jī)、顯示器、控制臺(tái)和模擬盤等。譬如當(dāng)井下某測(cè)點(diǎn)的甲烷濃度超限時(shí)，能發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)，切斷該測(cè)點(diǎn)附近的電源。作為間斷方式檢測(cè)

7、的攜帶式儀器，也隨著測(cè)試技術(shù)的飛速發(fā)展及多功能集成電路的出現(xiàn)，檢測(cè)元件的性能不斷提高而實(shí)現(xiàn)了單機(jī)分級(jí)報(bào)警，數(shù)碼顯示，自動(dòng)校正，電源監(jiān)視和故障指示等功能,而且操作簡(jiǎn)單，維修量小，體積小。例如美國(guó)MSA公司生產(chǎn)的攜帶式甲烷檢測(cè)儀重量只有0.28Kg，外形尺寸為146*65*38mm 解放前我國(guó)煤炭工業(yè)技術(shù)十分落后，礦井通風(fēng)安全儀器更是屬于空白。解放后，黨和政府對(duì)安全工作極為重視，煤礦安全狀況及勞動(dòng)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)

8、備外，從1980年起，先后從波蘭、英國(guó)、美國(guó)和西德等地引進(jìn)了多種形式的煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，在引進(jìn)的基礎(chǔ)上，我國(guó)也研制了一批安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如常州煤研所的KJ1型，北京長(zhǎng)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(gè)，傳輸距離為13 km。所有這些成就，表明我國(guó)的安全監(jiān)測(cè)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(cè)傳感器的種類和質(zhì)量與國(guó)際水平的差距還較大，這是需要解決的問題。1

9、.3 測(cè)量?jī)x器的基本性能1.3.1 測(cè)量?jī)x器的概念煤礦安全儀器是用來檢查測(cè)量礦井安全狀況的物質(zhì)手段。什么是測(cè)量呢?測(cè)量是人們對(duì)自然界的客觀事物取得數(shù)量觀念的一種認(rèn)識(shí)過程。在這一過程中，借助于專門的技術(shù)工具，通過實(shí)驗(yàn)方法，求出以所采用的測(cè)量單位表示的未知量的數(shù)值大小。測(cè)量的目的是為了在限定的時(shí)間內(nèi)盡可能正確地收集被測(cè)對(duì)象未知信息，以便掌握被測(cè)對(duì)象的參數(shù)及控制生產(chǎn)過程。例如，在采煤機(jī)上安裝采煤機(jī)瓦斯斷電控制儀。它不僅可以連續(xù)監(jiān)測(cè)采煤機(jī)附近風(fēng)流的甲烷濃度，而且在甲烷濃度超限時(shí)還可發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)，并自動(dòng)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。1.3.2 測(cè)量?jī)x器的基本性能評(píng)價(jià)測(cè)量?jī)x器

10、品質(zhì)的指標(biāo)是多方面的。儀器的基本性能，主要是衡量?jī)x器測(cè)量能力的一些指標(biāo)，如精確度、穩(wěn)定性、測(cè)量范圍、動(dòng)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。1.4 本論文的結(jié)構(gòu)安排 第一章是文章概述。介紹了該課題提出的必要性和國(guó)內(nèi)外研究水平與動(dòng)向以及測(cè)量?jī)x器的基本性能，同時(shí)給出整個(gè)論文的結(jié)構(gòu)安排。 第二章是研究?jī)?nèi)容、方法和原則。闡述了課題研究的內(nèi)容，設(shè)計(jì)思路和方法以及整體設(shè)計(jì)所遵循的原則。 第三章是監(jiān)控儀的工作原理。對(duì)甲烷濃度監(jiān)控儀作了原理分析，同時(shí)介紹了敏感元件的結(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、時(shí)鐘電路、敏感元件、小信號(hào)放大電路、

11、A/D轉(zhuǎn)換電路、通信電路以及看門狗監(jiān)控電路都作了詳細(xì)介紹。 第五章是軟件設(shè)計(jì)。介紹了軟件設(shè)計(jì)采用的方法和所遵循的原則，并給出了部分主要程序的軟件流程圖及程序。 第六章是結(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)和中英文附錄。第2章 研究?jī)?nèi)容、方法和原則2.1 研究?jī)?nèi)容 儀器的設(shè)計(jì)，本著簡(jiǎn)明、科學(xué)、實(shí)用的原則，力求從整體出發(fā)，從實(shí)際使用出發(fā)，突出系統(tǒng)的可靠性、免維護(hù)、免培訓(xùn)特點(diǎn)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)明和完整性，把對(duì)操作人員的專業(yè)技術(shù)要求降到最低，發(fā)揮系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，使系統(tǒng)整體性能達(dá)到最佳

12、，功能強(qiáng)大而操作簡(jiǎn)單，測(cè)量精確而維護(hù)方便。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分應(yīng)用近年來發(fā)展起來的各種新技術(shù)、新器件、新方法，在保證各項(xiàng)性能指標(biāo)能夠滿足系統(tǒng)各方面要求的前提下，力求簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，提高可靠性和穩(wěn)定性。作為一種完整的煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)，它至少應(yīng)具備以下設(shè)備和功能:1.傳感器: 監(jiān)測(cè)要素的采集，轉(zhuǎn)換 轉(zhuǎn)換后電信號(hào)的處理，加工2.傳輸系統(tǒng) 信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳送 信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)3.計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 信號(hào)的采集 數(shù)據(jù)的處理設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的問題：1.產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)、生產(chǎn)工藝等要符合國(guó)家有關(guān)規(guī)定及煤炭部，地方管理部門的規(guī)定。2.運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性一定要好，安裝、維護(hù)要方便，操作要簡(jiǎn)單。3.各項(xiàng)功能要實(shí)用，既

