【正文】 )甲烷氣體傳感器的選用及實(shí)驗(yàn)（2)單片機(jī)的選用（3)系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)（4)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)（5)通訊方式設(shè)計(jì)（6)終端數(shù)據(jù)采集及顯示軟件的設(shè)計(jì)2 煤礦瓦斯報(bào)警系統(tǒng)器件的選擇本課題的研究日標(biāo)，是設(shè)計(jì)一種能夠有效監(jiān)測(cè)煤礦瓦斯氣體的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并可以將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳壘地面監(jiān)控電腦，實(shí)施控制。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能在本設(shè)計(jì)中，煤礦氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能是能夠監(jiān)測(cè)CH4，同時(shí)本著方便應(yīng)用的原則，還應(yīng)具備聲光報(bào)警、人機(jī)界面操作、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及與Pc機(jī)通訊等功能。由于在標(biāo)定和更新系統(tǒng)參數(shù)的時(shí)候，需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這就需要擴(kuò)展儀表外設(shè)功能模塊，采用串口通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳。 氣體傳感器的選擇本次設(shè)計(jì)采用CH4氣體傳感器進(jìn)行參數(shù)測(cè)量。這種新的合金催化劑不僅對(duì)瓦斯催化反應(yīng)的活性極高，臨界反席溫度低，而且具有良好的催化選擇性，有利于提高報(bào)警器的靈敏性和準(zhǔn)確性。，其具有抗氣體干擾能力強(qiáng)、選擇性好、反應(yīng)速度快、靈敏度高、線性和穩(wěn)定性好、功耗低、壽命長等特點(diǎn)。 元件外觀圖（1） 元件使用環(huán)境條件： 溫度：一20℃～+70℃ 濕度：95％RH 風(fēng)速：8m/s 大氣壓力：80116 KPa（2） 零點(diǎn)輸出 V。：空氣中的輸出電壓)（3） 靈敏度 M2mV (M：靈敏度)（4） 傳感器對(duì)多種可燃?xì)怏w的敏感特性 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。根據(jù)本課題的實(shí)際情況，單片機(jī)型號(hào)的選擇主要從以下兩點(diǎn)考慮：一是要有較強(qiáng)的抗干擾能力。由于5l系列在我國使用最廣且該系列的資料和能夠兼容的外圍芯片也比較多，特別是ATMEL公司2003年推出的新一代89S系列單片機(jī)，其典型產(chǎn)品AT89S52單片機(jī)具有較高的性能價(jià)格比。 AT89S52單片機(jī)的特點(diǎn)（1)兼容MCS一5l單片機(jī)（2)8K字節(jié)FLASH存貯器支持在系統(tǒng)編程ISPl000次擦寫周期（3)256字節(jié)片內(nèi)RAM（4)（5)全靜態(tài)時(shí)鐘OHz到33MHz（6)二級(jí)程序加密（7)32個(gè)可編程I/O口（8)3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器（9)6個(gè)中斷源（lO)上電復(fù)位標(biāo)志（11)完全的雙工 UART串行口（12)低功耗支持Idle和Powerdown模式（13)Power down模式支持中斷喚醒（14)看門狗定時(shí)器（15)雙數(shù)據(jù)指針此外，與AT89C52相比，AT89S52新增加了許多功能，這將使單片機(jī)在工作過程中具備更高的穩(wěn)定性和電磁抗干擾性。AT89S52中ISP引腳共有4個(gè)：RST、MOSI、MISO和SCK。正因?yàn)锳T89S52單片機(jī)增加了高可靠性、安全性的功能，所以能避免因外部芯片擴(kuò)展過多或傳感器輸入信號(hào)過多而引起的信號(hào)失真、電磁干擾等現(xiàn)象的發(fā)生。而且，從經(jīng)濟(jì)性的角度來看，AT89S52不但硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且價(jià)格低、功能強(qiáng)、性價(jià)比高，符合我國工業(yè)設(shè)計(jì)制造的要求。3．1 系統(tǒng)原理框圖基于氣體傳感器的甲烷氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由氣體傳感器、單片機(jī)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及LED顯示器以及RS485通訊接1：3等部分組成，其原理框圖如圖3．