【正文】 7109 芯片簡(jiǎn)介 ...................................................................................................... 20 A/D 轉(zhuǎn)換部分電路 ..................................................................................................... 22 數(shù)據(jù)顯示單元 ..................................................................................................................... 24 II 顯示器的選擇 ........................................................................................................... 24 數(shù)據(jù)顯示部分電路 ..................................................................................................... 26 調(diào)節(jié)執(zhí)行單元 ..................................................................................................................... 29 電源單元 ............................................................................................................................ 30 報(bào)警單元 ............................................................................................................................ 31 第 4 章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) .................................................................................................................. 31 主程序 ............................................................................................................................... 31 子程序設(shè)計(jì) ........................................................................................................................ 32 中斷子程序 ................................................................................................................ 32 聲光報(bào)警子程序 ........................................................................................................ 33 結(jié)論 ................................................................................................................................................ 33 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................................... 34 致謝 ................................................................................................................................................ 34 附錄 ................................................................................................................................................ 35 基于單片機(jī)的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 摘要 本文概述了瓦斯監(jiān)控器的現(xiàn)狀及其基本原理，主要論述了利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)瓦斯監(jiān)控器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。 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 人 的生命安全 ， 瓦斯災(zāi)害已成為制約我國煤礦安 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)?。所以開發(fā)設(shè)計(jì)出一種操作簡(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。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。我國一些煤礦由于瓦斯預(yù)測(cè)不準(zhǔn)，造成礦井投產(chǎn)后事故頻繁發(fā)生。 氣體儀表的功能氣體檢測(cè)儀表的功能主要是指所測(cè)氣體濃度值、報(bào)警點(diǎn)的設(shè)置，聲光報(bào)警，開機(jī)指示，電池欠壓指示等。 由于瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)氣體傳感器的精度、性能、穩(wěn)定性方面的要求越來越高，因此對(duì)氣體傳感器的研究和開發(fā)也越來越重要。 瓦斯檢測(cè)儀的檢測(cè)范圍是 0—10000ppm 報(bào)警門限為 50ppm， 5000ppm。 在論文中，我們 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。 FPGA（ Field－ Programmable Gate Array），即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在 PAL、 GAL、 CPLD 等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。本系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心，系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能幾乎與前面方案一樣，具有信號(hào)的監(jiān)控處理和報(bào)警顯示功能。 瓦斯?jié)舛蕊@示部分采用四位的 LED 數(shù)碼管顯示，在這里我們采用動(dòng)態(tài)掃描方法來顯示各種參數(shù)。 單片機(jī)自動(dòng)完成賦予它的任務(wù)的過程，也就是單片機(jī)執(zhí)行程序的過程，即一條條 的 執(zhí)行指令的過程 。今后的發(fā)展趨勢(shì)將進(jìn)一步向低功耗、小體積、大容 量、高性能、低價(jià)格、高速化、高可靠行方向發(fā)展。 微型單片化 現(xiàn)在常規(guī)的單片機(jī)普遍都是將中央處理器 (CPU)、隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ) (RAM)、只讀程序存儲(chǔ)器(ROM)、并行和串行通信接口 ， 中斷系 統(tǒng)、定時(shí)電路、時(shí)鐘電路集成在一塊單一的芯片上 ， 增強(qiáng)型的單片機(jī)集成了如 A/D 轉(zhuǎn)換器、 PMW(脈寬調(diào)制電路 )、 WDT(看門狗 )、有些單片機(jī)將 LCD(液晶 )驅(qū)動(dòng)電路都集成在單一的芯片上 ， 這樣單片機(jī)包含的單元電路就更多 ， 功能就越強(qiáng)大。