【正文】 A L E30P 2. 122GND20R S T9P 3. 1 ( T X D )11X A L T 218V C C40X T A L 119A T 89 C 5 1D718D617D514D413D38D27D14D03G11OE1Q02Q15Q26Q39Q412Q515Q616Q7177 4L S 3 73Y3A1B27 4L S 0 0GNDR21 00R51 00 kR31 00 KR41 00Vl1b i p o f f12AG9V E E11B I N10B O U T81 0V i n132 0V i n14DG151 2/ 82CS3A04R / C5D B 1 127D B 1 026D B 925D B 824D B 723D B 622D B 521D B 420D B 319D B 218D B 117D B 016CE6S T S28V c c7A D 5 74 AGND+ 5V 1 5 v+ 15 vR?1 0K 圖 AD574A與單片機(jī)連接圖 圖 是 AT89C51 單片機(jī)與 AD574A 的接口電路，其中還使用 了三態(tài)鎖存器 74LS373 和 74LS00 與非門電路，邏輯控制信號(hào)由 AT89C51 的數(shù)據(jù)口 P0 發(fā)出，并由三態(tài)鎖存器 74LS373 鎖存到輸出端 Q0、 Q1 和 Q2 上， Q0、 Q Q2分別連接到 AD574A 的 CS、 A0 和 R/C 端，用于控制 AD574A 的工作過(guò)程。 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 接收 0 1 1 2 接收 1 0 1 1 發(fā)射 1 1 1 2 發(fā)射 0 待機(jī) 單片機(jī)與 PTR20xx的通信速率可約定為 9600bit/s，單片機(jī)選用 12MHz的晶振。具體單片機(jī)與 PTR20xx模塊的連接圖如圖 。接通電源后，振 23 蕩器產(chǎn)生的音頻信號(hào)電流通過(guò)電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)。18V (3) 對(duì)比較信號(hào)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）。 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(cè) 值 ≥ 1 %聲 、 光 報(bào) 警YN開(kāi) 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(wú)線傳輸模 塊 PTR20xx，其通過(guò)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(qǐng)求， CPU響應(yīng)中斷并清除中斷標(biāo)志，開(kāi)始通過(guò)串行口發(fā)送數(shù)據(jù)，檢測(cè)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(kāi)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 。 (2) 各部分元器件的選擇。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。一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，論證過(guò)程的必不可少的部分。 本文所做的工作有： (1) 完成了瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀的整體構(gòu)思和設(shè)計(jì)。 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(cè)電路 25 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 現(xiàn)場(chǎng)單片機(jī)主程序設(shè)計(jì) 處于現(xiàn)場(chǎng)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(guò)串行口送出，最后送至 PTR20xx無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行發(fā)射 ,具體程序流程圖如圖 。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。 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 。 PTR20xx的 CS引腳和 GND連接，即使固定通信頻道為頻道 1。 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。 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。10V 兩檔四種 (5) 電源電壓： 177。因此，輸入 A/D轉(zhuǎn)換器 17 的電壓范圍是 4～ 。 表 南孚 9V電池的終止電壓和使用壽命 測(cè)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。由于將多功能 8位 CPU和閃爍存儲(chǔ)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(chǔ)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(jí)程序存儲(chǔ)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。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(lái)決定的。 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(wú)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(lái)考慮，本設(shè)計(jì)采用 PTR20xx作為無(wú)線傳輸模塊。5% 預(yù)熱時(shí)間 不少于 24s 其測(cè)量電路如圖 。適用于煤礦井下作業(yè)環(huán)境測(cè)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(duì)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。