【正文】 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 圖 CX9012管腳 角圖 內(nèi)部框圖： 圖 極限參數(shù) 如表 （除非特別說明， Tamb=25℃） 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 表 極限參數(shù) 參數(shù) 符號 參數(shù)范圍 單位 電源電壓 VDD ～ V 輸入電壓 VIN ～ VDD+ V 輸出電流 IOUT (REO) 20 mA 功耗 PD 300 mW 貯存溫度 Tstg 40～ +125 ℃ 工作溫度 Topr 20～ +75 ℃ 電氣參數(shù) 如表 （除非特別說明， Tamb=25℃， VDD=） 表 電氣參數(shù) 參數(shù) 符號 測試條件 最小值 典型值 最大值 單位 電源電壓 VDD 全部功能 2 4 V 工作電流 IDD fosc=455kHz 1 mA 靜態(tài)電流 ISB 停振 1 uA 高電平輸入電壓 VIH VDD=3V VDD V 低電平輸入電壓 VIL VDD=3V 0 V 高電平輸出電流 IOH VOH=, VDD=3V 10 mA 低電平輸出電流 IOL VOL=, VDD=3V 5 mA 輸入下拉電阻 RON VDD=3V 100 300 500 KΩ 管腳說明如表 表 管腳說明 管腳號 符 號 輸入 /輸出 功 能 描 述 1~4 KI0~KI3 I 鍵掃描輸入端（內(nèi)置下拉電阻）。它具有 32個功能鍵，若配合用戶編碼的變化則可提供 256種不同的發(fā)射碼，另外 CX9012還提供 6種雙重按鍵功能。 本系統(tǒng)選用的芯片是 CX9012。 紅外遙控的發(fā)射電路 芯片所用的晶振應(yīng)該有足夠的耐物理撞擊能力，不能選用普通的石英晶體，一般是選用陶瓷共鳴器，陶瓷共鳴器準確性沒有石英晶體高，但通常一點誤差可以忽略不計 [11]。由于鍵盤是一組按鈕開關(guān)的集合，在智能儀表中，常采用軟件來識別按鍵，所以，在鍵盤的設(shè)計中應(yīng)同時從硬件和軟件兩方面加以考慮 [11]。 定時 /計數(shù)器 2的控制狀態(tài)位位于 T2CON、 T2MOD,寄存器對（ RCA02H、 RCAP2L）是定時器 2 在 16 位捕獲方式或 16 位自動重裝載方式下的捕獲 /自動重裝載寄存器 。不應(yīng)將數(shù)據(jù)“ 1”寫入為定義的單元，由于這些單元在將來的產(chǎn)品中可能賦予西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 新的功能，在這種情況下，復(fù)位后這些單元值總是“ 0”。 特殊功能寄存器： 在 AT89C52 片內(nèi)存儲器中， 80HFFH 共 128 個字節(jié)為特殊功能寄存器（ SFE）。 XTAL1： 振蕩器反相放大器的內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。如果 EA 端為高電平， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。 __EA /VPP： 外部訪問允許。 ________PSEN ：程序存儲允許（ ________PSEN ）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng) AT89C52 由外部程序存儲器指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次 _________PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。讀位置位后，只有一條 MOVX 和 MOVC 指令才能將 ALE激活。 對 Flash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（ _________PROG ）。 ALE/ ________PROG ： 當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器 時， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8位字節(jié)，一般情況下， ALE 仍以時鐘震蕩頻率的 1/6輸出固定的脈沖喜好，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。 RST： 復(fù)位輸入。此時，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流 I。 P3 口： P3 口是 具有 內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O口， P3 口的輸出緩沖可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。 在訪問外部程序存儲器或 16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 MOVX DPTR指令）時。對端口 P2寫“ 1”通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。 Flash 編程和程序校驗期間， P1接受低 8位地址。作為輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流 I。 