【文章內容簡介】 報警電路預定的數(shù)值時，報警電路即發(fā)出聲、光報警信號。當計算機控 制系統(tǒng)需要查詢甲烷濃度時，只要發(fā)出相應信息，報警儀即可將測量結果經(jīng)串行口及通信電路傳送出去，最長傳輸距離可達到 20km。 AT89C51 單片機簡介 單片機選用 隨著計算機技術的發(fā)展，單片機因具有集成度高、體積小、速度快、價格低等特點而在許多領域如過程控制、數(shù)據(jù)采集、機電一體化、智能化儀表、家用電器以及網(wǎng)絡技術等方面得到廣泛應用，從而使這些領域的技術水平、自動化程度大大提高。根據(jù)上述幾方面及本課題的實際情況，單片機型號的選擇主要從以下兩點考慮 : 一：是要有較強的抗干擾能力。由于一般室 礦內環(huán)境惡劣，這對單片機的干擾較大，所以應采用抗干擾性能較好的單片機機型。 二：是要有較高的性價比。由于 MCS51 系列在我國使用最廣且該系列的資料和能夠兼容的外圍芯片也比較多，故本文采用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51 單片機作為本系統(tǒng)控制單元的核心部件。 AT89C51 單片機是 AT89C系列單片機中的一種，圖 32 是一般常用的雙列直插式，它是在現(xiàn)己廣泛應用于工業(yè)控制等各領域。 11 (1) AT89C51 單片機有以下特點： 與 MCS51 兼容 4K 字節(jié)可 編程閃爍存儲器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間： 10年 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 三級程序存儲器鎖定 128*8 位內部 RAM 32 可編程 I/O 線 兩個 16位定時器 /計數(shù)器 5 個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內振蕩器和時鐘 圖 32 AT89C51芯片 12 (2)管腳說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當 P1 口的管腳第一次寫 1時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可 以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0外部必須被拉高。 P1 口： P1口是一個內部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P1口緩沖器能接收輸出4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時， P1口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出4個 TTL 門電流，當 P2 口被寫“ 1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。 P2口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時， P2口輸出地址的高八位。在給出地址“ 1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口： P3 口管腳是 8個帶內部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。當 P3 口寫入“ 1”后，它們被 內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時器 0外部輸入） T1（記時器 1外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） 13 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外， 該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。 EA/VPP：當 /EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式 1 時， /EA 將內部鎖定為 RESET；當 /EA 端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 XTAL1： 反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 （ 3）振蕩器說明 XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件， XTAL2 應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 （ 4） 芯片擦除 整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持 ALE管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦操作 中，代碼陣列全被寫“ 1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外， AT89C51 設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，單片機停止工作。但 RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。 14 AT89C51 單片機的擴展 設計中采用 AT89S52 單片機作為本系統(tǒng)控制單元的核心部件并采用 8255A 用作并行接口。硬件連接圖如圖 33 所示，其中 AT89C51 的 P0口做擴展用， PI 口做通道選擇 ,P2 口控制 LCD1602 顯示。 8255A 的 PA作輸出口控制燈的亮滅， PB口做輸入接收AD 轉換后的數(shù)字量， PC口做輸入循環(huán)掃描按鍵是否按下。 