基于无线传输的瓦斯浓度检测仪设计(编辑修改稿)

基于无线传输的瓦斯浓度检测仪设计(编辑修改稿)内容摘要：

电路、电源时钟及复位电路、无线发射模块组成。 图 ，主要由单片机、无线接收模块、电源时钟及复位电路、报警电路、显示电路组成。 在硬件设计中，采 用了高集成度和性价比的外围器件。 瓦斯浓度检测仪的功能是能够检测 4CH 浓度，同时本着方便使用的原则，还应具备声光报警、浓度显示等功能。 其工作原理是现场瓦斯浓度通过瓦斯传感器 MQ214探头及信号调理电路转变成相应的电信号，电信号通过 A/D转换器转成相应的数字信号送入单片机，单片机处理数据后通过连接在串行口的无线传输模块 PTR2020传输到手持部分进行浓度显示和报警操作。 A T 8 9 C 5 1无 线 发 射模 块瓦 斯 传感 器信 号 调理 电 路电 源时 钟 、 复位 电 路A / D 转换 器 图 现场部分结构图 8 A T 8 9 C 5 1报 警 电 路电 源时 钟 、 复位 电 路无 线 接收 模 块瓦 斯 浓 度显 示 电 路 图 手持部分结构图 系统设计要求 技术指标 本课题的研究目的是设计一个基于无线传输的瓦斯浓度检测仪，该瓦斯浓度检测仪主要完成数据采集、处理和无线传输，瓦斯浓度显示以及超限报警等功能，并且具有体积小、 携带方便、多功能、精度高等特点，其具体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 ～ 2% (4) 灵敏度 ： % (5) 响应时间 ： 30s (6) 功耗 ： ≈150mw (7) 环境工作温度范围 ： 20～ +70C (8) 环境下作湿度范围 ： 95%RH 防爆要求 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 9 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 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 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 ： (1) 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 100 2mm ，透明玻璃厚度大于 8mm,与外壳密封采用橡胶密封措施。 系统设计原理 传感器 选择 本设计采用 MQ214可燃性气体传感器作为甲烷传感器， 根据 MQ214数据手册规定，加热电压为 +6V，瓦斯测量单元的工作是周期性的 加热 30s后进行测量，然后经过 45s进行恢复，因此电路具有 “6V电压加热 ” 和 “自然恢复 ”2种状态。 这种传感器的外观图和结构如图 ，由两个引脚构成，一正一负，正端接 6V电源，此电源要求有较高稳定性，否则对测量结果会产生误差。 负端串接一电阻后，通过其在不同的瓦斯气体中的电阻值的变化来确定瓦斯浓度的大小，是催化氧化型的一种气体传感器，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、体积小等特点。 适用于煤矿井下作业环境测量空气中的甲烷气体浓度，所以本设计选择其作为传感器，对照本设计的所要达到的指标要求， MQ214可燃性气体传感器在各方面都达到了要求，是比较理想的选择。 10 图 传感器的外观图和结构图 传感器规格如表 ~表。 表 ；表 描述了传感器的使用的环境条件；而表 3则详细阐述了传感器的灵敏度特性，标示出了其检测范围。 表 标准工作条件 符号 参数名称 技术条件 备注 Vc 回路电压 6V177。 DC RH 取样电阻 50Ω177。 1Ω 室温 PH 功耗 约 150毫瓦 表 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特性 最小值大于２％ 11 表 灵敏度特性 符号 参数名称 技术参数 备注 Rs 敏感体表面电阻 20Ω100Ω (5000ppm甲烷 ) 探测浓度范围 500ppm10000ppm 液化气和丙烷 1000ppm20200ppm 甲烷 500ppm10000ppm 氢气 α(5000/3000) 甲烷 浓度斜率 ≤ 标准工作条件 温度： 20℃ 177。 2 ℃ Vc:6V177。 相对湿度： 65%177。 5% 预热时间 不少于 24s 其测量电路如图。 图 MQ214测量电路 图 MQ214气敏元件的灵敏度特性曲线。 其中，温度： 20℃ ； 相对湿度： 65%； 氧气浓度： 21%； RL=50Ω ， Rs：元件在不同气体 、 不同浓度下的电阻值 ； Ro： 元件在洁净空气中的电阻值。 图 MQ214型气敏元件的温湿度特性曲线， Ro： 20℃ ， 33%RH条件下， 5000ppm甲烷中元件电阻。 Rs： 不同温度 、 湿度下， 5000ppm甲烷中元件电阻。 MQ214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。 此处 建议使用 1000ppm液化气或 5000ppm甲烷校准传感器。 12 图 MQ214灵敏度特性曲线 0120 10 0 10 20 30 40 50 60degreeRs/Ro33%RH85%RH 图 MQ214温湿度特性曲线 无线数据传输模块的选择 从模块内置芯片数据传输的编码方式、芯片外围元件的数量、功耗、发射功率、芯片的封装和管脚数等几个方面来考虑，本设计采用 PTR2020作为无线传输模块。 