【正文】 re gas sensor, signal conditioning circuit, A/D converter, MCU and Wireless transmitter module PTR20xx. While the handheld part mainly consists of wireless receiver module PTR20xx, MCU, displaying unit, alarming unit and so on. In the hardware design, this paper analyses and elaborates how to plete the data acquisition, processing judgments, display and transmission of data, such as a series of function across the lowpower AT89C51 MCU. While in the part of software, the paper described the III program flow in detail. Key Words Gas concentration； Wireless transmission； Detector； AT89C51 IV 目 次 1 緒論 ............................................................................................................................ 1 煤礦瓦斯氣體概述 ................................................................................................. 1 國家關(guān)于煤礦安全濃度的規(guī)定 ............................................................................. 2 無線傳輸技術(shù)概述 ................................................................................................. 3 煤礦瓦斯檢測儀的發(fā)展?fàn)顩r ................................................................................. 4 本課題的研究意義 ................................................................................................. 5 本課題的主要工作內(nèi)容 ......................................................................................... 5 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 .................................................................................................... 7 系統(tǒng)總體構(gòu)成及工作原理 ..................................................................................... 7 系統(tǒng)設(shè)計要求 ......................................................................................................... 8 系統(tǒng)設(shè)計原理 ......................................................................................................... 9 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 .......................................................................................................... 15 系統(tǒng)電源設(shè)計 ....................................................................................................... 15 數(shù)據(jù)采集與信號調(diào)理電路部分設(shè)計 ................................................................... 16 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 AD574A 原理及連接方法 .......................................................... 17 無線傳輸模塊 PTR20xx 原理及應(yīng)用 ................................................................. 20 LED 顯示電路設(shè)計 ............................................................................................... 21 報警電路 ............................................................................................................... 22 電池電量監(jiān)測電路設(shè)計 ....................................................................................... 23 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 .......................................................................................................... 25 現(xiàn)場單片機主程序設(shè)計 ....................................................................................... 25 手持部分單片機主程序設(shè)計 ............................................................................... 