【文章內(nèi)容簡介】 圖 1)恒定濕熱試驗 ： 40℃， 95%RH， 96 小時 (見圖 )。 Y軸表示 Vo的輸出電壓 值。 圖 恒定濕熱實驗圖 2)低溫試驗見表 （氣敏元件在 0～ 40℃的環(huán)境下維持 4 小時的數(shù)據(jù)） 表 低溫試驗記錄 ※ 代表傳感器輸出出現(xiàn)振幅在 0～ 之問的振蕩波型，見圖 西安工業(yè)大學學士學位論文 9 圖 傳感器震蕩波形 將 O一 7傳感器置于 10%的甲烷環(huán)境中 2小時，放氣前后的數(shù)據(jù)狀態(tài)。 表 高濃度甲烷試驗放氣前后的數(shù)據(jù) l)初始穩(wěn)定性 貯存一周到一年的元件初始零點輸出可能不為零，只需在工作點電壓穩(wěn)定 十 分鐘后輸出零點將歸零 貯存一周到一年的元件剛開始下作時靈敏度可能達不到最佳點，只需在工作 點電壓穩(wěn)定二十分鐘后輸出靈敏度將復原 2)長期穩(wěn)定性 西安工業(yè)大學學士學位論文 10 圖 長期穩(wěn)定性 敏感元件工作原理 黑元件載體催化燃燒式元件，當甲烷氣體在元件表面與氧氣產(chǎn) 生無焰燃燒時，電橋失去平衡，輸出一個電壓信號。白元件是補償元件，基本結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)與黑元件相同，但表面不涂鍍催化劑，不參加低溫燃燒。但由于 白元件 處于與黑元件相同的工作環(huán)境中，所以，對非甲烷濃度變化引起的催化元件阻值變化起補償作用，以提高儀器零點穩(wěn)定性和抗干擾能力 [8]。 黑白元件的工作原理： 使用時一般將黑白元件串聯(lián)，作為電橋的一臂，用普通電阻構(gòu)成電橋的另一臂，電橋的兩端加上穩(wěn)定的工作電壓 U。當含有甲烷的空氣在高溫和催化劑的作用下，發(fā)生無焰燃燒，而在白元件上則不致使甲烷燃燒，從而使黑元件的溫度比白元件的溫度 高，黑元件中的鉑絲既是加熱元件，又是感應溫度的熱敏元件，根據(jù)鉑絲的正溫度系數(shù)的特性，溫度升高時電阻增大，黑元件上的電壓降即增大，電橋失去平衡，輸出一個電壓信號△ U，該 電壓值的大小反映了甲烷濃度的高低，檢測此電壓便可測量出甲烷濃度 [8]。 圖 根據(jù)黑白元件的工作原理，設(shè)計電路如下圖 。 西安工業(yè)大學學士學位論文 11 圖 整機的工作原理 儀器由電源電路、甲烷氣體敏感元件及電橋電路、放大電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、顯示電路及報警 /斷 電電路 、看門狗電路、多路開關(guān)電路等 組成。 儀器將關(guān)聯(lián)設(shè)備送來的電源穩(wěn)壓為 5V 電壓，供給整機電路使用。甲烷氣體敏感元件是采用熱催化原理探頭，電橋供電電壓為 3V。黑白元件的工作原理是：黑白元件由測量元件和補償元件構(gòu)成，測量元件的表面有黑色的催化劑。工作時黑白元件有工作電流通過而發(fā)熱，空氣中的甲烷在高溫的測量元件的催化劑作用下，發(fā)生無焰燃燒。甲烷濃度越高，測量元件的溫度越高，而補償元件的溫度不變。測量電橋輸出與甲烷濃度成比例的信號電壓。 電橋信號電壓經(jīng)過放大和 A/D轉(zhuǎn)換后，變成數(shù)字信號，經(jīng)單片機處理后，由顯示電路 顯示甲烷濃度值，并經(jīng)信號輸出電路輸出相應的頻率信號。 報警 /斷電電路由蜂鳴器 ， 發(fā)光二極管和驅(qū)動電路構(gòu)成。當甲烷濃度超過設(shè)定的報警點時，儀器會發(fā)出聲光報警信號。當甲烷濃度超過設(shè)定的斷電點時，儀器會有斷電指令輸出；甲烷濃度超過斷電點以后，只有當甲烷濃度降低到設(shè)定的復電點以下時，儀器才會解除斷電指令輸出 [9]。 4礦用瓦斯檢測報警系統(tǒng)的硬件設(shè)計 12 4 礦用瓦斯檢測報警系統(tǒng)的 硬件 設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計的原理框圖 本次設(shè)計的甲烷檢測報警器的工作 程序： 電源電路（ 34063）為系統(tǒng)供電 5V，在氣體敏感元件 —— 黑白元件的作用下將接觸在黑白元件上的甲烷氣體 轉(zhuǎn)換為電壓信號 △U，小信號△ U經(jīng)過放大電路將信號放大，再經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換、 CPU 的計算將輸入的△ U轉(zhuǎn)換成數(shù)字在 LED上顯示，當甲烷濃度超過預設(shè)的安全點時，系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警 ， 此一系列信息通過頻率方式傳到上位機系統(tǒng) [9]。 圖 西安工業(yè)大學學士學位論文 13 本課題設(shè)計硬件設(shè)計思路如下： 圖 CPU 的選擇 89系列同 8051 系列相比具有以下特點 ： 4KB可編程序 FLASH 存儲器（可經(jīng)受 1000次的寫入 /擦除周期 ） ； 全靜態(tài)工作 ： 0～ 24MHz； 三級程序存儲器保密 。