两线制煤矿瓦斯报警仪 毕业论文1.doc

目 录第1章 绪论11.1 选题背景11.2 矿井中的气体简介1第2章 设计方案论证22.1 本系统的实现目标22.2 主要器件22.3 系统组成框图3第3章 系统硬件电路设计43.1 信号检测处理传输通道设计43.2频压转换电路设计73.3 电源电路设计103.4 89c51单片机133.5 mt8888芯片应用183.6 看门狗电路设计233.7 红外遥控电路设计253.8 显示接口电路设计273.9 报警系统和频率输出28第4章 系统软件流程设计294.1程序流程图294.2 int1、t0中断服务程序流程图30致 谢31参 考 文 献32附录 电路原理图3334第1章 绪论1.1 选题背景1.1.1选题来源与目的多年来，瓦斯问题一直是煤矿安全生产的主要问题之一，不仅严重威胁矿工的生命财产安全，也严重制约着经济的发展。据不完全统计，06年全国煤矿发生大小瓦斯爆炸事故400多起，死伤2000 余人。当前我国煤矿的安全形势依然严峻，煤矿死亡人数居高不下，重大事故不断发生，对国家造成了极其严重的影响。1.1.2 煤矿瓦斯监控系统在现实中的意义近几年来，国家对煤矿安全生产的管理力度在不断加强，煤矿生产单位都在进行数字化矿井的建设和改造，当然，这些需要依靠科技进步手段提高煤矿整体安全技术装备。其中在瓦斯矿井建立煤矿瓦斯安全监控系统，从而改善了煤矿的安全隐患，减少了矿难的发生，确保了煤矿工业的安全生产。总之，煤矿的安全系数是与瓦斯监控系统的性能成正比的。1.2 矿井中的气体简介瓦斯主要是矿井中由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体，有时单独指甲烷(沼气)，它是在煤的生成和煤的变质过程中伴生的气体。它无色、无味、无臭，瓦斯对空气的相对密度是0.554，在标准状况下，瓦斯的密度为0.716 kgm3，所以，它经常积聚在巷道的上部及高顶处。甲烷含量达515%时，则随时可能发生瓦斯爆炸。瓦斯的爆炸性是矿井主要灾害之一。瓦斯爆炸产生的高温高压，促使爆源附近的气体以极大的速度向外冲击，破坏巷道和器材设施，扬起大量煤尘并使之参与爆炸，产生更大的破坏力。另外，爆炸后生成大量的有害气体，造成人员中毒死亡。第2章 设计方案论证2.1 本系统的实现目标2.1.1 定时检测功能 系统定时对矿井中的瓦斯浓度进行巡检，时间不超过20s。当发生异常情况控制执行时间不超过30s。2.1.2 技术要求瓦斯（ch4）浓度的测量精度为0.1分。测量范围低浓度部分0-4分,高浓度部分4-10分。具有声光报警功能。矿井下和矿井上信息通讯功能。2.2 主要器件2.2.1 传感器目前，矿井中常用的瓦斯传感器可分为热导式和热效式两大类。热导式瓦斯传感器是利用瓦斯与空气的热导系数不同而测量瓦斯浓度的。这种传感器在于工作时需通入恒定的电流，将其加热到一定的温度（180左右），功耗较大；且其中的半导体热敏电阻式传感器受co2和水蒸汽的影响较大，元件的一致性和互换性也较差。热导式瓦斯检测仪在测低浓度时，输出信号很小，误差较大。因此，这类传感器制成的瓦斯检测仪适用于测高浓度的瓦斯（5%-100%），这中传感器在矿井中目前使用很少。由于本设计主要应用在矿井中低浓度瓦斯的检测，因此在本系统中不考虑使用此传感器进行浓度检测。热效式瓦斯传感器（又称热催化式瓦斯传感器），其中工作原理是利用可燃气体在催化剂的作用下进行无焰燃烧，产生热量，使元件电阻因温度升高而发生变化，从而测知瓦斯的浓度。这种传感器的优点是精度较高，输出信号较大（1%ch4时，输出电压可达15-20mv）且不受其它燃气和灰尘存在的影响。它的缺点是元件表面温度高（300-450），寿命短（多数国家均保证1年），功耗大（其加热功率小于1w；热催化元件功耗为0.3w-0.75w）,易受硫,铅,氯等的化合物干扰而使催化剂中毒,降低其灵敏度,甚至误报。但此传感器适合本设计所要实现的检测目标，且精度较高，输出信号较大，所以选择其作为本系统的瓦斯浓度检测元件。2.2.2 dtmf信号接收和发送mt8888双音多频（dtmf）信号的传输速度较快，使得它广泛应用于各种通信和控制系统中。与mt8880相比，能与更多型号的单片机配合，而且外部电路简单，因此在必须同时具备dtmf信号接收和发送功能的系统中备受青睐。2.3 系统组成框图 智能低浓度瓦斯报警器以89c51单片机为中央处理单元，由检测电路（测量电桥、前置放大电路、v/f转换电路）、led显示、红外发射电路、声光报警以及dtmf信号转换电路等单元电路组成。