【正文】 ......................... 42 iv 第三章 性能分析 ................................................... 42 結(jié) 論 ................................................................ 43 致 謝 .............................................................. 44 參考文獻(xiàn) .............................................................. 45 附錄 A 程序 ........................................................... 46 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 1 第一 篇 緒論 第一 章 概述 隨著科技的發(fā)展，單片機(jī)已不是一個(gè)陌生的名詞，它的出現(xiàn)是近代計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的誕生標(biāo)志著計(jì)算機(jī)正式形成了通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和嵌入式計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)兩大分支。該瓦斯檢測(cè)儀利用傳統(tǒng)的黑白元件來實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯的檢測(cè)，利用單片機(jī)的功能完成系統(tǒng)的控制。s control using monolithic integrated circuit39。 縱觀我們現(xiàn)在生活的各個(gè)領(lǐng)域，單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)飛速發(fā)展，從導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，到飛機(jī)上各種儀表的控制，從計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，到工業(yè)自動(dòng)化過程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，以及我們生活中廣泛使用的各種智能 IC卡、電子寵物等，這些都離不開單片機(jī)。 瓦斯是嚴(yán)重威脅煤礦井下安全生產(chǎn)的自然因數(shù)之一。它是在煤的生成和煤的變質(zhì)過程中伴生的氣體。 游離狀態(tài)也稱為自由狀態(tài)，這種瓦斯以自由氣體狀態(tài)存在于煤體或圍巖的裂縫、孔隙之中，其量的大小主要決定于貯存空間的體積、壓力和溫度。 礦井瓦斯等級(jí)，根據(jù)礦井相對(duì)瓦斯涌出量、礦井絕對(duì)瓦斯涌出量和瓦斯涌出形式劃分為： (1)低瓦斯礦井：礦井相對(duì)瓦斯涌出量小于或等于 10立方米／噸且礦井絕對(duì)瓦 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 3 斯涌出量小于或等于 40立方米／分。當(dāng)易燃?xì)怏w濃度超限時(shí)，能自動(dòng)發(fā)出聲、光報(bào)警并給出相應(yīng)濃度指示。 顯示電路由數(shù)碼管和驅(qū)動(dòng)電路組成 。 經(jīng)過以上的比較論證，由于方案二、三采用 AT89S51單片機(jī)作為 系統(tǒng)的控制核心，使得 整個(gè)系統(tǒng)可編程，并且靈活性大大增加，還可以方便的實(shí)現(xiàn)其他功能的擴(kuò)展。 +2△ R。 液晶特別是具有漢字顯示功能的液晶顯示器，來實(shí)現(xiàn)顯示功能，可以 實(shí)現(xiàn)基本的顯示信息，也可以顯示豐富的符號(hào)指示信息以及文字指示信息，信息量豐富且直觀易 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 6 懂。 綜合分析考慮，本設(shè)計(jì)基于單片機(jī) AT89S51 瓦斯檢測(cè)儀的 硬件電路如圖 2所示： 第 二 章 系統(tǒng)控制硬件電路設(shè)計(jì) 第一節(jié) AT89S51 單片機(jī)的 介紹 一、 單片機(jī)的概述 AT89S51 是 51系列單片機(jī)的一個(gè)型號(hào)，它是 ATMEL 公司生產(chǎn)的 。 AT89S51 具有如下特性： 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器含有 4KB的 Flash 存儲(chǔ)器，允許在線編程，檫寫周期可達(dá) 1000次； 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)含 128字節(jié)的 RAM； 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 I/O 口具有 32 根可編程 I/O 線； 具有兩個(gè) 16 位 I/O 線； 中斷系統(tǒng)具有 6個(gè)中斷源、 5個(gè)終端矢量、 2 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)的中斷結(jié)構(gòu)； 串行口是一個(gè)全雙工的串行通信口； 具有兩個(gè)數(shù)據(jù)指針 DPTR0 和 DPTR1； 低功耗節(jié)電模式有節(jié)電模式和掉電模式； 包含 3級(jí)程序鎖定位； AT89S51 的電源電壓為 ， AT89LS51 的電源電壓為 ； 振蕩器頻率 033MHz（ AT89S51）， 016MHz(AT89LS51)。