【正文】 河北 聯(lián)合 大學(xué) 綜合課程設(shè)計說明書 2 總體設(shè)計方案 15 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，分辨率為 %%10 019 991 ?? (5) 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。 ADC0809芯片采用了雙列直插式的封裝，擁有 28條引腳，各引腳功能說明如下：1） 一般引腳的介紹 : (1) IN0～ IN7： 8路模擬量的輸入端口； (2) D0～ D7： 8位數(shù)字量的輸出端口； (3) ADDA、 ADDB、 ADDC： 3位地址的輸入線，作為選通 8路模擬輸入中的一路； (4) ALE：地址鎖存允許信號輸入端，上升沿有效 , 當(dāng)此信號有效時， A、 B、 C三位地址信號被鎖存，譯碼選通對應(yīng)模擬通道。 A/D轉(zhuǎn)換芯片 的選擇 A/D轉(zhuǎn)換器是監(jiān)測系統(tǒng)中一個非常重要的一個環(huán)節(jié)，它的種類多、性能各異、引腳功能也各不相同。通道 2能吸收 /發(fā)出一個 TTL負(fù)載。 對于 EPROM型單片機，在 EPROM編程期間，此引腳接收編程脈沖（ 功能） （ 3） 外部程序存儲器讀選通信號輸出端，在從外部程序存儲取指令（或數(shù)據(jù)）期間， 在每個機器周期內(nèi)兩次有效。當(dāng)采用外部振蕩器時，此引腳接地。本設(shè)計采用 5000ppm甲烷校準(zhǔn)傳感器進行校準(zhǔn)。 符號 參數(shù)名稱 技術(shù)參數(shù) 備注 Rs 敏感體表面電阻 10 ?K — 60 ?K （ 5000ppmCH4） 適用范圍： 300— 10000ppm 甲烷，天然氣 а(1000ppm/5000ppmCH4) 濃度斜率 ≤ 標(biāo)準(zhǔn)工作條件 溫度 ： 20℃177。它的優(yōu)點是在較寬的濃度范圍內(nèi)對可燃?xì)怏w有良好的靈敏度 。其優(yōu)點是對微量瓦斯比較敏感，結(jié)構(gòu)簡單、成本低。它的優(yōu)點是精度高、選擇性好、不受其它氣體的影響，不但測量范圍大而且還可以連續(xù)檢測；缺點是儀器的 制造和保養(yǎng)困難，體積大，成本高，功率大，因此廣泛使用會受到一定的限制。 河北 聯(lián)合 大學(xué) 綜合課程設(shè)計說明書 2 總體設(shè)計方案 5 2 總體設(shè)計方案 礦井瓦斯?jié)舛妊芯糠桨冈O(shè)計 為保證井下工人安全，防止發(fā)生瓦斯爆炸，設(shè)計一套礦井瓦斯?jié)舛葘崟r監(jiān)測報警系統(tǒng)。 研制新型傳感器時應(yīng)高起點、高智能化，應(yīng)充分利用微處理器的優(yōu)點，做到自診斷、自校正、自調(diào)零、配置標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)傳接口，統(tǒng)一傳感器的輸出信號制以提高傳輸?shù)目煽啃浴?shù)據(jù)出來的簡單性和傳感 器的互換性。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 瓦斯爆炸事故伴隨著煤炭開采一直存在，世界各國投入大量人力、物力、財力對瓦斯爆炸傳播規(guī)律進行了研究。瓦斯事故的原因很多，有管理方面的、設(shè)施方面的、人員素質(zhì) 及責(zé)任心等，但最本質(zhì)的原因在于形成了瓦斯積聚，只有避免瓦斯積聚才能從根本上消除瓦斯事故。由于礦井瓦斯是指井下以甲烷 CH4 為主的有毒、有害氣體的總你，有時單指甲烷 。 介紹詳細(xì)的設(shè)計方案，并對 總體設(shè)計方案進行細(xì)化。本課題的題目是礦井瓦斯?jié)舛葘崟r檢測報警系統(tǒng)。但是，在實際的煤炭生產(chǎn)中，礦難事故不斷發(fā)生。 當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到預(yù)設(shè)的值時，報警系統(tǒng)立即發(fā)生報警，提醒礦工馬上離開，以防礦難事故的發(fā)生，造成重大國家損失?？紤]到現(xiàn)代單片機的體積小、集成度高、速度快、穩(wěn)定性好、價格低且應(yīng)用領(lǐng)域廣等特點，所以基于單片機的礦井瓦斯檢測系統(tǒng)設(shè)計是勢在必行的。美國國家職業(yè)與健康研究所匹茲堡研究中心（ NIOSH）、雷克萊恩（ Lake,Lynn）實驗礦井，澳大利亞的 London Dare 安全研究中心，以及歐洲 的一些研究機構(gòu)相繼建立了可燃?xì)怏w和粉塵爆炸試驗管道，并進行了試驗研究。 當(dāng) 前， 我國煤礦開采正在向高產(chǎn)高效和集約化方向發(fā)展， 全礦井的生產(chǎn)自動化、管理信息化技術(shù)在一些現(xiàn)代化礦井得到越來越多的應(yīng)用，使礦井在“采、掘、運、風(fēng)、水、電、安全”等生產(chǎn)環(huán)節(jié)和管理環(huán)節(jié)逐步實現(xiàn)綜合自動化與管理信息化。 