【文章內(nèi)容簡介】 不同化合物在光譜作用下由于震動(dòng)和旋轉(zhuǎn)變化表現(xiàn)不同的吸收峰 。測量吸收光譜可知?dú)怏w類型。測量吸收強(qiáng)度，可知?dú)怏w濃度。 紅外原理甲烷傳感器的使用解決了現(xiàn)在瓦斯監(jiān)測傳感器存在響應(yīng)速度慢，選擇性差，測量精度低、受硫化氫氣體的干擾大，高濃度瓦斯容易造成中毒而無法恢復(fù)，使用壽命短，標(biāo)定周期短的缺陷。 光干擾式甲烷傳感器是利用光在不同空氣中的折射率不同的光學(xué)原理，通過測量不同瓦斯含量的空氣與不含瓦斯空氣的折射率的變化來確定瓦斯?jié)舛?。該傳感器維護(hù)簡單，安全可靠，能夠由人為控制操作，測點(diǎn)選取可根據(jù)操作者的判斷，對可疑點(diǎn)進(jìn)行測定，測點(diǎn)活動(dòng)性太強(qiáng)；不存在一起中毒、失效或高濃度甲烷激活問 題；測量范圍大，有足夠的精度。并且壽命長，除了電池和燈泡外幾乎沒有損耗部件，如不考慮其機(jī)械損傷，可疑認(rèn)為壽命是無限的；可疑根據(jù)干涉條紋艱巨大小，粗劣估計(jì)儀器測量精度的可靠性。其缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在：受溫度影響較大；受氣壓的影響；耐振性較差；監(jiān)測選擇性較差。 光纖氣體甲烷傳感器是一種以光信號(hào)為載體，以光纖為信號(hào)傳輸通道的高靈敏度的氣體檢測傳感器。光纖氣體傳感器具有優(yōu)秀的遠(yuǎn)距離監(jiān)控、抗電磁干擾和中毒、易燃易爆環(huán)境。還具有高靈敏度，相應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)范圍大，且耐高溫、高壓，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，能耗少等優(yōu)點(diǎn)。 半導(dǎo)體 氣敏傳感器是以氧化物半導(dǎo)體為基本吸附材料，使甲烷吸附氧化時(shí)引起其電學(xué)特性發(fā)生變化，用以監(jiān)測瓦斯?jié)舛?。目前敏感材料的研究存在主要問題是靈敏度高、選擇性好、穩(wěn)定性好、工作溫度常溫化、能耗低、響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間短難以同時(shí)滿足。 所選用的傳感器應(yīng)該可以在惡劣的環(huán)境下工作，擁有相對可靠的精度，并且價(jià)格便宜易于選購。由于半導(dǎo)體氣敏傳感器的線性度不好，修正較為復(fù)雜，于是選擇催化燃燒式甲烷傳感器作為本系統(tǒng)的傳感器。 考慮到檢測系統(tǒng)的性價(jià)比采用型號(hào)為： MJC4/ 瓦斯檢測傳感器（鄭州煒盛電子科技有限公司生產(chǎn)） MJC4/ 型催化元件根據(jù)催化燃燒效應(yīng)的原理工作，由檢測元件和補(bǔ)償元件配對組成電橋的兩個(gè)臂，遇到可燃性氣體時(shí)檢測元件電阻升高，橋路輸出電壓變化，該電壓變量隨氣體濃度增大而成正比例增大，補(bǔ)償元件起參比及溫濕度補(bǔ)償作用。主要特點(diǎn)有：橋路輸出電壓呈線性、響應(yīng)速度快、具有良好的重復(fù)性和選擇性、元件工作穩(wěn)定可靠、抗 H2S的中毒。主要應(yīng)用有工業(yè)現(xiàn)場的天然氣、液化氣、煤氣，烷類等可燃性氣體及汽油、醇、酮、苯等有機(jī)溶劑蒸汽的濃度監(jiān)測，可燃性氣體泄漏警報(bào)器，可燃性氣體檢測器，氣體濃度計(jì)。其外觀圖如圖 34 所示，技術(shù)指標(biāo)如表 31 所示 。 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 工作電壓 (V) 177。 備注 工作電流 (mA) 110177。10 靈敏度 (mV) 20 1%瓦斯 線形度（ %） 0~5 測量范圍 0~4%瓦斯 輸出電壓（ mV） ≈0~90 響應(yīng)時(shí)間 (90%) 小于 10 秒 恢復(fù)時(shí)間 (90%) 小于 30 秒 使用環(huán)境 40～ +70℃ 低于 95%RH 儲(chǔ)存環(huán)境 20～ +70℃ 低于 95%RH 外形尺寸（ mm） 1419 靈敏度特性及響應(yīng)恢復(fù)特性如圖 35 所示： 長期穩(wěn)定性：在空氣中每年漂移小于 177。2 個(gè) mV，在 1%CH4 中每年漂移小于 177。2 個(gè) mV。 