【正文】 A/D 轉(zhuǎn)換器 ICL7109 的外圍電路設(shè)計(jì)如圖 所示。在這里我們經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換器 ICL7109 將其進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 3 39 腳： REF IN+、 REF IN，基準(zhǔn)電壓輸入正端與負(fù)端 3 38 腳： REFCAP+、 REFCAP，基準(zhǔn)電容輸入端。 31 腳： AZ，自零電容端，接自零電容 AZC 。 27 腳： SEND，與外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換控制端。 24 腳： OSCSET，時鐘振蕩器方式選擇端，高電平時采用 RC 振蕩器工作方式，低電平時采用品體振蕩器工作方式。 2l 腳： MODE，工作方式選擇端。 17 腳： TEST，自身功能檢測端。為 “1”時表示正信號輸入，為 “0”時表示負(fù)信號輸入。 G N D1S T A T U S2P O L3OR4B 1 25B 1 16B 1 07B98B89B710B611B512B413B314B215B116T E S T17L B E N18H B E N19C E / L O A D20M O D E21O S C I N22O S C O U T23O S C S E T24B U F O U T25R U N / H O L D26S E N D27V28R E F O U T29B U F30AZ31I N T32C O M33I N L O34I N L I35R E F I N +36R E F C A P +37R E F C A P 38R E F I N 39V C C40I C L 7 1 0 9 圖 ICL7109的管腳圖 由 ICL7109 的引腳圖可見其采用 40 腳封裝，其中各個引腳的功能意義如下： 1 腳： GND，邏輯地。 在選用 A/D 轉(zhuǎn)換之前，主要應(yīng)根據(jù)使用的場合的具體要求，按照轉(zhuǎn)換速度，精度，價格，功能以及接口條件來決定選擇何種類型?？梢?， A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，其分辨率越高，但轉(zhuǎn)換速度 就越慢。與一般測量儀表的分辨率 表達(dá)方式不同， A/D 轉(zhuǎn)換器不采用可分辨的輸入模擬電壓相對值表示，例如 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0809 的分辨率為 8 位，即該轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)可以用 82 個二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行量化，其分辨率為 1LSB。從理論上講這種A/D 的分辨率幾乎可以無限增加，只要采樣的時間能夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個數(shù)的寬度。如果用電容陣列取代電阻陣列，可以用低廉成本制成高精度單片 A/D 轉(zhuǎn)換器。電路的數(shù)字部分基本上容易單片 化，因此容易做到高分辨率。還有分成三步或多步實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換 的叫做分級（ Multistep/Subrangling）型 A/D，而從轉(zhuǎn)換時序角度 又可稱為流水線（ Pipelined）型 A/D，現(xiàn)代的分級型 A/D 中還加入了對多次轉(zhuǎn)換結(jié)果作數(shù)字運(yùn)算而修正特性等功能。其優(yōu)點(diǎn)是速度較高、功耗低，在低分辯率（ 12 位）時價格便 宜，但高精度（ 12位）時價格很高。其優(yōu)點(diǎn)是用簡單電路就能獲得高分辨率， 但缺點(diǎn)是由于轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時間，因此轉(zhuǎn)換速率極低。校準(zhǔn)后的傳感器就可以用來監(jiān)測實(shí)際中各個不同的瓦斯 濃度了。在調(diào)節(jié)確定 MQ4的可調(diào)負(fù)載電阻值時，以空氣中甲烷濃度值為 5000ppm時作為校準(zhǔn)，此時觀察顯示部分電路，又因?yàn)橐箫@示的瓦斯?jié)舛染纫髢?yōu)于 5%，即準(zhǔn)確顯示的范圍為 5000ppm（ 1? 5%）也就是 4750ppm～ 5250ppm的范圍內(nèi)，若不在該范圍內(nèi)則說明甲烷傳感器的靈敏度不夠高，需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。 由上可得 MQ4型氣敏元件對不同種類，不同濃度的氣體有不同的電阻值。 相對濕度： 65%177。 表 MQ4的環(huán)境條件 符號 參數(shù)名稱 技術(shù)條件 備注 Tao 使用溫度 10℃ 50℃ Tas 儲存溫度 20℃ 70℃ RH 相對濕度 小于 95%RH O2 氧氣濃度 21%(標(biāo)準(zhǔn)條件 ) 氧氣濃度會影響靈敏度 最小值大于 2% MQ4的測試電路及靈敏度調(diào)節(jié) （ 1） 測試電路 我們設(shè)計(jì)的 MQ4 測試電路如圖 所示，其中可調(diào)節(jié)電阻 R3 是用來調(diào)整傳感器的靈敏度的。 