在選擇敏感元件時，主要從以下幾個方面來衡量 : (1)活性。元件活性是指元件對甲烷氧化燃燒的速率。元件活性高，通過電橋測量甲烷時，可以得到較高的電壓輸出。 (2)穩(wěn)定性。元件的穩(wěn)定性是指元件在新鮮空氣與一定濃度的甲烷中，在規(guī)定的連續(xù)工作時間里的活性下降率。下降率其值越低越 好，活性下降率越低，表明元件工作性能越穩(wěn)定。 (3)工作點與工作區(qū)間。元件工作點是指元件的標準工作電壓和電流值。實際使用中，為了便于組成電橋和選定電橋電流，通常是指一對元件 (即一只黑元件和一只白元件 )的標準工作電壓或電流值。在工作點上，元件具有較大的輸出，較好的穩(wěn)定性和最小的零點飄移。目前國內元件的工作點有 :直 , , , 及 320mA 等幾種。 圖 33 8255A引腳圖 15 當元件的工作電壓或工作電流變動時，在同一甲烷濃度下輸出活性大小是不相同的。只有當工作電壓或工作電流在某一范圍內變動時，輸出活性才接近直 線。這個電壓或電流的變動范圍稱為元件的工作區(qū)間。區(qū)間越寬越好。目前元件的工作區(qū)間只能達到標準電壓的177。 10%。 (4)輸出特性。元件輸出特性，是指在不同的甲烷濃度下，元件的活性與甲烷濃度的關系。在 05%CH4 范圍內，電橋輸出信號與甲烷濃度呈線性關系。當甲烷濃度在 %處時，曲線出現(xiàn)拐點，以后隨著甲烷濃度的增大，電橋輸出信號不斷下降，出現(xiàn)了高濃度和低濃度輸出信號相同現(xiàn)象。產(chǎn)生的原因是由于高濃度甲烷氣體中缺氧使燃燒不完全所造成的。所以，這種原理的甲烷檢測儀只能測量低濃度甲烷。 (5)元件的壽命。元件的壽命是指 元件在使用過程中，其活性下降到某一規(guī)定值的時間。 (6)元件的“中毒現(xiàn)象”。礦井空氣中的硫化氫、二氧化硫等氣體會使元件產(chǎn)生中毒現(xiàn)象，使活性降低。其原因主要是由于這些毒性氣體元件活性下降。此外，井下電氣設備用的硅油、硅絕緣材料等揮發(fā)物，也會使元件中毒。這主要是由于硅分子量大，一旦吸附在元件表面，就會阻止甲烷進入而影響元件氧化速率，致使活性下降。 為防止元件中毒，可以加過濾器，例如用活性炭吸收管， 1 cm 厚活性炭的吸收管，可使工作在有毒環(huán)境中的元件壽命延長數(shù)百倍。 經(jīng)過一段時間工作的元件，遇到較高濃度，工作數(shù)分 鐘后，元件的活性將升高，高濃度消失后，元件在幾十小時內活性才會逐步下降到原值附近，以后又保持穩(wěn)定的活性。這種現(xiàn)象稱為元件被濃甲烷激活。元件的激活特性是一個缺點，因為被激活的元件在一段時間內會造成輸出不穩(wěn)，這是在使用中應該加以注意和調整的。 載體催化元件與純鉑絲元件相比，其抗毒性能較弱，在有毒氣體的環(huán)境中，宜采用鉑絲元件。 (7)反應速度。反應速度是工作元件的一個重要指標。特別是當元件應用到各種運動機械上時，就更為突出。 在井下空氣中，當甲烷濃度發(fā)生變化時，元件的反應速度由兩個因素決定，一是元件本身的時間常數(shù) :，二是甲烷向元件擴散的速度。元件的時間常數(shù) ? 可由下式確定 : aRITsasE 234 ??? ?? (31) 16 式中 : ? :元件的時間常數(shù)； E:元件的熱容量； a:等效熱導系數(shù)； s:元件的表面積； ? :常數(shù)； T:元件的作溫度； I:工作電流； R:元件電阻； aR :鉑絲電阻溫度系數(shù)； 通過對上式的分析，可以合理地選擇元件參數(shù)，以提高工作元件的反應速度。本設計中選擇的敏感元件型號為 :FWC2。 參數(shù)為 : 測量介質 :甲烷 工作電流 :直流穩(wěn)壓 工作點 :2. 8V/≤ 175mA 測量范圍 :04%CH4 穩(wěn)定性 :靈敏度變化177。 %CH4 響應時間 :≤ 20S 17 4 礦內空氣傳感器的硬件 實時時鐘模塊 單片機工作時，從取指令到譯碼再進行微操作，必須在 時鐘信號控制下才能有序地進行，時鐘電路就是為單片機工作提供基本時鐘的。單片機的時鐘信號通常有兩種產(chǎn)生方式：內部時鐘方式和外部時鐘方式。 本課題采用內部時鐘方式。 在單片機 XTAL1 和 XTAL2 引腳上跨接上一個晶振和兩個穩(wěn)頻電容，可以與單片機片內的電路構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。晶振頻率 取 12 MHz。外接電容的作用是對振蕩器進行頻率微調，使振蕩信號頻率與晶振頻率一致，同時起到穩(wěn)定頻率的作用， 本課題選用 33pF 的電容。 易知：本單片機最小系統(tǒng)的 振蕩周期 =1/(12MHz)=1/12us，時鐘周期 =1/6us，機器周期 =1us。 目前有許多型號的單片測量放大器集成芯片可供選擇，因此不再用分立的運算放大器來構成測量放大器。采用單片測量放大器芯片與用分立的運算放大器相比具有性能優(yōu)異、體積小、結構簡單、成本低的優(yōu)點。在本設計中選擇集成芯片 INA128 儀用放大器。其特點如下： 低偏置電壓最大 50μ V，低溫度漂移最大 V/℃，低輸入偏置電流最大 5nA，高共模抵制 CMR 最小 120DB，輸入保護至177。 40V，寬電源電壓范圍177。 至177。18V，低靜態(tài)電流 700μ A， 8 引腳塑料 DIP 和 SO8封裝。電路圖 如圖 42所示： 圖 41 時鐘電路原理圖 18 氣體傳感器出來的信號是模擬信號，而微處理器 AT89C51只能處理數(shù)字信號，故需要對模擬信號信號進行轉換，將其轉換為處理器能識別的數(shù)字信號，由于經(jīng)過放大電路出來的模擬電壓變化范圍在 0~5V，故選擇性價比比較合適的 ADC0809 進行模數(shù)轉換。其管腳定義如圖 43所示 。 圖 42 INA128應用電路 圖 43 ADC0809管腳示意圖 19 ADC0809 各腳功能如下 表 41： 引腳 功能介紹 D7D0 IN0IN7 8 位數(shù)字量輸出引腳 8 位模擬量輸入引腳 VCC +5V 工作電壓 R