原理框图如图2-1所示。图21电路原理框图第3章 系统硬件电路设计3.1 信号检测处理传输通道设计图31 为信号检测处理传输通道图图31 信号检测传输通道图3.1.1传感器本系统中传感器是对瓦斯浓度检测元件，采用能检测瓦斯浓度的黑白元件。白元件接在黑元件的相邻桥臂，并与黑元件处于同一环境，用以抵消供给电桥电流和环境等非沼气因素的变化所引起的催化元件阻值的变化，从而提高了测量桥路零点的稳定性和抗干扰性。图32 黑白件传感器取样电路图3-2黑白件传感器取样电路中r1是白元件，r4是黑元件。四个电阻构成一个电桥。白元件在桥路中起补偿作用，用它来补偿气体热传导，风速，空气湿度及电源电压变化对桥路输出的影响。黑元件是载体催化元件，在矿井中的瓦斯与加热到工作温度的黑元件接触时，在黑元件表面进行催化氧化反应，使元件温度升高，内阻相应发生变化，这种变化可与瓦斯浓度成正比例关系。随着瓦斯浓度的增加，黑元件r4的阻值增加，电桥输出电压也随之增加。至此，就将采集到的瓦斯浓度成功的转换为电压信号。输出电压的计算方法如下：图33 信号采集电桥将图3-2的信号采集电路变换为如图3-3所示的电桥电路。根据有关公式可知，输出电压vout的计算公式为：vout=u/4（r1/r1-r2/r2+r3/r3-r4/r4） （3-1）在这个设计中，r1，r2，r3 均为阻值不变的电阻（白元件变化微小，计算时可忽略不计）。所以公式变为：vout=3/4（-r4/r4） （3-2）即 vout=-3/4黑元件阻值变化率 上式对放大和压频转换电路的系数确定上起着重要作用。3.1.2信号放大电路设计在报警仪的信号采集电路中，它的输出电压是带有负号的，为了消除这个负号，故将电压由lm358的反相输入端输入。由于lm358的输入电压是信号采集电路中电桥桥臂之间的电压差，所以将lm358接成减法器的形式。图3-4为信号采集后的低、高浓度的信号调理电路。图34 低浓度信号放大电路图35 为高浓度放大电路图35 高浓度放大电路由于以上电路涉及到信号放大电路和压频转换电路放大倍数的确定，现以图3-4电路为例，推导如下：假设信号放大电路和压频转换电路的（放大）系数分别为k1和k2。根据设计要求：当浓度为0分时，要求芯片lm331输出频率为0hz；当浓度为4分时，要求芯片lm331输出频率为3200hz。可是在实际运用中，当浓度为0分时，芯片lm331输出的频率为400hz，并不是0hz；当浓度为4分时，芯片lm331输出的频率为3600hz。所以芯片lm331输出电压与输出频率的关系为：f=k2*vin+400=360，所以k2*vmax.in=3200 （3-4）由实验得知电阻的变化率为最大5%，代入上节提到的公式（2）vout=3/4*(-r4/r4)有 vout=3/4*(-5%)=-3/80又因为vmax.in=vout*k1，代入公式（4） vout*k1*k2=3200 （3-5）即k1*k2=-3200/3/80=-256000/3所以，选信号放大电路的系数k1为-100，即选择电阻r28为1k，r30为100k。则压频转换电路系数k2=fout/vin=2560/3令rl=6.8k, ct=0.01uf, rt=100k,则根据公式（3）有rs=2.096.8k0.0110-6100k2560/3=12.1276k即rs=10k，滑动变阻器为rs=5k3.2频压转换电路设计3.2.1 v/f转换器 lm331简介v/f转换器芯片能够把电压信号转换为频率信号而且线性度好，通过计算机处理，把频率信号转换为数字信号完成a/d转换。它与ad574等电路相比，具有接线简单，价格低廉，转换精度高等特点，而且lm331芯片在转换过程中不需要软件程序驱动，这与ad574等需要软件程序控制的a/d转换电路相比，使用起来方便了许多；另外频率测量本身就是一个计数过程，v/f转换过程是对信号输入的不断积分，因而能对噪声或变化的输入信号进行平滑处理，这一特性有利于煤矿下复杂的恶劣环境；还可以将数据调制在射频信号上进行无线传播，实现遥测。 图36为 lm331的逻辑框图。图36 lm331的逻辑框图3.2.2 lm331的工作原理 图37 为lm331工作原理图。图37 lm331工作原理图lm331的工作原理是输入比较器在比较输入点vin与vx时，启动单脉冲定时器并导通频率输出晶体管和开关电压源，定时器的定时周期t=1.1rtct，在这个周期中电流向电容cl充电，使vx上升，当vx上升到vxvin，电流i关断，定时器自行复位，同时，cl逐渐通过rl放电直到vxvin 为止，然后比较器再次启动定时器，开始下一个循环。