礦井瓦斯?jié)舛葯z測報警系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容 1） 進行總體設(shè)計，首先根據(jù)現(xiàn)場的特殊要求分析設(shè)計任務(wù)，確定現(xiàn)場的要求；其次根據(jù)現(xiàn)場要求，選擇適用于防爆性和高安全性的工業(yè)現(xiàn)場需求的瓦斯氣體濃度測量方法和檢測報警系統(tǒng)的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)；然后選擇合適的測量傳感器，并確定測量系統(tǒng)主芯片和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)； 2） 設(shè)計測量傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換電路，將其轉(zhuǎn)換為適應(yīng)后續(xù)測量電路要求的電信號，設(shè)計轉(zhuǎn)換電路，繪制電路圖； 3） 設(shè)計基于 8031 單片機的實時瓦 斯?jié)舛缺O(jiān)測報警系統(tǒng)：監(jiān)測報警系統(tǒng)的主芯片采用 8031 微處理器，系統(tǒng)中應(yīng)有數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、地址鎖存器、數(shù)據(jù)鎖存器、看門狗、 A∕ D 轉(zhuǎn)換器、多路開關(guān)、數(shù)據(jù)輸出芯片（ RS232 或 485）、擴展接口、LED顯示系統(tǒng)等，繪制各單元電路圖和總的電路圖； 礦井瓦斯?jié)舛妊芯肯到y(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 基于氣體傳感器的甲烷氣體監(jiān)測系統(tǒng)主要由氣體傳感器、單片機、 LED 顯示器、電源電路以及聲光報警模塊等部分組成，其原理框圖如圖 所示。 3) 聲速差式 在溫度為 22℃、氣壓為 101325Pa 條件下，聲波在瓦斯中的傳播速度為 432m/s，而在清潔空氣中為 3m/s。它的 優(yōu)點是熱導(dǎo)元件和儀器設(shè)計制作比較簡單，成本低、量程大，可連續(xù)檢測，讀數(shù)穩(wěn)定，器件壽命長；缺點是瓦斯?jié)舛容^低時輸出信號小，受氣溫影響比較大。簡單的驅(qū)動電路即可。 5% Vh:177。靈敏度的調(diào)整需要依靠調(diào)節(jié)負(fù)載電阻來實現(xiàn)的，調(diào)節(jié)負(fù)載電阻盡可能的使顯示的瓦斯?jié)舛戎蹬c實際相符合，這樣傳感器的靈敏度就確定下來了，此時的傳感器就可以用來監(jiān)測實際中不同的瓦斯?jié)舛攘?。?dāng)采用外部振蕩器時，此引腳接外部振蕩源。當(dāng) /Vpp為高電平時，訪問內(nèi)部程序存儲器，當(dāng) /Vpp 為低電平時，則訪問外部程 序存儲器。 :TXD，串行輸出口。模擬輸入部分有 8路多路開關(guān)，可由 3位地址輸入 ADDA、 ADDB、 ADDC的不同組合來選擇， ALE為地址鎖存信號，高電平有效，河北 聯(lián)合 大學(xué) 綜合課程設(shè)計說明書 2 總體設(shè)計方案 13 鎖存這三條地址輸入信號。要求時鐘頻率不超過 640kHz； REF（ +）、 REF（ ）：基準(zhǔn)電壓輸入端 ,它們決定了輸入模擬電壓的最大值和最小值； (9） VCC：工作時電壓為＋ 5V； (10） GND：接地?？梢?， A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，其分辨率越高，但轉(zhuǎn)換速度就越慢。 示模塊的選擇 本設(shè)計應(yīng)該選擇比較熟悉的 LCD1062。 第 2 腳： VDD接正電源 ，為 5V。 第 16 腳：背光源負(fù)極 [4]。 指令 5：光標(biāo)或 者 顯 示移位 S/C： 當(dāng) 高電平 的 時 候 移動顯示的 字符 ，低電平 的 時 候 移動光標(biāo)。擴展程序存儲器常用芯片有 EPROM（ Erasable Programmable Read Only Memory）型（紫外線可擦除型），如 2716（ 2K 8）、 2732（ 4K 8）、 2764（ 8K 8）、 27128（ 16K8）、 27256（ 32K 8）、 27512（ 64K 8）等，另外還有 +5V 電可擦除 EEPROM，如2816（ 2K 8）、 2864（ 8K 8）等等。后者集成度高，成本低，功耗相對較低；缺點是需要增加一個刷新電路，附加另外的成本。這里采用全譯碼方式， 6264 的存儲容量是 8K 8位，占用了單片機的 13 條地址線 A0～ A12，剩余的 3條地址線A13～ A15 通過 74LS138 來進行全譯碼。 VCC1 則是用于測定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻 (RL)上的電壓 (VRL)。轉(zhuǎn)換結(jié)束 ,OE 輸入高電平， EOC 可作為中斷請求信號 , 轉(zhuǎn)換結(jié)束后，可通過執(zhí)行 IN 指令，設(shè)法在輸出允許 OE腳上形成一個正脈沖，使輸出三態(tài)門打開，并將轉(zhuǎn) 換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。