【正文】 通過(guò) 這次設(shè)計(jì)過(guò)程，學(xué)會(huì)了如何運(yùn)用已學(xué)的知識(shí)來(lái)完完整整地設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)包括環(huán)境參數(shù)測(cè)量、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)判斷、數(shù)據(jù)顯示和報(bào)警、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀鞑糠帧? (4) 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行論證。 使用單片機(jī) AT89C51作為控制芯片，利用甲烷氣體傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、 A/D轉(zhuǎn)換器、無(wú)線收發(fā)模塊、顯示電路、報(bào)警電路構(gòu)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(shè)計(jì)要求做出選擇 。在這些事故中，瓦斯 爆炸又占絕大多數(shù)，瓦斯災(zāi)害己成為煤礦安全生產(chǎn)的大敵。 27 設(shè) 置 定 時(shí) 器 T 1 工 作方 式 和 計(jì) 數(shù) 初 值中 斷 請(qǐng) 求響 應(yīng) 中 斷 并 清 除 中 斷 標(biāo) 志串 行 接 收串 行 發(fā) 送數(shù) 據(jù) 發(fā) 送 完 ？數(shù) 據(jù) 校 驗(yàn)正 確 ？置 數(shù) 據(jù) 錯(cuò) 誤標(biāo) 志 位置 數(shù) 據(jù) 有 效標(biāo) 志 位NYY結(jié) 束N開(kāi) 始 圖 串行口子程序流程圖 傳感器控制程序設(shè)計(jì) 由于瓦斯傳感器具有恢復(fù)和加熱兩種狀態(tài)，需要使用單片機(jī)對(duì)起進(jìn)行控制，首先是傳感器的初始化，其后將單片機(jī)的 1，并用定時(shí)器延時(shí) 30s，對(duì)傳感器進(jìn)行預(yù)熱，當(dāng) 30s結(jié)束后，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后將 0，延時(shí) 45s,使傳感器處于恢復(fù)狀態(tài)。具體連接圖如圖 。選不同阻值的上拉 電阻會(huì)影響輸出端高電位的值。 蜂鳴器Q18 55 0+ 5VR11KP 2. 3R?1K LEDR1330+5V 圖 聲音報(bào)警電路 圖 光報(bào)警電路 電池電量監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)將用到 LM339集成塊內(nèi)部 的 四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器， LM339元件 圖如圖 。振動(dòng)膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動(dòng)發(fā)聲，當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^(guò)限定值時(shí)，單片機(jī) 輸出低電平使 PNP型三極管 8550導(dǎo)通，蜂鳴器兩端腳產(chǎn)生壓差，從而發(fā)出聲音報(bào)警信號(hào)。這樣將每位要顯示的數(shù)據(jù)分別送入 各個(gè)顯示器件，由各個(gè) LE端控制，在合適的時(shí)間間隔內(nèi)，由于視覺(jué)的延遲作用，我們可以看到各個(gè)清晰的數(shù)字 。 V C C 1CS 2DO 3DI 4P W R 6T X EN 7GND 5P TR 2 0 0 0 + 5 VP 3 . 0 V C C 1CS 2DO 3DI 4P W R 6T X EN 7GND 5P TR 2 0 0 0 + 5VP 3. 1 圖 發(fā)射端 PTR2021連接圖 圖 接收端 PTR2021連接圖 LED顯示電路設(shè)計(jì) LED顯示器分為共陽(yáng)極和共陰極兩種，兩者輸入代碼不同，本設(shè)計(jì)采用共陰極數(shù)碼管作為顯示器件 。 PTR2021的TXEN腳在本設(shè)計(jì)中分為現(xiàn)場(chǎng)部分和手持部分，每部分都只使用其發(fā)射或接收中的一種功能，現(xiàn)場(chǎng)部分的 PTR2021模塊的 TXEN=1，接到 VCC上， PTR2021處于發(fā)射狀態(tài)，手持部分的 TXEN=0，接到 GND上， PTR2021處于接收狀態(tài)。 