v/f转换定时波形如图3-5，由于注入cl平均电流严格地等于iave=itfout，流出cl 的电流严格的等于vx/rlvin/rl。如果vin加大一倍，输出频率fout也要加大一倍以保持平衡，因此，这种v/f转换器能在一个较宽范围内，使其输出频率严格地正比与输入电压。由iave=itfout =vx rl/vin/rl 可知 fout= iave/ it=vx/rlvin/rl=rsvin/2.09rlctrt 有 rs=2.09rlctrtfout/vin （3-3）图38 v/f转换定时波形lm331的实际设计电路图如图3-9所示：图39 lm331的硬件连接电路在电压输入端7脚由100k电阻和0.1f电容组成低通滤波电路。r23对基准电流进行调节，以校正输出频率，在输出端3脚上接有一个10k上拉电阻，因为该端输出时集电极开路输出。 由于传感器一般都是模拟小信号的电流或电压输出，经过信号调节电路调节成能满足v/f转换器输入要求的大电压信号。经v/f 转换电路把这些模拟信号转换成相应的ttl频率信号，送入单片机的i/o口中的计数器输入端或中断源输入端上，以便用单片机进行信号处理。图310为信号检测传输传通道原理图。图310信号检测传输通道原理图3.3 电源电路设计系统应用的是一种输出为515v连续可调、输出电流可达2.5a的开关式稳压电源,该稳压电源特别适合于电子产品开发人员用来进行电路实验和电路开发。它也可设计成固定电压输出，应用于各种仪器、仪表、家用电子产品中。如果有需要，该电源的输出电压还可扩大到40v。在设计中，将本安18v电源接入由l4960构成的单片机开关电源中，得到系统所需的5v和3v电源，其中3v电源为传感器黑白件供电，5v电源则作为其它器件的电源。3.3.1 多端开关式稳压器l4960 简介l4960是由意-法半导体有限公司（sgsthomson）生产的在目前国际上具有最具代表性的多端开关式稳压器。它们属于高效率，非隔离，低电压输入，大电流输出的脉宽调制式dc/dc电源交换器。该电源以sgsthomson公司生产的la960集成电路为核心，其主要特点有：转换效率高，一般为7585，最高可达90；输出电压范围宽，而且连续可调(540v)，具有软启动、过流限制及过热保护功能：外围元件少，制作方便。与一般常用的lm317可调输出稳压集成电路组成的稳压电源相比，该稳压电源所用的电路元器件稍多一些，但输出电压范围宽，输出电流大，节电显著。l4960是一种降压式dcdc变换器集成电路，采用sip7封装，能输出2.5a的电流。其封装及引脚排列如图3-11所示：表31 l4960管脚说明引脚符号功能vin电源输入端(946v)fb输出电压反馈端fc误差放大器频率补偿端，外接rc(串联)到地gnd地osc振荡器外接rc(并联)到地ss软启动外接电容端vout电源输出端图311 l4960封装图3.3.2 l4960构成的+5v电源电路图312为l4960构成的+5v电源电路。图312 l4960构成的+5v电源电路3.3.3 lm317构成的为+3v电源电路图313 为lm317构成的为+3v电源设计电路图313 lm317构成的+3v电源设计图3.4 89c51单片机3.4.1 89c51的封装引脚图315 89c51封装引脚图3.4.2 89c51的时钟（a）内部时钟方式 （b）外部时钟方式图316 两种时钟电路89c51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚xtal1和xtal2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容c1、c2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路，对外接电容c1、c2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30pf10pf；若使用陶瓷谐振器建议选择40pf10pf。用户也可以采用外部时钟，采用外部时钟的电路如图3-16(b)所示。这种情况下，外部时钟脉冲接到xtal1端，即内部时钟发生器的输入端。