【正文】 ................................... 35 基于單片機(jī)的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 摘要 本文概述了瓦斯監(jiān)控器的現(xiàn)狀及其基本原理，主要論述了利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)瓦斯監(jiān)控器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。該設(shè)備同時(shí)還具備靈敏度調(diào)節(jié)和檢測(cè)強(qiáng)度調(diào)節(jié)開關(guān)，有簡(jiǎn)單、方便、準(zhǔn)確、實(shí)用等特點(diǎn)。 近年來，瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)和數(shù)百萬(wàn)名 煤礦工 人 的生命安全 ， 瓦斯災(zāi)害已成為制約我國(guó)煤礦安 全生產(chǎn)和煤炭工業(yè)發(fā)展的重要因素 ，可以說 瓦斯爆炸已經(jīng)成為礦難的第一大禍?zhǔn)住? 多年來的實(shí)踐證明， 瓦斯?jié)舛鹊?檢測(cè) 監(jiān)控器在監(jiān)測(cè)煤礦井下安全狀況，防范安全隱患方面起著重要作用，充分發(fā)揮其作用，是我國(guó)煤礦安全形勢(shì)實(shí)現(xiàn)好轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。所以開發(fā)設(shè)計(jì)出一種操作簡(jiǎn)單的瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控器，對(duì)有效的預(yù)防和減少瓦斯爆炸具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。在這些事故中，瓦斯爆炸 又 占絕大多數(shù)。如果不把瓦斯事故控制住，就不能實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)狀況的穩(wěn)定，也就無法保障煤炭工業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。瓦斯在煤體和圍巖中，以游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)存在，一般情況下處于動(dòng)態(tài)平衡。我國(guó)一些煤礦由于瓦斯預(yù)測(cè)不準(zhǔn)，造成礦井投產(chǎn)后事故頻繁發(fā)生。在可測(cè)氣體種類、測(cè)量范圍、精度、穩(wěn)定性和壽命等主要技術(shù)指標(biāo)方面均有明顯的提高，尤其精度、穩(wěn)定性與壽命指標(biāo)，提高了幾倍。 氣體儀表的功能氣體檢測(cè)儀表的功能主要是指所測(cè)氣體濃度值、報(bào)警點(diǎn)的設(shè)置，聲光報(bào)警，開機(jī)指示，電池欠壓指示等。而國(guó)外用可燃性氣體的檢測(cè)代替單一甲烷氣體的測(cè)量 ， 毒氣包括硫化氫的測(cè)量。 由于瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)氣體傳感器的精度、性能、穩(wěn)定性方面的要求越來越高，因此對(duì)氣體傳感器的研究和開發(fā)也越來越重要。為了滿足安全生產(chǎn)的需求，隨著先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，氣體傳感器發(fā)展的趨勢(shì)應(yīng)該是微型化、智能化和多功能化。 瓦斯檢測(cè)儀的檢測(cè)范圍是 0—10000ppm 報(bào)警門限為 50ppm， 5000ppm。 在本文中，我們?cè)O(shè)計(jì)介紹了一種基于甲烷傳感器 MQ4 和單片機(jī) AT89S51 的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)報(bào)警器。 在論文中，我們 簡(jiǎn)單論述了報(bào)警器的控制方案及工作原理，給出了主程序及主要子程序的框圖。當(dāng)氣體的濃度超出某一設(shè)定范圍后會(huì)產(chǎn)生報(bào)警，從而達(dá)到實(shí)時(shí)安全監(jiān)控作用。 FPGA（ Field－ Programmable Gate Array），即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在 PAL、 GAL、 CPLD 等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。