【文章內(nèi)容簡介】 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(nèi)元件的工作點有:, , , 。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(nèi)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(guān)系。在05%CH4范圍內(nèi)，電橋輸出信號與甲烷濃度呈線性關(guān)系。%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(shè)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(nèi)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(nèi)會造成輸出不穩(wěn)，這是在使用中應(yīng)該加以注意和調(diào)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(yīng)速度。反應(yīng)速度是工作元件的一個重要指標。特別是當元件應(yīng)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(yīng)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: (31)式中: :元件的時間常數(shù)； E:元件的熱容量； a:等效熱導(dǎo)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； :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(yīng)速度。本設(shè)計中選擇的敏感元件型號為:FWC2。參數(shù)為:測量介質(zhì):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(yīng)時間:≤20S4 礦內(nèi)空氣傳感器的硬件 實時時鐘模塊圖41 時鐘電路原理圖 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(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。本課題采用內(nèi)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(nèi)的電路構(gòu)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(diào)，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(gòu)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(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點。在本設(shè)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50μV，℃，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700μA，8 引腳塑料DIP 和SO8封裝。電路圖如圖42所示： 圖42 INA128應(yīng)用電路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(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換。其管腳定義如圖43所示。圖43 ADC0809管腳示意圖 ADC0809各腳功能如下表41：表41 ADC0809各腳功能引腳功能介紹D7D0IN0IN78位數(shù)字量輸出引腳8位模擬量輸入引腳VCC+5V工作電壓REF（+）參考電壓正端REF（）參考電壓負端STARTA/D轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端ALE地址鎖存允許信號輸入端EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時為低電平，當轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高電平OE輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。CLK時鐘信號輸入端（一般為500KHz）。A、B、C地址輸入線電路連接：ADC0809輸出接單片機的P0口，各個控制引腳及單片機的P2口，參考電壓REF(+)、REF()分別接+5V電源和地。具體工作過程如下：首先，在程序的控制下，作為ADC0809工作的時鐘信號。并對其他控制引腳進行初始化。然后，單片機向ADC0809的A、B引腳循環(huán)輸出地址編號，C引腳接地；每輸入一個地址編號后，START和ALE變高電平，復(fù)位ADC0809并將地址鎖存，經(jīng)過適當?shù)难訒r后，START和ALE變低電平，開始模數(shù)轉(zhuǎn)換；，當收到高電平時，說明模數(shù)轉(zhuǎn)換完成，此時向OE引腳輸出高電平，打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量到P0口，然后OE引腳變低電平，完成一次模數(shù)轉(zhuǎn)換。 圖44 ADC0809與AT89C51的接口電路 看門狗電路看門狗電路一般有軟件看門狗和硬件看門狗兩種。軟件看門狗不需外接硬件電路，但系統(tǒng)需要出讓一個定時器資源，這在許多系統(tǒng)中很難辦到，而且若系統(tǒng)軟件運行不正常，可能導(dǎo)致看門狗系統(tǒng)也癱瘓。硬件看門狗是真正意義上的“程序運行監(jiān)視器”，如計數(shù)型的看門狗電路通常由555多諧振蕩器、計數(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，運行不夠可靠。可編程看門狗電壓監(jiān)控電路選用Xicor公司的X25045集成芯片，它是集看門狗定時器功能，電壓監(jiān)控功能，快閃E2PROM存儲功能為一體的集成芯片，大大簡化了硬件設(shè)計，提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了對印制電路板的空間要求，降低了成本和系統(tǒng)功耗，是一種理想的單片機外圍芯片?？撮T狗定時器電路對微控制器提供了獨立的保護系統(tǒng)，可編程設(shè)置三種周期，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，在預(yù)先設(shè)定的周期之后產(chǎn)生復(fù)位信號，該周期一旦設(shè)定，即使在電源周期變化之后也不改變。