【文章內(nèi)容簡介】 AT89C52單片機(jī)的用廣更新?lián)Q代帶來許多方便。正岡為AT89S52單片機(jī)增加了高可靠性、安全性的功能，所以能避免因外部芯片擴(kuò)展過多或傳感器輸入信號過多而引起的信號失真、電磁干擾等現(xiàn)象的發(fā)江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文生。閔此．用它作為甲烷氣體測量可以滿足監(jiān)控、信息傳送的要求。而且，從經(jīng)濟(jì)性的角度來看，AT89S52不但硬件結(jié)構(gòu)簡單，而且價(jià)格低、功能強(qiáng)、性價(jià)比高， 符合我國T業(yè)設(shè)計(jì)制造的要求。江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章基于氣敏元件的煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)本章將介紹基于甲烷氣體傳感器的氣體監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)原理框圖，及其整體協(xié)調(diào)T作實(shí)現(xiàn)的功能；系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)及其主要功能模塊；系統(tǒng)程序流程等內(nèi)容。3．1系統(tǒng)原理框圖基于氣體傳感器的甲烷氣體監(jiān)測系統(tǒng)主要由氣體傳感器、單片機(jī)、數(shù)據(jù)存儲器以及LED顯示器以及RS一485通訊接1：3等部分組成，其原理框圖如圖3．1所示。采用單片機(jī)AT89S52構(gòu)成煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，根據(jù)氣體傳感器及測量的信號，實(shí)現(xiàn)對CH4的成分識別和濃度測量；使用按鍵面板輸入外部命令；采用ATMEL 公司的DataFlash存儲器AT24C02存儲設(shè)定的參數(shù)及大量的測量數(shù)據(jù)；通過8只8 段LED數(shù)碼管顯示氣體濃度；也可以在Pc機(jī)控制模式下，采用RS485協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。田3．1系統(tǒng)硬件原理框圈江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文3．2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)能。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理圖見附錄A，下面介紹其主要組成部分以及它們實(shí)現(xiàn)的功3．1系統(tǒng)電源該系統(tǒng)系統(tǒng)電源電路圖如圖3．2所示，Vin是外部輸入電源，采用的是12V／3A 的直流電源。c2，c4的作用是對LM317電壓調(diào)節(jié)端(ADJ)的電壓進(jìn)行濾波，以提高輸出電壓的穩(wěn)定性；DD2起保護(hù)作用，當(dāng)有意外情況使得LM317的Vin電壓比Vout電壓還低的時(shí)候，防止從c3．C4上有電流倒灌入LM317；]起其損壞。整個(gè)系統(tǒng)用電可以劃分為兩部分：HVCC是LED顯示器模塊、氣體傳感器加熱、傳感器信號監(jiān)測回路及A／D轉(zhuǎn)換參考電源模塊輸入需要的9．58V3：作電壓：VCC是單片機(jī)等集成芯片需要5V的T作電壓。電源部分的核心器件是二端可調(diào)輸出集成穩(wěn)壓器LM317。LM317是美國國家半導(dǎo)體公_J的二端可調(diào)整流穩(wěn)壓器集成電路，輸出電壓范圍是I．25v至37v，負(fù)載電流最大為I．5A。它的使用非常簡單，僅需兩個(gè)外接電阻來設(shè)置輸出電壓，此外線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率也比標(biāo)準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓器好。內(nèi)置過載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。輸出引腳3與調(diào)節(jié)引腳i之間保持1．25V的參考電壓Vref，并且引腳3為正端。當(dāng)調(diào)節(jié)端接地時(shí)。輸出端輸出I．25V。由Vin端提供工作電壓以后， 便可以保持Vout端(3腳)比ADJ端(1腳)的電壓高I．25V。