【正文】 其工作原理，及其基本的檢測(cè)電橋電路的工作原理。 在本章中提出了設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)方案，并繪制出了系統(tǒng)總體模塊原理框圖，其各個(gè)模塊電路的設(shè)計(jì)及芯片的選擇將在以下各節(jié)中進(jìn)行詳細(xì)的介紹與說(shuō)明。 工作電流 (mA) 110177。 本設(shè)計(jì)選擇 OP07 做為放大電路的放大器， OP07 是高精度低失調(diào)電壓的精密運(yùn)放，常應(yīng)用于微弱信號(hào)的放大電路。 OP07 組成的雙運(yùn)放高共模抑制比放大電路 由 OP07 組成的雙運(yùn)放高共模抑制比放大電路如圖 35 所示 。 ADC0809 芯片 東北石油大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 ADC0809 是采樣分辨率為 8 位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模 —數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。 ADC0809 的工作過(guò)程： 首先輸入 3 位地址，并使 ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。 74LS373 為三態(tài)輸出的 8D 透明鎖存器。 單片機(jī)的 可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 1000 次。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，則此引腳接 外部振蕩信號(hào)的輸入 [15]。 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計(jì)在連接上應(yīng)主要考慮三總線 (控制總線、地址總線、 數(shù)據(jù)總線 )的連接。 單片機(jī)要完成復(fù)位， 必須向復(fù)位端輸出并持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。 X25045 引腳如圖 311 所示。圖 312 電路中， CPU 的復(fù)位信號(hào)共有 3 個(gè)：上電復(fù)位 (C1 R19)，人工復(fù) 位 (S R1 R20)和 看門狗 復(fù)位 (C1 R21)，通過(guò)或門綜合后加到 RESET 端。 X25045 狀態(tài)寄存器 如表 33 所示。 當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管陰極為低電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮；共陰極 LED 顯示塊的發(fā)光二極管陰極共地。 東北石油大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 圖 313 7 段 LED 顯示器圖 4 位 LED 顯示器有 4 根位選線和 32 根段選線。要想每位顯示不同的字符，必須采用掃描 顯示方式，即在每一瞬間只使某一位顯示相應(yīng)字符。 東北石油大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 圖 314 MAX7219 引腳圖 MAX7219 采用串行尋址方式，在傳送的串行數(shù)據(jù)中包含有內(nèi)部 RAM 的地址。 圖 315 AT89C51 和 MAX7219 的硬件連接原理圖 東北石油大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 鍵盤與接口技術(shù) 本節(jié)主要說(shuō)明鍵盤的組成，鍵盤的工作方式以及設(shè)計(jì)中所選用的鍵盤。 鍵盤的工作方式 便攜 儀器中 CPU 對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描時(shí)，要兼顧兩方面的問(wèn)題：一是要及時(shí)，以保證對(duì)用戶的每一次按鍵都能作出響應(yīng)；二是掃描不能占用過(guò)多的時(shí)間， CPU 還有大量的其他任務(wù)要去處理。 獨(dú)立式鍵盤結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是一鍵一線，即每一個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根檢測(cè)線與主機(jī)相連。本設(shè)計(jì)采用 3 節(jié) 可充電鋰電池作為電源 。 MAX756 可 接受一個(gè)輸入電壓 低至 ，并將其轉(zhuǎn)換為更高 或 5V 可選的輸出電壓。 LCL7660 有 8 個(gè)引腳。 鍵盤掃描子程序 數(shù)據(jù)處理子程序 A/D 轉(zhuǎn)換子程序 聲光報(bào)警 N Y N 軟件初始化 大于閾值？ Y 圖 41 系統(tǒng)主程序流程圖 LED 顯示子程序 開(kāi)始 東北石油大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 A/D 轉(zhuǎn)換程序流程圖 本設(shè)計(jì)采用 ADC0809 作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其模數(shù)轉(zhuǎn)換程序流程圖如圖 42 所示 。