PTR2021的 DO腳連接 AT89C51的 RXD腳。 表 PTR2021引腳功能說(shuō)明 管腳序號(hào) 名稱(chēng) 功能 1 VCC 正電源端， ～ 2 CS 頻道選擇端， CS=0選擇工作頻道 1，即 433． 92MHz； CS=1選擇工作頻道 2，即 3 DO 數(shù)據(jù)輸出端 4 DI 數(shù)據(jù)輸入端 5 GND 電源地端 6 PWR 節(jié)能控制端。 AD 轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出也通過(guò) P0 口數(shù)據(jù)總線連至 AT89C51，由于我們只使用了 8 位數(shù)據(jù)口， 12 位數(shù)據(jù)分兩次讀進(jìn) AT89C51，所以當(dāng) AT89C51的 查詢(xún)到 STS 端轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)后，先將轉(zhuǎn)換后的 12 位 A/D 數(shù)據(jù)的高 8 位讀進(jìn)單片機(jī)，然后再將低 4 位讀進(jìn)單片機(jī)。 8 BOUT 10V 基準(zhǔn)電源電壓輸出端 9 AG 模擬地端。當(dāng)為高電平是，進(jìn)行 8 位轉(zhuǎn)換，為低電平進(jìn)行 12 位轉(zhuǎn)換 5 R/C 讀出或轉(zhuǎn)換控制信號(hào)，用于控制 ADC574A 是轉(zhuǎn)換還是讀出。5V 和 0—177。 62CH 4 _ INXX5 1 6 1 2V = =R + 5 1 R + 5 1?? （ ） + 6V+C11 0u FC20 .1 u FR31 0KQ18 05 0R23KR15 10Q28 05 0R451+5IN1OUT2T2M Q 2 14O P 07R51 0KR71 0KR62 0KO P 07+ 15 V 1 5 V+ 15 V 1 5 VR91 0KR 1 01 0KR81 0KGNDGNDC H 4 _I NC H 4 _K Z 圖 信號(hào)采集及調(diào)理電路圖 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 AD574A原理及連接方法 AD574A是美國(guó)模擬數(shù)字公司 (Analog)推出的單片高速 12位逐次比較型 A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換芯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個(gè)完整的 A/D 轉(zhuǎn)換器。 MQ214的加熱電阻為 20～ 100Ω，因此， T2第 2腳的電壓最大為51/(51+20)]6≈，最小為 [51/(51+100)]6≈2V； 選擇 A/D轉(zhuǎn)換器 AD574A的最高輸入電壓為 10V的模擬輸入端，范圍為 0～ 10V，為了使調(diào)理電路輸出電壓在合理的范圍內(nèi)，電路使用了反向放大 2倍的放大電路；同時(shí)，為了保持相位與輸入信號(hào)相同，在后一級(jí)使用反向放大倍數(shù)為 1的放大器。本設(shè)計(jì)利用 AT89C51的 ，當(dāng)?shù)竭_(dá)加熱或恢復(fù)時(shí)間后，由CH4_KZ端輸入的控制電平，切換 2種工作狀態(tài)。在不同的測(cè)試條件下，其終止電壓和使用壽命如表 所示 。因現(xiàn)場(chǎng)部分的電路中需使用到不同的電源電壓值，例如：傳感器需要 +6V的標(biāo)準(zhǔn)電壓，而 A/D轉(zhuǎn)換器則需要 177。該器件采用 ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于 51系列在我國(guó)使用最廣且該系列的資料和能夠兼容的外圍芯片也比較多，特別是 ATMEL公司推出的AT89C51單片機(jī)，其具有較高的性能價(jià)格比和較高的抗干擾能力。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)。以往設(shè)計(jì)無(wú)線數(shù)傳產(chǎn)品常常需要相當(dāng)多的無(wú)線電專(zhuān)業(yè)知識(shí)和昂貴的專(zhuān)業(yè)設(shè)備，而且傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方案不是電路太復(fù)雜就是調(diào)試?yán)щy，而令人望而卻 步，以至影響了用戶(hù)的使用和新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)研制工作。