因此，只需要用極小的電流來調(diào)整ADj端的電壓，便可在Vout端得到比較大的輸出電流，并且輸出電壓比ADJ端電壓高出恒定的I．25V。LM317的輸出電壓=1．25x(I+ADJ端到地的電阻／AIU端到Vout端的電阻)。通過調(diào)整接入ADJ端和Vout端電阻的比值，來改變輸出電壓。值得注意的是，LM317 有一個(gè)最小負(fù)載電流的問題，即只有負(fù)載電流超過某～值時(shí)，才能起到穩(wěn)壓作用。這個(gè)電流隨器件的生產(chǎn)廠家而有所差異，一般在3—8mA不等，可以通過在負(fù)載端接一個(gè)合適的電阻來解決。依據(jù)LM317的輸出電壓計(jì)算公式，可以得到圖3．2中LMI 的輸出：江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文ⅣVCC吲168。每@D 其中：v。r：1．25V，Rl=1000Q，R2=150Q。數(shù)據(jù)代入上式得：HVCC=9．58V． 另外LM2的輸出： VCC=啪+爭(3．2) 其中：V。產(chǎn)I．25V，融=460Q，R4=150Q。數(shù)據(jù)代入公式得到：VCC=5．08V。品1．一J2—3 I ；陌習(xí)3 缸P圖3．2系統(tǒng)電源電路田3．2氣體傳感器加熱及其信號采樣氣體傳感器加熱及其信號采樣電路圖如圖3．3所示，由LM317提供加熱電壓。其中．HVCC是輸入電壓，vE是氣體傳感器的加熱電壓，VH是監(jiān)測回路的工作電壓， GND為氣體傳感器加熱地，Vss為信號采樣地，Rs為氣體傳感器的敏感體電阻，R。為取樣電阻。傳感器加熱電壓高，加熱絲的電阻值小，這樣勢必導(dǎo)致流經(jīng)加熱回路的電流大；另外，為了方便測量，傳感器探頭電路與儀表數(shù)據(jù)處理電路不在同一個(gè)電路扳上，而是用了比較長的數(shù)據(jù)線相連。如果采樣地與加熱地共用一條回路，采樣地就會流過較大的電流，這樣就能在信號采樣線上產(chǎn)生很大的壓降，從而導(dǎo)致采集的信號受信號采集線的長短影響較大。必須把加熱地與信號地分離開，才能降低T擾。依據(jù)LM317的輸出電壓計(jì)算公式，可以得到： D VE=％(1+》(3．3) n2 其中：V。=1．25V，R．=470Q．R：=1500。數(shù)據(jù)代入公式得到：vE≈5．17V。江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文圖3．3氣體傳感器加熱及信號采樣電路田模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選用的是美國模擬器件公司(Analog Devices)生產(chǎn)的一種低功耗io位高速串行A／D轉(zhuǎn)換器AD78lo，其轉(zhuǎn)換精度為可岳=而1囂。模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)． 參考電源的穩(wěn)定性很霞要，在奉系統(tǒng)中外部電源是f11TL431及其外圍電路供給。根據(jù)歐姆定律．得到氣體傳感器的輸出電壓： ％=彘冊(3．4) 經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后，換算出氣體傳感器輸出電壓： ％=岳陰(3．5) 其中：V。是A／D的轉(zhuǎn)換結(jié)果。由以上兩式聯(lián)立得： ％=。彘Ⅲ=南附(3e， 上式化簡得到： 島=憊吃” (3．7) 從上式可以看出。Rs與采樣回路電壓vH無關(guān)，只要保證參考電壓VH穩(wěn)定就可以。如果確定了采樣電阻RL．以及A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果，就可以得到氣體傳感器得敏感體電陽艮。江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文3．2．3傳感器信號監(jiān)測回路及A／D轉(zhuǎn)換參考電源傳感器信號監(jiān)測回路及A／1)轉(zhuǎn)換參考電源電路圖如圖3．4所示，主要由三極管和TL43 1組成。TL431是TI公司生產(chǎn)的一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)精密電壓基準(zhǔn)集成電路，引腳分別為：陰極(CATHODE)、陽極(ANODE)和參考端(REF)；輸出電樂范同是2．5VN30V；典型動態(tài)阻抗為0．20，輸出雜波低。在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等等。該器件內(nèi)部有一個(gè)的2．5V基準(zhǔn)源vI，接在內(nèi)部運(yùn)放的反相輸入端。