另外 ， AT89C51是用靜態(tài)邏輯來設(shè)計的 ， 其工作頻率可下降到 0Hz， 并提供兩種可用軟件來控制的省電方式 ： 空閑方式和掉電方式。它是通過控制專用寄存器 PCON （電源控制寄存器）中的 PD( )和 IDL( ) 來實現(xiàn)的。 PD 是掉電方式位 ， 當 PD = 1 時激活掉電工作方式 ， IDL 是空閑工作位 ， 當 IDL = 1 時激活空閑方式 ， 當 PD 和 IDL 同時為 1 時 ，則先激活掉電方式。 本課題設(shè)計采用 CPU為 AT89C52。 AT89C52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 8K bytes的可反復擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 256Bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)， 器件采用 ATMEL 公司 高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，與標準 MCS51 指令系統(tǒng)及 8052 產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置用 8 位中央處理 處理器（ CPU）和 Flash 存儲單元，功能強大 AT89C52單片機適合于許多較為復雜控制應用場合 [9]。 西安工業(yè)大學學士學位論文 14 主要性能參數(shù)： 與 MCS51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容 8 字節(jié)可重擦寫 Flash 閃速存儲器 1000 次擦寫周期 全靜態(tài)操作： 0Hz～ 24MHz 三級 加密程序存儲器 256 8 字節(jié)內(nèi)部 RAM 32 個可編程 I/O 口線 3個 16 位定時 /計數(shù)器 8個中斷源 可編程串行 UART 通道 低功耗空閑和掉電模式 AT89C52 的 管腳 圖如 圖 ： 圖 AT89C52管腳圖 功能特性： P0 口： P0口是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，也即地址 /數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動 8個 TTL 邏輯門電路，對端口 P0 寫“ 1”時，可作為高阻抗輸入端用。 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在 Flash 編程時， P0口接受指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。 P1 口： P1口 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫“ 1”通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。作為輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流 I。 與 AT89C51 不同的是， 和 還可分別作為定時 /計數(shù)器 2 的外部計數(shù)輸入（ ） 和輸入（ ） 。 Flash 編程和程序校驗期間， P1 接受低 8 位地址。 P2 口： P2口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 的輸出緩沖可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。對端口 P2寫“ 1”通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流 I。 在訪問外部程序存儲器或 16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 MOVX @DPTR指令）時。 P2 口送出 8 位地址數(shù)據(jù)，在訪問 8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容。 P3 口： P3口是 具有 內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P3口的輸出緩沖可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。對端口 P3 口寫“ 1”時，它們被內(nèi)部的上拉電阻拉高并可作為輸入端。此時，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流 I。 P3 口除了作為一般的 I/O口線外，更重要的是它的第二功能，如表 所示： 西安工業(yè)大學學士學位論文 15 表 P3口管腳功能 此外， P3 口還接受一些用于 Flash 閃速存儲器編程和程序 校驗的控制信號。 RST： 復位輸入。當振蕩器工作時， RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。 