此處 建議使用 1000ppm液化氣或 5000ppm甲烷校準(zhǔn)傳感器。 圖 MQ214型氣敏元件的溫濕度特性曲線， Ro： 20℃ ， 33%RH條件下， 5000ppm甲烷中元件電阻。 相對(duì)濕度： 65%177。 表 標(biāo)準(zhǔn)工作條件 符號(hào) 參數(shù)名稱(chēng) 技術(shù)條件 備注 Vc 回路電壓 6V177。負(fù)端串接一電阻后，通過(guò)其在不同的瓦斯氣體中的電阻值的變化來(lái)確定瓦斯?jié)舛鹊拇笮。谴呋趸偷囊环N氣體傳感器，具有抗氣體干擾能力強(qiáng)、選擇性好、反應(yīng)速度快、靈敏度高、線性和穩(wěn)定性好、功耗低、壽命長(zhǎng)、體積小等特點(diǎn)。 (3) 指示表結(jié)構(gòu) 為了使井下工作人員及時(shí)地了解瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，隔爆型儀表帶有指示表。如外殼的各配合面 (隔爆面 )的間隙大小和長(zhǎng)度要符合 準(zhǔn)規(guī)定要求，另一方面外殼要有一定的機(jī)械強(qiáng)度，須達(dá)到外殼內(nèi)部爆炸參考?jí)毫Φ?壓力不損壞和變形等。其工作原理是現(xiàn)場(chǎng)瓦斯?jié)舛韧ㄟ^(guò)瓦斯傳感器 MQ214探頭及信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電信號(hào)，電信號(hào)通過(guò) A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)，單片機(jī)處理數(shù)據(jù)后通過(guò)連接在串行口的無(wú)線傳輸模塊 PTR2021傳輸?shù)绞殖植糠诌M(jìn)行濃度顯示和報(bào)警操作。圖 濃度進(jìn)行檢測(cè)和無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)射部分，主要由單片機(jī)、氣體檢測(cè)與變送單元、 A/D轉(zhuǎn)換電路、電源時(shí)鐘及復(fù)位電路、無(wú)線發(fā)射模塊組成。在第一部分中介紹了系統(tǒng)的總體的構(gòu)成及其由各部分組成的完整系統(tǒng)的工作原理。 我國(guó)煤礦的瓦斯災(zāi)害是比較嚴(yán)重的，瓦斯災(zāi)害始終是煤礦安全生產(chǎn)的大敵，日前已成為制約煤礦安全生 產(chǎn)的主要矛盾。第二、瓦斯煤塵爆炸，瓦斯爆炸所產(chǎn)生的巨大沖擊波和高溫火焰，往往導(dǎo)致群死群傷，而且揚(yáng)起的煤塵又會(huì)參與爆炸，摧毀巷道，毀壞設(shè)備，甚至毀滅整個(gè)礦井，給國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。 瓦斯 ( 4CH )是在成煤過(guò)程中形成并大量貯存于煤層之中的氣體，對(duì)人體的危害是超限時(shí)能引起人窒息死亡。雖然通過(guò)煤炭生產(chǎn)、加工和利用等各個(gè)環(huán)節(jié)，提供了相當(dāng)多的就業(yè)機(jī)會(huì)，但每個(gè)環(huán)節(jié)卻同時(shí)帶來(lái)了環(huán)境污染、安全等一系列的問(wèn)題。缺點(diǎn)是： 5 當(dāng)水蒸氣含量較高時(shí)，測(cè)量精度下降，需要經(jīng)常更換藥品；儀器的安裝較困難，讀數(shù)不方便，讀數(shù)的精度直接與使用人員的操作有很大關(guān)系；測(cè)量范圍有限，精度不高。當(dāng)兩個(gè)氣室的溫度等條件相同時(shí)，由于甲烷的折射率 n=，而空氣的折射率 n=，便可以利用測(cè)量干涉條紋的移動(dòng)對(duì)甲烷的濃度進(jìn)行定量分析。但當(dāng)甲烷濃度較大時(shí)，催化元件溫度過(guò)高會(huì)使催化劑氧化或者燒斷鉑金絲而損壞儀器。這種儀器的缺點(diǎn)是：體積較大，無(wú)法方便攜帶，工作環(huán)境要求很高，無(wú)法進(jìn)行野外探測(cè)；測(cè)量時(shí)要先對(duì)氣體取樣，無(wú)法實(shí)時(shí)探測(cè)，功率很大一般達(dá)到 2500W，需要與計(jì)算機(jī)相連。因此。 礦井無(wú)線傳輸受工作頻率、導(dǎo)體、巷道截面 (包括形狀尺寸 )、拐彎、分支、傾斜、風(fēng)門(mén)等影響，其特點(diǎn)有 ： ① 礦井無(wú)線傳輸受巷道截面和傳輸頻率影響。