煤矿瓦斯监控系统设计

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1、 毕 业 设 计 论 文 题目：煤矿瓦斯监测系统设计系 别： 电气与电子工程系专 业： 电气工程及其自动化姓 名： 田晓东学 号： 121406158指导教师： 刘晓芳 河南城建学院 2010 年 5月 27日河南城建学院本科毕业设计（论文） 目录目 录摘 要IAbstractII第一章 绪 论11.1煤矿气体监测系统概述11.2煤矿气体监测系统的国内外发展状况21.3本课题的研究意义31.4本课题的主要工作内容3第二章 煤矿气体监测系统设计的特殊要求及设计原理52.1系统设计要求52.1.1技术指标要求52.1.2隔爆仪表设计要求52.1.3系统的功能62.2设计原理62.2.1气体传感器的

2、选择62.2.2单片机型号的选择102.2.3AT89552单片机的特点11第三章 基于气敏元件的煤矿瓦斯监测系统设计与试验123.1系统原理框图123.2系统硬件设计123.2.1系统电源123.2.2气体传感器加热及其信号采样143.2.3传感器信号监测回路及A/D转换参考电源163.2.4模数转换芯片AD7810的原理及应用173.2.5 MAX7219显示电路203.2.6 I2C总线接口电路243.2.7 RS485串口通讯273.2.8看门狗硬件电路313.3系统软件设计323.3.1主程序333.3.2案件中断程序353.3.3定时器A中断程序363.3.4串行中断程序373.3

3、.5软件的低功耗设计37第四章 总结与展望404.1研究工作总结404.2研究工作展望40参考文献42致谢43附录44河南城建学院本科毕业设计（论文） 摘要摘要 能源工业是国家经济发展的命脉，近年来，随着石油资源的紧张、石油价格的腾升，煤炭行业的重要地位和不可替代性也日益显现。然而，中国煤炭行业的安全生产形势却不容乐观，尤其是重、特大伤亡事故屡见报端。在这些事故中，瓦斯爆炸又占绝大多数。这其中，固然有很多诱发因素，但各煤矿生产企业安全监测设备不完备、管理手段落后是造成事故频发的重要原因之一。 本课题采用镇江中煤电子有限公司研发的无火焰燃烧式气体传感器，以AT89552单片机作为硬件电路核心，研

4、制煤矿瓦斯(CH4)监测系统，开发出实现对CH4的识别、浓度监测、阀值报警以及实时上传数据至地面监控PC，通过串口通讯软件界面显示。论文首先阐述了CH4监测系统的发展及现状，通过对无火焰燃烧式CH4传感器的原理分析确立了系统的研发方向;接着介绍了监测系统的设计要求，由于煤矿井下工作环境特殊，空间狭窄，湿度大，有易燃易爆的瓦斯和煤尘，所以，煤矿电气设备必须符合防爆要求，应有接地、过流、漏电保护装置。在此基础上，详细论述了瓦斯气体监测系统的硬件电路设计与系统软件设计及实用分析。本课题采用具有较高性价比的单片机AT89552构成煤矿气体监测系统的核心部分，根据气体传感器测量的信号，实现对CH4的成分

5、识别和浓度测量;使用按键面板输入外部命令;采用ATMEL公司的 DataFlash存储器AT24C02存储设定的参数及大_量的测量数据;采用RS一485协议，实现数据远传，由地面串口通讯软件接收处理。串口通讯软件对单片机而言意义重大，不但可以实现将单片机的数据传输到电脑端，而且能实现电脑对单片机的控制。 本文设计开发的串口通讯软件，是煤矿气体监测系统标定及其与PC机/之间通讯的配套工具。基于串口通讯协议，使用该软件可以通过PC机实时监控煤矿气体监测系统的运行状态，读取系统存储器中的数据，并可实时显示系统监测到的不同环境下的气体浓度，运用PC强大的数据处理能力分析保存数据，并通过串口通讯软件将所

6、测量的结果显示到软件界面，便于工作人员更直观地了解井下的工况，实施相应处理与控制。 关键词:传感器;煤矿;数据采集;串口通讯 -44-河南城建学院本科毕业设计（论文） AbstractAbstract Energy industry is the vitals of our countrys economy development.In recent years,in company with petroleum resources shortage petroleum prices grow rapidly.The importance and unsubstitutability of c

7、oal industry increase everyday.But Chinese coal industry safety in production refuse optimism ,as serious casualty repeatedly appeared in the newspaper.Gas explosion occupy the most part of those accident.It is sure that many factors caused that,but each colliery enterprises lack of safety monitorin

8、g equipment ladder of management lag are the one of substantial reasons. The dissertation adopt fireless burning gasses sensor that designed by Zhenjiang Zhongmei electronic company,developed a instrument that can detect the CH4 aerometry,as well as whether econsistency reach the alarm threshold,the

9、n send the data to the monitoring PC,use the powerful data analysis ability of PC and grey theory to the forecast the CH4 aerometry.First of all,the dissertation expounds the development and actuality of CH4 instrumentation.Then introduce the design requirement of the instrumentation,because collier

