【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 源時(shí)鐘及復(fù)位電路、無線發(fā)射模塊組成。圖 ，主要由單片機(jī)、無線接收模塊、電源時(shí)鐘及復(fù)位電路、報(bào)警電路、顯示電路組成。在硬件設(shè)計(jì)中，采 用了高集成度和性價(jià)比的外圍器件。 瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀的功能是能夠檢測(cè) 4CH 濃度，同時(shí)本著方便使用的原則，還應(yīng)具備聲光報(bào)警、濃度顯示等功能。其工作原理是現(xiàn)場(chǎng)瓦斯?jié)舛韧ㄟ^瓦斯傳感器 MQ214探頭及信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電信號(hào)，電信號(hào)通過 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)，單片機(jī)處理數(shù)據(jù)后通過連接在串行口的無線傳輸模塊 PTR20xx傳輸?shù)绞殖植糠诌M(jìn)行濃度顯示和報(bào)警操作。 A T 8 9 C 5 1無 線 發(fā) 射模 塊瓦 斯 傳感 器信 號(hào) 調(diào)理 電 路電 源時(shí) 鐘 、 復(fù)位 電 路A / D 轉(zhuǎn)換 器 圖 現(xiàn)場(chǎng)部分結(jié)構(gòu)圖 8 A T 8 9 C 5 1報(bào) 警 電 路電 源時(shí) 鐘 、 復(fù)位 電 路無 線 接收 模 塊瓦 斯 濃 度顯 示 電 路 圖 手持部分結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 技術(shù)指標(biāo) 本課題的研究目的是設(shè)計(jì)一個(gè)基于無線傳輸?shù)耐咚節(jié)舛葯z測(cè)儀，該瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀主要完成數(shù)據(jù)采集、處理和無線傳輸，瓦斯?jié)舛蕊@示以及超限報(bào)警等功能，并且具有體積小、 攜帶方便、多功能、精度高等特點(diǎn)，其具體技術(shù)指標(biāo)上的要求如下 ： (1) 應(yīng)用環(huán)境 ： 煤礦氣體監(jiān)測(cè) (2) 監(jiān)測(cè)對(duì)象 ： 監(jiān)測(cè)甲烷氣體 (3) 測(cè)量范圍 ： 甲烷 ～ 2% (4) 靈敏度 ： % (5) 響應(yīng)時(shí)間 ： 30s (6) 功耗 ： ≈150mw (7) 環(huán)境工作溫度范圍 ： 20～ +70C (8) 環(huán)境下作濕度范圍 ： 95%RH 防爆要求 煤礦井下工作環(huán)境特殊，空間狹窄，濕度大，有易燃易爆的瓦斯和煤塵，所以，煤礦電器同一般電器有較大的區(qū)別。這就對(duì)煤礦電器有特殊要求，如體積要小，易于搬運(yùn)，堅(jiān)固，防潮防水，防爆 .屬于煤礦安全標(biāo)志管理目錄內(nèi)的礦用產(chǎn)品應(yīng)有安全標(biāo)志，電氣設(shè)備必須符合防爆要求，應(yīng)有接地、過流、漏電保護(hù)裝置。隔爆型儀表的主要特點(diǎn)是有一個(gè)可靠的隔爆外殼，它將把可能產(chǎn)生火花和危險(xiǎn)溫度的儀表傳感器、電阻電路及接線端子等，都放 在隔爆外殼里，達(dá)到外殼內(nèi)可能 9 發(fā)生的爆炸不影響周圍易燃易爆物質(zhì)，它的設(shè)計(jì)方法與隔爆型電器和電機(jī)基本相類似。如外殼的各配合面 (隔爆面 )的間隙大小和長(zhǎng)度要符合 求，另一方面外殼要有一定的機(jī)械強(qiáng)度，須達(dá)到外殼內(nèi)部爆炸參考?jí)毫Φ?壓力不損壞和變形等。隔爆型儀表設(shè)計(jì)須注意如下幾個(gè)方面 ： (1) 確定合理的外殼結(jié)構(gòu) 根據(jù)儀表的特點(diǎn)，專門設(shè)計(jì)與原結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的外殼，達(dá)到既不損害儀表原來使用特征又經(jīng)濟(jì)合理的外殼，外殼腔內(nèi)有細(xì)長(zhǎng)通道，避免腔內(nèi)發(fā)生壓力重疊現(xiàn)象 ,外殼的材質(zhì)采用新型的工程塑料和優(yōu)質(zhì)輕合金 ，結(jié)構(gòu)輕巧。 (2) 接線盒結(jié)構(gòu) 隔爆型儀表設(shè)計(jì)帶有接線盒的隔爆外殼，且接線盒的防爆類型為隔爆型。