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畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于無(wú)線傳輸?shù)耐咚節(jié)舛葯z測(cè)儀設(shè)計(jì)-文庫(kù)吧資料

2024-12-12 09:58本頁(yè)面
  

【正文】 周期性的加熱 30s后進(jìn)行測(cè)量,然后經(jīng)過(guò) 45s進(jìn)行恢復(fù),因此電路具有 “6V電壓加熱 ”和 “自然恢復(fù) ”2種狀態(tài)。 表 南孚 9V電池的終止電壓和使用壽命 測(cè)試條件 終止電壓 使用壽命 620 歐 2h/d 180 歐 30h/d 270 歐 1h/d 由于手持部分的特殊性,只能使用 電 池供電,而單片機(jī)的供電電壓為 5V直流電,且要求電壓穩(wěn)定,所以在設(shè)計(jì)中采用了三端集成穩(wěn)壓芯片 LM7805,由其輸出端提供穩(wěn)定的 +5V電壓,以供單片機(jī)使用。 T13 W / 1 8 V1234I N 4 0 070 .5 AI N 4 0 07V i n1+ 5V3GND2I C 3L M 7 80 5V i n2GND1 1 5 V3I C 4L M 7 91 5V i n1GND2+ 15 V3I C 1L M 7 81 5V i n1GND2+ 6V3I C 2L M 1 80 6~ 2 20 VC21 04 u F+C11 00 0 u F+C31 00 0 u F+C61 0u F+C81 0u F+C 1 01 0u F+C 1 21 0u FC91 04 u FC 1 11 04 u FC51 04 u FC41 04 u FC71 04 u F+ 6v 1 5 V+ 15 V+ 5VGNDR?1KR?1K 圖 現(xiàn)場(chǎng)部分的電源電路圖設(shè)計(jì) 手持部分電源設(shè)計(jì) 16 手持部分的電源采用 南孚 9V 電池 (6LR61 堿性電池 )供電, 其 技術(shù)數(shù)據(jù) 為 :電壓: 9V,尺寸 (mm):高 長(zhǎng) 寬 , 有效期: 3 年。15V的基準(zhǔn)電壓,單片機(jī)的電源電壓為 +5V,所以,此處采用三端集成穩(wěn)壓芯片 LM781LM780 LM780 LM7915,來(lái)分別得到 +15V、 +6V、 +5V、 15V電壓作為輸出,供現(xiàn)場(chǎng)部分的系統(tǒng)使用。 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì) 煤礦現(xiàn)場(chǎng)部分電源設(shè)計(jì) 由于煤礦礦井下可采用有線電纜供電,所以本設(shè)計(jì)中采用 220V交流市電,經(jīng)變壓、整流濾波、穩(wěn)壓后得到所需電源。由于將多功能 8位 CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中, ATMEL的 AT89C51是一種高效微控制器,其特點(diǎn)如下: (1) 與 MCS51 兼容 (2) 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 (3) 壽命: 1000 寫(xiě) /擦循環(huán) (4) 數(shù)據(jù)保留時(shí)間: 10 年 (5) 全靜態(tài)工作: 0Hz24MHz (6) 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 (7) 1288 位內(nèi)部 RAM (8) 32 可編程 I/O 線 (9) 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 (10) 5 個(gè)中斷源 (11) 可編程串行通道 (12) 低功耗的閑置和掉電模式 (13) 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 (14) 工作溫度為 55℃ ~ +125℃ (15) 最高工作電壓 正是由于 AT89C51單片機(jī)具有如上特點(diǎn),其工作溫度范圍寬,能夠適應(yīng)礦井下惡劣的環(huán)境,且具有較高的可靠性,和抗干擾能力,所以此處選用此單片機(jī)作為控制器。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 100次。本文采用 14 AT89C51單片機(jī)作為檢測(cè)儀 的核心部件, AT89C51單片機(jī)是 ATMEL公司 89系列單片機(jī)中的一種,它現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制等各領(lǐng)域,是 80C51的增強(qiáng)型并且指令完全兼容。由于甲烷氣體監(jiān)測(cè)傳感器處于煤礦礦井巷道中,工作環(huán)境比較惡劣,以及實(shí)際的運(yùn)行工況比較復(fù)雜,這些都對(duì)單片機(jī)的干擾較大,所以應(yīng)采用抗干擾性能較好的單片機(jī)機(jī)型;二是要有較高的性?xún)r(jià)比。單片機(jī)型號(hào)的選擇是根據(jù)控制 系統(tǒng)的目標(biāo)、功能、可靠性、性?xún)r(jià)比、精度和速度等來(lái)決定的。