【正文】 . 3GENERAL DESCRIPTION The PCF8591 is a singlechip,singlesupply low power 8bit CMOS data acquisition device with four analog inputs,one analog output and a serial I2Cbus address pins A0,A1 and A2 are used for programming the hardware address,allowing the use of up to eight devices connected to the I2Cbus without additional ,control and data to and from the device are transferred seriall。 煤礦瓦斯微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行精度為 %的監(jiān)控，從而達(dá)到煤礦工業(yè)的安全生產(chǎn)。 VB 擁有圖形用戶界面（ GUI）和快速應(yīng)用程序開發(fā)（ RAD）系統(tǒng)，可以輕易的使用 DAO、 RDO、 ADO 連接數(shù)據(jù)庫，或者輕松的創(chuàng)建 ActiveX 控件。 下面對主程序、 LED 顯示瓦斯?jié)舛鹊淖映绦蛞约癆/D 轉(zhuǎn)換子程序進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試結(jié)果分別為圖 5圖 5圖 53 所示。 4） 仿真調(diào)試，點(diǎn)擊“ DebugStart/Stop Debug Session”進(jìn)入仿真模式。 VB 程序界面圖如下圖： 起始位 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 數(shù)據(jù) /地址標(biāo)識位 停止位 圖 46 單片機(jī)與 PC 通信的地址數(shù)據(jù)幀格式 設(shè)置特殊功能寄存器 定義波特率 開啟串行中斷 ES=1 啟動定時(shí)器 RI=1? 從 SBUF 讀取數(shù)據(jù) 地址是否相同？ 發(fā)送數(shù)據(jù) RI=0 Y Y N N 圖 47 下位機(jī)串口通信子程序流程圖 圖 46 單片機(jī)與 PC 通信的地址數(shù)據(jù)幀格式 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 上位機(jī)的任務(wù)將下位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行的接受和顯示， 先設(shè)有三個(gè)下位機(jī)，地址分別為01H、 02H、 03H， adr=01H，程序流程圖如下： 圖 49 上位機(jī)串口通信程序流程圖 圖 48 上位機(jī)界面圖 開始 輸入原始數(shù)據(jù) 發(fā)送原始數(shù)據(jù)中的地址 接收數(shù)據(jù)？ 顯示到文本框內(nèi) 結(jié)束 N Y 煤礦瓦斯微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 26 第五章 系統(tǒng)的仿真 下位機(jī)的調(diào)試與仿真 下位機(jī)是一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，應(yīng)該首先對單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。當(dāng)主機(jī)成功接收到 01H 發(fā)送的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)顯示在界面，也可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。 通信程序 通訊網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式 通信方式 從上圖可知， PC 是 RS485 當(dāng)中的上位機(jī)，而多個(gè)單片機(jī)則為下位機(jī)。 receivebuf[1] 用于存放實(shí)時(shí)的瓦斯?jié)舛戎怠Ｆ淙秉c(diǎn)是不能 最大程度的利用單片機(jī)資源。有源蜂鳴器內(nèi)部帶有振蕩源，無源蜂鳴器內(nèi)部不帶振蕩源。它完成將 TTL 電平轉(zhuǎn)換為 RS－ 485電平的功能。