25 串行口子程序設(shè)計 ............................................................................................... 26 傳感器控制程序設(shè)計 ........................................................................................... 27 結(jié) 論 .......................................................................................................................... 29 致 謝 .......................................................................................................................... 30 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 30 附錄 A：現(xiàn)場部分總體電路圖 .................................................................................. 32 附錄 B：手持部分總體電路圖 .................................................................................. 33 1 1 緒論 中國煤炭產(chǎn)量高居世界第一，國家一直把煤礦的安全生產(chǎn)作為重中之重，給予高度的關(guān)注。因此，實時檢測瓦斯氣體的濃度變化，對礦井安全運行，人身安全及環(huán)境保護(hù)有著十分重要的作用。而手持部分主要由無線接收模塊 PTR20xx、單片機、顯示單元、報警單元等組成。 瓦斯氣體性質(zhì) 了解瓦斯的特點和性質(zhì)是搞好瓦斯管理的先決條件 。 瓦斯在煤體和圍巖中以游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)存在，一般情況下處于動態(tài)平衡，當(dāng)外界溫度、壓力變化時，幾種狀態(tài)會互相轉(zhuǎn)化，煤層在開采過程中，瓦斯 2 被逸散出來，在井下積聚，造成瓦斯?jié)舛仍黾?，?dāng) 4CH 濃度達(dá) 5%～ 16%時具有爆炸性， 4CH 濃度為 %時，爆炸威力最大，當(dāng) 4CH 濃度小于 5%或大于 16%時，一般不會爆炸，遇明火只會燃燒，瓦斯爆炸的上下限是可變的，當(dāng)現(xiàn)場混合氣體的溫度和壓力發(fā)生變化或混入煤塵及其它可燃?xì)怏w時，可影響瓦斯爆炸的上下限，如空氣中的煤塵含量為 10～ 12 3mg/m 濃度達(dá)到 4%時，遇火就會爆炸。采掘工作面風(fēng)流中瓦斯?jié)舛冗_(dá)到 %時，必須停止工作，撤出人員，切斷電源，進(jìn)行處理 。 (2)微波通信 微波通信 (Microwave Communication),是使用波長在 毫米至 1 米之間的電磁波進(jìn)行的通信。巷道截面越大，傳輸頻率越高，傳輸衰減越小。這種儀器目前主要應(yīng)用在實驗室內(nèi)。這種儀器在使用中必須消除二氧化碳和水蒸氣的干擾。其中之一便是有害氣體影響，包括 4CH ,CO , 2SO 等。第二、煤中瓦斯突出。而在設(shè)計要求 中詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的設(shè)計要求，包含設(shè)計所應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)和儀表在特殊場合的防爆設(shè)計要求。 A T 8 9 C 5 1無 線 發(fā) 射模 塊瓦 斯 傳感 器信 號 調(diào)理 電 路電 源時 鐘 、 復(fù)位 電 路A / D 轉(zhuǎn)換 器 圖 現(xiàn)場部分結(jié)構(gòu)圖 8 A T 8 9 C 5 1報 警 電 路電 源時 鐘 、 復(fù)位 電 路無 線 接收 模 塊瓦 斯 濃 度顯 示 電 路 圖 手持部分結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)設(shè)計要求 技術(shù)指標(biāo) 本課題的研究目的是設(shè)計一個基于無線傳輸?shù)耐咚節(jié)舛葯z測儀，該瓦斯?jié)舛葯z測儀主要完成數(shù)據(jù)采集、處理和無線傳輸，瓦斯?jié)舛蕊@示以及超限報警等功能，并且具有體積小、 攜帶方便、多功能、精度高等特點，其具體技術(shù)指標(biāo)上的要求如下 ： (1) 應(yīng)用環(huán)境 ： 煤礦氣體監(jiān)測 (2) 監(jiān)測對象 ： 監(jiān)測甲烷氣體 (3) 測量范圍 ： 甲烷 ～ 2% (4) 靈敏度 ： % (5) 響應(yīng)時間 ： 30s (6) 功耗 ： ≈150mw (7) 環(huán)境工作溫度范圍 ： 20～ +70C (8) 環(huán)境下作濕度范圍 ： 95%RH 防爆要求 煤礦井下工作環(huán)境特殊，空間狹窄，濕度大，有易燃易爆的瓦斯和煤塵，所以，煤礦電器同一般電器有較大的區(qū)別。指示表設(shè)計在儀表的主腔室，透明窗面積不大于 100 2mm ，透明玻璃厚度大于 8mm,與外殼密封采用橡膠密封措施。 DC RH 取樣電阻 50Ω177。 Rs： 不同溫度 、 濕度下， 5000ppm甲烷中元件電阻。PTR20xx的出現(xiàn)，使用戶擺脫了傳統(tǒng)無線產(chǎn)品設(shè)計的困擾。本文采用 14 AT89C51單片機作為檢測儀的核心部件， AT89C51單片機是 ATMEL公司 89系列單片機中的一種，它現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制等各領(lǐng)域，是 80C51的增強型并且指令完全兼容。1 5V的基準(zhǔn)電壓，單片機的電源電壓為 +5V，所以，此處采用三端集成穩(wěn)壓芯片 LM781LM780 LM780 LM7915，來分別得到 +15V、 +6V、 +5V、 15V電壓作為輸出，供現(xiàn)場部分的系統(tǒng)使用。信號采集及調(diào)理電路圖如圖 9所示。其主要功能特性如下： (1) 分辨率： 12 位 (2) 非線性誤差：小于 177。當(dāng)為低電 平時，啟動 A／ D 轉(zhuǎn)換；當(dāng)為高電平時，將轉(zhuǎn)換結(jié)果讀出。這里不管 AD574A 是處在啟動、轉(zhuǎn)換和輸出結(jié)果，使能 20 端 CE 都必須為 1，因此將 AT89C51 的寫控制線和讀控制線通過與非門 74LS00 與 AD574A 的使能端 CE 相連。其功能是 PTR20xx將接收到的數(shù)據(jù)解調(diào)后，輸出到單片機中。 據(jù)此處的具體需要，采用小數(shù)點固定的方法，各小數(shù)點位單獨控制， 所以在選擇譯碼驅(qū)動器件時可選擇七段驅(qū)動器，這里選擇 CD4511作為譯碼驅(qū)動器，采