【正文】 路，繪制電路圖； 3） 設(shè)計(jì)基于 8031 單片機(jī)的實(shí)時(shí)瓦 斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)：監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的主芯片采用 8031 微處理器，系統(tǒng)中應(yīng)有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、地址鎖存器、數(shù)據(jù)鎖存器、看門狗、 A∕ D 轉(zhuǎn)換器、多路開關(guān)、數(shù)據(jù)輸出芯片（ RS232 或 485）、擴(kuò)展接口、LED顯示系統(tǒng)等，繪制各單元電路圖和總的電路圖； 礦井瓦斯?jié)舛妊芯肯到y(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 基于氣體傳感器的甲烷氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由氣體傳感器、單片機(jī)、 LED 顯示器、電源電路以及聲光報(bào)警模塊等部分組成，其原理框圖如圖 所示。今后的發(fā)展趨勢(shì)是各生產(chǎn)礦井與礦務(wù)局、各礦務(wù)局與本 省乃至全國煤礦系統(tǒng)構(gòu)成統(tǒng)一完整、功能先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)更大范圍的煤礦資源信息共享 ，簡(jiǎn)化礦井安全管理工作，保證礦井的安全生產(chǎn)。 當(dāng) 前， 我國煤礦開采正在向高產(chǎn)高效和集約化方向發(fā)展， 全礦井的生產(chǎn)自動(dòng)化、管理信息化技術(shù)在一些現(xiàn)代化礦井得到越來越多的應(yīng)用，使礦井在“采、掘、運(yùn)、風(fēng)、水、電、安全”等生產(chǎn)環(huán)節(jié)和管理環(huán)節(jié)逐步實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化與管理信息化。 用于瓦斯綜合治理和災(zāi)害預(yù)測(cè)的甲烷傳感器，一直存在使用壽命短、工作穩(wěn)定性差和調(diào)校期頻繁的缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約著礦井瓦斯的支持檢測(cè)。美國國家職業(yè)與健康研究所匹茲堡研究中心（ NIOSH）、雷克萊恩（ Lake,Lynn）實(shí)驗(yàn)礦井，澳大利亞的 London Dare 安全研究中心，以及歐洲 的一些研究機(jī)構(gòu)相繼建立了可燃?xì)怏w和粉塵爆炸試驗(yàn)管道，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究。 河北 聯(lián)合 大學(xué) 綜合課程設(shè)計(jì)說明書 1 文獻(xiàn)綜述 3 他們的研究都有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足，而本設(shè)計(jì)中是以 8031 單片機(jī)作為硬件電路核心開發(fā)出一種操作簡(jiǎn)單的檢測(cè)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷的識(shí)別、濃度監(jiān)測(cè)、閾值報(bào)警以及濃度顯示，為更好的防御和減少由于瓦斯而引起的礦難事故?？紤]到現(xiàn)代單片機(jī)的體積小、集成度高、速度快、穩(wěn)定性好、價(jià)格低且應(yīng)用領(lǐng)域廣等特點(diǎn)，所以基于單片機(jī)的礦井瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是勢(shì)在必行的。目前在我國煤礦安全事故中，瓦斯事故已上升到煤礦事故的 80%以上，瓦斯爆炸造成的傷亡人數(shù)占所有重大事故傷亡人數(shù)的 90%左右，瓦斯事故入的生命安全造成巨大損害，成為實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的最大障礙和困擾煤礦安全 生產(chǎn)的重大難題。 當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到預(yù)設(shè)的值時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)立即發(fā)生報(bào)警，提醒礦工馬上離開，以防礦難事故的發(fā)生，造成重大國家損失。 本設(shè)計(jì)以 8031 單片機(jī)為核心 ，并結(jié)合外圍元件氣體傳感器、 A/D 轉(zhuǎn)換芯片、 LED液晶顯示 器、看門狗、片外擴(kuò)展設(shè)備等組成。但是，在實(shí)際的煤炭生產(chǎn)中，礦難事故不斷發(fā)生。