机械创意设计与制造综合技能说明书

机械创意 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与制造综合技能说明书 太尔时代机械创意设计与制造综合技能 设 计 说 明 书 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 目:煤矿井下瓦斯浓度检测报警器的设计 设计人:黄其正 樊凯 指导老师:黄伟玲 刘 伟 摘 要 瓦斯(俗称CH4)矿井在我国煤矿生产矿井中所占比重很大，随着国民经济的不断发展，对煤炭需求量也越来越大，矿井开采强度和深度的增加，瓦斯涌出量也在不断增加，这就使得煤矿的安全生产方面面临着十分严峻的问题。瓦斯积聚可能引起瓦斯事故，根据数据显示，瓦斯事故死亡人数占总死亡人数的30%,40%，特别是瓦斯爆炸事故，因此导致了巨大的人员伤亡和财产损失。为了防止瓦斯爆炸事故的发生，及时掌握煤矿井下瓦斯动态是一件十分重要的工作。瓦斯浓度检测报警器就是用来监视矿井瓦斯动态的有效工具。 本课题是利用单片机和瓦斯传感器设计的的瓦斯浓度检测报警器，它体积小，操作方便，适用于中小型煤矿井下各作业场所中测量空气中的瓦斯浓度。仪器能够根据瓦斯浓度报警限(1.00%)进行声、光报警。装置由单片机、敏感元件(瓦斯传感器)、A/D转换 电路 模拟电路李宁答案12数字电路仿真实验电路与电子学第1章单片机复位电路图组合逻辑电路课后答案 、显示电路、报警电路等组成。单片机获取瓦斯传感器输出的与瓦斯浓度对应的电压信号，经过数据处理后能够准确判断周围环境的瓦斯浓度，并实时的显示到LCD液晶屏上，若超限瓦斯浓度则进行报警。该装置的特点是测量范围宽，精度高;结构简单，成本低;可靠性和稳定性好，能够有效的预警瓦斯突发事件，因此为煤矿的安全生产提供了可靠保障。 关键词:瓦斯浓度;单片机;瓦斯传感器;A/D转换 2 目 录 第一章 绪 论……………………………………………………………5 1.1 课题研究背景和意义 ………… ……………………….........5 1.2 国内外发展现状 ………………………………………………..5 1.3 课题设计要求………………………………………………...……….........6 1.4 本文研究的主要内容…………………………………................7 第二章 系统概述..............................……………………………………8 2.1 系统框图……………………......…………………………...........9 2.2 工作原理.......................................................................................11 2.3装置总体二维和三维结构设计....................................................11 第三章 系统硬件设计 ………..............................…………………..13 3.1气体传感器的选择......................................................................13 3.1.1 MQ-4的结构外形..............................................................13 3.1.2 MQ-4 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 工作条件..........................................................14 3.1.3 MQ-4的环境条件..............................................................14 3.1.4 MQ-4的测试电路及敏感度调节......................................15 3.2 A/D转换电路..............................................................................17 3.2.1 A/D转换器的选型.............................................................17 3.2.2 ICL7109芯片简介.............................................................19 3.2.3 A/D转换部分电路.............................................................21 3.3主控制器单片机..........................................................................25 3.3.1 AT89S51的引脚说明.........................................................25 3 3.4数据显示电路..............................................................................28 