短期儲(chǔ)存（兩周內(nèi)） 30 分鐘即可穩(wěn)定，如長期儲(chǔ)存（一年），則需老化 5 小時(shí)才可穩(wěn)定，其穩(wěn)定性如圖 36 所示： 圖 34 MJC4/ 的外形圖 表 31 MJC4/ 技術(shù)指標(biāo) 圖 35 MJC4/ 煤礦瓦斯微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 輸出信號(hào)隨環(huán)境溫度、濕度的變化如圖 37 所示 : 輸出信號(hào)隨工作電壓的變化如圖 38 所示： 圖 36 MJC4/ 的穩(wěn)定性 圖 37 MJC4/ 的輸出信號(hào)與工作電壓的關(guān)系 圖 38 MJC4/ 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 瓦斯檢測電路 由于瓦斯傳感器輸出的電壓非常微弱，為 mV 級(jí)的電壓，必須將其放大，以適合 A/D轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)決定采用兩級(jí)放大電路來放大 MJC4/ 的輸出電壓。在這里選擇美國 BB公司推出的 INA114放大器。 INA114是一個(gè)低成本的普通儀用放大器，在一般應(yīng)用時(shí)，只需外接一個(gè)普通電阻就可以得到任意增益，可廣泛用 于電橋放大器、熱電偶測量放大器及數(shù)據(jù)采集放大器等場合。 INA114的電路結(jié)構(gòu)與基本接法如圖 310所示。 已知 VCC=3V， R0=2020?， Umax=75mV=，又由于 Rg=50ku/(G1)， G 為增益，令 G=66， Rg=770?。 經(jīng)放大的信號(hào)為模擬信號(hào)，而單片機(jī)只能接受數(shù)字信號(hào)，必須采用 A/D 轉(zhuǎn)換電路。 A/D圖 39 瓦斯?jié)舛?測量電路 圖 310 INA114 的電路結(jié)構(gòu)與基本接法 煤礦瓦斯微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 轉(zhuǎn)換器用以實(shí)現(xiàn)模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。按其轉(zhuǎn)換原理可分 4 種：計(jì)數(shù)式、雙積分式、逐次逼近式及并行式 A/D 轉(zhuǎn)換器。目前最常用的是雙積分式和逐次逼近式。雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器的主要優(yōu)點(diǎn)為轉(zhuǎn)換精度高、抗干擾性能好、價(jià)格便宜；缺點(diǎn)為轉(zhuǎn)換速度較慢。因此這種轉(zhuǎn)換器主要用于速度要求不高的場合。另一種常用的 A/D 轉(zhuǎn)換器是逐次逼近式。逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器是一種速度較快、精度較高的轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時(shí)間大約在幾 微秒到幾百微秒之間。綜上所述，決定采用 PCF8591 的 8 位 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部框圖如圖 311所示。 PCF8591 是一個(gè)單片集成、單獨(dú)供電、低功耗、 8bit CMOS 數(shù)據(jù)獲取器件。 PCF8591具有 4 個(gè)模擬輸入、 1 個(gè)模擬輸出和 1 個(gè)串行 I2C 總線接口。 PCF8591 的 3 個(gè)地址引腳 A0, A1 和 A2 可用于硬件地址編程，允許在同個(gè) I2C 總線上接入 8 個(gè) PCF8591 器件，而無需額外的硬件。在 PCF8591 器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號(hào)都是通過雙線雙向 I2C 總線以串行的方式進(jìn)行傳輸。 1) AIN0～ AIN3：模擬信號(hào)輸入端。 2) A0～ A2：引腳地址端。 3) VDD、 VSS：電源端。（ ～ 6V） 4) SDA、 SCL： I2C 總線的數(shù)據(jù)線、時(shí)鐘線。 5) OSC：外部時(shí)鐘輸入端，內(nèi)部時(shí)鐘輸出端。 6) EXT：內(nèi)部、外部時(shí)鐘選擇線，使用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí) EXT 接地。 7) AGND：模擬信號(hào)地。 8) AOUT： D/A 轉(zhuǎn)換輸出端。 9) VREF：基準(zhǔn)電源端。 PCF8591 與 AT89S52 單片機(jī)的連接方法見附錄 C（系統(tǒng)硬件原理圖）。 