氣敏傳感器輸出的信號(hào)是毫伏級(jí)的，所以要經(jīng)過運(yùn)放發(fā)大后送給 ADC0809 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，最終送給 FPGA 來處理， FPGA 根據(jù)檢測(cè)量的大小將氣體濃度顯示到數(shù)碼管上，當(dāng)檢測(cè)到的氣體濃度超過設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)報(bào)警， 工人及時(shí)打開通風(fēng)裝置 加快空氣流動(dòng)。本系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心，系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能幾乎與前面方案一樣，具有信號(hào)的監(jiān)控處理和報(bào)警顯示功能。在這里我們選用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 8位單片機(jī) AT89S51，該種單片機(jī)與以往所采用的 AT89C51 相比新增加了很多功能，性能有了較大提升，片內(nèi) 4K 的 FLASH 存儲(chǔ)空間也能滿足我們?cè)O(shè)計(jì)的要求，價(jià)格較之 AT89C51 基本不變甚至更低。 瓦斯?jié)舛蕊@示部分采用四位的 LED 數(shù)碼管顯示，在這里我們采用動(dòng)態(tài)掃描方法來顯示各種參數(shù)。比如報(bào)警模塊的狀態(tài)、數(shù)碼管的 顯示 狀態(tài)和控制閥電路的工作狀態(tài)。 單片機(jī)自動(dòng)完成賦予它的任務(wù)的過程，也就是單片機(jī)執(zhí)行程序的過程，即一條條 的 執(zhí)行指令的過程 。存儲(chǔ)器由許多存儲(chǔ)單元（最 小的存儲(chǔ)單位）組成，就像大樓房有許多房間組成一樣，指令就存放在這些單元里，單元里的指令取出并執(zhí)行就像大樓房的每個(gè)房間的被分配到了唯一一個(gè)房間號(hào)一樣，每一個(gè)存儲(chǔ)單元也必須被分配到唯一的地址號(hào)，該地址號(hào)稱為存儲(chǔ)單元的地址，這樣只要知道了存儲(chǔ)單元的地址，就可以找到這個(gè)存儲(chǔ)單元，其中存儲(chǔ)的指令就可以被取出，然后再被執(zhí)行。今后的發(fā)展趨勢(shì)將進(jìn)一步向低功耗、小體積、大容 量、高性能、低價(jià)格、高速化、高可靠行方向發(fā)展。 MCS51系列的 8031 推出時(shí)的功耗達(dá) 630mw， 而現(xiàn)在的單片機(jī)普遍都 在 100mW 左右 ， 隨著對(duì)單片機(jī)功耗要求越來越低 ， 現(xiàn)在的各個(gè)單片機(jī)制造商基本都采用了 CMOS。 微型單片化 現(xiàn)在常規(guī)的單片機(jī)普遍都是將中央處理器 (CPU)、隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ) (RAM)、只讀程序存儲(chǔ)器(ROM)、并行和串行通信接口 ， 中斷系 統(tǒng)、定時(shí)電路、時(shí)鐘電路集成在一塊單一的芯片上 ， 增強(qiáng)型的單片機(jī)集成了如 A/D 轉(zhuǎn)換器、 PMW(脈寬調(diào)制電路 )、 WDT(看門狗 )、有些單片機(jī)將 LCD(液晶 )驅(qū)動(dòng)電路都集成在單一的芯片上 ， 這樣單片機(jī)包含的單元電路就更多 ， 功能就越強(qiáng)大。 主流與多品種共存 現(xiàn)在雖然單片機(jī)的品種繁多 ， 各具特色 ， 但仍以 80C51 為核心的單片機(jī)占主流 ， 兼容其結(jié)構(gòu)和指 8 令系統(tǒng)的有 PHILIPS 公司的產(chǎn)品 ， ATMEL 公司的產(chǎn)品和中國(guó)臺(tái)灣的 Winbond 系列單片機(jī)。在一定的時(shí)期內(nèi) ， 這種情形將得以延續(xù) ， 將不存在某個(gè)單片機(jī)一統(tǒng)天下的壟斷局面 ， 走的是依存互補(bǔ) ， 相輔相成、共同發(fā)展的道路。目前 ， 單片機(jī)內(nèi) ROM 最大可達(dá) 64KB， RAM 最大為 2KB。這類單片機(jī)的運(yùn)算速度比標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)高出 10 倍以上。特別是 I2C、 SPI 等串行總線的引入 ， 可以使單片機(jī)的引腳設(shè)計(jì)得更少 ， 單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)化及規(guī)范化。 單片機(jī) AT89S51 介紹 AT89S51是 ATMEL 公司生產(chǎn)的一個(gè)低功耗，高性能 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4kBytesISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器。