【正文】 sbit LED_R P2^1。 sbit LED3 P2^4。 define ADC_DAT P1 /* sbit LED1 P2^7。 sbit ADC_EOC P3^3。 圖 42 濃度正常仿真界面 部分程序 include /* define Up_level 256* //設(shè)置報(bào)警上限是 70%的濃度 /* sbit ADC_ALE P3^5。 4 系統(tǒng)仿真及部分程序 系統(tǒng)仿真 如圖 41 所示，當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^(guò)設(shè)定值時(shí)，紅燈亮，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，通知用戶。低電平驅(qū)動(dòng)就不同了，端口為低電平 0 時(shí)，端口內(nèi)部的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，可以驅(qū)動(dòng)高達(dá) 30 多毫安的驅(qū)動(dòng)電流，可以直接驅(qū)動(dòng) LED 等負(fù)載，當(dāng)端口為低電平 0 時(shí)，盡管內(nèi)部的上拉電阻也是消耗電流的，但是由于內(nèi)部的上拉電阻很大，有 330K，因此消耗電流極小，基本上不會(huì)影響電源效率，不會(huì)造成無(wú)用功的大量消耗，因此 51 單片機(jī)是不能 用高電平直接驅(qū)動(dòng) LED 的，只能用地電平直接驅(qū)動(dòng) LED，即只能用共陽(yáng)數(shù)碼管，而不能直接用共陰數(shù)碼管。 要從單片機(jī)的輸出驅(qū)動(dòng)能力開(kāi)始講起。這時(shí)上拉電阻也是限流用的。它使用了 8 個(gè) LED 發(fā)光二極管，其中 7 個(gè)用于顯示字符， 1 個(gè)用于顯示小數(shù)點(diǎn)，故稱之為 7 段發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器。三極管基極的電路保證了只有在單片機(jī)輸出低電平時(shí)，蜂鳴器才會(huì)發(fā)聲，避免了誤報(bào)警的發(fā)生。 本設(shè)計(jì)中的聲光報(bào)警部分包括蜂鳴器以及紅、黃、綠三個(gè) LED 報(bào)警指示燈。 MCS51 對(duì) ADC0809 的接口，如圖 310 所示。 ADC0809 內(nèi)部有一個(gè) 8 位“三態(tài)輸出鎖存器”可以鎖存 A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，故它本身既可看作一種輸入設(shè)備，也可認(rèn)為是并行I/O 接口芯片。采用中斷方式傳送數(shù)據(jù)時(shí)， EOC 線作為 CPU 的中斷請(qǐng)求輸入線。 MCS51 和 ADC 接口通?？梢圆捎貌樵兒椭袛鄡煞N方式。 2 獲取 EOC 線上的狀態(tài)信息 ,因?yàn)樗?A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)束標(biāo)志 。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 時(shí)鐘振蕩器： AT89C51 中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端，這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷振蕩器一起構(gòu)成自激振蕩器。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。注意加密方式 1 時(shí)，/EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。另外，該引腳被略微拉高。如想禁 止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。因此它可 用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。當(dāng) P3 口寫(xiě)入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。 P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為第八位地址接收。 P1 口： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門(mén)電流。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。 P0 口： P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開(kāi)路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL門(mén)電流。 明 VCC：供電電壓 ,接 +5V 電源正端。同時(shí)， AT89C51可降至 0HZ 的靜輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式，空閑方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時(shí) /計(jì)數(shù)器，串行通信中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。AT89C51單片 機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。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。 AT89C51 是一種帶 2K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。復(fù)位電路雖然簡(jiǎn)單 ,但其作用非常重要。 