【正文】 在軟件上也應有較大的發(fā)展。今后的發(fā)展趨勢是各生產(chǎn)礦井與礦務局、各礦務局與本 省乃至全國煤礦系統(tǒng)構(gòu)成統(tǒng)一完整、功能先進的計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)，真正實現(xiàn)更大范圍的煤礦資源信息共享 ，簡化礦井安全管理工作，保證礦井的安全生產(chǎn)。綜合運用瓦斯?jié)舛葘崟r檢測方法、信號采集與傳輸原理、 8031 單片機及其外圍設備設計礦井瓦斯實時檢測報警系統(tǒng)，若礦井中瓦斯?jié)舛冗_到一定濃度時及時發(fā)出報警信息。 礦井瓦斯?jié)舛葯z測報警系統(tǒng)設計內(nèi)容 1） 進行總體設計，首先根據(jù)現(xiàn)場的特殊要求分析設計任務，確定現(xiàn)場的要求；其次根據(jù)現(xiàn)場要求，選擇適用于防爆性和高安全性的工業(yè)現(xiàn)場需求的瓦斯氣體濃度測量方法和檢測報警系統(tǒng)的總體設計結(jié)構(gòu)；然后選擇合適的測量傳感器，并確定測量系統(tǒng)主芯片和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)； 2） 設計測量傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換電路，將其轉(zhuǎn)換為適應后續(xù)測量電路要求的電信號，設計轉(zhuǎn)換電路，繪制電路圖； 3） 設計基于 8031 單片機的實時瓦 斯?jié)舛缺O(jiān)測報警系統(tǒng)：監(jiān)測報警系統(tǒng)的主芯片采用 8031 微處理器，系統(tǒng)中應有數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、地址鎖存器、數(shù)據(jù)鎖存器、看門狗、 A∕ D 轉(zhuǎn)換器、多路開關(guān)、數(shù)據(jù)輸出芯片（ RS232 或 485）、擴展接口、LED顯示系統(tǒng)等，繪制各單元電路圖和總的電路圖； 礦井瓦斯?jié)舛妊芯肯到y(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 基于氣體傳感器的甲烷氣體監(jiān)測系統(tǒng)主要由氣體傳感器、單片機、 LED 顯示器、電源電路以及聲光報警模塊等部分組成，其原理框圖如圖 所示。 河北 聯(lián)合 大學 綜合課程設計說明書 2 總體設計方案 6 圖 1 礦井瓦斯?jié)舛葯z測報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖 l) 氣體傳感器 :能感知環(huán)境中甲烷氣體及其濃度的一種敏感元件，它能將與氣體種類和濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號； 2） A∕ D 轉(zhuǎn)換器 ：將測量轉(zhuǎn)換后的模擬電信號轉(zhuǎn)換成單片機能識別的數(shù)字信號，由傳輸設備傳給單片機進行處理； 3） 單片機系統(tǒng)：將測量轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進行處理運算，輸出控制信號控制外圍設備工作； 4) 顯示單元 :根據(jù)測量信號，由單片機將待顯示數(shù)據(jù)按相應方式進行數(shù)據(jù)傳輸 給顯示處理模塊顯示于儀表； 5) 聲光報警單元 :當監(jiān)測氣體濃度超出設定報警值時，發(fā)出聲光報警； 6） 電源單元：為單片機和傳感器等設備提供 5V電壓。氣體傳感器是煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，按其工作原理不同有以下幾種分類： 1） 紅外線式 紅外線式是利用瓦斯的氣體分子能吸收一定波長的紅外線來檢測瓦斯?jié)舛鹊摹? 2） 光干涉式 光干涉式是利用光波對空氣和瓦斯氣體的折射率不同所產(chǎn)生的光程差，引起干涉條紋移動來實現(xiàn)對不同瓦斯?jié)舛鹊臋z測。 3) 聲速差式 在溫度為 22℃、氣壓為 101325Pa 條件下，聲波在瓦斯中的傳播速度為 432m/s，而在清潔空氣中為 3m/s。它的優(yōu)點是讀數(shù)不但不受氣壓影響，而且還對背景氣體、粉塵及氣溫變化很敏感；缺點是很難測出低濃度的瓦斯氣體，一般只用來檢測礦井抽放瓦斯管道中的瓦斯?jié)舛?。其原理是利用氣敏半導體被加熱到 200℃時，它表面能夠吸附瓦斯氣體而改變其電阻值來檢測瓦斯?jié)舛鹊?。但當濃度較高時，反應就會變慢，選擇性和線性也會變差。它的 優(yōu)點是熱導元件和儀器設計制作比較簡單，成本低、量程大，可連續(xù)檢測，讀數(shù)穩(wěn)定，器件壽命長；缺點是瓦斯?jié)舛容^低時輸出信號小，受氣溫影響比較大。