3.4.1显示器的选择...................................................................28 3.4.2数据显示部分电路...........................................................29 3.5电源电路....................................................................................30 3.6声光报警部分电路....................................................................31 第四章 系统软件设计 ...................................................................... 32 4.1主程序.........................................................................................32 4.2子程序设计.................................................................................33 4.2.1中断子程序........................................................................33 4.2.2声光报警子程序................................................................34 第五章 设计总结....................................................................................36 参考文献........................................................................................... 37 4 第一章 绪 论 1.1 课题研究背景和意义 从我国煤炭生产的现状及我国能源结构规划均可看出，在本世纪中叶以前，煤炭仍是支持我国国民经济发展的主要能源，煤炭生产，作为我国能源工业的支柱，其地位将是长期的、稳定的，但是煤炭工业的安全生产状况却不容乐观，中小型煤矿的情况尤为严重，已经直接威胁到整个煤炭工业的稳定生产，给国家财产和人民生命造成了很大的损失，作为“万恶之首”的瓦斯爆炸事故更是重大事故发生率之首。近几年接连发生了多起瓦斯爆炸事故，事故的后果触目惊心，因此通过强化瓦斯管理，提高通风、瓦斯检测水平，已成为中小型煤矿瓦斯检测监控的最迫切的任务之一。 综上所述，瓦斯浓度检测报警器所要实现的功能包括根据所选的瓦斯传感器来设定瓦斯浓度预警值，采集瓦斯浓度并进行浓度显示及处理。当实际浓度超限时进行声光报警并同时控制排风扇进行排风以降低浓度含量。所以设计出一种简单的瓦斯检测报警器，对有效的预防和减少瓦斯爆炸事故的发生具有非常现实的意义。 1.2国内外发展现状 仪器不断更新。其类型根据监测对象可分为可燃性气体监测器，毒性气体监测器和氧气监测器等;从仪器结构和方法上分为袖珍式，便携式和固定式。袖珍式仪器的采样方法为扩散式，用于在危险环境 5 中的工作人员随身携带;便携式仪器采样方法为泵吸式，用于监测人员定期安检;固定式仪器用于煤矿井下固定地点气体监测。 世界各国均有煤矿瓦斯气体监测的系统，如波兰的DAN6400、法国的TF200、德国的MINOS和英国的Senturion-200等，其中全矿井综合监测控制系统有代表性的产品有美国公司生产的MSN系统，德国BEBRO公司的PROMOS系统。但是这两种系统只是基于井下监测，并无数据上传，不能实现智能化监控。 国外的监控系统技术虽然高于国内发展水平，但应用于国内煤矿尚有一定的局限性，如煤矿管理模式生产方式的不同，价格过高等。因此，除在传感器技术方面可供借鉴外，其它仅具一定的参考价值。 我国检测监控技术应用较晚，80年代初，从波兰、法国、德国、英国和美国等引进了一批安全监测系统，装备了部分煤矿在引进的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况，先后由重庆煤科院、辽宁抚顺煤科院等国内知名煤矿科学研究所研制出KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92、KJ95、KJ101等煤矿有害气体监测系统，在我国煤矿己有大量使用，但其中很大一部分仪表的传输数据是模拟方式，将气体浓度转化为脉冲量，易受矿井下强电磁设备干扰，造成监测结果不准确，易出现误报警等现象。 1.3课题设计要求 本文结合煤矿井下的安全隐患，从有效减少和预防瓦斯爆炸事故的发生，保障煤矿井下生产工作人员的人身安全问题为出发点，设计 6 一种瓦斯浓度监测报警器，能够根据井下实际情况，完成瓦斯浓度的检测，转变为与之对应的电压信号，通过一系列的数据处理，实时显示瓦斯浓度并对超限瓦斯浓度进行声光报警。 1.4本文研究的主要内容 第一章是文章绪论。介绍了该课题的研究背景和意义，并结合国内外发展现状进行阐述，同时给出了此次设计的设计要求。 第二章是系统概述。阐述了课题研究的内容和系统工作原理，设计思路以及整体设计所遵循的原则。 