由于隔爆型儀表具有低電壓、小電流特點(diǎn)，隔爆型儀表的主腔和接線盒貫通部分，可以盡量采取橡膠密封結(jié)構(gòu)，使隔爆型儀表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便。 (3) 指示表結(jié)構(gòu) 為了使井下工作人員及時(shí)地了解瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，隔爆型儀表帶有指示表。指示表設(shè)計(jì)在儀表的主腔室，透明窗面積不大于 100 2mm ，透明玻璃厚度大于 8mm,與外殼密封采用橡膠密封措施。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 傳感器 選擇 本設(shè)計(jì)采用 MQ214可燃性氣體傳感器作為甲烷傳感器， 根據(jù) MQ214數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定，加熱電壓為 +6V，瓦斯測(cè)量單元的工作是周期性的 加熱 30s后進(jìn)行測(cè)量，然后經(jīng)過 45s進(jìn)行恢復(fù)，因此電路具有 “6V電壓加熱 ” 和 “自然恢復(fù) ”2種狀態(tài)。 這種傳感器的外觀圖和結(jié)構(gòu)如圖 ，由兩個(gè)引腳構(gòu)成，一正一負(fù)，正端接 6V電源，此電源要求有較高穩(wěn)定性，否則對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)產(chǎn)生誤差。負(fù)端串接一電阻后，通過其在不同的瓦斯氣體中的電阻值的變化來確定瓦斯?jié)舛鹊拇笮。谴呋趸偷囊环N氣體傳感器，具有抗氣體干擾能力強(qiáng)、選擇 性好、反應(yīng)速度快、靈敏度高、線性和穩(wěn)定性好、功耗低、壽命長(zhǎng)、體積小等特點(diǎn)。適用于煤礦井下作業(yè)環(huán)境測(cè)量空氣中的甲烷氣體濃度，所以本設(shè)計(jì)選擇其作為傳感器，對(duì)照本設(shè)計(jì)的所要達(dá)到的指標(biāo)要求， MQ214可燃性氣體傳感器在各方面都達(dá)到了要求，是比較理想的選擇。 10 圖 傳感器的外觀圖和結(jié)構(gòu)圖 傳感器規(guī)格如表 ~表 。表 ；表 描述了傳感器的使用的環(huán)境條件；而表 3則詳細(xì)闡述了傳感器的靈敏度特性，標(biāo)示出了其檢測(cè)范圍。 表 標(biāo)準(zhǔn)工作條件 符號(hào) 參數(shù)名稱 技術(shù)條件 備注 Vc 回路電壓 6V177。 DC RH 取樣電阻 50Ω177。 1Ω 室溫 PH 功耗 約 150毫瓦 表 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% RH O2 氧氣濃度 21%(標(biāo)準(zhǔn)條件 )氧氣濃度會(huì)影響靈敏度特性 最小值大于２％ 11 表 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 20Ω100Ω (5000ppm甲烷 ) 探測(cè)濃度范圍 500ppm10000ppm 液化氣和丙烷 1000ppm20xx0ppm 甲烷 500ppm10000ppm 氫氣 α(5000/3000) 甲烷 濃度斜率 ≤ 標(biāo)準(zhǔn)工作條件 溫度： 20℃ 177。2 ℃ Vc:6V177。 相對(duì)濕度： 65%177。5% 預(yù)熱時(shí)間 不少于 24s 其測(cè)量電路如圖 。 圖 MQ214測(cè)量電路 圖 MQ214氣敏元件的靈敏度特性曲線。其中，溫度： 20℃ ； 相對(duì)濕度： 65%； 氧氣濃度： 21%； RL=50Ω ， Rs：元件在不同氣體 、 不同濃度下的電阻值 ； Ro： 元件在潔凈空氣中的電阻值。 圖 MQ214型氣敏元件的溫濕度特性曲線， Ro： 20℃ ， 33%RH條件下， 5000ppm甲烷中元件電阻。 Rs： 不同溫度 、 濕度下， 5000ppm甲烷中元件電阻。 MQ214氣敏元件對(duì)不同種類、不同濃度的氣體有不同的電阻值。 因此，在使用此類型氣敏元件時(shí)，靈敏度的調(diào)整是很重要的。此處 建議使用 1000ppm液化氣或 5000ppm甲烷校準(zhǔn)傳感器。 