【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 Pa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。通過(guò)這一特點(diǎn)來(lái)比較這兩種速度就可檢測(cè)出高濃度瓦斯。它的優(yōu)點(diǎn)是讀數(shù)不但不受氣壓影響，而且還對(duì)背景氣體、粉塵及氣溫變化很敏感；缺點(diǎn)是很難測(cè)出低濃度的瓦斯氣體，一般只用來(lái)檢測(cè)礦井抽放瓦斯管道中的瓦斯?jié)舛取? (4)氣敏半導(dǎo)體式 氣敏半導(dǎo)體的種類(lèi)較多，例如氧化鋅、氧化錫等燒結(jié)型金屬氧化物。其原理是利用氣敏半導(dǎo)體被加熱到 200℃時(shí)，它表面能夠吸附瓦斯氣體而改變其電阻值來(lái)檢測(cè)瓦斯?jié)舛鹊?。其?yōu)點(diǎn)是對(duì)微量瓦斯比較敏感，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單、成本低。但當(dāng)濃度較高時(shí)，反應(yīng)就會(huì)變慢，選擇性和線性也差，因此它幾乎不用于礦井瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè)。 (5)熱導(dǎo)式 熱導(dǎo)式是利用瓦斯與空氣熱導(dǎo)率之差來(lái)實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè)。它的優(yōu)點(diǎn)是熱導(dǎo)元件和儀器設(shè)計(jì)制作比較簡(jiǎn)單，成本低、量程大，可連續(xù)檢測(cè)，讀數(shù)穩(wěn)定，器件壽命長(zhǎng)；缺點(diǎn)是瓦斯?jié)舛容^低時(shí)輸出信號(hào)小，受氣溫影響比較大。 (6)熱催化式 熱催化式是利用瓦斯在催化元件上的氧化生熱引起其電阻的變化來(lái)檢測(cè)瓦斯?jié)舛鹊?。它的?yōu)點(diǎn)是元件和儀器的生產(chǎn)成本低，輸出信號(hào)大，儀器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受溫度變化的影響小，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)；缺 11 點(diǎn)是元件 的壽命較短。目前國(guó)內(nèi)外檢測(cè)瓦斯的儀器廣泛采用這一原理[6]。 因此要進(jìn)行 — 項(xiàng)相對(duì)具體的測(cè)量工作時(shí)，必須要考慮采用哪一種原理的傳感器，采用的時(shí)候需要考慮到多方面的因素，之后才能確定。由于測(cè)量同一物理量時(shí)，也可選用多種原理的傳感器。在選用合適的傳感器時(shí)，要考慮被測(cè)量的特點(diǎn)以及所選傳感器的使用條件，例如傳感器量程的大??；傳感器的體積要適用被測(cè)位置；是采用接觸式還是非接觸式測(cè)量方式等。對(duì)于上述問(wèn)題的分析之后，本設(shè)計(jì)決定采用 MQ4傳感器。 本論文的整個(gè)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可分為 復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、 AD 轉(zhuǎn)換 電路、顯示電路、報(bào)警電路、 單片機(jī) 這 六 個(gè)部分。為了更好地說(shuō)明本設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)，特別地用一個(gè)構(gòu)件圖來(lái)說(shuō)明。如 下 圖所示。 圖 23 總體 構(gòu)件圖 本章小結(jié) 本章對(duì)本設(shè)計(jì)所需要的硬件做了明確地選擇，通過(guò)比較同一類(lèi)型中的各個(gè)器件，選擇出了它們當(dāng)中最適合本設(shè)計(jì)要求使用的器件，在對(duì)各個(gè)器件作選擇的同時(shí)，對(duì)各個(gè)器件的原理、結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢(shì)等都有了一個(gè)新的了解和認(rèn)識(shí)，為本設(shè)計(jì)進(jìn)一步的研究作了很好的基礎(chǔ)。 AT89S52 報(bào)警電路 復(fù)位電路 時(shí)鐘電路 AD轉(zhuǎn)換電路 顯示電路 13 3 硬件電路設(shè)計(jì) 片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) AT89S52 單片機(jī)簡(jiǎn)介 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)因具有集成度高、體積小、速度快、價(jià)格低等特點(diǎn)而在許多領(lǐng)域應(yīng)用，以致在這些領(lǐng)域中的技術(shù)水平和自動(dòng)化程度大幅度提高。