便携式瓦斯检测仪设计

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1、东北石油大学本科生毕业设计（论文）摘 要在我国，煤炭业绝大多数是井下开采，瓦斯爆炸是煤矿重大灾害事故之一，为了确保矿井的生产安全，国内已开发出很多种类型的瓦斯检测仪，但传统的瓦斯检测仪都普遍存在着体积较大、安装复杂的缺点。因此开发研制便携式智能瓦斯检测仪对促进煤炭行业的安全生产具有重要的意义。本文主要论述了一种便携式瓦斯检测仪的工作原理，并给出了系统硬件原理电路设计与软件系统流程。该系统主要由电源模块、催化燃烧式气体传感器模块、单片机控制模块、键盘、LED显示器和声光报警模块等部分构成。该装置将单片机的适时控制及数据处理功能与传感技术相结合，不仅可精确检测井下空气中的瓦斯浓度，还能根据瓦斯浓度

2、的大小及时发出声光报警信号，而且可通过LED显示装置显示出瓦斯的浓度。关键词：瓦斯检测；MJC4/3.0L气体传感器；AT89C51单片机AbstractIn China, the vast majority of underground coal mining industry, coal mine gas explosion is one of major disasters, in order to ensure mine safety, the domestic has developed many types of gas detector, but all the traditio

3、nal common a larger, installation of complex defects. Therefore developed a portable gas detector intelligent coal industry to promote safety is of great significance.This paper discusses a portable gas detector works, and gives the principle of circuit design hardware and software system processes.

4、 The system mainly consists of power supply module, catalytic combustion gas sensor module, microprocessor control module, keyboard, LED display and sound and light alarm module parts. The device will be single chip control and timely data processing combined with sensor technology can not only accu

5、rately detect the concentration of gas underground in the air, but also according to the size of the gas concentration in time audible and visual alarm signals, and can be displayed through the LED display device the gas concentration.Key words: Gas detection; MJC4/3.0L gas sensor; AT89C51 microcont

6、roller 目 录第1章 概 述11.1 课题研究的目的和意义11.2 国内外发展状况11.3 课题研究的主要内容2第2章 瓦斯的性质和爆炸条件及其检测方法32.1 瓦斯的性质32.2 瓦斯爆炸及其条件32.3 瓦斯的检测方法4第3章 硬件电路设计93.1 系统硬件设计原理框图93.2 传感器的选择103.3 信号放大模块设计113.4 A/D转换模块设计133.5 单片机的选择163.6单片机的复位电路及看门狗电路设计183.7 LED显示电路设计213.8 键盘与接口技术243.9 报警电路设计253.10 电源设计26第4章 系统软件设计284.1 系统主程序流程图284.2 A/D转

7、换程序流程图294.3 LED显示子程序流程图294.4 键盘扫描子程序流程图30结论32参考文献33致 谢34附录135附录236IV第1章 概 述1.1 课题的研究目的和意义煤矿中含有大量的易燃易爆气体，发生事故后会造成巨大的经济损失，甚至危及矿工的生命。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，安全上的隐患也越来越多。瓦斯事故在煤矿事故中所占的比例越来越高。因此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好转，也就无法保障煤炭工业的持续健康发展。所以，对煤矿中的瓦斯气体进行快速准确的检测显得尤其重要，对瓦斯气体检测仪表的研究和开发也一直是人们关注的问题。

8、为了确保矿井的生产安全，防止瓦斯爆炸，国内外煤矿研究所在此领域进行了很长时间的研究，开发出很多种类型的瓦斯检测仪，但目前已有的瓦斯检测仪器都普遍存在着体积较大、安装复杂、操作不便、智能化程度低等缺点。因此开发研制便于携带、多功能、精度高的智能型瓦斯检测仪对促进煤炭行业的安全生产具有重要的现实意义。1.2 国内外发展状况瓦斯检测技术是随着煤炭工业发展而逐步发展起来的。1815年，英国发明了世界上第一种瓦斯检测仪器瓦斯检定灯。利用火焰的高度来检测瓦斯浓度；20世纪30年代，日本发明了光干涉瓦斯检定器，一直沿用至今；20世纪40年代，美国研制了检测瓦斯浓度的敏感原件铂丝催化元件；1954年，英国采矿

9、安全所研制了最早的载体催化元件。电子技术的进展推动了瓦斯检测控制装置的进一步发展。我国矿井瓦斯检测技术经历了从简单到复杂，从低水平到高水平的发展过程。从新中国成立初期到20世纪70年代，煤矿下井人员主要使用光学瓦斯检测仪，风表等携带式仪器检测井下参数。20世纪60年代初期，我国开始研制载体催化元件，随着敏感原件制造水平的提高，使检测技术进入了新的发展时期。20世纪70年代瓦斯断电仪问世，装备在采掘工作面，回风港道等井下固定地点，实现了对瓦斯的自动连续检测及超限自动切断被控制设备的电源的功能。随后，我国陆续对研制便携式瓦斯提出了许多检测方法，如热传导法、半导体气敏传感器法、光干涉法、催化燃烧法等

10、。以这些方法为基本原理研制出的各种检测仪器曾在不同的时期，不同的应用场合发挥过重要作用。通过了解国内外瓦斯浓度检测系统的发展历史和发展现状，根据各种方法相对存在的缺点进行些许完善，从而要研究一套低成本、便于携带及高性价比的便携式瓦斯检测仪器，采用模块化设计方法完成控制系统软硬件设计来提高系统可靠性及稳定性的方法。1.3 课题研究的主要内容本文主要研究的是便携式瓦斯检测仪设计的硬件电路及软件程序设计，其主要内容如下：第一章为概述，主要说明了本设计的主要研究目的和意义，还介绍了在瓦斯检测系统中所涉及到的各种技术和发展情况。第二章介绍了瓦斯的性质和瓦斯爆炸及其条件，还介绍了传统的瓦斯检测方法及其原理

