【正文】 2V C CP 16P 17P 10P 11P 12V C CP 14 圖 35 報(bào)警解除電路 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集電路原理圖如 36圖所示，從圖中可知數(shù)據(jù)采集電路由傳感監(jiān)測(cè)器件、零點(diǎn)校正、前置放大、 A/D轉(zhuǎn)換單元及其接 口電路組成 .由傳感器的黑白元件Rb、 Rw配對(duì)組成的電橋的兩個(gè)臂，其輸出為氣體濃度對(duì)應(yīng)的電信號(hào)， R4 R45組成零點(diǎn)校正電路。機(jī)器周期就是振蕩器輸出信號(hào) fosc 經(jīng) 12分頻后的信號(hào)周期。 51 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是比較放大器的輸入端和輸出端，這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體或陶瓷諧振器和微調(diào)電容一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器，它提供了單片機(jī)的時(shí)鐘控制信號(hào)，控制 CPU 的時(shí)序，對(duì)指令 進(jìn)行譯碼，然后發(fā)出各種控制信號(hào)，將各個(gè)硬件環(huán)節(jié)組織在一起， 使它們有條不紊地一拍一拍地工作。若采用外部振蕩器時(shí)，該引腳接收振蕩器的信號(hào)，即把此信號(hào)直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端 。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端。 XTAL XTAL2。 * I/O 口引腳： P0、 P P P3，為 4個(gè) 8位 I/O口的外部引腳。 單片機(jī) AT89S51 的基本特性 AT89S51 是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)， 40 個(gè)引腳， 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含 2 個(gè)外中斷口， 2個(gè) 16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 ,2個(gè)全雙工串行通信口， AT89S51 可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。 單片機(jī) AT89S51 經(jīng)綜合分析選用單片機(jī) AT89S51 適合。 單片機(jī)自 20世紀(jì) 70年代問世以來，以極其高的性價(jià)比受到人們的重視和關(guān)注，所以應(yīng)用很廣，發(fā)展很快。單片機(jī)型號(hào)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。電路中 選用 作為基準(zhǔn)電源，其溫度系數(shù)為20pp/oC，片內(nèi)帶隙基準(zhǔn)電壓提供 15uA20mA 的電流范圍，且具 有低噪聲和長(zhǎng)期穩(wěn)定性特點(diǎn)。 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的天然氣、液化氣、煤氣、烷類等可燃性氣體及汽油、醇、酮、苯等有機(jī)溶劑蒸汽的濃度檢測(cè) 響應(yīng)速度快 補(bǔ)償元件起溫度補(bǔ)償作用，可有效去除因環(huán)境變化而引起鉑絲電阻變化帶來的附加誤差。因?yàn)?，即使是測(cè)量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大?。槐粶y(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求；測(cè)量方式為接觸式還是非接觸式；信號(hào)的引出方法，有線或是非接觸測(cè)量；傳感器的來源，國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口， 還是自行研制，價(jià)格能否承受。 工作原理 在 這里我們用甲烷傳感器 MC113 來對(duì)煤礦瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測(cè)，由于其檢測(cè) 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 ADC0809 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?cè)O(shè)置的瓦斯爆炸預(yù)警值進(jìn)行比較，顯示其瓦斯?jié)舛戎?，并通過遠(yuǎn)程通訊電路上傳到監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。這里的 A/D0809 轉(zhuǎn)換器是一種雙積分的 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，其性能價(jià)格比很高，是一種高精度、低噪聲、低漂移 A/D 轉(zhuǎn)換器。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 7 圖 21 系統(tǒng)框圖 圖 22 系統(tǒng)組網(wǎng)框圖 由圖可以看出煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)報(bào)警器的硬件 部分設(shè)計(jì)是以單片機(jī)系統(tǒng)為核心，用于整個(gè)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理、聲光報(bào)警電路等正常工作。然后再將電壓信號(hào)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換變換成數(shù)字信號(hào)，并在單片機(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。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 6 2 系統(tǒng)概述 隨著超大規(guī)模 數(shù)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)。 第三，已 安裝 的 瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)型號(hào)各異，信號(hào)傳輸方式不盡相同，有的采取時(shí)分制，有的采取頻分制，還有的利用載波傳輸，給系統(tǒng)的管理、使用、維護(hù)以及聯(lián)網(wǎng)帶來諸多不便。 