【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 通訊電路組成。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 7 圖 21 系統(tǒng)框圖 圖 22 系統(tǒng)組網(wǎng)框圖 由圖可以看出煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)報(bào)警器的硬件 部分設(shè)計(jì)是以單片機(jī)系統(tǒng)為核心，用于整個(gè)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理、聲光報(bào)警電路等正常工作。在這里 我們選用 ATMEL公司生產(chǎn)的 8 位單片機(jī) AT89S51，該 種單 片機(jī) 與以往所采用的 AT89C51 相比新增加了很多功能，性能有了較大提升 ，片內(nèi) 4K 的 FLASH 存儲(chǔ)空間也能滿足我們?cè)O(shè)計(jì)的要求， 價(jià)格較之 AT89C51 基本不變甚至更低。 甲烷 傳感器采用 MC113 氣敏傳感器，用于探測(cè)采集瓦斯的濃度。由于該傳感器的輸出信號(hào)為模擬電壓信號(hào)，要想將采集到的數(shù)據(jù)送至單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù) AT89S51 LED 顯示 信號(hào)處理電路 電源 ADC0809 MC113 傳感器器 基準(zhǔn)電源 聲光報(bào)警 上傳通訊 傳感器 RXD TXD SCM1 RXD TXD SCMn ……… . TXD RXD 工 控 機(jī) 傳感器 CAN 總線 斷電控制 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 8 處理則需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，所以在這里我們還要選用 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理。這里的 A/D0809 轉(zhuǎn)換器是一種雙積分的 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，其性能價(jià)格比很高，是一種高精度、低噪聲、低漂移 A/D 轉(zhuǎn)換器。 瓦斯?jié)舛蕊@示部分 采用四位的 LED 數(shù)碼管顯示， 在這里 我們采用動(dòng)態(tài)掃描方法來顯示各種參數(shù)。 工控 pc 機(jī)的控制參數(shù)等變量數(shù)據(jù)通過總線控制器下載到單片機(jī)中，單片機(jī)中的數(shù)據(jù)可通過 CAN 總線上傳到工控機(jī)。總線控制器作為工控機(jī)與 CAN 總線的接口裝置，起到了工控機(jī)與單片機(jī)數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)木W(wǎng)橋作用。 工作原理 在 這里我們用甲烷傳感器 MC113 來對(duì)煤礦瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測(cè)，由于其檢測(cè) 所得數(shù)據(jù)模擬電壓量而單片機(jī)只能對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，所以在送入單片機(jī)中進(jìn)行處理之前需先送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC0809 中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后才能將轉(zhuǎn)換所得數(shù)據(jù)送入單片機(jī) AT89S51 中處理，這里的處理主要是指將輸入進(jìn)來的數(shù)據(jù)與我們?cè)O(shè)置的瓦斯爆炸預(yù)警值進(jìn)行比較，顯示其瓦斯?jié)舛戎担⑼ㄟ^遠(yuǎn)程通訊電路上傳到監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。一旦瓦斯?jié)舛瘸^設(shè)定值時(shí)則啟動(dòng)報(bào)警電路。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 9 3 硬件電路設(shè)計(jì) 作為一個(gè) 智能 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、它包括數(shù)據(jù)的采集、變換處理等環(huán)節(jié)，硬件設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)的選型、傳感器的選擇 、 A/D 轉(zhuǎn)換 器 的選擇，電源電路、顯示電路、聲光報(bào)警電路及上傳通訊電路等設(shè)計(jì) 。 