3.4.3 管脚简介 并行i/o口p0 口（p0.0p0.7）:是开漏双向口，可以写为1使其状态为悬浮用作高阻输入,p0 也可以在访问外部程序存储器时作地址的低字节,在访问外部数据存储器时作数据总线,此时通过内部强上拉输出1；p1 口（p1.0p1.7）:是带内部上拉的双向i/o 口,向p1 口写入1时,p1 口被内部上拉为高电平,可用作输入口.当作为输入脚时被外部拉低的p1 口会因为内部上拉而输出电流； p1 口第二功能:t2(p1.0) 定时/计数器2 的外部计数输入/时钟输出;t2ex(p1.1) 定时/计数器2 重装载/捕捉/方向控制；p2 口（p2.0p2.7）: 是一个带内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个ttl逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号来低时会输出一个电流（i）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行movx dptr指令）时，p2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（例如执行movx ri指令）时，p2口行上的内容（也即特殊功能寄存器（sfr）区中r2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。flash编程或校验时，p2亦接受高位地址和其它控制信号；p3 口（p3.0p3.7）:是带内部上拉的双向i/o 口,向p3 口写入1时p3 口被内部上拉为高电平,可用作输入口.当作为输入脚时,被外部拉低的p3 口会因为内部上拉而输出电流, p3 口还具有以下特殊功能： 控制信号 ale ：引脚输出为地址锁存允许信号，当单片机上电后，ale引脚不断输出正脉冲信号。当单片机访问外部存储器时，ale输出信号的负跳沿用于单片机发出的低8位地址经外部锁存器锁存的锁存控制信号。即使不访问外部锁存器，ale端仍有正脉冲信号输出，此频率为时钟振荡器频率fosc的1/6。 eavpp ：ea功能为内外程序存储器选择控制端。当ea引脚为高电平时，单片机访问片内程序存储器；当ea引脚为低电平时，单片机则只访问外部存储器。vpp为本引脚的第二功能。在对89c51编程时，加在vpp引脚的编程电压为+12v或+5v。 /psen ：程序存储器允许输出控制端。在单片机访问外部程序存储器时，此引脚输出脉冲负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号。此引脚接外部程序存储器的/oe（输出允许）端。/psen端可以驱动8个ls型ttl负载。 /wr ：外部数据存储器写控制信号； /rd ：外部数据存储器读控制信号。3.4.4定时器/计数器和中断1.定时器/计数器89c51单片机内有两个16位二进制定时器/计数器，简称定时器0（t0）和定时器1（t1），它们均用于定时、延时、对外部事件计数、分频及事故记录等。两个16位定时器/计数器分别由两个8位特殊功能寄存器组成，即t0由th0和tl0组成，t1由th1和tl1组成，通过mov指令可存放定时或计数初始设定值。每个定时器都可由软件设定成定时模式或计数模式，在这两种模式下，又可以单独设定为方式0、方式1、方式2、方式3四种工作模式。定时器/计数器的启动/停止也是由软件通过控制寄存器tcon来控制的。定时器/计数器是一个二进制的加1寄存器，当启动后就开始从所设定的技术初始值开始加1计数，计数器计满回零时能自动产生溢出中断请求，但定时与计数两种模式下的计数方式不同定时模式时，每个机器周期寄存器增1，即寄存器对机器周期计数，因为一个机器周期有12个振荡周期，所以计数器频率是晶体振荡器频率的1/12，如晶体振荡频率为6mhz，则定时器模式的计数频率为1/2周期，计数周期为t=1/（6mhz1/12）=2us；计数模式时，该寄存器在相应的外部输入脚p3.4/t0和p3.5/t1上出现从1到0的变化时增1。定时器/计数器是单片机中工作相对独立的部件，当其设定为某种工作方式启动后，它就会独立进行计数，不再占用cpu的时间，直到计满溢出，才向cpu申请中断处理，它是一个工作效率高且工作灵活的部件。89c51对内部定时器/计数器的控制主要通过tmod和tcon两个特殊功能寄存器的编程来实现的。特殊功能寄存器tmod用于控制t0和t1的工作方式，低4位用于控制t0，高4位用于控制t1，8位格式如表3-2所示。tmod的地址为89h，其各位状态只能通过cpu的字节传送指令来设定而不能位寻址指令改变，复位时各状态为0。