在眾多的單片機(jī)生產(chǎn)商中，較為著名 INTEL公司所生產(chǎn) MCS51系列單片機(jī)有著廣泛的應(yīng)用。通過(guò)考量控制系統(tǒng)的目標(biāo)、可靠性、性價(jià)比、功能、精度以及速度來(lái)選擇單片機(jī)的型號(hào)，根據(jù)本設(shè)計(jì)的情況，單片機(jī)的型號(hào)選擇可從兩方面考慮：一是要具有較高的性價(jià)比；二是要具有較強(qiáng)的抗干擾能力。本設(shè)計(jì)采用 ATMEL公司生產(chǎn)的 AT89S52單片機(jī)作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心器件，它是 AT89S系列單片機(jī)的一種，具有 AT89C52系列單片機(jī)的全部功能。 此外，與 AT89C52相比， AT89S52新增加了許多功能，這將使單片機(jī)在工作過(guò)程中具備了更高的穩(wěn)定性和更強(qiáng)的電磁抗干擾能力。首先，看門(mén)狗電路增加到了AT89S52的內(nèi)部，這使得用戶應(yīng)用系統(tǒng)更加堅(jiān)固，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠性：其次，擁有特殊雙數(shù)據(jù)指針的 AT89S52使其數(shù)據(jù)操作更加的快捷與方便；再次， AT89S52運(yùn)行速度變得更高，最高晶振可達(dá)到 33MHZ；最后， AT89S52支持 ISP(In— System Programming)在線下載的功能。AT89S52中 ISP共有 4個(gè)引腳： RST、 MOSI、 MISO和 SCK。使用者能直接替換應(yīng)用系統(tǒng)中的 AT89C51/52，但是軟件和硬件則均不需要作任何的修改。 AT89S52之所以能夠避免由于外部芯片擴(kuò)展過(guò)多或者傳感器輸入信號(hào)過(guò)多而引起的信號(hào)失真、電磁干擾等現(xiàn)象的發(fā)生，是因?yàn)樵搯纹瑱C(jī)增加了高可靠性、安全性等功能，因此它在檢測(cè)甲烷氣體時(shí)能夠滿足監(jiān)控、信息傳送等要求。同時(shí)，從經(jīng)濟(jì)適用性的角度來(lái)看， AT89S52不僅硬件結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，而且價(jià)格又低、功能也強(qiáng)、性價(jià)比較高。 AT89S52單片機(jī)外形圖如圖 31所示，其特點(diǎn)如下： （ 1)兼容 MCS一 5l單片機(jī)； （ 2)8字節(jié) FLASH存貯器支持在系統(tǒng)編程 ISPl000次擦寫(xiě)周期； （ 3)256字節(jié)片內(nèi)部 RAM； （ 4)工作的電壓為 ～ ； （ 5)全靜態(tài)時(shí)鐘是 0Hz～ 33MHz； （ 6)二級(jí)程序加密； （ 7)32個(gè)可編程 I/O端口口； （ 8)3個(gè) 16位定時(shí) /計(jì)數(shù)器； （ 9)6個(gè)中斷源； （ 10)上電復(fù)位標(biāo)志； （ 11)完全的雙工 UART串行口； （ 12)低功耗支持 Idle和 Powerdown模式； （ 13)Power down模式支持中斷喚醒； （ 14)看門(mén)狗定時(shí)器； （ 15)雙數(shù)據(jù)指針 [7]； 圖 31 AT89S52 外形圖 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 時(shí)鐘 電路在各種指令的微操作在時(shí)間上有嚴(yán)格的次序，這種微操作的時(shí)間次序稱(chēng)作時(shí)序， AT89S52 的時(shí)鐘產(chǎn)生方式有兩種，一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，一種是外部時(shí)鐘方式。 本系統(tǒng)中采用了內(nèi)部時(shí)鐘方式，為了盡量降低功耗的原則。 單片機(jī)必須需要時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)才能正常工作。單片機(jī)內(nèi)部有時(shí)鐘振蕩電路， 15 因此只需外接一個(gè) 振蕩源就能產(chǎn)生一定周期的時(shí)鐘信號(hào)從而到達(dá)單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)單元，決定單片機(jī)的工作頻率。時(shí)鐘電路由石英 晶振 體 、C3， C4 電容 和 片內(nèi)與非門(mén) 組成了 三點(diǎn)式振蕩器 。這里選用 C C4 的電容均為 30pF，石英晶振的工作頻率為 12MHz，一方面可以滿足系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)的機(jī)器周期的需要；另一方面，在進(jìn)行串行口通訊的時(shí)候能夠提供精確的通訊波特率 [8]。