因此，要減少損失、提高工作效能，預(yù)防瓦斯事故是煤礦安全工作的重點(diǎn)。曹老師淵博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度， 以及富于進(jìn)取的開(kāi)拓精神都給我留下了深刻的印象。另外， 無(wú)論是在平時(shí)學(xué)習(xí)期間，還是在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，曹老師都給予了我極大的關(guān)心和幫助，更是他一如既往的鼓勵(lì)和開(kāi)導(dǎo)，使我滿懷信心地投入到畢業(yè)論文的設(shè)計(jì)中。本文主要是向大家介紹一下 針對(duì)瓦斯?jié)舛鹊母鞣N檢測(cè)方法和便攜式 智能瓦 斯檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)方法。程序流程圖如圖 43 所示。 采用 ICL7660 芯片實(shí)現(xiàn) 5V 穩(wěn)壓電源的電路如圖 320 所示 。 其 關(guān)鍵特性 是， 輸入電壓為 ； 20mA 的效率為 87%； 靜態(tài)電流為 60181。 LM317 作為輸出電壓可變的集成三端穩(wěn)壓塊，是一種使用方便、應(yīng)用廣泛的集成穩(wěn)壓塊。 本設(shè)計(jì)中，考慮到按鍵數(shù)目不多，單片機(jī) I/O 口占用不多，因此采用獨(dú)立式結(jié)構(gòu) 。鍵盤有三種工作方式：查詢掃描方式、中斷工作方式和定時(shí)掃描方式。鍵盤按其工作原理可分為編碼式鍵盤和非編碼式鍵盤。然后在 LOAD 信號(hào)的上升沿鎖存進(jìn)數(shù)字或控制寄存器中。如此輪流，使每位顯示該位應(yīng)顯示字符，并延時(shí)一段時(shí)間，以造成視覺(jué)暫留效果。段選線控制要顯示什么樣的字符，而位選線則控制要在哪 — 位上顯示這個(gè)字符。通常使用的 7 段顯示塊有 8 個(gè)二極管組成，故也稱 8 段顯示器。 LED 顯示電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常用的顯示器件有 LED（發(fā)光二極管顯示器）和 LCD（液晶顯示器）。 看門狗硬件連接電路如圖 312 所示 。當(dāng)它低電平時(shí)，寫操作被禁止； Vss：地； Vcc：電源電壓； RESET：復(fù)位輸出。本設(shè)計(jì)所用復(fù)位電路如圖 310 所示 。圖中 A/D 轉(zhuǎn)換器選用的是ADC0809，單片機(jī)則選用 AT89C51。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。 AT89C51 的主要特性為： 與 MCS51 兼容 ； 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器壽命： 1000 寫 /擦 ， 循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz； 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 ； 128*8 位內(nèi)部 RAM； 32 可編程 I/O 線 ； 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ； 5 個(gè)中斷源 ； 可編程串行通道 ； 低功耗的閑置和掉電模式 ； AT89C51 的引腳圖如圖 38 所示 。當(dāng)三態(tài)允許控制端 OE 為低電平時(shí)， Q0Q7 為正常邏輯狀態(tài)，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載或總線。 START 上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。 芯片的引腳圖如圖 36 所示： 圖 36 ADC0809 引腳圖 ADC0809 芯片有 28 條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖 38 所示。 A/D 轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì) 在檢測(cè)系統(tǒng)中，傳感器輸出的模擬信號(hào)首先由信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行處理，如放大、硬件濾波、非線性補(bǔ)償、信號(hào)變換等。 OP07 參數(shù)及引腳說(shuō)明 OP07 參數(shù)如下： 低的輸入噪聲電壓幅度： ( 10Hz) 極低的輸入失調(diào)電壓： 10μV 東北石油大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 極低的輸入失調(diào)電壓溫漂： ℃ 具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性： 低的輸入偏置電流： 177。 具有良好的重復(fù)性、選擇性。 總的硬件 原理 設(shè)計(jì) 圖見(jiàn)附錄 1。