【正文】 字集成電路、單片機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，利用單片機(jī)及其它外圍芯片實(shí)現(xiàn)對(duì) 瓦斯的監(jiān)測(cè)成為一種可能，并且成為一種發(fā)展趨勢(shì)。它具有體積小、操作簡(jiǎn)單、攜帶方便、功能較齊全等優(yōu)點(diǎn)，而且性能價(jià)格比也很高，應(yīng)用前景非常廣泛。因此此次設(shè)計(jì)整體上是基于AT89S51 單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)報(bào)警。在這里我們運(yùn)用到的氣敏傳感器是 MQ4，它是用來檢測(cè)外部瓦斯的濃度（其檢測(cè)到的濃度值為模擬量），并將檢測(cè)到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出出來。然后再將電壓信號(hào)輸入到 AD7109 進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換變換成數(shù)字信號(hào)，并在 51 單片機(jī)的控制下將其輸入，然后在內(nèi)部軟件編程下進(jìn)行數(shù)值變換處理。在單片機(jī)進(jìn)行完數(shù)據(jù)處理后就將 其結(jié)果輸出顯示，從而顯示出瓦斯氣體的濃度，其中顯示部分我們采用四位的 LED 數(shù)碼管，用于顯示瓦斯?jié)舛戎?。若?shí)際瓦斯?jié)舛瘸蓿舛瘸揞A(yù)警值可鍵盤控制輸入）則在單片機(jī)的控制下進(jìn)行聲光報(bào)警。提醒生產(chǎn)人員離開，避免生產(chǎn)事故。 系統(tǒng)框圖 此次設(shè)計(jì)的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)報(bào)警器的系統(tǒng)框圖如下所示：主要由氣體傳感器、 A/D轉(zhuǎn)換器 ADC080單片機(jī) AT89C5 LED顯示電路、聲光報(bào)警裝置和附件電路組成。 5 圖 21 系統(tǒng)框圖 工作原理 在催化元件電源端 加上一正電壓，使催化元件開始工作，輸出與瓦斯?jié)舛认鄬?duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，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)氣體中的瓦斯?jié)舛戎?，若被測(cè)氣體中瓦斯?jié)舛瘸^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)。 CPU 顯示電路 報(bào)警電路 敏感元件 A / D 轉(zhuǎn) 換 6 3 報(bào)警器設(shè)計(jì) 瓦斯檢測(cè)設(shè)備 瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀的分類 (1)光干涉式 光干涉式是利用光波對(duì)空氣和瓦斯折射率不同所產(chǎn)生的光程差，引起干涉條紋移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同瓦斯?jié)舛鹊臏y(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。 (2)熱催化式 熱催化式是利用瓦斯在催化元件上的氧化生熱引起其電阻的變化來測(cè)定瓦斯?jié)舛取Ｆ鋬?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)高濃度瓦斯，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)瓦斯的儀器廣泛 采用這一原理。 (3)熱導(dǎo)式 熱導(dǎo)式是利用瓦斯與空氣熱導(dǎo)率之差來實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊臏y(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)量低濃度瓦斯時(shí)輸出信號(hào)小，受氣溫及背景氣體的影響較大。 7 (4)紅外線式 紅外線式是利用瓦斯分子能吸收特定波長(zhǎng)的紅外線來測(cè)定瓦斯?jié)舛?。其?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(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)，其表面能夠吸附瓦斯而改變其電阻值來檢測(cè)瓦斯?jié)舛?。其?yōu)點(diǎn)是對(duì)微量瓦斯比較敏感，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瓦斯?jié)舛鹊臋z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 101325Pa條件下，聲波在瓦斯中的傳播速度為 432m/s，而在清潔空氣中為 3m/s。比較這兩種速度就可測(cè)定高濃度瓦斯。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)量低濃度瓦斯，一般只用來檢測(cè)礦井抽放瓦斯管道中的瓦斯?jié)舛?。根?jù)設(shè)計(jì)要求及各類檢測(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。 