【正文】 低端與高 端。 30 腳： BUF，緩沖放大器輸出端，接積分電阻 INTR 。高電平時(shí)，每經(jīng) 8192 個(gè)時(shí)鐘完成一次轉(zhuǎn)換；低電平時(shí)，轉(zhuǎn)換器將立即結(jié)束消除積分階段并跳至自動(dòng)調(diào)零階段，從而縮短了消除積分階段，提高了轉(zhuǎn)換速度。 2 23 腳： OSCIN、 OSCOUT，時(shí)鐘輸入、輸出端。 20 腳： CE /LOAD ，片選端，低電平有效，并同時(shí)配合 21 腳 MODE 信號(hào)工作。 5～ 16 腳： 12 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸出端。 3 腳： POL，極性輸出端。 ICL7109 芯片簡介 ICL7109 的管腳圖如圖 所示。通常，轉(zhuǎn)換速度越快越好，特別是對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)采集。同樣的 5V電壓，若采用 12 位 ADC，則它能分辨的最小電壓為 5000Mv/4096≈1mV。其中分辨率就是指 A/D 轉(zhuǎn)換器可轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)或 BCD 碼的位數(shù)。其原理是首先將輸 入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率，然 后用計(jì)數(shù)器將頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。一般的電阻陣列 D/A 轉(zhuǎn)換器中多數(shù)電阻的值必須一致，在單芯片上生成高 精度的電阻并不容易。原理上近似于積分型，將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間 (脈沖寬度 )信號(hào)，用數(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。 串并行比較型 A/D 結(jié)構(gòu)上介于并行型和逐次比較型之間，最典型的是由 2 個(gè) n/2 位的并行型 A/D 轉(zhuǎn)換器配合 D/A 轉(zhuǎn)換器組成，用兩次比較實(shí)行轉(zhuǎn)換，所以稱為 Half flash(半快速 )型。其電路規(guī)模屬于中等。 （ 1）積分型（如 ICL7109） 積分型 A/D 工作原理是將輸入電壓 轉(zhuǎn)換成時(shí)間 (脈沖寬度信號(hào) )或頻率 (脈沖頻率 )，然后由定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字值。這樣確定下來的 RL的阻值，換言之傳感器的靈敏度也就確定下來了，此時(shí)我們已經(jīng)完成了甲烷傳感器的校準(zhǔn)。其校準(zhǔn)過程如下： 在測試條件下對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，我們進(jìn)行硬件部分電路的調(diào)試。 R0是指元件在潔凈空氣中的電阻值。 2℃ Vc:177。 3Ω 室溫 PH 加熱功耗 ≤ 900mw MQ4 的環(huán)境條件 16 MQ4的環(huán)境條件見表 。 結(jié)構(gòu) 15 外形 圖 MQ4氣敏元件的結(jié)構(gòu) MQ4 的部件及說明見表 所示。 MQ4 瓦斯?jié)舛葴y試部分電路是由氣體傳感器 MQ4 組成的，其作用為將瓦斯氣體的體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的模擬電壓信號(hào)并輸出出來。 氣體傳感器的選擇 要進(jìn)行 —個(gè)具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，而這需要分析多方面的因素之后才能確定。消除這種影響的方法是采用溫度補(bǔ)償法。 氣體傳感器的類型雖然很多，但對(duì) 它們有以下幾個(gè)基本特性： （ 1）對(duì)被測氣體要有高的靈敏度，盡量減少外界的干擾信號(hào)； （ 2）選擇性要好，即對(duì)和被測氣體共存的其他氣體不敏感； （ 3）能夠長期穩(wěn)定工作，它是關(guān)系整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。 固體電解質(zhì) 其利用鉑等金屬材料對(duì)氫吸附敏感使功函數(shù)改變原理制成， 其 特點(diǎn)是其他選擇性好但不能重復(fù)使用。可爆性氣體壓力增高，使其分子間距更為接近，碰撞幾率增高。氧濃度降低時(shí)，爆炸下限變化不大 (BE 線 )， 爆炸上限則明顯降低 (CE 線 )。 化學(xué)號(hào)為 CH4。 國內(nèi)對(duì)瓦斯的檢測以甲烷檢測為主 ， 毒 氣的檢測以一氧化碳檢測為主 ； 而國外用可燃性氣體的檢測代替單一甲烷氣體的測量 ， 毒氣包括硫化氫的測量。因?yàn)榈陀诒ㄏ孪迺r(shí)，空氣所占比例很大，可燃物質(zhì)的濃度不夠；高于爆炸上限 時(shí) ，則有大量的可燃物質(zhì)，而空氣卻不足。這個(gè)能夠發(fā)生爆炸的濃度范圍，叫做爆炸極限，通常用可燃?xì)怏w、蒸汽、粉塵在空氣中的體積 組成比 來表示。其擴(kuò)展方法為根據(jù)需要在串行口上外接 1 個(gè)或多個(gè)移位寄存器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN 有效。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。在平時(shí) ， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。 RST（ 9 腳）：復(fù)位輸入。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。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí) P1 口作為第八位地址接收。 P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。 VCC(40 腳 )：供電電壓。 AT89S51 的內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)如圖 所示，該結(jié)構(gòu)按功能可劃分為 8 個(gè)組成部分，它們是通過片內(nèi)單一總線連接起來的。