10、ys underground working environments high humidity has flammable and detonable gasses and smut,particularly with other locations working environment,so the electric installation must overflow blast protection requirement and must have grounding overflowing creepage protector.At third chapter,the diss

11、ertation elaborated the CH4 detection instruments hardware and software.The whole detection instruments hardcore is SCM AT89S52,according to the signal detected by the gas sensor to identify the ingredient of the air and the Use eight LED nixie tube to display the gas consistency of CH4.Use keyboard

12、 panel to input the external command;Adopt Data Flash AT24C02 produced by ATMEL to store the parameters and substantive data.Use eight LED nixie tube to display the gas consistency.Under the PC controlled mode,adopt RS-485 protocol to realize the data being sent to the serial port communication soft

13、 ware.The serial port communication software means lot to the SCM,not only realize data transfer,but also realize the SCM be controlled by PC.The serial port communication software is the useful tool for the instrument calibration and communication software is the useful tool for the instrument cali

14、bration andcommunication between SCM and PC. Base on the serial portcommunication protocol，the using of software could monitoring thestatus of the gas detection instrument all the time, fetch stored data in theflash, and can show the real-time CH4 value, so the worker can know the environments statu

15、s all the time. Key words: sensor; coal mine; data collection; serial communication 河南城建学院本科毕业设计（论文） 绪论河南城建学院本科毕业设计（论文） 绪论第一章 绪 论煤矿中含有大量的甲烷(CH4)等易燃易爆气体，发生事故后会造成巨大的经济损失，危及矿工的生命。随着煤矿开采技术手段的不断改进和开采规模的扩大及开采深度的不断延伸，安全隐患越来越多。瓦斯事故特别是重、特大瓦斯事故在煤矿事故中所占的比例也越来越高。如果不把瓦斯事故控制住，就不能实现煤矿安全生产状况的稳定，也就无法保障煤炭工业的持续健康发展。所以

16、，对煤矿井下瓦斯气体进行快速准确的监测显得尤其重要，对易燃易爆混合气体监测系统的研究和开发也成为人们一直关注的问题。1.1煤矿气体监测系统概述煤矿气体监测系统是能够监测矿井环境中瓦斯气体的浓度，具有报警功能并能实现数据远传至地面监控室PC的系统。本课题中完整的煤矿气体监测系统山以下五个部分组成： l)气体传感器:能感知环境中甲烷气体及其浓度的一种敏感元件，它能将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号 2)显示单元:根据测量信号，由单片机将待显示数据按相应方式进行数据传输给显示处理模块显示于仪表 3)声光报警单元:当监测气体浓度超出设定报警值时，发出声光报警; 4）时通讯单元:将采集数据通过RS

17、-485通讯方式进行数据通信 5)数据采集分析软件:运用VC+编写串口通讯软件，实现气体数据的采集、分析及保存煤矿气体监测系统其他的技术参数还有存储数据性能、传输数据性能、使用寿命与可靠性等。气体传感器是煤矿气体监测系统的重要组成部分，就其原理可以分为四大类:光学类气体传感器、电化学类气体传感器、高分子材料类气体传感器及电学类气体传感器。利用气体的光学特性来监测气体成分和浓度的传感器为光学类气体传感器，根据具体的光学原理可分为红外吸收式、可见光吸收光度式、光干涉式、化学发光式和试纸光电光度式、光离子化式等气体传感器。电化学类气体传感器是利用电化学性质的气体传感器，该类气体传感器包括:定电位电解

18、式、伽伐尼电池式、固体电解质等种类的气体传感器。高分子气敏材料气体传感器主要有高分子电阻式、高分子电介质式、浓差电池式、声表面波式、石英振子式等。利用材料的电学参量随气体浓度的变化而改变的特性制作的气体传感器为电学类气体传感器。这类气体传感器又可分为电阻式和非电阻式两大类，其中非电阻式气体传感器是利用材料的电流或电压随气体含量变化的特点而制成的传感器，主要包括MOS二极管式、结型二极管式和场效应管式，而电阻式气体传感器则通常主要有接触燃烧式、热导式、半导体气体传感器等等。世界上发达国家用于煤矿井下易燃易爆气体监测的方式主要有光干涉式、载体催化燃烧式两种。光千涉式气体监测仪表是利用了光的干涉原理

19、实现对已知待监测气体浓度的测量。比较典型的产品有矿用光干涉型CH4气体监测仪，它是利用不同种类、不同浓度的气体对光的折射率不同这一性质，针对CH4气体设计适当的光路系统，把CH4气体浓度的变化转换成光的干涉条纹的位置变化。具体地说，就是采用一个光源，经过适当的光学设计，使其分解为两列光波，一路通过标准空气室，另一路穿过采样气室后在某处相遇，此时由于满足光的相干条件，从而产生下涉条纹。把两气室都充有空气时的干涉条纹作为初始位置，当CH4气体充入采样室后，由于光程差的结果，干涉条纹会相对于原位置移动一段距离，并且这个距.离将随CH4气体浓度的不同而产生相应的变化。因此只要测量该位移量，就可以获得C