再對(duì)課題的具體實(shí)施方案進(jìn)行介紹。本課題的題目是礦井瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。 先對(duì)題目的背景與意義做簡(jiǎn)單的介紹，基本掌握本課題領(lǐng)域國內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)和研究水平。 介紹詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì) 總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行細(xì)化。因此，我們不得不將更多的注意力放到煤炭生產(chǎn)的安全方面。由于礦井瓦斯是指井下以甲烷 CH4 為主的有毒、有害氣體的總你，有時(shí)單指甲烷 。 河北 聯(lián)合 大學(xué) 綜合課程設(shè)計(jì)說明書 1 文獻(xiàn)綜述 2 1 文獻(xiàn)綜述 本設(shè)計(jì)所研究的背景及 意義 隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展．煤炭的消費(fèi)量持續(xù)增長，而隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，瓦斯事故越來越多地成為制約 煤礦安全的重要因素。瓦斯事故的原因很多，有管理方面的、設(shè)施方面的、人員素質(zhì) 及責(zé)任心等，但最本質(zhì)的原因在于形成了瓦斯積聚，只有避免瓦斯積聚才能從根本上消除瓦斯事故。 國內(nèi)的許多有關(guān)這方面的科學(xué)家和教授在這方面都做過大量的研究。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 瓦斯爆炸事故伴隨著煤炭開采一直存在，世界各國投入大量人力、物力、財(cái)力對(duì)瓦斯爆炸傳播規(guī)律進(jìn)行了研究。 我國從 1981 年開始，把瓦斯、煤塵爆炸阻隔爆方法這一計(jì)劃列為全國煤礦安全領(lǐng)域中的重點(diǎn)項(xiàng)目。 研制新型傳感器時(shí)應(yīng)高起點(diǎn)、高智能化，應(yīng)充分利用微處理器的優(yōu)點(diǎn)，做到自診斷、自校正、自調(diào)零、配置標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)傳接口，統(tǒng)一傳感器的輸出信號(hào)制以提高傳輸?shù)目煽啃浴?shù)據(jù)出來的簡(jiǎn)單性和傳感 器的互換性。煤礦安全檢測(cè)技術(shù)、理論將會(huì)更加成熟，更先進(jìn)、更實(shí)用的檢測(cè)設(shè)備將會(huì)被開發(fā)出來。 河北 聯(lián)合 大學(xué) 綜合課程設(shè)計(jì)說明書 2 總體設(shè)計(jì)方案 5 2 總體設(shè)計(jì)方案 礦井瓦斯?jié)舛妊芯糠桨冈O(shè)計(jì) 為保證井下工人安全，防止發(fā)生瓦斯爆炸，設(shè)計(jì)一套礦井瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。采用單片機(jī)8031 構(gòu)成煤礦氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分，根據(jù)氣體傳感器及測(cè)量的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì) CH4的成分識(shí)別和濃度測(cè)量。它的優(yōu)點(diǎn)是精度高、選擇性好、不受其它氣體的影響，不但測(cè)量范圍大而且還可以連續(xù)檢測(cè)；缺點(diǎn)是儀器的 制造和保養(yǎng)困難，體積大，成本高，功率大，因此廣泛使用會(huì)受到一定的限制。通過這一特點(diǎn)來比較這兩種速度就可檢測(cè)出高濃度 瓦斯。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)微量瓦斯比較敏感，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。 6) 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檢測(cè)瓦斯?jié)舛鹊?。它的?yōu)點(diǎn)是在較寬的濃度范圍內(nèi)對(duì)可燃?xì)怏w有良好的靈敏度 。 MQ4 氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖所示，由微型 AL2O3 陶瓷管、 SnO2 敏感層、測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成，然后將其固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，制作好的檢測(cè)元件有 6只引腳，其中的 4個(gè)用于信號(hào)取出，剩余 2個(gè)用于提供加熱電流 。 