它的優(yōu)點是元件和儀器的生產(chǎn)成本低，輸出信號大，儀器的結(jié)構(gòu)簡單，受溫度變化的影響小，容易實現(xiàn)自動檢測；缺點是元件的壽命較短。綜上分析， 本設計決定采用 MQ4氣敏半導體傳感器 。對甲烷的靈敏度高 。簡單的驅(qū)動電路即可。 河北 聯(lián)合 大學 綜合課程設計說明書 2 總體設計方案 8 結(jié)構(gòu) 外形 圖 2 MQ4 結(jié)構(gòu)和外形 表 1 MQ4標準的工作條件 Table 1 MQ4Standard working conditions 表 2 MQ4的環(huán)境條件 Table 2 MQ 4 environmental conditions 符號 參數(shù)名稱 技術(shù)條件 備注 Vc 回路電壓 ≤ 15V Ac or Dc VH 加熱電壓 177。 3Ω 室溫 PH 加熱功耗 ≤ 900mw 符號 參數(shù)名稱 技術(shù)條件 備注 Tao 使用溫度 10℃ 50℃ Tas 儲存溫度 20℃ 70℃ RH 相對濕度 小于 95%RH O2 氧氣濃度 21%(標準條件 ) 氧氣濃度會影響靈敏度 最小值大于 2% 河北 聯(lián)合 大學 綜合課程設計說明書 2 總體設計方案 9 表 3 MQ4的靈敏度特性 Table 3 The sensitivity of MQ 4 features 表 4 甲烷 濃度 測試計算 Table 4 methane concentration test calculation 濃度（ ppm） 計算值 100 500 800 1000 2021 3000 5000 10000 Rs/R0 Rs(k) VRSRLRLV 50 ??? 顯示讀數(shù) = 25550?V 132 148 162 168 180 187 234 253 由于 Ro— 敏感體電阻 ， R0是指元件在潔凈空氣中的電阻值，所以一旦確定就不變； Rs是指元件在不同氣體，不同濃度下的電阻值，是由濃度確定的；由于傳感器測得的是以甲烷氣體為例，所以要在不同氣體濃度下調(diào)整傳感器的調(diào)整電阻 RL； RL的求取有可測的 V0和 RS來取的； VRSRLRLV 50 ??? (1) 其 ： RL＝ 5KΩ (2) Ro= (3) Ro 表示傳感器在 1000ppm 氫氣中的電阻值圖中所有測試都是在標準試驗條件下完成的 。 2℃ Vc:177。 5% Vh:177。其中：溫度為 20℃ 、相 對濕度為 65%、氧氣濃度為 21% RL=20kΩ Rs 是指元件在不同氣體，不同濃度下的電阻值。所以在使用該傳感器時，靈敏度的調(diào)整是必要的。其校準過程如下： 在測試條件下對傳感器進行校準時，要進行硬件部分電路的調(diào)試。靈敏度的調(diào)整需要依靠調(diào)節(jié)負載電阻來實現(xiàn)的，調(diào)節(jié)負載電阻盡可能的使顯示的瓦斯?jié)舛戎蹬c實際相符合，這樣傳感器的靈敏度就確定下來了，此時的傳感器就可以用來監(jiān)測實際中不同的瓦斯?jié)舛攘恕Ｋ钥紤]選用 8031單片機，直接擴展外圍設備，這里考慮用 8031單片機。 河北 聯(lián)合 大學 綜合課程設計說明書 2 總體設計方案 11 圖 4 8031 單片機 1） 主電源引腳 Vss和 Vcc （ 1） Vss接地 （ 2） Vcc正常操作時為 +5伏電源 2） 外接晶振引腳 XTAL1和 XTAL2 （ 1） XTAL1內(nèi)部振蕩電路反相放大器的輸入端，是外接晶體的一個引腳。 （ 2） XTAL2內(nèi)部振蕩電路反相放大器的輸出端。當采用外部振蕩器時，此引腳接外部振蕩源。 （ 2） ALE/ 正常操作時為 ALE功能（允許地址鎖存）提供把地址的低字節(jié)鎖存到外部鎖存器， ALE 引腳以不變的頻率（振蕩器頻率的 ）周期性地發(fā)出正脈沖信號。但要注意，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲河北 聯(lián)合 大學 綜合課程設計說明書 2 總體設計方案 12 器時，將跳過一個 ALE脈沖， ALE 端可以驅(qū)動（吸收或輸出電流）八個 LSTTL電路。 同樣可以驅(qū)動八 LSTTL輸入。當 /Vpp為高電平時，訪問內(nèi)部程序存儲器，當 /Vpp 為低電平時，則訪問外部程 序存儲器。 （ 2） ～ :通道 1是 8位擬雙向 I/O通道，在編程和校驗時，它發(fā)出低 8位地址。 （ 3） ～ :通道 2是 8位擬雙向 I/O通道，當訪問外部存貯器時，用作高 8位地址總線。 （ 4） ～ :通道 3準雙向 I/O通道。 :TXD，串行輸出口。 :INT1，外部中斷 1輸入口。 :T1，定時器 /計數(shù)器 1外部事件脈沖輸入端 5） 復位操作，在掉電情況下（ Vcc 降到操作允許限度以下）， 后備電源加到此引腳，將只給片內(nèi) RAM 供電。