煤矿电气安全监测系统设计(编辑修改稿)

煤矿电气安全监测系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

8 图 MQ5气体原件结构外形图 图 加热电流 MQ5连接图 MQ5 气敏元 结构 形如图 所示 (结构 A 或 B),由微型 AL2O3 陶瓷管、SnO2敏感层 ,测量电极 加热器构成 敏感元 固定 塑料或不锈钢制成 腔体 ，加热器 气敏元 提供 必 工作条。 封装好 气敏元 有 6只针状管脚，其4 个 于信号 出， 2 个 于提供加热电流设计 MQ5 接线如图 所示， 实际测量 ， 以按照其等效电路 计算相应 校 数值，其 Ro表示 测量气体腔体 等效电阻， RL 接 载电阻， 调整输出 模拟量电压范围，具体数值应根据 A/D 转换器 输入范围 确定输入范围 0～ 5V， RL 调整至该范围，保证测量 量程足够。 9 表 瓦斯浓度 测试计算 浓度（ ppm） 计算值 100 500 800 1000 2020 3000 5000 10000 Rs/R0 Rs(k) VRSRLRLV 50  显示读数 = 25550V 132 148 162 168 180 187 234 253 其 ： R L＝ 5KΩ； R o=； R L— 载电阻； R o— 敏感体电阻； R s 表示传感器在不同浓度气体中的电阻值 R o 表示传感器在 10 00ppm 氢气中的电阻值图中所有测试都是在标准试验条件下完成的。 图 MQ5特性曲线 MQ5 可燃气体检测用特点： 传感器的基本测试电路：该传感器需要施加 2 个电压，加热器电压（ V H）和测试电压（ V C）。 其中 VH 用于为传感器提供特定的工作温度。 V C 则是用于测定 10 与传感器串联的负载电阻（ R L）上的电压（ VR L）。 这种传感器稍有极性，直流电源 ，传感器， V C 和 V H可以共用同一电源电路。 为更好地利用了传感器的性能，因此需要选择合适的价值研究。 选择原件 的要求：在选择原件的时候回路电压≤ 24V，加热电压最好在 左右， AC DC RL 等负载电阻最好也在 31Ω左右，对于加热功率在 900mW 比较适宜，氧气浓度的要求在 2 1%就可以了，传感器的对氧气灵敏度在不能小于 2%，相对湿度 65%左右， V H 工作电压为 ，对其预热时间最好不少于 48 小时，这样它的性能才最好灵敏度调整： MQ5 型气体传感器类型也比较多，浓度的不同，其阻值也大不相同。 正是因为如此，我们在选择这型气敏元件来做实验，灵敏度的选择也尤其的重要，这将直接影响到采集到的数据。 本设计打算用 10 00ppm 异丁烷或氢 气校准传感器。 这类传感器的测量精度，报警点，温度和湿度，都比较适合本设计。 单片机的选择 图 AT89C52单片机管脚图 AT89C51 它是功耗消耗比较低，高性能的 8 位 CMOS 单片机，片内含有 Flash只读存储器，这存储器能够进行 1000多次的擦写，这个 Flash被命名为 4K Bytes ISP（ Insystemprogrammable），这种 Flash 用到了 ATMEL 公司了高密度、非失性存储技术制造。 集成的芯片内部有一个 8位的中央处理器，还有一个 Flash 存储 单元， 11 这种微型的计算器功能强大，可以在很多方面进行嵌入，能够很好的完成解决方案，性价比也极其的高。 AT89C51 它具有 40 个引脚，每个引脚都有其特定的功能，还有一个 4k Bytes Flash 片内程序存储器， 5 个中断优先级较高的中断嵌套， 128 bytes 随机存取数据存储器（ RAm），外部输入 /输出 口也有 32 个，可编程定时计数器具有 16 个，单门狗电路，片内时钟震荡器各有一个。 本课题设计采用 CPU 为 AT89C52 主要性能参数： 兼容了 MCS51指令系统； 时钟频率在 33MHZ 左右； 工作电压在 左右； 可编程定时 /计数器有 2个； 低功耗空闲和省电模式； 功能特性： —— 是 P0 口的 8位双向口线。 可以实现基本的输入输出；也能完成在系统扩展时，分时做为数据总路线和低 8位地址总线。 