氣體傳感器 的 選擇及供電電路設(shè)計(jì) 氣體傳感器的選擇 要進(jìn)行 — 個(gè)具體的測(cè)量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，而這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)?，即使是測(cè)量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大?。槐粶y(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求；測(cè)量方式為接觸式還是非接觸式；信號(hào)的引出方法，有線或是非接觸測(cè)量；傳感器的來源，國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口， 還是自行研制，價(jià)格能否承受。 在考慮上述問題之后就能大致確定選用 MC113 氣敏型傳感器。該傳感器具有成本低、體積小、本質(zhì)安全性高，其穩(wěn)定性、中毒抗性、輸出線性等都有了大幅度的提高。 根據(jù)催化燃燒效應(yīng)的原理工作，由檢測(cè)元件（黑元件）和補(bǔ)償元件（白元件）配對(duì)組成電橋的兩個(gè)臂，遇到可燃性氣體時(shí)監(jiān)測(cè)元件電阻升高，橋路輸出電壓變形，該變化隨氣體濃度增大而成正比例增大。補(bǔ)償元件起溫度補(bǔ)償作用，可有效去除因環(huán)境變化而引起鉑絲電阻變化帶來的附加誤差。 MC113 的結(jié)構(gòu)外形 MC113 根據(jù)催化燃燒效應(yīng)的原理工作， 由檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件配對(duì)組成電橋的兩個(gè)臂，遇可燃性氣體時(shí)檢測(cè)元件電阻升高，橋路輸出電壓變化，該電壓變量隨氣體濃度增大而成正比例增大，補(bǔ)償元件起參比及溫濕度補(bǔ)償作用 。 其結(jié)構(gòu)圖如 31 所示 ： 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 10 圖 31 mc113 外形結(jié)構(gòu)圖 主要特點(diǎn) 及技術(shù)參數(shù) 主要特點(diǎn)及應(yīng)用： 橋路輸出電壓呈線性 響應(yīng)速度快 具有良好的重復(fù)性、選擇性 元件工作穩(wěn)定、可靠 優(yōu)異的抗 H2S、有機(jī)硅中毒能力 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的天然氣、液化氣、煤氣、烷類等可燃性氣體及汽油、醇、酮、苯等有機(jī)溶劑蒸汽的濃度檢測(cè) 可燃性氣體泄漏報(bào)警 器；可燃性氣體探測(cè)器；氣體 濃度 計(jì) 主要技術(shù)參數(shù) 如表 31 所示： 表 11 主要技術(shù)參數(shù) 產(chǎn)品型號(hào) MJC4/（ MC113型催化元件） 產(chǎn)品類型 載體催化氣敏元件 標(biāo)準(zhǔn)封裝 金屬封裝、冶金粉末網(wǎng) 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 11 工作電壓 (V) 177。 工作電流 (mA) 90177。10 靈敏度 (mV) 1%甲烷 20~40 1%丁烷 30~50 1%氫氣 25~45 線形度（ %） ≤5 測(cè)量范圍（％ LEL） 0~100 響應(yīng)時(shí)間 (90%) 小于 10 秒 恢復(fù)時(shí)間 (90%) 小于 30 秒 使用 環(huán)境 40－ +70℃ 低于 95%RH 儲(chǔ)存環(huán)境 20— +70℃ 低于 95%RH 外形尺寸（ mm） MC113:1419 MC113C: 81014 防爆標(biāo)志 ExdibⅠ 傳感器供電電路設(shè)計(jì) 傳感器供電的穩(wěn)定性直接影響檢測(cè)橋路輸出的準(zhǔn)確度，為了提高測(cè)量的精度，設(shè)計(jì)了由基準(zhǔn)電壓、運(yùn)算放大器和晶體管組成的恒壓源專為傳感器供電，電路原理如下圖所示。電路中 選用 作為基準(zhǔn)電源，其溫度系數(shù)為20pp/oC，片內(nèi)帶隙基準(zhǔn)電壓提供 15uA20mA 的電流范圍，且具 有低噪聲和長(zhǎng)期穩(wěn)定性特點(diǎn)。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 12 圖 32 傳感器供電電路 從圖可知，基準(zhǔn)電源 W2與 R39 串聯(lián)接 +5V，在基準(zhǔn)電源 W2的引腳 2 輸出一個(gè) 的基準(zhǔn)電壓，該電壓作為運(yùn)算放大器 U3A的同相輸入信號(hào)， U3A負(fù)反饋回路由Ｒ 3８ 、 T1 T1 R3 R36組成，根據(jù)放大原理可知，反向輸入端的電壓等于同相端的電壓為 ，由于運(yùn)算放大器反相端不吸收電流，所以流過 R37的電流等于流過 R36的電流，按下列得到傳感器的供電電壓 U=（ R36 + R37） /R36 由于基準(zhǔn)電源的電壓穩(wěn)定度受溫度變化影響很小， 故該穩(wěn)壓電路受溫度變化影響也很小，它作為恒壓源向傳感器供電，可以提高該裝置的測(cè)量精度。 