【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 危險(xiǎn)撤離報(bào)警濃度為 1%。 三、便攜式檢測(cè)儀器使用要求 便攜式甲烷檢測(cè)報(bào)警儀和甲烷報(bào)警礦燈等檢測(cè)儀器應(yīng)設(shè)專職人員負(fù)責(zé)充電、收發(fā)及維護(hù)。每班要清理隔爆罩上的煤塵，下井前必須檢查便攜式甲烷檢測(cè)報(bào) 警儀和甲烷檢測(cè)報(bào)警礦燈的零點(diǎn)和電壓值，不符合要求的禁止發(fā)放使用。 使用便攜式甲烷檢測(cè)報(bào)警儀和甲烷報(bào)警礦燈等檢測(cè)儀器時(shí)要嚴(yán)格按照產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)進(jìn)行操作，嚴(yán)禁擅自調(diào)校和拆開(kāi)儀器。 第三章 所用元器件簡(jiǎn)介 一、凌陽(yáng)單片機(jī)簡(jiǎn)介 隨著單片機(jī)功能集成化的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸地由傳統(tǒng)的控制，擴(kuò)展為控制處理、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)字信號(hào)處理（ DSP， DigitalSignalProcessing）等領(lǐng)域。凌陽(yáng)的 16位單片機(jī)就是為適應(yīng)這種發(fā)展而設(shè)計(jì)的。它的 CPU 內(nèi)核采用凌陽(yáng)最新推出的 181。’ nSP?（ Microcontroller and SignalProcessor） 16 位微處理器芯片（以下簡(jiǎn)稱 181?！?nSP?）。圍繞 181?！?nSP?所形成的 16 位 181?！?nSP?系列單片機(jī) 太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 （以下簡(jiǎn)稱 181?！?nSP?家族）采用的是模塊式集成結(jié)構(gòu)，它以 181?！?nSP?內(nèi)核為中心集成不同規(guī)模的 ROM、 RAM和功能豐富的各種外設(shè)接口部件。 SPCE061A 是繼 181。’ nSP?系列產(chǎn)品 SPCE500A 等之后凌陽(yáng)科技推出的又一款 16位結(jié)構(gòu)的微控制器。與 SPCE500A 不同的是，在存儲(chǔ)器資源方面考慮到用戶的較少資源的需求以及便于程序調(diào)試等功能， SPCE061A 里只內(nèi)嵌 32K 字的閃 存（ FLASH）。較高的處理速度使 181。’ nSP?能夠非常容易地、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)。因此，與 SPCE500A 相比，以 181?！?nSP?為核心的 SPCE061A 微控制器是適用于數(shù)字語(yǔ)音識(shí)別應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品的一種最經(jīng)濟(jì)的選擇。 凌陽(yáng) 16 位單片機(jī)的主要性能有： 16位 181?！?nSP?微處理器； 工作電壓 (CPU) VDD 為 ~ (I/O) VDDH 為 ~ CPU時(shí)鐘： ~ ； 內(nèi)置 2K字 SRAM； 內(nèi)置 32K FLASH； 可編程音頻處理； 晶體振蕩器 。 系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下 (時(shí)鐘處于停止?fàn)顟B(tài) )，耗電僅為 ； 2個(gè) 16位可編程定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 (可自動(dòng)預(yù)置初始計(jì)數(shù)值 )； 2個(gè) 10位 DAC(數(shù) 模轉(zhuǎn)換 )輸出通道； 1 32位通用可編程輸入 /輸出端口； 1 14個(gè)中斷源可來(lái)自定時(shí)器 A / B，時(shí)基， 2 個(gè)外部時(shí)鐘源輸入，鍵喚醒； 1具備觸鍵喚醒的功能； 1使用凌陽(yáng)音頻編碼 SACM_S240 方式 ( 位 /秒 )，能容納 210 秒的語(yǔ)音數(shù)據(jù)； 1鎖相環(huán) PLL 振蕩器提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)； 1 32768Hz 實(shí)時(shí)時(shí)鐘； 1 7通 道 10 位電壓模 數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)和單通道聲音模 數(shù)轉(zhuǎn)換器； 1聲音模 數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風(fēng)放大器和自動(dòng)增益控制 (AGC)功能； 1具備串行設(shè)備接口； 具有低電壓復(fù)位 (LVR)功能和低電壓監(jiān)測(cè) (LVD)功能； 2內(nèi)置在線仿真電路 ICE（ In Circuit Emulator）接口； 2具有保密能力； 2具有 WatchDog 功能。 