【文章內(nèi)容簡介】 處理都是由單片機來控制的。利用單片機的算術邏輯處理能力和用軟件取代過去電子線路的硬件功能，而軟件的靈活性又使得儀器可用各種算法和處理方法進行信息的采集、處理、存儲和報警，不再需要專用的電子線路，從而使儀器的控制結構得以很大的簡 化。 瓦斯傳感器原理及器件 瓦斯?jié)舛葯z測儀器按其工作原理不同，有下列幾種： 光干涉式 光干涉式是利用光波對空氣和瓦斯折射率不同所產(chǎn)生的光程差，引起干涉條紋移動來實現(xiàn)對不同瓦斯?jié)舛鹊臏y定。其優(yōu)點是準確度高，堅固耐用，校正容易，高低濃度均可測量，還可測量二氧化碳濃度；其缺點是濃度指示不直觀，受氣壓溫度影響嚴重，特別是空氣中氧氣不足氮、氧的比例不正常時，要產(chǎn)生誤差；光學零件加工復雜，成本較高和實現(xiàn)自動檢測較困難。 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 變化來測定瓦斯?jié)舛取Ｆ鋬?yōu)點是元件和儀器的生產(chǎn)成本低，輸出信號大，對于 1%氣樣，電橋輸出可達 15mV以上，處理和顯示都比較方便，所以儀器的結構簡單，受背景氣體和溫度變化的影響小，容易實現(xiàn)自動檢測。其缺點是探測元件的壽命較短，不能測高濃度瓦斯，硫化氫及硅蒸汽會引起元件中毒而失效。目前國內(nèi)外檢測瓦斯的儀器廣泛采用這一原理。 熱導式 熱導式是利用瓦斯與空氣熱導率之差來實現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊臏y定。其優(yōu)點是熱導元件和儀器設計制作比較簡單，成本低、量程大，可連續(xù)檢測，有利于實現(xiàn)自動遙測，被測氣體不發(fā)生物理化學變化， 讀數(shù)穩(wěn)定，元件壽命長。其缺點是測量低成都理工大學畢業(yè)設計（論文） 7 濃度瓦斯時輸出信號小，受氣及背景氣體的影響較大。 紅外線式 紅外線式是利用瓦斯分子能吸收特定波長的紅外線來測定瓦斯?jié)舛取Ｆ鋬?yōu)點是采用這一原理的儀器精度高，選擇性好，不受其它氣體影響，測量范圍寬，可連續(xù)檢測；其缺點是由于有光電轉(zhuǎn)換精密結構，使制造和保養(yǎng)產(chǎn)生困難，而且體積大，成本高，耗電多，因此推廣使用受到一定限制。 氣敏半導體式 氣敏半導體的種類較多，如氧化錫、氧化鋅等燒結型金屬氧化物。這一原理是利用氣敏半導體被加熱到 200℃ 時，其表面能夠吸附瓦 斯而改變其電阻值來檢測瓦斯?jié)舛取Ｆ鋬?yōu)點是對微量瓦斯比較敏感，結構簡單、成本低。但當濃度大于1 %CH4時，其反應遲鈍，選擇性和線性均較差，所以很少用于煤礦井下瓦斯?jié)舛鹊臋z測，而多用于可燃氣體的檢漏報警。 聲速差式 在溫度為 220℃ 、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 332m/s。比較這兩種速度就可測定高濃度瓦斯。其優(yōu)點是讀數(shù)不受氣壓影響；其缺點是不適合測量低濃度瓦斯，一般只用來檢測礦井抽放瓦斯管道中的瓦斯?jié)舛?，對背景氣體、粉塵及氣溫變化很敏感。 離子化式 氣體在放射性元素的輻射作用下發(fā)生電離，在氣體介質(zhì)中的兩個電極度之間便有電流產(chǎn)生。測量空氣介質(zhì)和被測瓦斯中的電流大小，便可測出瓦斯?jié)舛?。其?yōu)點是快速，可以連續(xù)自動檢測，靈敏度高，測量準確，可測二氧化碳濃度。其缺點是測量低濃度瓦斯困難，空氣濕度對儀器讀數(shù)有影響，傳感器結構復雜。 系統(tǒng)性能及傳感器選擇 ，結合設計本身的實際需要，系統(tǒng)的性能參數(shù)設計要求如下： ? 檢測精度： 177。3% ? 響應時間：小于 30秒 ? 溫度：－ 40℃ ～＋ 80℃ 成都理工大學畢業(yè)設計（論文） 8 ? 濕度：＜ 95%RH ? 報警 濃度：瓦斯 ～ % 本設計由于用于礦井巷道的氣體檢測，根據(jù)以上各種不同類型瓦斯傳感器的比較，氣體傳感器采用的是 MQ5，它適用于工業(yè)上對瓦斯，天然氣，煤氣的監(jiān)測裝置。它具有優(yōu)良的抗乙醇，煙霧干擾能力，具有較好的靈敏度；對乙醇，煙霧幾乎不響應；快速的響應恢復特性；長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性；簡單的測試電路等優(yōu)點，適合在煤礦巷道之中使用。 成都理工大學畢業(yè)設計（論文） 9 第 3 章 系統(tǒng)設計 系統(tǒng)整體設計 圖 31 瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測儀系統(tǒng)結構圖 本設計的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測儀如圖 31所示，主要由六個部分組成：瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、運算放大電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、 LED 顯示器和報警裝置。