在作為一般的通用 I/O 輸入時(shí)，都必須先向鎖存器寫入 “ 1” ，使輸出驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管 FET 截止，以免誤讀數(shù)據(jù)。一般作為外部擴(kuò)展時(shí)的高 8 位地址總線使用。 （ 2） PSEN 管腳 ：程序儲(chǔ)存允許（ PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng) AT89C52 由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過兩次 PSEN信號(hào)。 AT89S51共有 6個(gè)中斷向量：兩個(gè)外部中斷（ INT0和 INT1）， 3個(gè)定時(shí)器中斷（定時(shí)器 0、 2）和串行口中斷。 引腳除了是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 I/O 口外，還可以通過編程使其作為定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2 的外部時(shí)鐘輸入和輸出占空比 50%的時(shí)鐘脈沖。對(duì)外接電容 C C2 雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，我們推薦電容使用 30pF177。 五、 WDT 功能 看門狗復(fù) 位電路監(jiān)控程序的運(yùn)行狀態(tài)，在死機(jī)或“程序走飛”時(shí)可使系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。在 16383 個(gè)機(jī)器周期內(nèi)必須至少喂狗一次。 只要 Vcc的上升時(shí)間不超過 1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。 這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。 第 四 節(jié) 電源電路設(shè)計(jì) 電源電路包括變壓器、橋式整流器、電容和穩(wěn)壓器。 第 三章 瓦斯傳感檢測(cè) 及放大 電路 設(shè)計(jì) 第一節(jié) 檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中被測(cè)瓦斯含量需轉(zhuǎn)化為電信號(hào)來測(cè)量。 一、載體催化元件 實(shí)現(xiàn)熱催化原理測(cè)定甲烷濃度的傳感元件，最初是用純鉑絲線圈組成，成為鉑絲催化元件，它必須在 900～ 1000 C0 高溫下才能使甲烷穩(wěn)定 燃燒。由于氧化鋁呈白色，所以習(xí)慣上稱它為白元件。 Pt、 Pd 等過渡金屬元素是較好的加氫脫氫催化劑，可以化學(xué)吸附 甲烷 ，使甲烷離解，一般稱為離解化學(xué)吸附，即 : 432C H M C H M H M? ? ? （ 31） 式中 :M— 表面金屬原子。從而大大提高了測(cè)量橋路零點(diǎn)的穩(wěn)定性和儀器 的抗干擾性。I 為 電阻臂電流。 2 、催化元件的電阻增量與電橋輸出的關(guān)系 假設(shè)載體催化元件的電阻值與補(bǔ)償元件在無甲烷氣體時(shí)是相等的即 12RR? ，它們對(duì)應(yīng)的橋臂電阻也是相等的即 43RR? 。其中第一級(jí)是兩個(gè)對(duì)稱的同相放大器，它不僅提高了輸入阻抗和共模抑制比，而且變雙端輸入為單端輸出，如圖 所示。 ADC0809內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)由一個(gè) 8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè) A/D轉(zhuǎn)換器和一 個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。通道選擇表如下表 4 所示 ： 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 25 表 4 ADC0809 輸入 通道選通地址表 對(duì)應(yīng)通道 地址 ADDC ADDB ADDA IN0 0 0 0 IN1 0 0 1 IN2 0 1 0 IN3 0 1 1 IN4 1 0 0 IN5 1 0 1 IN6 1 1 0 IN7 1 1 1 數(shù)字量輸出及控制線： 11 條 ST 為轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。因 ADC0809 的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)必須由外界提供， 通常使用頻率為 500KHZ。 ADC0809與單片機(jī)的硬件接口有 3種方式，查詢方式、中斷方式和等待延時(shí)方式。 