表3-2 工作方式控制寄存器tmodgatec/tm1m0gatec/tm1m0控制t1控制t0tmod各位的控制功能如下：（1） m0、m1：工作方式控制位，2位可形成四种二进制码，可控制产生四种工作方式，如表3-3所示： （2）c/t：模式控制选择位。c/t=0时定时模式，c/t=1为计数模式。（3）gate：门控位。当gate=0时，只要使tcon中的tr0（或tr1）置1，就可以启动定时器t0或t1工作。等gate=1时，只有/int0或/int1引脚为高电平且tr0或tr1置1时，定时器才能启动工作。表33 定时器/计数器的4种工作方式m1m0工作方式计数器功能00方式013位定时器/计数器01方式116位定时器/计数器10方式2自动重装初值的8位定时器/计数器 11方式3t0分为两个8位独立计数器；t1停止计数tcon是一个8位寄存器，用于控制定时器的启动/停止以及标志定时器溢出中断申请。tcon的地址为88h，既可进行字节寻址又可进行位寻址，复位时所有位被清零。各位定义如表3-4所示。表3-4 定时器/计数器控制寄存器tcontcontf1tr1tf0tr0ie1it1ie0it0地址位8fh8eh8dh8ch8bh8ah89h88h（1）tf1、tf0计数溢出标志位 当计数器溢出时该位置1。使用查询方式时，此位作为状态位供cpu查询，但应注意查询有效后，应以软件方法及时将该位清0。使用中断方式时，此位作为中断请求标志位，进入中断服务程序后由硬件自动清0。（2）tr1、tr0计数运行控制位tr1（tr0）=1，启动定时器/计数器工作tr1（tr0）=0，停止定时器/计数器工作该位可由软件置1或清0。2.中断89c51有5个中断源，分为内部中断源和外部中断源。外部中断源包括两个，通常指由外部设备发出的中断请求信号，从p3.2和p3.3（即int0和int1）引脚输入单片机，由电平或边沿触发两种方式申请中断；内部中断源有三个，两个定时器/计数器（t0、t1）中断源和一个串行口中断源，t0和t1的中断申请是在它们计数从全“1”变为全“0”溢出时自动向中断系统提出的，串行口中断源的中断申请是在串行口每发送或接受一个8位二进制数后自动向中断系统提出的。3.5 mt8888芯片应用 mt8888是采用cmos工艺生产的dtmf信号收发一体集成电路，它的发送部分采用信号失真小、频率稳定性高的开关电容式d/a变换器，可发出16种双音多频dtmf信号；接收部分用于完成dtmf信号的接收、分离和译码，并以4位并行二进制码的方式输出。mt8888芯片集成度高、功耗低，可调整双音频模式的占空比，能自动抑制拨号音和调整信号增益，还带有标准的数据总线，可与ttl电平兼容，并可方便地进行编程控制。3.5.1 mt8888芯片特点mt8888是cmos大规模集成电路，功耗低（只有57.8mw）并且将发送和接收电路集中在一个芯片内，故集成度高。可编程控制，容易与微处理器接口，微机可控制接收部分工作原理与dtmf接收器mt8870相同。发送部分采用开关电容式变换器，因此dtmf信号失真小。频率精度高，片内对双音群模式的占空时间精确定时。3.5.2 mt8888工作原理及组成1. 接收部分。接收部分的电路有单端输入和差分输入两种形式，如图3-17和图3-18所示：图317单端输入 图318差分输入单端输入电压增益av=rf/rin差分输入电压增益avidih=r5/r1差分输入阻抗zindih=2r2+（10c）-2元件典型值c1=c2=10nfr1=r4=r5=100kr2=60 k，r3=37.5 k。 r3=（r2*r5）/(r2+r5)dtmf信号经运放输出到两组6阶开关电容式带通滤波器，分离出低频组flow和高频组fhigh信号。低频组中的限波器把35hz和440hz的拨号音滤除，每组滤波器连接一阶开关电容式滤波器以提高分离信号的信噪比。由高增益比较器组成的限幅器去除低于检测门限的弱信号或噪声。解码器采用数字计数方式检测dtmf 信号频率，利用复杂的平均算法防止外来的各种干扰，当检测器识别到有效的dtmf信号时，预控端est输出高电平。2. 发送部分。dtmf产生器是发送部分的主体，它可以产生16种失真小、精度高的标准双音信号，这些频率均由3.5795mhz晶振振荡器产生。电路由数字频率合成器、行/列可编程分频器和开关电容式d/a变换器组成。行和列单音正弦波经混合，滤波后产生双音频信号。