13、要滿足國(guó)家和地方的有關(guān)規(guī)定也要考慮用戶的要求。4.設(shè)計(jì)、制造盡可能使用通用的有替代產(chǎn)品的元件，器件和設(shè)備。5.能使用軟件實(shí)現(xiàn)的功能，一般不使用硬件來實(shí)現(xiàn)，以減小體積，將成本降至最低。6.設(shè)計(jì)要從整體出發(fā)，分步、分層實(shí)施，突出系統(tǒng)的整體性能，力求系統(tǒng)整體性能最優(yōu)化。在以上設(shè)計(jì)原則的指導(dǎo)下，本系統(tǒng)各部分的主要實(shí)現(xiàn)方法確定如下：1.發(fā)送采用調(diào)制解調(diào)方式通訊。2.數(shù)據(jù)處理功能盡可能完善，容易擴(kuò)充。3.為提高軟件的運(yùn)行效率，軟件全部使用匯編語(yǔ)言。2.2 儀器的設(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)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

14、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。2.3 課題研究的總體思路1.加強(qiáng)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)用性，將監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造同現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要密切結(jié)合起來，整體結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，安裝使用十分簡(jiǎn)便，希望使監(jiān)控系統(tǒng)真正成為礦井通風(fēng)管理的得力助手。2.提高產(chǎn)品的技術(shù)應(yīng)用水平和整體質(zhì)量檔次，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料適用、工藝安排等方面都努力使產(chǎn)品在技術(shù)上、質(zhì)量上更上一個(gè)新的臺(tái)階。3.花大力氣提高產(chǎn)品的可靠性，從軟件到硬件，從元器件到整機(jī)，都盡最大努力提高整體系統(tǒng)的可靠性。第三章 監(jiān)

15、控儀工作原理3.1 甲烷濃度檢測(cè)儀原理分析甲烷濃度檢測(cè)儀器按其工作原理不同，有下列幾種: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，特別是空氣中氧氣不足或氮、氧的比例不正常時(shí)，要產(chǎn)生誤差;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。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(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%氣樣，電橋輸出可達(dá)15mV以上，處理和

16、顯示都比較方便，所以儀器的結(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，硫化氫及硅蒸汽會(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。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(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。4.紅外線式紅外線式是利用甲烷分子能吸收特定波長(zhǎng)的紅外線來測(cè)定甲烷濃度。其優(yōu)點(diǎn)是采用這一原理的儀器精度高，選擇性好，不受其它氣

17、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。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(shí)，其表面能夠吸附甲烷而改變其電阻值來檢測(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220、氣壓為101325Pa條件下，聲波在甲烷中的傳播速度為432m/s，而在清潔空氣中為332m/s。

18、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;其缺點(diǎn)是不適合測(cè)量低濃度甲烷，一般只用來檢測(cè)礦井抽放甲烷管道中的甲烷濃度，對(duì)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(gè)電極之間便有電流產(chǎn)生。測(cè)量空氣介質(zhì)和被測(cè)甲烷中的電流大小，便可測(cè)出甲烷濃度。其優(yōu)點(diǎn)是快速，可以連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)，靈敏度高，測(cè)量準(zhǔn)確，可測(cè)二氧化碳濃度。其缺點(diǎn)是測(cè)量低濃度甲烷困難，空氣濕度對(duì)儀器讀數(shù)有影響，傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜。3.2 熱催化元件的結(jié)構(gòu)及工作原理 熱催化元件的結(jié)構(gòu)載體催化元件最里層是用0.02O.O5mm的高性能鉑絲繞制的螺旋圈，外面是由三氧化二鋁和催化劑組

19、成的催化外殼。鉑絲螺旋圈完成加熱;三氧化二鋁載體有定型、傳熱和載附催化劑等功能。催化劑由氯化鈀外加穩(wěn)定劑釷(Tu)配制而成，有降低起燃溫度、加強(qiáng)選擇性、提高穩(wěn)定性等功能。當(dāng)載體催化元件遇到甲烷與空氣的混合氣體時(shí)，在催化劑的作用下，甲烷氣體在元件表面發(fā)生無焰燃燒，產(chǎn)生的熱量使鉑絲的溫度升高。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。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)，為使電橋在無甲烷狀態(tài)下處于平衡狀態(tài)，

20、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。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本項(xiàng)目采用熱催化式工作原理。3.2.2 敏感元件工作原理黑元件載體是催化燃燒式元件，當(dāng)甲烷氣體在元件表面與氧氣產(chǎn)生無焰燃燒時(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，所以，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(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。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)

21、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(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。3.3 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(cè)定器是當(dāng)前國(guó)內(nèi)測(cè)量低濃度甲烷的檢測(cè)儀器中采用最廣泛的一種，而且還在不斷的提高和發(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(cè)定甲烷濃度的目的。甲

