【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 煤礦使用，而電壓或電流模擬量實(shí)現(xiàn)這一隔離就困難多了。 4. 模擬量的采集成本低 對(duì)電壓或電流模擬量的采集一般都要采用 A/D轉(zhuǎn)換器之類(lèi)的較昂貴的芯片，超過(guò) 8位的A/D轉(zhuǎn)換器芯片的價(jià)格與一般單片機(jī)的價(jià)格相當(dāng)，且印刷電路板的制作工藝也較高。而對(duì)于頻率模擬量的采集，用定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，和少量的開(kāi)關(guān)電路即可，可其成本低的多。 基于以上考慮，本系統(tǒng)的模擬 量信號(hào)選用頻率信號(hào)，選用的 檢測(cè)系統(tǒng) 輸出頻率范圍為2022000Hz。 傳感元件 傳感元件的性能對(duì) 檢測(cè)系統(tǒng) 有著很大的影響，在選用傳感元件時(shí)一是測(cè)量精度要高，二是工作可靠，三是工作條件能適應(yīng)惡劣環(huán)境的要求。 礦用 傳感元件 最重要的是應(yīng)具有防爆功能。通過(guò)慎重調(diào)查 對(duì)比最后選用了鄭州煒盛電子科技有限公司生產(chǎn)的新型載體催化元件，其優(yōu)于傳統(tǒng)的催化元件，在響應(yīng)特性，長(zhǎng)期儲(chǔ)存特性，溫度特性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面都有了明顯的改進(jìn)。載體催化元件由一個(gè)帶催化劑傳感元件 (俗稱(chēng)黑元件 )和一個(gè)不帶催化劑的補(bǔ)償元件 (俗稱(chēng)白元件 )組成 ，白元件與黑元件的結(jié)構(gòu)和尺寸完全相同。但白元件表面沒(méi)有催化劑，僅起環(huán)境溫度補(bǔ)償作用。黑元件由鉑絲線圈， Al2O3， 載體和 表面的催化劑組成。其中鉑絲線圈用來(lái)給元 件加溫，提供甲烷催化燃燒所需要的溫度，同時(shí)，甲烷燃燒放出的熱量使其升溫，通過(guò)測(cè)量其電阻變化，就可以測(cè)得空氣中的甲烷濃度。 Al2O3載體用來(lái)固定鉑絲線圈，增強(qiáng)元件的機(jī)械強(qiáng)度。涂在元件表面的鉑 (Pt)和把 (Pb)等重金屬催化劑，使吸附在元件表面的甲烷無(wú)焰燃燒。其反應(yīng)方程式為 : 4 2 2 22 2 7 9 5 .5P tP bCH O CO H O KJ?? ???? ? ? 甲烷無(wú)焰燃燒放出的熱量， 使黑元件升溫，從而使鉑絲線圈的電阻增大，通過(guò)電橋，就可測(cè)得由于甲烷無(wú)焰燃燒使鉑絲線圈電阻增大的值。當(dāng)然，由于環(huán)境溫度的變化也會(huì)使鉑絲線圈的電阻發(fā)生變化。為克服環(huán)境溫度變化對(duì)甲烷溫度測(cè)量的影響，在電橋中引入了與黑元件結(jié)構(gòu)尺寸完全相同的白元件，如圖 。由于白元件表面沒(méi)有催化劑，因此甲烷江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) XI 不會(huì)在白元件表面燃燒，白元件鉑絲線圈的電阻變化僅與環(huán)境溫度有關(guān)，由于黑元件 R1與白元件 R2處于電橋的同一側(cè)，通過(guò)的電流相等 (不考慮電壓測(cè)量電路的漏電流 )。因此，在甲烷 (可燃性氣體 )濃度為零的新鮮空氣中，其電阻相等 (不考慮由 于制造過(guò)程中的結(jié)構(gòu)差異 )。即 R1=R2， 這時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，輸出電壓 Uab為零。若環(huán)境溫度發(fā)生變化或通過(guò)黑白原件的電流發(fā)生變化，使黑白元件電阻發(fā)生變化，但由于變化后的黑白元件電阻仍相等，不會(huì)使電橋失衡。因此，白元件具有環(huán)境溫度補(bǔ)償作用。 圖 傳感器檢測(cè)電橋 當(dāng)空氣中甲烷濃度不為零，吸附在黑元件表面的甲烷在黑元件表面催化燃燒，燃燒放出的熱量與甲烷濃度成正比 (在濃度 % 的低濃度情況下 )，在燃燒熱量的作用下，黑元件溫度升高，黑元件鉑絲電阻 也隨之增大 1R? ，因此，通過(guò)測(cè)量 1R? 的變化，就可測(cè)得空氣中的甲烷濃度 (低濃度情況下 )。