其功能表如表 4所示，表中 H為高電平， L為低電平， A為高阻態(tài)， X 為任意狀態(tài) 表 5 74LS244引腳功能表 其推薦工作參數(shù)如下： 表 6 推薦工作參數(shù) 符號(hào) 參數(shù) 最小值 典型值 最大值 單位 Vcc 電源電壓 5 V VIH 輸入高電平電壓ViH 2 V VIL 輸入低電平電壓ViL V IOH 輸出高電平電流IOH 15 mA IOL 輸出低電平電流IOL 24 mA TA 工作溫度 0 70 176。 三極管 S8550PNP 其管腳圖如下圖 14所示： 圖 14 S8550PNP三極管管腳圖 （ 2）三極管 S8550PNP 極限值如下表 7 所示： 表 7 三極管 S8550PNP極限值 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 30 參數(shù) 符號(hào) 標(biāo)稱值 單位 集電極、基極擊穿電壓 VCBO 40 V 集電極、發(fā)射極擊穿電壓 VCEO 25 V 發(fā)射極、基極擊穿電壓 VEBO 6 V 集電極電流 IC A 集電極功率 PC 1 W 結(jié)溫 TJ 125 ℃ 貯存溫 TSTG 55~125 ℃ （ 3）三 極管 S8550PNP 電參數(shù)（ Ta=25℃ ） 電參數(shù)表 8 參數(shù) 符號(hào) 測(cè)試條件 最小 值 典型 值 最大 值 單 位 集電極漏電流 ICBO VCB=35,IE=0 100 nA 發(fā)射極漏電流 IEBO VBE=6,IC=0 100 nA 集電極、發(fā)射極擊穿電壓 BVCEO IC=2mA,IB=0 25 V 發(fā)射極、基極擊穿電壓 BVEBO IE=100μ A,IC=0 6 V 集電極、基極擊穿電壓 BVCBO IC=100μ A,IE=0 40 V 集電極、發(fā)射極飽 和壓降 VCE(sat) IC=800mA,IB=80mA V 基極、發(fā)射極飽和壓降 VBE(sat) IC=800mA,IB=80mA V 基極、發(fā)射極壓降 VBE VCE=1V,IC=10mA V 直流電流增益 HFE1 VCE=1V,IC=100mA 85 300 HFE2 VCE=1V,IC=800mA 40 經(jīng)由以上參考，我們可以計(jì)算出與 S8。 74LS244 內(nèi)部結(jié)構(gòu)： 如圖 13 所示： 輸入 輸出 G A Y L L L L H H N X X 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 29 圖 13 74LS244管腳配置 第三節(jié) 三極管 三極管的選擇可以是 S8550PNP，也可是 9012PNP。 第一節(jié) 顯示電路設(shè)計(jì)的電路圖 在此設(shè)計(jì)中我使用了共陽 7段 LED 顯示器，此設(shè)計(jì)的顯示的電路部分需要 三極管S8550PNP 驅(qū)動(dòng) 7 段數(shù)碼管 ，其接口電路如 11 所示： 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 27 gfedcbadpdpgfedcba abcdefgdpdpabcdefgabcdefgdpdpabcdefgLED1LED2LED3LED4LED5LED6LED7LED8LED1LED2LED3LED4LED5LED6LED7LED8LED1LED2LED3LED4LED5LED6LED7LED81A11A21A31A42A12A22A32A474LS244AT89S51 圖 11 三 極管驅(qū)動(dòng) 7段數(shù)碼管接口電路 第二節(jié) 74LS244 驅(qū)動(dòng)器 74LS244 是單向總線驅(qū)動(dòng)器。 第二節(jié) ADC0809 的 工作過程 及與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì) ADC0809的工作過程是：首先輸入 3位地址，并使 ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。 EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存 A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng) OE端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。 所需要的放大倍數(shù)為 50，根據(jù)表 315，選擇電阻 56FR R R??=49K? 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 23 7 8 9 10R R R R? ? ?=2K? , GR =2K? 。 由 (38)式可知 對(duì)于載體元件，其電阻變化量 R? 與被測(cè)氣體的濃度成正 比， 由此可推出電橋輸出電壓與瓦斯?jié)舛瘸烧取?求此時(shí)各電阻之間的關(guān)系。當(dāng)補(bǔ)償元件并聯(lián)上補(bǔ)償電阻之后，它的熱特性就更加接近于催化元件的熱特性，特別是在沒有甲烷氣體時(shí)，由環(huán)境變化引起的補(bǔ)償元件的電阻變化量將更加接近于催化元件的電阻變化量。由于離解化學(xué)吸附作用，使甲烷分子的價(jià)鍵力發(fā)生變化，降低了反應(yīng)活化能，產(chǎn)生催化反應(yīng)。黑、白元件的載體上都附有鉑絲，結(jié)構(gòu)和尺寸都相同，物理性能也基本相同。因此因?yàn)槿紵郎囟雀撸?