這種單片機(jī)對(duì)開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時(shí)間也大大縮短。其將通用的微處理器和 Flash 存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash 存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。 P0口 (32 腳～ 39 腳 )： P0口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。 P1口 (1 腳～ 8 腳 )： P1口是一個(gè)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 10 門電流。并因此作為輸入時(shí)， P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。 P2 口在 FLASH 編程和 11 校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3 口也可作為 AT89S51 的一些特殊功能口， P3 口管腳備選功能如表 所示。 ALE/PROG（ 30 腳）：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE 脈沖。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 EA/VPP（ 31 腳）：當(dāng) /EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000H FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。 XTAL2（ 18 腳）：來自反向振蕩器的輸出。 所以，很顯然我們要對(duì)單片機(jī)進(jìn)行擴(kuò)展 I/O 口，我們將在數(shù)碼顯示單元進(jìn)行介紹。只有在這兩個(gè)濃度之間，才有爆炸的危險(xiǎn)?？扇嘉镔|(zhì)危險(xiǎn)性的大小，主要取決于爆炸極限幅度的寬窄。 甲烷在自然界分布很廣，是天然氣、沼氣、油田氣及煤礦坑道氣的主要成分。 瓦斯在空氣中的爆炸下限為 5～ 6％，上限為 14～ 16％。 煤塵 煤塵具有爆炸危險(xiǎn)， 300～ 400℃ 時(shí)就能從煤塵內(nèi)揮發(fā)出多種可燃?xì)怏w，形成混合的爆炸氣體，使瓦斯的爆炸危險(xiǎn)性增加。氣體 傳感器通常以氣敏特性來分類，主要可分為： 半導(dǎo)式方式 包括氧化系、氣敏二極管系、氣敏 MOSFET 系。其特點(diǎn)是屬于氣體濃度成比例，但靈敏度較低。 （ 5）響應(yīng)時(shí)間 ， 指從氣敏元件到被測(cè)氣體接觸到氣敏元件的參數(shù)達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)下所需要的時(shí)間，表示了氣敏元件的反應(yīng)速度。濕度特性是硬性檢測(cè)精度的一個(gè)因素， 解決 這一問題的措施之一是采用濕度補(bǔ)償法。 在考慮上述問題之后就能大致確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)，然后做出選擇。由微型 AL2O3 陶瓷管、 SnO2 敏 感層 ， 測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。 表 MQ4的標(biāo)準(zhǔn)工作條件 符號(hào) 參數(shù)名稱 技術(shù)條件 備注 Vc 回路電壓 ≤ 15V Ac or Dc VH 加熱電壓 177。 （ 2）靈敏度調(diào)節(jié) 在對(duì) MQ4的靈敏度進(jìn)行調(diào)節(jié)之前首先要就要了解其靈敏度特性。 5% Vh:177。 因此，在使用此類型氣敏元件時(shí)，靈敏度的調(diào)整是很重要的。而靈敏度的調(diào)節(jié)是依靠調(diào)節(jié)負(fù)載電阻 RL來實(shí)現(xiàn)的。 圖 MQ4型氣敏元件的靈敏度特性 18 A/D 轉(zhuǎn)換單元 A/D 轉(zhuǎn)換器（ analog digital converter 簡(jiǎn)稱 ADC）是將輸入的模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件或設(shè)備，即能把被控對(duì)象的各種模擬信息變成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信息，它是模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)之間的接口。初期的單片 A/D 轉(zhuǎn)換器大多采用積分型，現(xiàn)在逐次比較型已逐步成為主流。 （ 3）并行比較型 /串并行比較型（如 TLC5510） 并行比較型 A/D 采用多個(gè)比較器，僅作一次比較而實(shí)行轉(zhuǎn)換，又稱 FLash(快速 )型。