11、概述。第三章为硬件设计，对该瓦斯检测单元模块的各部分电路作了详细的介绍和讲解，分析了电路的构成和基本工作原理并进行说明。第四章为软件设计部分，首先介绍了系统总的设计流程，然后分为各个模块，并对部分模块进行程序编写。本文的重点是第三章和第四章，主要对瓦斯检测单元部分进行软硬件的设计，并实现既定的功能。第2章 瓦斯的性质和爆炸条件及其检测方法这章我们要了解两个内容。首先要了解的是瓦斯的性质和瓦斯的爆炸及其条件。其次是瓦斯的传统检测方法，如热传导法、半导体气敏传感器法、光干涉法，并主要说明了本设计采用的催化燃烧法。2.1 瓦斯的性质瓦斯的主要成分是沼气，一般煤矿瓦斯多指沼气（甲烷）。沼气是无色、无味

12、、无臭的气体；常温常压时呈气态；相对于空气的比重是0.554；难溶于水；扩散性较空气高1.6倍；无毒， 但浓度很高时，因氧含量减少会引起人窒息死亡；不助燃，在空气中达到一定浓度时（5%-16%CH4）遇高温能引起爆炸，引爆温度一般大于650，在空气中沼气浓度大于16%CH4时，遇火燃烧。沼气与氧气在高温下的反应是发光、放热反应，其反应方程式如式(1-1)所示1。 (1-1)1mol的沼气完全氧化后，放出的热量和理论值为882.6kj。正是由于瓦斯的性质特殊，所以它也具有两面性，例如矿井瓦斯作为城市煤气供应、矿井瓦斯发电等；但矿井瓦斯在井下的生产中却给我们带来了很大的麻烦，被我们列为有害气体2。

13、2.2 瓦斯爆炸及其条件瓦斯爆炸的条件是：一定浓度的瓦斯、高温火源的存在和充足的氧气3。1、瓦斯浓度。 瓦斯爆炸有一定的浓度范围，我们把在空气中瓦斯遇火后能引起爆炸的浓度范围称为瓦斯爆炸界限。瓦斯爆炸界限为5-16。当瓦斯浓度低于5时，遇火不爆炸，但能在火焰外围形成燃烧层，当瓦斯浓度为9.5时，其爆炸威力最大(氧和瓦斯完全反应)；瓦斯浓度在16以上时，失去其爆炸性，但在空气中遇火仍会燃烧。 瓦斯爆炸界限并不是固定不变的，它还受温度、压力以及煤尘、其它可燃性气体、惰性气体的混入等因素的影响4 。 2、引火温度。 瓦斯的引火温度，即点燃瓦斯的最低温度。一般认为，瓦斯的引火温度为650-750。但因

14、受瓦斯的浓度、火源的性质及混合气体的压力等因素影响而变化。当瓦斯含量在7-8时，最易引燃；当混合气体的压力增高时，引燃温度即降低；在引火温度相同时，火源面积越大、点火时间越长，越易引燃瓦斯。高温火源的存在，是引起瓦斯爆炸的必要条件之一。3、氧的浓度。 实践证明，空气中的氧气浓度降低时，瓦斯爆炸界限随之缩小，当氧气浓度减少到12以下时，瓦斯混合气体即失去爆炸性。如果有新鲜空气进入，氧气浓度达到12以上，就可能发生爆炸。瓦斯爆炸和燃烧跟氧气浓度的关系如下图1-1所示。图1-1 瓦斯爆炸和燃烧跟氧气浓度关系图2.3 瓦斯的检测方法本世纪初以来，人们就对瓦斯检测进行了大量的研究，提出了许多检测方法，如

15、热传导法、半导体气敏传感器法、光干涉法，并主要以这些方法为基本原理研制出的各种检测仪器曾在不同的时期，不同的应用场合发挥过重要作用。这里还主要说明了本设计所采用的催化燃烧法。下面对这些方法进行说明。2.3.1热传导法此法是利用不同气体的热传导率随气体分子量和分子结构的不同而不同的原理，把性能相同的一对敏感器件(通常采用电阻温度系数较大的铂丝或钨丝)分别接在电桥的两个对应桥臂上，一只放置于被测气样的气室中，另一只放置于标准大气的密闭气室中。前者是测量元件，后者是补偿元件。当两只敏感元件被加以同样的电流之后，产生的热量相等。但是，由于散热介质不同，使两元件形成了一定温差，电桥就会失去平衡，输出端输

16、出一个与瓦斯浓度变化成比例的电信号。该法用于高浓度瓦斯测量时效果较好。而当瓦斯浓度较低时，由于其热导率与空气热导率相近，输出信号很弱，灵敏度很低，所以该法不适用于低浓度瓦斯的检测。另外，它受气温的影响较大，其它气体引起的空气组分变化也会导致热导率的变化，引起测量误差5。2.3.2半导体气敏传感器法此法是在六十年代初期研制成功的。它是利用某些金属氧化物在加热条件下其薄膜电阻随接触的可燃性气体浓度的增加而下降的特性来实现对可燃气体的检测。半导体气敏器件灵敏度高，当混合气体中待测气体的含量不到千分之一时，器件的阻值就会发生足够大的变化，并且它具有结构简单、使用方便、价格便宜等优点，因而在检漏、报警、