dtmf编码表把编码数据写入mt8888的发送寄存器产生单独的flow和fhigh，fhigh和flow db输出的幅度之比为2db，目的在于补偿高频信号经过线路的衰减，即经过预加重处理。写操作时，总线上的4位数据被锁存，可编程分频器进行8中取2的编码变换，定时长度确定该信号的频率。当分频器达到由输入编码确定的计数值时，产生复位脉冲，计数器重新计数，改变定时长度可变频率。编码电路由开关电容式d/a变换器组成，得到高精度的量化电平，低噪声加法放大器完成行和列的单音信号混合。输出级有带通滤波器，用来衰减大于8hz的谐波。此外，发送部分还包括单音信号产生器能产生高频组和低频组的任一单音正弦波。该功能亦需编程选择。3. 控制部分。上述为模拟信号处理系统，当满足信号条件时有系统输出。为了接收可靠，还应满足识别条件，即检测有效信号的持续时间，est信号驱动外接r1，c1积分电路。c1放电，在有效时间tgtp内est维持高电平，当vc=vtst时，gt输出信号驱动vc至电源电压vdd，经延时输出标志位置提高，如选择中断模式，当延迟标志位置高时，irq/cp引脚由高电平变为低电平，为cpu提供中断请求信号，延迟控制电压的跳变沿把数据锁存至输出端。mt8888的控制电路如3-19所示：图319 控制电路原理图3.5.3 mt8888引脚说明1.mt8888引脚图如图3-20所示：图320 mt8888引脚图2.引脚说明in+ ，in- 是运放的同相反相输入端；gs是增益选择端，在该引脚与in-引脚间接反馈电阻可调节运放增益；vref是基准电压输出端，通常为vdd/2作为运放的偏置电压；vss是芯片电源负端接地；osc1，osc2是时钟或振荡器的输入，输出端，两引脚接3.579545mhz晶体与内部电路构成芯片振荡器，若由外部电路提供时钟，则osc2引脚开路；tone是dtmf信号输出端，也可通过编程设置为单音输出；/wr是微处理器写输入端，低电平有效，与ttl电平兼容；/cs是片选信号输入端，低电平有效，该引脚可由微处理器的地址锁存信号（ale）直接提供；rso是寄存器选择控制输入端；/rd是微处理器读输入端，低电平有效，与ttl电平兼容；irq/cp是中断请求信号，为开漏输出，在中断模式下，当一个有效的dtmf信号发送或接收时，输出低电平信号，若控制寄存器设定电路工作于呼叫处理（call）模式和中断使能，则该端输出代表运放输入的方波信号音，但该信号频率必须落在呼叫处理滤波器的带宽内；d0d3是数据总线，与ttl电平兼容，输入需发送的dtmf信号数据，当cs=1时呈高阻状态；est是初始控制输出，若电路检测到一种有效的单音对时，est为高电平，若信号丢失，则est返回低电平；st/gt是控制输入/时间监测输出，若st电压大于门限vtst,电路寄存被检测的dtmf单音对,并更新输出锁存器内容。若st电压低于vtst,则电路不接收一新单音对,gt输出的作用是设置外部时间监测常数；vdd是芯片电源正端，典型值为+5v。3.5.4 mt8888的工作模式mt8888有6种工作模式，它们分别是：1.dtmf模式：发送与接收dtmf信号，输入数据经tdr控制可编程行，列计数器，d/a变换器，合成需要发送的dtmf信号或dtmf信号经拨号音抑制，分离带通滤波器，监频与确认，译成相应的4比特码，经rdr输至数据总线，dtmf编码器对应关系如下表格所示：2.呼叫处理（call）模式：电路可以检测电话呼叫过程中各种信号音，只要信号的频率落在320hz510hz范围内，片内呼叫处理滤波器便可滤出。经限幅得到的方波信号，由zrq/cp端输出，以用于微处理器对呼叫性质和类别进行判断，若无信号滤出，则irq/cp 端始终保持低电平。3.突发（burst）模式：在dtmf模式下，工作于突发状态，信号突发和暂停时间各为511ms，在call模式下，工作于突发状态，信号突发和暂停时间各为1022ms，此时电路只可发送dtmf信号，但不能接收；4.单/双音（s/d）产生模式：电路可产生单音或dtmf信号（由crb控制），用于检测和测试。5.测试信号：使电路从dtmf接收部分得到延迟监测信号并从irq/cp端输出。6.中断模式：此模式下选择dtmf状态，当dtmf信号被接受或出现在监测时间内，或准备发送更多数据（突发模式下）时，则irq/cp端下接至低电平。mt8888内部有两个数据寄存器，一个是只执行读操作的接收数据寄存器rdr；另一个是只执行写操作的发送数据寄存器tdr。另外，mt8888中还有两个4位的收、发控制寄存器cra和crb。