電壓監(jiān)控功能可以保護系統(tǒng)使之免受低電壓狀況的影響，當V0降到最小轉(zhuǎn)換點以下時，系統(tǒng)復(fù)位，直到電壓升高且穩(wěn)定為止，E2PROM可存放數(shù)據(jù)，安全可靠，這種組合不僅降低系統(tǒng)成本，減少電路板空間要求，而且與單片機接口簡單，性能穩(wěn)定。芯片的性能特點:可編程的看門狗定時器；低VCC檢測，直到VCC等于1V時復(fù)位信號有效；1MHZ的串行時鐘頻率；5128位串行EEPROM；低功耗CMOS設(shè)計，工作時電流3mA，備用時10A；～；片內(nèi)寫保護；高可靠性:使用期限:100000周期/字節(jié)； 數(shù)據(jù)保存期:100年； ESD保護:所有引腳2000V 。RESET高電平有效。 引腳如圖45，部分引腳說明：：片選擇輸入；SO：SO是一個推/拉串行數(shù)據(jù)輸出引腳，在讀周期時間內(nèi)，數(shù)據(jù)從這個引腳輸出，串行時鐘脈沖下降沿時數(shù)據(jù)輸出； 圖45 X25045引腳圖SI：是串行數(shù)據(jù)輸入引腳，所有的操作碼，字節(jié)，地址及數(shù)據(jù)都通過這個引腳寫入存儲器，串行時鐘脈沖上升沿時，數(shù)據(jù)被鎖存； SCK：串行時鐘輸入，其上升沿將數(shù)據(jù)或命令寫入，下降沿將數(shù)據(jù)輸出；：寫保護輸入。當它低電平時，寫操作被禁止； ：復(fù)位輸出。X25045硬件連接圖如圖46： 圖46 X25045硬件連接圖 報警電路由NPN三極管、蜂鳴器、LED和限流電阻組成，如圖47所示。由單片機兩個I/0口控制聲報警方式和光報警方式，實際應(yīng)用時，可以通過軟件設(shè)置選擇其中一種報警方式，也可以兩種都選擇。8050是一種常用的小功率開關(guān)三極管，它的最大負載電流為700mA, VCEO=20V,。 Q1和Q2分別作為蜂鳴器和發(fā)光二極管的驅(qū)動器，蜂鳴器的正常工作為3V，聲音強度為80dB，發(fā)光二極管的額定電流為5～lOmA。當單片機I/O口信號為高電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報警聲音，發(fā)光二極管則給出光指示信號，其中，R2, R3和R1均為限流電阻。圖47聲光報警電路圖數(shù)據(jù)顯示是體現(xiàn)整個系統(tǒng)功能的部分，LED顯示成本低廉，配置靈活，與單片機連接方便。LED顯示塊具有亮度高、結(jié)構(gòu)簡單、全天候的特點，因此在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)用最廣，本系統(tǒng)的顯示采用的就是四位七段共陽極LED數(shù)碼管作為顯示部件。如圖48。圖48 數(shù)碼管引腳圖圖49 顯示部分電路圖 本設(shè)計采用集成穩(wěn)壓器7805，當輸出電流較大時，7805應(yīng)配上散熱板。 圖410 7805組成的5V電路圖 本章首先介紹了瓦斯的硬件結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)功能，該儀器以8位單片機AT89C51作為控制核心，設(shè)計并構(gòu)建了系統(tǒng)的硬件平臺，完成了有毒氣體濃度信號的采集放大轉(zhuǎn)換電路、液晶顯示電路、聲光報警電路等的設(shè)計。該儀器能夠?qū)崿F(xiàn)有毒氣體濃度信號采集與顯示及超標聲光報警等功能。本章重點介紹了信號采集模擬電路和以主控制器為中心的數(shù)字電路的設(shè)計與工作原理。首先討論了有毒氣體采集模塊中傳感器選擇問題及模擬放大電路的設(shè)計問題，最后討論了系統(tǒng)的外圍接口電路模塊，包括數(shù)碼管顯示,聲光報警等，實現(xiàn)了各外圍接口電路模塊與AT89C51的硬件接口設(shè)計。這一章比較具體的說明了系統(tǒng)硬件設(shè)計的內(nèi)容，通過模塊化的設(shè)計思想，把一個復(fù)雜的單片機系統(tǒng)按照功能劃分成一個個單獨的電路模型，分別進行設(shè)計，最后在集成到一起。這種方法對于設(shè)計復(fù)雜的單片機系統(tǒng)很有效。大大提高系統(tǒng)設(shè)計的效率與質(zhì)量。5 礦內(nèi)空氣傳感器的軟件設(shè)計 總體設(shè)計思想總體思路是首先定義相關(guān)的硬件接口，然后進行初始化，包括AD控制端和定時器的初始化。初始化后開始無限無限循環(huán)，以保證24小時全天候的檢測甲烷的濃度，及時發(fā)現(xiàn)險情并報警。無限循環(huán)中將依次調(diào)用AD轉(zhuǎn)換函數(shù)、比較判斷函數(shù)、聲音報警函數(shù)和顯示報警函數(shù)。圖51 主函數(shù)流程圖 根據(jù)軟件設(shè)計的基本要求,采取了如下的措施:。軟件設(shè)計中包含有：主程序模塊、顯示模塊、A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子模塊、聲光報警模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、中斷處理模塊等。，可以保證數(shù)據(jù)計算的精度。，提高了系統(tǒng)的實時處理事件能力。、硬件抗干擾。軟件抗干擾措施提高了系統(tǒng)的可靠性。以下就對一些主要模塊進行詳細的闡述。在系統(tǒng)硬件電路確定以后，其主要功能的實現(xiàn)將依賴于軟件來實現(xiàn)。對同一硬件電路，配以不同的軟件，它所實現(xiàn)的功能也就不同，其設(shè)計軟件基本要求:?？煽啃允擒浖O(shè)計的重要指標，具有較強的抗干擾能力。、易維護性。編制的軟件要求易閱讀，容易發(fā)現(xiàn)和糾正錯誤，容易修改和補充。系統(tǒng)能夠及時響應(yīng)外部事件的發(fā)生并能及時做出處理結(jié)果。保證系統(tǒng)進行計算數(shù)據(jù)的精度。目前存在有4種編程語言支持單片機，即匯編語言、PL/M51語言、C語言和BASI語言。其中匯編語言和C語言應(yīng)用的較多，匯編語言的機器代碼生成效率高，控制性好，但就是移植性不高。結(jié)合本系統(tǒng)的特點，這里選用了功能強、效率高的C語言。C語言主要有以下特點：用C語言編制的程序效率高，占用存儲空間小，運行速度快。C語言能寫出最優(yōu)化程序，且能反映出計算機的實際運行情況。C語言能直接與存儲器、接口電路打交道，也能申請中斷。具有良好的模塊化、容易閱讀、維護等優(yōu)點，且編寫的模塊程序易于移植?；贑語言和匯編語言的優(yōu)缺點，本系統(tǒng)采用C語言編寫方法。主程序運行流程圖如圖52所示。由主程序流