22、烷濃度報(bào)警監(jiān)控儀的工作原理如圖3-1所示。時(shí)鐘芯片通信電路顯示電路報(bào)警電路可編程看門狗電路CPU敏感元件小信號(hào)放大電路A/D轉(zhuǎn)換圖3-1工作原理圖 Figure 3-1 Working drawings在催化元件電源端加上一正電壓，使催化元件開始工作，輸出與甲烷濃度相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，此電壓經(jīng)過放大電路放大后，送到A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入CPU, CPU對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，處理后，驅(qū)動(dòng)顯示器顯示出被測(cè)氣體中的甲烷濃度值，若被測(cè)氣體中甲烷濃度超過報(bào)警電路預(yù)定的數(shù)值時(shí)，報(bào)警電路即發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)。時(shí)鐘芯片用于產(chǎn)生實(shí)時(shí)時(shí)間，并通過4位數(shù)碼管顯示小時(shí)和分。當(dāng)計(jì)算機(jī)控制系

23、統(tǒng)需要查詢甲烷濃度時(shí)，只要發(fā)出相應(yīng)信息，報(bào)警儀即可將測(cè)量結(jié)果經(jīng)串行口及通信電路傳送出去，最長(zhǎng)傳輸距離可達(dá)到20km。第四章 硬件電路設(shè)計(jì)為適應(yīng)安全生產(chǎn)的需要，同時(shí)滿足體積小、耗電少、精度高的要求，硬件電路設(shè)計(jì)中盡可能選用功耗小，性能穩(wěn)定的集成電路芯片。4.1 微控制器CPUCPU是監(jiān)控報(bào)警儀的核心，完成數(shù)據(jù)采集、處理、輸出、顯示等功能,是整個(gè)儀器正常工作的基礎(chǔ)，它的選擇直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的工作。選擇通用性強(qiáng)、功耗小、性能穩(wěn)定良好的8位CMOS微處理器芯片AT89C51，它與常用MCS-51型單片機(jī)兼容，工作電壓為2.7V6.OV,具有32條可編程I/O端口，3個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，256

24、5;8位內(nèi)部RAM,內(nèi)帶8K字節(jié)快閃EEPROM的特點(diǎn)，大大簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)。引腳圖如圖4-1：圖4-1 AT89C51引腳圖 Figure 4-1 The pin chart of AT89C51部分引腳功能說明：XTAL1：接外部晶振的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一反相放大器輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。它采用外部振蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)接地。XTAL2：接外部晶振的一個(gè)引腳。在片內(nèi)接至振蕩器的反相放大器輸出端和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器輸入端。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，則此引腳接外部振蕩信號(hào)的輸入。RST：AT89C51的復(fù)位信號(hào)輸入引腳，高電位工作，當(dāng)要對(duì)芯片復(fù)位時(shí)，只要將此引腳電位提升到高電位，并持續(xù)

25、兩個(gè)機(jī)器周期以上的時(shí)間，AT89C51便能完成系統(tǒng)復(fù)位的各項(xiàng)工作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器的內(nèi)容均被設(shè)成已知狀態(tài)。ALE/：ALE表示允許地址鎖存允許信號(hào)。當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE信號(hào)負(fù)跳變來觸發(fā)外部的8位鎖存器 (如74LS373)，將端口P0 的地址總線(A0-A7)鎖存進(jìn)入鎖存器中。在非訪問外部存儲(chǔ)器期間，ALE引腳的輸出頻率是系統(tǒng)工作頻率的1/16，因此可以用來驅(qū)動(dòng)其他外圍芯片的時(shí)鐘輸入。：訪問外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)，低電平有效。在訪問外部程序存儲(chǔ)器讀取指令碼時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期產(chǎn)生二次 信號(hào)。在執(zhí)行片內(nèi)程序存儲(chǔ)器指令時(shí)，不產(chǎn)生PSEN 信號(hào)，在訪問外部數(shù)據(jù)時(shí)，亦不產(chǎn)生信號(hào)。P0：P0口(

26、P0.0P0.7)是一個(gè)8位漏極開路雙向輸入輸出端口，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)時(shí)，它是地址總線（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用。外部不擴(kuò)展而單片應(yīng)用時(shí)，則作一般雙向I/O口用。P0口每一個(gè)引腳可以推動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。P2：P2口(P2.0P2.7)是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/0端口(準(zhǔn)雙向并行I/O口)，當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，它是高8位地址。外部不擴(kuò)展而單片應(yīng)用時(shí)，則作一般雙向I/O口用。每一個(gè)引腳可以推動(dòng)4個(gè)LSTL負(fù)載。P1：P1口(P1.0P1.7)口是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/0端口(準(zhǔn)雙向并行I/O口)，其輸出可以推動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。僅供用戶作為輸入輸出用的端口。P3：P3口(P3.0P3.

27、7)口是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/0端口(準(zhǔn)雙向并行I/O口)，它還提供特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)控制及外部隨機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ堋Ｆ涮厥夤δ芤_分配如下：P3.0 RXD 串行通信輸入P3.1 TXD 串行通信輸出P3.2 外部中斷0輸入,低電平有效P3.3 外部中斷1輸入,低電平有效P3.4 T0 計(jì)數(shù)器0 外部事件計(jì)數(shù)輸入端P3.5 T1 計(jì)數(shù)器1 外部事件計(jì)數(shù)輸入端P3.6 外部隨機(jī)存儲(chǔ)器的寫選通，低電平有效P3.7 外部隨機(jī)存儲(chǔ)器的讀選通，低電平有效在設(shè)計(jì)中用到了多片串行通信的芯片，但選用的單片機(jī)AT89C51只有一個(gè)串行口，這給連接帶來了極大的麻煩

