畢業(yè)論文-基于單片機(jī)的礦用氣體傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者：學(xué)號：系部：信息工程系專業(yè)：應(yīng)用電子技術(shù)題目：基于單片機(jī)的礦用氣體傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用指導(dǎo)者：評閱者：2014年5月畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文摘要隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各行各業(yè)對煤炭的需求急劇增加，而各種礦難事故的發(fā)生，使得煤炭安全生產(chǎn)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。人們對礦內(nèi)環(huán)境問題及工作人員健康問題日益重視，礦內(nèi)空氣品質(zhì)狀況受到越來越多的關(guān)注。本文針對瓦斯的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出同時監(jiān)測高低濃度的瓦斯系統(tǒng)，全天候不間斷的對井下瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測。同時采用聲光報警系統(tǒng)，一旦瓦斯超標(biāo)，系統(tǒng)立即提醒正在井下作業(yè)的工人緊急撤離，避免人員傷亡，并且還運(yùn)用紅外遙控系統(tǒng)來進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。設(shè)計(jì)這種智能傳感器采用閉環(huán)控制來確保采樣的平穩(wěn)。該傳感器以AT89C51單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)對瓦斯的檢測、報警和控制，安全可靠，經(jīng)久耐用，適合各類煤礦瓦斯的監(jiān)控，可以大大降低煤礦事故的發(fā)生，降低企業(yè)成本，提高煤炭開采率，為我國煤炭事業(yè)做出貢獻(xiàn)。關(guān)鍵字：AT89C51瓦斯數(shù)碼管目錄TOC\o"1-3"\f\h240141緒論 188561.1系統(tǒng)簡介 147911.1.1本文的主要研究內(nèi)容 1130741.1.2本文的結(jié)構(gòu)安排 1151781.2項(xiàng)目提出的背景 2298181.3國內(nèi)外研究狀況 3272151.4測量儀器儀器概況 581461.4.1測量儀器的概念 522311.4.2測量儀器的基本性能 516472礦內(nèi)環(huán)境品質(zhì)的基本介紹 697272.1礦內(nèi)主要污染物 6305492.2.安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 6175853礦內(nèi)空氣傳感器的原理及主要元器件 7256493.1甲烷濃度檢測儀原理分析 7194333.2AT89C51單片機(jī)簡介 10274643.2.1單片機(jī)選用 10199763.2.2AT89C51單片機(jī)的擴(kuò)展 14219843.3瓦斯傳感器的選用 1456284礦內(nèi)空氣傳感器的硬件 17222524.1實(shí)時時鐘模塊 17142764.2放大電路 17296874.3模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的模塊 1815614.4看門狗電路 2047844.5聲光報警電路的設(shè)計(jì) 2277824.6數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì) 23142074.7電源電路設(shè)計(jì) 2413964.8本章小結(jié) 2497335礦內(nèi)空氣傳感器的軟件設(shè)計(jì) 25252015.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路 25231715.1.1總體設(shè)計(jì)思想 2549265.1.2編程語言的選擇 26193105.2軟件模塊設(shè)計(jì) 26276895.2.1主程序模塊 2673635.2.2AD轉(zhuǎn)換模塊 27180495.2.3比較判斷函數(shù) 28314465.2.4顯示報警函數(shù) 29237075.2.5液晶顯示模塊 29165565.2.4聲光報警模塊 30100595.3本章小結(jié) 3028199結(jié)論 3020445致謝 3021640附錄A 321緒論本文的主要研究內(nèi)容本課題設(shè)計(jì)的是基于單片機(jī)的井下瓦斯?jié)舛戎悄軅鞲衅?，該系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C51為核心，包含甲烷濃度采樣器、把220V的交流電轉(zhuǎn)換成5V的直流電源、存儲器的擴(kuò)展、LCD顯示器和報警裝置等組成。該傳感器可以有效的監(jiān)測井下低濃及高濃瓦斯，試用范圍非常廣泛。監(jiān)測到的信息傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后發(fā)出指令，如果瓦斯超過規(guī)定值，該系統(tǒng)可以立即發(fā)出聲光報警并自動發(fā)出執(zhí)行指令以降低瓦斯?jié)舛?。該系統(tǒng)可有效的降低瓦斯事故發(fā)生率，，結(jié)構(gòu)靈活，擴(kuò)展性強(qiáng)，具有較高的性價比，AT89C51的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了電子硬件設(shè)計(jì)的“軟件化”，大大的提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，非常實(shí)用于各種大小煤礦井下瓦斯的監(jiān)測監(jiān)控，性能優(yōu)良，經(jīng)久耐用，可靠性高。本文的結(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內(nèi)外研究水平與動向以及測量儀器的基本性能，同時給出整個論文的結(jié)構(gòu)安排。第二章是礦內(nèi)空氣品質(zhì)的基本介紹。闡述了礦內(nèi)污染物種類及來源分析礦內(nèi)環(huán)境品質(zhì)監(jiān)測方法及安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。第三章是對瓦斯傳感器的原理及主要元器件單片機(jī)及敏感原件的簡介。第四是硬件設(shè)計(jì)。