本設計采用 ADC0809，其管腳引腳圖如圖 24所示，它的分辨率為八位。模擬輸入部分有 8路多路開關(guān)，可由 3位地址輸入 ADDA、 ADDB、 ADDC的不同組合來選擇， ALE為地址鎖存信號，高電平有效，河北 聯(lián)合 大學 綜合課程設計說明書 2 總體設計方案 13 鎖存這三條地址輸入信號。 本設計所采用的 CMOS單片型逐次逼近式的 A/D轉(zhuǎn)換器為 ADC0809，它由以下的電路所組成，即 8路模擬開關(guān)、比較器、地址鎖存器和譯碼器、 8位開關(guān)樹型 D/A轉(zhuǎn)換器、三態(tài)輸出鎖存器、逐次逼近寄存器等。其輸入輸出與TTL兼容。在使用時，該信號常和 START信號連在一起，以便同時鎖存通道地址和啟動 A/D轉(zhuǎn)換； (5） START：啟動信號輸入端，負跳變有效； (6） EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端，正在轉(zhuǎn)換時為低電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高電平；該信號可作為被 CPU查詢的狀態(tài)信號，也可作為對 CPU的中斷請求信號。要求時鐘頻率不超過 640kHz； REF（ +）、 REF（ ）：基準電壓輸入端 ,它們決定了輸入模擬電壓的最大值和最小值； (9） VCC：工作時電壓為＋ 5V； (10） GND：接地。 圖 5 ADC0809 引腳圖 A/D 轉(zhuǎn)換器是測試系統(tǒng)的一個非常重要的環(huán)節(jié)，其芯片種類多，性能各異，功能引腳不盡相同，因此實際應用中應根據(jù)分辨率和轉(zhuǎn)換時間兩個重要參數(shù)選擇適當?shù)男酒?。與一般測量儀表的分辨率表達方式不同， A/D 轉(zhuǎn)換器不采用可分辨的輸入模擬電壓相對值表示，例如本次設計我們采用的 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0809 的分辨率為 8位，即該轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)可 以用 82 個二進制數(shù)進行量化，其分辨率為 1LSB。如 8位 ADC 滿量程為 5V，則它能分辨的最小電壓為 p=5000mV/256≈ 20mV,既模擬電壓小于 20mV，ADC就不能轉(zhuǎn)換了?？梢?， A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，其分辨率越高，但轉(zhuǎn)換速度就越慢。轉(zhuǎn)換速度是轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)。同時隨著分辨路增高芯片的成本也會隨之倍增。多路開關(guān)可選通 8個模擬通道，允許 8路模擬量分時輸入，共用 A/D 轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。 示模塊的選擇 本設計應該選擇比較熟悉的 LCD1062。在 課程設計中經(jīng)常用到它，因此，大家 對液晶顯示器并不陌生。 1602 型 LCD 外形圖如下圖所示： 圖 6 1602LCD 外形圖 D714D613D512D411D310D29D18D07E6RW5RS4VSS1VDD2VEE3L C D 1LM 01 6 L河北 聯(lián)合 大學 綜合課程設計說明書 2 總體設計方案 16 液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對顯示區(qū)域進行控制，只要輸入所需的控制電壓，就可 以顯示出字符來。 HD44780 是集驅(qū)動器與控制器于一體，專用于字符顯示的的液晶顯示控制驅(qū)動集成電路， 這 便 是LCD顯示的基本原理。 第 2 腳： VDD接正電源 ，為 5V。 第 4 腳： RS為寄存器 的 選擇 端口 ， 當為 高電平時 就 選擇數(shù)據(jù)寄存器、 當為 低電平時就 選擇指令寄存器。當 RS 和 R/W 同 時 為低電平 的 時 候就 可寫入指令或顯示地址，當 R/W 為高電平 RS 為低電平 的 時 候就 可讀忙信號，當 R/W 為低電平 RS 為高電平 的 時 候就 可寫入數(shù)據(jù)。 第 7～ 14 腳： D0～ D7 是 8位 的 雙向數(shù)據(jù)線。 第 16 腳：背光源負極 [4]。 指令 1：清顯示，指令碼 是 01H,光標復位到 的 地址 為 00H 位置。 指令 3：光標 與 顯示模式設置 I/D：光標 的 移動方向 是 高電平 時 右移，低電平 時 左移 。 指令 4：顯示開關(guān)控制。 指令 5：光標或 者 顯 示移位 S/C： 當 高電平 的 時 候 移動顯示的 字符 ，低電平