【正文】 the analog signal into digital signal to the CPU。 the alarm circuit alarms to the limited gasconcentration. The apparatus is characterized by a wide measurement range, high precision, reliability and good stability. It is that parameter measurement is accurate, the mine gasconcentration monitor. Key words: CPU。 Sensitive ponents。但同時(shí)我國(guó)也是煤礦安全形勢(shì)最 為嚴(yán)峻的國(guó)家之一。 國(guó)有地方和鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦中，高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井占 15%左右。但中國(guó)是一個(gè)能源饑渴大國(guó)，煤炭是我國(guó)的主要能源，占一次性能源構(gòu)成的 75%,所以不論是低瓦斯還是高瓦斯，都在積極創(chuàng)造條件，照采不誤。近年來，國(guó)有重點(diǎn)煤礦瓦斯爆炸事故較少的原因之一，就是絕大多數(shù)煤礦的高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井安裝了瓦斯報(bào)警器。所以開發(fā)設(shè)計(jì)出一種操作簡(jiǎn)單的瓦斯報(bào)警器，對(duì)有效的預(yù)防和減少瓦斯爆炸具有非常現(xiàn)實(shí)的意義。煤炭生產(chǎn)作為我國(guó)能源工業(yè)的支柱，其地位將是長(zhǎng)期的，穩(wěn)定的。 瓦斯 (CH4)是煤礦井下危害最大的氣體，它是在成煤過程中形成并大量貯存于煤層之中的氣體，無色、無味，有易燃、易爆等特點(diǎn)。第三、大量的瓦斯排入大氣，污染大氣環(huán)境。為了解決這些問題，本課題在分析模擬式瓦斯報(bào)警器特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，充分利用 51單片機(jī)的強(qiáng)大功能，對(duì)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)時(shí)采集、 數(shù)據(jù)處理，對(duì)瓦斯傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)自校零、非線性補(bǔ)償，對(duì)提高瓦斯檢測(cè)的可靠性和系統(tǒng)的性價(jià)比具有十分重要的意義。其類型 根據(jù) 監(jiān)測(cè)對(duì)象可分為可燃性氣體監(jiān)測(cè)儀，毒性氣體監(jiān)測(cè)儀和氧氣監(jiān)測(cè)儀等；從儀器結(jié)構(gòu)和方法上分為袖珍式，便攜式和固定式。 世界各國(guó)均有煤礦瓦斯氣體監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，如波蘭的 DAN6400、法國(guó)的TF200、德 國(guó)的 MINOS和英國(guó)的 Senturion200等，其中全礦井綜合監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)有代表性的產(chǎn)品有美國(guó)公司生產(chǎn)的 MSN系統(tǒng)，德國(guó) BEBRO公司的PROMOS系統(tǒng)。 國(guó)外的監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)雖然高于國(guó)內(nèi)發(fā)展水平，但應(yīng)用于國(guó)內(nèi)煤礦尚有一定的局限性，如煤礦管理模式生產(chǎn)方式的不同，價(jià)格過高等。 我國(guó)監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用較晚， 8年代初，從波蘭、法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)和美國(guó)等引進(jìn)了一批安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，裝備了部分煤礦在 引進(jìn)的同時(shí)，通過消化、吸收并結(jié)合我國(guó)煤礦的實(shí)際情況，先后由重慶煤科院、遼寧撫順煤科院等國(guó)內(nèi)知名煤礦科學(xué)研究所研制出 KJ KJ KJ KJ KJ1KJ1 KJ3 KJ6 KJ7 KJ80、 KJ9 KJ9 KJ101等煤礦有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在我國(guó)煤礦己有大量使用，但其中很大一部分儀表的傳輸數(shù)據(jù)是模擬方式，將氣體濃度轉(zhuǎn)化為脈沖量，易受礦井下強(qiáng)電磁設(shè)備干擾，造成監(jiān)測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確，易出現(xiàn)誤報(bào)警等現(xiàn)象。它具有體積小、操作簡(jiǎn)單、攜帶方便、功能較齊全等優(yōu)點(diǎn)，而且性能價(jià)格比也很高，應(yīng)用前景非常廣泛。在這里我們運(yùn)用到的氣敏傳感器是 MQ4，它是用來檢測(cè)外部瓦斯的濃度（其檢測(cè)到的濃度值為模擬量），并將檢測(cè)到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出出來。在單片機(jī)進(jìn)行完數(shù)據(jù)處理后就將 其結(jié)果輸出顯示，從而顯示出瓦斯氣體的濃度，其中顯示部分我們采用四位的 LED 數(shù)碼管，用于顯示瓦斯?jié)舛戎?。提醒生產(chǎn)人員離開，避免生產(chǎn)事故。 5 圖 21 系統(tǒng)框圖 工作原理 在催化元件電源端 加上一正電壓，使催化元件開始工作，輸出與瓦斯?jié)舛认鄬?duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，送到 A/D轉(zhuǎn)換， A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入 CPU, CPU對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，處理后，驅(qū)動(dòng)顯示器顯示出被測(cè)氣體中的瓦斯?jié)舛戎?