第三章是系统硬件设计。对组成系统的单片机、、敏感元件(瓦斯传感器)、A/D转换电路、电源电路以及声光报警电路都作了详细介绍。 第四章是软件设计。介绍了软件设计采用的方法和所遵循的原则，并给出了部分主要程序的软件流程图及程序。 第五章是结束语。对整个系统作了一个概括性的总结。 7 第二章 系统概述 随着单片机技术的飞速发展，利用单片机及其它外围芯片实现对瓦斯的监测成为一种可能，并且成为一种发展趋势。它具有体积小、操作简单、功能较齐全等优点，而且性能价格比也很高，应用前景非常广泛。因此此次设计整体上是基于AT89S51单片机来实现煤矿瓦斯浓度检测报警。在这里我们运用到的瓦斯气体传感器是MQ-4，它是用来检测外部瓦斯的浓度(其检测到的浓度值为模拟量)，并将检测到的模拟信号转化为电压信号输出出来。然后再将电压信号通过A/D转换变换成数字信号，并在AT89S51单片机的控制下将其输入，然后在内部软件编程下进行数值变换处理。在单片机进行完数据处理后就将其结果输出显示，从而显示出瓦斯气体的浓度，其中显示部分我们采用的是LED液晶屏，用于显示瓦斯浓度值。若实际瓦斯浓度超限(浓度超限预警值可键盘控制输入)则在单片机的控制下进行声光报警。提醒生产人员离开，避免生产事故的发生。 瓦斯的检测流程如下:先由气体传感器检测器MQ-4对瓦斯的浓度进行检测，如果正常则继续施工生产，反之若浓度超限就需要通过一定的处理措施来降低浓度，如果方法行之有效则生产，不能奏效就要继续处理。 8 是 检测 超限 处理措施 否 是否有效 是 否 施工生产 图2-1检测流程 2.1 系统框图 此次设计的可行走煤矿井下瓦斯浓度检测报警器主要由气体传感器MQ-4、A/D转换电路、单片机AT89S51、显示电路、声光报警装置和附件电路组成。瓦斯检测系统以主控制器单片机为主要核心。系统整体框图如下图2-2所示: 蜂鸣器 排风 (声光报警) LED显示 AT89S51 电源 A/D转换7109 瓦斯传感器 MQ-4 图2-2系统框图 9 由系统框图可以看出煤矿瓦斯检测报警器的硬件部分设计是以单片机系统为核心，用于整个装置的数据处理、声光报警电路等正常工作。在这里我们选用8位单片机AT89S51，该种单片机与以往所采用的AT89C51相比新增加了很多功能，性能有了较大提升，片内4K的FLASH存储空间也能满足我们设计的要求，价格较之AT89C51基本不变甚至更低。 瓦斯传感器采用MQ-4气敏传感器，用于探测采集瓦斯的浓度。由于该传感器的输出信号为模拟电压信号，它对瓦斯有很高的灵敏度，响应恢复特性很好，简单的驱动电路，稳定性很可靠且使用寿命很长。MQ-4气敏元件由微型AL2O3陶瓷管、SnO2 敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。MQ-4型气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。 因此，在使用时，灵敏度的调整是很重要的。当精确测量时，报警点的设定应考虑温湿度的影响。 要想将采集到的数据送至单片机系统进行数据处理则需要将模拟信号转换成数字信号，所以在这里我们还要选用ICL7109芯片进行模数转换处理。这里的ICL7109是一种双积分的12位A/D转换器，其性能价格比很高，是一种高精度、低噪声、低漂移A/D转换器。 瓦斯浓度显示部分采用LED液晶屏显示，在这里我们采用动态扫描方法来显示各种参数。 10 2.2 工作原理 在这里我们用瓦斯传感器MQ-4来对煤矿井下瓦斯浓度进行检测，由于其检测所得数据是与瓦斯浓度相应大小的模拟电压信号而单片机只能对数字信号进行处理，所以在送入单片机中进行处理之前需先送入模数转换器ICL7109中进行模数转换，然后才能将转换所得数据送入单片机AT89S51中处理，这里的处理主要是指将输入进来的数据与我们设置的瓦斯爆炸预警值进行比较，显示当前其瓦斯浓度值。一旦瓦斯气体浓度超过相应的设定值时，则单片机控制立即启动蜂鸣器报警。 2.3 装置总体二维和三维结构设计 图2-3二维装配图 11 图2-4二维爆炸视图 图2-4三维模型图 12 第三章 系统硬件设计 瓦斯浓度检测报警器的硬件主要由控制单元AT89S51、瓦斯传感器MQ-4、A/D转换装置、LED显示屏、声光报警输出装置和电源供电部分组成。 3.1气体传感器的选择 要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，而这需要 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题:量程的大小;被测位置对传感器体积的要求;测量方式为接触式还是非接触式;信号的引出方法，有线或是非接触测量;传感器的来源，国产还是进口，还是自行研制，价格能否承受。 在考虑上述问题之后就能大致确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。根据以上所述，我们初步选定MQ-4气体传感器。瓦斯浓度测试部分电路是由气体传感器MQ-4组成的，其作用为将瓦斯气体的体积分数转化成对应的模拟电压信号并输出出来。 3.1.1 MQ-4的结构外形 MQ-4气敏元件的结构和外形如图3-1所示，由微型AL2O3陶瓷管、SnO2 敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不 13 锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。 