6V 發(fā)送器負(fù)載阻抗 (Ω ) 3K～ 7K 54 擺率 (最大值 ) 30V/μs N/A 接收器輸入電壓范圍 177。傳輸距離短的另一原因是 RS232 屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于 20m 以內(nèi)的通信； . RS485 接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗 共模干擾能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。 （ 3）共陽極數(shù)碼管的字型代碼表，如表 32。由于各位數(shù)碼管的段線并聯(lián)，段碼的輸出對各位數(shù)碼管來說都是相同的。 6) EXT：內(nèi)部、外部時(shí)鐘選擇線，使用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí) EXT 接地。 PCF8591具有 4 個(gè)模擬輸入、 1 個(gè)模擬輸出和 1 個(gè)串行 I2C 總線接口。按其轉(zhuǎn)換原理可分 4 種：計(jì)數(shù)式、雙積分式、逐次逼近式及并行式 A/D 轉(zhuǎn)換器。2 個(gè) mV。 考慮到檢測系統(tǒng)的性價(jià)比采用型號為： MJC4/ 瓦斯檢測傳感器（鄭州煒盛電子科技有限公司生產(chǎn)） MJC4/ 型催化元件根據(jù)催化燃燒效應(yīng)的原理工作，由檢測元件和補(bǔ)償元件配對組成電橋的兩個(gè)臂，遇到可燃性氣體時(shí)檢測元件電阻升高，橋路輸出電壓變化，該電壓變量隨氣體濃度增大而成正比例增大，補(bǔ)償元件起參比及溫濕度補(bǔ)償作用。其缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在：受溫度影響較大；受氣壓的影響；耐振性較差；監(jiān)測選擇性較差。同時(shí)，煤礦環(huán)境中高粉塵高濕度的環(huán)境加速了催化傳感器的老化，嚴(yán)重制約著瓦斯的有效、準(zhǔn)確檢測。 AT89S52 和其他 51 系列單片機(jī)一樣，其內(nèi)部包含一個(gè)高增益的單級反相放大器，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別為片內(nèi)反相放大器的輸入端口和輸出端口，其工作頻率為0~33MHZ。本設(shè)計(jì)的任務(wù)是準(zhǔn)確測量瓦斯的濃度，具有自動報(bào)警功能，進(jìn)行 LED 顯示。 圖 21 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)工作原理 系統(tǒng)利用瓦斯傳感器實(shí)現(xiàn)對瓦斯的識別和瓦斯的濃度的測量，通過信號處理電路將得到的瓦斯?jié)舛刃盘栠M(jìn)行放大處理以及模數(shù)轉(zhuǎn)換，交給單片機(jī)處理。由于煤礦井下工作環(huán)境比較惡劣，有易燃易爆的瓦斯和粉塵，對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有影響，因此，煤礦系統(tǒng)中所用的電器跟一般的電器有較大的區(qū)別，這就對煤礦電器有特殊要求，如體積要小，易于搬運(yùn)，堅(jiān)固，防潮防水，防爆，電氣設(shè)備應(yīng)有接地、過流、漏電保護(hù)裝置，同時(shí)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性要求較高，系統(tǒng)的總體要求如下： 1) 系統(tǒng)中所用到的設(shè)備應(yīng)該滿足煤礦安全要求； 2) 實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性好； 3) 故障率低； 4) 便于維修； 主要內(nèi)容如下： (1) 傳感器的選用 瓦斯傳感器的原理多種多樣，市場上銷售瓦斯傳感器也很多。據(jù)美國煤炭時(shí)代工程與采礦 89 年 9 月月刊介紹，該系統(tǒng)在美國煤礦的使用已占美國煤礦現(xiàn)使用的 50%。由于當(dāng)時(shí)所處的技煤礦瓦斯微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 術(shù)條件，該系統(tǒng)采用了 1908 塊小規(guī)模 TTL 集成電路和部分分立元件組成，全部為硬邏輯電路。一方面，每次瓦斯爆炸都會引起全社會的關(guān)注，更是給犧牲的礦工親屬帶來沉重的精神打擊，對煤炭事業(yè)健康發(fā)展以及礦區(qū)和諧社會建設(shè)都產(chǎn)生了不良的影響。 