当实现输入输出的功能的时候， CPU 会控制信号为低电平，这样场效应管就截止，当控制信号是高电平的时候，这时的 P0口通过多路开关传达信号，且与门的输出就有“地址 /数据”端的状态来决定。 P1 与 P0比较而言， P1 口只有一个标准的准双向端口，没有第二功能。 P1 内部具有一个上拉电阻，并且其电阻阻值比较大，所以上拉驱动能力比 较弱，除了低功耗要求的应用系统，此处最好接 10K 左右的上拉电阻，效果比较好 在 51 单片机系列中， P1口第二功能就是分别以 T2 和 T2Ex 来控制定时器 /计数器 2的外部输入端和定时器 /计数器 2的外部控制输入。 P2 口可以作为通用的 I/O 来使用，单片机控制二选一复用器控制 P2 锁存器的Q 短，这是 P2的用法就和 P1的用法就比较类似；当输出的下拉驱动器截止， P2 口直接就变成了一个输入口来使用了。 P2 端口在作为高 8为地址的时候，就不可当做是 I/O端口来使用了；当 P2 端口数出高 8 为的地址的时候，这是硬件电路自动设置，使得二 选一的复位器选择 地址 端，使输出的高 8位地址输出到相应的引脚。 12 P3 端口在完成 I/O 功能的输出，信号应该保持在高电平，使其与非门处于开锁的状态，这时端口数据锁存器输出端就可以控制相应的端口输出电平了； P3 更重要的是它的第二功能，如下表所示： 表 P3口管脚功能 此外， P3 口还可以接受一些用于 Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 RST 是复位，当周期在两个机器周期之上的时候，这是 RST 信号将表达。 特殊功能寄存器： 特殊寄存器可以用来设置片内电路的运行方式，记录各个电路的运 行状态，并标注出各个电路等。 另外，特殊寄存器中，还可以把串行和并行 I/O 口映射过来的寄存器，对这些寄存器进行对鞋，从而来实现从相应 I/O 端口的输出 /输入的操作。 这些特殊的寄存器分布在 SFR 存储空间中，地址也在 80HFFH 这个范围内。 SFR 空间内，包含了 128 个地址空间，有效位地址只有几十个，这样也可以对特殊寄存器的某些地址起到寻址的作用。 AD 转换芯片选择 A/ D芯片类型多种多样，本 设计要求的 A/ D芯片只需内部有一个 8通 道的多路开关，可以根据地址码锁存收到的信号即可，为了达到设计的目 的，起到资源最大话，性价比最高的目的，在众多的芯片中需要选择一个很适合本设计的芯片。 ADC0809 的主要特性 ： 1） 8 路通道输入，也就是 8位的 A /D转换器，即分辨率为 8位； 2）由一个 +5V 电源来控制 ； 3）可以实现转换起停的作用段 ； 4）工作温度范围 40 摄氏度左右就行了 ； 13 5）模拟输入电压范围不宜超过 5V； 6）功耗比较低，大约在 14mw； 7）转换速率取决 于芯片的时钟频率，时钟频率范围是： 10～ 128 0KHZ，当时钟频率为 500KHZ 时，对应的转 换时间为 125uS； ICL7109 双积分式 A/D转换器 1） 12 位 二进制形式输出，并带有极 性和溢出位； 2）引脚有 35个； 3）能控制时间，电平的锁存，信号的输入输出； 4）振荡器可以与外界的 PC 机连接； 5）具有通用异步收发器数据交 换制式； 我们在选择 A /D 转换器的时候，一般都是价格，速率，漂移，噪声等多重特性上考虑来选择最佳的芯片。 本设计我们选择 AD C0809 芯 片，它是具有很高的精度，噪声也比较小，漂移点对于本设计来说比较低，低价格最能满足本设计的要求，这样的一个 8 位的 A/D 转换器足以满足本设计的要求，所以在设计中选择该芯片。 图 ADC0809管脚图 ADC0809 是作为一个 8路 8位逐次逼近型 A/D 转换的 CM OS器件，经常可以在控制过程、控制机床的情况下起到很大的作用，并且对多路模拟信号能够分时采集，输出的信号在三态缓冲器起到很好的兼容效果，通过缓冲器，直接通过数据总线连接处理器，最后在来进行数据的交换，产生相应的表达。 14 图 ADC0809内部结构图 I N0－ I N7：作为 8路模拟信号输入端，当输入的信号过小时，会将该信号进行放大处理，这样的单极性信号才能够被获取到；另外模拟输入与输入是始终保持不变的。 