高電平有效， OE=1：輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)； OE=0：輸出數(shù)據(jù)線呈現(xiàn)高阻態(tài)。 復(fù)位電路設(shè)計 復(fù)位電路在單片機工作中是 必不可少 的部件 之一 ，單片機工作時必須處于一種確定的狀態(tài)。此次我們用的也為 10k，其他接口內(nèi)部有上拉電阻，作為輸出口時不需外加上拉電阻。 河北理工大學(xué) 綜合課程設(shè)計說明書 3 具體實施方案 22 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 / A 821P 2 .1 / A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427P 1 . 01P 1 . 12P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 / R D17P 3 . 6 / W R16P 3 .5 /T 115U18 0 C3 1C63 0 p FC73 0 p FX1CR Y S T A LC51 0 0 p FR11 0 k 圖 10 單片機最小系統(tǒng)電路 電源電路設(shè)計 該系統(tǒng)電源電路圖如圖 11所示 ,VIN 是 外部輸入電源 ,采用的是 12v/3A 的直流電源 .C C4 的作用是對 LM317 電壓調(diào)節(jié)端（ ADJ）的電壓進行濾波，以提高輸出電壓的穩(wěn)定性； D D2 起保護作用，當(dāng)有情況使得 LM317 的 Vin 電壓比 Vout 電壓還低的時候，防止從 C C4上有電流倒灌入 LM317 引起其損壞。由 Vin 端提供工作電壓以后，便可以保護Vout 端（ 3腳）比 ADJ端（ 1 腳）的電壓高 。那么三極管要使蜂鳴器發(fā)出的聲音更加響亮，起到更好的報警作用，需采用基本共射放大電路，發(fā)射極連接正極，集電極連接負(fù)載，可同時放大電壓與電流。低 8 位地址線由 P0 口提供，高 8 位由 P2口提供，具體使用多少條地址線視擴展容量而定；③ 控制線，存儲器的讀允許信號 OE 與單片機的 取指信號 PSEN 相連；存儲器片選線 CE 的接法決定了程序存儲器的地址范圍，當(dāng)只采用一片程序存儲器芯片時 CE 可以直接接地，當(dāng)采用多片時要使用譯碼器來選中 CE 。為此， 1602 型 LCD專門設(shè)了一個忙碌標(biāo)志位 BF，該位連接在 8位雙向數(shù)據(jù)的 D7 為上。值得注意的是， LM317河北理工大學(xué) 綜合課程設(shè)計說明書 3 具體實施方案 23 有一個最小負(fù)載電流的問題，即只有負(fù)載電流超過某一值時，才能起到穩(wěn)壓作用。它的使用非常簡單，僅需兩個外接電阻來設(shè)置輸出電壓，此外線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率也比標(biāo)準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓器好。在每個機器周期的 S5P2 期間采樣 T0、 T1引腳電平。選擇合理的充電常數(shù)，就能保證在開關(guān)按下時是 RST 端有兩個機器周期以上的高電平從而使 AT89S52 內(nèi)部復(fù)位。 單片機必須需要時鐘的驅(qū)動才能正常工作。 3） EOC:轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。然后輸入 3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。 瓦斯?jié)舛葴y試部分 電路是由氣體傳感器 MQ4組成的，其作用是將瓦斯氣體的 體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對應(yīng) 的模擬 電 壓 信號 并輸出來。單片機擴展數(shù)據(jù)存儲河北 聯(lián)合 大學(xué) 綜合課程設(shè)計說明書 2 總體設(shè)計方案 18 器常用的靜態(tài) RAM芯片有 6116（ 2K 8位）、 6264（ 8K 8位）、 62256（ 32K 8位）等。 片外擴展數(shù)據(jù)存儲器 當(dāng)單片機用于實時數(shù)據(jù)采集或處理大批量數(shù)據(jù)時，僅靠片內(nèi)提供的 RAM 是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。 指令 9：讀忙信號 與 光標(biāo)地址 BF：為忙標(biāo)志位， 當(dāng) 高電平 的時候 表示忙， 這 時模塊不 可以 接收命令或數(shù)據(jù)， 當(dāng) 低電平 的時候則 表示不忙。 指令 3：光標(biāo) 與 顯示模式設(shè)置 I/D：光標(biāo) 的 移動方向 是 高電平 時 右移，低電平 時 左移 。當(dāng) RS 和 R/W 同 時 為低電平