【導(dǎo)讀】能源工業(yè)是一個國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈。近年來，隨著石油的緊張，石油價格的飆升，煤炭行業(yè)的重要地位和不可替代性也日益顯現(xiàn)。煤礦生產(chǎn)是地下作業(yè)，自然條件和生產(chǎn)。為了防止事故發(fā)生，保障礦工的健康和安全，促進(jìn)生產(chǎn)發(fā)展，提高煤炭企業(yè)的經(jīng)。及時而準(zhǔn)確的檢測和嚴(yán)格控制，一旦發(fā)生災(zāi)變，必須及時救護(hù)遇難人員和處理事故。而，中國煤炭行業(yè)的安全形勢卻不容樂觀，尤其是重、特大上網(wǎng)那個事故屢見報端。這些事故中，瓦斯爆炸有占絕大多數(shù)。業(yè)安全監(jiān)測設(shè)備不完備、管理手段落后是造成事故的重要因素之一。斷的對井下瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測。同時采用聲光報警系統(tǒng)，一旦瓦斯超標(biāo)，系統(tǒng)立即提醒。設(shè)計這種智能傳感器采用閉環(huán)控制來確保采樣的平穩(wěn)。該傳感器以AT87C552單片機(jī)為核心，實現(xiàn)對瓦斯的檢測、報警和控制，安全可靠，損失，作為“萬惡之首”的甲烷爆炸事故更是重大事故發(fā)生率之首。以山西省為例，近幾年，特別是2020年。山西省煤炭系統(tǒng)2020年底累計安裝使用瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)3868套。

　　

【正文】 109abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpR9 510R8 510R 1 0 5109 87 4 L S 0 411 107 4 L S 0 413 127 4 L S 0 4R 1 1 5101 2A7 4 L S 0 4R X DT X DP 1 . 6P 1 . 5P 1 . 4P 1 . 3 圖 52 顯示電路設(shè)計 顯示電路設(shè)計為 四 位 LED， 由單片機(jī) 89S51 的 串行輸出口經(jīng)串行輸入轉(zhuǎn)并行輸出來 控制 段選 ， 位選接在 P1 口的 ～ 。這種設(shè)計是為了采用動態(tài)顯示方式。 第六 章 聲光報警部分電路 聲光報警電路是由蜂鳴器和發(fā)光二極管組成的，用 和 作為聲光報警電路的使能信號輸出端。為了提高聲光報警電路的驅(qū)動能力均加有 74LS04 反向驅(qū)動器同時為了保證電路可靠工作加了限流電阻。其中蜂鳴器我們采用 +5 伏直流蜂鳴器，其屬于無源蜂鳴器，內(nèi)部封裝有音頻振蕩電路只要外加 +5 直流電源電壓即可起振發(fā)聲。當(dāng)采集到的瓦斯?jié)舛瘸^預(yù)先設(shè)定的上限值時，系統(tǒng)發(fā)出聲光報警信號。 聲光報警電路如圖 37 所示。 33 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 1 J u n 2 0 0 6 S h e e t o f F i l e : H : \ 論文 \ 電路原理圖 . D D B D r a w n B y :347 4 L S 0 4B1127 4 L S 0 49013+5+5R5 510R6 510D2LEDp 1 . 0p 1 . 1 圖 62 聲光報警電路 第七 章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 軟件設(shè)計 編制的程序易于調(diào)試、修改，可讀性好 ， 軟件的設(shè)計是一個將需求轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖愂龅倪^程。系統(tǒng) 軟件 設(shè)計采用自頂向下、模塊化、結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計方法，把總的編程過程逐步細(xì)分，分解成一個個功能模塊，每個模塊相互獨立，其正確與否不依賴其它模塊，每個模塊都能完成一個明確的任務(wù)、實現(xiàn)某個具體的功能。 主程序 單片機(jī) 系統(tǒng)上電后，首先 要對系統(tǒng) 進(jìn)行初始化， 初始化程序包括內(nèi)存空間的分配、初始變量的設(shè)置、設(shè)定堆棧指針等。 正常初始化后開放定時器中斷，外部中斷和串行口 34 中斷，然后啟動定時器 定時 。 