煤矿瓦斯在线监测与报警系统毕业设计(编辑修改稿)

煤矿瓦斯在线监测与报警系统毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

的 I/O 口扩展 器件 由于单片机本身只有 4 个 8 位并行输入输出 I/O 接口， 1 个串行 I/O 接口，非常有限，所以当 I/O 口不能满足设计需求时则需要我们进行 I/O 口的扩展。 其扩展方法为根据需要在串行口上外接 1 个或多个移位寄存器。 由电路原理图我们可以看到 此次我们 单片机 89S51 的 I/O 口分配如下： 18 P0 口： A/D 转换器 ICL7109 转换后的数据的输入 接 口 P1 口：其中 接 +5V的直流蜂鸣器当 =0 时蜂鸣器蜂鸣 接发光二极管 LED,当 =1 时发光 二极管发光，其和蜂鸣器结合就是我们所要实现的声光报警。 接排风扇的继电器部分 ～ 作为数码管显示部分的位选 作为 7109 的片选 P2 口我们仅用了 和 作为 7109 的数据选通端 P3： （ RXD） 和 （ TXD） 用于 I/O 口的扩展 所以很显然我们要对单片机进行扩展 I/O 口， 下图所示为用串行口扩展 I/O 口 的电路： 图 22 I/O 口扩展电路 其中芯片 74LS164 为带清零端的串行输入 /并行输出移位寄存 器 （ 8 位） ， 其管脚图和功能表如下 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 3 1 M a y 20 0 6 S he e t o f F i l e : C : \ P R O G R A M F IL E S \ D E S I G N E X P L O R E R 99 S E \ E X A M P L E S \ M y D e s i g n .d d bD ra w n B y:A1B2QA3QB4QC5QD6GND7C L K8C L R9QE10QF11QG12QH13V C C147 4L S 1 64 图 23 74LS164 的管脚图 RXD TXD 单片机 DSA DSB 74LS164 CP Q0 Q7 19 表 22 74LS164 功能表 输 入 输 出 CLR CLK A B AQ BQ — HQ L Ⅹ Ⅹ Ⅹ L L L H L Ⅹ Ⅹ QA0 QB0 QH0 H ↑ H H H QAn QGn H ↑ L Ⅹ L QAn QGn H ↑ Ⅹ L L QAn QGn H=高电平 L=低电平 Ⅹ =任意 ↑=电平上升 在使用时将 A,B 并接作为数据的串行输人端 ,CLK 作为时钟端。 串行输入时，先将数据在 A,B 端准备好，在 CLK 端产一上升沿，则一位数据移至 最低位 QA。 再将下一位数据准备好后，在 CLK 端产生下一上升沿，则下一位数据移至次低位 QB,其余位顺次从低位到高位移动，这种时序符合串行器件特性，即把 164 当成一典型串行外设，可以用普通 I/O 口模拟其时序将数据移入。 浓度测试部分电路 MQ5 瓦斯浓度测试 部分电路是由气体传感器 MQ5 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。 MQ5的结构外形 MQ5 气敏元件的结构和外形如图 31 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。 20 结构 外形 图 31 MQ5的结构和外形 其中 部件 材料 1 气体敏感层 二氧化锡 2 电极 金 （ Au） 3 测量电极引线 铂（ Pt） 4 加热器 镍铬合金（ Ni— Cr） 5 陶瓷管 三氧化二铝 6 防爆网 100目双层不锈钢 (SUB316) 7 卡环 镀镍铜材（ Ni— Cu） 8 基座 胶木 9 针状管脚 镀镍铜材（ Ni— Cu） MQ5标准工作条件 MQ5的标准工作条件见表 31： 表 31 MQ4的标准工作条件 符号 参数名称 技术条件 备注 Vc 回路电压 ≤ 15V Ac or Dc VH 加热电压 177。 Ac or Dc RL 负载电阻 可调 RH 加热电阻 31Ω 177。 3Ω 室温 PH 加热功耗 ≤ 900mw 21 MQ5的 环境条件 MQ5的 环境 条件见表 32： 表 32 MQ5的 环境 条件 符号 参数名称 技术条件 备注 Tao 使用温度 10℃ 50℃ Tas 储存温度 20℃ 70℃ RH 相对湿度 小于 95%RH O2 氧气浓度 21%(标准条件 ) 氧气浓度会影响灵敏度 最小值大于 2% MQ5的 测试电路及灵敏度调节 （ 1） 测试电路 我们设计的 MQ5 测试电路如图 32 所示，其中可调节电阻 R3 是用来调整传感器的灵敏度的。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 1 J u n 2 0 0 6 S h e e t o f F i l e : H : \ 论文 \ 电路原理图 . D D B D r a w n B y :A1B2H3H4A1M Q 4V C CR320k 接入 I C L 7 1 0 9 图 32 测试电路 （ 2）灵敏度调节 在对 MQ5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 33及图 33 表 33 MQ5的灵敏度特性 22 符号 参数名称 技术参数 备注 Rs 敏感体表面电阻 10 K — 60 K （ 5000ppmCH4） 适用范围 ： 300— 10000ppm 甲烷，天然气 а (1000ppm/5000ppmCH4) 浓度斜率 ≤ 标准工作条件 温度 ： 20℃ 177。 2℃ Vc:177。 相对湿度 ： 65%177。 5% Vh:177。 预热时间 不少于 24 小时 图 33 MQ5型气敏元件的灵敏度特性 其中： 温度为 20℃ 、 相对湿度为 65%、 氧气浓度为 21% RL=20kΩ Rs是指 元件在不同气体，不同浓度下的电阻值。 R0是指 元件在洁净空气中的电阻值。 由上可得 MQ5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甲烷校准传感器进行校准。 其校准过程如下： 23 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MQ5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（ 1  5%） 也就是 4750ppm～ 5250ppm的范围内，若不在该范围内则说明甲烷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确定下来了，此时我们已经完成了甲烷传感器的校准。 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。 第三 章 A/D转换电路 ICL7109 ICL7109 芯片简介 G N D1S T A T U S2P O L3OR4B 1 25B 1 16B 1 07B98B89B710B611B512B413B314B215B116T E S T17L B E N18H B E N19C E / L O A D20M O D E21O S C I N22O S C O U T23O S C S E T24B U F O U T25R U N / H O L D26S E N D27V28R E F O U T29B U F30AZ31I N T32C O M33I N L O34I N L I35R E F I N +36R E F C A P +37R E F C A P 38R E F I N 39V C C40I C L 7 1 0 9 图 41 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。 24 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。 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。 18 脚： LBEN ，低 8 位数据输出选通端，低电平有效。 19 脚： HBEN （为低），高 4 位及极性位、溢出位选通端，低电平有效。 20 脚： CE /LOAD ，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。 2 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。 26 脚： HOLDRUN / ，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。 2 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 +，经电阻分压输出。 30 脚： BUF，缓冲放大器输出端，接积分电阻 INTR。 31 脚： AZ，自零电容端，接自零电容 AZC。 25 32 脚： INT，积分器输出端，接积分电容 INTC。 33 脚： COM，模拟公共端。 3 35 脚： INLO、 INHI，差分输入低端与高端。 3 39 脚： REF IN+、 REF IN，基准电压输入正端与负端 3 38 脚： REFCAP+、 REFCAP，基准电容输入端。 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MQ4 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。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 1 J u n 2 0 0 6 S h e e t o f F i l e : H : \ 论文。