1所示。AT89S52電源電路氣體傳感器A/DLED驅(qū)動(dòng) LED顯示時(shí)鐘模塊聲光報(bào)警RS485計(jì)算機(jī)Data Flash控制面板圖 系統(tǒng)硬件原理圖 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)電源3．2．1系統(tǒng)電源基本思路：220V交流電壓 → 降壓 → 整流 → 濾波 → 穩(wěn)壓 → 調(diào)壓直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成，如上圖所示。在該設(shè)計(jì)中，要得到正負(fù)12V的電壓，一般選擇產(chǎn)生高于12V的變壓器。該設(shè)計(jì)中采用單相橋式整流電路，為全波整流，紋波小二極管的反向電壓小，應(yīng)用最廣。（3） 濾波電路：將脈動(dòng)的直流電壓變換為平滑的直流電壓。濾波可分為電容濾波、電感濾波、復(fù)式濾波。濾波電路是利用電容和電感對(duì)不同頻率的信號(hào)表現(xiàn)出不同的電抗，構(gòu)成低通濾波電路，以減小高頻紋波成份。（5） 穩(wěn)壓電路：將直流輸出電壓穩(wěn)定，減小電源電壓波動(dòng)和負(fù)載變化對(duì)輸出直流電壓的影響。，Vin是外部輸入電源，采用的是12V/3A的直流電源。整個(gè)系統(tǒng)用電可以劃分為兩部分：HVCC是LED顯示器模塊、氣體傳感器加熱、傳感器信號(hào)監(jiān)測(cè)回路及A/；VCC是單片機(jī)等集成芯片需要5V的工作電壓。LM317是美國國家半導(dǎo)體公司的三端可調(diào)整流穩(wěn)壓器集成電路。內(nèi)置過載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。當(dāng)調(diào)節(jié)端接地時(shí)。因此，只需要用極小的電流來調(diào)整ADJ端的電壓，便可在Vout端得到比較大的輸出電流。通過調(diào)整接入ADJ端和Vout端電阻的比值，來改變輸出電壓。這個(gè)電流隨器件的生產(chǎn)廠家而有所差異，一般在38mA不等，可以通過在負(fù)載端接一個(gè)合適的電阻來解決。數(shù)據(jù)代入上式得：HVCC=。數(shù)據(jù)代入公式得到：VCC=。其中．HVCC是輸入電壓，VE是氣體傳感器的加熱電壓，VH是監(jiān)測(cè)回路的工作電壓，GND為氣體傳感器加熱地，Vss為信號(hào)采樣地，Rs為氣體傳感器的敏感體電阻，RL為取樣電阻。如果采樣地與加熱地共用一條回路，采樣地就會(huì)流過較大的電流，這樣就能在信號(hào)采樣線上產(chǎn)生很大的壓降，從而導(dǎo)致采集的信號(hào)受信號(hào)采集線的長短影響較大。依據(jù)LM317的輸出電壓計(jì)算公式，可以得到： （）其中：Vref =，Rl=470Ω，R2=150Ω。圖 氣體傳感器加熱及信號(hào)采樣電路圖模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選用的是美國模擬器件公司(Analog Devices)生產(chǎn)的一種低功耗10位高速串行A/D轉(zhuǎn)換器AD78l0，其轉(zhuǎn)換精度為。根據(jù)歐姆定律．得到氣體傳感器的輸出電壓： (3．4)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，換算出氣體傳感器輸出電壓： (3．5)其中：VAD是A/D的轉(zhuǎn)換結(jié)果。Rs與采樣回路電壓VH無關(guān)，只要保證參考電壓VH穩(wěn)定就可以。 傳感器信號(hào)監(jiān)測(cè)回路及A/D轉(zhuǎn)換參考電源傳感器信號(hào)監(jiān)測(cè)回路及A/，主要由三極管和TL431組成。在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等等。由運(yùn)放的特性可知，只有當(dāng)REF端(同相端)的電壓非常接近VI時(shí)，三極管中才會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的非飽和電流通過，而且隨著REF端電壓的微小變化。當(dāng)在REF端引入輸出反饋時(shí)，器件可以通過從陰極到陽極很寬范圍的分流來控制輸出電壓。圖3．4中，R6和R8對(duì)VH的分壓引入反饋?？梢?，這個(gè)深度的負(fù)反饋電路必然在VI等于基準(zhǔn)電壓處穩(wěn)定，此時(shí)TL431的輸出： （）其中：Vref =，R6=200Ω，R8=1000Ω。為了降低系統(tǒng)功耗，用單片機(jī)I/O口控制該電源的工作狀態(tài)。NPN是三極管Q1截止，其集電極為高電平，從而使PNP三極管Q2基極為高，Q2截止，這樣不能滿足TL431工作條件，得到VH=OV的輸出電壓。該產(chǎn)品有8腳DIP和SOIC兩種封裝形式，并帶有內(nèi)部時(shí)鐘。在自動(dòng)低功耗模式下，該器件在轉(zhuǎn)換吞吐率為1kSPS時(shí)的功耗僅為27μW。