由運(yùn)放的特性可知，只有當(dāng)REF端(同相端)的電壓非常接近VI時(shí)，三極管中才會有一個(gè)穩(wěn)定的非飽和電流通過，而且隨著REF端電壓的微小變化。通過三極管的電流將從l到lOOmA變化。當(dāng)在REF端引入輸出反饋時(shí)，器件可以通過從陰極到陽極很寬范同的分流來控制輸出電壓。需要注意的是，在選擇電阻時(shí)必須保證TL4311作的必要條件，即通過陰極的電流要大于lⅡlA。圖3．4中，R．和風(fēng)對vH的分壓引入反饋。若輸出增大，則反饋量增大，TL431 的分流也就增加，從而又導(dǎo)致VH下降。可見，這個(gè)深度的負(fù)反饋電路必然在VI 等于基準(zhǔn)電壓處穩(wěn)定，此時(shí)TL431的輸出： o 掰=％(1+》(3．8) ～ 其中：v。r：2．5V．R。=200 Q，P。=1000 o。數(shù)據(jù)代入公式得到：VH≈3V。為了降低系統(tǒng)功耗，用單片機(jī)I／ON控制該電源的工作狀態(tài)。當(dāng)I／O為高電平”I”時(shí)，NPNZ．極管Q，導(dǎo)通，其集電極為低電平，從而使PNP極管Q2基極拉低， Q，導(dǎo)通，其射極輸出高電平，這樣就能滿足TL431的工作條件，從而可以得至IJVH=3V 的輸出電，R；當(dāng)I／O為低電平“0”時(shí)。NPN極管Q。截止，其集電極為高電平， 從而使PNP極管Q：基極為高，Q：截止，這樣不能滿足TL4311作條件，得NVH=OV 的輸出電壓。江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文圈3．4傳感器信號監(jiān)鍘回路及A／D轉(zhuǎn)換參考電源電路圈3．2．4模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7810的原理及應(yīng)用C2 16V 22u AD7810是美國模擬器件公司(Analog Devices)生產(chǎn)的一種低功耗10位高速串行A／D轉(zhuǎn)換器。該產(chǎn)品有8腳DIP和SOIC兩種封裝形式，并帶有內(nèi)部時(shí)鐘。它的外圍接線極其簡單，AD7810的轉(zhuǎn)換時(shí)間為2 u s，采用標(biāo)準(zhǔn)SPI同步串行接口輸出和單一電源(2．7V～5．5V)供電。在自動低功耗模式下，該器件在轉(zhuǎn)換吞吐率為IkSPS時(shí)的功耗僅為27 p w。1．AD7810引腳功能AD7810引腳排列如圖I所示，各引腳的功能如下： I腳CONVST：轉(zhuǎn)換啟動輸入信號2腳VIN+：模擬信號同相輸入端3腳VIN：模擬信號反相輸入端4腳GND：接地端口5腳VREF：轉(zhuǎn)換參考電壓輸入端6腳DOUT：串行數(shù)據(jù)輸出端7腳SCLK：時(shí)鐘輸入端8腳VDD；電源端江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文O∞IvST Vin+ Vin一6勘I VDD SQ工Dmzt Vref 圈3．5 A1)7810引腳功能2．AD7810主要參數(shù)1)分辨率：10位二進(jìn)制2)轉(zhuǎn)換時(shí)間：2u s 3)非線性誤差：177。1LSB 4)電源電樂范嗣：2．75．5V 5)電源功耗：高速方式時(shí)為17．5mW，低功耗方式時(shí)為5 u w 6)參考電壓Vm?范圍：1．2V～VDD 7)模擬電壓輸入范同：OV～Vref 8)輸出形式：SPI同步串行輸出，與TTL電平兼容。3．AD7810的丁作模式3．1高速模式圖3．6是AD7810 T作在高速模式時(shí)的時(shí)序圖。在此模式下，啟動信號CONVST 一般處于高電乎。在CONVST端輸入一個(gè)負(fù)脈沖，其下降沿將啟動一次轉(zhuǎn)換。若采用內(nèi)部時(shí)鐘，那么，轉(zhuǎn)換需要2p s的時(shí)間(圖中t1)。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，AD7810 會自動將轉(zhuǎn)換結(jié)果鎖存到輸出移位寄存器中。此后，在每一個(gè)SCLK脈沖的上升沿，數(shù)據(jù)按由高到低的原則(首先發(fā)送DB9，最后發(fā)送DBo)依次出現(xiàn)在DOUT上。如果在轉(zhuǎn)換還未結(jié)束之前就發(fā)出SCLK信號來啟動數(shù)據(jù)輸出，那么， 在DOIJT上出現(xiàn)的將是上一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果。江蘇大學(xué)硪士學(xué)位論文SCLK DoLt 圈3．6 AD7810高速模式時(shí)序圖啟動信號CONVST應(yīng)在轉(zhuǎn)換結(jié)束前變?yōu)楦唠娖?