熱催化元件的結(jié)構(gòu)及工作原理 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 8 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)，為使電橋在無瓦斯?fàn)顟B(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。 這種敏感元件的外觀圖見圖 31，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)量空氣中的瓦斯氣體濃度。 圖 31 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： 5m/s 大氣壓力： 80～ 116KPa (2)零點(diǎn)輸出 (空氣中的輸出電壓 ) V。： OmV～ +2OmV (3)靈敏度 M2mV (4)傳感器對(duì)多種可燃?xì)怏w的敏感特性 9 圖 32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性關(guān)系。 圖 32 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%RH， 96小時(shí) (見圖 )。 Y軸表示 Vo的輸出電壓值。 圖 33 恒定濕熱實(shí)驗(yàn)圖 10 2)低溫試驗(yàn)見表 31（氣敏 元件在 0～ 40℃的環(huán)境下維持 4小時(shí)的數(shù)據(jù)） 表 31 低溫試驗(yàn)記錄 ※ 代表傳感器輸出出現(xiàn)振幅在 0～ ，見圖 34 圖 34 傳感器震蕩波形 (6)高濃度瓦斯試驗(yàn) 將 O一 7傳感器置于 10%的瓦斯環(huán)境中 2小時(shí)，放氣前后的數(shù)據(jù)狀態(tài)。 11 表 32 高濃度瓦斯試驗(yàn)放氣前后的數(shù)據(jù) (7)穩(wěn)定性 l)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 貯存一周到一年的元件剛開 始下作時(shí)靈敏度可能達(dá)不到最佳點(diǎn)，只需在工作點(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 35 長(zhǎng)期穩(wěn)定性 黑元件載體催化燃燒式元件，當(dāng)瓦斯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 12 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)非瓦斯?jié)舛茸兓鸬拇呋柚底兓鹧a(bǔ)償作用，以提高儀器零點(diǎn)穩(wěn)定性和抗干擾能力。 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)含有瓦斯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瓦斯燃燒，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瓦斯?jié)舛鹊母叩停瑱z測(cè)此電壓便可測(cè)量出瓦斯?jié)舛取? 圖 36 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 37所示 。 13 圖 37 黑白原件的工作原理圖 整機(jī)的工作原理 儀器由電源電路、瓦斯氣體敏感元件及電橋電路、 A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示電路及報(bào)警 /斷電電路等組成。 儀器將關(guān)聯(lián)設(shè)備送來的電源穩(wěn)壓為 5V電壓，供給整機(jī)電路使用。瓦斯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而發(fā)熱，空氣中的瓦斯在高溫的測(cè)量元件的催化劑作用下，發(fā)生無焰燃燒。瓦斯?jié)舛仍礁?，測(cè)量元件的溫度越高，而補(bǔ)償元件的溫 度不變。測(cè)量電橋輸出與瓦斯?jié)舛瘸杀壤男盘?hào)電壓。 電橋信號(hào)電壓經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換后，變成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)處理后，由顯示電路顯示瓦斯?jié)舛戎担⒔?jīng)信號(hào)輸出電路輸出相應(yīng)的頻率信號(hào)。 14 A/D 轉(zhuǎn)換電路 ADC0809 的介紹 ADC0809具有 8個(gè)通道的模擬輸入線 (IN0～ IN7)，可在程序控制下對(duì)任意通道進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，獲得 8位二進(jìn)制數(shù)字量 (D7～ D0)。 模擬輸入部分有 8路多路開關(guān)，可由 3位地址輸入 ADDA、 ADDB、 ADDC的不同組合來選擇， ALE為地址鎖存信號(hào)，高電平有效，鎖存這三條地址輸 入信號(hào)。主體部分是采用逐次逼近式的 A/D轉(zhuǎn)換電路，由 CLK控制的內(nèi)部電路的工作 ,START為啟動(dòng)命令，高電平有效，啟動(dòng) ADC0809內(nèi)部的 A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成，輸出信號(hào) EOC有效， OE為輸出允許信號(hào)，高電平有效，打開輸出三態(tài)緩沖器 ,把轉(zhuǎn)換后的結(jié)果送 DB。 