毕业设计58瓦斯探测器的设计与实现

潍坊学院本科毕业设计正文 1 目 录 摘 要 . 3 ABSTRACT . 4 第一章 前 言 . 5 第二章 方案选择及分析 . 7 一 方案的选择及制定 . 7 二 单 片机的选择 . 8 三 检测元件的选择 . 8 四 显示与报警部分 . 9 第三章 主要硬件介绍 . 10 一 AT89C51 单片机说明 . 10 1 AT89C51 引脚说明 . 10 2 AT89C51 内存空间 . 14 3 AT89C51 复位后内部各寄存器的数据值 . 16 4 AT89C51 各中断源向量地址 . 16 5 主要特殊功能寄存器说明 . 16 二 气敏传感器 . 22 电阻式金属氧化物半导体传感器 . 22 非电阻式金属氧化物半导体气体传感器 . 24 第四章 瓦斯探测器硬件的设计与实现 . 25 潍坊学院本科毕业设计正文 2 一 系统总体设计 . 25 二 单片机电路 . 26 三 瓦斯检测电路的设计 . 26 四 LED 灯显示的设计 . 27 五 蜂鸣器的设计 . 27 六 时钟电路的设计 . 28 七 复位电路的设计 . 28 第五章 系统 的软件设计 . 30 一 设计要求 . 30 二 单片机的工作过程 . 31 三 软件流程和源程序 . 32 第六章 调试及运行结论 . 37 一 调试 . 37 二 所达到的性能指标 : . 37 三 运行结论 . 38 谢 辞 . 39 参 考 文 献 . 40 潍坊学院本科毕业设计正文 3 瓦斯探测器的设计与实现 学生 :袁成斌 指导教师：王德杰 摘 要 本文概述了 瓦斯探测器 的现状及其基本原理，主要论述了利用单片机实现 瓦斯探测器 的设计与实现方法。 瓦斯探测器 是一种采用单片机控制的智能化仪表，为了满足煤矿井下使用携带方便、安全可靠等要求，在设计上作了如下的必要的考虑：考虑到小型化仪表的结构，以及今后改进的方便，我们将单片机进行了模块化处理。系统的各个模块都由它控制完成。 本文针对目前 情况设计一种井下便携式瓦斯探测器，当瓦斯气体浓度接近危险值时，自动发出报警，提醒井下人员立刻离开。该设备同时还具备灵敏度调节和检测强度调节开关，有简单、方便、准确、实用等特点 。 关 键 词 : AT89C51 瓦斯气体检测 气敏传感器 报警 潍坊学院本科毕业设计正文 4 Abstract This paper has outlined the gas detector present situation and its the basic principle, mainly elaborated the use monolithic integrated circuit realization gas detector design and the realization method. The gas detector is one kind the intellectualized measuring appliance which uses the monolithic integrated circuit to control, in order to satisfy the coal mine mine shaft use to carry conveniently, safe is reliable and so on the request, has made the following necessity consideration in the design: Considered the miniaturized measuring appliance the structure, as well as next improvement convenient, we have carried on the monolithic integrated circuit modular processing. System each module all controls by it completes. This paper designs one kind of mineshaft