，即t2應(yīng)小于tl，否則器件將自動進(jìn)入低功耗模式。另外，串行時(shí)鐘SCLK的最高頻率不能超過20MHz。3．2自動低功耗模式圖3．7是AD7810 T作在自動低功耗模式時(shí)的時(shí)序圖。在此模式下，啟動信號CONVST為低電平時(shí)，器件處于低功耗休眠狀態(tài)。當(dāng)在CONVST端輸入一個(gè)正脈沖時(shí)，可在其上升沿將器件從休眠狀態(tài)喚醒，喚醒過程需要1 p s的時(shí)間(圖中t2)。當(dāng)器件被喚醒后，系統(tǒng)將自動啟動一次轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間也是2p s(圖中t1)。轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，AD7810將轉(zhuǎn)換結(jié)果鎖存到輸出移位寄存器中，同時(shí)自動將器件再一次置于低功耗狀態(tài)。9cLX Dolt 圉3．7^D7810自動低功耗模式寤動信號CONVST正脈沖的寬度(圖3．7中t2)應(yīng)小于1 u s，否則器件被喚醒后將4i會自動啟動轉(zhuǎn)換，而是梅A／D轉(zhuǎn)換的啟動時(shí)間順延至CONVST的下降沿處。自動低功耗模式是AD7810的一大特色，一般當(dāng)數(shù)據(jù)吞吐率小于IOOkSPS時(shí)， 席使器件丁作在此模式下。在5v電源電壓下，當(dāng)數(shù)據(jù)吞吐率為IOOkSPS時(shí)，器件的功耗2．7mW：而當(dāng)數(shù)據(jù)吞吐率為IOkSPS時(shí)，功耗為270 uw；若數(shù)據(jù)吞吐率為lkSPS，則其功耗僅27“w。江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文4．AD7810的麻用電路AD7810應(yīng)用時(shí)幾乎不需外圍元件。圖3．8所示是其應(yīng)用電路，其參考電壓Vref 連接全參考電源VH，模擬輸入VIN一接至GND，而待由氣體傳感器輸出的信號從VIN+輸入。AI)781n AT89S52 用3．8 AD7810應(yīng)用電路AD7810幾乎可與各種MCU進(jìn)行接口，圖3．8中的WCU可以是5l系列或PICl6C6X／7X單片機(jī)。在本論文中AD7810與AT89S52接口時(shí)，電路采用的是一種模擬串口方式，AD7810的SCLK、DoUT和CONVST分別接至AT89S52的P1．PI．6和P1．7，只要嚴(yán)格按照AD7810的時(shí)序要求操作，一般接口都不會有問題。這種方式實(shí)際上可擴(kuò)展到所有的MCU種類。另外，AT89S52也可利用其串行口工作方式0與AD7810進(jìn)行通訊(圖中未畫出)，但這時(shí)應(yīng)解決好兩個(gè)問題；一是由于AT89S52在TXD的上升沿進(jìn)行采樣，這樣，TXD應(yīng)經(jīng)過一個(gè)反相器再接到SCLK， 而將RXD接全Dout，然后將CONVST接至任意一個(gè)輸出端口。二是AT89S52串行口旨先接收低位數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)與AD7810剛好相反，編程時(shí)需要注意。3．2．5 IIAX7219顯示電路本課題中氣體監(jiān)測系統(tǒng)的T作環(huán)境是處于比較黑暗的礦井巷道中，所以不宜采用液晶顯示模塊，而采用了發(fā)光柔和的LED數(shù)碼管作顯示，顯示顏色為紅色。發(fā)光數(shù)碼管的優(yōu)點(diǎn)在于防潮防濕，溫度特性極佳，而且有遠(yuǎn)距離視覺效果，很適合礦井下惡劣環(huán)境的需要。而我們使用的單片機(jī)AT89S52本身并無顯示接口部分，需要外接顯示的譯碼驅(qū)動電路。LED數(shù)碼管顯示有動態(tài)顯示和靜態(tài)顯示兩種方式。通常小管采用哪種顯示方式，單片機(jī)往往都T作于并行I／O或存儲器方式。在奉課題的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)中，利用MAXIM公司的串行接口8位LED顯2l江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文示驅(qū)動器MAX7219構(gòu)成顯示接口電路，僅需使用單片機(jī)3個(gè)引腳，即可實(shí)現(xiàn)對8 位LED數(shù)碼管的顯示控制和驅(qū)動，線路非常簡單，控制簡單方便。姒X7219的功能和設(shè)置MAX7219芯片為MAXIM公司推出的串行輸