17、分析测量等方面获得广泛应用。但半导体气敏器件在低浓度下灵敏度高，而在高浓度下器件的电阻变化较小，所以，它只适合检测低浓度微量气体。2.3.3光干涉法光学瓦斯检测仪是采用光干涉原理，测定沼气和二氧化碳等多种气体的一种便携式检测仪器。如图2-1所示。表示两个相干波列，相干波列会在相遇的区域内产生干涉现象，这种现象又称波的干涉。两个相干波在相遇的干涉区域内，某些点的振动始终加强，而另一些的振动始终减弱，在加强处产生亮条纹，而在减弱处产生暗条纹。此法是利用甲烷和空气对光在气室中的光程差的变化来测定甲烷浓度。光干涉式瓦斯检测仪具有结构简单，安全性好，测量精度高，寿命长，使用可靠，适用气种广泛，故障少等优

18、点，客观存在的主要缺点是测量时受环境气压和温度的影响；测量时受背景气体影响，目前，一些国内外研究者致力于用线阵CCD摄像器件实现光电转换，将干涉条纹的位移量转换成电信号输出。但所有与大气折射率不同的气体与瓦斯一样，也均会产生干涉条纹，造成误检测，这是无法克服的缺点。图2-1 光干涉原理图2.3.4催化燃烧法催化燃烧式传感器是在铂金加热丝的周围环绕一圈涂镀着催化剂的载体，当传感器置于待测可燃气体中，加热丝通以一定的电流时，载体被加热，瓦斯与氧气在催化剂的作用下，于较低温度(300-500)处发生无焰燃烧。释放出的热量使铂金丝的温度上升，从而引起铂金丝的电阻值发生变化，并以此来反映空气中的瓦斯浓度

19、大小。催化燃烧式传感元件，属气敏热效应型传感器，它具有体积小(典型值为长3mm,直径1.2mm的小圆柱体)，结构简单，使用方便等特点，是目前国内外检测瓦斯的主要传感器。载体催化燃烧式传感器，被制成一个便于测量的探头。探头可以单独设置，也可以作为一个独立单元装配在一起内使用。国内的便携式瓦斯探测仪，主要是以催燃烧法原理制成的。本文研究的便携式瓦斯检测仪即采用的催化燃烧法，采用的是催化热效应型气敏传感器，其将在下面进行介绍。2.3.4.1载体催化燃烧式传感元件结构载体催化燃烧式传感元件，属气敏热效应传感器。其特点是体积小（典型尺寸：长3mm，直径1.2mm，重7mg的小圆柱体），结构简单，功耗低、

20、性能较稳定及使用寿命长。目前已成为国内外检测瓦斯的主要传感元件，特别是我国和英、日、美诸国应用尤为广泛6。载体热催化元件的结构如图2-2所示。图2-2 载体热催化元件结构图1、催化剂。载体表面涂渡一层黑色铂族金属元素（如：铂、钯、铑等）。沼气与氧气在催化剂的作用下，产生强烈的氧化还原反应，俗称无焰燃烧。2、载体。铂丝线圈被型氧化铝（型氧化铝的熔点(2288K)和硬度(8.8)都很高）包围，这个氧化物体称载体。 载体浇注成均匀的多孔体，它不仅牢固的固定铂丝线圈，多孔表面还可以提高催化剂反应效果，提高催化剂的活性和提高抗毒性能。3、铂丝线圈。铂丝线圈是元件的骨架，是一只用铂丝绕制的小螺旋线圈，正常

21、工作时通过一个100-200mA左右的电流，加热催化剂，使催化剂达到起燃温度，同时，又可利用铂丝电阻值催化剂温度而改变的性质，测出铂丝电阻增量。2.3.4.2黑白元件载体催化燃烧式传感器，被制成一个便于测量的探头。探头可以单独设置，也可以作为一个独立单元装配在仪器内使用。探头内部的主要元件是黑元件（催化元件）和白元件7（补偿元件）。1、黑元件。黑元件是载体催化燃烧式元件，当甲烷气体在元件表面与氧气产生无焰燃烧时，电桥失去平衡，输出一个电压信号送入主线路板放大，放大了的电压信号送到A/D转换模块，实现对瓦斯浓度的检测。2、白元件。白元件是补偿元件，基本结构和技术参数与黑元件相同，但表面不涂镀催化

22、剂，所以，它不掺入低温燃烧。但由于它处在与黑元件相同的工作环境中，所以，对非甲烷浓度变化引起的催化元件阻值变化（环境温度变化、湿度变化、风速变化、电源电流变化等）起补偿作用，从而提高仪器零点稳定性和抗干扰能力。黑白元件出厂时，经过检测仪严格检测匹配，不能任意拆套使用。2.3.4.3载体催化元件工作检测电路载体催化元件一般由一个带催化剂的敏感元件（俗称黑元件）和一个不带催化剂的补偿元件（俗称白元件）构成。其检测电路如图2-3所示。黑元件是载体催化燃烧式元件，当甲烷气体在元件表面与氧气产生无焰燃烧时，电桥失去平衡，输出一个电压信号，白元件是补偿元件，基本结构和技术参数与黑元件相同，但表面不涂镀催化