portable gas detector in view of the present situation, when the gas gas density approaches the dangerous value, automatically sends out reports to the police, the reminder mineshaft personnel leaves immediately. At the same time this equipment also has the sensitivity adjustment and the examination intensity regulating cock, has simply, convenient, accurate, is practical and so on the characteristic. Keywords : AT89C51 Gas gas detection Angry quick sensor Reports to the police 潍坊学院本科毕业设计正文 5 第一章 前 言 在煤矿生产中，随着煤层采动，煤层中往往会涌出矿井瓦斯，瓦斯是煤矿开采中所产生的有害气体总称，它具有独特的性质和特点。瓦斯的主要成份是甲烷，一氧化碳，二氧化碳，二氧化硫和硫化氢等。瓦斯在煤体和围岩中，以 游离状态和吸附状态存在，一般情况下处于动态平衡。当外界温度、压力变化时这几种状态就会发生相互转化。瓦斯在煤层开采过程中被逸散出来，在井下积累造成井下瓦斯浓度的增加，当瓦斯浓度达到5%-16%时具有爆炸性，瓦斯浓度为 9.5%时爆炸威力最大，当瓦斯浓度小于5%或大于 16%时，一般不会爆炸，遇明火只会燃烧，形成燃烧事故。因此煤层瓦斯浓度的大小直接影响煤矿的设计、建设、安全生产及经济利益。我国一些煤矿由于瓦斯预测不准，造成矿井投产后事故频繁发生。因此准确而迅速地测出矿井瓦斯涌出量与突出危险区域，对煤矿安全生产和提高 经济效益具有重大的意义。 目前国内市场中的该类设备种类较少，性能一般。国外同类产品，虽性能较先进，但价格较高。改造或重新设计瓦斯探测器的设计，提高其工作效率，提高该产品的科技含量，降低性能价格比，会为该产品的应用带来广阔的市场应用前景。 MCS 51 系列单片机技术是目前流行的工业控制技术，已十分成熟，利用 MCS 51 系列单片机技术设计此设备具用重要的意义。 矿井瓦斯是煤矿生产过程中，从煤、岩内涌出的各种气体的总称。煤矿潍坊学院本科毕业设计正文 6 术语中的瓦斯指的就是甲烷。瓦斯爆炸的主要参数 : 1、瓦斯的爆炸浓度 在正常的大气环境中，瓦斯 只在一定的浓度范围内爆炸，这个浓度范围称瓦斯的爆炸界限，其最低浓度界限叫爆炸下限，其最高浓度界限叫爆炸上限，瓦斯在空气中的爆炸下限为 5 6，上限为 14 16。瓦斯爆炸界限不是固定不变的，它受到许多因素的影响，其中重要的有： 2、氧的浓度 正常大气压和常温时，瓦斯爆炸浓度与氧浓度关系，如柯瓦德爆炸三角形。氧浓度降低时，爆炸下限变化不大 (BE 线 )爆炸上限则明显降低 (CE 线 )。氧浓度低于 12时，混合气体就失去爆炸性。 4、煤尘 煤尘具有爆炸危险， 300 400时就能从煤尘内挥发出多种可燃气 体，形成混合的爆炸气体，使瓦斯的爆炸危险性增加 . 5、空气压力 爆炸前的初始压力对瓦斯爆炸上限有很大影响。可爆性气体压力增高，使其分子间距更为接近，碰撞几率增高。 该课题涉及到模拟电子技术、数字电子技术、单片机控制及应用、Protel99、专业英语、 传感器 等多门专业知识。本课题让我们综合利用大学所学的专业课程的基础，利用单片机对控制系统做基本的设计，使我们进一步了解我们的专业，使我们的专业知识学以致用，同时也增强了我们的动手能力，懂得了如何完成一个实际的科研项目。在这近 3 个月的毕业设计阶段我们学到了许多 课本以外的专业知识，为我们以后的学习及以后走上工作岗位打下坚实的基础。 