【正文】 能存在量程小、體積大、功耗大、需短期內(nèi)校準(zhǔn)、使用壽命短、無數(shù)據(jù)傳輸方式等其中某種或某幾種缺點(diǎn)。其中之一便是有害氣體影響，包括 4CH ,CO , 2SO 等。其有易燃、易爆等特點(diǎn)，因此煤礦對瓦斯的治理應(yīng)非常重視。第二、煤中瓦斯突出。因此，研制先進(jìn)適用的煤礦瓦斯氣體監(jiān)測儀對煤礦工業(yè)安全生產(chǎn)，減少事故發(fā)生和生命財(cái)產(chǎn)損失有重要意義，市場應(yīng)用前景十分廣闊。而在設(shè)計(jì)要求 中詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，包含設(shè)計(jì)所應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)和儀表在特殊場合的防爆設(shè)計(jì)要求。圖 ，主要由單片機(jī)、無線接收模塊、電源時(shí)鐘及復(fù)位電路、報(bào)警電路、顯示電路組成。 A T 8 9 C 5 1無 線 發(fā) 射模 塊瓦 斯 傳感 器信 號 調(diào)理 電 路電 源時(shí) 鐘 、 復(fù)位 電 路A / D 轉(zhuǎn)換 器 圖 現(xiàn)場部分結(jié)構(gòu)圖 8 A T 8 9 C 5 1報(bào) 警 電 路電 源時(shí) 鐘 、 復(fù)位 電 路無 線 接收 模 塊瓦 斯 濃 度顯 示 電 路 圖 手持部分結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 技術(shù)指標(biāo) 本課題的研究目的是設(shè)計(jì)一個(gè)基于無線傳輸?shù)耐咚節(jié)舛葯z測儀，該瓦斯?jié)舛葯z測儀主要完成數(shù)據(jù)采集、處理和無線傳輸，瓦斯?jié)舛蕊@示以及超限報(bào)警等功能，并且具有體積小、 攜帶方便、多功能、精度高等特點(diǎn)，其具體技術(shù)指標(biāo)上的要求如下 ： (1) 應(yīng)用環(huán)境 ： 煤礦氣體監(jiān)測 (2) 監(jiān)測對象 ： 監(jiān)測甲烷氣體 (3) 測量范圍 ： 甲烷 ～ 2% (4) 靈敏度 ： % (5) 響應(yīng)時(shí)間 ： 30s (6) 功耗 ： ≈150mw (7) 環(huán)境工作溫度范圍 ： 20～ +70C (8) 環(huán)境下作濕度范圍 ： 95%RH 防爆要求 煤礦井下工作環(huán)境特殊，空間狹窄，濕度大，有易燃易爆的瓦斯和煤塵，所以，煤礦電器同一般電器有較大的區(qū)別。隔爆型儀表設(shè)計(jì)須注意如下幾個(gè)方面 ： (1) 確定合理的外殼結(jié)構(gòu) 根據(jù)儀表的特點(diǎn)，專門設(shè)計(jì)與原結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的外殼，達(dá)到既不損害儀表原來使用特征又經(jīng)濟(jì)合理的外殼，外殼腔內(nèi)有細(xì)長通道，避免腔內(nèi)發(fā)生壓力重疊現(xiàn)象 ,外殼的材質(zhì)采用新型的工程塑料和優(yōu)質(zhì)輕合金 ，結(jié)構(gòu)輕巧。指示表設(shè)計(jì)在儀表的主腔室，透明窗面積不大于 100 2mm ，透明玻璃厚度大于 8mm,與外殼密封采用橡膠密封措施。適用于煤礦井下作業(yè)環(huán)境測量空氣中的甲烷氣體濃度，所以本設(shè)計(jì)選擇其作為傳感器，對照本設(shè)計(jì)的所要達(dá)到的指標(biāo)要求， MQ214可燃性氣體傳感器在各方面都達(dá)到了要求，是比較理想的選擇。 DC RH 取樣電阻 50Ω177。5% 預(yù)熱時(shí)間 不少于 24s 其測量電路如圖 。 Rs： 不同溫度 、 濕度下， 5000ppm甲烷中元件電阻。 12 圖 MQ214靈敏度特性曲線 0120 10 0 10 20 30 40 50 60degreeRs/Ro33%RH85%RH 圖 MQ214溫濕度特性曲線 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的選擇 從模塊內(nèi)置芯片數(shù)據(jù)傳輸?shù)木幋a方式、芯片外圍元件的數(shù)量、功耗、發(fā)射功率、芯片的封裝和管腳數(shù)等幾個(gè)方面來考慮，本設(shè)計(jì)采用 PTR20xx作為無線傳輸模塊。