【正文】 展外圍器件成為單片機應用的主流結構。這類單片機的運算速度比標準的單片機高出 10 倍以上。采用精簡指令集 (RISC)結構和流水線技術 ， 可以大幅度提高運行速度。目前 ， 單片機內 ROM 最大可達 64KB， RAM 最大為 2KB。但在需要復雜控制的場合 ， 該存儲容量是不夠的 ， 必須進行外接擴充。在一定的時期內 ， 這種情形將得以延續(xù) ， 將不存在某個單片機一統天下的壟斷局面 ， 走的是依存互補 ， 相輔相成、共同發(fā)展的道路。而 Microchip 公司的 PIC 精簡指令集 (RISC)也有著強勁的發(fā)展勢頭 ，中國臺灣的 HOLTEK 公司近年的單片機產量與日俱增 ， 與其低價質優(yōu)的優(yōu)勢 ， 占據一定的市場分額。 主流與多品種共存 現在雖然單片機的品種繁多 ， 各具特色 ， 但仍以 80C51 為核心的單片機占主流 ， 兼容其結構和指 8 令系統的有 PHILIPS 公司的產品 ， ATMEL 公司的產品和中國臺灣的 Winbond 系列單片機。 此外 ， 現在的產品普遍要求體積小、重量輕 ， 這就要求單片機除了功能強和功耗低外 ， 還要求其體積要小。 微型單片化 現在常規(guī)的單片機普遍都是將中央處理器 (CPU)、隨機存取數據存儲 (RAM)、只讀程序存儲器(ROM)、并行和串行通信接口 ， 中斷系 統、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的芯片上 ， 增強型的單片機集成了如 A/D 轉換器、 PMW(脈寬調制電路 )、 WDT(看門狗 )、有些單片機將 LCD(液晶 )驅動電路都集成在單一的芯片上 ， 這樣單片機包含的單元電路就更多 ， 功能就越強大。 CMOS 雖然功耗較低 ， 但由于其物理特征決定其工作速度不夠高 ， 而 CHMOS則具備了高速和低功耗的特點 ， 這些特征 ， 更適合于在要求低功耗 ， 電池供電的應用場合。 MCS51系列的 8031 推出時的功耗達 630mw， 而現在的單片機普遍都 在 100mW 左右 ， 隨著對單片機功耗要求越來越低 ， 現在的各個單片機制造商基本都采用了 CMOS。近年來隨著 CMOS 技術的進步，單片機全面 COMS 化，這種工藝的單片機功耗低，可控性 強 ，能夠工作在功耗精細管理狀態(tài)。今后的發(fā)展趨勢將進一步向低功耗、小體積、大容 量、高性能、低價格、高速化、高可靠行方向發(fā)展。 單片機的發(fā)展趨勢 現在可以說單片機是百花齊放的時期 ， 世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機 ， 從 8 位、16 位到 32 位 ， 它們各具特色 ， 互成互補 ， 為單片機的應用提供廣闊的天地。存儲器由許多存儲單元（最 小的存儲單位）組成，就像大樓房有許多房間組成一樣，指令就存放在這些單元里，單元里的指令取出并執(zhí)行就像大樓房的每個房間的被分配到了唯一一個房間號一樣，每一個存儲單元也必須被分配到唯一的地址號，該地址號稱為存儲單元的地址，這樣只要知道了存儲單元的地址，就可以找到這個存儲單元，其中存儲的指令就可以被取出，然后再被執(zhí)行。 單片機所能執(zhí)行的全部指令，就是該單片機的指令系統，不同種類的單片機，其指令系統亦不同。 單片機自動完成賦予它的任務的過程，也就是單片機執(zhí)行程序的過程，即一條條 的 執(zhí)行指令的過程 。 主控單元單片機的設計 主控單元我們選用 ATMEL 公司 生產的單片機 AT89S51。比如報警模塊的狀態(tài)、數碼管的 顯示 狀態(tài)和控制閥電路的工作狀態(tài)。 工作原理 在 這里我們用甲烷傳感器 MQ4 來對煤礦瓦斯?jié)舛冗M行檢測，由于其檢測所得數據模擬電壓 量而單片機只能對數字信號進行處理，所以在送入單片機中進行處理之前需先送入模數轉換器 ICL7109 中進行模數轉換，然后才能將轉換所得數據送入單片機 AT89S51 中處理，這里的處理主要是指將輸入進來的數據與我們設置的瓦斯爆炸預警值進行比較，在這里我們的預警值可通過鍵盤進行設置，顯示其瓦斯?jié)舛戎怠? 瓦斯?jié)舛蕊@示部分采用四位的 LED 數碼管顯示，在這里我們采用動態(tài)掃描方法來顯示各種參數。由于該傳感器的輸出信號為模擬電氣敏傳感器 MQ4 放大電路 AT89S51 數碼模塊 報警模塊 復位電路 晶振電路 電源電路 按鍵電路 轉換電路A/D7109 6 壓信號，要想將采集到的數據送至單片機系統進行數據處理則需要 將模擬信號轉換成數字信號，所以在這里我們還要選用 ICL7109 芯片進行模數轉換處理。在這里我們選用 ATMEL 公司生產的 8位單片機 AT89S51，該種單片機與以往所采用的 AT89C51 相比新增加了很多功能，性能有了較大提升，片內 4K 的 FLASH 存儲空間也能滿足我們設計的要求，價格較之 AT89C51 基本不變甚至更低。