它的優(yōu)異特性使其非常適合于應(yīng)用在便攜式及手持產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中, 13 符合本設(shè)計(jì)的要求,其具體性能指標(biāo)如下: (1) 該器件將接收和發(fā)射合接為一體 (2) 工作頻率為國(guó)際通用的數(shù)傳頻段 433MHz (3) 采用 FSK調(diào)制 /解調(diào),可直接進(jìn)入數(shù)據(jù)輸入 /輸出,抗干擾能力強(qiáng),特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合 (4) 采用 DDS(直接數(shù) 據(jù)合成 )+ PPL頻率合成技術(shù),因而頻率穩(wěn)定性好 (5) 靈敏度高達(dá) 105dBm (6) 工作電壓低 (),功耗小,接受待機(jī)狀態(tài)電流僅為 8uA (7) 具有兩個(gè)頻道,可滿(mǎn)足需要多信道工作的場(chǎng)合 (8) 工作頻率最高達(dá) 20kbit/s(也可在較低頻率下工作,如 9600bit/s),超小體積,約 40275 3mm (9) 可直接與 CPU串口進(jìn)行連接 (如 AT89C51),也可以用 RS232與計(jì)算機(jī)接口連接,軟件編程方便 (10) 標(biāo)準(zhǔn)的 DIR管腳間距更適合于 嵌入式設(shè)備 (11) 由于采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏的設(shè)計(jì),因此使用無(wú)需申請(qǐng)?jiān)S可證,開(kāi)闊地時(shí)使用距離最遠(yuǎn)可達(dá) 1000m 單片機(jī)型號(hào)選擇 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,單片機(jī)因具有集成度高、體積小、速度快、價(jià)格低等特點(diǎn)而在許多領(lǐng)域如過(guò)程控制、數(shù)據(jù)采集、機(jī)電一體化、智能化儀表、家用電器以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方面得到廣泛應(yīng)用 .從而使這些領(lǐng)域的技術(shù)水平、自動(dòng)化程度大大提高。PTR2021的出現(xiàn),使用戶(hù)擺脫了傳統(tǒng)無(wú)線產(chǎn)品設(shè)計(jì)的困擾。該模板在內(nèi)部集成了高頻接收、 PLL合成、 FSK調(diào)制 /解調(diào)、參量放大、功率放大、頻道切換等功能,因而是目前集成度較高的無(wú)線數(shù)傳產(chǎn)品。 12 圖 MQ214靈敏度特性曲線 0120 10 0 10 20 30 40 50 60degreeRs/Ro33%RH85%RH 圖 MQ214溫濕度特性曲線 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊的選擇 從模塊內(nèi)置芯片數(shù)據(jù)傳 輸?shù)木幋a方式、芯片外圍元件的數(shù)量、功耗、發(fā)射功率、芯片的封裝和管腳數(shù)等幾個(gè)方面來(lái)考慮,本設(shè)計(jì)采用 PTR2021作為無(wú)線傳輸模塊。 因此,在使用此類(lèi)型氣敏元件時(shí),靈敏度的調(diào)整是很重要的。 Rs: 不同溫度 、 濕度下, 5000ppm甲烷中元件電阻。其中,溫度: 20℃ ; 相對(duì)濕度: 65%; 氧氣濃度: 21%; RL=50Ω , Rs:元件在不同氣體 、 不同濃度下的電阻值 ; Ro: 元件在潔凈空氣中的電阻值。5% 預(yù)熱時(shí)間 不少于 24s 其測(cè)量電路如圖 。2 ℃ Vc:6V177。 DC RH 取樣電阻 50Ω177。表 ;表 描述了傳感器的使用的環(huán)境條件;而表 3則詳細(xì)闡述了傳感器的靈敏度特性,標(biāo)示出了其檢測(cè)范圍。適用于煤礦井下作業(yè)環(huán)境測(cè)量空氣中的甲烷氣體濃度,所以本設(shè)計(jì)選擇其作為傳感器,對(duì)照本設(shè)計(jì)的所要達(dá)到 的指標(biāo)要求, MQ214可燃性氣體傳感器在各方面都達(dá)到了要求,是比較理想的選擇。 這種傳感器的外觀圖和結(jié)構(gòu)如圖 ,由兩個(gè)引腳構(gòu)成,一正一負(fù),正端接 6V電源,此電源要求有較高穩(wěn)定性,否則對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)產(chǎn)生誤差。指示表設(shè)計(jì)在儀表的主腔室,透明窗面積不大于 100 2mm ,透明玻璃厚度大于 8mm,與外殼密封采用橡膠密封措施。由于隔爆型儀表具有低電壓、小電流特點(diǎn),隔爆型儀表的主腔和接線盒貫通部分,可以盡量采取橡膠密封結(jié)構(gòu),使隔爆型儀表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,加工方便。