23、剂，所以它不掺入低温燃烧。但它处在与黑元件相同的工作环境中，所以对非甲烷浓度变化引起的催化元件阻值变化起补偿作用，从而提高仪器零点稳定性和抗干扰能力。图2-3 检测电路图载体催化元件使用Pt铂、Pd钯等金属催化剂，其作用原理尚无统一完整的理论8 。催化剂的催化活性与其电子结构及吸附能力有关。采用载体元件检测瓦斯时，只要维持甲烷-空气混合气体中有足够量的氧，并维持一定的高温条件，就会在元件表面产生无焰燃烧。催化反应过程中无焰燃烧放出热量，增加了敏感元件铂丝的电阻值然后通过惠斯顿电桥测量电路，可以测量其载体催化元件电阻变化量。图2-3中，r2为敏感元件,r1为补偿元件。将r1,r2置于同一测量气室

24、中，测量电桥由稳压电源或恒流源供电。在无瓦斯的新鲜空气中，r1r2，调整电桥使之平衡，信号输出端电压Uab=0。当瓦斯进入气室时，在敏感元件r2表面上催化燃烧，r2阻值随温度上升而增加为r2+r2，而补偿元件r1阻值不变，从而电桥失去平衡。当采用恒压源E供电时，输出的不平衡电压如式(2-1)所示。 (2-1)第3章 硬件电路设计前面已经介绍了瓦斯检测方法的发展，又介绍了载体催化燃烧式传感元件的结构组成和其工作原理，及其基本的检测电桥电路的工作原理。这章主要介绍瓦斯检测仪的硬件电路设计。该瓦斯检测仪由传感器、放大器、报警电路、A/D转换器、键盘、LED显示器、直流电压变换器等电路及高性能稳压器等

25、部分组成。3.1 系统硬件设计原理框图设计的瓦斯检测仪顾名思义是对井下的甲烷浓度进行测定，以便掌握第一手数据，对保证井下的正常生产起着很重要的作用。这个瓦斯检测仪采用集成电路的新型瓦斯检测和报警装置，并具有一定的显示功能9。它以蓄电池为电源，具有数码管数字显示及声、光报警功能。具有操作简单、读数明显、测量准确、稳定性好等优点，同时还具有防震、防尘、防潮湿、便于携带等优点。该瓦斯检测仪由传感器、放大器、报警电路、A/D转换器、键盘、LED显示器、直流电压变换器等电路及高性能稳压器等部分组成。在本章中提出了设计的总体设计方案，并绘制出了系统总体模块原理框图，其各个模块电路的设计及芯片的选择将在以下

26、各节中进行详细的介绍与说明。其原理框图如图3-1所示。总的硬件原理设计图见附录1。传 感 器信号放大电路A/D转换模块单 片 机LED显示声光报警键盘复位电路 电源看门狗电路图3-1 系统总体模块原理框图3.2 传感器的选择在第二章节中我们已经对催化燃烧式瓦斯传感器的特性及工作原理进行了详细的介绍，本节要根据设计的要求选择一种合适的传感器作为瓦斯检测仪的传感检测部分。考虑到检测系统的性价比和便携性本设计采用型号为：MJC4/3.0L瓦斯检测传感器。其外观图和结构图如图3-2和 3-3所示。图3-2 MJC4/3.0L外观图图3-3 MJC4/3.0L结构图3.2.1 MJC4/3.0L型传感器

27、技术指标MJC4/3.0L型传感器技术指标如表3-1所示。表3-1 MJC4/3.0L型传感器技术指标工作电压(V)3.00.1工作电流(mA)11010灵敏度(mV)20 1%甲烷线形度（%）0-5测量范围0100%LEL 0-4%瓦斯输出电压（mV） 0-90响应时间 (90%)小于10秒恢复时间 (90%)小于30秒使用环境-40- +70 低于95%RH储存环境-20- +70 低于95%RH外形尺寸（mm）9.514193.2.2 MJC4/3.0L型传感器的特点1、桥路输出电压呈线性，响应速度快。2、具有良好的重复性、选择性。3、元件工作稳定、可靠，抗硫化氢中毒。3.3 信号放大模

28、块设计当被测瓦斯气体的浓度通过气体传感器转换成电量时，获得的电压变化量往往很小(通常只有几毫伏到几十毫伏)，而共模电压却很高，输入到放大器的噪声与放大器件自身产生的噪声，往往大于放大器的输入信号。因此，如何减少噪声或把噪声与信号分离开来，是信号放大器设计的关键10。一般传感器后面的放大器必须具有很高的共模抑制比，同时要求有较高的输入电阻，以免对传感器产生影响。为了提高精度，放大器还应有较高的开环增益，较低的失调电压、失调电流、噪声以及漂移等11。本设计选择OP07做为放大电路的放大器，OP07是高精度低失调电压的精密运放，常应用于微弱信号的放大电路。如果使用双电源，能达到最好的放大效果。3.3

29、.1放大器OP07参数及引脚说明OP07参数如下：1、低的输入噪声电压幅度：0.35VP-P (0.1Hz -10Hz)2、极低的输入失调电压：10V3、极低的输入失调电压温漂：0.2V/ 4、具有长期的稳定性：0.2V/MO5、低的输入偏置电流：1nA6、高的共模抑制比：126dB7、宽的共模输入电压范围：14V8、宽的电源电压范围：3V-22VOP07的引脚图如图3-4所示。图3-4 OP07引脚图1和8脚为偏置平衡(调零端)，2脚为反向输入端，3脚为正向输入端，5脚为空脚 ，6脚为输出端，7和4分别接电源的正负极。3.3.2由OP07组成的双运放高共模抑制比放大电路由OP07组成的双运放

