【導讀】為制約煤礦安全生產的主要因素。因此，實時檢測瓦斯氣體的濃度變化，對礦井。安全運行，人身安全及環(huán)境保護有著十分重要的作用。而目前國內礦井中用于瓦?；跓o線傳輸?shù)耐咚節(jié)舛葯z測儀。使其實現(xiàn)即走即測、即測即發(fā)的功能,論文研。究成果為礦井安全監(jiān)測提供了一套切實可行的新的解決方案。發(fā)射模塊PTR2020組成。而手持部分主要由無線接收模塊PTR2020、單片機、顯。示單元、報警單元等組成。硬件部分主要對如何應用低功耗的AT89C51單片機來。而軟件部分則對各部分的程序流程作了詳細說明。

　　

【正文】 示器件 。 據(jù)此處的具體需要，采用小數(shù)點固定的方法，各小數(shù)點位單獨控制， 所以在選擇譯碼驅動器件時可選擇七段驅動器，這里選擇 CD4511作為譯碼驅動器，采 22 用硬件譯碼方式，硬件譯碼減少了軟件設計的麻煩，編程方便，在顯示方式上采用動態(tài)顯示，動態(tài)顯示是單片機常用的顯示方式之一，它是把所有顯示器的同名段互相并聯(lián)在一起，并把它們接到字形口上為了防止各個顯示器同時顯示出相同的字符，每個顯示器還要受到另一組控制信號的控制，當需要輸出數(shù)據(jù)時，應將LE口置高電平，表示此時可以向 CD4511發(fā)送數(shù)據(jù)，但 CD4511I的輸出端 a～ g不會有輸出，因為 LE=1時， CD4511處于鎖存狀態(tài)。這時只要將要顯示 的數(shù)據(jù)的代碼輸入到 A～ D口，送完后，將 LE清零。這時便可以將要顯示的數(shù)據(jù)的代碼經CD4511譯碼后，從輸出端 a～ g輸出，送 LED顯示器顯示。這樣將每位要顯示的數(shù)據(jù)分別送入各個顯示器件，由各個 LE端控制，在合適的時間間隔內，由于視覺的延遲作用，我們可以看到各個清晰的數(shù)字 。 CD4511與單片機、數(shù)碼管組成的系統(tǒng)顯示模塊的總連接電路圖如圖 。 E A / V p p31P 1. 78P 1. 67P 1. 56P 1. 45P 1. 34P 1. 23P 1. 12P 1. 01WR16RD17P 2. 021P R O G / A L E30P 2. 122GND20R S T9P 3. 0 ( R X D )11X A L T 218V C C40X T A L 119P 2. 223P 2. 324P 2. 425P S E N29A T 89 C 5 1GND8LE5BI4D6LT3C2V C C16B1a13A7b12c11g14d10f15e9C D 4 51 1GND8LE5BI4D6LT3C2V C C16B1a13A7b12c11g14d10f15e9C D 4 51 1GND8LE5BI4D6LT3C2V C C16B1a13A7b12c11g14d10f15e9C D 4 51 1abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpabfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpabfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdp+ 5V 3 0 0 2 1R 2 44 70GNDR?1K 圖 顯示模塊電路連接圖 報警電路 采用電磁式蜂鳴器作為聲音報警的發(fā)聲器件，其工作原理為： 電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組 成。接通電源后，振 23 蕩器產生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產生磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發(fā)聲，當瓦斯?jié)舛瘸^限定值時，單片機 PNP型三極管 8550導通，蜂鳴器兩端腳產生壓差，從而發(fā)出聲音報警信號。其具體連接方法如圖 。 采用發(fā)光二極管串接限流電阻作為光報警的發(fā)光器件，當瓦斯?jié)舛瘸^限定值時，單片機 ，發(fā)出光亮，產生光報警信號。其具體連接方法如圖 。 蜂鳴器Q18 55 0+ 5VR11KP 2. 3R?1K LEDR1330+5V 圖 聲音報警電路 圖 光報警電路 電池電量監(jiān)測電路設計 本設計將用到 LM339集成塊內部 的 四個獨立的電壓比較器， LM339元件圖如圖 。該電壓比較器的特點有： (1) 失調電壓小，典型值為 2mV (2) 電源電壓范圍寬，單電源為 236V，雙電源電壓為 177。1V ～ 177。