P1 口： P1 口 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P1的輸出緩沖可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 主要性能參數(shù)： 與 MCS51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容 8 字節(jié)可重擦寫 Flash 閃速存儲器 1000 次擦寫周期 全靜態(tài)操作： 0Hz～ 24MHz 三級加密程序存儲器 256 8 字節(jié)內(nèi)部 RAM 32 個可編程 I/O口線 3個 16 位定時 /計數(shù)器 8個中斷源 可編程串行 UART 通道 低功耗空閑和掉電模式 AT89C52 的 管腳 圖如 圖 ： 圖 AT89C52管腳圖 功能特性： P0 口： P0 口是一組 8位漏極開路型雙向 I/O口，也即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。 本課題設(shè)計采用 CPU 為 AT89C52。它是通過控制專用寄存器 PCON （電源控制寄存器）中的 PD( )和 IDL( ) 來實現(xiàn)的。 圖 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 本課題設(shè)計硬件設(shè)計思路如下： 圖 CPU 的選擇 89系列同 8051 系列相比具有以下特點 ： 4KB可編程序 FLASH 存儲器（可經(jīng)受 1000次的寫入 /擦除周期 ） ； 全靜態(tài)工作 ： 0～ 24MHz； 三級程序存儲器保密。當(dāng)甲烷濃度超過設(shè)定的斷電點時，儀器會有斷電指令輸出；甲烷濃度超過斷電點以后，只有當(dāng)甲烷濃度降低到設(shè)定的復(fù)電點以下時，儀器才會解除斷電指令輸出 [9]。 報警 /斷電電路由蜂鳴器 ， 發(fā)光二極管和驅(qū)動電路構(gòu)成。測量電橋輸出與甲烷濃度成比例的信號電壓。工作時黑白元件有工作電流通過而發(fā)熱，空氣中的甲烷在高溫的測量元件的催化劑作用下，發(fā)生無焰燃燒。甲烷氣體敏感元件是采用熱催化原理探頭，電橋供電電壓為 3V。 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 圖 整機的工作原理 儀器由電源電路、甲烷氣體敏感元件及電橋電路、放大電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、顯示電路及報警 /斷電電路 、看門狗電路、多路開關(guān)電路等 組成。當(dāng)含有甲烷的空氣在高溫和催化劑的作用下，發(fā)生無焰燃燒，而在白元件上則不致使甲烷燃燒，從而使黑元件的溫度比白元件的溫度高，黑元件中的鉑絲既是加熱元件，又是感應(yīng)溫度的熱敏元件，根據(jù)鉑絲的正溫度系數(shù)的特性，溫度升高時電阻增大，黑元件上的電壓降即增大，電橋失去平衡，輸出一個電壓 信號△ U，該 電壓值的大小反映了甲烷濃度的高低，檢測此電壓便可測量出甲烷濃度 [8]。但由于 白元件 處于與黑元 件相同的工作環(huán)境中，所以，對非甲烷濃度變化引起的催化元件阻值變化起補償作用，以提高儀器零點穩(wěn)定性和抗干擾能力 [8]。 表 高濃度甲烷試驗放氣前后的數(shù)據(jù) l)初始穩(wěn)定性 貯存一周到一年的元 件初始零點輸出可能不為零，只需在工作點電壓穩(wěn)定 十 分鐘后輸出零點將歸零 貯存一周到一年的元件剛開始下作時靈敏度可能達不到最佳點，只需在工作 點電壓穩(wěn)定二十分鐘后輸出靈敏度將復(fù)原 2)長期穩(wěn)定性 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 圖 長期穩(wěn)定性 敏感元件工作原理 黑元件載體催化燃燒式元件，當(dāng)甲烷氣體在元件表面與氧氣產(chǎn)生無焰燃燒時，電橋失去平衡，輸出一個電壓信號。 Y 軸表示 Vo 的輸出電壓 值。： OmV～ +2OmV M2mV 圖 表示 CH4 氣體敏感元件對各種氣體的反應(yīng)關(guān)系，從圖上我們可以看出敏感元件輸出電壓與對各種氣體濃度之間具有較好的線性關(guān)系。適用于煤礦井下作業(yè)環(huán)境測量空氣中的甲烷氣體濃度。此外，傳感器電源應(yīng)是經(jīng)過穩(wěn)壓的穩(wěn)壓源。探頭內(nèi)部 的主要元件是黑元件 (催化元件 )和白元件 (補償元件 )，兩個元件分別配置在電橋電路中，作為一組橋臂，另一組橋臂是兩個固定電阻，作為電橋的比率臂。 根據(jù)設(shè)計要求及各類檢測儀的優(yōu)缺點，本課西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 題設(shè)計采用熱催化式工作原理。比較這兩種速度就可測定高濃度甲烷。但當(dāng)濃度大于 1%CH4 時，其反應(yīng)遲鈍，選擇性和線性均較差，所以很少用于煤礦井下甲烷濃度的檢測，而多用于可燃氣體的檢漏報警。這一原理是利用氣敏半導(dǎo)體被加熱到 200℃時，其表面能夠吸附甲烷而改變其電阻值來檢測甲烷濃度。其優(yōu)點是采用這一原理的儀器精度高，選擇性好，不受其它氣體影響，測 量范圍寬，可連續(xù)檢測 ； 其缺點是由于有光電轉(zhuǎn)換精密結(jié)構(gòu)，使制造和保養(yǎng)產(chǎn)生困難，而且體積大，成本高，耗電多，因此推廣使用受到一定限制 [7]。