凌陽(yáng)單片機(jī)的封裝分為 84 引腳和 80 引腳，本設(shè)計(jì)采用的是 84引腳的封裝片，其引腳分布與作用為下圖所示 太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 圖 SPCE061A 引腳排列圖 太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 二、所用傳感器簡(jiǎn)介 本設(shè)計(jì)所采用的是電阻型傳感器，其型號(hào)為 MQ4。 其特點(diǎn)是： 對(duì)甲烷、天然氣有很高的靈敏度； 對(duì)乙醇、煙霧的靈敏度很低； 具有快速的響應(yīng)恢復(fù)特性； 具有長(zhǎng)期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性； 驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。 其應(yīng)用范圍為家庭、工業(yè)的甲烷、天然氣的探測(cè)裝置。 MQ4 氣體傳感器的結(jié)構(gòu)為圖 .1所示，其測(cè)量電路圖為圖 .2所示。 MQ4 氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如結(jié)構(gòu) A 或 B 所示，由微型 AL2O3 陶瓷管、 SnO2敏感層，測(cè)量電極和加熱器構(gòu)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(gè)用于信號(hào)的取出， 2個(gè)用于提供加熱電流。 太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 圖 .1 其規(guī)格為 太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 MQ4 氣敏元件對(duì)各種氣體的靈敏度特性曲線如下圖所示。 上圖給出了 MQ4型氣敏元件的靈敏度特性。 其中：溫度： 20℃，相對(duì)濕度： 65%，氧氣濃度： 21%， RL=20KΩ。 Rs：元件在不同氣體，不同濃度下的電阻值。 太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 根據(jù)甲烷報(bào)警濃度為 %，同時(shí)設(shè)定危險(xiǎn)撤離報(bào)警濃度為 1%，從上圖中可得 報(bào) 警 時(shí) Rs 為 =*20= 千 歐 ， 危 險(xiǎn) 撤 離 時(shí) 的 Rs 為=*20= 千歐。 MQ4 型氣敏元件對(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。建議使用 5000ppm 甲烷校準(zhǔn)傳感器。 MQ4 空氣傳感器需要進(jìn)行測(cè)量之后才可以使用，這是因?yàn)槠涑鰪S時(shí)電阻不穩(wěn)定所造成的，為了使用的安全，其電阻是必須測(cè)量的，其傳感器電阻（ Rs），可用下式計(jì)算： Rs=(Vc/VRL1) RL 其基本測(cè)試回路為 ： 左圖是傳感器的基本測(cè)試電路。該傳感器需要施加 2 個(gè)電壓：加熱器電壓（ VH）和測(cè)試電壓（ VC）。其中 VH用于為傳感器提供特定的工作溫度。 VC 則是用于測(cè)定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻（ RL）上的電壓（ VRL）。這種傳感器具有輕微的極性， VC需用直流電源。在滿足傳感器電性能要求的前提下， VC 和 VH可以共用同一個(gè)電源電路。為更好利用傳感器的性能，需要選擇恰當(dāng)?shù)?RL值。 本設(shè)計(jì)所采用的負(fù)載和傳感器均為 20KΩ，本設(shè)計(jì)中的參數(shù)計(jì)算暫且設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)條件下，如果是非標(biāo)準(zhǔn)條件，則可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，其調(diào)整方法為調(diào)整電路上的滑動(dòng)變阻器。 