闡述了該傳感器的基本原理以及對組成系統(tǒng)的單片機(jī)、時鐘電路、敏感元件、小信號放大電路、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。圖原理框圖圖原理框圖1.2項(xiàng)目提出的背景從我國煤炭生產(chǎn)的現(xiàn)狀及我國能源結(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)、甲烷檢測監(jiān)控水平，已成為中小型煤礦甲烷檢測監(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(jì)的，而且自身尚有一些有待解決的問題，如:造價高，系統(tǒng)最基本的配置過于龐大，運(yùn)行費(fèi)用大傳感器測量穩(wěn)定性差，調(diào)校頻繁，壽命短系統(tǒng)安裝、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(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。甲烷濃度傳感器就是用來監(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，甲烷濃度傳感器在煤礦是數(shù)量最多，使用最普遍的安全傳感器，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。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對煤炭需求量也越來越大，這就使得煤礦的安全生產(chǎn)面臨著一個十分嚴(yán)峻的問題。煤礦礦難事故屢屢發(fā)生，造成的原因有很多，其中不少是因?yàn)橥咚贡ㄒ鸬?。為了防止瓦斯爆炸事故的發(fā)生，除了加強(qiáng)井下作業(yè)人員的管理，改善井下的作業(yè)環(huán)境外，還必須建立一個性能可靠的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)。煤礦瓦斯是指礦井中主要由煤層氣構(gòu)成的以甲烷為主的有害氣體的總稱。有時也單獨(dú)指甲烷。瓦斯在空氣的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到一定的程度（5%～12%）時，在一定條件下可與空氣中的氧氣發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)而形成瓦斯爆炸，對煤礦安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。礦井瓦斯監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)是伴隨著煤炭工業(yè)發(fā)展而逐步發(fā)展起來的。1815年，英國發(fā)明的世界上第一種瓦斯監(jiān)測儀器——瓦斯檢定燈。利用火焰的高度來檢測瓦斯?jié)舛龋?0世紀(jì)30年代，日本發(fā)明了光干涉瓦斯檢定器，一直沿用至今；20世紀(jì)40年代，美國研制了檢測瓦斯?jié)舛鹊拿舾性K絲催化元件；1954年，英國采礦安全所研制了最早的載體催化元件。電子技術(shù)的進(jìn)展推動了瓦斯檢測控制裝置的進(jìn)一步發(fā)展，如20世紀(jì)70年代后期法國研制的CTT63/40U礦井監(jiān)控系統(tǒng)、英國的MINOS系統(tǒng)、美國的SCA—DA系統(tǒng)等。我國礦井瓦斯監(jiān)控技術(shù)經(jīng)歷了從簡單到復(fù)雜、從低水平到高水平的發(fā)展過程。從新中國成立初期到20世紀(jì)70年代，煤礦下井人員主要使用光學(xué)瓦斯檢定儀、風(fēng)表等攜帶式儀器檢測井下環(huán)境參數(shù)。20世紀(jì)60年代初期，我國開始研制載體催化元件，隨著敏感元件制造水平的提高和電子技術(shù)的發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路、微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，使監(jiān)控技術(shù)進(jìn)入了新的發(fā)展時期。20世紀(jì)70年代瓦斯斷電儀問世，裝備在采掘工作面、回風(fēng)港道等井下固定地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對瓦斯的自動連續(xù)檢測及超限自動切斷被控制設(shè)備的電源。隨后，陸續(xù)研制了便攜式瓦斯監(jiān)控檢測報警儀、瓦斯報警礦燈。1983年至1985年，從歐美國家先后引進(jìn)了數(shù)十套監(jiān)控系統(tǒng)及配套的傳感器和便攜式儀器裝備煤礦礦井，并相應(yīng)地引進(jìn)了部分監(jiān)控系統(tǒng)、傳感器和敏感元件制造技，由此推動了我國礦井安全監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展。1983年以后，國內(nèi)有多種型號礦井監(jiān)控系統(tǒng)通過了技術(shù)鑒定，逐步實(shí)現(xiàn)了對煤礦礦井安全、生產(chǎn)多種參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測、監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理。近幾年，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用，特別是網(wǎng)絡(luò)和信息化建設(shè)的不斷發(fā)展，給瓦斯治理提供了機(jī)遇條件，煤礦瓦斯監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。這些裝備和系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用，豐富了我國煤礦安全監(jiān)控產(chǎn)品的市場，改善了煤礦安全技術(shù)裝備的面貌，縮小了我國與國外先進(jìn)技術(shù)水平的差距。傳統(tǒng)的煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)大體可以分為兩大部分：井下部分和井上部分。井下部分主要通過各種檢測設(shè)備（各種傳感器，如風(fēng)量傳感器、負(fù)壓（壓力）傳感器、一氧化碳傳感器和礦用設(shè)備開停傳感器等）來采集井下各種氣體的濃度與含量、井下空氣狀況、設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況等數(shù)據(jù)，然后通過現(xiàn)場總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄?。