20、H4在空气中的含量。该测量仪测量范围大，使用寿命长，但仪器设备大，价格高，测量不直观，而且无法与监控系统连接，因此在煤矿中的使用量逐年减少。在这二种气体监测仪表中，载体催化燃烧方式监测可燃气浓度的方法因其线性和稳定性较好，以爆炸下限百分体积浓度为单位的浓度标度方法能统一衡量各种可燃气浓度所呈现的爆炸危险度，且量程符合工业要求，故被较多的用于爆炸危险场所可燃性气体的测量。该监测方式使用催化载体型气体传感器作浓度的检知器，该元件由铂丝上烧结一层陶瓷载体(如A12仇)后再涂覆催化活性物(Rh，Pd等)构成。当Pt丝中通以工作电流使之达到临界反应温度(320一350OC)时，可燃气在元件表面催化燃烧使

21、Pt丝电阻增加，在完全燃烧且热辐射可忽略时，电阻增量凡与可燃气浓度C成正比，即有R=a*a*c*Q/Cp=ktC，(Kt=a*a*Q/Cp) (l.1)a，a，Q，q分别为Pt电阻温度系数、催化剂性能常数、可燃气燃烧热、元件热容，故k是仅与元件及可燃气种类有关的常数。将RF转换成电信号，通过这一阻值变化，转换为电压变化，从而通过A/D转换可得到被测气体的浓度值。1.2煤矿气体监测系统的国内外发展状况 伴随气体传感器的发展，气体监测仪器不断更新。其类型根据监测对象可分为可燃性气体监测仪、毒性气体监测仪和氧气监测仪等;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

22、在危险环境中的工作人员随身携带:便携式仪器用泵吸式采样，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。 世界各国也均有煤矿瓦斯气体监测的系统，如波兰的DAN640O、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MSA公司生产的系统，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。 我国监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

23、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、KJS、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本课题的研究意义 我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一。虽然通过煤炭生产、加工和利用等各个环节，提供了相当多的就业机会，但每个环节却同时带来了环境污染、安全等一系列的问题。其中之一便是有害气体影响

24、，包括CH4，CO，SO2等。后两种气体含量少，且SO2易溶于水，经煤矿开采时的喷水处理后变成酸。但是CH4气体含量多，且几乎不溶于水，属于易燃易爆气体，发生爆炸事极易造成人身伤害。因此，认识并研制监测这种气体的新型系统，显得非常重要。 瓦斯(CH4)是在成煤过程中形成并大量贮存于煤层之中的气体，是煤矿井下危害最大的气体。瓦斯是一种无色、无味的气体，密度为0.7167kg/m3，对人体的危害是超限时能引起人窒息死亡。其有易燃、易爆等特点，因此煤矿对瓦斯的治理应非常重视。瓦斯的灾害主要表现为四个方面。第一、瓦斯浓度过高，对工人身体健康的影响表现为缺氧，呼吸困难，窒息等。第二、瓦斯煤尘爆炸，瓦斯爆

25、炸所产生的巨大冲击波和高温火焰，往往导致群死群伤，而且扬起的煤尘又会参与爆炸，摧毁巷道，毁坏设备，甚至毁灭整个矿井，给国家和人民生命财产造成巨大损失。第二、煤中瓦斯突出。突出直接影响着工人的人身安全。第四、大量的瓦斯从通风井排入大气，污染大气环境。 我国煤矿的瓦斯灾害是比较严重的，瓦斯灾害始终是煤矿安全生产的大敌，日前已成为制约煤矿安全生产的主要矛盾。因此，研制先进适用的煤矿气体监测系统对煤矿工业安全生产，减少事故发生和生命财产损失有重要意义，市场应用前景十分广阔。1.4本课题的主要工作内容 日前国内有一些用于煤矿中CH4气体的监测系统，但是很少有能实现数据上传，做到实时监测，本文针对煤矿气体

26、监测系统的现状及发展趋势，阅读了大量文献及资料，研发了煤矿气体监测系统，主要工作包括: l)甲烷气体传感器的选用 2)单片机的选用 3)系统硬件电路的设计 4)系统软件的设计 5)通讯方式及通讯协议设计 河南城建学院本科毕业设计（论文） 煤矿气体监测系统设计的特殊要求及设计原理第二章 煤矿气体监测系统设计的特殊要求及设计原理 本课题的研究目标，是设计一种能够有效监测煤矿瓦斯气体的监测系统，并可以将实时数据上传至地面监控电脑，实施控制。为此，应根据煤矿工作环境及煤矿巷道中气体监测系统使用的特殊要求进行系统设计。2.1系统设计要求2.1.1技术指标要求 本课题对煤矿气体监测仪表及其所用气体传感器在

27、技术指标上的要求如下:1)应用环境:煤矿气体监测2)监测对象:监测甲烷气体3)测量范围:甲烷O-10%4)灵敏度:0.01%5)响应时间:30s6)功耗:100mW7)环境工作温度范围:一20一+70C8)环境工作湿度范围:95%RH2.1.2隔爆仪表设计要求 煤矿井下工作环境特殊，空间狭窄，湿度大，有易燃易爆的瓦斯和煤尘，所以，煤矿电器同一般电器有较大的区别。这就对煤矿电器有特殊要求，如体积要小，易于搬运，坚固，防潮防水，防爆。属于煤矿安全标志管理目录内的矿用产品应有安全标志，电气设备必须符合防爆要求，应有接地、过流、漏电保护装置。 隔爆型仪表的主要特点是有一个可靠的隔爆外壳，它将把可能产生