該 瓦斯檢測(cè)儀由傳感器、放大器、報(bào)警電路、 A/D 轉(zhuǎn)換器、鍵盤、 LED 顯示器、直流電壓變換器等 電路及高性能穩(wěn)壓器等部分組成。催化反應(yīng)過(guò)程中無(wú)焰燃燒放出熱量，增加了敏感元件鉑絲的電阻值然后通過(guò)惠斯頓電橋測(cè)量電路 ，可以測(cè)量其載體催化元件電阻變化量。 黑白元件出廠時(shí)，經(jīng)過(guò)檢測(cè)儀嚴(yán)格檢測(cè)匹配，不能任意拆套 使用 。 黑白元件 載體催化燃燒式傳感 器，被制成一個(gè)便于測(cè)量的探頭。 圖 22 載體熱催化元件結(jié)構(gòu)圖 催化劑。載體催化燃燒式傳感器，被制成一個(gè)便于測(cè)量的探頭。 表示兩個(gè)相干波列，相干波列會(huì)在相遇的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，這種現(xiàn)象又稱波的干涉。而當(dāng)瓦斯?jié)舛容^低時(shí)，由于其熱導(dǎo)率與空氣熱導(dǎo)率相近，輸出信號(hào)很弱，靈敏度很低，所以該法不適用于低濃度瓦斯的 檢測(cè)。 圖 11 瓦斯爆炸和燃燒跟氧氣濃度關(guān)系 圖 瓦斯的檢測(cè)方法 本世紀(jì)初以來(lái)，人們就對(duì)瓦斯檢測(cè)進(jìn)行了大量的研究 ，提出了許多檢測(cè)方法，如熱傳導(dǎo)法、半導(dǎo)體氣敏傳感器法、光干涉法，并主要 以這些方法為基本原理研制出的各種檢測(cè)儀器曾在不同的時(shí)期，不同的應(yīng)用場(chǎng)合發(fā)揮過(guò)重要作用。一般認(rèn)為，瓦斯的引火溫度為 650℃ 750℃ 。 瓦斯爆炸及其條件 瓦斯爆炸的條件是：一定濃度的瓦斯、高溫火源的存在和充足的氧氣 [3]。 東北石油大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 第 2 章 瓦斯的性質(zhì)和爆炸條件及其檢測(cè)方法 這章我們要了解兩個(gè)內(nèi)容。隨后，我國(guó)陸續(xù)對(duì)研制便攜式瓦斯 提出了許多檢測(cè)方法，如熱傳導(dǎo)法、半導(dǎo)體氣敏傳感器法、光東北石油大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 干涉法、催化燃燒法等。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 瓦斯檢測(cè)技術(shù)是隨著煤炭工業(yè)發(fā)展而逐步發(fā)展起來(lái)的。 MJC4/ gas sensor。因此開(kāi)發(fā)研制便攜式智能瓦斯檢測(cè)儀對(duì)促進(jìn)煤炭行業(yè)的安全生產(chǎn)具有重要的意義。瓦斯事故在煤礦事故中所占的比例越來(lái)越高。電子技術(shù)的進(jìn)展推動(dòng)了瓦斯檢測(cè)控制裝置的進(jìn)一步發(fā)展。 課題研究的主要內(nèi)容 本文主要研究的是便攜式瓦 斯檢測(cè)儀設(shè)計(jì)的硬件電路及軟件程序設(shè)計(jì)，其主要內(nèi)容如下： 第一章為概述，主要說(shuō)明了本設(shè)計(jì)的主要研究目的和意義，還介紹了在瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)中所涉及到的各種技術(shù)和發(fā)展情況。 瓦斯的性質(zhì) 瓦斯 的主要成分是沼氣，一般煤礦瓦斯多指沼氣（甲烷）。瓦斯爆炸界限為 5％ 16％ 。高溫火源的存在，是引起瓦斯爆炸的必要條件之一。 此法是利用不同氣體的熱傳導(dǎo)率隨氣體分子量和分子 結(jié)構(gòu)的不同而不同的原理，把性能相同的一對(duì)敏感器件 (通常采用電阻溫度系數(shù)較大的鉑絲或鎢絲 )分別接在電橋的兩個(gè)對(duì)應(yīng)橋臂上，一只放置于被測(cè)氣樣的氣室中，另一只放置于標(biāo)準(zhǔn)大氣的密閉氣室中。它是利用某些金屬氧化物在加熱條件下其薄膜電阻隨接觸的可燃性氣體濃度的增加而下降的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)可燃?xì)怏w的檢測(cè)。光干涉式瓦斯檢測(cè)儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全性好，測(cè)量精度高，壽命長(zhǎng)，使用可靠，適用氣 種廣泛，故障少等優(yōu)點(diǎn)，客觀存在的主要缺點(diǎn)是測(cè)量時(shí)受環(huán)境氣壓和溫度的影響；測(cè)量時(shí)受背景氣體影響，目前，一些國(guó)內(nèi)外研究者致力于用線陣 CCD 攝像器件實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，將干涉條紋的位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。 本文研究的便攜式瓦斯檢測(cè)儀即采用的催化燃燒法，采用的是催化熱效應(yīng)型氣敏傳感器，其將在下面進(jìn)行介紹。 載體。 黑元件。黑元件是載體催化燃燒式元件，當(dāng)甲烷氣體在元件表面與氧氣產(chǎn)生無(wú)焰燃燒時(shí)，電橋失去平衡，輸出一個(gè)電壓信號(hào)，白元件是補(bǔ)償元件，基本結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)與黑元件相同，但表面不涂 鍍催化劑，所以它不摻入低溫燃燒。