除 PC 之外，復(fù)位操作還對(duì)其它一些專用寄存器有影響，他們的復(fù)位狀態(tài)如下； PC 0000H T 瓦斯 N 00H ACC 00H TLO 00H PSW 00H TH0 00H SP 07H TL1 00H DPTR 0000H TH1 00H P0― P3 0FFH S 瓦斯 N 00H IP xx000000B SBUF 不定 IE 0x000000B P 瓦斯 N 0xx0000B TMOD 00H 復(fù)位操作還對(duì)單片機(jī)的個(gè)別引腳信號(hào)有影響，例如把 ALE 和信號(hào)變?yōu)闊o(wú)效狀態(tài)，即 ALE 0， 1。 X X X PS PT PX PT PX 1 1 0 0 復(fù)位電路 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作 ,其主要功能是把 PC初始化位 0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序。 4 五個(gè)中斷源的自然優(yōu)先級(jí)與中斷服務(wù)入口地址 外中斷 0： 0003H 定時(shí)器 0： 000BH 外中斷 1： 0013H 定時(shí)器 1： 001BH 串口 ： 0023H 它們的自然優(yōu)先級(jí)由高到低排列。見(jiàn)表 33 表 33 8 位中斷允許寄存器 EA X X ES ET EX E E 1 1 T0 X0 其中 EA 是總開(kāi)關(guān) ，如果它等于 0，則所有中斷都不允許。 TI、 RI：串行口發(fā)送、接收中斷。當(dāng) CPU 響應(yīng)中斷后，再由硬件將 TF0 清 0。 IT IE1 的用途和 IT0、 IE0 相同。 IE0： INT0 中斷請(qǐng)求標(biāo)志位。在內(nèi)部的 T 瓦斯 N 中有四位是與外中斷有關(guān)的。 5 個(gè)中斷源對(duì)應(yīng) 5 個(gè)固定的中斷入口地址。 89C51單片機(jī)有 5 個(gè)中斷源，可提供兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，即可實(shí)現(xiàn)二級(jí)中斷嵌套。 2 89C51 的中斷系統(tǒng) 89C51 的中斷系統(tǒng)主要由幾個(gè)與中斷有關(guān)的特殊功能的寄存器，中斷入口，順序查詢邏輯電路等組成。計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序的過(guò)程中，由于 CPU 以外的某種原因，有必要盡快中止當(dāng)前程序的執(zhí)行，而去執(zhí)行相應(yīng)的處理程序，在處 理結(jié)束后，再回來(lái)繼續(xù)執(zhí)行被中止了的源程序。轉(zhuǎn)換結(jié)束 ,OE 輸入高電平，EOC 可作為中斷請(qǐng)求信號(hào) , 轉(zhuǎn)換結(jié)束后，可通過(guò)執(zhí)行 IN 指令，設(shè)法在輸出允許 OE 腳上形成一個(gè)正脈沖，輸出三態(tài)門(mén)打開(kāi)，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。下降沿啟動(dòng) A／D 轉(zhuǎn)換，之后 EOC 輸出信號(hào)變低 ，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。然后輸入 3 位地址，并使 ALE 1，將地址存入地址鎖存器中。 GND：接地。要求時(shí)鐘頻率不高于 640KHZ。當(dāng) A／ D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開(kāi)輸出三態(tài)門(mén)，輸出數(shù)字量。 EOC： A／ D 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，當(dāng) A／ D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 ALE：地址鎖存選通信號(hào)，輸入高電平有效。 D0～ D7： 8 位數(shù)字量輸出端。 能 ADC0809 芯片有 28 條引腳，采用雙列直插式封裝，下面說(shuō)明各引腳功能。因此， ADC0809可處理 8 路模擬量輸入，且有三態(tài)輸出能力，既可與各種微處理器相連，也可單獨(dú)工作。主體部分是采用逐次逼近式的 A/D 轉(zhuǎn)換電路，由CLK 控制的內(nèi)部電路的工作 ,START 為啟動(dòng)命令，高電平有效，啟動(dòng)ADC0809 內(nèi)部的 A/D 轉(zhuǎn)換，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成，輸出信號(hào) EOC 有效， OE 為輸出允許信號(hào)，高電平有效，打開(kāi)輸出三態(tài)緩沖器 ,把轉(zhuǎn)換后的結(jié)果送DB。 A/D 轉(zhuǎn)換電路 ADC0809 的介紹 ADC0809 具有 8 個(gè)通道的模擬輸入線 IN0～ IN7 ，可在程序控制下對(duì)任意通道進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，獲得 8 位二進(jìn)制 數(shù)字量 D7～ D0 。測(cè)量電橋輸出與瓦斯?jié)舛瘸杀壤男盘?hào)電壓。工作時(shí)黑白元件有工作電流通過(guò)而發(fā)熱，空氣中的瓦斯在高溫的測(cè)量元件的催化劑作用下，發(fā)生無(wú)焰燃燒。瓦斯氣體敏感元件是采用熱催化原理探頭，電橋供電電壓為 3V。 圖 37 黑白原件的工作原理圖 整機(jī)的工作原理 儀器由電源電路、瓦斯氣體敏感元件及電橋電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、顯示電路及報(bào)警 /斷電電路等組成。當(dāng)含有瓦斯的空氣在高溫和催化劑的作用下，發(fā)生無(wú)焰燃燒，而在白元件上則不致使瓦斯燃燒，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(shí)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(gè)電壓信號(hào)△ U，該電壓值的大小反映了瓦斯?jié)舛鹊母叩?