结构 外形 图3-1 MQ-4的结构和外形 1,气体敏感层;2,电极;3,测量电极引线;4,加热器; 5,陶瓷管;6,防爆网;7,卡环;8,基座;9,针状管脚; 3.1.2 MQ-4标准工作条件 MQ-4的标准工作条件见表3-1: 表3-1 MQ-4的标准工作条件 符号 参数名称 技术条件 备注 Vc 回路电压 Ac or Dc ?15V VH 加热电压 Ac or Dc 5.0V?0.2V RL 负载电阻 可调 RH 加热电阻 室温 31Ω?3Ω P 加热功耗 H?900mw 3.1.3 MQ-4的环境条件 MQ-4的环境条件见表3-2: 14 123456 表3-2 MQ-4的环境条件 符号 参数名称 技术条件 备注 Tao 使用温度 -10?-50? DD Tas 储存温度 -20?-70? RH 相对湿度 小于 95%RH O2 氧气浓度 最小值大于2% 21%(标准条件) 氧气浓度会影响灵敏度 3.1.4 MQ-4的测试电路及灵敏度调节 (1)测试电路 我们设计的MQ-4测试电路如图3-2所示，其中可调节电阻R3 是用来调整传感器的灵敏度的。 VCC A1 12 接入ICL7109AB 34HH MQ-4 CCR3 20k 图3-2 测试电路 (2)灵敏度调节 15 BB AA Title SizeRevisionNumber B Date:11-Jun-2006Sheet of 论文\电路原理图.DDBDrawn By:File:H:\ 123456 在对MQ-4的灵敏度进行调节之前首先要就要了解其灵敏度特性。具体的灵敏度特性见表3-3 表3-3 MQ-4的灵敏度特性 符号 参数名称 技术参数 备注 敏感体表面电阻 Rs 10—60 适用范围: K,K, (5000ppmCH4) 300—10000ppm 浓度斜率 甲烷，天然气 а ?0.6 (1000ppm/5000 ppmCH4) 标准工作条件 温度:20??2? Vc:5.0V?0.1V 相对湿度:65%?5% Vh:5.0V?0.1V 预热时间 不少于24小时 MQ-4型气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。 因此，在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。在这里我们用5000ppm瓦斯校准传感器进行校准。其校准过程如下: 在测试条件下对传感器进行校准时，我们进行硬件部分电路的调试。在调节确定MQ-4的可调负载电阻值时，以空气中甲烷浓度值为5000ppm时作为校准，此时观察显示部分电路，又因为要求显示的瓦 ,斯浓度精度要求优于5%，即准确显示的范围为5000ppm(15%)也就是4750ppm,5250ppm的范围内，若不在该范围内则说明瓦斯传感器的灵敏度不够高，需要进行调节。而灵敏度的调节是依靠调节负载电阻RL来实现的。我们调节RL使显示的瓦斯浓度值尽可能与实际相符合。这样确定下来的RL的阻值，换言之传感器的灵敏度也就 16 确定下来了，此时我们已经完成了瓦斯传感器的校准。校准后的传感器就可以用来监测实际中各个不同的瓦斯浓度了。 3.2 A/D转换电路 A/D转换器是将输入的模拟电压或电流转换成数字量的器件或设备，即能把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息，它是模拟系统与数字系统或计算机之间的接口。 3.2.1 A/D转换器的选型 A/D转换器是测试系统的一个非常重要的环节，其芯片种类多，性能各异，功能引脚不尽相同，实际应用中应根据分辨率和转换时间两个重要参数选择适当的芯片。其中分辨率就是指A/D转换器可转换成二进制数的位数或BCD码的位数。与一般测量仪表的分辨率表达方式不同，A/D转换器不采用可分辨的输入模拟电压相对值表示，例如A/D转换器ADC0809的分辨率为8位，即该转换器的输出数据 82可以用个二进制数进行量化，其分辨率为1LSB。如果用百分数表示分辨率，则分辨率为 111，100%,，100%,，100%,0.39%n825622 (3.2-1) BCD码输出的A/D转换器一般用位数表示分辨率，例如5G14433双 132积分A/D转换器，分辨率为位，满度字位为1999;用百分数表示分辨率时，分辨率为 17 1，100%,0.05%1999 (3.2-2) 换而言之，分辨率就是A/D转换器可以转换成数字量的最小电压。如8位ADC满量程为5V，则它能分辨的最小电压为5000mV/256?20mV,既模拟电压小于20mV，ADC就不能转换了。同样的5V电压，若采用12位ADC，则它能分辨的最小电压为5000Mv/4096?1mV。可见，A/D转换器的位数越多，其分辨率越高，但转换速度就越慢。其中A/D转换器的转换时间是指完成一次转换所需要的时间，即从输入启动转换信号开始到转换结束所用的时间。转换速度是转换时间的倒数。通常，转换速度越快越好，特别是对动态信号采集。 在选用A/D转换之前，主要应根据使用的场合的具体要求，按照转换速度，精度，价格，功能以及接口条件来决定选择何种类型。根据其性能指标，考虑到系统的精度我们这次选用了ICL7109转换器,它是一种高精度、低噪声、低漂移和低价格的双积分式A/D转换器，其数据输出为12位二进制数，配有较强的接口电路，能方便地与各种微处理机连接。