ALE/ ________PROG ： 當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8位字節(jié)，一般情況下， ALE 仍以時鐘震蕩頻率的 1/6 輸出固定的脈沖喜好，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是 ， 每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時要跳過一個 ALE脈沖。 對 Flash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（ _________PROG ）。 如有必要，可通過對特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中的 8EH 單元的 D0位置位，可禁止ALE 操作。讀位置位后，只有一條 MOVX 和 MOVC 指令才能將 ALE 激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設(shè)置 ALE 禁止位無效。 ________PSEN ：程序存儲允許（ ________PSEN ）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當 AT89C52 由外部程序存儲器指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次 _________PSEN 有效，即輸出兩個脈沖 。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次 ________PSEN 信號。 ____EA /VPP： 外部訪問允許。欲使 CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為 0000HFFFFH） ，____EA 端必須保持低電平。如果 EA 端為高電平， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。 Flash 存儲器編程時，該引腳加上＋ 12V 的編程允許電源 Vpp，當然這必須是該器件是使用 12V 編程電壓 Vpp。 XTAL1： 振蕩器反相放大器的內(nèi)部時鐘發(fā) 生器的輸入端。 XTAL2： 振蕩器反相放大器的輸出端。 特殊功能寄存器： 在 AT89C52 片內(nèi)存儲器中， 80HFFH 共 128 個字節(jié)為特殊功能寄存器（ SFE）。并非所有的地址都被定義，從 80HFFH 共 128 個字節(jié)只有一部分被定義，還有相當一部分沒有定義，對沒有定義的單元讀寫將是無效的，讀出的數(shù)值將不確定，而寫入的數(shù)據(jù)也將丟失。不應將數(shù)據(jù)“ 1”寫入為定義的單元，由于這些單元在將來的產(chǎn)品中可能賦予西安工業(yè)大學學士學位論文 16 新的功能，在這種情況下，復位后這些單元值總是“ 0”。 AT89C52 除了與 AT89C51 所有的定時 /計數(shù)器 0 和定時 /計數(shù)器 1 外，還增加了一個定時 /計數(shù)器 2。 定時 /計數(shù)器 2的控制狀態(tài)位位于 T2CON、 T2MOD,寄存器對（ RCA02H、 RCAP2L）是定時器 2 在 16 位捕獲方式或 16 位自動重裝載方式下的捕獲 /自動重裝載寄存器。 鍵盤部分設(shè)計 鍵盤是由若干按鍵組成的最簡單輸入設(shè)備，操作人員可以通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實現(xiàn)簡單的人機通信。由于鍵盤是一組按鈕開關(guān)的集合，在智能儀表中，常采用軟件來識別按鍵，所以，在鍵盤的設(shè)計中應同時從硬件和軟件兩方面加以考慮 [11]。 本系統(tǒng)所選用的鍵盤為紅外遙控鍵盤， 主要 由發(fā)射電路和接 受電路兩部分組成。 紅外遙控的發(fā)射電路 芯片所用的晶振應該有足夠的耐物理撞擊能力，不能選用普通的石英晶體，一般是選用陶瓷共鳴器，陶瓷共鳴器準確性沒有石英晶體高，但通常一點誤差可以忽略不計 [11]。 紅外線通過紅外發(fā)光二極管 (LED)發(fā)射出去，紅外發(fā)光二極管內(nèi)部材料和普通發(fā)光二極管不同，在其兩端施加一定電壓時，它發(fā)出的是紅外線而不是可見光。 本系統(tǒng)選用的芯片是 CX9012。 CX9012是用一塊用于紅外遙控系統(tǒng)中的專用發(fā)射集成電路，采用 CMOS工藝制造。它具有 32個功能鍵，若配合用戶編碼的變化則可提 供 256種不同的發(fā)射碼，另外 CX9012還提供 6種雙重按鍵功能。 CX9012的管腳設(shè)置和外圍應用線路都進行了優(yōu)化，以方便 PCB版的布圖和低成本的要求。 主要特點： ◆ 高性能的 CMOS工藝，低功耗 ◆ 內(nèi)置振蕩電路 ◆ 外圍元件少 ◆ 32個功能按鍵 ， 8種用戶編碼（相當于可提供 256種不同的發(fā)射碼） ◆ 發(fā)射信號的 LED指示 管腳排列 如圖 西安工業(yè)大學學