ADC0809是 CMOS單片型逐次逼近式 A／ D轉(zhuǎn)換器，它由 8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、 8位開關(guān)樹型 D／ A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、三態(tài)輸出鎖存器等其它一些電路組成。因此， ADC0809可處理 8路模擬量輸入，且有三態(tài)輸出能力，既可與各種微處理器相 連，也可單獨(dú)工作。輸入輸出與 TTL兼容。 引腳功能 ADC0809芯片有 28條引腳，采用雙列直插式封裝，下面說明各引腳功能。 IN0～ IN7： 8路模擬量輸入端。 D0～ D7： 8位數(shù)字量輸出端。 ADDA、 ADDB、 ADDC： 3位地址輸入線，用于選通 8路模擬輸入中的一路。 15 ALE：地址鎖存選通信號(hào)，輸入高電平有效。 START： A／ D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，輸入高電平有效。 EOC： A／ D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，當(dāng) A／ D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸 入高電平有效。當(dāng) A／ D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于 640KHZ。 REF（ +）、 REF（ ）：基準(zhǔn)電壓輸入端 ,它們決定了輸入模擬電壓的最大值和最小值 . VCC：電源，接＋ 5V。 GND：接地。 圖 38 ADC0809管腳圖 16 主要特性 (1) 8路 8位 A／ D轉(zhuǎn)換器，即分辨率 8位 (2) 具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫? (3) 轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100μ s (4) 單個(gè)＋ 5V電源供電 (5) 模擬輸入電壓范圍 0～＋ 5V，不需零 點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn) (6) 工作溫度范圍為 40～＋ 85攝氏度 (7) 低功耗，約 15mW ADC0809的工作過程是：當(dāng)模擬量送至某一輸入通道 IN0后， CPU將標(biāo)識(shí)該通道編碼的三位地址信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)線或地址線輸入到 ADDC、 ADDB、 ADDA引腳上。然后輸入 3位地址，并使 ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。 START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng) A／ D轉(zhuǎn)換，之后 EOC輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到 A／ D轉(zhuǎn)換完成，轉(zhuǎn)換開始 ,EOC變?yōu)楦唠娖?，指?A／ D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。轉(zhuǎn)換結(jié)束 ,OE輸入高電平， EOC可作為中斷請(qǐng)求信號(hào) , 轉(zhuǎn)換結(jié)束后，可通過執(zhí)行 IN指令，設(shè)法在輸出允許 OE腳上形成一個(gè)正脈沖，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。 單片機(jī)的概述 單片機(jī)中斷系統(tǒng) (1)中斷的概念 中斷是通過硬件來改變 CPU程序運(yùn)行的方向。計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序的過程中，由于 CPU以外的某種原因，有必要盡快中止當(dāng)前程序的執(zhí)行，而去 17 執(zhí)行相應(yīng)的處理程序，在處理結(jié)束后，再回來繼續(xù)執(zhí)行被中止了的源程序。這種程序在執(zhí)行過程中由于外界的原因而被中間打斷的情況稱為“中斷”。 (2)89C51 的中斷系統(tǒng) 89C51的中斷系統(tǒng)主要由幾個(gè)與中斷有關(guān)的特殊功能的寄存器，中斷入口，順序查詢邏輯電路等組成。與中斷有關(guān)的特殊功能寄存器有四個(gè)，分別為中斷源寄存器（即專用寄存器 T瓦斯 N和 S瓦斯 N的相關(guān)位），中斷允許控制寄存器 IE和中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器 IP。 89C51單片機(jī)有 5個(gè)中斷源，可提供兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，即可實(shí)現(xiàn)二級(jí)中斷嵌套。 5個(gè)中斷源的排列順序由中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器 IP和順序查詢邏輯電路共同決定。 5個(gè)中斷源對(duì)應(yīng) 5個(gè)固定的中斷入口地址。 1)中斷請(qǐng)求源： 外部中斷請(qǐng)求源：即外中斷 0和 1，經(jīng) 由外部引腳引入的，在單片機(jī)上有兩個(gè)引腳，名稱為 INT0、 INT1，也就是 、 。在內(nèi)部的 T瓦斯 N中有四位是與外中斷有關(guān)的。 IT0： INT0觸發(fā)方式控制位，可由軟件置位和復(fù)位， IT0=0， INT0