，若被測(cè)氣體中瓦斯?jié)舛瘸^報(bào)警電路預(yù)定的數(shù)值時(shí)，報(bào)警電路即發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)。其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高，堅(jiān)固耐用，校正 容易，高低濃度均可測(cè)量，還可測(cè)量二氧化碳濃度；其缺點(diǎn)是濃度指示不直觀，受氣壓溫度影響嚴(yán)重；光學(xué)零件加工復(fù)雜，成本較高和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)較困難。其優(yōu)點(diǎn)是元件和儀器的生產(chǎn)成本低，輸出信號(hào)大，對(duì)于1%氣樣，電橋輸出可達(dá) 15mV以上，處理和顯示都比較方便，所以儀器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受背景氣體和溫度變化的影響小，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。目前國(guó)內(nèi)外檢測(cè)瓦斯的儀器廣泛 采用這一原理。其優(yōu)點(diǎn)是熱導(dǎo)元件和儀器設(shè)計(jì)制作比較簡(jiǎn)單，成本低、量程大，可連續(xù)檢測(cè)，有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)遙測(cè)，被測(cè)氣體不發(fā)生物理化學(xué)變化，讀數(shù)穩(wěn)定，元件壽命長(zhǎng)。 7 (4)紅外線式 紅外線式是利用瓦斯分子能吸收特定波長(zhǎng)的紅外線來測(cè)定瓦斯?jié)舛取? (5)氣敏半導(dǎo)體式 氣敏半導(dǎo)體的種類較多，如氧化錫、氧化鋅等燒結(jié)型金屬氧化物。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)微量瓦斯比較敏感，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。 (6)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。其優(yōu)點(diǎn)是讀數(shù)不受氣壓影響，對(duì)背景氣體、粉塵及氣溫變化很敏感，其缺點(diǎn)是不適合測(cè)量低濃度瓦斯，一般只用來檢測(cè)礦井抽放瓦斯管道中的瓦斯?jié)舛取? 熱催化元件的結(jié)構(gòu)及工作原理 載體催化燃燒式傳感器一般被制成一個(gè)便于測(cè)量的探頭，探頭可以單獨(dú)設(shè)置，也可以作為一個(gè)獨(dú)立單元裝配在儀器內(nèi)使用 [7]。與黑白元件相對(duì)應(yīng)，為使電橋在無瓦斯?fàn)顟B(tài)下處于平衡狀態(tài)，橋路內(nèi)裝有調(diào)零電位器 W。 這種敏感元件的外觀圖見圖 31，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(zhǎng)等特點(diǎn)。 圖 31 熱催化元件外觀圖 (1)元件使用環(huán)境條件 溫度： 20℃～ +70℃ 濕度： 95%RH 風(fēng)速： 5m/s 大氣壓力： 80～ 116KPa (2)零點(diǎn)輸出 (空氣中的輸出電壓 ) V。 圖 32 傳感器對(duì)各種氣體的反應(yīng)關(guān)系 (5)溫濕度的影響 1)恒定濕熱試驗(yàn)： 40℃， 95%RH， 96小時(shí) (見圖 )。 圖 33 恒定濕熱實(shí)驗(yàn)圖 10 2)低溫試驗(yàn)見表 31（氣敏 元件在 0～ 40℃的環(huán)境下維持 4小時(shí)的數(shù)據(jù)） 表 31 低溫試驗(yàn)記錄 ※ 代表傳感器輸出出現(xiàn)振幅在 0～ ，見圖 34 圖 34 傳感器震蕩波形 (6)高濃度瓦斯試驗(yàn) 將 O一 7傳感器置于 10%的瓦斯環(huán)境中 2小時(shí)，放氣前后的數(shù)據(jù)狀態(tài)。白元件是補(bǔ)償元件，基 12 本結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)與黑元件相同，但表面不涂鍍催化劑，不參加低溫燃燒。 黑白元件的工作原理：使用時(shí)一般將黑白元 件串聯(lián)，作為電橋的一臂，用普通電阻構(gòu)成電橋的另一臂，電橋的兩端加上穩(wěn)定的工作電壓 U。 圖 36 黑白元件的基本測(cè)試電路 根據(jù)黑白元件的工作原理，設(shè)計(jì)電路如下圖 37所示 。 儀器將關(guān)聯(lián)設(shè)備送來的電源穩(wěn)壓為 5V電壓，供給整機(jī)電路使用。黑白元件的工作原理是：黑白元件由測(cè)量元件和補(bǔ)償元件構(gòu)成，測(cè)量元件的表面有黑色的催化劑。瓦斯?jié)舛仍礁撸瑴y(cè)量元件的溫度越高，而補(bǔ)償元件的溫 度不變。 電橋信號(hào)電壓經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換后，變成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)處理后，由顯示電路顯示瓦斯?jié)舛戎担⒔?jīng)信號(hào)輸出電路輸出相應(yīng)的頻率信號(hào)。 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(hào)，高電平有效，鎖存這三條地址輸 入信號(hào)。 ADC0809是 CMOS單片型逐次逼近式 A／ D轉(zhuǎn)換器，它由 8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、 8位開關(guān)樹型 D／ A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、三態(tài)輸出鎖存器等其它一些電路組成。輸入輸出與 TTL兼容。 IN0～ IN7： 8路模擬量輸入端。 ADDA、 ADDB、 ADDC： 3位地址輸入線，用于選通 8路模擬輸入中的一路。 START： A／ D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，輸入高電平有效。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸 入高電平有效。 CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。 REF（ +）、 REF（ ）：基準(zhǔn)電壓輸入端 ,它們決定了輸入模擬電壓的最大值和最小值 . VCC：電源，接＋ 5V。 