表 MQ4的部件及說明 部件 材料 1 氣體敏感層 二氧化錫 2 電極 金 （ Au） 3 測量電極引線 鉑（ Pt） 4 加熱器 鎳鉻合金（ Ni— Cr） 5 陶瓷管 三氧化二鋁 表 MQ4的部件及說明（續(xù)） 6 防爆網(wǎng) 100目雙層不銹鋼 (SUB316) 7 卡環(huán) 鍍鎳銅材（ Ni— Cu） 8 基座 膠木 9 針狀管腳 鍍鎳銅材（ Ni— Cu） MQ4 標(biāo)準(zhǔn)工作條件 MQ4 的標(biāo)準(zhǔn)工作條件見表 所示。 MQ4的結(jié)構(gòu)外形 MQ4 氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖 所示。因?yàn)?，即使是測量同一物理量，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??；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸 式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進(jìn)口，還是自行研制 ； 價格能否承受 等 。 （ 7）濕度特性 ， 氣敏元件的特性隨環(huán)境 濕度 的不同而發(fā)生變化的 特性 稱 為濕度特性。 （ 4）檢測和報(bào)警要迅速。 接觸燃燒式 其原理是化學(xué)溶劑與氣體反應(yīng)產(chǎn)生使電導(dǎo)率發(fā)生變化。 氣體傳感器的分類 氣體傳感器又叫氣敏傳感器，主要用來監(jiān)測氣體的特定成分。氧濃度低于 12％時，混合氣體就失去爆炸性。 在正常的大氣環(huán)境中，瓦斯只在一定的濃度范圍內(nèi)爆炸 ?，F(xiàn)對煤礦的主要成分甲烷進(jìn)行論述。了解各種可燃?xì)怏w、蒸汽或粉塵的爆炸極限， 對于 做好防火、防爆工作有重要 意義。在 “發(fā)生爆炸范圍濃度 ”內(nèi)，有一個最低的爆炸濃度叫做爆炸下限 ；還有一個最高的爆炸濃度叫爆炸上限。 根據(jù)單片各個接口功能， 我們 將 單片機(jī) 89S51 的 I/O 口分配如下： P0 口： A/D 轉(zhuǎn)換器 ICL7109 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)的輸入接口； P1 口：其中 接 +5V 的直流蜂鳴器當(dāng) 低電平 時蜂鳴器蜂鳴； 接發(fā)光二極管 LED， 當(dāng) =1 時發(fā)光二極管發(fā)光，其和蜂鳴器結(jié)合就是我們所要實(shí)現(xiàn)的聲光報(bào)警； ～ 作為數(shù)碼管顯示部分的位選； 作為 7109 的片選； P2 口我們僅用了 和 作為 7109 的數(shù)據(jù)選通端； P3： （ RXD）和 （ TXD）用于 I/O 口的擴(kuò)展。 XTAL1（ 19 腳）：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。另外，該引腳被略微拉高。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。在給出地址 “1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 圖 AT89S51的內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)圖 圖 AT89S51引腳圖 P2口 (21 腳～ 28 腳 )： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位 雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫 “1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時， P0 輸出原碼，此時 P0外部必須被拉高。 GND(20 腳 )：接地。 AT89S51 具有 40 個引腳， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時內(nèi)含 2 個外中斷口， 2 個 16位 可編程定時計(jì)數(shù)器 ， 2 個全雙工串行通信口， AT89S51 可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。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、 9 管腳完全兼容，而且它將通用 CPU 和在線可編程 Flash 集成在一個芯片上。 單片機(jī)改變了我們 生活 ， 縱觀我們現(xiàn)在生活的各個領(lǐng)域 ， 從導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置 ， 到飛機(jī)上各種儀表的控制 ， 從 計(jì)算 機(jī)的 網(wǎng)絡(luò) 通訊與數(shù)據(jù)傳輸 ， 到 工業(yè) 自動化過程的實(shí)時控制和數(shù)據(jù)處理 ， 以及我們生活中廣泛使用的各種智能 IC 卡、 電子 寵物等 ， 這些都離不開單片機(jī) ， 單片機(jī)有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著低價位 OTP(One Time Programble)及各種特殊類型片內(nèi)程序存儲器的 發(fā)展 ， 加之處圍接口不斷進(jìn)入片內(nèi) ， 推動了單片機(jī) “單片 ”應(yīng)用結(jié)構(gòu)的發(fā)展?，F(xiàn)指令速度最高者已達(dá) 100MIPS(Million Instruction Per Seconds， 即兆指令每秒 )， 并加強(qiáng)了位處理、中斷和定時控制功能。為了適應(yīng)這種領(lǐng)域的要求 ， 須運(yùn)用新的工藝 ， 使片內(nèi)存儲器大容量化。此外還有 MOTOROLA 公司的產(chǎn)品 ， 日本幾大公司的專用單片機(jī)?