12 圖 MQ214靈敏度特性曲線 0120 10 0 10 20 30 40 50 60degreeRs/Ro33%RH85%RH 圖 MQ214溫濕度特性曲線 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的選擇 從模塊內(nèi)置芯片數(shù)據(jù)傳輸?shù)木幋a方式、芯片外圍元件的數(shù)量、功耗、發(fā)射功率、芯片的封裝和管腳數(shù)等幾個(gè)方面來考慮，本設(shè)計(jì)采用 PTR20xx作為無線傳輸模塊。 無線收發(fā)一體數(shù)傳 Modem模塊 PTR20xx芯片性能優(yōu)異，在業(yè)界居于領(lǐng)先水平，它的顯著特點(diǎn)是所需外圍元件少，設(shè)計(jì)非常方便。該模板在內(nèi)部集成了高頻接收、 PLL合成、 FSK調(diào)制 /解調(diào)、參量放大、功率放大、頻道切換等功 能，因而是目前集成度較高的無線數(shù)傳產(chǎn)品。以往設(shè)計(jì)無線數(shù)傳產(chǎn)品常常需要相當(dāng)多的無線電專業(yè)知識(shí)和昂貴的專業(yè)設(shè)備，而且傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方案不是電路太復(fù)雜就是調(diào)試?yán)щy，而令人望而卻步，以至影響了用戶的使用和新產(chǎn)品的開發(fā)研制工作。PTR20xx的出現(xiàn)，使用戶擺脫了傳統(tǒng)無線產(chǎn)品設(shè)計(jì)的困擾。該器件采用抗干擾能力強(qiáng)的 FSK調(diào)制 /解調(diào)方式，其工作頻率穩(wěn)定可靠、外圍元件少、功耗極低且方便設(shè)計(jì)生產(chǎn)。它的優(yōu)異特性使其非常適合于應(yīng)用在便攜式及手持產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中， 13 符合本設(shè)計(jì)的要求，其具體性能指標(biāo)如下： (1) 該器件將接收和發(fā)射合接為一體 (2) 工作頻率為國(guó)際通用的數(shù)傳頻段 433MHz (3) 采用 FSK調(diào)制 /解調(diào)，可直接進(jìn)入數(shù)據(jù)輸入 /輸出，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合 (4) 采用 DDS(直接數(shù)據(jù)合成 )＋ PPL頻率合成技術(shù)，因而頻率穩(wěn)定性好 (5) 靈敏度高達(dá) 105dBm (6) 工作電壓低 (),功耗小，接受待機(jī)狀態(tài)電流僅為 8uA (7) 具有兩個(gè)頻道，可滿足需要多信道工作的場(chǎng)合 (8) 工作頻率最高達(dá) 20kbit/s(也可在較低頻率下工作，如 9600bit/s),超小體積，約 40275 3mm (9) 可直接與 CPU串口進(jìn)行連接 (如 AT89C51),也可以用 RS232與計(jì)算機(jī)接口連接，軟件編程方便 (10) 標(biāo)準(zhǔn)的 DIR管腳間距更適合于嵌入式設(shè)備 (11) 由于采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏的設(shè)計(jì)，因此使用無需申請(qǐng)?jiān)S可證，開闊地時(shí)使用距離最遠(yuǎn)可達(dá) 1000m 單片機(jī)型號(hào)選擇 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)域如過程控制、數(shù)據(jù)采集、機(jī)電一體化、智能化儀表、家用電器以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方面得到廣泛應(yīng)用 .從而使這些領(lǐng)域的技術(shù)水 平、自動(dòng)化程度大大提高。正因?yàn)槿绱藝?guó)內(nèi)外多家電子生產(chǎn)廠商把目光投向了單片機(jī)的生產(chǎn)，其中最為著名的當(dāng)數(shù) INTEL公司生產(chǎn)的 MCS51系列單片機(jī)。單片機(jī)型號(hào)的選擇是根據(jù)控制系統(tǒng)的目標(biāo)、功能、可靠性、性價(jià)比、精度和速度等來決定的。根據(jù)本課題的實(shí)際情況，單片機(jī)型號(hào)的選擇主要從以下兩點(diǎn)考慮 :一是要有較強(qiáng)的抗干擾能力。由于甲烷氣體監(jiān)測(cè)傳感器處于煤礦礦井巷道中，工作環(huán)境比較惡劣，以及實(shí)際的運(yùn)行工況比較復(fù)雜，這些都對(duì)單片機(jī)的干擾較大，所以應(yīng)采用抗干擾性能較好的單片機(jī)機(jī)型；二是要有較高的性價(jià)比。