在圖 ，若用 E表示向電橋供電的恒電源，用 Uab表示電橋輸出電壓，則有： 1 1 3( 1 1 ) 2 3 4R R RU a b E ER R R R R????? ? ? ? ∵ R1=R2 R3=R4 R1﹥﹥ 1R? ∴ 1 1 1 1 1112 1 1 2 1 1 2 2 1 2 1 2 2 1R R E R EU a b E E E R E E RR R R R R R R?? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? 不難看出，由于 E， R1設(shè)計(jì)為常數(shù)， 可由常數(shù) K1表示 21ER 。因此，電橋輸出電壓 Uab正比于黑元件電阻變化 1R? ，即 Uab=K1* 1R? 。若用 ? 表示鉑絲電阻溫度系數(shù)， H? 表示甲烷燃燒熱量， h表示黑元件熱容量， D表示甲烷擴(kuò)散系數(shù)， C表示被測(cè)環(huán)境中的甲烷濃度， Q表示甲烷分子燃燒熱， RO表示鉑絲 0℃時(shí)的阻值， 則有 : 1 ( ) 0 ( ) 0D CQHR R Rhh???? ? ? 由于 ? ， h， RO 與黑元件材料，性質(zhì)，結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，元件出廠后為一常數(shù)。因此，可用常數(shù) K2表示，即 : 1R? =K2*C Uab=K1*K2*C 不難看出，在低濃度下，電橋輸出電壓與空氣中的甲烷濃度成正比。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) XII 輸入量采集處理 由于電橋輸出的電壓 Uab為毫伏級(jí)的，所以要首先進(jìn)行放大處理，本系統(tǒng)采用了TLC279MJ運(yùn)算放大器作放大器件。由于 在一定的電壓范圍內(nèi)，可以通過(guò)壓縮 Vref+和 Vref之間的電壓差值，來(lái)提高轉(zhuǎn)換器的分辨率 。 所以將放大器的輸出電壓調(diào)整在 的范圍內(nèi) (對(duì)應(yīng) 0%4%的瓦斯?jié)舛?)。其輸出接至單片機(jī)的模擬量輸入端口 RAO。單片機(jī) PIC16F877的 A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓采用外部輸入，這就需要在單片機(jī)外部電路中增加一個(gè)精度高，溫度漂移小的電壓基準(zhǔn)專(zhuān)用芯片。本系統(tǒng)選用了 LM2671開(kāi)關(guān)電源以及 LM358AN運(yùn)算放大器構(gòu)成參考電壓電路。 PIC16F877芯片具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力，當(dāng)其輸入量為模擬量時(shí)，可以通過(guò)內(nèi)部自帶的 10位精度的 A/D轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換，無(wú)需另外擴(kuò)展 A/D轉(zhuǎn)換器，這樣可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，降低成本。 ADC模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含 4個(gè)組成部分 :8選 1選擇開(kāi)關(guān)，雙刀雙擲切換開(kāi)關(guān)， A/D轉(zhuǎn)換電路，采樣 /保持電路。如圖 ： 圖 ADC模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 該圖中的“模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC”方框中，實(shí)際包含采樣 /保持電路和 A/D轉(zhuǎn)換電路兩個(gè)部分，下面來(lái)分析一下各個(gè)部分的功能和組成關(guān)系 ： 1) 8選 1選擇開(kāi)關(guān) —— 由控制寄存器 ADCONO中的 CHS2— CHSO位控制， 用于在引腳 ANO— AN7中選定將要進(jìn)行轉(zhuǎn)換的輸入模擬通道，選中者與內(nèi)部采樣 /保持電路接通。 2) 雙刀雙擲切換開(kāi)關(guān) —— 由控制寄存器 ADCONI中的 PCFG3— PCFGO位控制，用于選擇 A/D轉(zhuǎn)換器所需要的參考電壓源的獲取途徑。