潍坊学院本科毕业设计正文 7 第二章 方案选择及分析 一 方案的选择及制定 本仪器是一种单片机控制的智能化仪表，为了满足煤矿井下使用携带方便、安全可靠等要求，在设计上作了如下的必要的考虑：考虑到小型化仪表的结构，以及今后改进的方便，我们将单片机（ CPU）进行了模块化处理。系统的各个模块都由它控制完成。 系统由单片机，瓦斯气体检测电路， LED 报警灯，蜂鸣报警，及晶震电路组成。如图 2-1所示。单片机选用 AT89C51， LED 灯由一个红灯一个绿灯组成，正常工作时，绿 灯亮，表示系统开机且正常工作；当空气中的瓦斯气体浓度到达危险值时，检测电路向单片机发送信号，单片机控制 LED 红灯亮，同时控制蜂鸣电路工作，以此来确保井下人员能立即得到警报。 图 2-1 系统方框图 瓦斯气体 瓦斯气体 检测 单片机 警报输出 开关控制 潍坊学院本科毕业设计正文 8 二 单 片机的选择 AT89C51 是美国爱特梅尔公司的高性能单片机 ,其与 8051 的单片机指令系统完全兼容 ,与 8051的单片机硬件结构也基本相同 ,DIP 封装相同。 89 系列同 8051 系列相比具有以下特点 : 4kB 可编程序 FLASH 存储器 (可经受1000 次的写入 /擦除周期 ) ;全静态工作 :0 24MHz ;三级程序存储器保密。 另外 ,AT89C51 是用静态逻辑来设计的 ,其工作频率可下降到 0Hz ,并提供两种可用软件来控制的省电方式 :空闲方式和掉电方式。它是通过控制专用寄存器 PCON ( 电源控制寄存器 ) 中的 PD(PCON. 1) 和 IDL (PCON. 0) 来实现的。 PD 是掉电方式位 ,当 PD = 1 时激活掉电工作方式 , IDL 是空闲工作位 ,当 IDL = 1 时激活空闲方式 ,当 PD 和 IDL 同时为 1 时 ,则先激活掉电方式。 AT89C51的晶振频率为 12MHZ。 三 检测元件的选择 瓦斯传感器是煤矿重要的安全仪器 , 国外从 30年代开始研究开发气体传感器。过去气体传感器主要用于煤气、液化石油气、天然气及矿井中的瓦斯气体的检测与报警，目前需要检测的气体种类由原来的还原性气体(H2,C4H10,CH4)等扩展到毒性气体 (CO,NO2,H2S,NO,NH3,PH3)等。 在本设计中瓦斯检测采用电阻式半导体气体传感器作为检测元件。与其他类型的瓦斯传感器相比，其优点是在测爆炸范围内的可燃性气体精度高，受背景气体、湿度、气压影响小，输出信号大，成本底，制作方便。 电阻式半导体气体传 感器是通过检测气敏元件随气体含量的变化情况潍坊学院本科毕业设计正文 9 而工作的。主要使用金属氧化物陶瓷气敏材料。随着近年来复合金属氧化物、混合金属氧化物等新型材料的研究和开发，大大提高了这种气体传感器的特性和应用范围。 四 显示与报警部分 本仪器显示部分采用两个 LED 液晶显示器组成，该电路耗电小。 报警部分由蜂鸣器实现。蜂鸣器的设计主要是考虑当报警时确保井下人员能及时得知，未看到红灯时能听到声音。 潍坊学院本科毕业设计正文 10 第三章 主要硬件介绍 一 AT89C51 单片机说明 1 AT89C51 引脚说明 （图 3-1） AT89C51单片机的引脚图 引脚说明如下 VCC AT89C51 电源正极输入，接 +5V 电压。 GND 电源接地端。 潍坊学院本科毕业设计正文 11 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，些引脚应接地。 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。 RST AT89C51 的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片又时，只要将此引脚电位提升到高 电位，并持续两个机器周期以上的时间， AT89C51 便能完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态。 ALE/PROG ALE 是英文 ADDRESS LATCH ENABLE的缩写，表示允许地址锁存允许信号。当 8031， 8051， 8751， AT89C51 访问外部存储器时， ALE 信号负跳变来触发外部的 8 位锁存 器 (如 74LS373)，将端口 P0 的地址总线 (A0-A7)锁存进入锁存器中。