28、火花和危险温度的仪表传感器、电阻电路及接线端子等，都放在隔爆外壳里，达到外壳内可能发生的爆炸不影响周围易燃易爆物质，它的设计方法与隔爆型电器和电机基本相类似。如外壳的各配合面(隔爆面)的间隙大小和长度要符合GB3836.2标准规定要求，另一方面外壳要有一定的机械强度，须达到外壳内部爆炸参考压力的1.5倍压力不损坏和变形等。隔爆型仪表设计须注意如下几个方面:(l)确定合理的外壳结构 根据仪表的特点，专门设计与原结构相适应的外壳，达到既不损害仪表原来使用特征又经济合理的外壳;外壳腔内有细长通道，避免腔内发生压力重叠现象;外壳的材质采用新型的工程塑料和优质轻合金，结构轻巧。(2)接线盒结构 隔爆型仪

29、表设计带有接线盒的隔爆外壳，且接线盒的防爆类型为隔爆型。由于隔爆型仪表具有低电压、小电流特点，隔爆型仪表的主腔和接线盒贯通部分，可以尽量采取橡胶密封结构，使隔爆型仪表结构简单，加工方便。(3)指示表结构 为了使井下工作人员及时地了解瓦斯浓度数据，隔爆型仪表带有指示表。指示表设计在仪表的主腔室，透明窗面积不大于100mm2，透明玻璃厚度大于8mm，与外壳密封采用橡胶密封措施。2.1.3系统的功能 在本项目中，煤矿气体监测系统的功能是能够监测CH4，同时本着方便应用的原则，还应具备声光报警、人机界面操作、数据存储以及与PC机通讯等功能。基于这些要求，仪表应由敏感探头、A/D转换、单片机、数据存储器

30、、显示器、按键面板及报警模块、通讯模块等组成。由于在标定和更新系统参数的时候，需要大量的实验数据，这就需要扩展仪表外设功能模块，采用串口通讯实现数据的远传。2.2设计原理 本项目采用CH4气体传感器，研制无火焰燃烧式CH4气体传感器应用系统，实现对CH4的识别、浓度的测量、是否达到报警阑值的判断以及数据的远传。2.2.1气体传感器的选择 本文在实验阶段，采用7只CH4气体传感器进行参数测量。其催化元件是采用一种全新高活性的纳米级过渡金属合金低温反应催化剂作为新的敏感元件，取代传统的瓦斯燃烧催化剂。这种新的合金催化剂不仅对瓦斯催化反应的活性极高，临界反应温度低，而且具有良好的催化选择性，有利于提

31、高报警器的灵敏性和准确性。同时因反应可在较低温度进行，催化剂性能稳定，因而大大延长了催化剂的使用寿命。 这种敏感元件的外观图见图2.2.1，其具有抗气体干扰能力强、选择性好、反应速度快、灵敏度高、线性和稳定性好、功耗低、寿命长等特点。适用于煤矿井下作业环境测量空气中的甲烷气体浓度。 图2.2.1 元件外观图 1.元件使用环境条件:温度:-20十70湿度:95%RH风速:2mV(M:灵敏度)4.传感器对多种可燃气体的敏感特性 图2.2.2表示CH4气体敏感元件对各种气体的反应关系，从图上我们可以看出敏感元件输出电压与对各种气体浓度之间具有较好的线性关系。 图2.2.2 输出Vo在不同气体及浓度下

32、的变化曲线5.温湿度的影响1)恒定湿热试验:40，95%RH，%小时(见图2.2.4)。Y轴表示Vo的输出电压值。 图2.2.3 恒定湿热实验图 2)低温实验见表2气敏元件在00C一400C的环境下维持4小时的数据) 表2.1 低温实验记录 图2.2.4 -40C传感器震荡曲线图 6.高浓度甲烷实验 将07#传感器置于10%的甲烷环境中2小时，放气前后的数据状态 表2.2 高浓甲烷实验放气前后的数据7.稳定性 1)初始稳定性 a.在空气中的初始稳定性: 贮存一周到一年的元件初始零点输出可能不为零，只需在工作点电压稳定十分钟后输出零点将归零:b.在气体中的稳定性: 贮存一周到一年的元件刚开始下作

33、时灵敏度可能达不到最佳点，只需在工作点电压稳定二十分钟后输出灵敏度将复原; 2)长期稳定性 图2.2.5 长期稳定性2.2.2单片机型号的选择 随着计算机技术的发展，单片机因具有集成度高、体积小、速度快、价格低等特点而在许多领域如过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛应用，从而使这些领域的技术水平、自动化程度大大提高。正因为如此国内外多家电子生产厂商把目光投向了单片机的生产，其中最为著名的当数INTEL公司生产的MCS51系列单片机。 单片机根据本课题的实际情况，单片机型号的选择主要从以下两点考虑:一是要有较强的抗干扰能力。由于甲烷气体监测传感器处于煤矿