其主要特性为: , 12位二进制形式输出，并带有极性和溢出位; , 与TTL兼容，具有三态控制输出; , 具有通用控制信号端，能用来方便地监视和控制转换时间; , 片内有振荡器，只需外接晶体或RC器件; , 具有通用异步收发器(UART)数据交换制式，可通过简单的 并行或串行接口与微机相接; , 真正的差分输入和差分基准电压; 18 , 最大运行速度为每秒转换30次; , 所有输入都具有防止静电的保护措施; , 双电源供电; , 输入阻抗为1012Ω; , 功耗为20mw; 3.2.2 ICL7109芯片简介 ICL7109 140GNDVCC239STATUSREF IN-338POLREF CAP-437ORREF CAP+536B12REF IN+635B11INLI734B10INLO833B9COM932B8INT1031B7AZ1130B6BUF1229B5REFOUT1328B4V-1427B3SEND1526B2RUN/HOLD1625B1BUFOUT1724TESTOSCSET1823LBENOSCOUT1922HBENOSCIN2021CE/LOADMODE 图3.2-1 ICL7109的管脚图 由ICL7109的引脚图可见其采用40脚封装，其中各个引脚的功 能意义如下: 1脚:GND，逻辑地。 2脚:STATUS，工作状态输出端。该信号为“1”时表示正在转 换，为“0”时表示转换完毕。 19 3脚:POL，极性输出端。为“1”时表示正信号输入，为“0”时表示负信号输入。 4脚:OR，超量程输出端。为“1”时表示溢出，为“0”时表示正常。 5,16脚:12位二进制数据输出端。 17脚:TEST，自身功能检测端。 LBEN 18脚:，低8位数据输出选通端，低电平有效。 HBEN 19脚:(为低)，高4位及极性位、溢出位选通端，低电平有效。 CELOAD 20脚:/，片选端，低电平有效，并同时配合21脚MODE信号工作。 2l脚:MODE，工作方式选择端。低电平时转换器为直接输出方式，此时可在片选和字节使能的控制下直接读取数据;高电平脉冲时转换器处于UART方式，并在输出两个字节的数据后返回到直接输出方式。当输入高电平时，转换器将在信号交换方式的每一转换周期的结尾输出数据。 22、23脚:OSCIN、OSCOUT，时钟输入、输出端。 24脚:OSCSET，时钟振荡器方式选择端，高电平时采用RC振荡器工作方式，低电平时采用品体振荡器工作方式。 25脚:BUFOUT，时钟缓冲器输出端。 20 RUN/HOLD 26脚:，转换控制端。高电平时，每经8192个时钟完成一次转换;低电平时，转换器将立即结束消除积分阶段并跳至自动调零阶段，从而缩短了消除积分阶段，提高了转换速度。 27脚:SEND，与外设进行数据交换控制端。 28、40脚:V-、V+，电源负与电源正端。 29脚:REFOUT，基准电压输出端，一般为+2.8V，经电阻分压输出。 RINT 30脚:BUF，缓冲放大器输出端，接积分电阻。 CAZ 31脚:AZ，自零电容端，接自零电容。 CINT 32脚:INT，积分器输出端，接积分电容。 33脚:COM，模拟公共端。 34、35脚:INLO、INHI，差分输入低端与高端。 36、39脚:REF IN+、REF IN-，基准电压输入正端与负端 37、38脚:REFCAP+、REFCAP-，基准电容输入端。 3.2.3 A/D转换部分电路 A/D转换部分电路是由A/D转换器ICL7109构成的，其主要作用是将气体传感器MQ-4所得到的模拟电压信号转换成数字量(该模拟电压信号与瓦斯气体的体积分数相对应)，便于输入到单片机中进行数据处理。 21 123456 DD MC1403 1GNDVCC 3Q 2GNDICL7109 P0.016+5B1P0.11540B2VCCP0.214R1100kB3P0.31339B4REF IN-+5P0.41238C1B5REF CAP-P0.511371uFB6REF CAP+P0.610361MB7REF IN+R2P0.7935B8INHI834B9INLO接MQ4CC733B10COMC4632C20.33uB11INT0.1u531B12AZC30.15u R420k430ORBUF329POLREFOUT228STATUSVEE-5127GNDSEND26RUN/HOLD+517TESTP2.618LBENP2.71925HBENBUFOUT2024CE/LOADOSCSET23OSCOUT22OSCININT121MODEP1.76MHz 图3.2-2 A/D转换电路 BB 前面我们已经分析过气体传感器MQ-4完全符合此次设计的要 求，所以在这里MQ-4的作用就是将气体瓦斯的浓度转换成与之相对 应的模拟电压信号。我们需要将该模拟信号转换成数字量，只有这样 才能经过单片机进行处理。在这里我们经过A/D转换器ICL7109将 其进行转换。ICL7109为12位的模数转换器，数据可分为低8位和 AA高4位分时传送给单片机，由我们的电路图我们可以看出工作方式选 Title 择端MODE我们直接接地了，也就是说现在转换器的工作方式为直SizeNumberRevision B Date:11-Jun-2006Sheet of 接输出方式，在该工作方式下我们可以在片选和字节使能的控制下直论文\电路原理图.DDBDrawn By:File:H:\ 123456 接读取数据。而且工作状态输出端STATUS与单片机的INT1直接相 连，这样完成一次转换便能向单片机发出一个中断信号，表明数据转 换已完成，单片机此时可以接收数据。