由于 51系列在我國(guó)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，特別是 ATMEL公司推出的AT89C51單片機(jī)，其具有較高的性能價(jià)格比和較高的抗干擾能力。本文采用 14 AT89C51單片機(jī)作為檢測(cè)儀的核心部件， AT89C51單片機(jī)是 ATMEL公司 89系列單片機(jī)中的一種，它現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制等各領(lǐng)域，是 80C51的增強(qiáng)型并且指令完全兼容。 AT89C51是一種帶 4K字節(jié)閃爍可編程可擦除 只讀存儲(chǔ)器 低電壓 ，高性能 CMOS8位微處理器，俗稱 單片機(jī) 。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 100次。該器件采用 ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8位 CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL的 AT89C51是一種高效微控制器，其特點(diǎn)如下： (1) 與 MCS51 兼容 (2) 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 (3) 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) (4) 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 (5) 全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz (6) 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 (7) 1288 位內(nèi)部 RAM (8) 32 可編程 I/O 線 (9) 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 (10) 5 個(gè)中斷源 (11) 可編程串行通道 (12) 低功耗的閑置和掉電模式 (13) 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 (14) 工作溫度為 55℃ ～ +125℃ (15) 最高工作電壓 正是由于 AT89C51單片機(jī)具有如上特點(diǎn)，其工作溫度范圍寬，能夠適應(yīng)礦井下惡劣的環(huán)境，且具有較高的可靠性，和抗干 擾能力，所以此處選用此單片機(jī)作為控制器。 15 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是本設(shè)計(jì)的重中之重，其具體包括：系統(tǒng)的電源 、 數(shù)據(jù)采集以及信號(hào)調(diào)理部分 、 A/D 轉(zhuǎn)換電路部分 、 顯示部分電路 、 電池電量監(jiān)測(cè)部分 、 報(bào)警電路等各部分的設(shè)計(jì)電路，下面給予詳細(xì)闡述 。 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì) 煤礦現(xiàn)場(chǎng)部分電源設(shè)計(jì) 由于煤礦礦井下可采用有線電纜供電，所以本設(shè)計(jì)中采用 220V交流市電，經(jīng)變壓、整流濾波、穩(wěn)壓后得到所需電源。因現(xiàn)場(chǎng)部分的電路中需使用到不同的電源電壓值，例如：傳感器需要 +6V的標(biāo)準(zhǔn)電壓，而 A/D轉(zhuǎn)換器則需要 177。1 5V的基準(zhǔn)電壓，單片機(jī)的電源電壓為 +5V，所以，此處采用三端集成穩(wěn)壓芯片 LM781LM780 LM780 LM7915，來分別得到 +15V、 +6V、 +5V、 15V電壓作為輸出，供現(xiàn)場(chǎng)部分的系統(tǒng)使用。具體的電路設(shè)計(jì)如圖 。 T13 W / 1 8 V1234I N 4 0 070 .5 AI N 4 0 07V i n1+ 5V3GND2I C 3L M 7 80 5V i n2GND1 1 5 V3I C 4L M 7 91 5V i n1GND2+ 15 V3I C 1L M 7 81 5V i n1GND2+ 6V3I C 2L M 1 80 6～ 2 20 VC21 04 u F+C11 00 0 u F+C31 00 0 u F+C61 0u F+C81 0u F+C 1 01 0u F+C 1 21 0u FC91 04