其缺點是測量低濃度甲烷時輸出信號小，受氣溫及背景氣體的影響較大 [5]。 熱導(dǎo)式是利用甲烷與空氣熱導(dǎo)率之差來實現(xiàn)甲烷濃度的測定。其缺點是探測元件的壽命較短，不能測 高濃度甲烷，硫化氫及硅蒸氣會引起元件中毒而失效。 熱催化式是利用甲烷在催化元件上的氧化生熱引起其電阻的變化來測定甲烷濃度。 3 甲烷檢測設(shè)備的工作原理分析 6 3 甲烷 檢測設(shè)備的工作原理 分析 的分類 光干涉式是利用光波對空氣和甲烷折射率不同所產(chǎn)生的光程差，引起 干涉條紋移動來實現(xiàn)對不同甲烷濃度的測定。當(dāng)甲烷濃度低于 %時，電橋恢復(fù)正常工作。 當(dāng)甲烷濃度達到 %以上時，為了保護黑白元件，電橋間斷工作，顯示器閃爍，顯示的值只能作為參考。 儀器進入正常工作狀態(tài)后，可通過遙控器對儀器進行校正或設(shè)定報警點、斷電點、復(fù)電點。當(dāng)儀器自檢結(jié)果不正常時，不進入工作狀態(tài)，儀器顯示不變。自檢結(jié)果正常后，進入工作狀態(tài)。 ～ 真值的 10% ～ 177。 廣泛調(diào)查研究，認真分析其優(yōu)缺點，充分借鑒其它儀器的優(yōu)點，揚長避短，博采眾長。 在完成自身系統(tǒng)配套的基礎(chǔ)上，盡可能 使產(chǎn)品具有良好的通用性，使之能與其它產(chǎn)品配套，易于擴充新的用途。 嚴格執(zhí)行國家和煤炭部以及行業(yè)標(biāo)準。 通過優(yōu)化電路設(shè)計和應(yīng)用誤差理論分析，盡可能減小測量誤差，提高測量精度?？傮w設(shè)計的原則有 [2]： 盡可能使用先進、成 熟的技術(shù)，有明確理論支持的技術(shù)，對不確切，但非用不可的技術(shù)要通過必要的試驗和論證。 系統(tǒng)的設(shè)計要求 系統(tǒng)的設(shè)計原則 在總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，首先重點突出系統(tǒng)整體性能，價格最優(yōu)的原則，本著先進、簡明、實用的設(shè)計指導(dǎo)思想，從傳感器的信號采集、處理傳輸，到系統(tǒng)軟件的設(shè)計，在整體最優(yōu)原則的指導(dǎo)下，發(fā)揮各自的設(shè)計靈活性。2 礦用瓦斯檢測系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)及實現(xiàn)功能 3 2 礦 用瓦斯檢測系統(tǒng)的 技術(shù)指標(biāo) 及 實現(xiàn)功能 煤礦氣體檢測技術(shù)系統(tǒng)概述 煤礦氣體 監(jiān)測 系統(tǒng)是能夠監(jiān)測礦井環(huán)境中瓦斯 氣體的濃度，具有報警功能 能實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠傳至地面監(jiān)控室 PC 的系統(tǒng)。 致謝中對參與了課題的研究和給予幫助的老師和同學(xué)作了感謝。 第七章是結(jié)束語。 第五章介紹原理圖的繪制以及 PCB 板的布局和布線。 第四章是硬件設(shè)計。 第三章是甲烷檢測設(shè)備的工作原理。介紹了該課題研究的內(nèi)容及意義，國內(nèi)外研究概況與動向，同時給出整個設(shè)計的構(gòu)思及本論文的結(jié)構(gòu)安排。經(jīng)過構(gòu)思目前的主要任務(wù)是根據(jù)要求選擇相應(yīng)的元器件、設(shè)計電路圖、安裝、調(diào)試，設(shè)計出符合要求的甲烷檢測議硬件電路，從而實現(xiàn)設(shè)計要求。具體 設(shè)計是將 220V 交流經(jīng)過整流后轉(zhuǎn)換為 12V的直流 ，再經(jīng)過 34063 芯片將 12V 的直流電壓轉(zhuǎn)換為所須的 5V 直流電源。而本 次設(shè)計主要任務(wù)就是甲烷檢測儀的硬件電路的設(shè)計，這里甲烷檢測儀的硬件部分采用 AT89C52 單片機控制。 我國監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用較晚， 80 年代初，從波蘭、法國、德國、英國和美國等引西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 進了 一批安全監(jiān)測系統(tǒng)，裝備了部分煤礦在引進的同時，通過消化、吸收并結(jié)合我國煤礦的實際情 況，先后由重慶煤科院、遼寧撫順煤科院等國內(nèi)知名煤礦科學(xué)研究所研制出KJ KJ KJ KJ KJ1 KJ1 KJ3 KJ6 KJ7 KJ80、 KJ9 KJ9 KJ101等煤礦有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)，在我國煤礦己有大量使用，但其中很大一部分儀表的傳輸數(shù)據(jù)是模擬方式，將氣體濃度轉(zhuǎn)化為脈沖量，易受礦井下強電磁設(shè)備干擾，造成監(jiān)測結(jié)果不準確，易出現(xiàn)誤報警等現(xiàn)象。 國外的監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)雖然高于國內(nèi)發(fā)展水平