30、高共模抑制比放大电路如图3-5所示。图3-5 双运放高共模抑制比放大电路图由电路可得： (3-1) (3-2)所以由式(3-1)和式(3-2)得： (3-3)又因为输入共模电压，输入差模电压，将它们带入式(3-3)可得： (3-4)为了获得零共模增益，式(3-4)右边第一项必须为零，可取此时，电路得差动闭环增益为：因为从传感器输出得电压信号为0-90mv，为了取得较大的A/D转换器输入信号，需要对其放大，取R3=R6=5000，R4= R5=100，放大倍数为51倍。3.4 A/D转换模块设计在检测系统中，传感器输出的模拟信号首先由信号调理电路进行处理，如放大、硬件滤波、非线性补偿、信号变换等

31、。信号调理之后，再将模拟信号转换成数字量，以便采用微处理器或微机系统进一步分析、处理、存储等。由模拟信号到数字信号的转换，是由数据采集系统来完成的。数据采集系统是对输入模拟信号进行长时间的数字化测量，从而获得大量数据以便进一步分析与处理的电路。它是外部被测模拟信号进入测量系统的前置通道，有时也称预处理系统。所谓数字化测量，就是以一定时间间隔测定某个时刻的瞬时值，再将其转换成数字量。3.4.1 ADC0809芯片ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换12。芯片

32、的引脚图如图3-6所示：图3-6 ADC0809引脚图1、ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3-8所示。下面说明各引脚功能。(1) IN0-IN7：8路模拟量输入端；(2) D0-D7：8位数字量输出端；(3) ADD-A、ADD-B、ADD-C：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路；(4) ALE：地址锁存允许信号输入端，高电平有效；(5) START：A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使ADC0809复位，下降沿启动A/D转换）；(6) EOC：A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换

33、期间一直为低电平）；(7) OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量；(8) CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ；(9) REF(+)、REF(-)：基准电压；(10) Vcc：电源，单一5V；(11) GND：接地。2、ADC0809的主要特性有：(1) 8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位；(2) 具有转换起停控制端；(3) 转换时间为100s；(4) 单个5V电源供电；(5) 模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准；(6) 工作温度范围为-4085摄氏度；(7) 低功耗，约15mW

34、。3、ADC0809的工作过程：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。3.4.2 74LS373锁存器单片机系统中常用的地址锁存器芯片74LS373是带三态缓冲输出的8D触发器，其引脚图与真值表如图3-7和表3-2所示。图3-7 74LS373引脚图表3-2

35、74LS373锁存器真值表输入管脚输出OENGDQHXX高阻LHLL（数据传送）LHHH（数据传送）LLX（数据锁存）74LS373引脚端符号： 1、D0-D7：锁存数据输入端；2、OE：三态允许控制端（低电平有效）；3、G：锁存允许端；4、Q0-Q7：锁存数据输出端。74LS373为三态输出的8D透明锁存器。74LS373的输出端Q0-Q7可直接与总线相连。当三态允许控制端OE为低电平时，Q0-Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，Q0-Q7呈高阻态，即不驱动总线，也不驱动负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端G为高电平时，Q随数据D而变。当G为低电平时，Q

36、被锁存在已建立的数据电平。3.5 单片机的选择单片机系统基本组成包括输入控制、输出显示、晶振、复位电路以及外围功能器件等。3.5.1 AT89C51单片机的介绍AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，也被称作单片机13。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器14。AT89C51的主要特性为：1、与MCS-51兼容；2、4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000写/擦，循环数据保留时间：10年3、全静态工作：0Hz-24Hz；4、三级程序存

37、储器锁定；5、128*8位内部RAM；6、32可编程I/O线；7、两个16位定时器/计数器；8、5个中断源；9、可编程串行通道；10、低功耗的闲置和掉电模式；AT89C51的引脚图如图3-8所示。图3-8 AT89C51的引脚图3.5.2 振荡器的特性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15。XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以

38、配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度16。3.5.3单片机和ADC0809的硬件连接电路ADC0809和单片机系统的基本组成主要有单片机和A/D转换器。其中单片机是系统的核心部分，单片机发出控制信号以启动 A/D转换器进行采样。系统的硬件设计在连接上应主要考虑三总线(控制总线、地址总线、数据总线)的连接。如图3-9所示是一个A/D转换器与单片机的接口电路。图中A/D转换器选用的是ADC0809，单片机则选用AT89C51。其中

39、，ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。图3-9单片机和ADC0809的硬件连接电路图3.6单片机的复位电路及看门狗电路设计这节内容是详细说明一下，单片机的复位电路以及看门狗电路的设计。3.6.1 单片机复位电路设计简单复位电路有上电复位和手动复位两种。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。手动复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，如果发生死机，用按钮开关操作使单片机复位。单片机要完成复位，必须向复位端输出并持续两个机器周期以上的高电平，从而实现复位操作。不管是哪一种复位电路都要保证在RESET引脚上提供10ms以上稳定的高电平。本设计所用复位电路如

40、图3-10所示。图3-10 单片机复位电路图3.6.2 看门狗电路设计 看门狗电路是嵌入式系统需要的抗干扰措施之一。本设计用X25045芯片设计了一种新的看门狗电路，具有体积小、占用I/O口线少和编程方便的特点，可广泛应用于仪器仪表和各种工控系统中17。工控系统在运行时，通常都会遇到各种各样的现场干扰，抗干扰能力是衡量工控系统性能的一个重要指标。看门狗电路是自行监测系统运行的重要保证，几乎所有的工控系统都包含看门狗电路。X25045是美国Xicor公司的生产的标准化8脚集成电路，它将EEPROM、看门狗定时器、电压监控三种功能组合在单个芯片之内，大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，减少了对