該參考電壓有正，負(fù)兩個(gè)接入端 Vref+和 Vref。正端既可選擇片內(nèi)的正電源 VDD，也可以選擇從引腳 RA3/AN3/Vref+接入的外部基準(zhǔn)電壓 ； 負(fù)端既可以選擇片內(nèi)的負(fù)電源 VSS，也可以選擇從引腳 RA2/AN2/Vref接入的外部基準(zhǔn)電壓。 模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換ADC （ +采樣 /保持電路） 內(nèi)部數(shù)據(jù)總線 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) XIII 當(dāng)選擇外接參考電壓方式時(shí)，就需要在單片機(jī)外部 電路中增加一個(gè)精度高，溫度漂移小的電壓基準(zhǔn)專(zhuān)用芯片。本系統(tǒng)使用的芯片為 LM2671。 3) A /D轉(zhuǎn)換電路 —— 其工作原理教材上有（不再論述），用來(lái)實(shí)現(xiàn)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。 4)采樣保持電路 —— 電路結(jié)構(gòu)如圖 ，用于對(duì)輸入模擬信號(hào)電平進(jìn)行抽樣，并且為后續(xù) A/D轉(zhuǎn)換電路保持一個(gè)平穩(wěn)的電壓樣值。電路中的核心元件是一只采樣開(kāi)關(guān) RSS和一只120pF的電荷保持電容 Chold； 兩個(gè)反向偏置的二極管，起電壓鉗位保護(hù)作用，防止高壓侵入芯片內(nèi)部 ； 如果開(kāi)關(guān) RSS閉合， VA信號(hào)源的模擬電壓就會(huì)通過(guò)其信號(hào)源自身的內(nèi)阻 Rs，芯片內(nèi)部連線等效電阻 Ric和采樣開(kāi)關(guān) SS向電荷保持電容 Chold充電。隨看充 電時(shí)間的 增加 ，電容的端電壓也隨之上升，并最終趨近于信號(hào)源的開(kāi)路電壓。 圖 采樣保持電路結(jié)構(gòu)圖 LED 顯示及接口 1. LED介紹 LED即發(fā)光二極管，它是一種由某些特殊的半導(dǎo)體材料制作成的 PN結(jié)，由于摻雜濃度很高，當(dāng)正向偏置時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的電子 — 空穴復(fù)合 ，把多余的能釋放變?yōu)楣饽堋?LED顯示器具有工作電壓低、體積小、壽命長(zhǎng) (約十萬(wàn)小時(shí) )、響應(yīng)速度快，顏色 豐富等特點(diǎn)。 LED的正向電壓降一般在 — ，發(fā)光工作電流在 5mA20mA。七段 LED顯示器由數(shù)個(gè) LED組成一個(gè)陣列，并封裝于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的外殼中。為適用于不同的驅(qū)動(dòng)電路，有共陽(yáng)極和共陰極兩種結(jié)構(gòu)。本文采用的是共陰極結(jié)構(gòu)。為了顯示某個(gè)數(shù)或字符，就要點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的段，這就需要譯碼。譯碼有硬件譯碼和軟件譯碼。硬件譯碼電路的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算機(jī)時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)比較小，但硬件開(kāi)支大。軟件譯碼與硬件電路相比，省去了硬件譯碼器。其 BCD碼轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的段碼由軟件來(lái)完成。表 、字母的關(guān)系 ： 字符 共陽(yáng) 極段碼 字符 共陽(yáng)極段碼 字符 共陽(yáng)極段碼 0 COH 5 92H A 88H VA 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) XIV 表 共陽(yáng)極情況下段碼與數(shù)字、字母的對(duì)應(yīng)關(guān)系 2. 七段 LED的顯示接口 1) 顯示方式的選擇 按照顯示的方式，七段 LED數(shù)碼管顯示有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示之分。