【文章內(nèi)容簡介】 性、性價比、精度和 速度等來決定的。根據(jù)本課題的實際情況，單片機(jī)型號的選擇主要從以下兩點考 慮：一是要有較強的抗 T．?dāng)_能力。由于甲烷氣體監(jiān)測傳感器處于煤礦礦井巷道中， T作環(huán)境比較惡劣，以及實際的運行工況比較復(fù)雜，這些都對單片機(jī)的干擾較大， 所以廊采用抗 T擾性能較好 的單片機(jī)機(jī)型；二是要有較高的性價比。由于 5l系 列在我國使用晟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 2021年推出的新～代 89S系列單片機(jī)，其典型產(chǎn)品 AT89S520’單片機(jī) 具有較高的性能價格比。本文采用 ATMEL公司生產(chǎn)的 AT89S52單片機(jī)作為監(jiān)測系 統(tǒng)的核心部件， AT89S52單片機(jī)是 AT89S系列單片機(jī)中的一種，它是在現(xiàn)己廣泛 應(yīng)用于 T業(yè)控制等各領(lǐng)域的 AT89C52系列單片機(jī)的換代產(chǎn)品。它具有 89C52的全 部功能，是 80C51的增強型并且指令完全兼容， AT89S52新增加的功能由特殊功 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 能寄存器完成。相信日后它將更廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制、汽車控制、智能儀器儀 表及電機(jī)控制等席用領(lǐng)域。 2． 2． 3 AT89S52單片機(jī)的特點 1)兼容 MCS一 5l單片機(jī) 2)8K寧節(jié) FLASH存貯器支持在系統(tǒng)編程 ISPl000次擦寫周期 3)256字節(jié)片內(nèi) RAM 4)T作電壓 4． OV到 6． OV 5)全靜態(tài)時鐘 OHz到 33MHz 6)二級程序加密 7)32個可編程 I／ O口 8)3個 16位定時／計數(shù)器 9)6個中斷源 lO)上電復(fù)位標(biāo)志 11)完全的雙 T UART串行口 12)低功耗支持 Idle和 Power— down模式 13)Power down模式支持中斷喚醒 14)看門狗定時器 15)雙數(shù)據(jù)指針 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 過程中具備更高的穩(wěn)定性和電磁抗干擾性。首先， AT89S52內(nèi)部增加了片內(nèi)看門 狗定時器，這將有利于堅周用戶應(yīng)用系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性：其次， AT89S52獨 有的雙數(shù)據(jù)指針使數(shù)據(jù)操作更加快捷方便；再次， AT89S52運行速度更高，最高 晶振可達(dá)到 33MHZ：最后， AT89S52支持 ISP(In— System Programming)在線下 載功能。 AT89S52中 ISP引腳共有 4個： RST、 MOSI、 MISO和 SCK。用戶可以直 接替換應(yīng)用系統(tǒng)中的 AT89C51／ 52，而軟件硬件均不需作任何修改，這給正使用 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，而且價格低、功能強、性價比高， 符合我國 T業(yè)設(shè)計制造的要求。 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)計與試驗 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作實現(xiàn)的功能；系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計及其主要功能模塊；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 能。 系統(tǒng)硬件設(shè)計原理圖見附錄 A，下面介紹其主要組成部分以及它們實現(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； D D2起保護(hù)作用，當(dāng)有意外情況使得 LM317的 Vin電壓比 Vout電壓還低的時候，防止從 c3． C4上有電流倒灌入 LM317； ]起其損壞。整個系 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。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 有一個最小負(fù)載電流的問題，即只有負(fù)載電流超過某～值時，才能起到穩(wěn)壓作用。 這個電流隨器件的生產(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 個合適的電阻來解決。依據(jù) LM317的輸出電壓計算公式，可以得到圖 3． 2中 LMI 的輸出： 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 Ⅳ VCC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． 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)部有一個的 2． 5V 基準(zhǔn)源 vI， 接在內(nèi)部運放的反相輸入端。由運放 的特性可知，只有當(dāng) REF端 (同相端 )的電壓非常接近 VI 時，三極管中才會有一個 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，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，在選擇電阻時必須保證 TL4311作 的必要條件，即通過陰極的電流要大于 lⅡ lA。 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 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， 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。 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)部時鐘。 它的外圍接線極其簡單， AD7810的轉(zhuǎn)換時間為 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：高速方式時為 17． 5mW，低功耗方式時為 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作在高速模式時的時序圖。在此模式下，啟動信號 CONVST 一般處