瓦斯監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)對(duì)瓦斯的檢測(cè)以 CH4 檢測(cè)為主 ,毒氣的檢測(cè)以 CO 檢測(cè)為主 。 近年來，國(guó)有重點(diǎn)煤礦瓦斯爆炸事故較少的原因之一，就是絕大多數(shù)煤礦的高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井安裝了瓦斯 濃度 監(jiān)測(cè)監(jiān)控 系統(tǒng) 。 國(guó)有地方和鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦中，高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井占 15%左右。所以，對(duì)煤礦井下瓦斯氣體進(jìn)行快速準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)顯得尤為重要，對(duì)易燃易爆混合氣體監(jiān)測(cè)的研究和開發(fā)也成為人們一直關(guān)注的問題。此次設(shè)計(jì)的瓦斯監(jiān)測(cè)報(bào)警器具有操作簡(jiǎn)便，運(yùn)行穩(wěn)定，檢測(cè)比較準(zhǔn)確的特點(diǎn)。我們給出了其硬件組成及軟件的設(shè)計(jì)方案，使其能達(dá)到進(jìn)行瓦斯監(jiān)測(cè)的預(yù)期目標(biāo)。這其中，固然有很多誘發(fā)因素，但 是 煤礦生產(chǎn)企業(yè)安全監(jiān)測(cè)設(shè)備不完備、管理手段落后是造成事故的重要因素之一。摘 要 能源工業(yè)是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈。在這些事故中，瓦斯爆炸 占絕大多數(shù)。 在本文中，我們?cè)O(shè)計(jì)介紹了一種基于氣敏傳感器和單片機(jī)的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)報(bào)警器。 在論文中，我簡(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。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。 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)百萬名 煤礦 工的生命安全 ， 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)舛鹊谋O(jiān)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)出河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 5 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。 第二， 受技術(shù)條件限制，許多煤礦的瓦斯監(jiān)測(cè)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(cè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。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。在這里我們運(yùn)用到的氣敏傳感器是，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。 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MC11 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC080單片機(jī) AT89S5 LED 顯示電路、聲光報(bào)警裝置和基于 CAN 總線的通訊電路組成。由于該傳感器的輸出信號(hào)為模擬電壓信號(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) AT89S51 LED 顯示 信號(hào)處理電路 電源 ADC0809 MC113 傳感器器 基準(zhǔn)電源 聲光報(bào)警 上傳通訊 傳感器 RXD TXD SCM1 RXD TXD SCMn ……… . TXD RXD 工 控 機(jī) 傳感器 CAN 總線 斷電控制 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 8 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 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理?？偩€控制器作為工控機(jī)與 CAN 總線的接口裝置，起到了工控機(jī)與單片機(jī)數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)木W(wǎng)橋作用。 氣體傳感器 的 選擇及供電電路設(shè)計(jì) 氣體傳感器的選擇 要進(jìn)行 — 個(gè)具體的測(cè)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。 根據(jù)催化燃燒效應(yīng)的原理工作，由檢測(cè)元件（黑元件）和補(bǔ)償元件（白元件）配對(duì)組成電橋的兩個(gè)臂，遇到可燃性氣體時(shí)監(jiān)測(cè)元件電阻升高，橋路輸出電壓變形，該變化隨氣體濃度增大而成正比例增大。 橋路輸出電壓呈線性 優(yōu)異的抗 H2S、有機(jī)硅中毒能力 10 靈敏度 (mV) 1%甲烷 20~40 1%丁烷 30~50 1%氫氣 25~45 線形度（ %） ≤5 測(cè)量范圍（％ LEL） 0~100 響應(yīng)時(shí)間 (90%) 小于 10 秒 恢復(fù)時(shí)間 (90%) 小于 30 秒 使用 環(huán)境 40－ +70℃ 低于 95%RH 儲(chǔ)存環(huán)境 20— +70℃ 低于 95%RH 外形尺寸（ mm） MC113:1419 MC113C: 81014 防爆標(biāo)志 ExdibⅠ 傳感器供電電路設(shè)計(jì) 傳感器供電的穩(wěn)定性直接影響檢測(cè)橋路輸出的準(zhǔn)確度，為了提高測(cè)量的精度，設(shè)計(jì)了由基準(zhǔn)電壓、運(yùn)算放大器和晶體管組成的恒壓源專為傳感器供電，電路原理如下圖所示。正因?yàn)槿绱藝?guó)內(nèi)外多家電子生產(chǎn)廠商把目光投向了單片機(jī)的生產(chǎn)，其中最為著名的當(dāng)數(shù) INTEL 公司生產(chǎn)的 MCS51 系列單片機(jī)。二是要有較高的性價(jià)比。