圖 38 ADC0809管腳圖 16 主要特性 (1) 8路 8位 A／ D轉(zhuǎn)換器，即分辨率 8位 (2) 具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫? (3) 轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100μ s (4) 單個(gè)＋ 5V電源供電 (5) 模擬輸入電壓范圍 0～＋ 5V，不需零 點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn) (6) 工作溫度范圍為 40～＋ 85攝氏度 (7) 低功耗，約 15mW ADC0809的工作過程是：當(dāng)模擬量送至某一輸入通道 IN0后， CPU將標(biāo)識(shí)該通道編碼的三位地址信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)線或地址線輸入到 ADDC、 ADDB、 ADDA引腳上。 START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。直到 A／ D轉(zhuǎn)換完成，轉(zhuǎn)換開始 ,EOC變?yōu)楦唠娖?，指?A／ D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。 單片機(jī)的概述 單片機(jī)中斷系統(tǒng) (1)中斷的概念 中斷是通過硬件來改變 CPU程序運(yùn)行的方向。這種程序在執(zhí)行過程中由于外界的原因而被中間打斷的情況稱為“中斷”。與中斷有關(guān)的特殊功能寄存器有四個(gè)，分別為中斷源寄存器（即專用寄存器 T瓦斯 N和 S瓦斯 N的相關(guān)位），中斷允許控制寄存器 IE和中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器 IP。 5個(gè)中斷源的排列順序由中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器 IP和順序查詢邏輯電路共同決定。 1)中斷請(qǐng)求源： 外部中斷請(qǐng)求源：即外中斷 0和 1，經(jīng) 由外部引腳引入的，在單片機(jī)上有兩個(gè)引腳，名稱為 INT0、 INT1，也就是 、 。 IT0： INT0觸發(fā)方式控制位，可由軟件置位和復(fù)位， IT0=0， INT0為低電平觸發(fā)方式， IT0=1， INT0為負(fù)跳變觸發(fā)方式。當(dāng)有外部的中斷請(qǐng)求時(shí)，這位就會(huì)置 1（這由硬件來完成），在 CPU響應(yīng)中斷后，由硬件將 IE0清 0。 2)內(nèi)部中斷請(qǐng)求源： TF0：定時(shí)器 T0的溢出中斷標(biāo)記，當(dāng) T0計(jì) 數(shù)產(chǎn)生溢出時(shí)，由硬件置位TF0。 TF1：與 TF0類似。 18 3) 中斷允許寄存器 IE 中斷的允許或禁止是由片內(nèi)可進(jìn)行位尋址的 8位中斷允許寄存器 IE來控制的。 ES－串行口中斷允許； ET1－定時(shí)器 1中斷允許； EX1－外中斷 1中斷 允許； ET0－定時(shí)器 0中斷允許； EX0－外中斷 0中斷允許。 中斷優(yōu)先級(jí)中由中斷優(yōu)先級(jí)寄存器 IP來置值的， IP中某位設(shè)為 1，相應(yīng)的中斷就是高優(yōu)先級(jí)，否則就是低優(yōu)先級(jí)。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)。 本實(shí)驗(yàn)采用按鍵電平復(fù)位方式，晶振為 12MHz， R1為 200Ω， R2為 2K，C為 10uF。一個(gè)單片機(jī)是否正常工作，首先要檢查是否能復(fù)位成功 AT89C51 簡(jiǎn)介 AT89C51是一種帶 4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（ FPEROM— 20 Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 100次。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， AT89C51是它的一種精簡(jiǎn)版本。 主要性能參數(shù) 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10年 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 32可編程 I/O線 5個(gè)中斷源 低功耗的閑置和掉電模式 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。 管腳說明 VCC：供電電壓 ,接 +5V電源正端。 P0口： P0口為一個(gè) 8位漏級(jí)開路雙向 I/O口，每腳可吸收 8TTL門電流。 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。 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門電流。在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)， P1口作為第八位地址接收。并因此作為輸入時(shí)， P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。 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。 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)。當(dāng) P3口寫入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。 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)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。在 FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。因此它可 用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。如想禁止 ALE的輸出可在SFR8EH地址上置 0。 23 另外，該引腳被略微拉高。 /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。注意 加密方式 1時(shí)， /EA