片內(nèi)的存儲(chǔ)器允許在線重新編程或用常規(guī)的非易失性存儲(chǔ)器編程器來編程，同時(shí)已具有三級(jí)程 序存儲(chǔ)器保密的性能。除了一般必須具有的 CPU、 ROM、 RAM 和定時(shí) /計(jì)數(shù)器等以外，片內(nèi)集成的部件常見的還有 A/D 轉(zhuǎn)換器、 D/A 轉(zhuǎn)換器、 I2C 總線、 CAN 總線、 SPI 總線、 DMA 控制器、 PWM控制器、聲音制造器、監(jiān)測定時(shí)器和鎖相電路等。 串行擴(kuò)展技術(shù) 在很長一段時(shí)間里 ， 通用型單片機(jī)通過三總線結(jié)構(gòu)擴(kuò)展外圍器件成為單片機(jī)應(yīng)用的主流結(jié)構(gòu)。采用精簡指令集 (RISC)結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù) ， 可以大幅度提高運(yùn)行速度。但在需要復(fù)雜控制的場合 ， 該存儲(chǔ)容量是不夠的 ， 必須進(jìn)行外接擴(kuò)充。而 Microchip 公司的 PIC 精簡指令集 (RISC)也有著強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭 ，中國臺(tái)灣的 HOLTEK 公司近年的單片機(jī)產(chǎn)量與日俱增 ， 與其低價(jià)質(zhì)優(yōu)的優(yōu)勢 ， 占據(jù)一定的市場分額。 此外 ， 現(xiàn)在的產(chǎn)品普遍要求體積小、重量輕 ， 這就要求單片機(jī)除了功能強(qiáng)和功耗低外 ， 還要求其體積要小。 CMOS 雖然功耗較低 ， 但由于其物理特征決定其工作速度不夠高 ， 而 CHMOS則具備了高速和低功耗的特點(diǎn) ， 這些特征 ， 更適合于在要求低功耗 ， 電池供電的應(yīng)用場合。近年來隨著 CMOS 技術(shù)的進(jìn)步，單片機(jī)全面 COMS 化，這種工藝的單片機(jī)功耗低，可控性 強(qiáng) ，能夠工作在功耗精細(xì)管理狀態(tài)。 單片機(jī)的發(fā)展趨勢 現(xiàn)在可以說單片機(jī)是百花齊放的時(shí)期 ， 世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機(jī) ， 從 8 位、16 位到 32 位 ， 它們各具特色 ， 互成互補(bǔ) ， 為單片機(jī)的應(yīng)用提供廣闊的天地。 單片機(jī)所能執(zhí)行的全部指令，就是該單片機(jī)的指令系統(tǒng)，不同種類的單片機(jī)，其指令系統(tǒng)亦不同。 主控單元單片機(jī)的設(shè)計(jì) 主控單元我們選用 ATMEL 公司 生產(chǎn)的單片機(jī) AT89S51。 工作原理 在 這里我們用甲烷傳感器 MQ4 來對(duì)煤礦瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測，由于其檢測所得數(shù)據(jù)模擬電壓 量而單片機(jī)只能對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，所以在送入單片機(jī)中進(jìn)行處理之前需先送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ICL7109 中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后才能將轉(zhuǎn)換所得數(shù)據(jù)送入單片機(jī) AT89S51 中處理，這里的處理主要是指將輸入進(jìn)來的數(shù)據(jù)與我們設(shè)置的瓦斯爆炸預(yù)警值進(jìn)行比較，在這里我們的預(yù)警值可通過鍵盤進(jìn)行設(shè)置，顯示其瓦斯?jié)舛戎?。由于該傳感器的輸出信?hào)為模擬電氣敏傳感器 MQ4 放大電路 AT89S51 數(shù)碼模塊 報(bào)警模塊 復(fù)位電路 晶振電路 電源電路 按鍵電路 轉(zhuǎn)換電路A/D7109 6 壓信號(hào)，要想將采集到的數(shù)據(jù)送至單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理則需要 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，所以在這里我們還要選用 ICL7109 芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理。氣敏傳感器的電路的處理使其精度可能受到周圍的環(huán)境的影響比較 大，方案一也是一樣。 總體方案二：基于單片機(jī)的總體設(shè)計(jì)模塊，如圖 。 此 系統(tǒng)基于 FPGA，充分利用了它的功能，是一個(gè)效率比較高的設(shè)計(jì)方案，從框圖可以看出系統(tǒng)的核心處理模塊幾乎全是要經(jīng)過 FPGA。 設(shè)計(jì)方案 針對(duì) 此課題要求，現(xiàn)提出以下二種設(shè)計(jì)方案： 總體方案一：基于 FPGA 的總體設(shè)計(jì)模塊，如圖 。 4 第 2 章 瓦斯 監(jiān)控系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)概述 概述 一個(gè) 瓦斯 氣體監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn) 瓦斯 氣體 濃度 并報(bào)警，肯定能提高人民的生活水平和加快我們的現(xiàn)代化建設(shè)，有利于整個(gè)社會(huì)穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)的硬件電路包括濃度檢測， A/D 轉(zhuǎn)換，單片機(jī) 拓展 系統(tǒng)，鍵盤電路，數(shù)據(jù)顯示電路及各控制電路；軟件設(shè)計(jì)包括濃度采集，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及處理，鍵盤掃描，動(dòng)態(tài)顯示及濃度控制等。 課題研究的總體解決方案 論文設(shè)計(jì)的內(nèi)容是煤礦監(jiān)測報(bào)警器，論文的內(nèi)容從題目上看就可知道要分兩部分 來解決：一是煤礦瓦斯的監(jiān)測，二是系統(tǒng)的報(bào)警。