【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 收命令或數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)碗娖降臅r(shí)候則表示不忙。指令10：寫(xiě)數(shù)據(jù)。指令11：讀數(shù)據(jù)[5]。瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀的分類(lèi)有紅外線式、光干涉式、聲速差式、氣敏半導(dǎo)體式、熱導(dǎo)式、熱催化式。(1)紅外線式紅外線式是利用瓦斯的氣體分子能吸收一定波長(zhǎng)的紅外線來(lái)檢測(cè)瓦斯?jié)舛鹊?。它的?yōu)點(diǎn)是精度高、選擇性好、不受其它氣體的影響，不但測(cè)量范圍大而且還可以連續(xù)檢測(cè)；缺點(diǎn)是儀器的制造和保養(yǎng)困難，體積大，成本高，功率大，因此廣泛使用會(huì)受到一定的限制。(2)光干涉式光干涉式是利用光波對(duì)空氣和瓦斯氣體的折射率不同所產(chǎn)生的光程差，引起干涉條紋移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè)。它的優(yōu)點(diǎn)是精度高，不但耐用而且還容易校正；缺點(diǎn)是不能直觀的顯示瓦斯?jié)舛戎?，容易受氣壓和溫度的影響，制造和維修成本較高、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)比較困難。(3)聲速差式在溫度為22℃、氣壓為101325Pa條件下，聲波在瓦斯中的傳播速度為432m/s，而在清潔空氣中為3m/s。通過(guò)這一特點(diǎn)來(lái)比較這兩種速度就可檢測(cè)出高濃度瓦斯。它的優(yōu)點(diǎn)是讀數(shù)不但不受氣壓影響，而且還對(duì)背景氣體、粉塵及氣溫變化很敏感；缺點(diǎn)是很難測(cè)出低濃度的瓦斯氣體，一般只用來(lái)檢測(cè)礦井抽放瓦斯管道中的瓦斯?jié)舛取?4)氣敏半導(dǎo)體式氣敏半導(dǎo)體的種類(lèi)較多，例如氧化鋅、氧化錫等燒結(jié)型金屬氧化物。其原理是利用氣敏半導(dǎo)體被加熱到200℃時(shí)，它表面能夠吸附瓦斯氣體而改變其電阻值來(lái)檢測(cè)瓦斯?jié)舛鹊?。其?yōu)點(diǎn)是對(duì)微量瓦斯比較敏感，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。但當(dāng)濃度較高時(shí)，反應(yīng)就會(huì)變慢，選擇性和線性也差，因此它幾乎不用于礦井瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè)。 (5)熱導(dǎo)式熱導(dǎo)式是利用瓦斯與空氣熱導(dǎo)率之差來(lái)實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè)。它的優(yōu)點(diǎn)是熱導(dǎo)元件和儀器設(shè)計(jì)制作比較簡(jiǎn)單，成本低、量程大，可連續(xù)檢測(cè)，讀數(shù)穩(wěn)定，器件壽命長(zhǎng)；缺點(diǎn)是瓦斯?jié)舛容^低時(shí)輸出信號(hào)小，受氣溫影響比較大。(6)熱催化式熱催化式是利用瓦斯在催化元件上的氧化生熱引起其電阻的變化來(lái)檢測(cè)瓦斯?jié)舛鹊摹Ｋ膬?yōu)點(diǎn)是元件和儀器的生產(chǎn)成本低，輸出信號(hào)大，儀器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受溫度變化的影響小，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)；缺點(diǎn)是元件的壽命較短。目前國(guó)內(nèi)外檢測(cè)瓦斯的儀器廣泛采用這一原理[6]。因此要進(jìn)行—項(xiàng)相對(duì)具體的測(cè)量工作時(shí)，必須要考慮采用哪一種原理的傳感器，采用的時(shí)候需要考慮到多方面的因素，之后才能確定。由于測(cè)量同一物理量時(shí)，也可選用多種原理的傳感器。在選用合適的傳感器時(shí)，要考慮被測(cè)量的特點(diǎn)以及所選傳感器的使用條件，例如傳感器量程的大小；傳感器的體積要適用被測(cè)位置；是采用接觸式還是非接觸式測(cè)量方式等。對(duì)于上述問(wèn)題的分析之后，本設(shè)計(jì)決定采用MQ4傳感器。本論文的整個(gè)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可分為復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、AD轉(zhuǎn)換電路、顯示電路、報(bào)警電路、單片機(jī)這六個(gè)部分。為了更好地說(shuō)明本設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)，特別地用一個(gè)構(gòu)件圖來(lái)說(shuō)明。如下圖所示。顯示電路AT89S52報(bào)警電路復(fù)位電路時(shí)鐘電路AD轉(zhuǎn)換電路圖23 總體構(gòu)件圖 本章小結(jié)本章對(duì)本設(shè)計(jì)所需要的硬件做了明確地選擇，通過(guò)比較同一類(lèi)型中的各個(gè)器件，選擇出了它們當(dāng)中最適合本設(shè)計(jì)要求使用的器件，在對(duì)各個(gè)器件作選擇的同時(shí)，對(duì)各個(gè)器件的原理、結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢(shì)等都有了一個(gè)新的了解和認(rèn)識(shí)，為本設(shè)計(jì)進(jìn)一步的研究作了很好的基礎(chǔ)。