41、印制电路板的空间要求，降低了成本和系统功耗，是一种理想的单片机外围芯片。X25045引脚如图3-11所示。图3-11 X25045芯片引脚图其引脚功能如下：1、CS：片选择输入；2、SO：串行输出，数据由此引脚逐位输出；3、SI：串行输入，数据或命令由此引脚逐位写入X25045；4、SCK：串行时钟输入，其上升沿将数据或命令写入，下降沿将数据输出；5、WP：写保护输入。当它低电平时，写操作被禁止；6、Vss：地；7、Vcc：电源电压；8、RESET：复位输出。看门狗电路一般有软件看门狗和硬件看门狗两种。软件看门狗不需外接硬件电路，但系统需要出让一个定时器资源，这在许多系统中很难办到，而且若系统

42、软件运行不正常，可能导致看门狗系统也瘫痪。硬件看门狗是真正意义上的“程序运行监视器”，如计数型的看门狗电路通常由555多谐振荡器、计数器以及一些电阻、电容等组成，分立元件组成的系统电路较为复杂，运行不够可靠。X25045芯片内包含有一个看门狗定时器，可通过软件预置系统的监控时间。在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动，则X25045将从RESET输出一个高电平信号，经过微分电路C15、R21输出一个正脉冲，使CPU复位。图3-12电路中，CPU的复位信号共有3个：上电复位(C14、R19)，人工复位(S1、R19、R20)和看门狗复位(C15、R21)，通过或门综合后加到RESET端。C14

43、、C15的时间常数不必太大，有数百微秒即可，因为这时CPU的振荡器已经在工作。看门狗硬件连接电路如图3-12所示。图3-12看门狗电路硬件连接图看门狗定时器的预置时间是通过X25045的状态寄存器的相应位来设定的。X25045状态寄存器共有6位有含义，其中WD1、WD0和看门狗电路有关，其余位和EEPROM的工作设置有关。看门狗电路的定时时间长短可由具体应用程序的循环周期决定，通常比系统正常工作时最大循环周期的时间略长即可。编程时，可在软件的合适地方加一条喂狗指令，使看门狗的定时时间永远达不到预置时间，系统就不会复位而正常工作。当系统跑飞，用软件陷阱等别的方法无法捕捉回程序时，则看门狗定时时间

44、很快增长到预置时间，迫使系统复位。X25045状态寄存器如表3-3所示。表3-5 X25045状态寄存器D7D6D5D4D3D2D1D0XXWD1WD0BL1BL0WELWIPWD10，WD0=0，预置时间为1.4s；WD10，WD0=1，预置时间为0.6s；WD11，WD0=0，预置时间为0.2s；WD11，WD0=1，禁止看门狗工作。3.7 LED显示电路设计单片机应用系统中，常用的显示器件有LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示器）。这两种器件都具有成本低廉、配置灵活、与单片机接口方便的特点。本设计采用LED显示。3.7.1 LED显示器结构与原理以及显示方式LED显示块是由发光二

45、极管显示字段的显示器件，也称为数码管。在单片机中通常使用的是7段LED。这种显示块有共阳极和共阴极两种，共阳极LED显示块的发光二极管阳极并联（系统中接驱动电源）。当某个发光二极管阴极为低电平时，发光二极管点亮；共阴极LED显示块的发光二极管阴极共地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮。通常使用的7段显示块有8个二极管组成，故也称8段显示器。其中7个发光二极管构成7笔字型“8”；一个发光二极管构成小数点“.”。7段发光二极管，再加上一个小数点，共计8段，这样提供给LED显示器的字形数据正好一个字节。LED显示块与单片机接口非常容易，只要将一个8位并行输出口与显示块的发光二极管引脚

46、相连即可。8位并行输出口输出不同的字节数据可显示不同的数字或字符。7段LED显示器如图3-13所示。图3-13 7段LED显示器图4位LED显示器有4根位选线和32根段选线。根据显示方式不同，位选线与段选线的连接方法不同。段选线控制要显示什么样的字符，而位选线则控制要在哪位上显示这个字符。LED显示有静态显示和动态显示两种方式。本设计采用4位LED动态显示方式。4位LED动态显示电路只需要两个4位I/O口。其中一个控制段选码，另一个控制位选。由于所有位的段选码皆由一个4位I/O口控制，因此，在每个瞬间，4位LED可能显示相同的字符。要想每位显示不同的字符，必须采用扫描显示方式，即在每一瞬间只使

47、某一位显示相应字符。在此瞬间，段选码由控制I/O口输出相应字符电平，位选I/O口输出位选码(共阴极送低电平、阳极送高电平)以保证位显示相应字符。如此轮流，使每位显示该位应显示字符，并延时一段时间，以造成视觉暂留效果。3.7.2 显示驱动器MAX7219MAX7219是串行输入/输出共阴极显示驱动器。它采用了3线串行接口，传送速率达到10M数据，能驱动8位七段数字型的LED或条形显示器或64只独立的 LED。MAX7219内置BCD码译码器、多路扫描电路、段和数字驱动器和存储每一位的88静态RAM。能方便的用模拟或数字方法控制段电流的大小，改变显示器的亮度；能对每一位进行译码或不译码控制；能选择