34、矿井巷道中，一下作环境比较恶劣，以及实际的运行工况比较复杂，这些都对单片机的干扰较大，所以应采用抗干扰性能较好的单片机机型;二是要有较高的性价比。由于51系列在我国使用最广泛且该系列的资料和能够兼容的外围芯片也比较多，特别是ATMEI副公司2003年推出的新一代895系列单片机，其典型产品AT89552单片机具有较高的性能价格比。本文采用ATMEL公司生产的AT89552单片机作为监测系统的核心部件，AT89552单片机是AT89S系列单片机中的一种，它是在现己广泛应用于工业控制等各领域的AT89C52系列单片机的换代产品。它具有89C52的全部功能，是8OC51的增强型并且指令完全兼容，AT

35、89S52新增加的功能由特殊功能寄存器完成，相信日后它将更广泛地应用于工业控制、汽车控制、智能仪器仪表及电机控制等应用领域。 2.2.3AT89552单片机的特点 l) 兼容MCS51单片机 2) SK字节FLASll存贮器支持在系统编程工SP1000次擦写周期 3) 256字节片内RAM 4) 256作电压吐4.0V到6.0V 5)动全静态时钟OHZ到33MHZ 6)二级程序加密 7) 32个可编程l/0口 8) 3个16位定时/计数器 9) 6个中断源 10) 上电复位标志 11)完全的双工UART串行口 12)低功耗支持Idle和Power-down模式 13)Powerdown模式支持

36、中断唤醒 14)看门狗定时器 L5）动双数据指针 此外，与AT89C52相比，AT89S52新增加了许多功能，这将使单片机在工作过程中具备史高的稳定性和电磁抗千扰性。首先，AT89S52内部增加了片内看门狗定时器，这将有利于坚固用户应用系统，提高系统可靠性;其次，AT89S52独有的双数据指针使数据操作更加快捷方便;再次，AT89S52运行速度更高，最高晶振可达到33MHZ;最后，AT89S52支持工ISP(In一 System Programming)在线下载功能。AT89S52中ISP引脚共有4个:RST、MOSI、MI50和SCK。用户可以直接替换应用系统中的AT89C51/52，而软件

37、硬件均不需作任何修改，这给正使用AT89C52单片机的用户史新换代带来许多方便。 正因为AT89S52单片机增加了高可靠性、安全性的功能，所以能避免因外部芯片扩展过多或传感器输入信号过多而引起的信号失真、电磁千扰等现象的发生。因此，用它作为甲烷气体测量可以满足监控、信息传送的要求。而且，从经济性的角度来看，AT89S52不但硬件结构简单，而且价格低、功能强、性价比高，符合我国工业设计制造的要求。河南城建学院本科毕业设计（论文） 基于气敏元件的煤矿瓦斯监测系统设计第三章 基于气敏元件的煤矿瓦斯监测系统设计 本章将介绍基于甲烷气体传感器的气体监测系统的系统原理框图，及其整体协调丁作实现的功能;系统

38、的硬件电路设计及其主要功能模块;系统程序流程等内容。3.1系统原理框图 基于气体传感器的甲烷气体监测系统主要由气体传感器、单片机、数据存储器以及LED显示器以及RS485通讯接口等部分组成，其原理框图如图3.1所示。采用单片机AT89S52构成煤矿气体监测系统的核心部分，根据气体传感器及测量的信号，实现对CH4的成分识别和浓度测量;使用按键面板输入外部命令;采用ATMEL公司的DataFlash存储器AT24CO2存储设定的参数及大量的测量数据;通过8只8段LED数码管显示气体浓度:也可以在PC机控制模式下，采用RS485协议，实现数据远传。 图3.1 系统硬件原理框图3.2系统硬件设计 系统

39、硬件设计原理图见附录，下面介绍其主要组成部分以及它们实现的功能。3.2.1系统电源该系统系统电源电路图如图3.2所示，Vin是外部输入电源，采用的是12V/3A的直流电源。CZ，C4的作用是对LM317电压调节端(ADJ)的电压进行滤波，以提高输出电压的稳定性;Dl、D2起保护作用，当有意外情况使得LM317的Vin电压比Vout电压还低的时候，防止从C3，C4上有电流倒灌入 LM317引起其损坏。整个系统用电可以划分为两部分:HVCC是LED显示器模块、气体传感器加热、传感器信号监测回路及A/D转换参考电源模块输入需要的9.58V工作电压;VCC是单片机等集成芯片需要5V的下作电压。 电源部

40、分的核心器件是二端可调输出集成稳压器 LM317。LM317是美国国家半公司的三端一可调整流稳压器集成电路，输出电压范围是1.25v至37v，负载电流最人为1.5A。它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压，此外线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。内置过载保护、安全区保护等多种保护电路。输出引脚3与调节引脚1之间保持1.25V的参考电压Vref，并且引脚3为正端。当调节端接地时，输出端输出1.25V。由Vin端提供工作电压以后，便可以保持/out端(3脚)比ADJ端(1脚)的电压高1.25V。因此，只需要用极小的电流来调整A川端的电压，便可在Vout端得到比较大的输出电流，并

