【文章內(nèi)容簡介】 電源時鐘及復位電路、報警電路、顯示電路組成。在硬件設計中，采用了高集成度和性價比的外圍器件。 瓦斯?jié)舛葯z測儀的功能是能夠檢測 4CH 濃度，同時本著方便使用的原則，還應具備聲光報警、濃度顯 示等功能。其工作原理是現(xiàn)場瓦斯?jié)舛韧ㄟ^瓦斯傳感器 MQ214探頭及信號調(diào)理電路轉變成相應的電信號，電信號通過 A/D轉換器轉成相應的數(shù)字信號送入單片機，單片機處理數(shù)據(jù)后通過連接在串行口的無線傳輸模塊 PTR2021傳輸?shù)绞殖植糠诌M行濃度顯示和報警操作。 A T 8 9 C 5 1無 線 發(fā) 射模 塊瓦 斯 傳感 器信 號 調(diào)理 電 路電 源時 鐘 、 復位 電 路A / D 轉換 器 圖 現(xiàn)場部分結構圖 8 A T 8 9 C 5 1報 警 電 路電 源時 鐘 、 復位 電 路無 線 接收 模 塊瓦 斯 濃 度顯 示 電 路 圖 手持部分結構圖 系統(tǒng)設計要求 技術指標 本課題的研究目的是設計一個基于無線傳輸?shù)耐咚節(jié)舛?檢測儀，該瓦斯?jié)舛葯z測儀主要完成數(shù)據(jù)采集、處理和無線傳輸，瓦斯?jié)舛蕊@示以及超限報警等功能，并且具有體積小、 攜帶方便、多功能、精度高等特點，其具體技術指標上的要求如下 ： (1) 應用環(huán)境 ： 煤礦氣體監(jiān)測 (2) 監(jiān)測對象 ： 監(jiān)測甲烷氣體 (3) 測量范圍 ： 甲烷 ～ 2% (4) 靈敏度 ： % (5) 響應時間 ： 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。這就對煤礦電器有特殊要求，如體積要小，易于搬運，堅固，防潮防水，防爆 .屬于煤礦安全標志管理目錄內(nèi)的礦用產(chǎn)品應有安全標志，電氣設備必須符合防爆要求，應有接地、過流、漏電保護裝置。隔爆型儀表的主要特點是有一個可靠的隔爆外殼，它將把可能產(chǎn)生火花和危險溫度的儀表傳感器、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)，它的設計方法與隔爆型電器和電機基本相類似。如外殼的各配合面 (隔爆面 )的間隙大小和長度要符合 準規(guī)定要求，另一方面外殼要有一定的機械強度，須達到外殼內(nèi)部爆炸參考壓力的 壓力不損壞和變形等。隔爆型儀表設計須注意如下幾個方面 ： (1) 確定合理的外殼結構 根據(jù)儀表的特點，專門設計與原結構相適應的外殼，達到既不損害儀表原來使用特征又經(jīng)濟合理的外殼，外殼腔內(nèi)有細長通道，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，結構輕巧。 (2) 接線盒結構 隔爆型儀表設計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，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構，使隔爆型儀表結構簡單，加工方便。 (3) 指示表結構 為了使井下工作人員及時地了解瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，隔爆型儀表帶有指示表。指示表設計在儀表的主腔室，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)設計原理 傳感器選擇 本設計采用 MQ214可燃性氣體傳感器作為甲烷傳感器， 根據(jù) MQ214數(shù)據(jù)手冊規(guī)定，加熱電壓為 +6V，瓦斯測量單元的工作是周期性的 加熱 30s后進行測量，然后 經(jīng)過 45s進行恢復，因此電路具有 “6V電壓加熱 ” 和 “自然恢復 ”2種狀態(tài)。 這種傳感器的外觀圖和結構如圖 ，由兩個引腳構成，一正一負，正端接 6V電源，此電源要求有較高穩(wěn)定性，否則對測量結果會產(chǎn)生誤差。負端串接一電阻后，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?，是催化氧化型的一種氣體傳感器，具有抗氣體干擾能力強、選擇性好、反應速度快、靈敏度高、線性和穩(wěn)定性好、功耗低、壽命長、體積小等特點。適用于煤礦井下作業(yè)環(huán)境測量空氣中的甲烷氣體濃度，所以本設計選擇其作為傳感器，對照本設計的所要達到 的指標要求， MQ214可燃性氣體傳感器在各方面都達到了要求，是比較理想的選擇。 10 圖 傳感器的外觀圖和結構圖 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則詳細闡述了傳感器的靈敏度特性，標示出了其檢測范圍。 表 標準工作條件 符號 參數(shù)名稱 技術條件 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 參數(shù)名稱 技術條件 備注 Tao 使用溫度 10℃ — 50℃ Tas 儲存溫度 20℃ — 70℃ RH 相對濕度 小于 95% RH O2 氧氣濃度 21%(標準條件 )氧氣濃度會影響靈敏度特性 最小值大于２％ 11 表 靈敏度特性 符號 參數(shù)名稱 技術參數(shù) 備注 Rs 敏感體表面電阻 20Ω100Ω (5000ppm甲烷 ) 探測濃度范圍 500ppm10000ppm 液化氣和丙烷 1000ppm20210ppm 甲烷 500ppm10000ppm 氫氣 α(5000/3000) 甲烷 濃度斜率 ≤ 標準工作條件 溫度： 20℃ 177。2 ℃ Vc:6V177。 相對濕度： 65%177。5% 預熱時間 不少于 24s 其測量電路如圖 。 圖 MQ214測量電路 圖 MQ214氣敏元件的靈敏度特性曲線。其中，溫度： 20℃ ； 相對濕度： 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。此處 建議使用 1000ppm液化氣或 5000ppm甲烷校準傳感器。 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)等幾個方面來考慮，本設計采用 PTR2021作為無線傳輸模塊。 