時(shí)鐘電路圖如圖 32 所示： 圖 32 時(shí)鐘電路 復(fù)位電路設(shè)計(jì) 復(fù)位電路在單片機(jī)工作中是 必不可少 的部件 之一 ，單片機(jī)工作時(shí)必須處于一種確定的狀態(tài)。 由于 端口線電平和輸入輸出 狀態(tài) 的 不確定可能 會(huì)導(dǎo)致 外圍設(shè)備誤動(dòng)作， 以至于 嚴(yán)重事故的發(fā)生；內(nèi)部一些控制寄存器（專(zhuān)用寄存器） 的 內(nèi)容不確定 也 可能 會(huì) 導(dǎo)致定時(shí)器溢出、程序尚未開(kāi)始就要中斷及串口亂傳向外設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)。 本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的復(fù)位電路如圖 33 所示，開(kāi)關(guān)未按下時(shí)，在上電的瞬間，由于電容上的電壓不能突變，電容處于充電（導(dǎo)通）狀態(tài)，因此 RST 腳上的電壓與 VCC 相同。隨著電容的充電， RST 腳上的電壓才慢慢下降 [9]。選擇合理的充電常數(shù)，就能保證在開(kāi)關(guān)按下時(shí)是 RST 端有兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平從而使 AT89S52 內(nèi)部復(fù)位。 圖 33 復(fù)位電路 任何電路都離不開(kāi)電源部分，單片機(jī)也不例外。在本設(shè)計(jì)中是以AT89S52 單片機(jī)為核心所設(shè)計(jì)的，它工作時(shí)需要用電源電路來(lái)驅(qū)動(dòng)，電源電路如圖 34 所示，其中 J1 是供電電源插座，引腳 1 接 +5V，引腳 2接地， D1 是電源指示燈， R6 是限流電阻， C2 是濾波電容。 圖 34 電源電路 報(bào)警電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)本身 I/O的驅(qū)動(dòng)能力并不高，所以對(duì)蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)需要加入一個(gè) PNP三極管，這樣能夠使蜂鳴器發(fā)出的聲音更加響亮，起到更好的報(bào)警作用。報(bào)警電路如圖 35所示，當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到設(shè)定值時(shí)， 蜂鳴器報(bào)警 ，指示 燈發(fā)光 [10]。 17 圖 35 報(bào)警電路 顯示電路設(shè)計(jì) LCD 是一個(gè)慢顯示器件，所以在寫(xiě)每一條指令前一定要先讀LCD 的忙碌狀態(tài)。如果 LCD 正忙于處理其他指令，就等待；如果不忙，在執(zhí)行寫(xiě)指令。為此， 1602 型 LCD 專(zhuān)門(mén)設(shè)了一個(gè)忙碌標(biāo)志位BF，該位連接在 8 位雙向數(shù)據(jù)的 D7 為上。如果 BF 為低電平“ 0”，表示 LCD 不忙；如果 BF 為高電平“ 1”，則表示 LCD 處于忙碌狀態(tài)，需要等待。假定 1602 型 LCD 的 8 位雙數(shù)據(jù)線（ D0~D7）是通過(guò)單片機(jī)的 P0口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的，那么只要檢測(cè) P0口的 P07引腳電平（ D7連 P07）就可以知道忙碌標(biāo)志位 BF 的狀態(tài)。 1602LCD 液晶顯示器引腳接口如圖 36 所示： 圖 36 顯示電路 甲烷氣體采集 電路設(shè)計(jì) 瓦斯?jié)舛葴y(cè)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(duì)應(yīng) 的模擬 電 壓 信號(hào) 并輸出來(lái)。 MQ4 氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖 37 所示，由微型 AL2O3 陶瓷管、SnO2 敏感層、測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成，然后將其固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，制作好的檢測(cè)元件有 6 只引腳，其中的 4 個(gè)用于信號(hào)取出，剩余 2 個(gè)用于提供加熱電流。 結(jié)構(gòu) 外形 圖 37 MQ4的結(jié)構(gòu)和外形 表 31 MQ4標(biāo)準(zhǔn)的工作條件 表 32 MQ4的環(huán)境條件 符號(hào) 參數(shù)名稱(chēng) 技術(shù)條件 備注 Vc 回路電壓 ≤ 15V Ac or Dc VH 加熱電壓 177。 