【導(dǎo)讀】而單片機(jī)傳感器近年來發(fā)展的相當(dāng)快，其本身具有速度快、精度高、操作簡便、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)，十分適合作為瓦斯監(jiān)控傳感器的核心。此類產(chǎn)品的可靠性、方便性和網(wǎng)絡(luò)化程度。此外，本設(shè)計(jì)采用了紅外傳感器，其具有氣體選擇性好，測量精度高，壽命長和不易老化等優(yōu)點(diǎn)。

　　

【正文】 G N DT X DR X DM A X 4 8 5 M A X 4 8 5BA ABR OR OD ID IG N DG N D 圖 314 上位機(jī) 與 PIC 單片機(jī)通 訊原理圖 圖 315 為一個使用光電隔離方式連接的 MAX485 芯片電路 。 PIC16F877的 USART 串口的 RXD、 TXD 通過光電隔離電路連接 MAX485 芯片的 RO、 DI引腳，控制信號 R/D 同樣經(jīng)光電隔離電路去控制 MAX485 芯片的 DE和 /RE 引腳。由 PIC16F877輸出的 R/D 信號通過光電隔離器件控制 MAX485 芯片的發(fā)送器 /接收器使能： R/D 信號為 “1” ，則 MAX485 芯片的 DE 和 /RE 引腳為 “1” ，發(fā)送器有效，接收器禁止，此時(shí) PIC16F877 可以向 RS485 總線發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)； R/D 信號為 “0” ，則 MAX485 芯片的 DE 和 /RE 引腳為 “0” ，發(fā)送器禁止，接收器有效，此時(shí) PIC16F877 可以接收來自 RS485 總線的數(shù)據(jù)字節(jié)。任一時(shí)刻， MAX485 芯片中的 “ 接收器 ” 和 “ 發(fā)送器 ” 只能夠有 1 個處于工作狀態(tài)。鉗位于 的 TVS 管 D D D8 都是用來保護(hù) RS485 總線的，避免 RS485 總線在受外界干擾時(shí)（雷擊、浪涌）產(chǎn)生的高壓損壞 RS485 收發(fā)器。 電路中的 L L C18， C19 用于提高電路的 EMI 性能。附加的保護(hù)電路能夠?qū)?MAX485 芯片起到良好的保護(hù)效 果。連接至 A 引腳的上拉電阻 R3接至 B 引腳的下拉電阻 R34 用 于保證無連接的 MAX485 芯片處于空閑狀態(tài)，提供網(wǎng)絡(luò)失效保護(hù)，以提高 RS485 節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)的可靠性。 使用 DCDC 器件 28 可以產(chǎn)生 1 組與 PIC16F877 電路完全隔離的電源輸出，用于向 RS485 收發(fā)器電路提供 +5V 電源。 如圖 316 所示。 R C 6R C 7U 106N 317U 116N 317U96N 317R 2510K+ 5VR 261KR 271K+ 5V+ 5VQ3P N PR 281KR 2910KR 3010K+ 5V+ 5VR01R E /2DE3DI4B7A6G N D5V c c8U8M A X 485 1R 311KR 33120ΩR 32680ΩR 34680Ω+ 5VC 180. 1uFC 190. 2uFL2220uHL1220uHD6P 6K E AD7P 6K E AD8P 6K E A123J3C O N 3V out40V3V i n2G N D1U 13B 0505S 1W+ 5VC 201uFR 37270ΩR C 0G N D 2G N D 2G N D 2G N D 2G N D 2G N D 1G N D 1G N D 2 圖 315 RS485 與 PIC16F877 通信電路 V o u t40V3V i n2G N D1U 1 3B 0 5 0 5 S 1 W+ 5 VV 4 8 5C 2 01uR 3 72 7 0 圖 316 DCDC電源 RS232485 轉(zhuǎn)換 電路 主要包括了電源、 232 電平轉(zhuǎn)換、 485 電路三部分 。如圖 317所示。 MAX485 是通過兩個引腳 RE/（ 2 腳）和 DE（ 3腳）來控制數(shù)據(jù)的輸入和輸出。當(dāng) RE為低電平時(shí)， MAX485 數(shù)據(jù)輸入有效；當(dāng) DE為高電平時(shí)， MAX485 數(shù)據(jù)輸出有效。在半雙工使用中，通?？梢詫⑦@兩個腳直接相連，然后由 PC或者單片機(jī)輸出的高低電平就可以讓 MAX485 在接收和發(fā)送狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換了。平時(shí) MAX232 的 9 腳輸出高電平，經(jīng) Q4 倒相后，使 MAX485 的 RE和 DE為低電平而處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。