对crb的操作就是通过cra中的一个特定位来操作的，因此编程中应对其进行初始化；而mt8888中的4位状态寄存器sr则用来反映收、发信号的工作状态。寄存器的选择与操作由rs0、 wr和rd口线来控制，各种模式的选择由控制寄存器（cra和crb)的相应位完成。3.5.5 mt8888硬件连接图 图321 mt8888硬件连接图。图321 mt8888硬件连接图本电路选用dtmf方式，在此模式下mt8888以1、2脚in+和in-作为dtmf的输入端，对应内部一个差分放大器。本电路采用单端输入，8脚tone是dtmf信号的输出端，89c51通过数据线d0d3送入mt8888内部数据缓冲器，此时rsc和r/w都是低电平，数据写入tdr，再通过内部线路处理，利用d/a变换，在电路选通cs=0时，从8脚输出的标准的dtmf信号，mt8888不能与上位机直接相连，故它们之间通过一个放大电路相连接。利用q2和q3的截止饱和开关作用，q4和q5构成复合管的放大作用，控制信号的传输。当向上位机发送信号时，89c51的p0.4=1，通过线路使q2和q3处于导通状态，使q4和q5处于正常放大状态，此时，89c51的p1.7=0，使mt8888的10脚/cs=0，芯片被选中，dtmf信号从mt8888的8脚输出；当停止向上位机发送数据时，89c51的p0.4=0，q2、q3、q4、q5处于截止状态，同时使p1.7=1，使mt8888不能被选中，它的8脚内部电路处于高阻状态，电路与上位机隔离。此处即实现了电源和信号共用两根导线，即不使用额外电源，供电完全从控制信号中取出，两线制可节约导线，这对井下远距离信号传输是非常有利的，而且线路少能减少成本和事故发生的机率。3.6 看门狗电路设计由于单片机的pc容易受到干扰而失控,引起程序乱飞,可能会使程序陷入死循环。指令冗余和软件陷阱技术不能使失控的程序摆脱死循环的困境，这时系统将完全瘫痪。看门狗技术就是使用一个计数器不断的计数，监视程序循环运行，它不需要人去监视。若发现时间超过已知的循环设定时间，则认为系统陷入了死循环，这时计数溢出，然后强迫系统复位，随即在程序中做一些出错处理，使系统运行进入正轨。另外，在单片机系统运行时有可能会发生电源掉电的一些意外情况，一些重要的数据可能会丢失，这时系统首先必须检测电源变化，然后切换电路，保护ram中的数据不会丢失。所以本系统加入了看门狗技术，防止出现一些不必要的故障。3.6.1 x25045简介x25045看门狗定时器对微控制器提供了独立的保护系统。当系统出现故障时，在可选的超时周期之后，x25045看门狗将以 reset 信号作出响应。x25045引脚如图3-22所示图322 x25045引脚图3.6.2 x25045看门狗电路设计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。spi串行编程e2prom芯片控制的指令被组织成一个字节8bit，这些命令中有两条只要直接将指令代码写入芯片即可，有两条读指令用于初始化输出数据，其它的指令，还需要一个8位的地址以及相关的数据所有指令见于下表。它们都是通过spi串行总线来写入器件的，所有指令、地址、数据都是msb先写。本系统中看门狗电路的设计如图3-23所示。图323 x25045与89c51硬件接口当向器件加电时激活了上电复位电路，它保持reset有效一段时间。这可使电源和振荡器稳定，然后微处理器再执行代码。看门狗定时器对微控制器提供了一个独立的保护机制。当系统故障时，在可选的超时时间（time-outinterval）之后，器件将激活reset信号，用户可以从三个预置的值中选择一个超时时间。一但选定，即使在断电后重启电源时也不会改变。器件的低电压vcc检测电路，可以保护系统免受低电压之影响，当vcc降到最小vcc转换点以下时，系统复位，复位一直持续到vcc回到正常工作电平并且稳定为止。3.7 红外遥控电路设计瓦斯传感器是煤矿重要的安全仪器,目前还存在着调校难、人工操作不方便等问题。而频繁的开盖调校工作易使传感器的机芯受潮, 影响传感器的性能和寿命，针对这些问题,本系统利用普通彩电遥控器和hs0038红外接收器实现对瓦斯传感器的遥控操作。遥控器调节瓦斯传感器的基本思想：红外接收器接到遥控器发出的编码信号后,由单片机进行解码,在对该编码信号识别后,根据事先的约定发出控制信号,从而执行相应操作。 1发射器及编码该遥控器使用专用的微处理芯片tc9148。tc9148的工作电压范围较宽(2.25.5 v) ,内含有500k自偏置电阻，外接陶瓷振荡器或lc即可产生振荡。