符號(hào) 參數(shù)名稱 技術(shù)參數(shù) 備注 Rs 敏感體表面電阻 10 ?K — 60 ?K （ 5000ppmCH4） 適用范圍： 300— 10000ppm 甲烷，天然氣 а(1000ppm/5000ppmCH4) 濃度斜率 ≤ 標(biāo)準(zhǔn)工作條件 溫度 ： 20℃177。 預(yù)熱時(shí)間 不少于 24小時(shí) 河北 聯(lián)合 大學(xué) 綜合課程設(shè)計(jì)說明書 2 總體設(shè)計(jì)方案 10 圖 3 MQ4型氣敏元件的靈敏度特性 MQ4的標(biāo)準(zhǔn)工作條件 已有上表給出 。本設(shè)計(jì)采用 5000ppm甲烷校準(zhǔn)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。 單片機(jī)的選擇 由于本次實(shí)驗(yàn)要連續(xù)、實(shí)時(shí)的采集瓦斯?jié)舛?，?dāng)單片機(jī)用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集或處理大批量數(shù)據(jù)時(shí)，僅靠片內(nèi)提供的 RAM是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的 。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，此引腳接地。 3） 控制或與其它電源復(fù)用引腳 RST/VPD， ALE/ ，和 /Vpp （ 1） RST/VPD 當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平（由低到高跳變），將使單片機(jī)復(fù)位 在 Vcc掉電期間，此引腳可接上備用電源，由 VPD向內(nèi)部提供備用電源，以保持內(nèi)部 RAM中的數(shù)據(jù)。 對(duì)于 EPROM型單片機(jī)，在 EPROM編程期間，此引腳接收編程脈沖（ 功能） （ 3） 外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端，在從外部程序存儲(chǔ)取指令（或數(shù)據(jù)）期間， 在每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)兩次有效。 4） 8031P端口功能 （ 1） ～ :通道 0，它是 8位漏極開路的雙向 I/O通道，當(dāng)擴(kuò)展外部存貯器時(shí)，這也是低八位地址和數(shù)據(jù)總線，在編程校驗(yàn)期間，它輸入和輸出字節(jié)代碼，通道 0吸收 /發(fā)出二個(gè) TTL負(fù)載。通道 2能吸收 /發(fā)出一個(gè) TTL負(fù)載。 :INT0，外部中斷 0輸入口。 A/D轉(zhuǎn)換芯片 的選擇 A/D轉(zhuǎn)換器是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它的種類多、性能各異、引腳功能也各不相同。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)端，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芯片采用了雙列直插式的封裝，擁有 28條引腳，各引腳功能說明如下：1） 一般引腳的介紹 : (1) IN0～ IN7： 8路模擬量的輸入端口； (2) D0～ D7： 8位數(shù)字量的輸出端口； (3) ADDA、 ADDB、 ADDC： 3位地址的輸入線，作為選通 8路模擬輸入中的一路； (4) ALE：地址鎖存允許信號(hào)輸入端，上升沿有效 , 當(dāng)此信號(hào)有效時(shí)， A、 B、 C三位地址信號(hào)被鎖存，譯碼選通對(duì)應(yīng)模擬通道。 2) ADC0809引腳圖如 下 圖所示 ,它的 主要特性有： (1) 8路 8位 A/D轉(zhuǎn)換器，分辨率為 8位； 河北 聯(lián)合 大學(xué) 綜合課程設(shè)計(jì)說明書 2 總體設(shè)計(jì)方案 14 (2) 具有轉(zhuǎn)換起停的控制端口； (3) 轉(zhuǎn)換時(shí)間大約是 100μ s； (4) 單電源供電，供電電壓為＋ 5V； (5) 模擬輸入的電壓范圍是 0～＋ 5V，不需要滿刻度與零點(diǎn)校準(zhǔn)； (6) 工作溫度的范圍是 40℃～＋ 85℃ ； (7) 低功耗，大約是 15mW； (8) 輸出與 TTL兼容； (9) 可鎖存三態(tài)輸出，能與 8位微處理器接口。