在井上，井下傳上來的?shù)據(jù)通過專線與煤礦安全管理辦公室服務(wù)器和更高一級安全主管部門服務(wù)器連接。服務(wù)器上面運(yùn)行的是監(jiān)控軟件。上面有井下每一個傳感器的標(biāo)簽，所顯示的數(shù)據(jù)通過上傳數(shù)據(jù)的改變而不斷刷新。同時，監(jiān)控軟件還可以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、處理、分析和存檔，可以作為相關(guān)負(fù)責(zé)人員決策的重要依據(jù)。并且監(jiān)控軟件具有超標(biāo)自動報警功能，用來提示工作人員對設(shè)備的故障或現(xiàn)場瓦斯?jié)舛惹闆r，以及時采取措施，避免重大事件的發(fā)生。煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)的意義不言而喻。以山西省為例，近幾年，特別是2006年以來，山西省煤炭系統(tǒng)在黨和各級政府及安全部門的重視下，全省煤礦信息化工作有了新發(fā)展，取得了新成績。特別是由瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)所形成的全省煤礦四級信息網(wǎng)絡(luò)平臺，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及信息技術(shù)用于瓦斯安全治理的一項(xiàng)創(chuàng)舉，極大的促進(jìn)了山西煤炭信息化工作。山西省煤炭系統(tǒng)2005年底累計(jì)安裝使用瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)3868套。目前，該省國有重點(diǎn)煤礦121座礦井全部安裝了瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，并全部聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，在線運(yùn)行率達(dá)100%。地方煤礦現(xiàn)有2806座礦井全部安裝了瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，已連網(wǎng)運(yùn)行2671座。這些系統(tǒng)的運(yùn)用，極大的降低了煤礦瓦斯事故。由此可知，為了最大限度的降低煤礦瓦斯事故的發(fā)生，除了對工作人員嚴(yán)格要求外，加緊建設(shè)煤礦瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)必不可少，它對預(yù)防瓦斯事故的發(fā)生具有舉足輕重的作用。況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(shí)驗(yàn)方法，求出以所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)上安裝采煤機(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。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。1.精確度：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。2.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。3.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。4.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。5.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。2礦內(nèi)環(huán)境品質(zhì)的基本介紹礦內(nèi)污染物種類繁多，不可能逐一測量，研究的思路是用一個典型的污染物來代表一類污染物，這種污染物稱為評價指標(biāo)。（1）瓦斯（CO）：是一種無色、無味、無臭的氣體；它可燃燒，當(dāng)含量在13％～75％時，遇火能引起爆炸；瓦斯極毒，當(dāng)其含量達(dá)0．4％時，人在短時間內(nèi)就可中毒死亡?！睹旱V安全規(guī)程》（以下簡稱《規(guī)程》）規(guī)定其最高容許濃度為0．0024％。（2）硫化氫（HzS）：是一種無色、微甜、有臭雞蛋味的氣體，易溶于水，遇火后能燃燒及爆炸；硫化氫極毒，它能使血液中毒，對眼睛及呼吸系統(tǒng)的粘液膜有強(qiáng)烈的刺激作用?！兑?guī)程》容許其最高濃度為0．00066％。（3）二氧化硫（SO2）：是一種無色、有強(qiáng)烈硫磺味及酸味的氣體，同呼吸氣管潮濕表皮接觸能產(chǎn)生硫酸，刺激并麻痹上部呼吸氣管的細(xì)胞組織，使肺及支氣管發(fā)炎?！兑?guī)程》規(guī)定其最高容許濃度為0.0005％。（4）二氧化氮（NO2）：為紅褐色，易溶于水，是劇毒氣體，對人的眼睛及呼吸器官有強(qiáng)烈刺激作用?！兑?guī)程》容許其最高濃度為0．00025％。（5）沼氣（CH。）：沼氣是煤礦常見的有害氣體,化學(xué)名稱叫甲烷，無色、無味、無臭、無毒；它比空氣輕常聚集在巷道上方，當(dāng)其在空氣中含量高時可降低氧含量，引起窒息；它具有爆炸性，爆炸濃度一般為5%～16％?！兑?guī)程》中對沼氣容許濃度因在井下各點(diǎn)不同，。（6）氨氣（NH。）：是一種無色氣體，有似氨水的劇臭；它極毒，能刺激皮膚和上呼吸道并能嚴(yán)重?fù)p傷眼睛?！兑?guī)程》規(guī)定其最高容許濃度為0．004%。（7）二氧化碳（COz）：是一種無色、微毒、稍有酸味的氣體，它不助燃，也不維持久的呼吸，它比空氣重，常聚集在巷道的下方及通風(fēng)不良的下山盡頭；易溶于水，生成碳酸，對人的眼、鼻、喉的粘膜有刺激作用。《規(guī)程》規(guī)定其最高容許濃度為0．5％。為做到全國統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，原國家煤炭部曾在1964年就已經(jīng)提出煤礦質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化，1986年在全國開展實(shí)施。國家煤礦安全監(jiān)察局分別于2004年2月23日對原部頒標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，以煤安監(jiān)辦字【2004】24號文下發(fā)了《關(guān)于印發(fā)“煤礦安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)及考核評級辦法（試行）”的通知》。