單片機(jī)的選型及基本特性 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)因具有集成度高、體積小、速度快、價(jià)格低等特點(diǎn)而在許多領(lǐng)域如過程控制、數(shù)據(jù)采集、機(jī)電一體化、智能化儀表、家用電器以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方面得到廣泛應(yīng)用，從而使這些領(lǐng)域的技術(shù)水平、自動(dòng)化程度大大提高。正因?yàn)槿绱藝?guó)內(nèi)外多家電子生產(chǎn)廠商把目光投向了單片機(jī)的生產(chǎn)，其中最為著名的當(dāng)數(shù) INTEL 公司生產(chǎn)的 MCS51 系列單片機(jī)。單片機(jī)型號(hào)的選擇是根據(jù)控制系統(tǒng)的目標(biāo)、功能、可靠性、性價(jià)比 、精度和速度等來決定的。根據(jù)本課題的實(shí)際情況，單片機(jī)型號(hào)的選擇主要從以下兩點(diǎn)考慮 :一是要有較強(qiáng)的抗河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 13 干擾能力。由于一氧化碳?xì)怏w監(jiān)測(cè)傳感器在廚房使用，這些都對(duì)單片機(jī)的干擾較大，所以應(yīng)采用抗干擾性能較好的單片機(jī)機(jī)型 。二是要有較高的性價(jià)比。 單片機(jī)自 20世紀(jì) 70年代問世以來，以極其高的性價(jià)比受到人們的重視和關(guān)注，所以應(yīng)用很廣，發(fā)展很快。單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)環(huán)境要求不高，價(jià)格低廉，可靠性高，靈活性好，開發(fā)較為容易。廣大工程技術(shù)人員通過學(xué)習(xí)有關(guān)單片機(jī)的知識(shí)后，也能依靠自己的力量來開發(fā)所希望的單 片機(jī)系統(tǒng)，并可獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。正因?yàn)槿绱?，在我?guó)，單片機(jī)已被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化控制、自動(dòng)檢測(cè)、智能儀表、家用電器等各個(gè)方面。 單片機(jī) AT89S51 經(jīng)綜合分析選用單片機(jī) AT89S51 適合。 AT89S51 是一種低功耗高性能的 8位單片機(jī)，片內(nèi)帶有一個(gè) 4KB 的 Flash 在線可編擦除只讀存儲(chǔ)器，它采用了 CMOS工藝和 ATMEL 公司的高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)和51 系列單片機(jī)兼容。片內(nèi)的存儲(chǔ)器允許在線重新編程或用常規(guī)的非易失性存儲(chǔ)器編程器來編 R36 組在眾多的 51 系列單片機(jī)中 ，要算 ATMEL 公司的 AT89S51 更實(shí)用，因?yàn)樗粌H和 MCU51 系列單片機(jī)指令、管腳完全兼容，而且它將通用 CPU和在線可編程 Flash 集成在一個(gè)芯片上。這種單片機(jī)對(duì)開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時(shí)間也大大縮短。 單片機(jī) AT89S51 的基本特性 AT89S51 是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)， 40 個(gè)引腳， 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含 2 個(gè)外中斷口， 2個(gè) 16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 ,2個(gè)全雙工串行通信口， AT89S51 可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和 Flash 存儲(chǔ)器 結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash 存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 14 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBA總線128B至R7 至R0至R1至R2R3R4R5R67FH07H08H00HRAM器4KB器ROM器(FLASH)器0FFFH器0000H器器器動(dòng)動(dòng)動(dòng)動(dòng)驅(qū)驅(qū)驅(qū)驅(qū)存存存存瑣瑣瑣瑣振 蕩 器制控時(shí)定VSSVCCXTAL2XTAL1CPU(BUS)90HB0HPSENA0HALE80HEARSTP2P1P0P3P0P3P1P2 圖 33 AT89S51 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 引腳 功能 ： 40 只引腳按其功能來分，可分為三個(gè)部分： * 電源及時(shí)鐘引腳： Vcc， Vss； XTAL1， XTAL2。 * 控制引腳： PSEN、 ALE、 EA、 RESET（即 RST）。 * I/O 口引腳： P0、 P P P3，為 4個(gè) 8位 I/O口的外部引腳。 。電源引腳接入單片機(jī)的工作電源。 Vcc（ 40 腳）：接 +5V 電源； Vss（ 20 腳）：接地。 XTAL XTAL2。 時(shí)鐘 引腳外接晶體與片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成了一個(gè)振蕩器，它提供單片機(jī)的時(shí)鐘控制信號(hào)。時(shí)鐘引腳也可外接晶體振蕩器。 XTAL1（ 19 腳）：接外部晶體的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端。這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。當(dāng)采用外接晶體振蕩器時(shí)，此引河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 15 腳應(yīng)接地。 XTAL2（ 18 腳）：接外部晶體的另一端，在單片機(jī)內(nèi)部接至內(nèi)部反相放大器的輸出端。若采用外部振蕩器時(shí)，該引腳接收振蕩器的信號(hào)，即把此信號(hào)直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端 。 晶體振蕩電路 實(shí)現(xiàn)測(cè)量的另一 必備 環(huán)節(jié)是時(shí)基電路。通常采用石英晶體振蕩器來 作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)，要求頻率準(zhǔn)確 、 穩(wěn)定。為獲得較穩(wěn)定的時(shí)基信號(hào)，以控制主控門的開啟時(shí)間，可采用石英晶體多諧振蕩器來產(chǎn)生時(shí)基信號(hào)。 51 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是比較放大器的輸入端和輸出端，這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體或陶瓷諧振器和微調(diào)電容一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器，它提供了單片機(jī)的時(shí)鐘控制信號(hào)，控制 CPU 的時(shí)序，對(duì)指令 進(jìn)行譯碼，然后發(fā)出各種控制信號(hào)，將各個(gè)硬件環(huán)節(jié)組織在一起， 使它們有條不紊地一拍一拍地工作。因此，時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì) 量也直接影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)使用內(nèi)部時(shí)鐘方式，微調(diào)電容 CC2的值選擇為 30pF， 晶體為 12MHz， 芯片內(nèi)的時(shí)鐘發(fā)生器是一個(gè) 2分頻觸發(fā)器，振蕩器的輸出 fosc 為其輸入，輸出為兩相的時(shí)鐘信號(hào)，頻率為振蕩器輸出信號(hào)fosc 的 1/2。狀態(tài)時(shí)鐘經(jīng) 3 分頻后為低字節(jié)地址鎖存信號(hào) ALE，頻率為振蕩器輸出信號(hào) fosc 的 1/6，經(jīng) 6分頻后為機(jī)器周期信號(hào)，頻率為 fosc/12。機(jī)器周期就是振蕩器輸出信號(hào) fosc 經(jīng) 12分頻后的信號(hào)周期。本系統(tǒng)使 用 12MHz 晶體 做 主頻率，執(zhí)行一條指令的時(shí)間，也就是一個(gè)指令周期為 1181。S。 其接線圖如圖 下圖 所示： C12 2 PC22 2 PB11 2 M H ZX1X2 圖 34 晶振接線圖 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 16 報(bào)警解除 電路 當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)出瓦斯?jié)舛瘸鰣?bào)警值時(shí)，聲光報(bào)警器就會(huì)發(fā)出報(bào)警， 當(dāng)達(dá)到提醒人們離開的目的后，我們