圖 311 PCF8591 內(nèi)部框圖 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 其管腳圖如圖 312所示： PCF8591 基本連接圖如圖 313 所示： 顯示模塊 瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)顯示部分采用 LED 顯示， LED 顯示具有亮度高、耗電少、操控要求低的特點(diǎn)，這里我們考慮到 AT89S52 單片機(jī)處理性 能有限，如果驅(qū)動(dòng) LCD 會(huì)浪費(fèi)較多的 CPU和內(nèi)存，從而無法保證其高精度的輸出，因?yàn)檫x用八段位 LED 數(shù)碼管進(jìn)行顯示，并且 LED在黑暗的礦井內(nèi)亮度更高、更加省電。下面簡要介紹八段位 LED 的工作原理。 8 位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示需要由兩組信號(hào)來控制：一組是字段輸出的字形代碼，用來控制顯示的字形，稱為段碼；另一組是位輸出口輸出的控制信號(hào)，用來選擇第幾位數(shù)碼管工作，稱為位碼。由于各位數(shù)碼管的段線并聯(lián)，段碼的輸出對各位數(shù)碼管來說都是相同的。因此，在同一時(shí)刻如果各位數(shù)碼管的位選線都處于選通狀態(tài)的話， 8 位數(shù)碼管將顯示相同的字符。若 要各位數(shù)碼管能夠顯示出與本位相應(yīng)的字符，就必須采用掃描顯示方式。即在某一時(shí)刻，只讓某一位的位選線處于導(dǎo)通狀態(tài)，而其它各位的位選線處于關(guān)閉狀態(tài)。雖然這些字符實(shí)在不圖 312 PCF8591 引腳圖 圖 313 PCF8591 基本連接圖 煤礦瓦斯微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 同時(shí)刻出現(xiàn)的，而且同一時(shí)刻，只有一位顯示，其它各位熄滅，但由于數(shù)碼管具有余輝特性和人眼有視覺暫留現(xiàn)象，只要每一位數(shù)碼管顯示間隔足夠短，給人眼的視覺印象就會(huì)是連續(xù)穩(wěn)定地顯示。 （ 1） 共陰極數(shù)碼管 共陰極數(shù)碼管是將所有發(fā)光二極管的陰極接在一起作為公共端 COM，當(dāng)公共端接低電平時(shí)，某一段陽極上的電平為“ 1”時(shí)，該段點(diǎn)亮，電平為“ 0”時(shí)，該段熄滅，連接方式如圖 314。 （ 2）共陽極數(shù)碼管 共陽極數(shù)碼管是將所有發(fā)光二極管的陽極接在一起作為公共端 COM，當(dāng)公共端接高電平時(shí)，某一段陰極上的電平為“ 0”時(shí)，該段點(diǎn)亮，電平為“ 1”時(shí)，該段熄滅。結(jié)構(gòu)圖如圖 315 所示。 （ 3）共陽極數(shù)碼管的字型代碼表，如表 32。 字型 dp g f e d c b a 段碼 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0C0H 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0F9H 2 1 0 1 0 0 1 0 0 0A4H 3 1 0 1 1 0 0 0 0 0B0H 4 1 0 0 1 1 0 0 1 99H 5 1 0 0 1 0 0 1 0 92H 6 1 0 0 0 0 0 1 0 82H 圖 314 共陰數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖 圖 315 共陽數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖 表 32 共陽極數(shù)碼管代碼圖 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 LED 顯示電路如圖 316 所示 通信模塊 通信方式的選擇 這里要將單片機(jī)采集處理后的瓦斯?jié)舛鹊臄?shù)據(jù)上傳到 PC 機(jī)， 就應(yīng)該將單片機(jī)與上位機(jī)實(shí)施通信。單片機(jī)和外部設(shè)備可以采用并行通信和串行通信 兩種方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這兩種數(shù)據(jù)傳輸方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)。