于2009年8月8日，國家安監(jiān)總局、國家煤礦安監(jiān)局對標(biāo)準(zhǔn)再次修訂，聯(lián)合頒布安監(jiān)總煤行〔2009〕150號《關(guān)于印發(fā)“煤礦安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)及考核評級辦法（試行）”的通知》?，F(xiàn)在執(zhí)行的是國家煤礦安全監(jiān)察局于2013年1月17日以煤安監(jiān)行管[2013]1號文件下發(fā)的《煤礦安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化考核評級辦法（試行）》版本。3礦內(nèi)空氣傳感器的原理及主要元器件3.1甲烷濃度檢測儀原理分析甲烷濃度傳感器按其工作原理不同，有下列幾種: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(shí)現(xiàn)對不同甲烷濃度的測定。其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高，堅(jiān)固耐用，校正容易，高低濃度均可測量，還可測量二氧化碳濃度;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，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)自動檢測較困難。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(diǎn)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，受背景氣體和溫度變化的影響小，容易實(shí)現(xiàn)自動檢測。其缺點(diǎn)是探測元件的壽命較短，不能測高濃度甲烷，硫化氫及硅蒸汽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。熱導(dǎo)式是利用甲烷與空氣熱導(dǎo)率之差來實(shí)現(xiàn)甲烷濃度的測定。其優(yōu)點(diǎn)是熱導(dǎo)元件和儀器設(shè)計(jì)制作比較簡單，成本低、量程大，可連續(xù)檢測，有利于實(shí)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(diǎn)是測量低濃度甲烷時輸出信號小，受氣溫及背景氣體的影響較大。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(diǎn)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，測量范圍寬，可連續(xù)檢測;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。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℃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(diǎn)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(diǎn)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。5mm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，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便于測量的探頭，探頭可以單獨(dú)設(shè)置，也可以作為一個獨(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。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本項(xiàng)目采用熱催化式工作原理。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，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，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烷濃度的高低，檢測此電壓便可測量出甲烷濃度。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)測量低濃度甲烷的傳感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)到測定甲烷濃度的目的。圖3-1工作原理圖時鐘圖3-1工作原理圖時鐘電源模塊顯示電路報警電路可編程看門狗電路單片機(jī)敏感元件小信號放大電路A/D轉(zhuǎn)換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應(yīng)的電壓信號，此電壓經(jīng)過放大電路放大后，送到A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入單片機(jī),單片機(jī)對采樣值進(jìn)行數(shù)值計(jì)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、光報警信號。當(dāng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)需要查詢甲烷濃度時，只要發(fā)出相應(yīng)信息，報警儀即可將測量結(jié)果經(jīng)串行口及通信電路傳送出去，最長傳輸距離可達(dá)到20km。3.2AT89C51單片機(jī)簡介單片機(jī)選用隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)因具有集成度高、體積小、速度快、價格低等特點(diǎn)而在許多領(lǐng)域如過程控制、數(shù)據(jù)采集、機(jī)電一體化、智能化儀表、家用電器以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方面得到廣泛應(yīng)用，從而使這些領(lǐng)域的技術(shù)水平、自動化程度大大提高。根據(jù)上述幾方面及本課題的實(shí)際情況，單片機(jī)型號的選擇主要從以下兩點(diǎn)考慮:一：是要有較強(qiáng)的抗干擾能力。由于一般室礦內(nèi)環(huán)境惡劣，這對單片機(jī)的干擾較大，所以應(yīng)采用抗干擾性能較好的單片機(jī)機(jī)型。二：是要有較高的性價比。由于MCS-51系列在我國使用最廣且該系列的資料和能夠兼容的外圍芯片也比較多，故本文采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C5AT89C51單片機(jī)是AT89C系列單片機(jī)中的一種，圖圖3-2AT圖3-2AT89C51芯片AT89C51單片機(jī)有以下特點(diǎn)：·與MCS-51兼容