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(lái)使用特征又經(jīng)濟(jì)合理的外殼，外殼腔內(nèi)有細(xì)長(zhǎng)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。圖 ，主要由單片機(jī)、無(wú)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。因此，研制先進(jìn)適用的煤礦瓦斯氣體監(jiān)測(cè)儀對(duì)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(chǎng)應(yīng)用前景十分廣闊。其有易燃、易爆等特點(diǎn)，因此煤礦對(duì)瓦斯的治理應(yīng)非常重視。 綜合來(lái)說(shuō)，目前市場(chǎng)上的每種系統(tǒng)都可能存在量程小、體積大、功耗大、需短期內(nèi)校準(zhǔn)、使用壽命短、無(wú)數(shù)據(jù)傳輸方式等其中某種或某幾種缺點(diǎn)。該儀器的缺點(diǎn)是：測(cè)量范圍有限、精度較低、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。巷道截面對(duì)中頻及其以下頻率的無(wú)線 傳輸影響較小，所以在本設(shè)計(jì)中可選用適當(dāng)頻率的無(wú)線電波作為無(wú)線傳輸方式。長(zhǎng)距離微波通信干線可以經(jīng)過(guò)幾十次中繼而傳至數(shù)千公里仍可保持很高的通信質(zhì)量。 3 無(wú)線傳輸技術(shù)概述 常用的無(wú)線傳輸方式有 藍(lán)牙、紅外、 UWB、 ZigBee、 WIFI、微波、無(wú)線電波 ，其中 藍(lán)牙、紅外、 UWB、 ZigBee、 WIFI 適用于短距離或中距離無(wú)線信號(hào)傳輸，微波和無(wú)線電波適用于中遠(yuǎn)距離傳播，由于礦井巷道比較狹長(zhǎng)，中短距離的無(wú)線傳輸方式在此無(wú)法使用，下面著重 介紹兩種較長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳送方式。 (2) 采區(qū)回風(fēng)巷、采掘工作面回風(fēng)巷風(fēng)流中瓦斯?jié)舛瘸^(guò) 1%時(shí)，必須停止工作，撤出人員，并由礦總工程師負(fù)責(zé)采取措施，進(jìn)行處理。主要成分是甲烷 ( 4CH )、一氧化碳 (CO)和二氧化碳 ( 2CO )、硫化氫 ( 2HS)等 。在我國(guó)的煤礦生產(chǎn)事故中，瓦斯爆炸造成的傷亡和損失成為實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的最大障礙 ， 及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)瓦斯?jié)舛群蛨?bào)告危險(xiǎn)在安全生產(chǎn)中具有重要意義。而目前國(guó)內(nèi)礦井中用于瓦斯檢測(cè)的設(shè)備比較落后，這些設(shè)備探測(cè)范圍小，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，數(shù)據(jù)傳輸采用有線方式，且具有成本高、功耗高和設(shè)備龐大等特點(diǎn)，不適應(yīng)大多數(shù)煤礦的需求，因此需要研制一種集成化、智能化、小型化、無(wú)線化的新型瓦斯檢測(cè)報(bào)警 設(shè)備，增強(qiáng)礦井的安全監(jiān)測(cè)能力。 該瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀分為現(xiàn)場(chǎng)部分和手持部分兩部分，現(xiàn)場(chǎng)部分是處于瓦斯檢測(cè)點(diǎn)的部分，這部分主要由瓦斯傳感器、信號(hào)調(diào)理、 A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、無(wú)線發(fā)射模塊 PTR20xx組成。 煤礦瓦斯氣體概述 要設(shè)計(jì)一個(gè)瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀，就必須首先搞清楚瓦斯氣體，明確研究對(duì)象的性質(zhì)及其爆炸所需的條件等，只有在明確了研究對(duì)象之后，才能很好地對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，下面就將對(duì)瓦斯氣體的特性和爆炸條件作詳細(xì)地介紹。 瓦斯氣體的爆炸 瓦斯爆炸須具備 3個(gè)條件 ： 4CH 濃度、 2CO 濃度及引爆溫度。放炮地點(diǎn)附近 20 米以內(nèi)風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛冗_(dá)到 1%時(shí)，嚴(yán)禁放炮。無(wú)線電技術(shù)是通過(guò)無(wú)線電波傳播信號(hào)， 現(xiàn)在，無(wú)線電有著多種應(yīng)用形式， 包括無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)，各種移動(dòng)通信以及無(wú)線電廣播等，其傳輸距離遠(yuǎn)，是應(yīng)用最廣的 無(wú)線通信手段。 礦井無(wú)線傳輸受工作頻率、導(dǎo)體、巷道截面 (包括形狀 尺寸 )、拐彎、分支、傾斜、風(fēng)門等影響，其特點(diǎn)有 ： ① 礦井無(wú)線傳輸受巷道截面和傳輸頻率影響。這種儀器的缺點(diǎn)是：體積較大，無(wú)法方便攜帶，工作環(huán)境要求很高，無(wú)法進(jìn)行野外探測(cè)；測(cè)量時(shí)要先對(duì)氣體取樣，無(wú)法實(shí)時(shí)探測(cè)，功率很大一般達(dá)到 2500W，需要與計(jì)算機(jī)相連。當(dāng)兩個(gè)氣室的溫度等條件相同時(shí)，由于甲烷的折射率 n=，而空氣的折射率 n=，便可以利用測(cè)量干涉條紋的移動(dòng)對(duì)甲烷的濃度進(jìn)行定量分析。雖然通過(guò)煤炭生產(chǎn)、加工和利用等各個(gè)環(huán)節(jié)，提供了相當(dāng)多的就業(yè)機(jī)會(huì)，但每個(gè)環(huán)節(jié)卻同時(shí)帶來(lái)了環(huán)境污染、安全等一系列的問(wèn)題。第二、瓦斯煤塵爆炸，瓦斯爆炸所產(chǎn)生的巨大沖擊波和高溫火焰，往往導(dǎo)致群死群傷，而且揚(yáng)起的煤塵