課題研究的背景、意義及研究現(xiàn)狀 煤炭是中國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的動力，占全國一次能源生產(chǎn)總量及消費(fèi)結(jié)構(gòu)的 70%以上。上位機(jī)程序用 VB 編寫，采用 MSComm 插件啟動串口，可以隨時(shí)開啟串口并對任意下位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，并保存到相應(yīng)的數(shù)據(jù)框。濾波之后單片機(jī)驅(qū)動八位數(shù)碼管對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，并通過 RS485 下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。所以，對煤礦井內(nèi)的瓦斯氣體進(jìn)行快速準(zhǔn)確的檢測就顯得尤為重要，對易燃易爆氣體檢測系統(tǒng)的研究和開發(fā)也就成為人們普遍關(guān)注的問題。新中國成立以來發(fā)生的 24 起煤礦一次死亡百人以上的特別重大事故中，瓦斯煤塵事故有 21 起，事故起數(shù)和死亡人數(shù)分別占 88%和 90%。當(dāng)時(shí)最有代表性的產(chǎn)品為西安煤礦儀表廠生產(chǎn)的 MJC100 煤礦集中監(jiān)測系統(tǒng)和重慶煤礦安全儀器廠生產(chǎn)的 AYJ1 型瓦斯器遙測警報(bào)儀， MJC100 煤礦集中監(jiān)控系統(tǒng)可以配置 100 個(gè)瓦斯傳感器或其他類型的傳感器，傳輸方式采用載波鍵控制傳輸，監(jiān)測周期為 100 秒，可將煤礦井下瓦 斯或其他信號遠(yuǎn)傳到地面達(dá) 10 公里。該系統(tǒng)在加拿大和美國得到廣泛的應(yīng)用。 本課題研究的主要內(nèi)容及要求 本課題的研究的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種能夠有效監(jiān)測煤礦瓦斯氣體的監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊臏y量，將瓦斯的濃度傳給單片機(jī)處理，當(dāng)檢測瓦斯的濃度大于設(shè)定報(bào)警濃度時(shí)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)報(bào)警，并且將瓦斯的當(dāng)前的濃度和設(shè)定報(bào)警濃度顯示， 再將瓦斯的濃度傳給上位機(jī)。采用單片機(jī)構(gòu)成煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的核 心部分，使用氣體傳感器實(shí)現(xiàn)對瓦斯?jié)舛鹊臏y量；使用鍵盤可以實(shí)現(xiàn)對純凈空氣中瓦斯?jié)舛鹊牟扇。煌ㄟ^ LED 可以顯示瓦斯的當(dāng)前的濃度；采用RS485 物理層 ，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。 （ 1）單片機(jī)的選擇 單片機(jī)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，具有重要的作用。內(nèi)部時(shí)鐘模式是采用單片機(jī)內(nèi)部振蕩器來工作的模式。其缺點(diǎn)是：其測量范圍小，催化元件壽命短（一般為一年），易受硫化物、鹵化物、硅氧基化合物等物質(zhì)的中毒影響和高濃度瓦斯激活，使用一段時(shí)間后，零點(diǎn)產(chǎn)生漂移，靈敏度下降，因此每隔一段時(shí)間就要用標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行零點(diǎn)和靈敏度的校正。并且壽命長，除了電池和燈泡外幾乎沒有損耗部件，如不考慮其機(jī)械損傷，可疑認(rèn)為壽命是無限的；可疑根據(jù)干涉條紋艱巨大小，粗劣估計(jì)儀器測量精度的可靠性。由于半導(dǎo)體氣敏傳感器的線性度不好，修正較為復(fù)雜，于是選擇催化燃燒式甲烷傳感器作為本系統(tǒng)的傳感器。2 個(gè) mV，在 1%CH4 中每年漂移小于 177。 A/D圖 39 瓦斯?jié)舛?測量電路 圖 310 INA114 的電路結(jié)構(gòu)與基本接法 煤礦瓦斯微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 轉(zhuǎn)換器用以實(shí)現(xiàn)模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。 