·4K字節(jié)可編程閃爍存儲器

壽命：1000寫/擦循環(huán)

數(shù)據(jù)保留時間：10年

·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz

·三級程序存儲器鎖定

·128*8位內(nèi)部RAM

·32可編程I/O線

·兩個16位定時器/計(jì)數(shù)器

·5個中斷源

·可編程串行通道

·低功耗的閑置和掉電模式

·片內(nèi)振蕩器和時鐘(2)管腳說明：VCC：供電電壓。

GND：接地。

P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。

P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時，P1口作為第八位地址接收。

P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時接收高八位地址信號和控制信號。

P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。

P3.5T1（記時器1外部輸入）

P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）

P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）

P3口同時為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。

ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。

PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。

EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。

XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。

XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。（3）振蕩器說明XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。芯片擦除整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。

此外，AT89C3.2.2AT89C51單片機(jī)的擴(kuò)展設(shè)計(jì)中采用AT89S52單片機(jī)作為本系統(tǒng)控制單元的核心部件并采用8255A用作并行接口。硬件連接圖如圖3-3所示，其中AT89C51的P0口做擴(kuò)展用，PI口做通道選擇,P2口控制LCD1602顯示。 8255A的PA作輸出口控制燈的亮滅，PB口做輸入接收AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，PC口做輸入循環(huán)掃描按鍵是否按下。圖3-3圖3-38255A引腳圖瓦斯傳感器的選用在選擇敏感元件時，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(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(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±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(diǎn)，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，1cm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(diǎn)，因?yàn)楸患せ畹脑谝欢螘r間內(nèi)會造成輸出不穩(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:(3-1)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；:常數(shù)；T:元件的作溫度；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為:FWC-2。參數(shù)為:測量介質(zhì):甲烷工作電流:直流穩(wěn)壓工作點(diǎn):2.8V/≤175mA測量范圍:0-4%CH4穩(wěn)定性:靈敏度變化±0.1%CH4響應(yīng)時間:≤20S