具体的数据传输过程是由7109 22 CELBEN的片选及低8位数据输出选通端(低电平有效)和高4位数 HBENHBEN据输出选通端(也是低电平有效)配合来完成，同时也兼作极性位、溢出位选通端(主要用于判断传输数据的正误)，我们 LBENHBEN将，分别接至单片机的P2.6和P2.7，同时将7109的片选端接至P1.7容易得知当P1.7为低(也就是说此时7109被选中可以进行数据的传输)且P2.6为低时低8位数据进行传输，而当P2.7为低时高4位数据进行传输。 图3-4中的A/D转换器ICL7109的外围电路参数计算如下: 1(积分电阻的选择 RINT 缓冲放大器和积分器能够提供20uA的推动电流。积分电阻要足够大，以保证在输入电压范围内的线性(当然也不能无限制地大)，对 20K,200K,于4.096V满刻度输入电压，取比较合适。类似地，电阻 RINT对应于409.6mV满刻度输入电压。一般可以由下式选择: 满度刻盘R,INT,620，10 (3.2-3) 针对于我们此次的设计，由于ICL7109输入电压是与MQ-4的输出电 VV压相连的，而MQ-4的输出电压处与0.3,0.6V之间，所以我们oo 20K,电路的积分电阻值选为。 C2(积分电容的选择 INT 积分电容根据积分器给出的最大输出摆幅电压来选择，这个电压应使积分器不饱和(大约为低于电源0.3V)。对ICL7109加?5V电源，模拟公共点接地，积分器输出摆幅一般为?3.5,?4V。对于不同的时钟频率，电容值也要改变，以保持积分器输出电压的镕幅。另外， 23 要求积分电容具有低介质吸收，以防止滚动误差，一般选用聚丙烯电容。通常由下式给出: CINT ,6C,2048，时钟周期，20，10/积分输出摆幅INT (4-4) 积分器输出电压的摆幅值可以通过示波器在32脚观察积分器的输出波形来得到，一般取4,。积分电容CINT接入积分电容连接端INT。当VIN,4.096V，RINT,20 KΩ。此时，CINT在0.1,0.5uF之间选择，一般选0.33uF较好。 3(自零电容的选择 CAZ 自零电容的大小与系统的噪声有关，电容越大，噪声越小。但电容不能无限制地增大，因为它和积分电容并联决定RC时间常数，该时间常数决定了恢复速度。对于409.6mV的满刻度输入电压，值CAZ选为的两倍最佳。对于4.096V的满刻刻度输入电压，值应为CCINTAZ 的一半。所以CAZ,1/2CINT又因为上面我们计算出来的CINTCINT ,0.33uF。所以CAZ?0.15uF 4(基准电容的选择 CREF 在大多数应用场合，选为1uF最合适，但系统如果存在着较CREF 大共模干扰时，对于409.6mV的满刻度输入，可将值选得大一些，CREF 例如取4.7uF。 5(基准电压V的选择 REF U,2V 对模拟输入要求满度输出4096个时钟数时，应满足的iREF V关系。即对于满度输入409.6mV，,204.8mV;对于满度输入REF V409.6V，,2.048V。但在有些应用场合，A/D转换的输出不一定REF 24 是满度量程，这时将选为输入电压Ui的一半即可。基准电压的VREF 来源，可以使用29脚输出的基准电压(2.8V)分压得到，也可通过外接基准源得到。 我们这次设计的基准电压是采用外接基准源来的得到的。我们的外接基准源选用基准电压源MC1403芯片作为12位A/D转换芯片ICL7109的基准电压，它可以提供2.5 V基准电压，保证了转换的温度稳定性和精度。 3.3 主控制器单片机 单片机是检测报警器的核心，完成数据采集、处理、输出、显示等功能,是整个仪器正常工作的基础，它的选择直接关系到整个系统的工作。经综合考虑分析选择通用性强、功耗小、性能稳定良好的8位CMOS微处理器芯片AT89C51，它与常用MCS-51型单片机兼容，工作电压为2.7V,6.0V,具有32条可编程I/O端口，3个16位定时计数器，256×8位内部RAM,内带8K字节快闪EEPROM的特点，大大简化了电路的设计。这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。 3.3.1 AT89S51的引脚说明 AT89S51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89S51可以按照常规方法进行 25 编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。 引脚图如图3.3-1所示: 图3.3-1 AT89S51引脚图 部分引脚功能说明: XTAL1:接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时，此引脚应接地。 XTAL2:接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。 RST:AT89S51的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片复位时，只要将此引脚电位提升到高电位，并持续两个机器周期以上 26 的时间，AT89S51便能完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态。 ALE/:ALE表示允许地址锁存允许信号。当访问外部存储PROG 器时，ALE信号负跳变来触发外部的8位锁存器 (如74LS373)，将端口P0 的地址总线(A0-A7)锁存进入锁存器中。