3 硬件電路設(shè)計(jì) AT89S52單片機(jī)簡(jiǎn)介隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)因具有集成度高、體積小、速度快、價(jià)格低等特點(diǎn)而在許多領(lǐng)域應(yīng)用，以致在這些領(lǐng)域中的技術(shù)水平和自動(dòng)化程度大幅度提高。在眾多的單片機(jī)生產(chǎn)商中，較為著名INTEL公司所生產(chǎn)MCS51系列單片機(jī)有著廣泛的應(yīng)用。通過(guò)考量控制系統(tǒng)的目標(biāo)、可靠性、性價(jià)比、功能、精度以及速度來(lái)選擇單片機(jī)的型號(hào)，根據(jù)本設(shè)計(jì)的情況，單片機(jī)的型號(hào)選擇可從兩方面考慮：一是要具有較高的性價(jià)比；二是要具有較強(qiáng)的抗干擾能力。本設(shè)計(jì)采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52單片機(jī)作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心器件，它是AT89S系列單片機(jī)的一種，具有AT89C52系列單片機(jī)的全部功能。此外，與AT89C52相比，AT89S52新增加了許多功能，這將使單片機(jī)在工作過(guò)程中具備了更高的穩(wěn)定性和更強(qiáng)的電磁抗干擾能力。首先，看門(mén)狗電路增加到了AT89S52的內(nèi)部，這使得用戶應(yīng)用系統(tǒng)更加堅(jiān)固，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠性：其次，擁有特殊雙數(shù)據(jù)指針的AT89S52使其數(shù)據(jù)操作更加的快捷與方便；再次，AT89S52運(yùn)行速度變得更高，最高晶振可達(dá)到33MHZ；最后，AT89S52支持ISP(In—System Programming)在線下載的功能。AT89S52中ISP共有4個(gè)引腳：RST、MOSI、MISO和SCK。使用者能直接替換應(yīng)用系統(tǒng)中的AT89C51/52，但是軟件和硬件則均不需要作任何的修改。AT89S52之所以能夠避免由于外部芯片擴(kuò)展過(guò)多或者傳感器輸入信號(hào)過(guò)多而引起的信號(hào)失真、電磁干擾等現(xiàn)象的發(fā)生，是因?yàn)樵搯纹瑱C(jī)增加了高可靠性、安全性等功能，因此它在檢測(cè)甲烷氣體時(shí)能夠滿足監(jiān)控、信息傳送等要求。同時(shí)，從經(jīng)濟(jì)適用性的角度來(lái)看，AT89S52不僅硬件結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，而且價(jià)格又低、功能也強(qiáng)、性價(jià)比較高。AT89S52單片機(jī)外形圖如圖31所示，其特點(diǎn)如下： （1)兼容MCS一5l單片機(jī)； （2)8字節(jié)FLASH存貯器支持在系統(tǒng)編程ISPl000次擦寫(xiě)周期； （3)256字節(jié)片內(nèi)部RAM； （4)～； （5)全靜態(tài)時(shí)鐘是0Hz～33MHz； （6)二級(jí)程序加密； （7)32個(gè)可編程I/O端口口； （8)3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器； （9)6個(gè)中斷源； （10)上電復(fù)位標(biāo)志； （11)完全的雙工UART串行口； （12)低功耗支持Idle和Powerdown模式； （13)Power down模式支持中斷喚醒； （14)看門(mén)狗定時(shí)器； （15)雙數(shù)據(jù)指針[7]； 圖31 AT89S52外形圖 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路在各種指令的微操作在時(shí)間上有嚴(yán)格的次序，這種微操作的時(shí)間次序稱作時(shí)序， AT89S52的時(shí)鐘產(chǎn)生方式有兩種，一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，一種是外部時(shí)鐘方式。本系統(tǒng)中采用了內(nèi)部時(shí)鐘方式，為了盡量降低功耗的原則。單片機(jī)必須需要時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)才能正常工作。單片機(jī)內(nèi)部有時(shí)鐘振蕩電路，因此只需外接一個(gè)振蕩源就能產(chǎn)生一定周期的時(shí)鐘信號(hào)從而到達(dá)單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)單元，決定單片機(jī)的工作頻率。時(shí)鐘電路由石英晶振體、C3，C4電容和片內(nèi)與非門(mén)組成了三點(diǎn)式振蕩器。