每隔一段時間對瓦斯的濃度采集一次，將采集到的模擬量濃度數(shù)據(jù)存到寄存器中，當(dāng)系統(tǒng)在取數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示的過程中要產(chǎn)生中斷，調(diào)用 中斷處理子程序，在中斷處理子程序中進(jìn)行 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及顯示濃度。 主程 序編好后編制各從屬的程序和子程序，最后完成整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計。系統(tǒng)軟件設(shè)計中要實現(xiàn)的功能有：用戶機(jī)的單片機(jī)系統(tǒng)要完成定時地對瓦斯?jié)舛?的 進(jìn)行 檢測， 將瓦斯?jié)舛戎档倪M(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，動態(tài)地 顯示采集到的瓦斯?jié)舛戎担暪鈭缶? 圖 71 主程序流程圖 子程序設(shè)計 中斷 子程序 為了較準(zhǔn)確的監(jiān)測瓦斯?jié)舛?，我們需要對瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這里是指單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集。其硬件電路包括 MQ A/D7109 及單片機(jī)，濃度經(jīng)過傳感器變換為模擬電壓再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入單片機(jī)中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完畢之后是通過中斷的方式送入單片機(jī)的。通過外部中斷 INT1 來完成，由于檢測瓦斯?jié)舛仍跁r間上較嚴(yán)格，更不允許丟失數(shù)據(jù)，所以 INT1 的中斷優(yōu)先級設(shè)定 為高。其流程圖如下所示： 開 始 初始化 調(diào)顯示子程序 35 圖 72 中斷子程序 流程圖 聲光報警子程序 當(dāng)聲光報警開啟后，當(dāng)達(dá)到提醒人們離開的目的后，我們需要解除聲光報警，解除報警有兩種途徑，一種是手動解除，一種是系統(tǒng)自動解除，若沒有手動解除報警，則系統(tǒng)可通過調(diào)用 20s 的延時時間來自動解除報警。 N Y 保護(hù)現(xiàn)場 單片機(jī)從 A/D 轉(zhuǎn)換器中采集數(shù)據(jù) 濃度超限 ? 用 采集數(shù)據(jù)刷新顯示 啟動報警 中斷返主 36 圖 73聲光報警流程圖 N Y Y N 采集濃度值≥設(shè)定濃度 調(diào)用延 時子程序 啟動聲光報警 手動解除 報警 ? 延時到 自動解除報警 返回主程序 37 各模塊仿真原理圖 信號采集電路 圖 信號采集處理電路 信號的采集是整個實驗至關(guān)重要的一步，信號采集處理的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到整個實驗的成功與否，在此選擇采用傳感器與 20k 的電阻串聯(lián)，采集分壓信號作為檢測氣體的濃度反應(yīng)信號，在電路的兩端施加五伏電壓，因此采集的電壓信號在 05v 之間，符合 ADC0809 的轉(zhuǎn)換電壓要求?？紤]到采集的是電壓信號，電壓信號會隨著傳輸距離的增加因為導(dǎo)線損耗兒導(dǎo)致信號不準(zhǔn)確，所以在實際排版的時候盡量減少分壓采集電路與ADC0809 之間的距離。同時根據(jù)甲烷濃度特性曲線做出相應(yīng)的濃度與電壓信號之間的數(shù)據(jù)對應(yīng)表，在 單片機(jī)接收到采集轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字電壓信號后，通過查找數(shù)據(jù)對應(yīng)表輸出相應(yīng)甲烷濃度，并通過 LCD1602 液晶顯示器顯示出當(dāng)前甲烷濃度值。 38 單片機(jī)最小系統(tǒng) 電路 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 單片機(jī)最小系統(tǒng)復(fù)位電路的極性電容 C1 的大小直接影響單片機(jī)的復(fù)位時間，一般采用 10uF30uF，單片機(jī)最小系統(tǒng)容值越大需要的復(fù)位時間越短。 