當(dāng) PC 機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)， MAX232 的 9 腳輸出低電平，經(jīng) Q4倒相后，使 MAX485 的 RE 和 DE為高電平而處于數(shù) 據(jù)發(fā)送狀態(tài) 。 29 162738495J2D B 9C 1 +1C 1 3C 2 +4C 2 5T 1 I N11R 1 O U T12V6G N D15R 2 I N8T 2 O U T7R 2 O U T9T 2 I N10R 1 I N13T 1 O U T14V+2V C C16U7M A X 2 3 2R01R E /2DE3DI4B7A6G N D5V c c8U 1 4M A X 4 8 5 1123J1C O N 3R 2 11kR 2 21k+ 5 V+ 5 VQ4N P NR 2 31 2 K+ 5 VR 2 41 0 KC 1 30 . 1 u FC 1 40 . 1 u FC 1 70 . 1 u FC 1 60 . 1 u FC 1 50 . 1 u FG N D 1G N D 1G N D 1G N D 1G N D 1G N D 1G N D 1 G N D 1G N D 2 圖 317 RS232/RS485 轉(zhuǎn)換電路圖 報(bào)警、 顯示電路設(shè)計(jì) 圖 318 是報(bào)警電路原理圖。 本設(shè)計(jì)中的聲光報(bào)警系統(tǒng)主旨在說明報(bào)警的原理，并未考慮實(shí)際情況。當(dāng)瓦斯的濃度超過設(shè)定的上限值時(shí)，單片機(jī)通過比較判斷，在 RB RB7 管腳上輸出高電平，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，同時(shí)蜂鳴器U6 發(fā)出警報(bào)。在真正的工作場合使用的聲光報(bào)警，還需設(shè)置 大功率 驅(qū)動電路 。 D5L E DR 1 84 7 0 ΩR 1 94 7 0 ΩU6B U Z Z E RQ2N P NR 2 01K+ 5 VRB6RB7G N D 1G N D 1 圖 318 聲光報(bào)警電路 30 顯示電路使 用的是 PIC 單片機(jī)的驅(qū)動能力很強(qiáng)，因此 直接驅(qū)動 LED（發(fā)光二極管）進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示 。 RC2～ RC5 是使能端， RD0～ RD7 用來傳 送數(shù)據(jù) 即顯示值。如圖 319所示 。 L E D 1數(shù)碼管R a 1 0 0 * 8RbRcRdReRfRgRhQ5Q6Q7Q8+ 5 VR 1 7 4 7 0 k * 8R 3 5R 3 7R 3 6RD7RD6RD5RD4RD3RD2RD1RD0a b c d e f g dpC O M1C O M2C O M3C O M4R C 2R C 3R C 4R C 5 圖 319 顯示電路 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì) 井下直流電壓最低 為 36V，所以本設(shè)計(jì)的電源是在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。LM317 是可調(diào)節(jié)的三端穩(wěn)壓器，在輸出電壓范圍為 ～ 37V 時(shí)能提供超過 的電流。此穩(wěn)壓器非常易于使用，只需要兩個外部電阻來設(shè)置輸出電壓。此外還使用 內(nèi)部限流，熱關(guān)斷和安全工作區(qū)補(bǔ)償，使之基本能防止燒斷保險(xiǎn)絲， 如圖 320所示 。 31 圖 320 中， D1 和 D2的作用是：當(dāng)輸出短路時(shí)， C6上電壓被 D2 泄放 掉，從而達(dá)到反偏保護(hù)的目的。此外當(dāng)輸入短路時(shí)， C7 等元件上儲存的電壓會通過 D1泄放，用于防止內(nèi)部調(diào)整管反偏。 C6 用于提高 IC 的紋波抑制能力。 C5 D2I N 4 0 0 2D1 I N 4 0 0 2C61 0 u FC71 0 u FC5R 1 52 0 0 ΩR 1 6+ 5 V+ 3 6 VG N D 1L M 3 1 7U 3 A 圖 320 系統(tǒng)電源 用于輸入濾波； C7 用以改善 IC 的瞬態(tài)響應(yīng) 。 在大電流輸出時(shí)， IC會因溫度過高而截止，必須加適當(dāng)面積的散熱器。 R16 應(yīng)選用線性電位器。 電壓 Vcc的計(jì)算公式如下： ? ?1 6 1 51. 25 1 /CCV R R V?? （ 313） 32 第 4 章 軟件部分設(shè)計(jì) 系統(tǒng)功能說明 紅外瓦斯傳感器 在 4 Hz 脈動光源作用下 ,測量 探測器和參考探測器產(chǎn)生與礦井下甲烷氣體濃度成比例的輸出信號 ,經(jīng)前置放大濾波電路處理后 ,送 A /D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號 ,單片機(jī)讀取 A /D 轉(zhuǎn)換結(jié)果 ,按照特定的算法得到氣體濃度值 ,并在數(shù)碼管上顯示 ,同時(shí)經(jīng)通信接口電路和電纜 ,將數(shù)據(jù)送地面工作站 ,實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊倪B續(xù)實(shí)時(shí)檢測。