41、且输出电压比ADJ立品电压高出恒定的1.25V。 LM317的输出电压二1.25X(I+ADJ端到地的电阻/ADJ端到Vout端的电阻)。通过调整接入ADJ端和Vout端电阻的比值，来改变输出电压。值得注意的是，LM317有一个最小负载电流的问题，即只有负载电流超过某一值时，才能起到稳压作用。这个电流随器件的生产厂家而有所差异，一般在38mA不等，可以通过在负载端接一个合适的电阴来解决。依据 LM317的输出电压计算公式，可以得到图3.2中LMI的输出: HVCC=Vref（1+R1R2)其中：Vref=1.25V R1=1000,R2=10. 数据代入上式得：HVCC=9.58。另外LM2的

42、输出：VCC=Vref（1+R3R4)其中：Vref=1.25V，R3=460， R4=150。数据代入公式得到：VCC=5.08v. 图3.2 系统电源电路图3.2.2气体传感器加热及其信号采样 气体传感器加热及其信号采样电路图如图3.3所示，由LM317提供加热电压。其中，llVCC是输入电压，V巨是气体传感器的力I:热电压，VH是监测回路的工作电压，G刚)为气体传感器加热地，VSS为信号采样地，RS为气体传感器的敏感体电阻，R:_为取样电阻。传感器加热电压高，加热丝的电阻值小，这样势必导致流经加热回路的电流大:另外，为了方便测量，传感器探头电路与仪表数据处理电路不在同一个电路板_!_，而

43、是用了比较长的数据线相连。如果采样地与加热地共用一条回路，采样地就会流过较大的电流，这样就能在信号采样线上产生很大的压降，从而导致采集的信号受信号采集线的长短影响较大。必须把加热地与信号地分离开，才能降低干扰。依据LM317的输出电压一计算公式，可以得到:VE=Vref（1+R1R2) 其中：Vref=1.25V， R=470， R2=150。数据代入公式得到：VE=5.17。 图3.3 气体传感器加热及信号采样电路图 模数转换芯片选用的是美国模拟器件公司 (AnalogDeviceS)生产的一种低功耗10位高速串行A/D转换器 AD7810，其转换精度为。模数转换时，参考电源的稳定性很重要，

44、在本系统中外部电源是由TL431及其外围电路供给。根据欧姆定律，得到气体传感器的输出电压:经A/D转换后，换算出气体传感器输出电压:其中:VAD是A/D的转换结果。由以上两式联立得:上式简化得到： 从上式可以看出，Rs与采样回路电压VH无关，只要保证参考电压VH稳定就可以。如果确定了采样电阻R.，以及A/D转换结果，就可以得到气体传感器得敏感体电阻。3.2.3传感器信号监测回路及A/D转换参考电源 传感器信号监测回路及A/D转换参考电源电路图如图3.4所示，主要由三极管和TL431组成。TL431是Tl公司生产的一个有良好的热稳定性能的三端可调精密电压基准集成电路，引脚分别为:阴极(CATHO

45、DE)、阳极(ANODE)和参考端(REF);输出电压范围是2.5v到:36v;典型动态阻抗为0.2，输出杂波低。在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。该器件内部有一个的2.5V基准源V工，接在内部运放的反相输入端。由运放的特性可知，只有当REF(同相端)的电压非常接近VI时，三极管中才会有一个稳定的非通过从阴极到阳极很宽范围的分流来控制输出电压。需要注意的是，在选择电阻时必须保证TL431工作的必要条件，即通过阴极的电流要大于lmA。 图3.4中，R8和R6对VH的分压引入反馈。若输出增大，则反馈量增大，TL431的分流也就增加，从而又导致

46、VH下降。可见，这个深度的负反馈电路必然在VI等于基准电爪处稳定，此时TL431的输出: 其中:Vref=2.5V，R6=200 ，R8=1000。数数据代入公式得到:VH=3V。 为了降低系统功耗，用单片机I/O口控制该电源的工作状态。当I/O为高电平“1”时 ，NPN三极管Q1导通，其集电极为低电平，从而使PNP三极管Q2基极拉低，其射极输出高电平，这样就能满足TIJ431的工作条件，从而可以得到VH=3V的输出电压；当I/O为低电平“0”时，NPN二极管Q1截止，其集电极为高电平，从而使PNP三极管Q2基极为高，Q2截止，这样不能满足TL431工作条件，得到VH=0V输出电压。 图3.4

47、 传感器信号监测回路及A/D转换参考电源电路图3.2.4模数转换芯片AD7810的原理及应用 AD7810是美国模拟器件公司 (AnalogDeviCeS)生产的一种低功耗10位高速串行A/D转换器。该产品有8脚DIP和SOIC两种封装形式，并带有内部时钟。它的外围接线极其简单，AD781O的转换时间为2us，采用标准SPI同步串行接口输出和单一电源 (2.7V一5.5V)供电。在自动低功耗模式下，该器件在转换吞吐率为1kSPS时的功耗仅为27uW。 1.AD7810引脚功能 AD7810引脚排列如图1所示，各引脚的功能如下: 1脚CONVST:转换启动输入信号 2脚VlN+:模拟信号同相输入