這種通信方式 ,也稱(chēng)為微波中繼通信或稱(chēng)微波接力通信。無(wú)線電技術(shù)是通過(guò)無(wú)線電波傳播信號(hào)， 現(xiàn)在，無(wú)線電有著多種應(yīng)用形式， 包括無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)，各種移動(dòng)通信以及無(wú)線電廣播等，其傳輸距離遠(yuǎn)，是應(yīng)用最廣的無(wú)線通信手段。 (6) 綜合機(jī)械化采掘工作面，應(yīng)在采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)上安設(shè)機(jī)載式斷電儀，當(dāng)其附近瓦斯?jié)舛冗_(dá)到 1%時(shí)報(bào)警，達(dá)到 %時(shí)必須停止工作，切斷采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)的電源。放炮地點(diǎn)附近 20 米以?xún)?nèi)風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛冗_(dá)到 1%時(shí)，嚴(yán)禁放炮。 國(guó)家關(guān)于煤礦安全濃度的規(guī)定 《煤礦安全規(guī)程》對(duì)井下各點(diǎn)瓦斯?jié)舛纫?guī)定如下 ： (1) 礦井總回風(fēng)巷或一翼回風(fēng)巷風(fēng)流中瓦斯?jié)舛瘸^(guò) %，礦總工程師必須立即查明原因，進(jìn)行處理，并報(bào)告礦務(wù)局總工程師。 瓦斯氣體的爆炸 瓦斯爆炸須具備 3個(gè)條件 ： 4CH 濃度、 2CO 濃度及引爆溫度。礦井瓦斯是指從煤體和圍巖中逸出的以及在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的多成分的混合氣體，包括 4CH 、 2CO 、 CO、 2N 、26CH 、 2SO 、 2HS等。 煤礦瓦斯氣體概述 要設(shè)計(jì)一個(gè)瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀， 就必須首先搞清楚瓦斯氣體，明確研究對(duì)象的性質(zhì)及其爆炸所需的條件等，只有在明確了研究對(duì)象之后，才能很好地對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，下面就將對(duì)瓦斯氣體的特性和爆炸條件作詳細(xì)地介紹。 關(guān)鍵詞 ：瓦斯?jié)舛?； 無(wú)線傳輸 ； 檢測(cè)儀 ； AT89C51 II Title Design of Gas Concentration Detector Based on the Wireless Transmission Technology Abstract In China, the gas explosion accident has always been the greatest problem in the coal industry. At present, it even has bee the main factor constraining the safe producing of the coal. Therefore, the realtime detection of the change of gas concentration plays a very important role on the safe operation of mining, personal safety and environmental protection. But in current, domestic detection equipment hung behind the other counties. The detected scopes of these equipments are small, the reaction times are long, and using wire transmission approach in data transmission, these equipment do not meet the needs of majority of coal mines because of the high cost and high power needs and large volumes. It was necessary to develop an integrated, intelligent, small and the new wireless gas detection an