假設(shè)這個(gè)瓦斯氣體安全監(jiān)控系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)以下的功能：氣體測試， 超過設(shè)定的門限值后自動(dòng)報(bào)警裝置，以單片機(jī)為主機(jī)，氣敏傳感器檢測氣體濃度，并將采集的模擬量傳送給單片機(jī)，再加上按鍵調(diào)控部分來共同實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯的安全監(jiān)測與控制。 研制高可靠性、品種齊全的各類礦用傳感器。 受技術(shù)條件限制，許多煤礦的瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)無法傳輸給集團(tuán)公司或上級(jí)主管部門，仍未建立全集團(tuán)或整個(gè)地區(qū)的瓦斯監(jiān)測監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。目前技術(shù)水平較高的 “ 智能化 ” ，即程序化功能 ，是指 自動(dòng)校正和可燃?xì)獾膶?duì)比參數(shù)。我們通過這幾種儀表的介紹和分析，概要說明氣體檢測監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀。 國內(nèi)外瓦斯監(jiān)測的現(xiàn)狀 氣體檢測監(jiān)控系統(tǒng)是工礦企業(yè)、社會(huì)公用 事業(yè)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域必備的安全設(shè)備。瓦斯在煤層開采過程中被逸散出來，在井下積累造成井下瓦斯?jié)舛鹊脑黾樱?dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到 5%16%時(shí)具有爆炸性，瓦斯?jié)舛葹?%時(shí)爆炸威力最大，當(dāng)瓦斯?jié)舛刃∮?5%或大于 16%時(shí)，一般不會(huì)爆炸，遇明火只會(huì)燃燒，形成燃燒事故。 在煤礦生產(chǎn)中，隨著煤層采動(dòng)，煤層中往往會(huì)涌出礦井瓦斯，瓦斯是煤礦開采中所產(chǎn)生的有害氣體總稱，它具有獨(dú)特的性質(zhì)和特點(diǎn)。 煤礦中含有大量的甲烷（ CH4）等易燃易爆氣體，發(fā)生事故后會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，危及礦工的生命。近年來，隨著石油的緊張，石油價(jià)格的飆升，煤炭行業(yè)的重要地位和不可替代性也日 益顯現(xiàn)。 綜上所述，瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測監(jiān)控器所要實(shí)現(xiàn)的功能包括根據(jù)所選的瓦斯傳感器來設(shè)定瓦斯?jié)舛阮A(yù)警值，采集瓦斯?jié)舛炔⑦M(jìn)行濃度顯示及處理。 在許多發(fā)達(dá)國家中為了減少事故的發(fā)生，一般不會(huì)開采高瓦斯災(zāi)害隱患嚴(yán)重的礦井。但同時(shí)我國也是煤礦安全形勢最為嚴(yán)峻的國家之一。系統(tǒng)的各個(gè)模塊都由單片機(jī)控制完成。瓦斯監(jiān)控器是一種采用單片機(jī)控制的智能化儀表，為了滿足煤礦井下使用攜帶方便、安全可靠等要求，在設(shè)計(jì)上作了如下的必要的考慮 ： 考慮到小型化儀表的結(jié)構(gòu)，以及今后改進(jìn)的方便，我們將單片機(jī)進(jìn)行了模塊化處理。 關(guān)鍵字： 單片機(jī) ， 瓦斯氣體檢測 ， 氣敏傳感器 ， 報(bào)警 ，實(shí)用 Hardware Design of Gas Monitoring System Based on MCU III Abstract This paper summarizes the present situation of gas monitors and its basic principle, mainly discusses the use of the single chip microputer to gas monitor methods of design and realization. Gas monitor is a kind of the single chip microputer control intelligent instruments, in order to satisfy the coal mine underground use is easy to carry, safety and reliability requirements, on the design made the following the necessary to consider: considering the miniaturization of instrument structure, as well as future improvement convenience, we will deal with the modular MCU. System modules are made by singlechip microputer control pleted. In view of present situation design a portable gas monitors, underground based on singlechip microputer is gas sensor, the acquisition of the analog transfer to the A/D converter converted into digital quantity to MCU processing, when gas concentration close to dangerous value, automatic alarm and remind miners to leave at once. The equipment and also with sensitivity adjustment and testing strength, switch to adjust simple, convenient and accurate, practical and so on