48、端 3脚VIN:模拟信号反相输入端 4脚GND:接地端口 5脚Vref:转换参考电压输入端 6脚DOUT:串行数据输出端 7脚SCLK:时钟输入端 8脚VDD:电源端 图 3.5 AD7810引脚功能2.AD7810主要参数 l)分辨率:10位二进制 2)转换时间:2uS 3)非线性误差:1LSB 4）时电源电)长范围:2.75.5V 5)电源功耗:高速方式时为17.5mW，低功耗方式时为5uW 6)参考电压Vref范围:1.2VVDD 7)模拟电压输入范围:0V一Vref 8)输出形式:SPI同步串行输出，与TTL电平兼容。3.D7810的工作模式 3.1高速模式 图3.6是AD7810工作

49、在高速模式时的时序图。在此模式下，启动信号CONVST一般处于高电平。在CONVST端输入一个负脉冲，其下降沿将启动一次转换。若采用内部时钟，那么，转换需要2uS的时间(图中tl)。当转换结束时，AD7810会自动将转换结果锁存到输出移位寄存器中。此后，在每一个SCLK脉冲的上升沿，数据按由高到低的原则(首先发送DB8，最后发送DBO)依次出现在DOUT上。如果在转换还未结束之前就发出SCLK信号来启动数据输出，那么，在DOUT上出现的将是上一次转换的结果。 图 3.6 AD78l0高速模式时序图 启动信号CONVST应在转换结束前变为高电平，即t2应小于tl，否则器件将自动进入低功耗模式。另

50、外，串行时钟SCLK的最高频率不能超过20MHz。 3.2自动低功耗模式 图3.7是 AD7810下作在自动低功耗模式时的时序图。在此模式下，启动信号CONVST为低电平时，器件处于低功耗休眠状态。当在CONVST端输入一个正脉冲时，可在其上升沿将器件从休眠状态唤醒，唤醒过程需要1uS的时间(图中t2)。当器件被唤醒后，系统将自动启动一次转换，转换时间也是2uS图中tl)。转换结束时，AD7810将转换结果锁存到输出移位寄存器中，同时自动将器件再一次置于低功耗状态。 图3.7 AD781O自动低功耗模式 启动信号CONVST正脉冲的宽度(图3.7中t2)应小于 1ps，否则器件被唤醒后将不会自

51、动启动转换，而是将A/D转换的启动时间顺延至CONVST的下降沿处。自动低功耗模式是 AD7810的一大特色，一般当数据吞吐率小于100kSPS时，应使器件工作在此模式下。在5V电源电压下，当数据吞吐率为100kSPS时，器件的功耗2.7mW;而当数据吞吐率为10kS时，功耗为270。W;若数据吞吐率为1KSPS，则其功耗仅27uW。4.AD7810的应用电路 AD7810应用时几乎不需外围元件。图3.8所示是其应用电路，其参考电压Vref连接至参考电源VH，模拟输入VIN-接至GND，而待由气体传感器输出的信号从VIN+输入。 图 3.8 AD78lO应用电路 AD7810几乎与各种MCU进

52、行接口，图3.8中的MCU可以是51系列或PIC16C6x/7x单片机。在本论文中AD7810与AT89S52接口时，电路采用的是一种模拟串口方式，AD7810的SCLK、DOUT和CONVST分别接至AT89552的Pl.5、Pl.6和P1.7，只要严格按照AD7810的时序要求操作，一般接口都不会有问题。这种方式实际上可扩展到所有的MCU种类。另外，AT89S52也可利用其串行口工作方式0与八AD7810进行通讯(图中未画出)，但这时应解决好两个问题:一是由于AT89S52在TXD的上升沿进行采样，这样，TXD应经过一个反相器再接到SCLK，而将RXD接至Dout，然后将CONVSI接至任

53、意一个输出端口。二是AT89S52串行口首先接收低位数据，这一点与 AD7810刚好相反，编程时需要注意。 3.2.5 MAX7219显示电路 本课题中气体监测系统的工作环境是处于比较黑暗的矿井巷道中，所以不宜采用液晶显示模块，而采用了发光柔和的LEO数码管作显示，显示颜色为红色。发光数码粉的优点在于防潮防湿，温度特性极佳，而且有远距离视觉效果，很适合矿井下恶劣环境的需要。而我们使用的单片机AT89552本身并无显示接口部分，需要外接显示的译码驱动电路。LED数码管显示有动态显示和静态显示两种方式。通常小管采用哪种显示方式，单片机往往都工作于并行工/0或存储器方式。在本课题的单片机数据采集控制