在非访问外部存储器期间，ALE引脚的输出频率是系统工作频率的1/16，因此可以用来驱动其他外围芯片的时钟输入。 PSEN:访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。在访问外 PSEN部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生二次 信号。在执行片内程序存储器指令时，不产生PSEN 信号，在访问外部数据 PSEN时，亦不产生信号。 P0:P0口(P0.0,P0.7)是一个8位漏极开路双向输入输出端口，当访问外部数据时，它是地址总线(低8位)和数据总线复用。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向I/O口用。P0口每一个引脚可以推动8个LSTTL负载。 P2:P2口(P2.0,P2.7)是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，当访问外部程序存储器时，它是高8位地址。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向I/O口用。每一个引脚可以推动4个LSTL负载。 P1:P1口(P1.0,P1.7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，其输出可以推动4个LSTTL负载。仅供用户作为输入输出用的端口。 27 P3:P3口(P3.0,P3.7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，它还提供特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能。其特殊功能引脚分配如下: P3.0 RXD 串行通信输入 P3.1 TXD 串行通信输出 INT0P3.2 外部中断0输入,低电平有效 INT1P3.3 外部中断1输入,低电平有效 P3.4 T0 计数器0 外部事件计数输入端 P3.5 T1 计数器1 外部事件计数输入端 WRP3.6 外部随机存储器的写选通，低电平有效 RDP3.7 外部随机存储器的读选通，低电平有效 在设计中用到了多片串行通信的芯片，但选用的单片机AT89S51只有一个串行口，这给连接带来了极大的麻烦。在设计中，用单片机未用到的普通I/O口辅之控制软件来模拟串行口工作，从而解决了串行口不够用的难题。 3.4数据显示电路 3.4.1显示器的选择 我们选用LED数码管作为显示器件。数码管的工作原理如下: 数码管由8个LED发光二极管组成，外形如图3.4-1所示。a~g和dp为8个发光二极管，其中a~g用于显示字符，dp用于显示小数 28 点。当发光二极管正向导通时，借着点亮每一段的LED就可以显示出数字。本设计采用的就是共阴极接法的数码管。下图是八段数码管的引脚: 图3.4-1 LED引脚图 3.4.2数据显示部分电路 在显示器件的选择中我们采用了数码管进行显示数据。其中数码管显示器有两种显示方式，即静态显示方式和动态显示方式。由于此次显示电路是为了显示瓦斯浓度值且其浓度是变化的，所以我么采用动态显示。 由于采用动态显示，因此除了要给显示器提供显示段码之外，还要对显示器进行位的控制，即通常所说的“段控”和“位控”。因此对于采用动态显示的电路来说，单片机都需要提供两种输出口，一种用于输出显示段码，另一种用于输出位控信号。“位控”实际上就是对LED显示器的公共端进行控制，位控信号的数目与显示器的位数相同。 29 12345678 DD 123456DD 510R8P1.398 74LS04510R9P1.41110 74LS04510R10P1.51312 74LS04CCA510R11P1.612 74LS04CC +5v1KR14931161111DPYDPYDPYDPYaaaaCLRQA842152a2a2a2abbbbCLKQBTXD53143333ccccfbfbfbfbQCgggg164134444ddddAQDRXD2105125555eeeeececececBQE116116d6d6d6dffffQF127107dp7dp7dp7dpggggQG13898888dpdpdpdpQH74LS164 图3.4-2 显示电路设计 BB显示电路设计为四位LED，由单片机AT89S51的串行输出口经 串行输入转并行输出来控制段选，位选接在P1口的P1.3,P1.6。这 种设计是为了采用动态显示方式。 BB3.5电源电路 AA Title 在此次设计中我们所用到的电源只有?5V，所以我们只需设计?SizeNumberRevisionBDate:17-Jun-2006Sheet of 最后的东西\zui最后的图1.DDBDrawn By:File:H:\5V的电源即可。电源部分电路由220v 交流电经整流, 滤波, 稳压后123456 得到的，电路如下所示: CW780531+5vVoutVin 1TC1C3GNDD0.1u22200uFC30.33u42AC220VC3C10.33u 2200uF0.1u3AAC313VinVout-5vGNDTitle2 CW7905 SizeNumberRevision A3图3.5-1电源电路 Date:14-Jun-2006Sheet of 桌面\杨瑞毕设Drawn By:\mingtianyongde\论文里有图\电路原理图.DDBFile:C:\Documents and Settings\user\ 30 12345678 3.6声光报警部分电路 123456声光报警电路是由蜂鸣器和发光二极管组成的，用P1.0和P1.1 作为声光报警电路的使能信号输出端。