PCF8591 是一個(gè)單片集成、單獨(dú)供電、低功耗、 8bit CMOS 數(shù)據(jù)獲取器件。 5) OSC：外部時(shí)鐘輸入端，內(nèi)部時(shí)鐘輸出端。 8 位數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示需要由兩組信號來控制：一組是字段輸出的字形代碼，用來控制顯示的字形，稱為段碼；另一組是位輸出口輸出的控制信號，用來選擇第幾位數(shù)碼管工作，稱為位碼。結(jié)構(gòu)圖如圖 315 所示。 RS232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動器允許有 2500pF 的電容負(fù)載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m 的通信電纜時(shí)，最大通信距離為 15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。 發(fā)送器輸出信號電平 (空載最大值 ) 空載 +/25V 177。 采用單一電源 +5 V 工作 ，額定電流為 300 μA，采用半雙工通訊方式。 其基本參數(shù)如下： 1）半雙工； 2）速率： ； 3）限擺率： NO； 4）低電流關(guān)斷模式： NO； 5）接收允許控制： YES； 6）靜態(tài)電流 300； 7）負(fù)載個(gè)數(shù)： 32； 8）引腳數(shù)： 8 其 MAX485與 AT89S52的連線圖如圖 318 接收器共模電壓 7V～ +12V 圖 317 MAX485 引腳圖 煤礦瓦斯微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 蜂鳴器報(bào)警模塊 電磁式蜂鳴器分兩種：有源蜂鳴器和無源蜂鳴器。 圖 318 MAX485與 AT89S52的連線圖 圖 319 AT89S52 與蜂鳴器的連接圖 圖 318 MAX485 與 AT89S52 的連線圖 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 概述 本系統(tǒng)程序采用了 C 語言設(shè)計(jì)， C 語言編寫較匯編語言編寫方便，而且更接近人類語言，模塊性較強(qiáng)，可移植性也強(qiáng)于匯編語言。 變量或數(shù)組名 注釋 receivebuf[0] 用于存放純凈空氣中的瓦斯?jié)舛戎?。程序流程圖如下： 開始 初始化 取要顯示的數(shù)據(jù) 根據(jù)數(shù)據(jù)查段碼表 輸出段碼到 P0 輸出位碼到 P2 位碼移位 已顯示 8 位？ 關(guān)閉顯示 結(jié)束 N Y 圖 44 8 段位 LED 數(shù)碼管顯示程序流程圖 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 蜂鳴器報(bào)警子程序 當(dāng)處理后的當(dāng)前值超過預(yù)定值，則進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警時(shí)只要給蜂鳴器一個(gè)高電平即可。主機(jī)可以通過上位機(jī)界面對下位機(jī)進(jìn)行選擇，若選擇 1 號機(jī)，首先發(fā)送地址幀 01H，三個(gè)從機(jī)同時(shí)接受到主機(jī)發(fā)來的地址幀，然后從機(jī)將收到的地址幀地址同自己的地址進(jìn)行對比，如果相同，則發(fā)送數(shù)據(jù)，如果不同，則繼續(xù)等待。MSComm 控件具有功能完善的串口數(shù)據(jù)發(fā)送和接受功能，有兩種處理通信的方式，即事件驅(qū)動方式和查詢方式，事件驅(qū)動方式是利用 MSComm 控件的 OnComm 事件捕獲并處 理通信錯誤事件，是處理串行端口交互作用的一種非常有效的方法；查詢方式是通過檢查CommEvent 屬性的值來判斷事件和錯誤。 3） 編譯工程，在頁面中完成軟件編寫后，點(diǎn)擊工具欄“ Target options”出現(xiàn)“ Options for Target ‘Target1’ ” ,在“ Target”選項(xiàng)中輸入晶振頻率，在“ Output”選項(xiàng)中點(diǎn)擊“ Create HEX File”輸出 HEX 文件，最后點(diǎn)擊 Build 可以進(jìn)行編譯。 程序的調(diào)試 按照 Keil 軟件的運(yùn)用步驟，首先建立工程文件，再建立一個(gè)新的 C 語言文件，將代碼輸入后編譯