單片機(jī) 常用 最小系統(tǒng)晶振 12MHz 或者 ，在正常工作的情況下可以采用更高頻率的晶振，單片機(jī)最小系統(tǒng)晶振的振蕩頻率直接影響單片機(jī)的處理速度，頻率越大處理速度越 快。 單片機(jī)最小系統(tǒng)起振電容 C C3 一般采用 15pF33pF，此設(shè)計采用 30pF，并且電容離晶振越近越好，晶振離單片機(jī)越近越好 P0口為開漏輸出，作為輸出口時需加上拉電阻，阻值一般為 10k。此次我們用的也為 10k，其他接口內(nèi)部有上拉電阻，作為輸出口時不需外加上拉電阻。 在 設(shè)置為定時器模式時，加 1計數(shù)器是對內(nèi)部機(jī)器周期計數(shù)（ 1個機(jī)器周期等于 12個振蕩周期，即計數(shù)頻率為晶振頻率的 1/12）。計數(shù)值 N 乘機(jī)器周期 Tcy 就是定時時間 t。 39 在 設(shè)置為計數(shù)器模式時，外部事件計數(shù)脈沖由 T0 或 T1引腳輸入到計數(shù)器。在每個機(jī) 器周期的 S5P2 期間采樣 T0、 T1 引腳電平。當(dāng)某周期采樣到一高電平輸入而下一周期又采樣到一低電平時，則計數(shù)器加 1，更新的計數(shù)值在下一個機(jī)器周期的 S3P1 期間裝入計數(shù)器。由于檢測一個從 1到 0的下降沿需要 2個機(jī)器周期，因此要求被采樣的電平至少要維持一個機(jī)器周期。當(dāng)晶振頻率為 12MHz 時，最高計數(shù)頻率不超過 1/2MHz，即計數(shù)脈沖的周期要大于 2 ms。 【 10】 標(biāo)識符號 地址 寄存器名稱 ； P3 0B0H I/O 口 3 寄存器 ； PCON 87H 電源控制及波特率選擇寄存器 ； SCON 98H 串行口控制寄存器 ； SBUF 99H 串行數(shù)據(jù)緩沖寄存器 ； TCON 88H 定時控制寄存器 ； TMOD 89H 定時器方式選擇寄存器 ； TL0 8AH 定時器 0 低 8 位 ； TH0 8CH 定時器 0 高 8 位 ； TL1 8BH 定時器 1 低 8 位 ； TH1 8DH 定時器 1 高 8 位 ； 聲光報警電路 圖 聲光報警電路 40 報警電路由 PNP 三極管、蜂鳴器、 LED 和限流電阻組成，如 圖 。由單片機(jī)兩個 I/0 口控制聲報警方式和光報警方式，實際應(yīng)用時，可以通過軟件設(shè)置選擇其中一種報警方式，也可以兩種都選擇。 9012 是非常見的晶體三極管，在收音機(jī)以及各種放大電路中經(jīng)常看到它，應(yīng)用范圍很廣 ,它是 PNP 型小功率三極管 , 1） 集電極 發(fā)射極電壓 30V 2） 集電極 基電壓 40V 3） 射極 基極電壓 5V 4） 集電極電流 5） 耗散功率 6） 結(jié)溫 150℃ 7） 特怔頻率 最小 150MHZ 8） 放大倍數(shù)： D6491 E78112 F96135 G122166 H144220 I190300 蜂鳴器的正常工作為 3V，聲音強度為 80dB，發(fā)光二極管的額定電流為 5～ lOmA。當(dāng)單片機(jī) I/O 口信號為低電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報警聲音，發(fā)光二極管則給出光指示信號，其中， R6, R7 和 R8均為限流電阻。 液晶顯示電路 41 圖 液晶顯示電路 1602 液晶是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊它有若干個5X7 或者 5X11 等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符。每位之間有一個點距的間隔每行之間也有間隔起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此他 才 不能顯示圖形，微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕 巧，常用在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中。 LCD1602 是指顯示內(nèi)容為 16X2,即可以顯示兩行，每行 16 個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。 