28、。在設(shè)計(jì)中，用單片機(jī)未用到的普通I/O口輔之控制軟件來模擬串行口工作，從而解決了串行口不夠用的難題。4.2 敏感元件4.2.1 熱催化元件的特性在選擇敏感元件時(shí)，主要從以下幾個(gè)方面來衡量:(1)活性。元件活性是指元件對(duì)甲烷氧化燃燒的速率。元件活性高，通過電橋測(cè)量甲烷時(shí)，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(shí)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(diǎn)與工作區(qū)間。元件工作點(diǎn)是指元件的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓和電流值。實(shí)際使用中，為了便于組成電橋和選定電橋電流，通常是指一對(duì)元件(即一只黑元件和一只

29、白元件)的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓或電流值。在工作點(diǎn)上，元件具有較大的輸出，較好的穩(wěn)定性和最小的零點(diǎn)飄移。目前國(guó)內(nèi)元件的工作點(diǎn)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(dòng)時(shí)，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(dòng)時(shí)，輸出活性才接近直線。這個(gè)電壓或電流的變動(dòng)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±10%。(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0-5%CH4范圍內(nèi)，電橋輸出信號(hào)與甲烷濃度呈線性關(guān)系。當(dāng)甲烷濃度在9.5%處時(shí)

30、，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，以后隨著甲烷濃度的增大，電橋輸出信號(hào)不斷下降，出現(xiàn)了高濃度和低濃度輸出信號(hào)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(cè)儀只能測(cè)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(shí)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(huì)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(huì)使元件中毒。這主要是由于硅分子量大，一旦吸附在元件表面，就會(huì)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

31、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(zhǎng)數(shù)百倍。經(jīng)過一段時(shí)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(shí)內(nèi)活性才會(huì)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(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)楸患せ畹脑谝欢螘r(shí)間內(nèi)會(huì)造成輸出不穩(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)速度是工作元件的一個(gè)重要指標(biāo)。特別是當(dāng)元件應(yīng)用到各種運(yùn)動(dòng)機(jī)械上時(shí)，就更為突出。在井下空氣中，當(dāng)甲烷濃度發(fā)生變化時(shí)，元件

32、的反應(yīng)速度由兩個(gè)因素決定，一是元件本身的時(shí)間常數(shù):，二是甲烷向元件擴(kuò)散的速度。元件的時(shí)間常數(shù)可由下式確定:式中: :元件的時(shí)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; :常數(shù); T:元件的工作溫度; I:工作電流; R:元件電阻; :鉑絲電阻溫度系數(shù)通過對(duì)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(jì)中選擇的敏感元件型號(hào)為:FWC-2。參數(shù)為:測(cè)量介質(zhì):甲烷工作電流:直流穩(wěn)壓工作點(diǎn):2. 8V/175mA測(cè)量范圍:0-4%CH4穩(wěn)定性:靈敏度變化±0.1%CH4響應(yīng)時(shí)間:20S4.2.2 敏感元件的組成及作用敏感元件是準(zhǔn)確檢測(cè)甲烷氣體含

33、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(gè)元件分別接在惠斯登電橋上，在元件的電源端加入高電平時(shí)元件開始工作，當(dāng)環(huán)境中無甲烷氣體時(shí)，調(diào)整電橋使之輸出為零，當(dāng)有甲烷氣體時(shí)，甲烷氣體以擴(kuò)散方式進(jìn)入儀器原測(cè)量氣室，內(nèi)部接于橋臂的熱催化元件或熱導(dǎo)元件發(fā)生氧化還原反應(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(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，測(cè)量該電壓信號(hào)即可知甲烷濃度它的基本測(cè)試電路圖如圖4-2所示。圖4-2 敏感元件的基本測(cè)試電路 Figure 4 -2 the basic testing circuit of sensitive components 4.3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊：本

34、設(shè)計(jì)的儀器具有實(shí)時(shí)時(shí)間顯示功能，通過4位LED顯示當(dāng)前時(shí)間（小時(shí)和分）。我選擇DS1307芯片作為系統(tǒng)的時(shí)鐘。DS1307串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，是具有I2C總線接口的外圍器件，該芯片內(nèi)部具有BCD碼時(shí)鐘/日歷和56個(gè)字節(jié)的非易失性SRAM的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，兩線串行接口，自動(dòng)的掉電保護(hù)和開關(guān)循環(huán)等功能，具有可編程、低功耗、體積較小和引腳少的特點(diǎn)。同時(shí)它獨(dú)立于CPU工作，不受CPU主晶振和電容的影響，計(jì)時(shí)準(zhǔn)確。 DS1307時(shí)鐘芯片的引腳功能部分引腳功能如下：SCL：時(shí)鐘信號(hào)輸入端，使數(shù)據(jù)在串行接口的傳送同步進(jìn)行SDA：串行數(shù)據(jù)輸入/輸出的引腳，需外接上拉電阻。X1，X2：外接晶振引腳，與標(biāo)準(zhǔn)32.768