4礦內(nèi)空氣傳感器的硬件4.1實(shí)時時鐘模塊圖4-1時鐘電路原理圖圖4-1時鐘電路原理圖單片機(jī)工作時，從取指令到譯碼再進(jìn)行微操作，必須在時鐘信號控制下才能有序地進(jìn)行，時鐘電路就是為單片機(jī)工作提供基本時鐘的。單片機(jī)的時鐘信號通常有兩種產(chǎn)生方式：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。本課題采用內(nèi)部時鐘方式。在單片機(jī)XTAL1和XTAL2引腳上跨接上一個晶振和兩個穩(wěn)頻電容，可以與單片機(jī)片內(nèi)的電路構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。晶振頻率取12MHz。外接電容的作用是對振蕩器進(jìn)行頻率微調(diào)，使振蕩信號頻率與晶振頻率一致，同時起到穩(wěn)定頻率的作用，本課題選用33pF的電容。易知：本單片機(jī)最小系統(tǒng)的振蕩周期=1/(12MHz)=1/12us，時鐘周期=1/6us，機(jī)器周期=1us。目前有許多型號的單片測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)成測量放大器。采用單片測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50μμV/℃，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700μA，8引腳塑料DIP和SO-8封裝。電路圖如圖4-2所示：圖4-2INA128應(yīng)用電路圖4-2INA128應(yīng)用電路氣體傳感器出來的信號是模擬信號，而微處理器AT89C51只能處理數(shù)字信號，故需要對模擬信號信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為處理器能識別的數(shù)字信號，由于經(jīng)過放大電路出來的模擬電壓變化范圍在0~5V，故選擇性價比比較合適的ADC0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。其管腳定義如圖4-3所示圖4-3ADC0809管腳示意圖 圖4-3ADC0809管腳示意圖ADC0809各腳功能如下表4-1：表4-1表4-1ADC0809各腳功能引腳功能介紹D7-D0IN0-IN78位數(shù)字量輸出引腳8位模擬量輸入引腳VCC+5V工作電壓REF（+）參考電壓正端REF（-）參考電壓負(fù)端STARTA/D轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端ALE地址鎖存允許信號輸入端EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高電平OE輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。CLK時鐘信號輸入端（一般為500KHz）。A、B、C地址輸入線電路連接：ADC0809輸出接單片機(jī)的P0口，各個控制引腳及單片機(jī)的P2口，參考電壓REF(+)、REF(-)分別接+5V電源和地。具體工作過程如下：首先，在程序的控制下，利用單片機(jī)的定時器T0以及中斷服務(wù)程序在P2.7輸出一個方波信號，作為ADC0809工作的時鐘信號。并對其他控制引腳進(jìn)行初始化。然后，單片機(jī)向ADC0809的A、B引腳循環(huán)輸出地址編號，C引腳接地；每輸入一個地址編號后，START和ALE變高電平，復(fù)位ADC0809并將地址鎖存，經(jīng)過適當(dāng)?shù)难訒r后，START和ALE變低電平，開始模數(shù)轉(zhuǎn)換；P2.6接EOC引腳，當(dāng)收到高電平時，說明模數(shù)轉(zhuǎn)換完成，此時向OE引腳輸出高電平，打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量到P0口，然后OE引腳變低電平，完成一次模數(shù)轉(zhuǎn)換。圖4-4ADC0809與AT圖4-4ADC0809與AT89C51的接口電路4.4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)需要出讓一個定時器資源，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，它是集看門狗定時器功能，電壓監(jiān)控功能，快閃E2PROM存儲功能為一體的集成芯片，大大簡化了硬件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了對印制電路板的空間要求，降低了成本和系統(tǒng)功耗，是一種理想的單片機(jī)外圍芯片?？撮T狗定時器電路對微控制器提供了獨(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，在預(yù)先設(shè)定的周期之后產(chǎn)生復(fù)位信號，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，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，而且與單片機(jī)接口簡單，性能穩(wěn)定。芯片的性能特點(diǎn):可編程的看門狗定時器；低VCC檢測，直到VCC等于1V時復(fù)位信號有效；1MHZ的串行時鐘頻率；512×8位串行EEPROM；低功耗CMOS設(shè)計(jì)，工作時電流3mA，備用時10A電源電壓為2.7V～5.5V；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4-5，部分引腳說明：：片選擇輸入；SO：SO是一個推/拉串行數(shù)據(jù)輸出引腳，在讀周期時間內(nèi)，數(shù)據(jù)從這個引腳輸出，串行時鐘脈沖下降沿時數(shù)據(jù)輸出；圖4-5X25045引腳圖圖4-5X25045引腳圖SI：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)都通過這個引腳寫入存儲器，串行時鐘脈沖上升沿時，數(shù)據(jù)被鎖存；SCK：串行時鐘輸入，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，寫操作被禁止；：復(fù)位輸出。