1LSB4)電源電壓范圍：—5)電源功耗：，低功耗方式時(shí)為5μW6)參考電壓VREF范圍：～VDD7)模擬電壓輸入范圍：OV～Vref8)輸出形式：SPI同步串行輸出，與TTL電平兼容。在此模式下，啟動(dòng)信號(hào)CONVST一般處于高電平。若采用內(nèi)部時(shí)鐘，那么，轉(zhuǎn)換需要2μs的時(shí)間(圖中t1)。此后，在每一個(gè)SCLK脈沖的上升沿，數(shù)據(jù)按由高到低的原則(首先發(fā)送DB9，最后發(fā)送DB0)依次出現(xiàn)在DOUT上。圖 AD7810高速模式時(shí)序圖啟動(dòng)信號(hào)CONVST應(yīng)在轉(zhuǎn)換結(jié)束前變?yōu)楦唠娖?，即t2應(yīng)小于t1，否則器件將自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式。2）自動(dòng)低功耗模式 T作在自動(dòng)低功耗模式時(shí)的時(shí)序圖。當(dāng)在CONVST端輸入一個(gè)正脈沖時(shí)，可在其上升沿將器件從休眠狀態(tài)喚醒，喚醒過程需要1μs的時(shí)間(圖中t2)。轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，AD7810將轉(zhuǎn)換結(jié)果鎖存到輸出移位寄存器中，同時(shí)自動(dòng)將器件再一次置于低功耗狀態(tài)。自動(dòng)低功耗模式是AD7810的一大特色，一般當(dāng)數(shù)據(jù)吞吐率小于100kSPS時(shí)，應(yīng)使器件工作在此模式下。（4）AD7810的應(yīng)用電路AD7810應(yīng)用時(shí)幾乎不需外圍元件。圖 AD7810應(yīng)用電路AD7810 幾 乎 可 與 各 種 MCU 進(jìn)行接口。這種方式實(shí)際上可擴(kuò)展到所有的MCU種類。二是AT89S52串行口首先接收低位數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)與AD7810剛好相反，編程時(shí)需要注意。發(fā)光數(shù)碼管的優(yōu)點(diǎn)在于防潮防濕，溫度特性極佳，而且有遠(yuǎn)距離視覺效果，很適合礦井下惡劣環(huán)境的需要。LED數(shù)碼管顯示有動(dòng)態(tài)顯示和靜態(tài)顯示兩種方式。在本設(shè)計(jì)的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)中，利用MAXIM公司的串行接口8位LED顯示驅(qū)動(dòng)器MAX7219構(gòu)成顯示接口電路，僅需使用單片機(jī)3個(gè)引腳，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)8位LED數(shù)碼管的顯示控制和驅(qū)動(dòng)，線路非常簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)單方便。每片可控制顯示8個(gè)七段LED數(shù)碼管、條形圖或64個(gè)發(fā)光二極管，控制字簡(jiǎn)單。與微機(jī)串行口為3線連接，芯片外部電路僅為一限制峰值段電流的電阻，線路簡(jiǎn)單，極大地方便了對(duì)顯示器件的控制。并可方便地進(jìn)行多個(gè)芯片的級(jí)聯(lián)，擴(kuò)展顯示容量。一般取為0。 MAX7219串行數(shù)據(jù)格式D15D14D13D12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0XXXX地址MSB DATA LSB解碼方式寄存器可設(shè)置各位數(shù)碼管為解碼顯示方式，或非解碼的數(shù)據(jù)位與顯示段直接對(duì)應(yīng)的顯示方式。掃描限制寄存器控制顯示的位數(shù)。顯示測(cè)試寄存器設(shè)置器件為正常工作或測(cè)試狀態(tài)。器件上電后所有控制寄存器復(fù)位。因此MAX7219必須經(jīng)過初始化后才可正常工作。數(shù)據(jù)由DIN引腳輸入，最先輸入的為最高位，在CLK的上升沿將數(shù)據(jù)位移入器件內(nèi)的移位寄存器，LOAD引腳信號(hào)的上升沿將最后移入的16位數(shù)據(jù)鎖存入相應(yīng)的寄存器中，LOAD信號(hào)的上升沿必須與CLK的上升沿同時(shí)，或在其后。因此只能考慮使用方式0。發(fā)送順序?yàn)榈臀辉谇?，高位在后，與MAX7219的接收順序相反。而在單片機(jī)與MAX7219的時(shí)序配合中，時(shí)鐘脈沖的配合是非常關(guān)鍵的。單片機(jī)的P1．0、CLK。 MAX7219電路連接圖（4）控制程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中單片機(jī)采用中斷方式對(duì)MAX7219進(jìn)行控制，傳送16位數(shù)據(jù)的地址位和數(shù)據(jù)位。