35、 KHZ晶振相連，可以修正時(shí)鐘的精確度。 DS1307時(shí)鐘格式與地址分配1.內(nèi)部寄存器與RAM地址分配DS1307內(nèi)部由存儲(chǔ)區(qū)RAM和時(shí)間寄存器兩部分組成。時(shí)間寄存器的地址從00H到07H，RAM有56個(gè)字節(jié)，地址從08H到3FH。在多字節(jié)數(shù)據(jù)存取時(shí)，地址指針自動(dòng)加一，當(dāng)?shù)刂分羔樦傅?FH時(shí)，自動(dòng)循環(huán)到00H。使用時(shí)，只要在程序中規(guī)定好第一個(gè)字節(jié)地址及讀寫字節(jié)數(shù)，讀寫N個(gè)字節(jié)與一個(gè)字節(jié)一樣方便。2.時(shí)鐘的格式時(shí)間和日期都以BCD碼形式分別存放在7個(gè)時(shí)間寄存器中。通過讀這些相應(yīng)的寄存器字節(jié)可以得到時(shí)鐘的信息。通過寫入相應(yīng)寄存器字節(jié)可以設(shè)置時(shí)間和日期。 DS1307芯片與單片機(jī)的連接 圖4-3 D

36、S1307與AT89C51的接口電路 Figure 4-3 The interface circuit of DS1307 and AT89C51DS1307芯片與單片機(jī)AT89C51的接口如圖4-3所示。說明：Vbat端接備用電池，以便在沒有主電源的情況下能夠保存時(shí)間信息和一些重要的數(shù)據(jù)；X1、X2接32.768KHz的晶體振蕩器，為時(shí)鐘芯片提供計(jì)時(shí)脈沖；SDA與SCL接點(diǎn)構(gòu)成串行數(shù)據(jù)總線；兩個(gè)電阻為上拉電阻。 DS1307的操作時(shí)序DS1307的操作時(shí)序可以概括的歸納為以下幾個(gè)步驟：1) 發(fā)送起始信號(hào)。2) 發(fā)送DS1307的讀/寫命令字。3) 發(fā)送DS1307的讀/寫地址。4) 執(zhí)行讀寫

37、數(shù)據(jù)操作。5) 接收或發(fā)送應(yīng)答信號(hào)。6) 發(fā)送停止信號(hào)4.4 小信號(hào)放大電路目前有許多型號(hào)的單片測(cè)量放大器集成芯片可供選擇，因此不再用分立的運(yùn)算放大器來構(gòu)成測(cè)量放大器。采用單片測(cè)量放大器芯片與用分立的運(yùn)算放大器相比具有性能優(yōu)異、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中選擇集成芯片INA128儀用放大器。其特點(diǎn)如下： 低偏置電壓最大50V，低溫度漂移最大0.5V/，低輸入偏置電流最大5nA，高共模抵制CMR 最小120DB，輸入保護(hù)至±40V，寬電源電壓范圍±2.25 至±18V，低靜態(tài)電流700A，8 引腳塑料DIP 和SO-8封裝。電路圖如圖4-4所示： 圖4

38、-4 INA128應(yīng)用電路 Figure 4-4 The applied circuit of INA1238 設(shè)置增益：在引腳1和引腳8之間外接一個(gè)電阻RG可對(duì)增益進(jìn)行設(shè)置 等式中的50K是兩個(gè)內(nèi)部反饋電阻A1和A2的和。在信號(hào)的輸入電路設(shè)計(jì)中，INA128的增益設(shè)為固定值，在這里取G=20,則RG2.632K。電源電壓取為3.3V。在有噪聲或高阻抗供電電源的應(yīng)用中，要在器件的引腳附近接去耦電容器。如上圖中電源與地之間的去耦電容。4.5 A/D轉(zhuǎn)換電路因?yàn)閱纹瑱C(jī)不能直接接收模擬量信號(hào)，所以電壓測(cè)量信號(hào)，必須通過A/D轉(zhuǎn)換后方可以輸入單片機(jī)進(jìn)行處理。A/D轉(zhuǎn)換器芯片有很多種,在此選擇比較熟悉的

39、ADC0809。ADC0809是8路8位逐次逼近行A/D轉(zhuǎn)換CMOS器件，能對(duì)多路模擬信號(hào)進(jìn)行分時(shí)采集和A/D轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號(hào)通過三態(tài)緩沖器，可直接與微處理器的數(shù)據(jù)總線相連接。4.5.1ADC0809的主要特性ADC0809的主要特性如下：分辨率為8位最大不可調(diào)誤差小于±ULSB可鎖存三態(tài)輸出，能與8位微處理器接口輸出與TTL兼容不必進(jìn)行零點(diǎn)和滿度調(diào)整單電源供電，供電電壓為+5V轉(zhuǎn)換速率取決于芯片的時(shí)鐘頻率，時(shí)鐘頻率范圍是：101280KHZ，當(dāng)時(shí)鐘頻率為500KHZ時(shí)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間為125uS4.5.2 ADC0809 芯片的引腳圖及引腳功能引腳圖如圖4-3所示，部分引腳功能說

40、明如圖4-5： 圖4-5 ADC0809引腳圖 Figure 4-5 The pin chart of ADC0809 IN0IN7：8路模擬信號(hào)輸入端D0D7：8位數(shù)字量輸出端START：?jiǎn)?dòng)控制輸入端，高電平有效，用于啟動(dòng)ADC0809內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換過程ALE：地址鎖存控制輸入端。ALE端可與START端連接在一起，通過軟件輸入一個(gè)正脈沖，可立即啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出端，開始A/D轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)輸出高電平。OE：輸出允許控制端，用于打開三態(tài)輸出鎖存器。當(dāng)OE為高電平時(shí)，打開三臺(tái)數(shù)據(jù)輸出鎖存器，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)量輸送到數(shù)據(jù)總線上。CLK：時(shí)鐘信號(hào)輸入端。ADDA