傳感器部分采用的瓦斯傳感器能感知環(huán)境中瓦斯?jié)舛?，將信息轉(zhuǎn)換成電信號。由于這種電信號是連續(xù)變化的模擬信號，需要經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)化離散的數(shù)字信號，才能夠被單片機識別。單片機處理電路對采集的數(shù)字信號進行處理和判斷，運用一定的算法計算出待檢測瓦斯?jié)舛炔⑺偷?LED 顯示器顯示出來。當瓦斯?jié)舛瘸鲈O定報警閾值時進行報警。報警模塊單獨采用了蜂鳴器作為聲音報警裝置，提醒使用人員當前的氣體濃度已經(jīng) 超過了警戒線，應該立即停止工作，進行相應的處理，避免危險發(fā)生。它和 LED 顯示器的配合使用，可以有效地提醒工作人員身邊工作環(huán)境的變化，幫助工作人員提高警惕。 主要器件選擇 為了滿足安全生產(chǎn)的需要， 保證系統(tǒng)輸出的有效性， 同時還要滿足體積小、耗電少、精度高的要求，硬件電路設計中盡可能選用功耗小、性能穩(wěn)定的集成電路。瓦斯傳感器的選擇已于之前介紹。 微控制器的選擇 微控制器是監(jiān)控儀的核心，完成數(shù)據(jù)采集、處理、輸出、顯示等功能。選擇瓦斯?jié)舛葌鞲衅?運算放大電路 A/D轉(zhuǎn)換電路 單片機處理電路 LED顯示 報警電路DDIANDIANLU1 成都理工大學畢業(yè)設計（論文） 10 通用性強、功耗小、性能良好的 系統(tǒng)采用 AT89C51單片機作為 控制部分的核心，AT89C51是 ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS8位單片機，片內(nèi)含 4K bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（ PEROM）和 128bytes的隨機存儲器（ RAM），兼容標準 MCS－ 51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8位中央處理器（ CPU）和 Flash存儲單元， AT89C51可在 ～ 。 運算放大器的選擇 本設計的放大電路采用高精度集成運放 OP07做放大元件。 OP07為一種具有低失調(diào)電壓、低失調(diào)電流和低溫漂的超低失調(diào)運算放大器，其廣泛地應用于穩(wěn)定積分、精密加法、比較、閾值電壓檢測、微弱信號精確放大等場合，是一種通用性極強的運算放大器。 OP07 的電源電壓范圍 3～ 18V，輸入電壓范圍為 0～14V。 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇 A/D轉(zhuǎn)換電路采用 Texas儀器公司的 TLC1549A/D轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器是采用CMOS工藝， 11路輸入， 8位輸出的串行 A/D轉(zhuǎn)換器。 TLC1549有三個控制輸入端CS、 I/O CLOCK、 ADDRESS和一個數(shù)據(jù)輸出端 DATA OUT遵循串行外設接口 SPI協(xié)議。 51系列單片機未內(nèi)置 SPI接口，但通過軟件模擬 SPI協(xié)議即可。硬件方面將TLC1549的 CS、 I/O CLOCK、 ADDRESS、 DATA OUT四個端口與 AT89C51的 4個 I/O口相連接。 TLC1549A/D轉(zhuǎn)換器 與單片機接口簡單，轉(zhuǎn)換速度快，而且功耗小，最大功耗只有 10mW。 成都理工大學畢業(yè)設計（論文） 11 第 4 章 系統(tǒng)的硬件電路設計 傳感器電路 MQ5 的結構 圖 41 MQ5的結構和外形 MQ5 氣敏元件的結 構和外形如圖 41 所示 (結構 A 或 B)，由微型 AL2O3陶瓷管、 SnO2 敏感層，測量電極和加熱器構成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有 6只針狀管腳，其中 4個用于信號取出， 2個用于提供加熱電流。 MQ5 工作原理 圖 42 MQ5 應用電路原理圖 設計中 MQ5的接線如圖 42所示，在實際的測量中，可以按照其電路來計算相應的校正數(shù)值，其中 Ro 表示的是測量氣體在腔體內(nèi)的等效電阻， RL 是外成都理工大學畢業(yè)設計（論文） 12 接負載電阻，用來調(diào)整輸出的模擬量電壓范圍，具體 數(shù)值應根據(jù) A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入范圍來確定，在 TLC1549的輸入范圍是 0～ 5V，這樣 RL可調(diào)整至該范圍，保證測量的量程足夠用。 MQ5 的基本參數(shù) ? 敏感體表面阻值（空氣中）： 40kΩ～ 400kΩ ? 測量介質(zhì)：瓦斯 ? 檢測范圍： 300～ 5000ppm ? 敏感度（空氣中阻值 /典型氣體中阻值） ≥5 ? 響應時間 ≤10S ? 恢復時間 ≤30S ? 加熱電阻： 33Ω177。5％ ? 電路電壓： 5V177。 ? 加熱電壓： 5V177。 ? 工作溫度：－ 10℃ ～＋ 50℃ 對于傳感器的調(diào)整參數(shù)計算，可按照 表 41并結合該傳感器的特性表進行調(diào)整 。 表 41 瓦斯傳感器參數(shù)調(diào)整計算表 其中： RL＝ 20KΩ； Ro=； C=86； RL—負載電阻； Ro—敏感體電阻；C—常數(shù)，調(diào)整顯示范圍。 成都理工大學畢業(yè)設計（論文） 13 在靈敏度調(diào)整過程中，由于 MQ5型氣敏元件對不同種類、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，靈敏度的調(diào)整是很重要的，建議用 1000ppm異丁烷或氫氣校準傳感器。 運算放大電路 MQ5傳感器的輸出電流是 ，而 A/D TLC1549的輸入電流峰值為20mA。由 MQ5提供的電流變化不能被 A/D識別，需要經(jīng)過運算放大器 OP07的放大，再傳輸至 A/D轉(zhuǎn)換器。 由于 A/D輸入端的峰值為 20mA， MQ5的輸出電流為 ，所以放大以后的電流均值在 10mA 左右較為合理。因此運算放大器放大倍數(shù)為 70 倍左右比較合適。實際的放大倍數(shù)經(jīng)過調(diào)試之后再確定。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 9 J un 2 0 0 9 S he e t o f F i l e : C : \ D o c u m e n t s a n d S e t t i n gs \ s w b b \桌面 \ P R E V I O ~ 2 D BD ra w n B y:V E EV C CR2R E S 2R3R432618 74U7O P 0 7R 1 2 圖 43 放 大電路原理圖 AT89C51 單片機與 A/D 轉(zhuǎn)換電路 AT89C51 芯片概述 AT89C51是美國 ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 8位單片機，片內(nèi)含 2k bytes 的可反復擦寫的只讀程序存儲器（ PEROM）和 128bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準 MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8位中央處理器和 Flash存儲單元，功能強大 AT89C51單片機可提供許多高性價比的應用場合。 成都理工大學畢業(yè)設計（論文） 14 圖 44 AT89C51單片 機引腳圖 ? 與 MCS51 兼容 ? 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 ? 壽命： 1000次寫 /擦循環(huán) ? 三級程序存儲器鎖定 ? 128*8位內(nèi)部 RAM ? 32可編程 I/O線 ? 兩個 16位定時器 /計數(shù)器 ? 5個中斷源 ? 可編程串行通道 ? 低功耗的閑置和掉電模式 ? 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 AT89C51是一種帶 4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采 用 ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，成都理工大學畢業(yè)設計（論文） 15 與工業(yè)標準的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL的 AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 圖 45 單片機內(nèi)部結構方框圖 Vcc:電源電壓 GND地 P1口： P0口為一個 8位漏級開路雙向 I/O口，每腳可吸收 8TTL門電流。當 P1口的管腳第一次寫 1時，被定義為高阻輸入。 P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八 位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH進行校驗時， P0輸出原碼，此時 P0外部必須被拉高。 P2口： P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O口， P2口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL門電流，當 P2 口被寫 “1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2口當用于外部程序存儲器或 16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時， P2口輸出地址的高八位。在給出地址 “1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在 FLASH編程和校驗時接收