48、驱动显示器的数量；能进入低功耗的关断模式(仅消耗150uA电流，数据保留)；而且其最重要的一点是，每个显示位都能个别寻址和刷新，而不需要重写其他的显示位，这使得软件编程十分简单且灵活。MAX7219的引脚排列如图3-14所示。图 3-14 MAX7219引脚图MAX7219采用串行寻址方式，在传送的串行数据中包含有内部RAM的地址。加在 DIN脚上的串行数据,必须在LOAD信号为高电平的前提下,以每两个字节为一个数据包在CLK信号上升沿移入16位的移位寄存器。然后在LOAD信号的上升沿锁存进数字或控制寄存器中。LOAD信号必须在第16个CLK信号上升沿的同时，或在下一个 CLK信号上升沿之前升

49、高,否则，数据会丢失。DIN脚上的串行数据在16.5个CLK信号后出现在 DOUT脚上，以便级连应用时传到下一个MAX7219上。3.7.3 MAX7219和单片机的接口电路如图3-15所示为AT89C51单片机和MAX7219的连接图。用单片机AT89C51的P口中的P2.0、P2.1、P2.2，分别和MAX7219的DIN、CLK、LOAD相连，MAX7219的段输出A-DP，分别和共阴极数码管的A-DP相连。位驱动DIG0和数码管的地端COM1脚相连，位驱动DIG1和数码管的地端COM2脚相连，位驱动DIG2和数码管的地端COM3脚相连，位驱动DIG3和数码管的地端COM4脚相连。图3-

50、15 AT89C51和MAX7219的硬件连接原理图3.8 键盘与接口技术本节主要说明键盘的组成，键盘的工作方式以及设计中所选用的键盘。3.8.1 键盘的组成便携仪器普遍使用出多个按键组合在一起而构成的按键式键盘，键盘中的每一个按键都表示一个特定的意义（功能或数字）。键盘按其工作原理可分为编码式键盘和非编码式键盘。编码式键盘是由按键键盘和专用键盘编码器两部分构成。当键盘中某一按键被按下时，键盘编码器会自动产生相对应的按键代码，并输出选通脉冲信号与CPU进行信息联络。非编码键盘不含编码器，当某键被按下时，键盘只能送出个简单的闭合信号，对应的按键代码的确定必须借助于软件来完成。显然，非编码键盘的软

51、件是比较复杂的，并且要占用较多的CPU时间，这是非编码键盘的不足之处。但非编码键盘可以任意组合、成本低、使用灵活。3.8.2 键盘的工作方式便携仪器中CPU对键盘进行扫描时，要兼顾两方面的问题：一是要及时，以保证对用户的每一次按键都能作出响应；二是扫描不能占用过多的时间，CPU还有大量的其他任务要去处理。因此，要根据仪器中的CPU忙、闲情况，选择适当的键盘工作方式。键盘有三种工作方式：查询扫描方式、中断工作方式和定时扫描方式。本设计采用查询扫描的工作方式。查询扫描方式是利用CPU在完成其他工作的空余，调用键盘扫描程序，以响应键输入的要求。3.8.3 独立式键盘独立式键盘的每个按键占用一根测试线

52、，它们可以直接与单片机I/O线相接或通过输入口与数据线相接，结构很简单。这些测试线相互独立无编码关系，因而键盘软件不存在译码问题，一旦检测到某测试线上有键闭合，使可直接转入到相应的键功能处理程序进行处理。独立式按键的软件常采用查询式结构、先逐位查询每根I/O 口线的输入状态，如果一根I/O口线输入为低电平，则可确认该I/O 口线所对应的按键已按下，然后，再转向该按键的功能处理程序。独立式键盘结构的特点是一键一线，即每一个按键单独占用一根检测线与主机相连。途中上拉电阻保证按键断开时检测线上有稳定的高电平，当某一按键被按下时，对应的检测线就变成了低电平，而与其它键向对应的检测线仍为高电平，从而很容

53、易识别出被按下的键。本设计中，考虑到按键数目不多，单片机I/O口占用不多，因此采用独立式结构。独立式键盘如图3-16所示。图3-16独立式键盘图3.9 报警电路设计报警功能是煤矿安全检测系统很重要的功能，只要检测到实现井下瓦斯超限，就会发出声光报警功能。第一章已经介绍了瓦斯在浓度在4%-6%时就可能发生井下瓦斯爆炸，为了安全生产，规定当瓦斯浓度达到1%时就会发生声光报警。其报警电路如下图3-17所示。 图3-17报警电路图3.10 电源设计本设计需要设计+5V、-5V、+3V独立电源，用来给单片机和诸多数字电路提供电压。本设计采用3节3.6V可充电锂电池作为电源。3.10.1 +3V稳压源的设

54、计+3V电压的实现需要LM317芯片。LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。输出电压范围为1.2V到37V之间可调节；内部有热过载保护；不随温度变化的内部短路电流限制；输入至少要比输出高2V，否则不能调压；输出电流最好不超过1A；可调整输出电压可低到1.2V。用LM317实现+3V稳压电源，提供传感器工作电压。其稳压示意图如图3-18所示。图3-18 LM317稳压示意图3.10.2 +5V稳压源的设计该稳压电源的设计需要芯片MAX756。MAX756是CMOS升压DC-DC开关小型，低输入电压或电池供电的系统监管芯片。MAX756可接受一个输入电压

55、低至0.7V，并将其转换为更高3.3V或5V可选的输出电压。典型的全负荷的MAX756效率大于87%。其关键特性是，输入电压为0.7V；20mA的效率为87%；静态电流为60A；20A的关闭模式；温度误差1.5%；低电池最检波器 (LBI/LBO)；8-Pin SO封装。用MAX756实现+5V的稳压电路如图3-19所示。 图3-19 MAX756稳压电路图3.10.3 -5V稳压源的设计该稳压电源的设计采用芯片ICL7660来实现。LCL7660有8个引脚。其中的NC是空脚；CAP+是储能电容正极；CAP-是储能电容负极；LV是输入低电压控制端，输入电压低于3.5V时，该脚接地，输入电压高于