在非访问外部存储器期间， ALE 引脚的输出频率是系统工作频率的 1/16，因此可以用 来驱动其他外围芯片的时钟输入。当问外部存储器期间，将以 1/12 振荡频率输出。 EA/VPP 该引脚为低电平时，则读取外部的程序代码 (存于外部 EPROM 中 )来执行程序。因此在 8031 中， EA 引脚必须接低电位，因为其内部无程序存储潍坊学院本科毕业设计正文 12 器空间。如果是使用 AT89C51 或其它内部有程序空间的单片机时，此引脚接成高电平使程序运行时访问内部程序存储器，当程序指针 PC 值超过片内程序存储器地址 (如 8051/8751/89C51 的 PC 超过 0FFFH)时，将自动转向外部程序存储器继续运行。 此外，在将程序代码烧录至 8751 内部 EPROM、 89C51 内部 FALSH 时，可以利用此引脚来输入提供编程电压（ 8751 为 2lV、 AT89C51 为 12V、 8051 是由生产厂方一次性加工好 )。 PSEN 此为 Program Store Enable的缩写。访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。在访问外部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生二次 PSEN 信号。在执行片内程序存储器指令时，不产生 PSEN 信号，在访问外部数据时，亦不产生 PSEN 信号。 P0 P0 口 (P0.0P0.7)是一个 8 位漏极开路双向输入 输出端口，当访问外部数据时，它是地址总线（低 8 位）和数据总线复用。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向 I O 口用。 P0 口每一个引脚可以推动 8 个 LSTTL 负载。 P2 P2 口 (P2.0P2.7)口是具有内部提升电路的双向 I/0 端口 (准双向并行 I/O 口 )，当访问外部程序存储器时，它是高 8 位地址。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向 I O 口用。每一个引脚可以推动 4 个 LSTL 负载。 潍坊学院本科毕业设计正文 13 P1 P1 口 (P1.0P1.7)口是具有内部提升电路的双向 I/0 端口 (准双向并行 I/O 口 )，其输出可 以推动 4 个 LSTTL 负载。仅供用户作为输入输出用的端口。 P3 P3 口 (P3.0P3.7)口是具有内部提升电路的双向 I/0 端口 (准双向并行 I/O 口 )，它还提供特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能。其特殊功能引脚分配如下： P3.0 RXD 串行通信输入 P3.1 TXD 串行通信输出 图 3-2 只读程序存储 图 3-3 外部数据存储器 潍坊学院本科毕业设计正文 14 图 3-4 内部低 128 个字节地址 RAM 空间 P3.2 INT0 外部中断 0 输入，低电平有效 P3.3 INT1 外部中断 1 输入，低电平有效 P3.4 T0 计数器 0 外部事件计数输入端 P3.5 T1 计数器 1 外部事件计数输入端 P3.6 WR 外部随机存储器的写选通，低电平有效 P3.7 RD 外部随机存储器的读选通，低电平有效 2 AT89C51 内存空间 1）、 内部程序存储器（ FLASH） 4K 字节。 2）、外部程序存储器（ ROM） 64K 字节。 潍坊学院本科毕业设计正文 15 图 3-5 内部高 128 个字节地址空间的特殊功能寄存器区 图 3-6 特殊功能寄存器位地址空间 3）、内部数据存储器（ RAM） 256 字节。 4）、外部数据存储器（ RAM） 64K 字节。 