41、（ADDB、ADDC）：8路模擬選通開關(guān)的3位地址選通輸入端。VREF+：參考電壓正端。VREF-：參考電壓負(fù)端。4.5.3 ADC0809與AT89C51 單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)ADC0809 與AT89C51的硬件接口方式有：查詢方式、中斷方式和等待延時(shí)方式。采用中斷方式不浪費(fèi)CPU的等待時(shí)間，但如果A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間較短，也可采用程序查詢方式和等待延時(shí)方式。在此采用中斷方式，接口電路如圖4-6： 圖4-6 ADC0809與AT89C51的接口電路 Figure 4-6 The interface circuit of ADC0809 and AT89C51 P2.6與WR相或非，產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)STA

42、RT和地址鎖存控制信號(hào)ALE；P2.6與RD相或非產(chǎn)生輸出允許控制信號(hào)OE。OE為高電平時(shí)，打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)量輸送到數(shù)據(jù)總線上。4.6 通信電路對(duì)于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送問題，我們首先考慮到對(duì)傳送信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)。我們知道，對(duì)于長(zhǎng)距離的均勻傳輸線只能傳送連續(xù)的模擬信號(hào)，而且傳送頻帶往往存在一定的限制，一般的傳輸線有效傳輸頻帶在3400HZ以下，而發(fā)送設(shè)備發(fā)送的原始數(shù)據(jù)又都是離散的二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號(hào)序列。若使用模擬線路來傳送數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，必須在發(fā)送前先將原始信號(hào)經(jīng)過數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換，這就是調(diào)制過程。在數(shù)據(jù)終端接受前，則需進(jìn)行相反的轉(zhuǎn)換，稱解調(diào)。調(diào)制解調(diào)器就是實(shí)現(xiàn)這一功能的裝置，它是為解決模擬

43、線路上傳輸數(shù)字信號(hào)而設(shè)計(jì)的一種信號(hào)變換裝置，由此，調(diào)制解調(diào)器的基本作用把數(shù)字信號(hào)變換成模擬信號(hào)，在模擬線路上傳輸，并把經(jīng)過傳輸?shù)哪M信號(hào)反變成原始發(fā)送的數(shù)字信號(hào)。其過程如圖4-7所示:調(diào)制解調(diào)現(xiàn)場(chǎng)儀表調(diào)制解調(diào)監(jiān)控中心 圖4-7 數(shù)字信號(hào)傳輸過程 Figure 4-7 Digital signal transmission4.6.1 串行通訊隨著微機(jī)特別是單片機(jī)的發(fā)展，其應(yīng)用已從單機(jī)逐漸向多機(jī)或聯(lián)網(wǎng)，而多機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵又在于微機(jī)之間的相互通訊，互傳數(shù)據(jù)信息。在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，CPU與外部的基本通訊方式有兩種:并行通訊數(shù)據(jù)的各位同時(shí)傳送;串行通訊數(shù)據(jù)一位一位順序傳送。在并行通訊中，數(shù)據(jù)有多少位就需

44、要多少條傳送線，而串行通訊只需要一對(duì)傳送線，故串行通訊能節(jié)省傳送線，特別是當(dāng)數(shù)據(jù)位數(shù)很多和遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳送時(shí)，這一優(yōu)點(diǎn)更加突出。但串行數(shù)據(jù)也有缺點(diǎn)，那就是速度比并行通訊要慢。1.串行通訊是指將構(gòu)成字符的每個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)位，依據(jù)一定的順序逐位進(jìn)行傳送的通訊方法。在串行通訊中，有二種基本的通訊方式:異步通訊和同步通訊。2.串行通訊中，要把數(shù)據(jù)從一個(gè)地方傳送到另一個(gè)地方，必須使用通訊線路。數(shù)據(jù)在通訊線路兩端的工作(通訊線路或計(jì)算機(jī))之間傳送。按通訊方式，可將數(shù)據(jù)傳輸線路分成三種: 1.單工方式 2.半雙工方式3.全雙工方式有一點(diǎn)需要注意，盡管許多串行通訊接口電路具有全雙工通訊能力，但在實(shí)際使用中，大多數(shù)

45、情況只工作于半雙工方式，即兩個(gè)工作站通常并不同時(shí)收發(fā)。這種用法并無害處，雖然沒有充分發(fā)揮效率，但簡(jiǎn)單，實(shí)用。4.6.2 信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)串行通訊中傳輸?shù)男盘?hào)是數(shù)字信號(hào)(方波脈沖序列)，它要求通訊媒介必須有比方波本身頻率更寬頻帶，否則高頻分量將被濾掉，使方波出現(xiàn)毛刺而變形。解決這一問題的辦法是:利用調(diào)制手段，將數(shù)字方波信號(hào)變換成某種能在通訊線上傳輸而不受影響的波形信號(hào)，正弦波正是最理想的選擇。這不僅因?yàn)楫a(chǎn)生正弦波很方便，更重要的正弦波不易受通訊線固有頻率的影響。所謂調(diào)制，就是將載波信號(hào)(待傳送的數(shù)字信號(hào))通過一種信號(hào)進(jìn)行編碼，而將信號(hào)的恢復(fù)稱為解調(diào)，相應(yīng)的設(shè)備稱為調(diào)制器和解調(diào)器。信號(hào)發(fā)送端的調(diào)制