由于MAX7219易受干擾影響，因此在程序執(zhí)行過程中應(yīng)經(jīng)常對(duì)顯示進(jìn)行更新。它通過SDA(串行數(shù)據(jù)線)及SCL(串行時(shí)鐘線)兩根線在連到總線上的器件之間傳送信息，并根據(jù)地址識(shí)別每個(gè)器件；不管是單片機(jī)、存儲(chǔ)器、LED驅(qū)動(dòng)器還是鍵盤接口。CPU不僅能通過指令將某個(gè)功能單元電路掛靠或摘離總線，還可對(duì)該單元的工作狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件系統(tǒng)的既簡(jiǎn)單又靈活的擴(kuò)展與控制。當(dāng)某個(gè)器件向總線上發(fā)送信息時(shí)，它就是發(fā)送器(也叫主器件)，而當(dāng)其從總線上接收信息時(shí)，又成為接收器(也叫從器件)。I2C總線的控制完全由掛接在總線上的主器件送出的地址和數(shù)據(jù)決定?？偩€上主和從(即發(fā)送和接收)的關(guān)系不是一成不變的，而是取決于此時(shí)數(shù)據(jù)傳送的方向。當(dāng)總線空閑時(shí)，兩根線都是高電半。I2C總線的數(shù)據(jù)傳送速率在標(biāo)準(zhǔn)工作方式下為100kbit/s，在快速方式下，最高傳送速率可達(dá)400kbit/s。SCL線上由高電平到低電平的跳變將影響到這些器件，一旦某個(gè)器件的時(shí)鐘信號(hào)下跳為低電平，將使SCL線一直保持低電平，使SCL線上的所有器件開始低電半期。于是這些器件將進(jìn)入高電平等待的狀態(tài)。其后，第一個(gè)結(jié)束高電平期的器件又將SCL線拉成低電平?？梢?，時(shí)鐘低電平時(shí)間由時(shí)鐘低電平期最長的器件確定，而時(shí)鐘高電平時(shí)間由時(shí)鐘高電平期最短的器件確定。在I2C總線技術(shù)規(guī)范中，開始和結(jié)束信號(hào)(也稱啟動(dòng)和停止信號(hào))。開始和結(jié)束信號(hào)都是由主器件產(chǎn)生。 I2C總線開始和結(jié)束信號(hào)定義圖I2C總線的數(shù)據(jù)傳送格式是：在I2C總線開始信號(hào)后，送出的第一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)用來選擇從器件地址的，其中前7位為地址碼，第8位為方向位（R/W）。開始信號(hào)后，系統(tǒng)中的各個(gè)器件將自己的地址和主器件送到總線上的地址進(jìn)行比較，如果與主器件發(fā)送到總線上的地址一致，則該器件即為被主器件尋址的器件，其接收信息還是發(fā)送信息則由第8位(R／W)確定。每次都是先傳最高位，通常從器件在接收到每個(gè)字節(jié)后都會(huì)作出響應(yīng)，即釋放SCL線返回高電平，準(zhǔn)備接收下一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，主器件可繼續(xù)傳送。當(dāng)從器件處理完畢時(shí)將釋放SCL線，主器件繼續(xù)傳送。從器件的響應(yīng)信號(hào)結(jié)束后，SDA線返回高電平，進(jìn)入下一個(gè)傳送周期。另外，通用的I2C總線接口器件，如帶I2C總線的單片機(jī)、RAM，ROM、A/D、D/A、LCD驅(qū)動(dòng)器等器件，也越來越多地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)及自動(dòng)控制系統(tǒng)中。 AT24C02與AT89S52連接電路圖圖中AT24C02的3腳是三條地址線，用于確定芯片的硬件地址。第5腳SDA為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出，數(shù)據(jù)通過這條雙向I2C總線串行傳送。第7腳需要接地。這種監(jiān)視器即“看門狗”(Watch dog)。為此，本系統(tǒng)采用了MAX706和AT89S52構(gòu)成的“看門狗”硬件電路。MAX706有以下特性：1)精確的供電電壓監(jiān)測(cè)(，)；2)200ms的復(fù)位時(shí)延；3)對(duì)手動(dòng)復(fù)位信號(hào)消抖，兼容TTL/CMOS；4)；5)可輸出高電平有效的復(fù)位信號(hào)。 看門狗電路，看門狗定時(shí)器被清零，引腳維持高電平：當(dāng)程序跑飛或死機(jī)時(shí)，引腳立即跳變?yōu)榈碗娖?，進(jìn)而觸發(fā)MR手動(dòng)復(fù)位引腳，使MAXT06復(fù)位，從而使“看門狗”定時(shí)器清零并重新開始計(jì)時(shí)，引腳輸出高電平，MAX706的復(fù)位輸出引腳輸出大約200ms寬度的電平脈沖，使單片機(jī)控制系統(tǒng)可靠復(fù)位，重新投入正常運(yùn)行。KEIL uVlSION2是眾多單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)軟件中優(yōu)秀的軟件之一，它支持眾多不同公司的MCS51架構(gòu)的芯片，它集編輯，編譯，仿真等于一體，同時(shí)還支持匯編和C語言的