该电路采用cmos 大规模集成电路，在线路设计上做到只有按键操作时才产生振荡，从而降低功耗。传送码是经38khz的载波调制的一串占空比不同的脉冲群，其波形如图3.27所示。12个编码脉冲组成传送码的一个基本发送周期，每个发送周期按c1、c2、c3、h、s1、s2 、k1 k6的次序串行发送。波形中一个脉冲周期为116 ms，占空比为3/ 4 时认定为“1”，占空比为1/ 4 时,认定为“0”。其中c1c3 是用户码，可供使用者按需编制，h、s1和s2代表连续发送或单次发送的码。凡是按下单发键时，传送码发送一组码即两个基本发送周期的脉冲；凡是按下连续键时，传送将连续发送两组码。 图324 为传送码的波形示意图324 传送码的波形示意 2接收器及解码接收器采用红外线一体化接收器hs0038，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与ttl电平信号兼容的所有工作，而体积和普通的塑封三极管大小一样， 它适合于各种红外线遥控和红外线数据传输。接收器hs0038输出信号直接送入单片机at89c51的int1,由单片机解码并实施相应的操作。整个解码程序主体采用子程序调用方式，使程序设计模块化。解码的过程为:设置int1为下降沿触发方式,定时器t0工作在方式1,且不允许中断。单片机首先检查引脚上是否有下降沿到来,若有,表示传送码到来,开启t0 定时17ms，即单片机在17ms时对int1采集，高电平为“1”,低电平为“0”。每来一个脉冲，脉冲计数单元count加1，当count=12时,一串码采集完,存入寄存器24h中,关闭int1。延迟30ms ,再次启动int1,并在int1的下降沿重新启动t0开始采集传送码的另一串码,并把采集到的第二串码存入寄存器22h中。两串码如果相等，则采集成功,传送码有效。将采集到的传送码与已知键码相比较,用单片机查表的方法取出键值,执行相应的操作。3抗干扰技术红外遥控系统中,虽然发射、接收芯片内部均具有抗干扰及杂波滤除功能,但红外干扰源对系统的影响仍无法完全避免；另外,某些意外情况也可能造成解码错误,因此需要在软件中加以考虑。我们对传送码采取二次比较措施,就是连续采集两串代码，将两串数据码相比较,相同则传送码有效。这样虽然占用了双倍的系统时间，但却大大降低了误码率，使系统数据的准确度有所提高。4遥控功能实现选用的是普通的彩电遥控器,面板上的按键包含数字键、音量+、音量-、菜单和power等。根据原遥控器按键布置和瓦斯传感器的要求,重新设计面板即可实现相应的功能。键是这样安排的:十个数字键功能不变，其它分别对应瓦斯传感器的复位、零点调整、小数点、瓦斯浓度的报警值以及断电值的设定,其余按键作为备用。传感器的主要参数经运算处理后存入e2prom中,供主程序调用。通过实验,实现了瓦斯传感器红外调校,整机不必要提供任何调整孔,传感器的零点、报警值以及断电值全部由红外遥控器控制.因此可减小调整时机械损伤、提高整机的密封性、延长传感器的使用寿命,方便用户使用,有着重要的实用和推广价值。3.8 显示接口电路设计本设计采用三片led数码管显示瓦斯的浓度，其数值显示范围为010分。通常的七段led显示块中有八个发光二极管，故又称八段数码管显示器。本系统采用动态显示，将所有的段选端并联在一起，由一个8位i/o口控制，而共阴极则分别由相应的i/o线控制。三片led的动态显示需要一个8位口和另一端口的三条口线共同完成。8位i/o控制段选，而另外的三根口线和各位数码管的共阳极连接，形成各位的分时选通。由于8位的i/o口输出线是并联的，如果在相同时刻各个位选线都被选通时，则各个数码管都显示相同的字符。所以，要在各位led能够同时显示出与本位相同相应的显示字符，就必须采用动态显示。这样，在同一时刻，只让一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选线处于关闭状态。如此循环显示，就得到要各位要显示的相应字符。虽然字符是在不同的时刻出现的，在同一时刻只有一位显示，其他位熄灭，但由于led显示器的余辉和人眼的视觉暂留作用，只要显示间隔适当，则可以造成多位同时亮的假象，达到同时显示的效果。本系统显示接口电路设计如图3-25所示：图325 显示接口电路本设计用三片数码管用于瓦斯浓度的显示，显示范围为010分，最低显示分度为0.1分。3.9 报警系统和频率输出1.报警当浓度大于报警限值时,用软件使p0.5口置位，输出高电平，从而使三极管导通，在