18V (3) 對比較信號源的內阻限制較寬 (4) 共模范圍很大，為 0～ ()Vo (5) 差動輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓 (6) 輸出端電位可靈活方便地選用 O u t p u t 21O u t p u t 12V c c3I n p u t 14+ In p u t 15I n p u t 26+ In p u t 27O u t p u t 3 14O u t p u t 4 13GND 12+ In p u t 4 11I n p u t 4 10+ In p u t 3 9I n p u t 3 8L M 3 3 9R?1KR?1K 圖 LM339元件圖 24 LM339的輸出端相當于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選 315K）。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。因為當輸出晶體三極管截止時，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負載的值 ,另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。 電量檢測電路采用了 四電壓比較器 LM339，用穩(wěn)壓管提供基準電壓，利用穩(wěn)壓管的反向擊穿導通特性，當電池的電壓大于相應穩(wěn)壓管的擊穿電壓時，由于運放的虛短和虛斷特性，反向輸入端與正向輸入端的電壓大小相等 ，使穩(wěn)壓管導通，穩(wěn)壓管導通后其內阻極小可忽略不計，則此時相當于 LM339的比較器的反向輸入端接至電池負極，此時運放正、反向輸入端間有差動電壓輸入，根據(jù)運算放大器特性，輸出端將有電壓輸出，經 100k電阻限流，使發(fā)光二極管發(fā)出光亮；若電池的電壓低于相應穩(wěn)壓管的擊穿電壓，則穩(wěn)壓管不導通，呈截止狀態(tài)，此時運算放大器的輸出端無電壓輸出，發(fā)光二極管不發(fā)出光亮。利用此原理，選擇合適的穩(wěn)壓管工作電壓，就可以用相應的發(fā)光二極管來顯示電池的電壓變化，從而顯示電池的電量變化，此法雖誤差較大，但電路簡單，無需外加過多的芯片，具有一 定實用性。具體連接圖如圖 。 671312AL M 3 39 ( 1 / 4 )8914312AL M 3 39 ( 1 / 4 )101113312AL M 3 39 ( 1 / 4 )1 N 47 3 4 1 N 47 3 5 1 N 47 3 7 1 N 47 3 8R11 00 K R41 00 KR61 00 KR 1 01 00 KR22 .2 KR82 .2 KR72 .2 KR 1 12 .2 KR31KR51KR91KR 1 21KL E D L E D L E DL E D452312AL M 3 39 ( 1 / 4 )9V 干電池R 1 34 .7 KR 1 44 .7 KR 1 54 .7 KR 1 64 .7 K 圖 電池電量監(jiān)測電路 25 4 系統(tǒng)軟件設計 現(xiàn)場單片機主程序設計 處于現(xiàn)場部分的單片機的程序設計，主要包括傳感器的初始化，傳感器的狀態(tài)控制，當傳感器完成預熱后，調用 A/D轉換子程序進行數(shù)據(jù)采集，然后進行數(shù)據(jù)的處理，當數(shù)據(jù)處理完畢后，就進行串行口通信，將得到的數(shù)據(jù)通過串行口送出，最后送至 PTR2020無線傳輸模塊進行發(fā)射 ,具體程序流程圖如圖 。 傳 感 器 初 始 化調 用 A / D 子 程 序數(shù) 據(jù) 處 理調 用 串 行 口 通 信 程 序送 P T R 2 0 0 0 模 塊結 束開 始 圖 現(xiàn)場單片機主程序流程 圖 手持部分單片機主程序設計 手持部分的單片機的主要程序流程，首先是系統(tǒng)的初始化，將所有系統(tǒng)進行初始化設置，然后就是調用串行口通信子程序，接收來自無線接收模塊 PTR2020的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)送入單片機進行數(shù)據(jù)的處理，經處理的后，將瓦斯?jié)舛蕊@示在數(shù)碼管上，比較瓦斯?jié)舛?，確定其是否大于設定的報警值，若大于，則進行聲、光報警，否則返回執(zhí)行，其具體流程圖如圖 。 