，檢測(cè)此電壓便可測(cè)量出瓦斯?jié)舛?。但由于白元件處于與黑元件相同的工作環(huán)境中，所以，對(duì)非瓦斯?jié)舛茸兓鸬拇呋柚底兓鹧a(bǔ)償作用，以提高儀器零點(diǎn)穩(wěn)定性和抗干擾能力。 表 32 高濃度瓦斯試驗(yàn)放氣 前后的數(shù)據(jù) 7 穩(wěn)定性 l 初始穩(wěn)定性 貯存一周到一年的元件初始零點(diǎn)輸出可能不為零，只需在工作點(diǎn)電壓穩(wěn)定十分鐘后輸出零點(diǎn)將歸零 貯存一周到一年的元件剛開(kāi)始下作時(shí)靈敏度可能達(dá)不到最佳點(diǎn)，只需在工作點(diǎn)電壓穩(wěn)定二十分鐘后輸出靈敏度將復(fù)原 2 長(zhǎng)期穩(wěn)定性 圖 35 長(zhǎng)期穩(wěn)定性 .2 敏感元件工作原理 黑元件載體催化燃燒式元件，當(dāng)瓦斯氣體在元件表面與氧氣產(chǎn)生無(wú)焰燃燒時(shí)，電橋失去平衡，輸出一個(gè)電壓信號(hào)。 Y 軸表示Vo 的輸出電壓值。： OmV～ +2OmV 3 靈敏度 M 2mV 4 傳感器對(duì)多種可燃?xì)怏w的敏感特性 圖 32 表示 CH4 氣體敏感元件對(duì)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(duì)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(cè)量空氣中的瓦斯氣體濃度。此外，傳感器電源應(yīng)是經(jīng)過(guò)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(bǔ)償元件 ，兩個(gè)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(gè)固定電阻，作為電橋的比率臂。根據(jù)設(shè)計(jì)要求及各類(lèi)檢測(cè)儀的 優(yōu)缺點(diǎn)，本課題設(shè)計(jì)采用熱催化式工作原理。比較這兩種速度就可測(cè)定高濃度瓦斯。但當(dāng)濃度大于 1%CH4 時(shí)，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瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè)，而多用于可燃?xì)怏w的檢漏報(bào)警。這一原理是利用氣敏半導(dǎo)體被加熱到 200℃時(shí)，其表面能夠吸附瓦斯而改變其 電阻值來(lái)檢測(cè)瓦斯?jié)舛?。其?yōu)點(diǎn)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(cè)量范圍寬，可連續(xù)檢測(cè)；其缺點(diǎn)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。其缺點(diǎn)是測(cè)量低濃度瓦斯時(shí)輸出信號(hào)小，受氣溫及背景氣體的影響較大。 3 熱導(dǎo)式 熱導(dǎo)式是利用瓦斯與空氣熱導(dǎo)率之差來(lái)實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊臏y(cè)定。其缺點(diǎn)是探測(cè)元件的壽命較短，不能測(cè)高濃度瓦斯，硫化氫及硅蒸氣會(huì)引起元件中毒而失效。 2 熱催化式 熱催化式是利用瓦斯在催化元件上的氧化生熱 引起其電阻的變化來(lái)測(cè)定瓦斯?jié)舛取? 3 報(bào)警器設(shè)計(jì) 瓦斯檢測(cè)設(shè)備 度檢測(cè)儀的分類(lèi) 1 光干涉式 光干涉式是利用光波對(duì)空氣和瓦斯折射率不同所產(chǎn)生的光程差，引起干涉條紋移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同瓦斯?jié)舛鹊臏y(cè)定。 系統(tǒng)框圖 此次設(shè)計(jì)的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)報(bào)警器的系統(tǒng)框圖如下所示：主要由氣體傳感器、 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC080單片機(jī) AT89C5 LED 顯示電路、聲光報(bào)警裝置和附件電路組成。若實(shí)際瓦斯?jié)舛?超限（濃度超限預(yù)警值可鍵盤(pán)控制輸入）則在單片機(jī)的控制下進(jìn)行聲光報(bào)警。然后再將電壓信號(hào)輸入到 AD7109 進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換變換成數(shù)字信號(hào)，并在 51 單片機(jī)的控制下將其輸入，然后在內(nèi)部軟件編程下進(jìn)行數(shù)值變換處理。因此此次設(shè)計(jì)整體上是基于 AT89S51 單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)報(bào)警。 2 系統(tǒng)概述 隨著超大規(guī)模數(shù)字集成電路、單片機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，利用單片機(jī)及其它外圍芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯的監(jiān)測(cè)成為一種可能，并且成為一種發(fā)展趨勢(shì)。因此，除在傳感器技術(shù)方面可供借鑒外，其它僅具一定的參考價(jià)值。但是這兩種系統(tǒng)只是基于井下監(jiān)測(cè)，并無(wú)數(shù)據(jù)上傳，不能實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)控。袖珍式儀器的采樣方法為擴(kuò)散式，用于在危險(xiǎn)環(huán)境中的工作人員隨身攜帶；便攜式儀器采樣方法為泵吸式，用于監(jiān)測(cè)人員定期安檢；固