当变化过快的了，必须增大采集电路的输入，否则会溢出模拟信号，这样就不能接受的完整的信号，这是对模拟信号输入输出的要求。 4条 AL E 输入线与地址锁存器相连接， 当其为高电平时候， A,B,C 三条地址的地址信号将被地址锁存器和译码器锁存，然后由通道传输出译码器编译的先后，紧接着由转换 器进行转换。 A， B和 C 为地址输入线，用于 8路通道上面的一路模拟量输入。 通道 选择表如下表所示。 表 8路通道选择 C B A 选择的通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 15 AD C0809 的工作时序是逐步逐步的。 当通道选择地址有效时， ALE 信号一出现，地址便马上被锁存，这时转换启动信号紧随 A LE之后出现。 START 的上升沿将逐次逼近寄存器 SAR 复位，在该上升 沿之后的 2μ s加 8个时钟周期内， EOC 信号将变低电平，以指示转换操作正在进行中，直到转换完成后 EOC 再变高电平。 微处理器收到变为高电平 的 EO C 信号后，便立即送出 O E 信号，打开三 态门，读取转换结果模拟输入通道的选择可以相对于 转 换开始操作独立地进行，然而通常是把通道选择和启动转换结合起来完成。 这样可以用一条写指令既选择模拟通道又启 动 转换。 在与微机接口时，输入通 道的选 择可有两种方法，一种是通过地址总 线选择，一种是通过数据总 线选择。 15 3 系统 的 硬件设计 硬件系统功能设计 本设计有瓦斯气体敏感元件、 A /D转换电路、电路显示及报警开关控制电 路等组成。 仪器用 5V 稳压电源来对整个电驴进行供 电。 瓦斯气体敏感元件是采用热催化原理探头， 加热器 电压（ V H）和测试电 压（ V C）。 其中特定的工作温度 由 VH 传感器提供。 传感器串联的负载电阻（ RL）上的电压（ V RL） 由 VC来针对测量。 这种传感 器具有轻微的极性， VC 需用直流电源。 在满足传感器电性能要 求的前提下， VC 和 VH 可共用同一个电源电路 ， 测量电桥输 出与甲 烷浓 度成比例的信号电压。 【 14】【 16】 采集到的电压信号经过 A/ D转换后，变成数字信号，经单片机处理后，由显示电路显示瓦斯浓度值，并经 R S232 通信串口实现与上位机的信息通信。 声光报警电路有蜂鸣器，发光二极管和驱动电路几部分来组成。 当瓦斯浓度超过阀值时，声光报警信号将产生。 各模块仿真原理图及工作原理 信号采集电路 图 信号采集处理电路 信号采集是整个实验的关键一步，信号采集和处理的准确与 否对整个实验的成功直接相关，传感器和 20K 系列电阻作为压力信号采集的选择，气体浓度信号的检测，五伏两终端电路施加电压，因此在 05V 电压信号的采集，符合 AD C 0809 的转换电压要求。 考虑到电压信号的采集，电压信号会随着传输距离的增加，电极丝损耗会导致 16 不准确的电流信号，在实际排版的时候尽量减少分压采集电路与 AD C 0809 之间的距离。 根据浓度和对应的数据表对应的电压信号之间的瓦斯浓度曲线，单片机接收转换后的数字电压信号的采集，通过搜索对应相应的瓦斯浓度的输出表中的数据，并通过LCD 1602 液晶显示器显 示瓦斯浓度值。 单片机最小系统电路 图 单片机最小系统电路 复位的电容器 C 1 最小系统的极性直接影响单片机的复位时间的大小，一般采用10 uF 30 uF，单片 机最小系统容值越大需要的复位时 间越短。 单片机 最小系统通常采用 Hz晶振为 12MHz 或，在正常情况下可用于比较高的频率的振荡器，单片机的处理速度受晶体的芯片系统的振荡频率影响特别的大，要想有更快的处理速度和频率，这就需要相应的振荡频率来支持。 我们通常采用电容 C C3 振荡频率大致上 15pF33pF 的 范围内作用在单片机最小系统，本设计采用 30 pF，这个值离电容振荡频率比较接近，这样的频率比较适合本设计。 17 P0 口在用作输出口时需要一个上拉的电阻，而这个电阻阻值大致上在 10K 比较合适，同时 P0 口也为开漏输出。 因为这次使用了一个 10K 接口，其他元件也有这样上拉的电阻，所以在作为输出口时不需要再外加个上拉的电阻。 在设 置为定时器模式时。