氣敏傳感器的電路的處理使其精度可能受到周圍的環(huán)境的影響比較 大，方案一也是一樣。本系統是以單片機為核心，系統所要實現的功能幾乎與前面方案一樣，具有信號的監(jiān)控處理和報警顯示功能。 總體方案二：基于單片機的總體設計模塊，如圖 。氣敏傳感器輸出的信號是毫伏級的，所以要經過運放發(fā)大后送給 ADC0809 轉換成數字量，最終送給 FPGA 來處理， FPGA 根據檢測量的大小將氣體濃度顯示到數碼管上，當檢測到的氣體濃度超過設定值時，系統便會報警， 工人及時打開通風裝置 加快空氣流動。 此 系統基于 FPGA，充分利用了它的功能，是一個效率比較高的設計方案，從框圖可以看出系統的核心處理模塊幾乎全是要經過 FPGA。 FPGA（ Field－ Programmable Gate Array），即現場可編程門陣列，它是在 PAL、 GAL、 CPLD 等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產物。 設計方案 針對 此課題要求，現提出以下二種設計方案： 總體方案一：基于 FPGA 的總體設計模塊，如圖 。當氣體的濃度超出某一設定范圍后會產生報警，從而達到實時安全監(jiān)控作用。 4 第 2 章 瓦斯 監(jiān)控系統 的設計概述 概述 一個 瓦斯 氣體監(jiān)控系統能夠及時的發(fā)現 瓦斯 氣體 濃度 并報警，肯定能提高人民的生活水平和加快我們的現代化建設，有利于整個社會穩(wěn)定。 在論文中，我們 簡單論述了報警器的控制方案及工作原理，給出了主程序及主要子程序的框圖。本設計的硬件電路包括濃度檢測， A/D 轉換，單片機 拓展 系統，鍵盤電路，數據顯示電路及各控制電路；軟件設計包括濃度采集，數據轉換及處理，鍵盤掃描，動態(tài)顯示及濃度控制等。 在本文中，我們設計介紹了一種基于甲烷傳感器 MQ4 和單片機 AT89S51 的煤礦瓦斯監(jiān)測報警器。 課題研究的總體解決方案 論文設計的內容是煤礦監(jiān)測報警器，論文的內容從題目上看就可知道要分兩部分 來解決：一是煤礦瓦斯的監(jiān)測，二是系統的報警。 瓦斯檢測儀的檢測范圍是 0—10000ppm 報警門限為 50ppm， 5000ppm。假設這個瓦斯氣體安全監(jiān)控系統要實現以下的功能：氣體測試， 超過設定的門限值后自動報警裝置，以單片機為主機，氣敏傳感器檢測氣體濃度，并將采集的模擬量傳送給單片機，再加上按鍵調控部分來共同實現對瓦斯的安全監(jiān)測與控制。為了滿足安全生產的需求，隨著先進科學技術的應用，氣體傳感器發(fā)展的趨勢應該是微型化、智能化和多功能化。 研制高可靠性、品種齊全的各類礦用傳感器。 由于瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統對氣體傳感器的精度、性能、穩(wěn)定性方面的要求越來越高，因此對氣體傳感器的研究和開發(fā)也越來越重要。 受技術條件限制，許多煤礦的瓦斯監(jiān)測數據無法傳輸給集團公司或上級主管部門，仍未建立全集團或整個地區(qū)的瓦斯監(jiān)測監(jiān)控網絡。而國外用可燃性氣體的檢測代替單一甲烷氣體的測量 ， 毒氣包括硫化氫的測量。目前技術水平較高的 “ 智能化 ” ，即程序化功能 ，是指 自動校正和可燃氣的對比參數。 氣體儀表的功能氣體檢測儀表的功能主要是指所測氣體濃度值、報警點的設置，聲光報警，開機指示，電池欠壓指示等。我們通過這幾種儀表的介紹和分析，概要說明氣體檢測監(jiān)控系統的現狀。在可測氣體種類、測量范圍、精度、穩(wěn)定性和壽命等主要技術指標方面均有明顯的提高，尤其精度、穩(wěn)定性與壽命指標，提高了幾倍。 國內外瓦斯監(jiān)測的現狀 氣體檢測監(jiān)控系統是工礦企業(yè)、社會公用 事業(yè)、環(huán)境保護等領域必備的安全設備。我國一些煤礦由于瓦斯預測不準，造成礦井投產后事故頻繁發(fā)生。瓦斯在煤層開采過程中被逸散出來，在井下積累造成井下瓦斯?jié)舛鹊脑黾樱斖咚節(jié)舛冗_到 5%16%時具有爆炸性，瓦斯?jié)舛葹?%時爆炸威力最大，當瓦斯?jié)舛刃∮?5%或大于 16%時，一般不會爆炸，遇明火只會燃燒，形成燃燒事故。瓦斯在煤體和圍巖中，以游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)存在，一般情況下處于動態(tài)平衡。 在煤礦生產中，隨著煤層采動，煤層中往往會涌出礦井瓦斯，瓦斯是煤礦開采中所產生的有害氣體總稱，它具有獨特的性質和特點。如果不把瓦斯事故控制住，就不能實現煤礦安全生產狀況的穩(wěn)定，也就無法保障煤炭工業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。 煤礦中含有大量的甲烷（ CH4）等易燃易爆氣體，發(fā)生事故后會造成巨大的經濟損失，危及礦工的生命。