如果用百分?jǐn)?shù)表示分辨率，則分辨率為 %%1002561%10021%10021 8 ??????n (4) 河北 聯(lián)合 大學(xué) 綜合課程設(shè)計(jì)說明書 2 總體設(shè)計(jì)方案 15 BCD 碼輸出的 A/D 轉(zhuǎn)換器一般用位數(shù)表示分辨率，例如 5G14433 雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器，分辨率為 213 位，滿度字位為 1999；用百分?jǐn)?shù)表示分辨率時(shí)，分辨率為 %%10 019 991 ?? (5) 換而言之，分辨率就是 A/D轉(zhuǎn)換器可以轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的最小電壓。其中 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間是指完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，即從輸入啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)開始到轉(zhuǎn)換結(jié)束所用的全部時(shí)間。 由下圖可知， ADC0809 由一個(gè) 8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè) A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。與普通數(shù)碼管比較，液晶顯示器（ LCD） ,采用 LCD1602 可以顯示文字，也可以顯示數(shù)據(jù)。 LCD 能夠顯示字符的關(guān)鍵在于其控制器，目前大部分點(diǎn)陣式 LCD都使用日立公司的 HD44780 集成電路作為控制器。 第 3 腳： VEE是 液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整 的 端 口， 使用時(shí)可以通過一個(gè) 10K 的 滑動(dòng)變阻器來 調(diào)整對(duì)比度。 第 6 腳： E端 口是 使能端，當(dāng) E端 口從 高電平跳變 為 低電平 的 時(shí) 候 ，液晶 顯示 模塊 就會(huì) 執(zhí)行命令。 1602 液晶模塊內(nèi)部的 控制器 總 共有 11 條控制指令 。 S:屏幕上 的 所有 字符 是否 向 左或右移 動(dòng)，其中 高電平 為 有效，低電平則無效。 河北 聯(lián)合 大學(xué) 綜合課程設(shè)計(jì)說明書 2 總體設(shè)計(jì)方案 17 指令 6：功能設(shè)置命令 DL： 當(dāng) 高電平 的 時(shí) 候 為 4位總線，低電平 的 時(shí) 候 為 8位總線 N： 當(dāng) 低電平 的 時(shí) 候 為單行顯示，高電平 的 時(shí) 候?yàn)?雙行顯示 F: 當(dāng) 低電平 的 時(shí) 候 顯示的是 5x7 的點(diǎn)陣字符，高電平 的 時(shí) 候 顯示 的是 5x10 的點(diǎn)陣字符。 指令 10：寫數(shù)據(jù)。 在選擇程序存儲(chǔ)器芯片時(shí)，首先必 須滿足程序容量，其次在價(jià)格合理情況下盡量選用容量大的芯片。此時(shí)，我們可以利用單片機(jī)的擴(kuò)展功能，擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 CS51 單片機(jī)擴(kuò)展片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址線也是由 P0 口和 P2 口提供的，因此最大尋址范圍為 64K字節(jié)（ 0000H— FFFFH）。 同時(shí)擴(kuò)展外部 RAM與外部 I/O 由于外部 RAM 與外部 I/O口采用相同的讀寫指令，二者是統(tǒng)一編址的，因此當(dāng)同時(shí)擴(kuò)展二者時(shí)，就必須考慮地址的合理分配，通常采用譯碼法來實(shí)現(xiàn)。 地址鎖存器 74LS373 是帶三態(tài)緩沖輸出的 8D 鎖存器，由于單片機(jī)的三總線結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)線與地址線的低 8位共用 P0口，因此必須用地址鎖存器將地址信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)區(qū)分開。 57%RL1k77%R V 31kR 1 01KV C CH V C CV R L 圖 8 傳感器基本測(cè)試回路 上圖 8是傳感器的基本測(cè)試電路。這種傳感器具有輕微的極性， VCC1 需用直流電源。 START 上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。其接口電路圖如下圖 9所示： 河北理工大學(xué) 綜合課程設(shè)計(jì)說明書 3 具體實(shí)施方案 20 2 1M S B21A D D B24A D D A25A D D C23V R E F ( + )12V R E F ( )16I N 31I N 42I N 53I N 64I N 75S T A R T62 58E O C