26 系 統(tǒng) 初 始 化數(shù) 據(jù) 處 理接 收 P T R 2 0 0 0 數(shù) 據(jù)調 用 串 行 口 通 信 程 序顯 示 瓦 斯 濃 度結 束檢 測 值 ≥ 1 %聲 、 光 報 警YN開 始 圖 手持部分主程序流程圖 串行口子程序設計 本設計中的無線傳輸模 塊 PTR2020，其通過串行口與單片機的連接，并將數(shù)據(jù)傳送至單片機中，而串行口需要單獨編程，首先設置定時器 T1的工作方式和計數(shù)初值，當計數(shù)結束時產生中斷請求， CPU響應中斷并清除中斷標志，開始通過串行口發(fā)送數(shù)據(jù)，檢測數(shù)據(jù)是否發(fā)送完成，若未發(fā)送完，則返回繼續(xù)發(fā)送直至發(fā)送完成，發(fā)送的同時，手持部分的單片機開始接受數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)校驗，若校驗數(shù)據(jù)正確，則置數(shù)據(jù)有效標志位，否則置數(shù)據(jù)錯誤標志位，程序結束，具體程序流程圖如圖 。 27 設 置 定 時 器 T 1 工 作方 式 和 計 數(shù) 初 值中 斷 請 求響 應 中 斷 并 清 除 中 斷 標 志串 行 接 收串 行 發(fā) 送數(shù) 據(jù) 發(fā) 送 完 ？數(shù) 據(jù) 校 驗正 確 ？置 數(shù) 據(jù) 錯 誤標 志 位置 數(shù) 據(jù) 有 效標 志 位NYY結 束N開 始 圖 串行口子程序 流程圖 傳感器控制程序設計 由于瓦斯傳感器具有恢復和加熱兩種狀態(tài)，需要使用單片機對起進行控制，首先是傳感器的初始化，其后將單片機的 1，并用定時器延時 30s，對傳感器進行預熱，當 30s結束后，單片機進行數(shù)據(jù)采集，然后將 0，延時 45s,使傳感器處于恢復狀態(tài)。其程序流程圖如圖 。 28 傳 感 器 初 始 化數(shù) 據(jù) 采 集傳 感 器 加 熱 3 0 S單 片 機 P 2 . 1 口 置 1結 束傳 感 器 恢 復 4 5 S單 片 機 P 2 . 1 口 置 0開 始 圖 傳感器控制子程序流程圖 29 結 論 我國是世界上最大的煤炭生產和消費國，也是世界上少數(shù)幾個以煤為主要 能源的國家之一。據(jù)不完全統(tǒng)計， 2020年中國煤炭產量占世界產量的 35%，可事故傷亡人數(shù)卻占 80%. 2020年中國有 6009名煤礦工人因發(fā)生礦難而死亡。在這些事故中，瓦斯爆炸又占絕大多數(shù)，瓦斯災害己成為煤礦安全生產的大敵。 本文所做的工作有： (1) 完成了瓦斯?jié)舛葯z測儀的整體構思和設計。該檢測儀分為兩部分，即處于現(xiàn)場監(jiān)測點的部分和用戶手持的部分，各部分由相關部件組成，現(xiàn)場部分所檢測得來的數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊，傳送到手持部分的單片機中進行處理和判斷。 (2) 各部分元器件的選擇。 使用單片機 AT89C51作為 控制芯片，利用甲烷氣體傳感器、信號調理電路、 A/D轉換器、無線收發(fā)模塊、顯示電路、報警電路構成系統(tǒng)，在各部分的元器件的選擇中本著高性能、低成本的原則，按照設計要求做出選擇。 (3) 各個子系統(tǒng)的電路設計。該設計的子系統(tǒng)包括：檢測與變送單元、無線收發(fā)單元、數(shù)據(jù)處理單元、報警單元、顯示單元等。各子系統(tǒng)采用 AT89C51單片機來作為控制部件，協(xié)調各部分完成規(guī)定的任務，按照各部分的任務設計好電路圖，最后將各部分連在一起形成一個整體。 (4) 對整個系統(tǒng)進行論證。一個系統(tǒng)的設計，論證過程的必不可少的部分。首先對各系統(tǒng) 的電路圖連接方式和元器件的選擇進行論證，看能否實現(xiàn)其相對應的功能，有不妥當?shù)牡胤郊右孕薷模酝晟圃O計。其次是軟件部分的程序流程圖的論證，看是否正確，不正確給以更正。 通過這次設計過程，學會了如何運用已學的知識來完完整整地設計一個系統(tǒng)，這個系統(tǒng)包括環(huán)境參數(shù)測量、信號調理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)判斷、數(shù)據(jù)顯示和報警、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀鞑糠帧? 30 致 謝 參考文獻 [1] 陳新軍 .基于催化燃燒型瓦斯檢測的設計與實現(xiàn) .北京交通大學碩士學位論文 ,2020,5 [2] 王天福 .基于 AT89S52單片機的煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的研制 .江蘇大學碩士論文 ,2020,6 [3] 秦海濤 .基于 CAN 總線和無線傳輸技術的礦井瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)關鍵技術研究 .中北大學碩士論文 , 31 [4] 求是科技 .單片機典型外圍器件及應用實例 [M].北京 :人民郵電出版社， [5] 紀宗南等 .單片機外圍器件實用手