潍坊学院本科毕业设计正文 16 3 AT89C51 复位后内部各寄存器的数据值 如图 3 7 示： 图 3-7 复位后内部各寄存器的数据值 4 AT89C51 各中断源向量地址 如图 3 8 所示： 图 3-8 各中断源向量地址 5 主要特殊功能寄存器说明 PSW（ Program Status Word）程序状态字 位地址 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 符号 CY AC F0 RS1 RS0 DV - P （ PSW.7） ：高位进位标志位。常用“ C”表示。 AC（ PSW.6） ：辅助进位木标志。 F0（ PSW.5） ：用户标志位。 RS1（ PSW.4） ：寄存器组选择位 1。 RS0（ PSW.3） ：寄存器组选择位 0。 潍坊学院本科毕业设计正文 17 OV（ PSW.2） ：溢出标志位。 （ PSW.1） ：保留位，无定义。 P（ PSW.0） ：奇偶校验位，在每一个指令周期中，若累加器（ A）中的“ 1”的位个数是奇数个则 P 1，偶数个则 P 0。 寄存器组的选择： RS0 RS1 寄存器组 RAM 中的地址 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 2 3 00H07H 08H0FH 10H17H 18H1FH IE 中断允许寄存器 位地址 AF - AD AC AB AA A9 A8 符号 EA - ET2 ES ET1 EX1 ET0 EX0 EA（ IE.7） ： EA 0 时，所有中断停用（禁止中断）。 EA 1 时，各中断的产生由个别的允许位决定。 （ IE.6） ：保留位，无定义。 ET2（ IE.5） ：允许计时器 2 溢出的中断（ 8052 使用）。 ES（ IE.4） ：允许串行端口的中断（ ES 1 允许， ES 0 禁止）。 ET1（ IE.3） ：允许计时器 1 中断（ ET1 1 允许， ET1 0 禁止）。 EX1（ IE.2） ：允许外部中断 INT1 的中断（ EX1 1 允许， EX1 0 禁潍坊学院本科毕业设计正文 18 止）。 ET0（ IE.1） ：允许计时器 0 中断（ ET0 1 允许， ET0 0 禁止）。 EX0（ IE.0） ：允许外部中断 INT0 的中断（ EX0 1 允许， EX0 0 禁止）。 IP 中断优先次序寄存器 位地址 - - BD BC BB BA B9 B8 符号 - - PT2 PS PT1 PX1 PT0 PX0 （ IP.7） ：保留位，无定义。 （ IP.6） ：保留位，无定义。 PT2（ IP.5） ：设定计时器 2 的优先次序（ 8052 使用）。 PS（ IP.4） ：设定串行端口的中断优先次序。 PT1（ IP.3） ：设定时计时器 1 的优先次序。 PX1（ IP.2） ：设定外部中断 INT1 的优先次序。 PT0（ IP.1） ：设定计时器 0 的优先次序。 PX0（ IP.0） ：设定外部中断 INT0 的优先次序。 上述每位 IP.* 1 时，则定义为高优先级中断， IP.* 0 时，则定义为低优先级中断。如果同时 有两个或两个以上优先级相同的中断请求时，则由内部按查询优先顺序来确定该响应的中断请求，其优先顺序由高向低顺序排列。优先顺序排列如下： 顺序 中断请求标 中断源 优先图示 1 2 IE0 TF0 外部中断 0（ INT0） 定时计数器 0 溢出中断最高 潍坊学院本科毕业设计正文 19 3 4 5 TE1 TF1 RI TI 外部中断 1（ INT1） 定时计数器 1 溢出中断 串行通讯中断 最低 TMOD 定时 计数器工作方式控制寄存器 GATE ：当 GATE 1 时， INT0 或 INT1 引脚且为高电平，同时 TCON 中的 TR0 或 TR1 控制位如为 1 时，定时计数器 0 或 1 才会工作。 若 GATE 0，同时只要 TCON 中的 TR0 或 TR1 控制位如为 1 时，定时计数器 0 或1 即可工作。 C T ：选择定时或计数器模式。当 C T 1 为计数器，由外部引脚T0 或 T1 输入计数脉冲。 C T 0 时为计时器，由内部系统时钟提供计时工作脉冲。 M1 ：方式选择位 1。 M0 ：方式选择位 0。 