無線收發(fā)一體數(shù)傳 Modem模塊 PTR2021芯片性能優(yōu)異，在業(yè)界居于領先水平，它的顯著特點是所需外圍元件少，設計非常方便。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。以往設計無線數(shù)傳產(chǎn)品常常需要相當多的無線電專業(yè)知識和昂貴的專業(yè)設備，而且傳統(tǒng)的電路設計方案不是電路太復雜就是調(diào)試困難，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。PTR2021的出現(xiàn)，使用戶擺脫了傳統(tǒng)無線產(chǎn)品設計的困擾。該器件采用抗干擾能力強的 FSK調(diào)制 /解調(diào)方式，其工作頻率穩(wěn)定可靠、外圍元件少、功耗極低且方便設計生產(chǎn)。它的優(yōu)異特性使其非常適合于應用在便攜式及手持產(chǎn)品的設計中， 13 符合本設計的要求，其具體性能指標如下： (1) 該器件將接收和發(fā)射合接為一體 (2) 工作頻率為國際通用的數(shù)傳頻段 433MHz (3) 采用 FSK調(diào)制 /解調(diào)，可直接進入數(shù)據(jù)輸入 /輸出，抗干擾能力強，特別適合工業(yè)控制場合 (4) 采用 DDS(直接數(shù) 據(jù)合成 )＋ PPL頻率合成技術，因而頻率穩(wěn)定性好 (5) 靈敏度高達 105dBm (6) 工作電壓低 (),功耗小，接受待機狀態(tài)電流僅為 8uA (7) 具有兩個頻道，可滿足需要多信道工作的場合 (8) 工作頻率最高達 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串口進行連接 (如 AT89C51),也可以用 RS232與計算機接口連接，軟件編程方便 (10) 標準的 DIR管腳間距更適合于 嵌入式設備 (11) 由于采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏的設計，因此使用無需申請許可證，開闊地時使用距離最遠可達 1000m 單片機型號選擇 隨著計算機技術的發(fā)展，單片機因具有集成度高、體積小、速度快、價格低等特點而在許多領域如過程控制、數(shù)據(jù)采集、機電一體化、智能化儀表、家用電器以及網(wǎng)絡技術等方面得到廣泛應用 .從而使這些領域的技術水平、自動化程度大大提高。正因為如此國內(nèi)外多家電子生產(chǎn)廠商把目光投向了單片機的生產(chǎn)，其中最為著名的當數(shù) INTEL公司生產(chǎn)的 MCS51系列單片機。單片機型號的選擇是根據(jù)控制 系統(tǒng)的目標、功能、可靠性、性價比、精度和速度等來決定的。根據(jù)本課題的實際情況，單片機型號的選擇主要從以下兩點考慮 :一是要有較強的抗干擾能力。由于甲烷氣體監(jiān)測傳感器處于煤礦礦井巷道中，工作環(huán)境比較惡劣，以及實際的運行工況比較復雜，這些都對單片機的干擾較大，所以應采用抗干擾性能較好的單片機機型；二是要有較高的性價比。由于 51系列在我國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，其具有較高的性能價格比和較高的抗干擾能力。本文采用 14 AT89C51單片機作為檢測儀 的核心部件， AT89C51單片機是 ATMEL公司 89系列單片機中的一種，它現(xiàn)已廣泛應用于工業(yè)控制等各領域，是 80C51的增強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 只讀存儲器 低電壓，高性能 CMOS8位微處理器，俗稱 單片機 。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除 100次。該器件采用 ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，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，其特點如下： (1) 與 MCS51 兼容 (2) 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 (3) 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) (4) 數(shù)據(jù)保留時間： 10 年 (5) 全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz (6) 三級程序存儲器鎖定 (7) 1288 位內(nèi)部 RAM (8) 32 可編程 I/O 線 (9) 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 (10) 5 個中斷源 (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單片機具有如上特點，其工作溫度范圍寬，能夠適應礦井下惡劣的環(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作為控制器。 15 3 系統(tǒng)硬件設計 系統(tǒng)硬件設計是本設計的重中之重，其具體包括：系統(tǒng)的電源 、 數(shù)據(jù)采集以及信號調(diào)理部分 、 A/D 轉換電路部分 、 顯 示部分電路 、 電池電量監(jiān)測部分 、 報警電路等各部分的設計電路，下面給予詳細闡述 。 系統(tǒng)電源設計 煤礦現(xiàn)場部分電源設計 由于煤礦礦井下可采用有線電纜供電，所以本設計中采用 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的標準電壓，而 A/D轉換器則需要 177。15V的基準電壓，單片機的電源電壓為 +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)場部分的系統(tǒng)使用。具體的電路設計如圖 。 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 u FC 1 11 04 u FC51 04 u FC41 04 u FC71