56、5V时该脚必须悬空；OSC是作时钟输入端。采用ICL7660芯片实现-5V稳压电源的电路如图3-20所示。图3-20 ICL7660稳压电路图以上设计便是系统的硬件电路设计，从传感器发出的微弱电压信号经由OP07信号放大器的放大后经过A/D转换器转换为数字信号，将该数字信号经过单片机处理后送往LED显示出来，当瓦斯浓度达到报警极限是实现声光报警功能。 第4章 系统软件设计本章主要介绍了系统主程序流程图、A/D转换程序流程图、LED显示子程序流程图和键盘扫描子程序流程图。源程序见附录2。4.1 系统主程序流程图系统所要实现的功能是将从传感器输出的微弱电信号通过信号放大器后的电压信号送入ADC08

57、09进行A/D转换，并把转换后的数字量进行一定处理，转化为瓦斯浓度数值，通过单片机送LED显示器。系统主程序流程图如图4-1所示。键盘扫描子程序数据处理子程序A/D转换子程序声光报警NYN软件初始化大于阈值？Y图4-1 系统主程序流程图LED显示子程序开始4.2 A/D转换程序流程图本设计采用ADC0809作为模数转换芯片，其模数转换程序流程图如图4-2所示。开始气体检测单片机向ADC0809发送采集端口单片机读取ADC0809转换之后的信号Vrl单片机根据Uo计算出Uab值将Uab代入传感器灵敏度特性曲线求出浓度得出最终结果图4-2 A/D转换程序流程图4.3 LED显示子程序流程图显本设计

58、中采用共阴极的动态显示法，每位延时显示2ms，从左至右逐位显示，显示缓冲区为40H-44H五个单元，MAX7219的A-DP口输出段码数据，DIG0-DIG3输出位选码。程序流程图如图4-3所示。动态显示程序显缓首址位码输出位码输出查表取段码段码送出位码送出调延时程序R0+1 DIG右移四位显示完否？结束NY图4-3 LED显示子程序流程图4.4 键盘扫描子程序流程图本设计采用的键盘为独立式键盘，软件采用的是查询式结构，先逐位查询每根I/O口线的输入状态，如果一根I/O口线输入为低电平，则可确认该I/O口线所对应的按键已按下，然后再转向该按键的功能处理程序，其键盘软件的流程图见图4-4所示。N

59、NY键分析读P0口延时K0键处理K1键处理K3键处理K2键处理读P1口延时100ms分析结束NNNYYYYP1.2=0?P1.3=0?P1.0=0?P1.1=0?P1.4=0?有按键下？键释放否？图4-4 键盘扫描子程序流程图NY结论煤炭是我国的主要能源，在一次性能源中，所占的比例在70%以上。我国的煤田遍布全国，但很多矿井自然环境恶劣，受到水、火、瓦斯、等自然灾害的威胁。在这些自然灾害所造成的事故中，瓦斯事故死亡人数占总死亡人数的30%-40%。特别是瓦斯煤尘爆炸事故，危害更为严重。因此，要减少损失、提高工作效能，预防瓦斯事故是煤矿安全工作的重点。如何预防，这就要靠一些技术上的手段来实现了，

60、孕育而生了煤矿瓦斯报警器和瓦斯检测系统等技术支持。本文主要是向大家介绍一下针对瓦斯浓度的各种检测方法和便携式智能瓦斯检测仪的设计方法。其主要的功能及特点如下：设计的便携式瓦斯检测仪能实现数码管显示及声、光报警功能。具有操作简单、读数明显、测量准确、稳定性好，同时因为所采用了蓄电池作为电源部分，所以它可以随身携带，检测起来也是得心应手。通过由黑白元件构成的传感电桥探测出瓦斯浓度信息的电讯号，然后加到比例放大器的输入端进行放大处理，放大了的信号送入A/D转换电路进行模数转换，再由LED显示器显示读数。键盘给出一个门限电压值，信号通过通讯传输到上位机进行下一步的处理。参考文献1 吴建峰,孔庆钫,王保

61、东.混合气爆炸极限的理论计算方法J.油气储运.1994,(5):2.2 李耀勇.瓦斯检查工M.中国矿业大学出版社.2007:79.3 李学来.瓦斯灾害治理新技术J.中国安全科学学报.2004 (4):100-104.4 张国栋.谈矿井瓦斯爆炸J.煤炭技术，2006(2): 315-319.5 刘迎春.传感器原理设计与应用M.国防科技大学出版社，1997:34-42.6 徐毓.国外气敏传感器发展动向M.第二版.科学出版社，1996:21-28.7 谢宝卫,李国斌.催化燃烧型瓦斯检测仪器性能特征及影响因素浅析J.煤矿安全，2002(3):33-35.8 凌志浩.智能仪表原理与设计技术M.华东理工大学出版社.2003,83-92.9 郭振强,李传友,李观平.多功能便携式气体检测仪技术探讨J. 山东煤炭科技.2005,(5):45-46.10 金篆芷.现代传感技术M.电子工业出版社.1995,23-32.11 单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用M.国防工业出版社.1999,37-53.12 李广弟.单片机基础M.北京航空航天大学出版社.1994, 1-3.13 陈庆陆.便携式矿用瓦斯检测系统设计J.山西电子技术.2011(1), 25-26.14 刘思伟，李一男，王汝琳.新型矿用红外瓦斯检测仪的研制J.河北理