這類 A/D 速度比逐次比較型高，電路 規(guī)模比并行型小。主要用于音頻和測(cè)量。最近的逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器大多為電容陣列式的。其優(yōu)點(diǎn)是 分辯率高、功耗低、價(jià)格低，但是需要外部計(jì)數(shù)電路共同完成 A/D 轉(zhuǎn)換。如果用百分?jǐn)?shù)表示分辨率，則分辨率為 %%1002561%10021%10021 8 ??????n （ 31） 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 ?? （ 32） 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)束所用的時(shí)間。 根據(jù)其性能指標(biāo)，考慮到系統(tǒng)的精度我們這次選用了 ICL7109 轉(zhuǎn)換器 ， 它是一種高精度、低噪聲、低漂移和低價(jià)格的雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器，其數(shù)據(jù)輸出為 12 位二進(jìn)制數(shù)， 20 配有較強(qiáng)的接口電路，能方便地與各種微處理機(jī)連接。 21 2 腳： STATUS，工作狀態(tài)輸出端。 4 腳： OR，超量程輸出端。 18 腳： LBEN ，低 8 位數(shù)據(jù)輸出選通端，低電平有效。低電平時(shí)轉(zhuǎn)換器為直接輸出方式，此時(shí)可在片選和字節(jié)使能的控制下直接讀取數(shù)據(jù)；高電平脈沖時(shí)轉(zhuǎn)換器處于 UART 方式，并在輸出兩個(gè)字節(jié)的數(shù) 據(jù)后返回到直接輸出方式。 25 腳： BUFOUT，時(shí)鐘緩沖器輸出端。 2 40 腳： V、 V+，電源負(fù)與電源正端。 32 腳： INT，積分器輸出端，接積分電容 INTC 。 22 A/D 轉(zhuǎn)換部分電路 A/D 轉(zhuǎn)換部分電路是由 A/D 轉(zhuǎn)換器 ICL7109 構(gòu)成的，其主要作用是將氣體傳感器 MQ4 所得到的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量（該模擬電壓信號(hào)與瓦斯氣體的體積分?jǐn)?shù)相對(duì)應(yīng)），便于輸入到單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 ICL7109 為 12 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)可分為低 8 位和高 4 位分時(shí)傳送給單片機(jī)，由我們的電路圖我們可以看出工作方式選擇端MODE 我們直接接地了，也就是說現(xiàn)在轉(zhuǎn)換器的工作方式為直接輸出方式，在該工作方式下我們可以在片選和字節(jié)使能的控制下直接讀取數(shù)據(jù)。 23 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 1 J u n 2 0 0 6 S h e e t o f F i l e : H : \ 論文 \ 電路原理圖 . D D B D r a w n B y :P 2 . 7+5P 2 . 6C11uF+5R1 100kI N T 1C2 0 . 3 3 uP 1 . 7C3 0 . 1 5 uP 0 . 7R4 20kP 0 . 65P 0 . 5+5P 0 . 4P 0 . 36 M H zP 0 . 2P 0 . 1P 0 . 0G N D2Q3G N D1M C 1 4 0 3V C 。具 體的數(shù)據(jù)傳輸過程是由 7109 的片選 CE 及低 8 位數(shù)據(jù)輸出選通端 LBEN （低電平有效）和高 4 位數(shù)據(jù)輸出選通端 HBEN （也是低電平有效）配合來完成，同時(shí) HBEN 也兼作極性位、溢出位選通端（主要用于判斷傳輸數(shù)據(jù)的正誤），我們將 LBEN ， HBEN 分別接至單片機(jī)的 和 ，同時(shí)將 7109的片選 端接至 容易得知當(dāng) 為低（也就是說此時(shí) 7109 被選中可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸）且 為低時(shí)低 8 位數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，而當(dāng) 為低時(shí)高 4 位數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。我們 需要將該模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，只有這樣才能經(jīng)過單片機(jī)進(jìn)行處理。 3 35 腳： INLO、 INHI，差分輸入