，F(xiàn)在的許多單片機(jī)都具有多種封裝形式 ， 其中 SMD(表面封裝 )越來越受歡迎 ， 使得由單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)正朝微型化方向發(fā)展。所以這種工藝將是今后一段時期單片機(jī)發(fā)展的主要途徑。目前生產(chǎn) CHMOS(互補(bǔ)高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝 )電路意境能夠達(dá)到 LSTTL 的傳輸速度，延遲時間小于 2ns，其綜合優(yōu)勢已大于 TTL 電路，所以單片機(jī)領(lǐng)域 CMOS 正逐漸取代 TTL 電路?？v觀單片機(jī)的發(fā)展過程 ，可以預(yù)示單片機(jī)的發(fā)展趨勢正朝著高性能和多產(chǎn)品方向發(fā)展。為使單片機(jī)能自動完成某一特定任務(wù)，必須把要解決的問題編成一系列指令（這些指令必須是選定單片機(jī)能識別和執(zhí)行的指令），這一系列指令的集合就成為程序，程序需要預(yù)先存放在具有存儲功能的部件存儲器中。 單片機(jī)簡介 單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU 隨機(jī)存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時器 /計(jì)時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、 A/D 轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 。 單片機(jī)處理部分作為本系統(tǒng)的核心部分，其主要的功能是檢測氣體濃度，并根據(jù)此信號來控制不同的操作。這里的 ICL7109 是一種雙積分的 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，其性能價格比很高，是一種高精度、低噪聲、低漂移 A/D 轉(zhuǎn)換器。 由圖可以看出煤礦瓦斯監(jiān)測報(bào)警器的硬件部分設(shè)計(jì)是以單片機(jī)系統(tǒng)為核心，用于整個設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理、聲光報(bào)警電路等正常工作。 圖 方案二總體框圖如圖 所示。系統(tǒng)可以分兩個部分，前一部分主要是關(guān)于傳感器的信號，氣敏傳感器 放大電路 FPGA 數(shù)碼模塊 報(bào)警模塊 復(fù)位電路 晶振電路 電源電路 按鍵電路 ADC0809 5 包括信號的監(jiān)測、 放大 大和 A/D 轉(zhuǎn)換。 圖 基于 FPGA的總體設(shè)計(jì)模塊 方案一總體框圖如圖 所示。基于這個思路，我們研究設(shè)計(jì)了 瓦斯 氣體監(jiān)控系統(tǒng)。通過軟硬件的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)對瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測并且當(dāng)其濃度超過預(yù)警值時可進(jìn)行聲光報(bào)警。論文首先闡述了 CH4 監(jiān)測系統(tǒng)同的發(fā)展及狀況。 用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)其具體控制功能如下： 能夠連續(xù)測量瓦斯氣體，用四位數(shù)碼管顯示瓦斯的實(shí)際濃度值。目前，國內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的配套傳感器主要存在 兩大 問題：一 是 品種不全，用于檢測環(huán)境參數(shù)的傳感器較多，而用于生產(chǎn)設(shè)備工作運(yùn)行狀況參數(shù)的傳感器少；二 是現(xiàn)有的傳感器不同程度存在精度差、可靠性不高的缺陷特別是用于瓦斯綜合治理和災(zāi)害預(yù)測的甲烷傳感器， 也 存在使用壽命短、工作穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約著礦井瓦斯的 安全 檢測。 已安裝的瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)型號各異，信號傳輸方式不盡相同，有的采取時分制，有的采取頻 3 分制，還有的利用載波傳輸，給系統(tǒng)的管理、使用、維護(hù)以及聯(lián)網(wǎng)帶 來諸多不便。 國內(nèi)對瓦斯的檢測以甲烷檢測為主 ， 毒氣的檢測以一氧化碳檢測為主 。 氣體敏感元 件的性能便攜式氣體監(jiān)測儀表使用的氣體敏感元件性能即代表了儀表整體的性能。經(jīng)過 20 多年的努力，氣體檢測儀表的敏感元件性能、質(zhì)量有了根本性的改善。因此煤層瓦斯?jié)舛鹊拇笮≈苯佑绊懨旱V的設(shè)計(jì)、建設(shè)、安全生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)利益。瓦斯的主要成份是甲烷，一氧化碳，二氧化碳，二氧化硫和硫化氫等。隨著煤礦開采技術(shù)手段的不斷改進(jìn)和開采規(guī)模的擴(kuò)大及開采深度的不斷延伸，安全隱患越來越多，瓦斯事故特別是中、特大瓦斯事故在煤礦事故中所占的比例也越 來越高。然而，中國煤炭行業(yè)的安全形勢卻不容樂觀，尤其是重、特大 瓦斯爆炸 事故屢見報(bào)端， 2020 年全國煤礦發(fā)生瓦斯事故 135 起，死亡 593 人。當(dāng)實(shí)際濃度超限時進(jìn)行聲光報(bào)警并同