M1、 M2 的操作方式选择定义如下： TCON 定时计数器工作方式控制寄存器 TF1（ TCON.7） ：计时器 1 溢出标志，当计时溢出时，由硬件设定为1，在执行相对的中断服务程序后则自动清 0。 潍坊学院本科毕业设计正文 20 TR1（ TCON.6） ：计时器 1 启动控制位，可以由软件来设定或清除。TR1 时启动计时器工作， TRl=0 时关闭。 TF0（ TCON.5） ：计时器 0 溢出标志，当计时溢出时，由硬件设定为1，在执行相对的中断服务程序后则自动清 0。 TR0（ TCON.4） ：计时器 0 启动控制位，可以由软件来设定或清除。TR0=1 时，启动计时器工作， TR0=时关闭。 IE1（ TCON.3） ：外部中断 1 工作标志，当外部中断被检查出来时，硬 件自动设定此位，在执行中断服务程序后，则清 0。 IT1（ TCON.2） ： 外部中断 1 工作形式选择， IT1=1 时，由下降缘产生外部中断， IT1=0 时，则为低电位产生中断。 IE0（ TCON.1） ：外部中断 0 工作标志，当外部中断被检查出来时，硬件自动设定此位，在执行中断服务程序后，则清 0。 IT0（ TCON.0） ：外部中断 0 工作形式选择， IT1=1 时，由下降缘产生外部中断， IT1=0 时，则为低电位产生中断。 SCON 定时计数器工作方式控制寄存器 SM0（ SCON.7） ： 串行通讯工 作方式设定位 0。 SM1（ SCON.6） ：串行通讯工作方式设定位 1。 SM2（ SCON.5） ：允许方式 2 或方式 3 多机通讯控制位。在方式 2 或方式 3 时，如 SM2=1， REN=1，则从机处于只有接收到 RB8=1(地址帧 )才激发中断请求标志位 RI=1，向主机请求中断处理。被确认为寻址的从机复位SM2=0，才能接收 RB8=0 的数据帧 ;在方式 1 时，如 SM2=l，则只有在接收潍坊学院本科毕业设计正文 21 到有效停止位时才置位中断请求标志位 RI=1;在方式 0 时， SM2 应为 0。 REN（ SCON.4） ： REN，允许 /禁止串行接收控制 位。由软件置位 REN=1 为允许串行接收状态，可启动串行接收器 RXD，开始接收信息。软件复位REN 0，则禁止接收。 TB8（ SCON.3） ：在方式 2 或方式 3，它为要发送的第 9 位数据，按需要由软件置位或清 0。例如，可用作数据的校验位或多机通讯中表示地址帧 /数据帧的标志位。 RB8（ SCON.2） ：在方式 2 或方式 3，是接收到的第 9 位数据。在方式 l，若 SM2 0，则 RB8 是接收到的停止位。方式 0 不用 RB8。 TI（ SCON.1） ：发送中断请求标志位。在方式 0，当串行发送数据第8 位结束时，由内 部硬件自动置位 TI=l，向主机请求中断，响应中断后必须用软件复位 TI=0。在其他方式中，则在停止位开始发送时由内部硬件置位，必须用软件复位。 RI（ SCON.0） ：接收中断请求标志位。在方式 0，当串行接收到第 8 位结束时由内部硬件自动置位 RI=1，向主机请求申断，响应中断后必须用软件复位 RI=0。在其他方式中，串行接收到停止位的中间时刻由内部硬件置位 RI 1(例外情况见 SM2 说明 )，必须由软件复位 RI=0。 其中 SM0、 SM1 按下列组合确定串行通讯的工作方式： PCON 电源控制寄存器 潍坊学院本科毕业设计正文 22 SMOD ：双倍波特率控制位。 ：保留。 GF1 ：通用标志。 GF0 ：通用标志。 PD ： PD 1 时，进入掉电方式。 IDL ： IDL 1 时，进入冻结方式。 二 气敏传感器 随着人们生活水平的提高和对环保的日益重视 , 对各种有毒、有害气体的探测 , 对大气污染、工业废气的监控以及对食品和人居环境质量的检测都提出了更高的要求 , 作为感官或信号输入部分之一的气体传感器是必不可少的。 自上世纪 60 年代以来 , 金属氧化物半导体气体传感器就以较高的灵敏度、响应迅速等优点占据气体传感器的半壁江山。最初的气体传感器 主要采用 SnO2 、 ZnO为气敏材料 , 近些年又研究开发了一些新型材料 , 如表11 所示。