在靜態(tài)顯示系統(tǒng)中，每位顯示器都應(yīng)有各自的鎖存器、譯碼器與驅(qū)動(dòng)器。用以鎖存各自待顯示數(shù)字的 BCD碼或反碼。 因此靜態(tài)顯示系統(tǒng)在每一次顯示輸出后能夠保持顯示不變，僅在待顯示數(shù)字需要改變時(shí)，才更新其數(shù)字顯示器中鎖存的內(nèi)容 。 這種顯示占用機(jī)時(shí)少，顯示穩(wěn)定可靠。缺點(diǎn)是，當(dāng)顯示的位數(shù)較多時(shí)，占用的器件也較多。在采用動(dòng)態(tài)顯示的系統(tǒng)中，微處理器或控制器應(yīng)定時(shí)地對(duì)各個(gè)顯示器進(jìn)行掃描，顯示器件分時(shí)輪流工作，每次只能使一個(gè)器件顯示，但由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象，仍感覺(jué)所有的器件都在同時(shí)顯示。此種顯示的優(yōu)點(diǎn)是使用硬件少，占用 I/O口少。缺點(diǎn)是占用機(jī)時(shí)長(zhǎng)，只要不執(zhí)行顯示程序，就會(huì)立即停止顯示。本文采用了動(dòng)態(tài)顯示模式。 2） 引腳功能設(shè)定 本文 要求 顯示接口電路完成四位十進(jìn)制數(shù)字的顯示。由于 PIC單片機(jī)可以直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，所以節(jié)省了外圍電路。 將 PIC16F877單片機(jī)的 PORTD端口的 RDO— RD7作為顯示器的數(shù)據(jù) BCD碼傳送端口，如圖 。 PORTB端口的 RB RB RB RB1作為的地址線，分別選中不同的 LED數(shù)碼管。數(shù)據(jù)顯示的過(guò)程是首先由 RB5， RB3， RB2與 RB1確定當(dāng)前該選中的數(shù)碼管，然后 PORTD將相應(yīng)位要顯示的數(shù)字送入對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管顯示。 1 F9H 6 82H B 83H 2 A4H 7 F8H C C6H 3 BOH 8 80H D A1H 4 99H 9 90H 滅 FFH 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) XV 圖 單片機(jī)與 LED接口電 路圖 程序模塊 A/D 轉(zhuǎn)換子程序 A/D轉(zhuǎn)換子程序依照以下步驟進(jìn)行 : (1)設(shè)置 ADC模塊 ； (2)開(kāi)放 A/D中斷功能，開(kāi)放相應(yīng)的中斷使能位 ； (3)等待所需要的采樣時(shí)間 ； (4)將控制位兼狀態(tài)位置 1，啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程 ； (5)等待 A/D轉(zhuǎn)換完成 ； (6)讀取相應(yīng)的 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器送入指定地址進(jìn)行處理。 詳細(xì) 見(jiàn) 圖 。 RB1 RB2 RB3 RB5 RD0/PSP0 RD1/PSP1 RD2/PSP2 RD3/PSP3 RD4/PSP4 RD5/PSP5 RD6/PSP6 RD7/PSP7 PIC16F877 A a b c d e f g DP B a b c d e f g DP C a b c d e f g DP D a b c d e f g DP 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) XVI 圖 A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖 程序片斷 : BSF STATUS， RPO ； 選擇 RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)體 BCF STATUS， RPl CLRF ADCONI ； 選定全部引腳為模擬輸出通道 BSF PIEI， ADIE ； 開(kāi)放 ADC模塊中斷 BCF STAUS， RPO MOVLW B39。0100100139。 MOVWF ADCONO ； 選擇通道