注： ppm 是指一百萬(wàn)體積的空氣中所含指定氣體的體積數(shù)。 三、所用隔離器件簡(jiǎn)介 所用 的是光電耦合器隔離方法，是用光電耦合器把輸入信號(hào)和內(nèi)部信號(hào)隔離起來(lái)，或者是內(nèi)部輸出信號(hào)和外部電路隔離起來(lái)。其連接電路為下圖所示： Vc VH GND RL VRL 太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 第四章 硬件連接 一、系統(tǒng)框圖 選擇 IOA0 口和 IOA1 口為信號(hào)輸入端， IOA2 口和 IOA9IOA12 口為信號(hào)輸出口，具體的選擇如下圖所示： 太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 二、硬件連接的全部電路圖 所有的電源選擇一律為 5V，這樣就可以不必配置多個(gè)電源。 因?yàn)樗x擇的 MQ4 氣體傳感器必須要進(jìn)行至少 24小時(shí)的預(yù)熱，所以在設(shè)計(jì)外殼的時(shí)候設(shè)計(jì)兩個(gè)電源安裝槽，以用于電源的更換，這樣可以減少重復(fù)預(yù)熱的時(shí) 間。 ΩΩΩ ΩΩΩΩΩ 其中， VCC 的電壓選擇為 5V， R2 為 20KΩ， R3 為 100KΩ，其余電阻需要進(jìn)一步的設(shè)計(jì)確定。 三、各部分的分析 傳感器 選擇的傳感器電阻為 20KΩ，電阻 R2 滑動(dòng)到 60KΩ的位置，而 R3 也為 60KΩ，這樣的話理想情況下的輸出電壓為 2V；而危險(xiǎn)狀況下傳感器電阻為 ，則輸出電壓為 ；撤離狀況下傳感器電阻為 ，則輸出電壓為 。 根據(jù) MQ4空氣傳感器的參數(shù)來(lái)選擇， Vcc 選擇為 5V。 傳感器連接圖為下圖所示： 太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 ΩΩ 前置放大電路 傳感器輸出信號(hào)一般比較微弱，需要經(jīng)過(guò)前置電路對(duì)其進(jìn)行放大，滿足單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的要求。本系統(tǒng)采用的半導(dǎo)體煙霧傳感器屬于電阻型，因此只需通過(guò)電阻改變電壓，再經(jīng)過(guò)一個(gè)放大電路即可發(fā)送給 ADC 采集。由于系統(tǒng)采用的是單極性供電，所以采用同相比例放大電路，可以減少硬件開(kāi)銷；反之，如果采用反相放大，則一般需要利用雙極性供電，這就需要系統(tǒng)額外的利用變壓芯片產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓，這顯 然會(huì)造成浪費(fèi)。 前置放大電路為下圖所示： 太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 ΩΩΩ Ω 下面詳細(xì)介紹運(yùn)算放大電路： 如圖所示，從傳感器的上端出來(lái)的信號(hào) Vi 經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器的同相輸入端，但是為保證引入的是負(fù)反饋，輸出電壓 Vo 通過(guò)電阻 Rf 接到反相輸入端。 同相比例運(yùn)算電路中反饋的組態(tài)為電壓串聯(lián)負(fù)反饋，同樣可以利用理 想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的兩個(gè)特點(diǎn)來(lái)分析其電壓放大倍數(shù)。 在圖中，根據(jù)運(yùn)放的“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)可知， I = I+ ， V0=（ 1+Rf/R1)Vi 所以本放大電路的放大倍數(shù) A =1+ Rf/R1 ，此放大電路為同相比例放大電路，它的放大倍數(shù)總是大于或等于 1。同相比例運(yùn)算電路有以下幾個(gè)特點(diǎn)： (1)同相比例運(yùn)算放大電路是一個(gè)深度的電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。因?yàn)椴淮嬖凇疤摰亍爆F(xiàn)象，所以其輸入端有較高的共模輸入電壓。 (2)電壓放大倍數(shù) A =1+ Rf/R1 ，即輸出電壓與輸入電壓的幅值成正比，且相位相同，所以此電路實(shí)現(xiàn)了同相比例放大。 (3)由于引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，因此電路的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低。