Ac or Dc RL 負(fù)載電阻 可調(diào) RH 加熱電阻 31Ω177。 3Ω 室溫 PH 加熱功耗 ≤ 900mw 符號(hào) 參數(shù)名稱(chēng) 技術(shù)條件 備注 19 表 33 MQ4的靈敏度特性 Tao 使用溫度 10℃ 50℃ Tas 儲(chǔ)存溫度 20℃ 70℃ RH 相對(duì)濕度 小于 95%RH O2 氧氣濃度 21%(標(biāo)準(zhǔn)條件 ) 氧氣濃度會(huì)影響靈敏度 最小值大于2% 符號(hào) 參數(shù)名稱(chēng) 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。 2℃ Vc:177。 相對(duì)濕度： 65%177。 5% Vh:177。 預(yù)熱時(shí)間 不少于 24小時(shí) 圖 38 MQ4型氣敏元件的靈敏度特性 MQ4的標(biāo)準(zhǔn)工作條件如表 31所示，工作的環(huán)境如表 32所示，靈敏度特性如表 3圖 38所示。其中：溫度為 20℃ 、相對(duì)濕度為 65%、氧氣濃度為 21% RL=20kΩ Rs 是指元件在不同氣體，不同濃度下的電阻值。 R0是指元件在潔凈空氣中的電阻值，因此 MQ4型甲烷傳感器 對(duì)不同種類(lèi)，不同濃度的氣體有不同的電阻值。所以在使用該傳感器時(shí)，靈敏度的調(diào)整是必要的。本設(shè)計(jì)采 用 5000ppm甲烷校準(zhǔn)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。其校準(zhǔn)過(guò)程如下： 在測(cè)試條件下對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，要進(jìn)行硬件部分電路的調(diào)試。在調(diào)節(jié)確定 MQ4的可調(diào)負(fù)載電阻值時(shí)，以空氣中甲烷濃度值為 5000ppm時(shí)作為校準(zhǔn)，此時(shí)觀察顯示部分電路，又因?yàn)橐箫@示的瓦斯?jié)舛染纫髢?yōu)于 5%，即準(zhǔn)確顯示的范圍為 5000ppm（ 1? 5%） 也就是 4750ppm～5250ppm的范圍內(nèi)，若不在該范圍內(nèi)則說(shuō)明 甲烷傳感器的靈敏度不夠高，需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。靈敏度的調(diào)整需要依靠調(diào)節(jié)負(fù)載電阻來(lái)實(shí)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(shí)際相符合，這樣傳感器的靈敏度就確定下來(lái)了，此時(shí)的傳感器就可以用來(lái)監(jiān)測(cè)實(shí)際中不同的瓦斯?jié)舛攘?[11]。 當(dāng)模擬量送至某一輸入通道 IN0后， CPU將標(biāo)識(shí)該通道編碼的三位 21 地址信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)線或地址線輸入到 ADDC、 ADDB、 ADDA引腳上。然后輸入 3位地址，并使 ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。 START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換，之后 EOC輸出信號(hào)變低，進(jìn)行轉(zhuǎn)換。一直 到完成 A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換開(kāi)始 ,EOC變成高電平，結(jié)束 A/D轉(zhuǎn)換，此時(shí)結(jié)果數(shù)據(jù)已存入了鎖存器，這個(gè)信號(hào)就可以用作中斷申請(qǐng)。轉(zhuǎn)換結(jié)束 ,OE輸入高電平， EOC可作為中斷請(qǐng)求信號(hào) , 轉(zhuǎn)換結(jié)束后，可通過(guò)執(zhí)行 IN指令，設(shè)法在輸出允許 OE腳上形成一個(gè)正脈沖，使輸出三態(tài)門(mén)打開(kāi)，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。其接口電路圖如下圖所示： 圖 39 甲烷氣體采集電路設(shè)計(jì) 本章小結(jié) 本章主要的任務(wù)就是對(duì)硬件電路的設(shè)計(jì)，并且對(duì)設(shè)計(jì)所需要的各個(gè)電路分別作了獨(dú)立的分析，同時(shí)也畫(huà)出了各個(gè)電路的電路圖，電路圖是在 Protel 中畫(huà)出的，在畫(huà)圖的的過(guò)程中，進(jìn)一步掌握和鞏固了對(duì)Protel 的使用。掌握了硬件后，對(duì)下一步