PTR20xx的出現(xiàn)，使用戶擺脫了傳統(tǒng)無線產(chǎn)品設(shè)計(jì)的困擾。單片機(jī)型號的選擇是根據(jù)控制系統(tǒng)的目標(biāo)、功能、可靠性、性價(jià)比、精度和速度等來決定的。本文采用 14 AT89C51單片機(jī)作為檢測儀的核心部件， AT89C51單片機(jī)是 ATMEL公司 89系列單片機(jī)中的一種，它現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制等各領(lǐng)域，是 80C51的增強(qiáng)型并且指令完全兼容。由于將多功能 8位 CPU和閃爍存儲器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL的 AT89C51是一種高效微控制器，其特點(diǎn)如下： (1) 與 MCS51 兼容 (2) 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 (3) 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) (4) 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 (5) 全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz (6) 三級程序存儲器鎖定 (7) 1288 位內(nèi)部 RAM (8) 32 可編程 I/O 線 (9) 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 (10) 5 個(gè)中斷源 (11) 可編程串行通道 (12) 低功耗的閑置和掉電模式 (13) 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 (14) 工作溫度為 55℃ ～ +125℃ (15) 最高工作電壓 正是由于 AT89C51單片機(jī)具有如上特點(diǎn)，其工作溫度范圍寬，能夠適應(yīng)礦井下惡劣的環(huán)境，且具有較高的可靠性，和抗干 擾能力，所以此處選用此單片機(jī)作為控制器。1 5V的基準(zhǔn)電壓，單片機(jī)的電源電壓為 +5V，所以，此處采用三端集成穩(wěn)壓芯片 LM781LM780 LM780 LM7915，來分別得到 +15V、 +6V、 +5V、 15V電壓作為輸出，供現(xiàn)場部分的系統(tǒng)使用。 表 南孚 9V電池的終止電壓和使用壽命 測試條件 終止電壓 使用壽命 620 歐 2h/d 180 歐 30h/d 270 歐 1h/d 由于手持部分的特殊性，只能使用 電 池供電，而單片機(jī)的供電電壓為 5V直流電，且要求電壓穩(wěn)定，所以在設(shè)計(jì)中采用了三端集成穩(wěn)壓芯片 LM7805，由其輸出端提供穩(wěn)定的 +5V電壓，以供單片機(jī)使用。信號采集及調(diào)理電路圖如圖 9所示。因此，輸入 A/D轉(zhuǎn)換器 17 的電壓范圍是 4～ 。其主要功能特性如下： (1) 分辨率： 12 位 (2) 非線性誤差：小于 177。10V 兩檔四種 (5) 電源電壓： 177。當(dāng)為低電 平時(shí)，啟動(dòng) A／ D 轉(zhuǎn)換；當(dāng)為高電平時(shí)，將轉(zhuǎn)換結(jié)果讀出。 10 BIN 基準(zhǔn)電源電壓輸入端 11 VEE 負(fù)電源輸入端，輸入 15V 電源 19 12 bipoff 正電源輸入端，輸入 +15V 電源 13 10Vin 10V 量程模擬電壓輸入端 14 20Vin 20V 量程模擬電壓輸入端 15 DG 數(shù)字地端 16～ 27 DB0DB11 12 條數(shù)據(jù)總線。這里不管 AD574A 是處在啟動(dòng)、轉(zhuǎn)換和輸出結(jié)果，使能 20 端 CE 都必須為 1，因此將 AT89C51 的寫控制線和讀控制線通過與非門 74LS00 與 AD574A 的使能端 CE 相連。 PWR=1時(shí)，正常工作狀態(tài)， PWR=0時(shí)，待機(jī)微功耗狀態(tài) 7 TXEN 發(fā)射接收控制。其功能是 PTR20xx將接收到的數(shù)據(jù)解調(diào)后，輸出到單片機(jī)中。 PTR20xx的 CS引腳和 GND連接，即使固定通信頻道為頻道 1。 