46、器將待傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，接收方用解調(diào)器檢測(cè)此模擬信號(hào)，再把它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。由于串行通訊大都是雙向進(jìn)行的，通訊線路的任一端既需要調(diào)制器也需要解調(diào)器，將調(diào)制器和解調(diào)器合二為一的裝置稱為調(diào)制解調(diào)器。4.6.3 芯片的選擇通信電路采用日本OKI公司的MSM7512B遠(yuǎn)距離、低功耗、高可靠性的調(diào)制解調(diào)器芯片。該芯片編程容易，外圍接口電路簡(jiǎn)單，通信距離遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)傳輸可靠，傳輸率設(shè)置為1200bps時(shí)，通信距離可達(dá)20km,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它常用通信芯片的傳輸距離，并且小信號(hào)傳送穩(wěn)定可靠，克服模擬傳送中小信號(hào)失真的特點(diǎn)，滿足使用需要。芯片為低功耗型，通信時(shí)典型功耗為25mW，掉電時(shí)最大為O.1mW。引

47、腳如圖4-7，部分引腳說明：AO：模擬發(fā)送信號(hào)輸出。AI：模擬接收信號(hào)輸入。EAI：內(nèi)部模擬信號(hào)輸出，本引腳上的信號(hào)通過發(fā)送輸出放大器從AO腳發(fā)送出去，不用此腳時(shí)，它應(yīng)該被懸空。X1、X2：連接晶體振蕩器。CLK：時(shí)鐘信號(hào)輸出。RD：調(diào)制解調(diào)器接收串行數(shù)據(jù)輸出。 圖4-8 MSM7512B引腳圖 Figure 4-8 The pin chart of MSM7512BCD：FSK接收信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)控制，數(shù)字0和1分別表示“檢測(cè)到”和“未檢測(cè)到。XD：調(diào)制解調(diào)器接收串行數(shù)據(jù)輸出。RS：FSK接收信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)控制，當(dāng)數(shù)字“0”加至RS時(shí)，發(fā)送被使能。MOD1、MOD2：工作模式選擇當(dāng)Mod1=0

48、,Mod2=0時(shí),MSM7512B工作于調(diào)制模式。XD輸入為0或1的數(shù)字信號(hào),AO端對(duì)應(yīng)輸出頻率為2200Hz或1200Hz的FSK信號(hào),RS是FSK信號(hào)輸出的使能控制端;當(dāng)Mod1=1,Mod2=0時(shí),MSM7512B工作于解調(diào)模式,AI輸入頻率為2200Hz或1200Hz的FSK信號(hào),RD對(duì)應(yīng)輸出解調(diào)后的0或1數(shù)字信號(hào),CD是輸入檢測(cè)的指示;當(dāng)Mod1=0,Mod2=1時(shí),MSM7512B工作于環(huán)路自測(cè)模式,用于檢測(cè)芯片工作是否正常;當(dāng)Mod1=1,Mod2=1時(shí),MSM7512B工作于節(jié)電模式,此時(shí)MSM7512B功耗僅0.1mW,其他模式一般功耗為25mW。MSM7512B芯片主要性能

49、特點(diǎn):符合ITU-TV.23標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳輸方式有1200bps半雙工通信或1200bps接收/75bps發(fā)送兩種方式；采用3-5V單電源供電；低功耗:工作模式:25mW(典型值) 掉電模式:0.1mW(最大值)具有載波檢測(cè)和自環(huán)測(cè)試功能；內(nèi)部具有輸出信號(hào)放大驅(qū)動(dòng)電路；晶振頻率為3.579545MHZ；數(shù)據(jù)接口與TTL電平兼容。4.6.4 MSM7512B的應(yīng)用 MSM7512B在通信中是單電源調(diào)制解調(diào)芯片，可以通過有線和無線通信的方式進(jìn)行信號(hào)傳輸。在有線傳輸方式中，可以用專用的雙絞線，也可以通過電話線進(jìn)行傳輸。單片機(jī)控制并利用傳輸線進(jìn)行信息傳輸時(shí)，MSM7512B可以連接到雙絞線上，利用有線方

50、式進(jìn)行傳輸，它與傳輸線的接口電路由1: 1的音頻變壓器，外部的輸入/輸出電壓調(diào)整電路組成。在線上的傳輸信號(hào)電壓和集成電路接收的信號(hào)電壓可以根據(jù)實(shí)際需要獨(dú)立的設(shè)置。實(shí)際的應(yīng)用電路如圖4-9： 圖4-9 MSM7512B應(yīng)用電路 Figure 4-9 The applied circuit of MSM7512B 1.HT9200A是串行式DTMF電路，用于產(chǎn)生DTMF信號(hào)送入MSM7512B的外部信號(hào)輸入端EAI。AT89C51通過P2.7、P1.2、P1.3控制HT9200A，P2.7用于產(chǎn)生片選信號(hào)，P1.2用于輸出串行數(shù)據(jù)，P1.3用于產(chǎn)生串行同步信號(hào)。串行口TXD接XD，用于進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸

51、RXD接RD，用于進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。3.在發(fā)送狀態(tài)下，通過AI口輸出調(diào)制完的模擬信號(hào)。在接收狀態(tài)下，通過AO口輸入待調(diào)制的模擬信號(hào)，經(jīng)7512B解調(diào)送入單片機(jī)內(nèi)部。由圖可知，在發(fā)送一側(cè)，MSM7512B的操作由MCU1控制，MCU1的串行發(fā)送數(shù)據(jù)由MSM7512B的XD端接收，經(jīng)MSM7512B的AO端口調(diào)制輸出，再經(jīng)過音頻變壓器耦合到均勻傳輸線上。在接收一側(cè)，傳輸線上的模擬信號(hào)經(jīng)音頻變壓器耦合到MSM7512B的AI端進(jìn)行解調(diào)，由MSM7512B的RD輸出數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)入MCU2的串行接收端，MSM7512B的操作由MCU2控制。由此我們可知信號(hào)的傳輸過程如下:MCU1發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，MCU1的下載

52、數(shù)據(jù)以數(shù)字信號(hào)格式通過串口發(fā)送給MSM7512B。MSM7512B利用FSK技術(shù)把數(shù)字信號(hào)格式變換成1200HZ或2200HZ頻率的調(diào)制信號(hào)(其中1200HZ代表邏輯1,2200HZ代表邏輯0)，通過總線發(fā)送到接收端的MSM7512B，在接收端由MSM7512B解調(diào)為數(shù)字信號(hào)發(fā)送給MCU2進(jìn)行分析及處理。另一方面，MCU 1接收數(shù)據(jù)時(shí)，MCU2利用串口把數(shù)據(jù)發(fā)送給MSM7512B,MSM7512B同樣利用FSK技術(shù)把數(shù)字信號(hào)調(diào)制成1200HZ或2200HZ頻率的調(diào)制信號(hào)，通過總線傳送給首端的MSM7512B, MSM7512B把調(diào)制信號(hào)解調(diào)為數(shù)字信號(hào)，再把數(shù)據(jù)發(fā)送給MCU1分析和處理。4.7

53、看門狗電路 看門狗電路一般有軟件看門狗和硬件看門狗兩種。軟件看門狗不需外接硬件電路，但系統(tǒng)需要出讓一個(gè)定時(shí)器資源，這在許多系統(tǒng)中很難辦到，而且若系統(tǒng)軟件運(yùn)行不正常，可能導(dǎo)致看門狗系統(tǒng)也癱瘓。硬件看門狗是真正意義上的“程序運(yùn)行監(jiān)視器”，如計(jì)數(shù)型的看門狗電路通常由555多諧振蕩器、計(jì)數(shù)器以及一些電阻、電容等組成，分立元件組成的系統(tǒng)電路較為復(fù)雜，運(yùn)行不夠可靠?？删幊炭撮T狗電壓監(jiān)控電路選用Xicor公司的X25045集成芯片，它是集看門狗定時(shí)器功能，電壓監(jiān)控功能，快閃E2PROM存儲(chǔ)功能為一體的集成芯片，大大簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了對(duì)印制電路板的空間要求，降低了成本和系統(tǒng)功耗，是一種

54、理想的單片機(jī)外圍芯片?？撮T狗定時(shí)器電路對(duì)微控制器提供了獨(dú)立的保護(hù)系統(tǒng)，可編程設(shè)置三種周期，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，在預(yù)先設(shè)定的周期之后產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，該周期一旦設(shè)定，即使在電源周期變化之后也不改變。電壓監(jiān)控功能可以保護(hù)系統(tǒng)使之免受低電壓狀況的影響，當(dāng)V0降到最小轉(zhuǎn)換點(diǎn)以下時(shí)，系統(tǒng)復(fù)位，直到電壓升高且穩(wěn)定為止，E2PROM可存放數(shù)據(jù)，安全可靠，這種組合不僅降低系統(tǒng)成本，減少電路板空間要求，而且與CPU接口簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定。芯片的性能特點(diǎn):可編程的看門狗定時(shí)器；低VCC檢測(cè)，直到VCC等于1V時(shí)復(fù)位信號(hào)有效；1MHZ的串行時(shí)鐘頻率；512×8位串行EEPROM；低功耗CMOS設(shè)計(jì)，工作時(shí)電流3mA

55、，備用時(shí)10A；電源電壓為2.7V5.5V；片內(nèi)寫保護(hù)；高可靠性:使用期限:100000周期/字節(jié)； 數(shù)據(jù)保存期:100年； ESD保護(hù):所有引腳2000V ;RESET高電平有效。 引腳如圖4-10，部分引腳說明：片選擇輸入；SO：SO是一個(gè)推/拉串行數(shù)據(jù)輸出引腳，在讀周期時(shí)間內(nèi)，數(shù)據(jù)從這個(gè)引腳輸出，串行時(shí)鐘脈沖下降沿時(shí)數(shù)據(jù)輸出；圖4-10 X25045引腳圖Figure 4-10 Pin chart of X25045SI：是串行數(shù)據(jù)輸入引腳，所有的操作碼，字節(jié)，地址及數(shù)據(jù)都通過這個(gè)引腳寫入存儲(chǔ)器，串行時(shí)鐘脈沖上升沿時(shí)，數(shù)據(jù)被鎖存； SCK：串行時(shí)鐘輸入，其上升沿將數(shù)據(jù)或命令寫入，下降沿將數(shù)據(jù)輸出； ：寫保護(hù)輸入。當(dāng)它低電平時(shí)，寫操作被禁止； ：復(fù)位輸出。X25045硬件連接圖如圖4-11： 圖4-11 X25045硬件連接