在這些事故中，瓦斯爆炸 又 占絕大多數。近年來，隨著石油的緊張，石油價格的飆升，煤炭行業(yè)的重要地位和不可替代性也日 益顯現。所以開發(fā)設計出一種操作簡單的瓦斯監(jiān)測監(jiān)控器，對有效的預防和減少瓦斯爆炸具有非?，F實的意義。 綜上所述，瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測監(jiān)控器所要實現的功能包括根據所選的瓦斯傳感器來設定瓦斯?jié)舛阮A警值，采集瓦斯?jié)舛炔⑦M行濃度顯示及處理。 多年來的實踐證明， 瓦斯?jié)舛鹊?檢測 監(jiān)控器在監(jiān)測煤礦井下安全狀況，防范安全隱患方面起著重要作用，充分發(fā)揮其作用，是我國煤礦安全形勢實現好轉的關鍵。 在許多發(fā)達國家中為了減少事故的發(fā)生，一般不會開采高瓦斯災害隱患嚴重的礦井。 近年來，瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等災害，嚴重威脅著煤礦的安全生產和數百萬名 煤礦工 人 的生命安全 ， 瓦斯災害已成為制約我國煤礦安 全生產和煤炭工業(yè)發(fā)展的重要因素 ，可以說 瓦斯爆炸已經成為礦難的第一大禍首。但同時我國也是煤礦安全形勢最為嚴峻的國家之一。該設備同時還具備靈敏度調節(jié)和檢測強度調節(jié)開關，有簡單、方便、準確、實用等特點。系統的各個模塊都由單片機控制完成。 I 目錄 摘要 ..................................................................................................................................................II Abstract ........................................................................................................................................... III 第 1 章 引言 ...................................................................................................................................... 1 課題背景 .............................................................................................................................. 1 課題研究的目的和意義 ......................................................................................................... 1 國內外瓦斯監(jiān)測的現狀 ......................................................................................................... 2 瓦斯監(jiān)測的發(fā)展方向 ............................................................................................................ 3 課題研究的內容及要求 ......................................................................................................... 3 課題研究的總體解決方案 ..................................................................................................... 3 第 2 章 瓦斯監(jiān) 控系統的設計概述 ...................................................................................................... 4 概述 .............................................................................................................................