據(jù)此處的具體需要，采用小數(shù)點(diǎn)固定的方法，各小數(shù)點(diǎn)位單獨(dú)控制， 所以在選擇譯碼驅(qū)動(dòng)器件時(shí)可選擇七段驅(qū)動(dòng)器，這里選擇 CD4511作為譯碼驅(qū)動(dòng)器，采 22 用硬件譯碼方式，硬件譯碼減少了軟件設(shè)計(jì)的麻煩，編程方便，在顯示方式上采用動(dòng)態(tài)顯示，動(dòng)態(tài)顯示是單片機(jī)常用的顯示方式之一，它是把所有顯示器的同名段互相并聯(lián)在一起，并把它們接到字形口上為了防止各個(gè)顯示器同時(shí)顯示出相同的字符，每個(gè)顯示器還要受到另一組控制信號的控制，當(dāng)需要輸出數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)將LE口置高電平，表示此時(shí)可以向 CD4511發(fā)送數(shù)據(jù)，但 CD4511I的輸出端 a～ g不會有輸出，因?yàn)?LE=1時(shí)， CD4511處于鎖存狀態(tài)。 CD4511與單片機(jī)、數(shù)碼管組成的系統(tǒng)顯示模塊的總連接電路圖如圖 。其具體連接方法如圖 。該電壓比較器的特點(diǎn)有： (1) 失調(diào)電壓小，典型值為 2mV (2) 電源電壓范圍寬，單電源為 236V，雙電源電壓為 177。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止時(shí)，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值 ,另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。 671312AL M 3 39 ( 1 / 4 )8914312AL M 3 39 ( 1 / 4 )101113312AL M 3 39 ( 1 / 4 )1 N 47 3 4 1 N 47 3 5 1 N 47 3 7 1 N 47 3 8R11 00 K R41 00 KR61 00 KR 1 01 00 KR22 .2 KR82 .2 KR72 .2 KR 1 12 .2 KR31KR51KR91KR 1 21KL E D L E D L E DL E D452312AL M 3 39 ( 1 / 4 )9V 干電池R 1 34 .7 KR 1 44 .7 KR 1 54 .7 KR 1 64 .7 K 圖 電池電量監(jiān)測電路 25 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 現(xiàn)場單片機(jī)主程序設(shè)計(jì) 處于現(xiàn)場部分的單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)，主要包括傳感器的初始化，傳感器的狀態(tài)控制，當(dāng)傳感器完成預(yù)熱后，調(diào)用 A/D轉(zhuǎn)換子程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，當(dāng)數(shù)據(jù)處理完畢后，就進(jìn)行串行口通信，將得到的數(shù)據(jù)通過串行口送出，最后送至 PTR20xx無線傳輸模塊進(jìn)行發(fā)射 ,具體程序流程圖如圖 。其程序流程圖如圖 。 本文所做的工作有： (1) 完成了瓦斯?jié)舛葯z測儀的整體構(gòu)思和設(shè)計(jì)。 (3) 各個(gè)子系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)。一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，論證過程的必不可少的部分。 30 致 謝 參考文獻(xiàn) [1] 陳新軍 .基于催化燃燒型瓦斯檢測的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) .北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 ,20xx,5 [2] 王天福 .基于 AT89S52單片機(jī)的煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的研制 .江蘇大學(xué)碩士論文 ,20xx,6 [3] 秦海濤 .基于 CAN 總線和無線傳輸技術(shù)的礦井瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究 .中北大學(xué)碩士論文 , 31 [4] 求是科技 .單片機(jī)典型外圍器件及應(yīng)用實(shí)例 [M].