54、系统中，利用MAXIM公司的串行接口8位LED显示驱动器 MAX7219构成显示接口电路，仅需使用单片机3个引脚，即可实现对8位LED数码管的显示控制和驱动，线路非常简单，控制简单方便。（l）MAX7219的功能和设置 MAX7219芯片为MAXIM公司推出的串行输入/输出共阴极显示驱动器，是用一个芯片实现以往用软件完成的动态显示电路扫描工作的器件。每片可控制显示8个七段LED数码管、条形图或64个发光二极管，控制字简单。为24引脚芯片，除与显示器连接外，与微机串行口为3线连接，芯片外部电路仅为一限制峰值段电流的电阻，线路简单，极大地方便了对显示器件的控制。该芯片控制的显示位数多，控制字少，可

55、对全部或个别显示位的数据进行更新。并可方便地进行多个芯片的级联，扩展显示容量。MAX7219有多种封装形式，如窄式DIP封装和SOP封装等。 MAX7219的串行数据格式如表3.1所示。其中:D12一D15位不用;D8一Dll为显示位和各种一厂作方式的控制寄存器地址位，可选择要显示的位、解码方式、显示亮度、扫描位数、停止方式、显示测试等，其地址分布如表3.2所示;D0一D7为数据位，其形式与显示出的数字间的关系与解码方式有关。表3.2中X可为16进制任意值，一般取为0。每组16位数据中，首先接收的为最高有效位，最后接收的为最低有效位。 表 3.1 MAX7219串行数据格式 解码方式寄存器可设

56、置各位数码管为解码显示方式，或非解码的数据位与显示段直接对应的显示方式。亮度寄存器用于与外部电阻配合控制数码管的显示亮度。扫描限制寄存器控制显示的位数。停机寄存器控制显示器为停机或正常工作状态，停机状态下描振荡器停止工作，消隐所有显示位。显示测试寄存器设置器件为正常一作或测试状态。空操作寄存器用于多个MAX7219级连。器件上电后所有控制寄存器复位。解码方式寄存器的值为非解码方式，亮度寄存器的值设置为最小，扫描寄存器设置为仅显示1位，停机寄存器处于停机状态，显示消隐。因此MAX7219必须经过初始化后才可正常工作。 MAX7219的工作时序如图3.9所示。数据由DIN引脚输入，最先输入的为最高

57、位，在CI;K的上升沿将数据位移入器件内的移位寄存器，LOAD引脚信号的上升沿将最后移入的16位数据锁存入相的寄存器中，LOAD信号的上升沿必须与CIK的上升沿同时，或在其后。从DIN输入的数据经过16.5个CLK脉冲后移到DOUT引脚上。 表 3.2 MAx7219地址格式（2）单片机的串行工作方式 AT89S52单片机串行口有四种发送工作方式，其中方式0每帧共发送8位数，其他下作方式下每帧发送均不为8位数或其倍数。因此只能考虑使用方式0。串行口工作于方式0时，通过P1.0引脚发送/接收串行数据，通过Pl.1引脚发送移位时钟脉冲。发送顺序为低位在前，高位在后，与MAX7219的接收顺序相反。

58、从单片机时序上看，只需在发送前将显示数据和地址码的高低位顺序颠倒，利用串行方式0进行发送，每发送两次，就可向MAX7219输出一个要显示的数据或控制寄存器参数。而在单片机与MAX7219的时序配合中，时钟脉冲的配合是非常关键的。 图3.9 MAX7219时序图(3)单片机与MAX7219的连接 控制系统单片机与 MAX7219及显示器件的连接如图3.10所示。单片机的Pl.0、P1.1引脚分别接MAX7219的DIN、CLK，以Pl.2控制LOAD引脚。由于MAX7219是在脉冲信号控制下工作的，抗干扰非常关键，在线路上，MAX7219应尽量与显示器件相靠近，以减少外部的干扰。 图 3.10

59、MAX7219电路连接图（4）控制程序设计 本系统中单片机采用中断方式对MAX7219进行控制，传送16位数据的地址位和数据位。在主程序中，包括串行方式的设置、显示缓冲单元和各控制寄存器的地址码及数据单元的分配、对MAX7219的初始化等。由于MAX7219易受干扰影响，因此在程序执行过程中应经常对显示进行更新。3.2.6 I2C总线接口电路 I2C总线是一种用于兀器件之间连接的二线制总线。它通过SDA(串行数据线)及SCI副(串行时钟线)两根线在连到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件:不管是单片机、存储器、LCD驱动器还是键盘接口。（1）I2C总线的基本结构 采用厂C总线标准的单片机或兀器件，其内部不仅有工ZC接口电路，而且将内部各浑七儿电路按功能划分为若干相对独立的模块，通过软件寻址实现片选，减少了器件片选线的连接。C四不仅能通过指令将某个功能单元电路挂靠或摘离总线，还可对该单元的工作状况进行监测，从而实现对硬件系统的既简单又灵活的扩展与控制。I2C总线接口电路结构如图3.11所示。 图3.11 I2C总线接口电路结构 （2）双向传输的接口特性 传统的单.片机串行接口的发送和接收一般都各用一条线，如MCS51系列的TXD和RXD，而I2C总线则根据器件的功能通过软件程序使其可工作于发送或接收方式。当某个器件向总线土发送信息时，它就是发送