X25045硬件連接圖如圖4-6：圖4-6X25045硬件連接圖圖4-6X25045硬件連接圖報警電路由NPN三極管、蜂鳴器、LED和限流電阻組成，如圖4-7所示。由單片機(jī)兩個I/0口控制聲報警方式和光報警方式，實(shí)際應(yīng)用時，可以通過軟件設(shè)置選擇其中一種報警方式，也可以兩種都選擇。8050是一種常用的小功率開關(guān)三極管，它的最大負(fù)載電流為700mA,VCEO=20V,飽和壓降為0.5V。Q1和Q2分別作為蜂鳴器和發(fā)光二極管的驅(qū)動器，蜂鳴器的正常工作為3V，聲音強(qiáng)度為80dB，發(fā)光二極管的額定電流為5～lOmA。當(dāng)單片機(jī)I/O口信號為高電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報警聲音，發(fā)光二極管則給出光指示信號，其中，R2,R3和R1均為限流電阻。圖4-7聲光報警電路圖圖4-7聲光報警電路圖數(shù)據(jù)顯示是體現(xiàn)整個系統(tǒng)功能的部分，LED顯示成本低廉，配置靈活，與單片機(jī)連接方便。LED顯示塊具有亮度高、結(jié)構(gòu)簡單、全天候的特點(diǎn)，因此在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)用最廣，本系統(tǒng)的顯示采用的就是四位七段共陽極LED數(shù)碼管作為顯示部件。如圖4-8。圖4-8數(shù)碼管引腳圖圖4-8數(shù)碼管引腳圖圖4-9圖4-9顯示部分電路圖 4.7電源電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用集成穩(wěn)壓器7805，當(dāng)輸出電流較大時，7805應(yīng)配上散熱板。圖4-107805組成的5V電路圖圖4-107805組成的5V電路圖本章首先介紹了瓦斯的硬件結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)功能，該儀器以8位單片機(jī)AT89C51作為控制核心，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了系統(tǒng)的硬件平臺，完成了有毒氣體濃度信號的采集放大轉(zhuǎn)換電路、液晶顯示電路、聲光報警電路等的設(shè)計(jì)。該儀器能夠?qū)崿F(xiàn)有毒氣體濃度信號采集與顯示及超標(biāo)聲光報警等功能。本章重點(diǎn)介紹了信號采集模擬電路和以主控制器為中心的數(shù)字電路的設(shè)計(jì)與工作原理。首先討論了有毒氣體采集模塊中傳感器選擇問題及模擬放大電路的設(shè)計(jì)問題，最后討論了系統(tǒng)的外圍接口電路模塊，包括數(shù)碼管顯示,聲光報警等，實(shí)現(xiàn)了各外圍接口電路模塊與AT89C這一章比較具體的說明了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的內(nèi)容，通過模塊化的設(shè)計(jì)思想，把一個復(fù)雜的單片機(jī)系統(tǒng)按照功能劃分成一個個單獨(dú)的電路模型，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后在集成到一起。這種方法對于設(shè)計(jì)復(fù)雜的單片機(jī)系統(tǒng)很有效。大大提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率與質(zhì)量。5礦內(nèi)空氣傳感器的軟件設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)思想總體思路是首先定義相關(guān)的硬件接口，然后進(jìn)行初始化，包括AD控制端和定時器的初始化。初始化后開始無限無限循環(huán)，以保證24小時全天候的檢測甲烷的濃度，及時發(fā)現(xiàn)險情并報警。無限循環(huán)中將依次調(diào)用AD轉(zhuǎn)換函數(shù)、比較判斷函數(shù)、聲音報警函數(shù)和顯示報警函數(shù)。圖5-1主函數(shù)流程圖圖5-1主函數(shù)流程圖 根據(jù)軟件設(shè)計(jì)的基本要求,采取了如下的措施:1.程序模塊化。軟件設(shè)計(jì)中包含有：主程序模塊、顯示模塊、A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子模塊、聲光報警模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、中斷處理模塊等。2.軟件設(shè)計(jì)采用C51匯編語言，可以保證數(shù)據(jù)計(jì)算的精度。3.中斷響應(yīng)外部事件，提高了系統(tǒng)的實(shí)時處理事件能力。4.軟、硬件抗干擾。軟件抗干擾措施提高了系統(tǒng)的可靠性。以下就對一些主要模塊進(jìn)行詳細(xì)的闡述。編程語言的選擇在系統(tǒng)硬件電路確定以后，其主要功能的實(shí)現(xiàn)將依賴于軟件來實(shí)現(xiàn)。對同一硬件電路，配以不同的軟件，它所實(shí)現(xiàn)的功能也就不同，其設(shè)計(jì)軟件基本要求:1.可靠性?？煽啃允擒浖O(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。