为了提高声光报警电路的驱动 能力均加有74LS04反向驱动器同时为了保证电路可靠工作加了限流 电阻。其中蜂鸣器我们采用+5伏直流蜂鸣器，其属于无源蜂鸣器，DD 内部封装有音频振荡电路只要外加+5直流电源电压即可起振发声。 当采集到的瓦斯浓度超过预先设定的上限值时，系统发出声光报警信 号。 声光报警电路如图3.6-1所示。 B1+5 +5 D2LED9013 510R5CC21 74LS04 510R643 74LS04 p1.0p1.1 图3.6-1声光报警电路 BB 31 AA Title SizeNumberRevision B Date:11-Jun-2006Sheet of File:H:\论文\电路原理图.DDBDrawn By: 123456 第四章 系统软件设计 软件设计编制的程序易于调试、修改，可读性好，软件的设计是一个将需求转变为软件陈述的过程。系统软件设计采用自顶向下、模块化、结构化的程序设计方法，把总的编程过程逐步细分，分解成一个个功能模块，每个模块相互独立，其正确与否不依赖其它模块，每个模块都能完成一个明确的任务、实现某个具体的功能。 4.1主程序 单片机系统上电后，首先要对系统进行初始化，初始化程序包括内存空间的分配、初始变量的设置、设定堆栈指针等。正常初始化后开放定时器中断，外部中断和串行口中断，然后启动定时器定时。每隔一段时间对瓦斯的浓度采集一次，将采集到的模拟量浓度数据存到寄存器中，当系统在取数据进行显示的过程中要产生中断，调用中断处理子程序，在中断处理子程序中进行数据转换及显示浓度。主程序编好后编制各从属的程序和子程序，最后完成整个系统的软件设计。系统软件设计中要实现的功能有:用户机的单片机系统要完成定时地对瓦斯浓度的进行检测，将瓦斯浓度值的进行A/D转换，动态地显示采集到的瓦斯浓度值，声光报警。 32 开 始 初始化 调显示子程序 图4-1 主程序流程图 4.2子程序设计 4.2.1中断子程序 为了较准确的监测瓦斯浓度，我们需要对瓦斯浓度进行数据采集，这里是指单片机的数据采集。其硬件电路包括MQ-4、A/D7109及单片机，浓度经过传感器变换为模拟电压再经模数转换为数字信号送入单片机中，数据转换完毕之后是通过中断的方式送入单片机的。通过外部中断INT1来完成，由于检测瓦斯浓度在时间上较严格，更不允许丢失数据，所以INT1的中断优先级设定为高。其流程图如下 所示: 33 保护现场 单片机从A/D转换 器中采集数据 用采集数据刷新显 示 Y 浓度超 限? 启动报N 警 中断返 主 图4-2 中断子程序流程图 4.2.2 声光报警子程序 当声光报警开启后，当达到提醒人们离开的目的后，我们需要解除声光报警，解除报警有两种途径，一种是手动解除，一种是系统自动解除，若没有手动解除报警，则系统可通过调用20s的延时时间来自动解除报警。 34 采集浓度值? 设定浓度 启动声光报警 N 手动解除报 调用延时 警? 子程序 Y 延时到 N Y 自动解除报警 返回主程序 图4-3声光报警流程图 35 第五章 设计总结 首先，我要感谢江西理工大学应用科学学院，感谢机电系对我在校期间的培养，让我学到了许许多多的知识，感谢各位老师在这四年里对我的关怀与照顾，在此致以我深深的谢意。 通过此次设计使我对单片机的知识有了更深更系统的理解。虽然本次设计相当于只是完成了煤矿瓦斯监测监控系统下位机的设计，没有涉及到采集数据传送给上位机的那一部分，但是对我个人来说也是一次相当大的挑战，设计完之后感觉自己的思维方式更加完善，考虑问题的方法也在不知不觉中有了很大的提高。由于此次设计时间紧，但设计的理论依据是充分的并且硬件的电路原理图也已画出。在理论设计中也考虑成本了的问题，尽可选用一些性价比高而且价格合理的芯片。 本文从选题到最后定稿成文，谢谢老师一直给予了悉心指导，老师那种严谨求实的作风，广博深邃的洞察力，孜孜不倦的开拓精神和敬业精神令我深受启迪和教益，谨向我的指导老师致以深深的谢意。 但是，由于个人水平有限，在理论的描述、资料的运用等方面难免有不当、不深，不周之处，有些观点也尚欠成熟，敬请各位老师批评指正。 36 参考文献 [1] 冯博琴编著 微型计算机原理与接口技术 清华大学出版社 2002 [2] 王文杰 许文斌主编 单片机应用技术 冶金工业出版社 2008 [3] 胡汉才 《单片机原理及其接口技术》 清华大学出版社 1996.7 [4] 韩志军 沈晋源 王振波《单片机应用系统设计》 机械工业出版社 2005.1 [5] 曹玲芝编著 现代测试技术及虚拟仪器 北京航空航天大学出版社 2004.2 [6] 赵继文 《传感器与应用电路设计》 科学出版社 2002.3 [7] 杨振江 孙占彪 王曙梅 布线涛《智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用》西安电子科技大学出版社 2001.12 [8]刘迎春.传感器原理设计及应用.哈尔滨工业大学出版社，1989 [9]刘广玉.新型传感器技术及应用.北京航空航天大学出版社，NO.6，95 [10]朱伯中.数字式传感器.北京理工大学出版社，NO.8，96 [11]张国梁，李国昌.浅谈便携式瓦斯报警器作用与维护.中山煤炭，N0.1，1994. 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