北京 :人民郵電出版社， [5] 紀(jì)宗南等 .單片機(jī)外圍器件實(shí)。其次是軟件部分的程序流程圖的論證，看是否正確，不正確給以更正。各子系統(tǒng)采用 AT89C51單片機(jī)來作為控制部件，協(xié)調(diào)各部分完成規(guī)定的任務(wù)，按照各部分的任務(wù)設(shè)計(jì)好電路圖，最后將各部分連在一起形成一個(gè)整體。 (2) 各部分元器件的選擇。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)， 20xx年中國煤炭產(chǎn)量占世界產(chǎn)量的 35%，可事故傷亡人數(shù)卻占 80%. 20xx年中國有 6009名煤礦工人因發(fā)生礦難而死亡。 26 系 統(tǒng) 初 始 化數(shù) 據(jù) 處 理接 收 P T R 2 0 0 0 數(shù) 據(jù)調(diào) 用 串 行 口 通 信 程 序顯 示 瓦 斯 濃 度結(jié) 束檢 測 值 ≥ 1 %聲 、 光 報(bào) 警YN開 始 圖 手持部分主程序流程圖 串行口子程序設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中的無線傳輸模 塊 PTR20xx，其通過串行口與單片機(jī)的連接，并將數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)中，而串行口需要單獨(dú)編程，首先設(shè)置定時(shí)器 T1的工作方式和計(jì)數(shù)初值，當(dāng)計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)產(chǎn)生中斷請求， CPU響應(yīng)中斷并清除中斷標(biāo)志，開始通過串行口發(fā)送數(shù)據(jù)，檢測數(shù)據(jù)是否發(fā)送完成，若未發(fā)送完，則返回繼續(xù)發(fā)送直至發(fā)送完成，發(fā)送的同時(shí)，手持部分的單片機(jī)開始接受數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，若校驗(yàn)數(shù)據(jù)正確，則置數(shù)據(jù)有效標(biāo)志位，否則置數(shù)據(jù)錯(cuò)誤標(biāo)志位，程序結(jié)束，具體程序流程圖如圖 。利用此原理，選擇合適的穩(wěn)壓管工作電壓，就可以用相應(yīng)的發(fā)光二極管來顯示電池的電壓變化，從而顯示電池的電量變化，此法雖誤差較大，但電路簡單，無需外加過多的芯片，具有一 定實(shí)用性。18V (3) 對比較信號源的內(nèi)阻限制較寬 (4) 共模范圍很大，為 0～ ()Vo (5) 差動(dòng)輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓 (6) 輸出端電位可靈活方便地選用 O u t p u t 21O u t p u t 12V c c3I n p u t 14+ In p u t 15I n p u t 26+ In p u t 27O u t p u t 3 14O u t p u t 4 13GND 12+ In p u t 4 11I n p u t 4 10+ In p u t 3 9I n p u t 3 8L M 3 3 9R?1KR?1K 圖 LM339元件圖 24 LM339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時(shí)輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選 315K）。其具體連接方法如圖 。接通電源后，振 23 蕩器產(chǎn)生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場。這時(shí)便可以將要顯示的數(shù)據(jù)的代碼經(jīng)CD4511譯碼后，從輸出端 a～ g輸出，送 LED顯示器顯示。具體單片機(jī)與 PTR20xx模塊的連接圖如圖 。其功能是單片機(jī)將待發(fā)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?PTR20xx并經(jīng)過調(diào)制后發(fā)送到接收端。 21 表 PTR20xx工作模式 設(shè)置 引腳接入電平 模塊工作狀態(tài) TXEN CS PWR 工作頻道 芯片狀態(tài) 0 0 1 1