2.易理解性、易維護(hù)性。編制的軟件要求易閱讀，容易發(fā)現(xiàn)和糾正錯誤，容易修改和補(bǔ)充。3.實(shí)時性。系統(tǒng)能夠及時響應(yīng)外部事件的發(fā)生并能及時做出處理結(jié)果。4.準(zhǔn)確性。保證系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算數(shù)據(jù)的精度。目前存在有4種編程語言支持單片機(jī)，即匯編語言、PL/M51語言、C語言和BASI語言。其中匯編語言和C語言應(yīng)用的較多，匯編語言的機(jī)器代碼生成效率高，控制性好，但就是移植性不高。結(jié)合本系統(tǒng)的特點(diǎn)，這里選用了功能強(qiáng)、效率高的C語言。C語言主要有以下特點(diǎn)：用C語言編制的程序效率高，占用存儲空間小，運(yùn)行速度快。C語言能寫出最優(yōu)化程序，且能反映出計(jì)算機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況。C語言能直接與存儲器、接口電路打交道，也能申請中斷。具有良好的模塊化、容易閱讀、維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，且編寫的模塊程序易于移植?；贑語言和匯編語言的優(yōu)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用C語言編寫方法。主程序模塊主程序運(yùn)行流程圖如圖5-2所示。由主程序流程圖可以看出，軟件要實(shí)現(xiàn)的主要功能是實(shí)現(xiàn)對傳感器信號的數(shù)據(jù)采集，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算、分析、送數(shù)碼管進(jìn)行顯示。程序開始時，先關(guān)閉中斷，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括單片機(jī)的各寄存器、RAM、定時器裝載初值、中斷設(shè)置及各模塊初始化等。完成初始化后，數(shù)碼管顯示參數(shù)為零，單片機(jī)等待傳感器傳入信號及AD轉(zhuǎn)換結(jié)束，從而完成當(dāng)前監(jiān)測參數(shù)的正確顯示。圖5-2主程序流程圖上電復(fù)位圖5-2主程序流程圖上電復(fù)位系統(tǒng)初始化執(zhí)行主程序數(shù)碼管顯示參數(shù)參數(shù)超標(biāo)聲光報警結(jié)束5.2.2AD轉(zhuǎn)換模塊由于定電位電解式氣體傳感器工作響應(yīng)時間為10-20秒左右，故進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換前設(shè)置AD等待25秒，以保證傳感器響應(yīng)完成并使所測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。AD完成轉(zhuǎn)換需要一定的時間，AD應(yīng)用中我們可以有兩種方法來：1.中斷查詢法，AD完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后會向中斷輸出端輸出一個中斷請求信號，告訴單片機(jī)轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，單片機(jī)可以讀取數(shù)據(jù)。2.延時等待法，設(shè)定一定的時間讓單片機(jī)處于等待狀態(tài)，此時間足夠AD完成轉(zhuǎn)換，過了等待時間單片機(jī)再去讀取數(shù)據(jù)。綜合考慮各方面的因素，本研究采用第一種方法：中斷查詢法。所用的芯片為AD0809，根據(jù)所需的要求，AD的工作流程如圖5-3所示，首先AD先等待25秒以使得傳感器完全響應(yīng)完畢，然后AD開始工作，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后向單片機(jī)發(fā)出一個中斷信號告訴單片機(jī)可以讀取數(shù)據(jù)，單片機(jī)響應(yīng)中斷，從PB口讀取轉(zhuǎn)換完畢后的8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，再進(jìn)一步進(jìn)行處理。對氣體傳感器分段選擇多個測試點(diǎn)盡享精確測試，并根據(jù)測試數(shù)據(jù)繪制出傳感器的隔斷擬合曲線，為了提高數(shù)據(jù)精度，采用線性插值法。系統(tǒng)上電后，對單片機(jī)、ADC0809進(jìn)行初始化，開單片機(jī)總中斷，外部中斷0，AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后，進(jìn)入中斷子程序讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在全局變量中，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、計(jì)算與處理，以便以后單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)LCD的顯示處理。圖5-3AD流程圖圖5-3AD流程圖5.2.3比較判斷函數(shù)比較判斷函數(shù)是將AD轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)與門限值比較，根據(jù)比較結(jié)果設(shè)置報警數(shù)組的對應(yīng)位。圖5-4時鐘程序流程圖圖5-4時鐘程序流程圖顯示報警函數(shù)顯示報警函數(shù)根據(jù)報警數(shù)組控制相應(yīng)數(shù)碼管顯示報警傳感器號碼。圖5-5顯示報警函數(shù)流程圖圖5-5顯示報警函數(shù)流程圖液晶顯示