并行通信時(shí)指數(shù)據(jù)的各個(gè)二進(jìn)制位同時(shí)進(jìn)行傳輸，這種通信方式的優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度快，效率高，缺點(diǎn)是需要比較多的數(shù)據(jù)線，另外并行的數(shù)據(jù)線易受外界干擾，傳輸距離不能太遠(yuǎn)；串行通信是指數(shù)據(jù)的各個(gè)二進(jìn)制位按照順序一位一位地進(jìn)行傳輸，這種通信方式的優(yōu)點(diǎn)是所需的數(shù)據(jù)線少，節(jié)省硬件成本及單片機(jī)的引腳資源，并且抗干擾能力強(qiáng)，適合于遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，缺點(diǎn)是每次發(fā)送一個(gè)比特，導(dǎo)致傳輸速度慢。這樣由于考慮到單片機(jī)和 PC 機(jī)是遠(yuǎn)距離傳輸，因此采用串行異步通信。通信規(guī)定：雙方波特率為 4800b／ s， 1 位起始位， 8 位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗(yàn)位， l 位停止位，一幀信息為10 位， AT89S52 單片機(jī)的串行口的工作于方式 1，其串行移位時(shí)鐘脈沖由定時(shí)器 T1 的溢出率和 SOMD 來共同決定的，這里令 SMOD=1。 7 1 1 1 1 1 0 0 0 0F8H 8 1 0 0 0 0 0 0 0 80H 9 1 0 1 1 0 0 0 0 90H A 1 0 0 0 1 0 0 0 88H B 1 0 0 0 0 0 1 1 83H C 1 1 0 0 0 1 1 0 0C6H D 1 0 0 0 0 0 0 1 0A1H E 1 0 0 0 0 1 1 0 86H F 1 0 0 0 1 1 1 0 8EH 圖 316 LED 與 AT89S52 連接示意圖 煤礦瓦斯微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 定時(shí)器 T1 工作于方式 2，位自動(dòng)重裝入的 8 位定時(shí)器，則裝入的初值如公式 (31)所示： X = 256﹣ (SMOD+1)fosc／ (波特率 384) (31) 則由公式可得： X=256 2106／ (3844800) X=233=F4H 所以定時(shí)器 T1 的定時(shí)初 值設(shè)為 :TH1=F4H,TL1=F4H 串行接口電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)與 PC 機(jī)的通信常用有 RS23 RS485 以及 RS422 三種串行接口。 RS232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動(dòng)器允許有 2500pF 的電容負(fù)載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m 的通信電纜時(shí)，最大通信距離為 15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是 RS232 屬單端信號(hào)傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于 20m 以內(nèi)的通信； . RS485 接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗 共模干擾能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。 RS485 最大的通信距離約為 1219m，最大傳輸速率為 10Mbps，傳輸速率與傳輸距離成反比，在 100Kb/S 的傳輸速率下，才可以達(dá)到最大的通信距離，如果需傳輸更長的距離，需要加 485 中繼器。 RS485 總線一般最大支持 32 個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果使用特制的 485 芯片，可以達(dá)到 128 個(gè)或者 256 個(gè)節(jié)點(diǎn)，最大的可以支持到 400 個(gè)節(jié)點(diǎn)； RS422 同 RS485 差不多。 RS232 與 RS485 標(biāo)準(zhǔn)只對接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議，在此基礎(chǔ)上用戶可以建立自己的 高層通信協(xié)議。但由于 PC 上的串行數(shù)據(jù)通訊是通過 UART 芯片來處理的 ,基于 PC 的 RS232 與 RS485 標(biāo)準(zhǔn)