在一定的時(shí)期內(nèi) ， 這種情形將得以延續(xù) ， 將不存在某個(gè)單片機(jī)一統(tǒng)天下的壟斷局面 ， 走的是依存互補(bǔ) ， 相輔相成、共同發(fā)展的道路。這類單片機(jī)的運(yùn)算速度比標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)高出 10 倍以上。 單片機(jī) AT89S51 介紹 AT89S51是 ATMEL 公司生產(chǎn)的一個(gè)低功耗，高性能 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4kBytesISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器。其將通用的微處理器和 Flash 存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash 存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。 P1口 (1 腳～ 8 腳 )： P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1口緩沖器能接收輸出 4TTL 10 門電流。 P2 口在 FLASH 編程和 11 校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 ALE/PROG（ 30 腳）：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 XTAL2（ 18 腳）：來自反向振蕩器的輸出。只有在這兩個(gè)濃度之間，才有爆炸的危險(xiǎn)。 甲烷在自然界分布很廣，是天然氣、沼氣、油田氣及煤礦坑道氣的主要成分。 煤塵 煤塵具有爆炸危險(xiǎn)， 300～ 400℃ 時(shí)就能從煤塵內(nèi)揮發(fā)出多種可燃?xì)怏w，形成混合的爆炸氣體，使瓦斯的爆炸危險(xiǎn)性增加。其特點(diǎn)是屬于氣體濃度成比例，但靈敏度較低。濕度特性是硬性檢測(cè)精度的一個(gè)因素， 解決 這一問題的措施之一是采用濕度補(bǔ)償法。由微型 AL2O3 陶瓷管、 SnO2 敏 感層 ， 測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。 （ 2）靈敏度調(diào)節(jié) 在對(duì) MQ4的靈敏度進(jìn)行調(diào)節(jié)之前首先要就要了解其靈敏度特性。 因此，在使用此類型氣敏元件時(shí)，靈敏度的調(diào)整是很重要的。 圖 MQ4型氣敏元件的靈敏度特性 18 A/D 轉(zhuǎn)換單元 A/D 轉(zhuǎn)換器（ analog digital converter 簡(jiǎn)稱 ADC）是將輸入的模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件或設(shè)備，即能把被控對(duì)象的各種模擬信息變成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信息，它是模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)之間的接口。 （ 3）并行比較型 /串并行比較型（如 TLC5510） 并行比較型 A/D 采用多個(gè)比較器，僅作一次比較而實(shí)行轉(zhuǎn)換，又稱 FLash(快速 )型。主要用于音頻和測(cè)量。其優(yōu)點(diǎn)是 分辯率高、功耗低、價(jià)格低，但是需要外部計(jì)數(shù)電路共同完成 A/D 轉(zhuǎn)換。其中 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間是指完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，即從輸入啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)開始到轉(zhuǎn)換結(jié)束所用的時(shí)間。 21 2 腳： STATUS，工作狀態(tài)輸出端。 18 腳： LBEN ，低 8 位數(shù)據(jù)輸出選通端，低電平有效。 25 腳： BUFOUT，時(shí)鐘緩沖器輸出端。 32 腳： INT，積分器輸出端，接積分電容 INTC 。 ICL7109 為 12 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)可分為低 8 位和高 4 位分時(shí)傳送給單片機(jī)，由我們的電路圖我們可以看出工作方式選擇端MODE 我們直接接地了，也就是說現(xiàn)在轉(zhuǎn)換器的工作方式為直接輸出方式，在該工作方式下我們可以在片選和字節(jié)使能的控制下直接讀取數(shù)據(jù)。具 體的數(shù)據(jù)傳輸過程是由 7109 的片選 CE 及低 8 位數(shù)據(jù)輸出選通端 LBEN （低電平有效）和高 4 位數(shù)據(jù)輸出選通端 HBEN （也是低電平有效）配合來完成，同時(shí) HBEN 也兼作極性位、溢出位選通端（主要用于判斷傳輸數(shù)據(jù)的正誤），我們將 LBEN ， HBEN 分別接至單片機(jī)的 和 ，同時(shí)將 7109的片選 端接至 容易得知當(dāng) 為低（也就是說此時(shí) 7109 被選中可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸）且 為低時(shí)低 8 位數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，而當(dāng) 為低時(shí)高 4 位數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。 3 35 腳： INLO、 INHI，差分輸入低端與高 端。高電平時(shí)，每經(jīng) 8192 個(gè)時(shí)鐘完成一次轉(zhuǎn)換；低電平時(shí)，轉(zhuǎn)換器將立即結(jié)束消除積分階段并跳至自動(dòng)調(diào)零階段，從而縮短了消除積分階段，提高了轉(zhuǎn)換速度。 20 腳： CE /LOAD ，片選端，低電平有效，并同時(shí)配合 21 腳 MODE 信號(hào)工作。 3 腳： POL，極性輸出端。通常，轉(zhuǎn)換速度越快越好，特別是對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)采集。其中分辨率就是指 A/D 轉(zhuǎn)換器可轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)或 BCD 碼的位數(shù)。一般的電阻陣列 D/A 轉(zhuǎn)換器中多數(shù)電阻的值必須一致，在單芯片上生成高 精度的電阻并不容易。 串并行比較型 A/D 結(jié)構(gòu)上介于并行型和逐次比較型之間，最典型的是由 2 個(gè) n/2 位的并行型 A/D 轉(zhuǎn)換器配合 D/A 轉(zhuǎn)換器組成，用兩次比較實(shí)行轉(zhuǎn)換，所以稱為 Half flash(半快速 )型。 （ 1）積分型（如 ICL7109） 積分型 A/D 工作原理是將輸入電壓 轉(zhuǎn)換成時(shí)間 (脈沖寬度信號(hào) )或頻率 (脈沖頻率 )，然后由定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字值。其校準(zhǔn)過程如下： 在測(cè)試條件下對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，我們進(jìn)行硬件部分電路的調(diào)試。 2℃ Vc:177。 結(jié)構(gòu) 15 外形 圖 MQ4氣敏元件的結(jié)構(gòu) MQ4 的部件及說明見表 所示。 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。 氣體傳感器的類型雖然很多，但對(duì) 它們有以下幾個(gè)基本特性： （ 1）對(duì)被測(cè)氣體要有高的靈敏度，盡量減少外界的干擾信號(hào)； （ 2）選擇性要好，即對(duì)和被測(cè)氣體共存的其他氣體不敏感； （ 3）能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，它是關(guān)系整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)?？杀詺怏w壓力增高，使其分子間距更為接近，碰撞幾率增高。 化學(xué)號(hào)為 CH4。因?yàn)榈陀诒ㄏ孪迺r(shí)，空氣所占比例很大，可燃物質(zhì)的濃度不夠；高于爆炸上限 時(shí) ，則有大量的可燃物