這里選用CC4的電容均為30pF，石英晶振的工作頻率為12MHz，一方面可以滿足系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)的機(jī)器周期的需要；另一方面，在進(jìn)行串行口通訊的時(shí)候能夠提供精確的通訊波特率[8]。時(shí)鐘電路圖如圖32所示：圖32 時(shí)鐘電路 復(fù)位電路設(shè)計(jì)復(fù)位電路在單片機(jī)工作中是必不可少的部件之一，單片機(jī)工作時(shí)必須處于一種確定的狀態(tài)。由于端口線電平和輸入輸出狀態(tài)的不確定可能會(huì)導(dǎo)致外圍設(shè)備誤動(dòng)作，以至于嚴(yán)重事故的發(fā)生；內(nèi)部一些控制寄存器（專(zhuān)用寄存器）的內(nèi)容不確定也可能會(huì)導(dǎo)致定時(shí)器溢出、程序尚未開(kāi)始就要中斷及串口亂傳向外設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的復(fù)位電路如圖33所示，開(kāi)關(guān)未按下時(shí)，在上電的瞬間，由于電容上的電壓不能突變，電容處于充電（導(dǎo)通）狀態(tài)，因此RST腳上的電壓與VCC相同。隨著電容的充電，RST腳上的電壓才慢慢下降[9]。選擇合理的充電常數(shù)，就能保證在開(kāi)關(guān)按下時(shí)是RST端有兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平從而使AT89S52內(nèi)部復(fù)位。 圖33復(fù)位電路任何電路都離不開(kāi)電源部分，單片機(jī)也不例外。在本設(shè)計(jì)中是以AT89S52單片機(jī)為核心所設(shè)計(jì)的，它工作時(shí)需要用電源電路來(lái)驅(qū)動(dòng)，電源電路如圖34所示，其中J1是供電電源插座，引腳1接+5V，引腳2接地，D1是電源指示燈，R6是限流電阻，C2是濾波電容。圖34電源電路 報(bào)警電路設(shè)計(jì)單片機(jī)本身I/O的驅(qū)動(dòng)能力并不高，所以對(duì)蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)需要加入一個(gè)PNP三極管，這樣能夠使蜂鳴器發(fā)出的聲音更加響亮，起到更好的報(bào)警作用。報(bào)警電路如圖35所示，當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到設(shè)定值時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，指示燈發(fā)光[10]。圖35報(bào)警電路 顯示電路設(shè)計(jì)LCD是一個(gè)慢顯示器件，所以在寫(xiě)每一條指令前一定要先讀LCD的忙碌狀態(tài)。如果LCD正忙于處理其他指令，就等待；如果不忙，在執(zhí)行寫(xiě)指令。為此，1602型LCD專(zhuān)門(mén)設(shè)了一個(gè)忙碌標(biāo)志位BF，該位連接在8位雙向數(shù)據(jù)的D7為上。如果BF為低電平“0”，表示LCD不忙；如果BF為高電平“1”，則表示LCD處于忙碌狀態(tài)，需要等待。假定1602型LCD的8位雙數(shù)據(jù)線（D0~D7）是通過(guò)單片機(jī)的P0口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的，那么只要檢測(cè)P0口的P07引腳電平（D7連P07）就可以知道忙碌標(biāo)志位BF的狀態(tài)。1602LCD液晶顯示器引腳接口如圖36所示：圖36 顯示電路 甲烷氣體采集電路設(shè)計(jì) 瓦斯?jié)舛葴y(cè)試部分電路是由氣體傳感器MQ4組成的，其作用是將瓦斯氣體的體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的模擬電壓信號(hào)并輸出來(lái)。MQ4氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖37所示，由微型AL2O3陶瓷管、SnO2 敏感層、測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成，然后將其固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，制作好的檢測(cè)元件有6只引腳，其中的4個(gè)用于信號(hào)取出，剩余2個(gè)用于提供加熱電流。 結(jié)構(gòu) 外形圖37 MQ4的結(jié)構(gòu)和外形表31 MQ4標(biāo)準(zhǔn)的工作條件符號(hào)參數(shù)名稱技術(shù)條件備注Vc回路電壓≤15VAc or DcVH加熱電壓177。Ac or DcRL負(fù)載電阻可調(diào)RH加熱電阻31Ω177。3Ω室溫PH加熱功耗≤900mw表32 MQ4的環(huán)境條件符號(hào)參數(shù)名稱技術(shù)條件備注Tao使用溫度10℃50℃Tas儲(chǔ)存溫度20℃70℃RH相對(duì)濕度小于 95%RHO2氧氣濃度21%(標(biāo)準(zhǔn)條件)氧氣濃度會(huì)影響靈敏度最小值大于2%表33 MQ4的靈敏度特性 符號(hào)參數(shù)名稱技術(shù)參數(shù)備注Rs敏感體表面電阻10—60（5000ppmCH4）適用范圍：300—10000ppm甲烷，天然氣а(1000ppm/5000ppmCH4)濃度斜率≤標(biāo)準(zhǔn)工作條件溫度：20℃177。2℃ Vc:177。相對(duì)濕度：6