无线收发一体数传 Modem模块 PTR2020芯片性能优异，在业界居于领先水平，它的显著特点是所需外围元件少，设计非常方便。 该模板在内部集成了高频接收、 PLL合成、 FSK调制 /解调、参量放大、功率放大、频道切换等功 能，因而是目前集成度较高的无线数传产品。 以往设计无线数传产品常常需要相当多的无线电专业知识和昂贵的专业设备，而且传统的电路设计方案不是电路太复杂就是调试困难，而令人望而却步，以至影响了用户的使用和新产品的开发研制工作。 PTR2020的出现，使用户摆脱了传统无线产品设计的困扰。 该器件采用抗干扰能力强的 FSK调制 /解调方式，其工作频率稳定可靠、外围元件少、功耗极低且方便设计生产。 它的优异特性使其非常适合于应用在便携式及手持产品的设计中， 13 符合本设计的要求，其具体性能指标如下： (1) 该器件将接收和发射合接为一体 (2) 工作频率为国际通用的数传频段 433MHz (3) 采用 FSK调制 /解调，可直接进入数据输入 /输出，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合 (4) 采用 DDS(直接数据合成 )＋ PPL频率合成技术，因而频率稳定性好 (5) 灵敏度高达 105dBm (6) 工作电压低 (),功耗小，接受待机状态电流仅为 8uA (7) 具有两个频道，可满足需要多信道工作的场合 (8) 工作频率最高达 20kbit/s(也可在较低频率下工作，如 9600bit/s),超小体积，约 40275 3mm (9) 可直接与 CPU串口进行连接 (如 AT89C51),也可以用 RS232与计算机接口连接，软件编程方便 (10) 标准的 DIR管脚间距更适合于嵌入式设备 (11) 由于采用了低发射功率、高接收灵敏的设计，因此使用无需申请许可证，开阔地时使用距离最远可达 1000m 单片机型号选择 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。 单片机型号的选择是根据控制系统的目标、功能、可靠性、性价比、精度和速度等来决定的。 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矿井巷道中，工作环境比较恶劣，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且 该系列的资料和能够兼容的外围芯片也比较多，特别是 ATMEL公司推出的AT89C51单片机，其具有较高的性能价格比和较高的抗干扰能力。 本文采用 14 AT89C51单片机作为检测仪的核心部件， AT89C51单片机是 ATMEL公司 89系列单片机中的一种，它现已广泛应用于工业控制等各领域，是 80C51的增强型并且指令完全兼容。 AT89C51是一种带 4K字节闪烁可编程可擦除 只读存储器 低电压 ，高性能 CMOS8位微处理器，俗称 单片机。 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100次。 该器件采用 ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS51指令集和输出管脚相兼容。 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，其特点如下： (1) 与 MCS51 兼容 (2) 4K 字节可编程闪烁存储器 (3) 寿命： 1000 写 /擦循环 (4) 数据保留时间： 10 年 (5) 全静态工作： 0Hz24MHz (6) 三级程序存储器锁定 (7) 1288 位内部 RAM (8) 32 可编程 I/O 线 (9) 两个 16 位定时器 /计数器 (10) 5 个中断源 (11) 可编程串行通道 (12) 低功耗的闲置和掉电模式 (13) 片内振荡器和时钟电路 (14) 工作温度为 55℃ ～ +125℃ (15) 最高工作电压 正是由于 AT89C51单片机具有如上特点，其工作温度范围宽，能够适应矿井下恶劣的环境，且具有较高的可靠性，和抗干 扰能力，所以此处选用此单片机作为控制器。 15 3 系统硬件设计 系统硬件设计是本设计的重中之重，其具体包括：系统的电源 、 数据采集以及信号调理部分 、 A/D 转换电路部分 、 显示部分电路 、 电池电量监测部分 、 报警电路等各部分的设计电路，下面给予详细阐述。 系统电源设计 煤矿现场部分电源设计 由于煤矿矿井下可采用有线电缆供电，所以本设计中采用 220V交流市电，经变压、整流滤波、稳压后得到所需电源。 因现场部分的电路中需使用到不同的电源电压值，例如：传感器需要 +6V的标准电压，而 A/D转换器则需要 177。 1 5V的基准电压，单片机的电源电压为 +5V，所以，此处采用三端集成稳压芯片 LM781LM780 LM780 LM7915，来分别得到 +15V、 +6V、 +5V、 15V电压作为输出，供现场部分的系统使用。 具体的电路设计如图。 T13 W / 1 8 V1234I N 4 0 070 .5 AI N 4 0 07V i n1+ 5V3GND2I C 3L M 7 80 5V i n2GND1 1 5 V3I C 4L M 7 91 5V i n1GND2+ 15 V3I C 1L M 7 81 5V i n1GND2+ 6V3I C 2L M 1 80 6～ 2 20 VC21 04 u F+C11 00 0 u F+C31 00 0 u F+C61 0u F+C81 0u F+C 1 01 0u F+C 1 21 0u FC91。