在無(wú)瓦斯的新鮮空氣中， r1≈r2，調(diào)整電橋使之平衡，信號(hào)輸出端電壓 Uab=0。它以蓄電池為電源，具有數(shù)碼管數(shù)字顯示及聲、光報(bào)警功能。其外觀圖和結(jié)構(gòu)圖 如圖 32 和 33 所示。因此，如何減少噪聲或把噪聲與信號(hào)分離開(kāi)來(lái)，是信號(hào)放大器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵 [10]。3V177。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)字化測(cè)量，從而獲得大量數(shù)據(jù)以便進(jìn)一步分析與處理的電路。當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開(kāi)輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量 ； (8) CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。當(dāng) OE 輸入高電平時(shí)，輸出三態(tài)門打開(kāi)，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。當(dāng) G 為 低 電平時(shí)， Q 被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。它采用外部振蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)接地。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度 [16]。 單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì) 簡(jiǎn)單復(fù)位電路有上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種。 工控系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，通常都會(huì)遇到各種各樣的現(xiàn)場(chǎng)干擾，抗干擾能力是衡量工控系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。硬件看門狗是真正意義上的 “程序運(yùn)行監(jiān)視器 ”，如計(jì)數(shù)型的看門狗電路通常由 555 多諧振蕩器、計(jì)數(shù)器以及一些電阻、電容等組成，分立元件組成的系統(tǒng)電路較為復(fù)雜，運(yùn)行不夠可靠。 看門狗電路的定時(shí)時(shí)間長(zhǎng)短可由具體應(yīng)用程序的循環(huán)周期決定，通常比系統(tǒng)正常工作時(shí)最大循 環(huán)周期的時(shí)間略長(zhǎng)即可。 LED 顯示器結(jié)構(gòu)與原理 以及顯示方式 LED 顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件，也稱為數(shù)碼管。 LED顯示塊與單片機(jī)接口非常容易，只要將一個(gè) 8 位并行輸出口與顯示塊的發(fā)光二極管引腳相連即可。 4 位 LED 動(dòng)態(tài)顯示電路只需要兩個(gè) 4 位 I/O 口。 MAX7219 內(nèi)置 BCD 碼譯碼器、多路掃描電路、段和數(shù)字驅(qū)動(dòng)器和存儲(chǔ)每一位的 8 8 靜態(tài) RAM。 MAX7219 和單片機(jī)的接口電路 如圖 315 所示為 AT89C51 單片機(jī)和 MAX7219 的連接圖。 非編碼鍵盤不含編碼器，當(dāng)某鍵被按下時(shí)，鍵盤只能送出 — 個(gè)簡(jiǎn)單的閉合信號(hào)，對(duì)應(yīng)的按鍵代碼的確定必須借助于軟件來(lái)完成。 獨(dú)立式鍵盤 獨(dú)立式鍵盤的每個(gè)按 鍵占用一根測(cè)試線，它們可以直接與單片機(jī) I/O 線相接或通過(guò)輸入口與數(shù)據(jù)線相接，結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單。第一章已經(jīng)介紹了瓦斯在濃度在 4%6%時(shí)就可能發(fā)生井下瓦斯爆炸，為了安全生產(chǎn)，規(guī)定當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到 1%時(shí)就會(huì)發(fā)生聲光報(bào)警。其穩(wěn)壓示意圖如圖 318所示。%； 低電池最檢波器 (LBI/LBO)； 8Pin SO 封裝 。 源程序見(jiàn)附錄 2。我國(guó)的煤田遍布全國(guó)，但很多礦井自然環(huán)境惡劣，受到水、火、瓦斯、等自然災(zāi)害的威脅。通過(guò)由黑白元件構(gòu)成的傳感電橋探測(cè)出瓦斯?jié)舛刃畔⒌碾娪嵦?hào)，然后加到比例放大器的輸入端進(jìn)行放大處理，放大了的信號(hào)送入 A/D 轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再由 LED顯示器顯示讀數(shù)