如果檢測氣體濃度值超過傳感器濃度報(bào)警設(shè)定值 ,則發(fā)出聲光報(bào)警提示。 主程序流程圖 與 上 位 機(jī)通 訊初 始 化 報(bào) 警 限數(shù) 據(jù) 采 集及 處 理顯 示報(bào) 警 輸 出Y關(guān) 閉 警 報(bào)N 圖 41 主程序流程圖 33 A/D 轉(zhuǎn)換程序流程圖 設(shè) 置 A D C O N 1A / D 轉(zhuǎn) 換 設(shè) 置 為 ： 8 分 期 ， 1 路 A / D 通 道設(shè) 置 輸 入 端 口設(shè) 置 定 時(shí) 器 0 : 帶 分 頻 模 式分 頻 比 1 ： 2 5 6開 始 A / D 轉(zhuǎn) 換寫 A / D 結(jié) 果 到 指 寄 存 器定 時(shí) 器 0 ， 溢 出 ？A / D 轉(zhuǎn) 換 結(jié) 束 ？開 始是否是否 圖 42 A/D 轉(zhuǎn)換程序流程圖 34 鍵盤轉(zhuǎn)換程序 開 始設(shè) 置 端 口鍵 盤 掃 描 子 程 序調(diào) 用 延 時(shí) 子 程 序延 時(shí) 1 0 0 m s有 按 鍵 按 下 ？調(diào) 用 鍵 盤 掃 描 子 程序有 按 鍵 按 下 ？調(diào) 用 按 鍵 查 詢子 程 序調(diào) 用 顯 示 子 程 序調(diào) 用 鍵 盤 掃 描子 程 序按 鍵 已 釋 放 ？調(diào) 用 延 時(shí) 子 程 序1 0 0 m s 圖 43 鍵盤程序流程圖 35 第 5 章 上位機(jī)軟件 計(jì)算機(jī)可選用 Delphi、 VC 及 VB 等軟件來實(shí)現(xiàn)串行通信，方法有調(diào)用Windows 的 SDK 函數(shù)進(jìn)行串口通信，調(diào)用 Windows API 通信函數(shù)。 MSComm 控件。 VC++類 CSerial 等。不論 PC 機(jī)采用哪種軟件，串行通信時(shí)計(jì)算機(jī)與 PIC單片機(jī)的硬件連接方式是相同的， PIC 程序的設(shè)計(jì)也是相同的。 本 設(shè)計(jì)使用了 PIC 單片機(jī)的同步 /異步收發(fā)器（ USART） 和計(jì)算機(jī)進(jìn)行串口通信。計(jì)算機(jī)的通信軟件采用 VC++ 編寫。具體是利用 MSComm 控件完成和 PIC 單片機(jī)的通信。 計(jì)算機(jī)端 VC 通信程序的編寫 串 口 初 始 化等 待 消 息數(shù) 據(jù) 處 理發(fā) 送 或 接 收 消 息結(jié) 束 ？開 始YN 圖 51 計(jì)算機(jī)串口通信程序流程圖 36 計(jì)算機(jī)端 VC 程序的程序流程圖如圖 51 所示。 編程是采用基于對話框的主體程序框架結(jié)構(gòu) ，串口通信部分采用 MSComm控件完成。具體步驟如下： （ 1）創(chuàng)建工程；（ 2）添加相應(yīng)的資源；（ 3）添加成員變量；（ 4）消息映射（ 5）添加程序代碼 PIC 單片機(jī)匯編程序的編寫 此程序首先將計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)接收過來，然后再將其自加 1，再傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)的對話框再將接收到的數(shù)據(jù)顯示出來。具體的程序流程圖如圖52所示。 設(shè) 置 波 特 率 發(fā) 生器發(fā) 送 使 能設(shè) 置 接 收 狀 態(tài) 控制 寄 存 器發(fā) 送 數(shù) 據(jù)設(shè) 置 端 口 C對 接 收 的 數(shù) 據(jù) 加上 R C O D E調(diào) 用 延 時(shí) 程 序設(shè) 置 發(fā) 送 狀 態(tài) 兼控 制 寄 存 器清 中 斷 使 能開 始已 收 到 數(shù) 據(jù) ？已 發(fā) 送 數(shù) 據(jù) ？否是否是 圖 52 單片機(jī)串口通信程序流程圖 37 結(jié)論 氣體檢測在環(huán)境保護(hù)，工業(yè)應(yīng)用和防止氣體泄漏等領(lǐng)域都有重要的價(jià)值。本 設(shè)計(jì) 利用差分式非分光紅外吸收的原理，采用 PIC 單片機(jī)對甲烷氣體進(jìn)行檢測。與傳統(tǒng)的甲烷氣體檢測儀相比，這種甲烷檢測儀具有使用壽命長，無需人工校準(zhǔn)， 防爆防塵性好，精度高等優(yōu)點(diǎn)。 本設(shè)計(jì)著重闡述了基于 PIC 單片機(jī)的差分式非分光甲烷氣體檢測儀的總體設(shè)計(jì)思路，結(jié)構(gòu)構(gòu)成和軟件流程。 能準(zhǔn)確獲取甲烷氣體濃度的方法與算法對紅外傳感頭輸出的雙通道信號 S1 和 S2 同時(shí)采樣 ,確