LCD1602 液晶顯示器 采用標(biāo)準(zhǔn)的 16 腳接口，其中： 第 1 腳： VSS 為電源地 ； 第 2 腳： VDD 接 5V 電源正極 ； 第 3 腳： V0 為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高（對比度過高時會 產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個 10K 的電位器調(diào)整對比度） ； 第 4 腳： RS 為寄存器選擇，高電平 1 時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平 0 時選擇指令寄存器 ； 第 5 腳： RW為讀寫信 號線，高電平 (1)時進(jìn)行讀操作，低電平 (0)時進(jìn)行寫操作 ； 第 6 腳： E(或 EN)端為使能 (enable)端 ； 第 7～ 14 腳： D0～ D7為 8位雙向數(shù)據(jù)端 ； 第 15～ 16 腳：空腳或背燈電源。 15腳背光正極， 16 腳背光負(fù)極 ； +5V電壓，對比度可調(diào) 內(nèi)含復(fù)位電路 ； 提供各種控制命令 ,如：清屏、字符閃爍、光標(biāo)閃爍、顯示移位等多種功能 ； 有 80 字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲器 DDRAM； 內(nèi)建有 192 個 5X7 點陣的字型的字符發(fā)生器 CGROM； 8個可由用戶自定義的 5X7的字符發(fā)生器 CGRAM； 42 串口通信電路 圖 RS232串口通信電路 RS232 接口標(biāo)準(zhǔn)是 EIA 廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)，它有多重不同的版本，例如RS60232C\RS232D\RS232E 等。其中 RS232C 標(biāo)準(zhǔn)是 20 世紀(jì) 60 年代為了利用電話網(wǎng)絡(luò)作為媒介，通過調(diào)制解調(diào)器把不同距離范圍內(nèi)的設(shè)備相互連接在一起而制定的。由于當(dāng)時主要采用電話線串行連接實現(xiàn)距離訪問，這使得 RS232 標(biāo)準(zhǔn)在終端和計算機(jī)中被廣泛采用。 此 RS232 標(biāo)準(zhǔn)接口的設(shè)備采用一中簡化的 9針 D型接頭。它和 25 針接頭一樣 DCE（終端電纜）接頭使用公外殼、母連接針，而 DTE(計算機(jī) )使 用母外公連接針。 RS232 標(biāo)準(zhǔn)有兩個地：一個是直接連接到系統(tǒng)的屏蔽罩上的機(jī)殼地，在將兩個設(shè)備的地連接起來時應(yīng)保證這種連接對設(shè)備是安全的；另一個是其他信號提供公共參考點的信號地，信號地在使用過程中必須連接在一起。 RS232 標(biāo)準(zhǔn)的信號頻率也只能達(dá)到20KHz，最大距離也只有 30m，因為在這個距離內(nèi)才能安全地連接起來。 如上圖單片機(jī)的數(shù)據(jù)輸出端口 TXD連接到 MAX232第一組收發(fā)器的輸入端口 T1 IN，用于向 PC 發(fā)送數(shù)據(jù)。串行數(shù)據(jù)輸入端口 RXD 連接到 MAX232 第一組收發(fā)器的輸出端口R1 OUT，用于接 收 PC 串行輸入的數(shù)據(jù)。 43 PC的串行數(shù)據(jù)輸入端口 RX IN 連接到 MAX232 第一組收發(fā)器的輸出端口 T1 OUT，用于接收單片機(jī)發(fā)送的串行數(shù)據(jù)， PC的串行數(shù)據(jù)輸出端口 TX OUT 連接到 MAX232 第一組的收發(fā)器數(shù)據(jù)輸入端口 R1 IN，用于向單片機(jī)發(fā)送串行數(shù)據(jù)。 4 系統(tǒng)仿真及部分程序 系統(tǒng)仿真 如圖 41所示，當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^設(shè)定值時，紅燈亮，蜂鳴器發(fā)出報警，通知用戶。 44 圖 41 超限報警仿真界面 如圖 42，傳感器檢測到瓦斯氣體濃度，沒有達(dá)到報警值，此時綠色燈亮，蜂鳴 器不發(fā)聲。 圖 42 濃度正常仿真界面 硬件聯(lián)合調(diào)試 調(diào)試工作是對前期工作的的一個整體評估，實質(zhì)性的檢查。同時，調(diào)試工作的順利 45 進(jìn)行與否也可以一定程度的反映出前期設(shè)計工作的質(zhì)量。系統(tǒng)調(diào)試的內(nèi)容很豐富，遇到的問題各種各樣，解決的方法也是不盡相同，并沒有統(tǒng)一的模式， 此