正因?yàn)槿绱耍谖覈?guó)，單片機(jī)已被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化控制、自動(dòng)檢測(cè)、智能儀表、家用電器等各個(gè)方面。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。 * 控制引腳： PSEN、 ALE、 EA、 RESET（即 RST）。 Vcc（ 40 腳）：接 +5V 電源； Vss（ 20 腳）：接地。 XTAL1（ 19 腳）：接外部晶體的一個(gè)引腳。 XTAL2（ 18 腳）：接外部晶體的另一端，在單片機(jī)內(nèi)部接至內(nèi)部反相放大器的輸出端。為獲得較穩(wěn)定的時(shí)基信號(hào)，以控制主控門的開啟時(shí)間，可采用石英晶體多諧振蕩器來產(chǎn)生時(shí)基信號(hào)。狀態(tài)時(shí)鐘經(jīng) 3 分頻后為低字節(jié)地址鎖存信號(hào) ALE，頻率為振蕩器輸出信號(hào) fosc 的 1/6，經(jīng) 6分頻后為機(jī)器周期信號(hào)，頻率為 fosc/12。 其接線圖如圖 下圖 所示： C12 2 PC22 2 PB11 2 M H ZX1X2 圖 34 晶振接線圖 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 16 報(bào)警解除 電路 當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)出瓦斯?jié)舛瘸鰣?bào)警值時(shí)，聲光報(bào)警器就會(huì)發(fā)出報(bào)警， 當(dāng)達(dá)到提醒人們離開的目的后，我們需要解除聲光報(bào)警，解除報(bào)警有兩種途徑，一種是手動(dòng)解除，一種是系統(tǒng)自動(dòng)解除，若沒有手動(dòng)解除報(bào)警，則系統(tǒng)可通過調(diào)用 20s的延時(shí)時(shí)間來自動(dòng)解除報(bào)警。 A/D 轉(zhuǎn)換器的選型 信號(hào)處理系統(tǒng)采用 8位 A/D轉(zhuǎn)換器 ADC0809 實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 19 D0～ D7： 8 位數(shù)字量輸出端。 當(dāng) ALE為高電平時(shí)，允許C、 B、 A 所示的通道被選中，并將該通道的模擬量接入 A/D 轉(zhuǎn)換器。 如果此信號(hào)被選中，允許從 A/D 轉(zhuǎn)換器鎖存器中讀取數(shù)字量。 GND： 接 地。當(dāng) OE 輸入高電平 時(shí)，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。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 21 顯示電路 顯示器的選擇 我們選用 LED 數(shù)碼管作為顯示器件。本設(shè)計(jì)采用的就是共陰極接法 的數(shù)碼管 。 由于采用動(dòng)態(tài)顯示，因此除了要給顯示器提供顯示段碼之外，還要對(duì)顯示器進(jìn)行位的控制，即通常所說的“段控”和“位控”。這種設(shè)計(jì)是為了采用動(dòng)態(tài)顯示方式。 聲光報(bào)警電路如 312圖所示 。 系統(tǒng) 抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)的輸入輸出接口的設(shè)計(jì)十分重要。 (2)CAN 協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢 除了傳統(tǒng)的站地址編碼．代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。 (5)傳輸距離遠(yuǎn)。工作過稱為 ： A/D 轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)報(bào)送到 SJA1000 通過 CAN 總線收發(fā)器 PCA82C250 上傳總線，完成采集工作。 PCI9810 接口 卡采用 4層板工藝，自帶光電隔離，保護(hù) PC 機(jī)避免由于地環(huán)流的損壞，增強(qiáng)系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性，采用 WDM 驅(qū)動(dòng)程序，支持 win9 win2020 和 XP 操作系統(tǒng)，并支持多個(gè)設(shè)備。在單片機(jī)供電電路上我選用集成 的穩(wěn)壓電路，電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路很多，這里選用三端穩(wěn)壓集成電路 7805 它由三條引腳輸出，分別是輸出端、接地端、和輸出端。 主程序 系統(tǒng)上電后，首先要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，掃描看是否有鍵按下，有鍵按下則依據(jù)設(shè)定來修改參數(shù)，若無則按初始設(shè)定值操作，采樣井下瓦斯?jié)舛炔@示，超過安全值聲光報(bào)警；并通過通訊程序?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)上，上傳到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。其流程圖如 42 所示： 圖 42 中斷子程序流程圖 聲光報(bào) 警子程序 當(dāng)聲光報(bào)警開啟后，當(dāng)達(dá)到提醒人們離開的目的后，我們需要解除聲光報(bào)警，解除報(bào)警有兩種途徑，一種是手動(dòng)解除，一種是系統(tǒng)自動(dòng)解除，若沒有手動(dòng)解除報(bào)警，則系統(tǒng)可通過調(diào)用 20s 的延時(shí)時(shí)間來自動(dòng)解除報(bào)警。由于此次設(shè)計(jì)時(shí)間緊，但設(shè)計(jì)的理論依據(jù)是充分的并且硬件的電路原理圖也已畫出，但也存在一些不足：由于瓦斯傳感器的限制，其瓦斯?jié)舛鹊淖畲蟊O(jiān)控值為 4%，不適用于高瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測(cè)，但由于本設(shè)計(jì)并非監(jiān)測(cè)瓦斯爆炸時(shí)所對(duì)應(yīng)的濃度值，而 是根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》對(duì)井下各點(diǎn)瓦斯?jié)舛鹊囊?guī)定設(shè)計(jì)，可以滿足相關(guān)要求。誠(chéng)然，四年期間我是得到了很多支持和幫助的，一路走來無比欣慰。 感謝舍友梁永良，從他那里我學(xué)到了許多基本操作和畫圖方面的方法和技巧，在論文的研究過程中也給予了許多關(guān)心，指導(dǎo)和幫助