隔爆型儀表設(shè)計(jì)須注意如下幾個(gè)方面 : (1) 確定合理的外殼結(jié)構(gòu) 根據(jù)儀表的特點(diǎn),專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)與原結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的外殼,達(dá)到既不損害儀表原來(lái)使用特征又經(jīng)濟(jì)合理的外殼,外殼腔內(nèi)有細(xì)長(zhǎng)通道,避免腔內(nèi)發(fā)生壓力重疊現(xiàn)象 ,外殼的材質(zhì)采用新型的工程塑料和優(yōu)質(zhì)輕合金,結(jié)構(gòu)輕巧。隔爆型儀表的主要特點(diǎn)是有一個(gè)可靠的隔爆外殼,它將把可能產(chǎn)生火花和危險(xiǎn)溫度的儀表傳感器、電阻電路及接線端子等,都放在隔爆外殼里,達(dá)到外殼內(nèi)可能 9 發(fā)生的爆炸不影響周?chē)兹家妆镔|(zhì),它的設(shè)計(jì)方法與隔爆型電器和電機(jī)基本相類(lèi)似。 A T 8 9 C 5 1無(wú) 線 發(fā) 射模 塊瓦 斯 傳感 器信 號(hào) 調(diào)理 電 路電 源時(shí) 鐘 、 復(fù)位 電 路A / D 轉(zhuǎn)換 器 圖 現(xiàn)場(chǎng)部分結(jié)構(gòu)圖 8 A T 8 9 C 5 1報(bào) 警 電 路電 源時(shí) 鐘 、 復(fù)位 電 路無(wú) 線 接收 模 塊瓦 斯 濃 度顯 示 電 路 圖 手持部分結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 技術(shù)指標(biāo) 本課題的研究目的是設(shè)計(jì)一個(gè)基于無(wú)線傳輸?shù)耐咚節(jié)舛?檢測(cè)儀,該瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀主要完成數(shù)據(jù)采集、處理和無(wú)線傳輸,瓦斯?jié)舛蕊@示以及超限報(bào)警等功能,并且具有體積小、 攜帶方便、多功能、精度高等特點(diǎn),其具體技術(shù)指標(biāo)上的要求如下 : (1) 應(yīng)用環(huán)境 : 煤礦氣體監(jiān)測(cè) (2) 監(jiān)測(cè)對(duì)象 : 監(jiān)測(cè)甲烷氣體 (3) 測(cè)量范圍 : 甲烷 ~ 2% (4) 靈敏度 : % (5) 響應(yīng)時(shí)間 : 30s (6) 功耗 : ≈150mw (7) 環(huán)境工作溫度范圍 : 20~ +70C (8) 環(huán)境下作濕度范圍 : 95%RH 防爆要求 煤礦井下工作環(huán)境特殊,空間狹窄,濕度大,有易燃易 爆的瓦斯和煤塵,所以,煤礦電器同一般電器有較大的區(qū)別。 瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀的功能是能夠檢測(cè) 4CH 濃度,同時(shí)本著方便使用的原則,還應(yīng)具備聲光報(bào)警、濃度顯 示等功能。圖 ,主要由單片機(jī)、無(wú)線接收模塊、電源時(shí)鐘及復(fù)位電路、報(bào)警電路、顯示電路組成。 系統(tǒng)總體構(gòu)成及工作原理 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 。而在設(shè)計(jì)要求中詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,包含設(shè)計(jì)所應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)和儀表在特殊場(chǎng)合的防爆設(shè)計(jì)要求。 使用單片機(jī) AT89C51 作為控制芯片,用匯編語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì),采用甲烷氣 體傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、 A/D 轉(zhuǎn)換器、無(wú)線發(fā)射模塊、無(wú)線接收模塊加上顯示報(bào)警電路等器件構(gòu)成系統(tǒng), 具體部件及其功能如下: (1) 使用數(shù)碼管顯示瓦斯?jié)舛鹊拇笮? (2) 使用報(bào)警電路,當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^(guò) 1%時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào) (3) 使用發(fā)射和接收模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行無(wú)線傳輸 (4) 使用電源監(jiān)測(cè)電路對(duì)干電池電量進(jìn)行監(jiān)測(cè) 目 前國(guó)內(nèi)有一些用于煤礦中 CH4氣體的檢測(cè)儀,但是很少有能實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)?,本文針?duì)煤礦氣體檢測(cè)儀的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì),閱讀了大量文獻(xiàn)及資料,研發(fā)了基于無(wú)線傳輸?shù)耐咚節(jié)舛葯z測(cè)儀,本文的主要工作包括 : (1) 甲 烷氣體傳感器的選用 (2) 單片機(jī)的選用 (3) 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)及論證 (4) 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) (5) 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 7 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)包括:系統(tǒng)總體構(gòu)成和工作原理;系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求或者指標(biāo);系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理。因此,研制先進(jìn)適用的煤礦瓦斯氣體監(jiān)測(cè)儀對(duì)煤礦工業(yè)安全生產(chǎn),減少事故發(fā)生和生命財(cái)產(chǎn)損失有重要意義,市場(chǎng)應(yīng)用前景十分廣闊。第四、大量的瓦斯從通風(fēng)井排入大氣,污染大氣環(huán)境。第二、煤中瓦斯突出。第一、瓦斯?jié)舛冗^(guò)高,對(duì)工人身體健康的影響表現(xiàn)為缺氧,呼吸困難,窒息等。其有易燃 、易爆等特點(diǎn),因此煤礦對(duì)瓦斯的治理應(yīng)非常重視。但是 4CH 氣體含量多,且?guī)缀醪蝗苡谒?,屬于易燃易爆氣體,發(fā)生爆炸事極易造成人身傷害。其中之一便是有害氣體影響,包括 4CH ,CO , 2SO 等。 本課題的研究意義 我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó),也是世界上少數(shù)幾個(gè)以煤為主要能源的國(guó)家之一。 綜合來(lái)說(shuō),目前市場(chǎng)上的每種系統(tǒng)都 可能存在量程小、體積大、功耗大、需短期內(nèi)校準(zhǔn)、使用壽命短、無(wú)數(shù)據(jù)傳輸方式等其中某種或某幾種缺點(diǎn)。光學(xué)干涉儀的特點(diǎn)是:使用的條件要求不高,精度可以達(dá)到 ,一般礦井中的瓦斯安全員用的多為這種儀器。這種儀器在使用中必須消除二氧化碳和水蒸氣的干擾。如果氣樣室中氣體的成分、溫度、壓力發(fā)生改變,則折射率會(huì)發(fā)生改變,光程也會(huì)發(fā)生變化,所看到的干涉條紋就發(fā)生移動(dòng)。該儀器的缺點(diǎn)是:測(cè)量范圍有限、精度較低、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。它的特點(diǎn)是:體積小、重量輕、線性度較好、可實(shí)現(xiàn)電量輸出、使用方便、價(jià)格便宜。這種儀器目前主要應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。 (1)氣相色譜儀 該類(lèi)儀器可以檢測(cè) 4CH 、 CO、 C02等多種氣體,測(cè)量范圍大而且精度很高,但成本較高,目前國(guó)內(nèi)一臺(tái)這樣的儀器要 8萬(wàn)元。巷道截面對(duì)中頻及其以下頻率的無(wú)線傳輸影響較小,所以在本設(shè)計(jì)中可選用適當(dāng)頻率的無(wú)線電波作為無(wú)線傳輸方式。 4 ② 巷道截面對(duì)無(wú)線傳輸?shù)挠绊懗潭扰c波長(zhǎng)有關(guān),當(dāng)巷道截面等效半徑與波長(zhǎng)相差不大于 10倍時(shí) (無(wú)論等效半徑大于波長(zhǎng),還是波長(zhǎng)大于等效半徑 ),巷道截面對(duì)無(wú)線傳輸?shù)挠绊戄^大;巷道截面等效半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng),或遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)時(shí),巷道截面對(duì)無(wú)線傳輸?shù)挠绊戄^小。巷道截面越大,傳輸頻率越高,傳輸衰減越小。建立礦井無(wú)線安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警信息系統(tǒng)可以對(duì)有線監(jiān)控系統(tǒng)難以監(jiān)測(cè)的區(qū)域?qū)嵤┦钟行?、?shí)時(shí)和靈活的監(jiān)測(cè)。長(zhǎng)距離微波通信干線可以經(jīng)過(guò)幾十次中繼而傳至數(shù)千公里仍可保持很高的通信質(zhì)量。一般說(shuō)來(lái) ,由于地球幽面的影響以及空間傳輸?shù)膿p耗 ,每隔 50公里左右 ,就需要設(shè)置中繼站 ,將電波放大轉(zhuǎn)發(fā)而延伸。 (2)微波通信 微波通信 (Microwave Communication),是使
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