高輸入阻抗就可以減少放大電路對(duì)前端電路的影響，同時(shí)低 輸出阻抗也可以提高自身的抗干擾性，這顯然有利于電路中其他模塊的設(shè) 計(jì)。 根據(jù)實(shí)際情況，選擇 R1 為 50KΩ， Rf 為 75KΩ，放大倍數(shù) A 為 倍。 由此可知最終送到單片機(jī)的安全電壓為低于 的電壓，報(bào)警電壓為，危險(xiǎn)電壓為 ，高于此電壓需撤離！ 太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 傳感器連接故障診斷電路 (1)判斷傳感器電源連接情況 在傳感器的地端串聯(lián)一個(gè)電阻 R4。當(dāng)傳感器正常連接時(shí)，電阻和傳感器分壓，此時(shí)電阻兩端有微弱的電壓，單片機(jī)可以通過(guò) P2口檢測(cè)到； 如果傳感器電源連接不正常，則會(huì)產(chǎn)生斷路，檢測(cè)到電阻 兩端電壓為 0。 其電路圖為下圖所示： Ω (2)判斷傳感器信號(hào)端連接情況 另一種情況是判斷傳感器信號(hào)端是否連接正確，此時(shí)不需要外加電路，在傳感器預(yù)熱 2 分鐘后，測(cè)量傳感器信號(hào)的輸出電壓，如果電壓為 5V，則說(shuō)明傳感器的信號(hào)端連接不正常。 當(dāng)報(bào)警器自診斷發(fā)現(xiàn)傳感器連接不正常，就會(huì)發(fā)出長(zhǎng)鳴聲音警報(bào)，并伴隨黃燈閃爍，提醒用戶及時(shí)排除傳感器連接問(wèn)題。 小喇叭報(bào)警電路 小喇叭報(bào)警電路圖如下圖所示。當(dāng)單片機(jī)引腳置 1 時(shí)，三極管導(dǎo)通，小喇叭報(bào)警。其連接圖為下圖所示： 太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 狀態(tài)指示燈電路 本電路采用四個(gè)發(fā)光二極管，依次為藍(lán)、綠、黃、紅四色，其中藍(lán)燈亮表示傳感器連接有問(wèn)題；綠燈常亮表示正常狀態(tài)，環(huán)境中瓦斯（甲烷）濃度極低；黃燈閃亮表示環(huán)境中瓦斯（甲烷）濃度達(dá)到了需注意的濃度，提醒用戶盡快作相應(yīng)安全措施；紅燈閃亮表示環(huán)境中瓦斯（甲烷）濃度超過(guò)報(bào)警限值，要求用戶趕緊撤離，并采取緊急措施。其連接圖為下圖所示： ΩΩΩΩ 太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 第五章 軟件設(shè)計(jì) 一、程序分析 程序在開(kāi)始 的時(shí)候需要進(jìn)行設(shè)置看門(mén)狗和程序指針，將連接小喇叭和發(fā)光二極管的 IOA2 和 IOA912 端口設(shè)置為低電平 0，同時(shí)開(kāi)啟 IOA01端口，接收信號(hào)，其中 IOA0 端口接收傳感器信號(hào)， IOA1 端口接受線路檢測(cè)信號(hào)。 在程序中，接收信號(hào)的兩個(gè)端口程序要設(shè)置成死循環(huán)，以保證單片機(jī)可以接收即時(shí)信號(hào)，并予以保存和分析。當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，才相應(yīng)端口和電平變?yōu)楦唠娖?1，同時(shí)對(duì)應(yīng)端口的小喇叭和發(fā)光二極管發(fā)光。 二、將數(shù)值改為二進(jìn)制 假設(shè)是 N 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器，參考電壓假設(shè)為 M。 分辨率 =M/2 的 N次方 最后采集的電壓 =采集到的二進(jìn)制 *分辨率 例如： 10 位的 A/D，最大采樣值為 5V 分辨率 =5/1024= 也就是說(shuō)采集回來(lái)的二進(jìn)制數(shù) (0 到 1023 之間 )每一個(gè)格子占了 所以最終電壓 =采集回來(lái)的二進(jìn)制數(shù) * 假設(shè)采回來(lái)的是 FF 的話 V=256*== 本設(shè)計(jì)中凌陽(yáng)單片機(jī) 的安全電壓低為 ，報(bào)警電壓為 ，危險(xiǎn)電壓為 ，高于此電壓需撤離！ 凌陽(yáng)單片機(jī)的 A/D轉(zhuǎn)換器為十位，最大采樣值為 5V，分辨率 =5/1024=，故此可以算出其安全電壓和 危險(xiǎn)電壓用十六進(jìn)制表示分別為 0x0228 和 0x0265。 三、語(yǔ)音播放流程 此次設(shè)計(jì)用到語(yǔ)音播放，其步驟為： 新建工程； 復(fù)制語(yǔ)音播放需要的文件到工程所在的文件夾 把剛剛復(fù)制的