这其中除了少量单一金属氧化物材料 , 如 WO3 、 In2O3 、 TiO2 、Al2O3 等外 , 开发的热点主要集中在复合金属氧化物和混合金属氧化物。金属氧化物半导体传感器又可分为电阻式和非电阻式两种。 电阻式金属氧化物半导体传感器 SnO2 、 ZnO 是电阻式金属氧化物半导体传感器气敏材料的典型代表 , 它们兼有吸附和催化双重效应 , 属于表面控制型 , 但该类半导体传感器的潍坊学院本科毕业设计正文 23 使用温度较高 ,大约 200 500 。为了 进一步提高它们的灵敏度 , 降低工作温度 , 通常向母料中添加一些贵金属 ( 如 Ag、 Au、 Pt 等 ) , 激活剂及粘接剂 Al2O3 、 SiO2 、 ZrO2 等 。例如对于含量在 1 10 - 5 数量级的 H2S 气体 , 添加 1 %ZrO2 的 ZrO2 - SnO2 气体传感器与未添加 ZrO2 的元件相比 , 灵敏度增加约 50 倍左右 ; 在 SnO2 中添加 Pt 能明显提高响应时间。采用粉末溅射技术制备的表面层掺杂 SnO/ SnO2 : Pt 双层膜材料气敏传感器用来检测 CO 的浓度 , 发现可降低工作温度 , 在室温 200 内均显示出较高的灵敏度。通过添加不同的添加剂还能改善气体传感器的选择性 , 在 ZnO 中添加 Ag 能提高对可燃性气体的灵敏度 , 加入 V2O5 能使其对氟里昂更加敏感 , 加入 Ga2O3 能提高对烷烃的灵敏度。 Fe2O3 系也属于该类气体传感器 , 用溶胶凝胶法和化学气相沉积法合成纳米 Fe2O3 对 CH4 、 H2 、C2H5OH 有很好的敏感性 ; 向 Fe2O3 中加入少量 SO2 -4 及四价金属离子如Sn4 + , 由于抑制其晶粒生长而提高灵敏度。近年来采用薄膜技术和集成电路技术把加热元件、温度传感器、叉指电 极、气体敏感膜集成在硅衬底上制成的传感器 , 不仅灵敏度比常规多晶膜传感器高得多 , 并且结构简单、制作方便 , 还可以根据被测气体选择不同的敏感膜 , 使得该类传感器成为很有发展前景的新型半导体气体传感器。但电阻式半导体气体传感器的气敏元件一般暴露在大气中及加热元件的电压值决定了气敏元件的工作温度 , 如何消除湿度和温度等环境因素对测量的影响还未得到很好的解决。 SnO2 、 ZnO、 Fe2O3 为基质的半导体气敏材料仍然是目前市场的主流 , 但这类材料的纳米化、薄膜化已渐成趋势。 潍坊学院本科毕业设计正文 24 非电阻式金属 氧化物半导体气体传感器 非电阻式金属氧化物半导体气体传感器主要包括 MOS 场效应管型气体传感器和二极管型气体传感器等。氢气敏 Pd 栅 MOSEFT 是最早研制成功的催化金属栅场效应气体传感器 , 当氢气与 Pd 发生作用时 , 场效应管的阈值电压将随氢气浓度而变化 , 以此来检测氢气。这种结构的气体传感器对氢气的灵敏度可达 ppm 级 , 而且选择性非常好 , 但长期稳定性问题目前尚未得到很好解决。 A. Fuchs 等人用带有 KI 敏感膜的场效应管气体传感器很好地实现了 O3 的检测 , 在 20 80 ppb 浓度分辨率很高 。将 MOSFET 的金属栅极去掉 , 采用 La017Sr013FeO3 纳米薄膜作栅极制作了微米尺寸、室温工作的 OSFET 式气体传感器成功实现了对乙醇气体的检测。 潍坊学院本科毕业设计正文 25 第四章 瓦斯探测器 硬件的设计与 实现 一 系统总体设计 系统由单片机，瓦斯气体检测电路， LED 报警灯，蜂鸣报警，及晶震电路组成。如图 4-1所示，单片机选用 AT89C51， LED 灯由一个红灯一个绿灯组成，正常工作时，绿灯亮，表示系统开机且正常工作；当空气中的瓦斯气体浓度到达危险值时，检测电路向单片机发送信号，单片机控制 LED 红灯亮，同时控制蜂鸣电路工作，以此来确保井下人员能立即得到警报 图 4-1 硬件电路示意图 AT89C51 单片机 时钟电路 瓦斯检测 选 择开关 LED 报警灯 蜂鸣报警 电源 潍坊学院本科毕业设计正文 26 二 单片机电路 单片机电路是系统控制的核心。单片机选用 Atmel 公司的 AT89C51，其引脚分配如图 3-1 所示。 在 XTAL1 和 XTAL2 端外接时英晶体作定时元件，内部反相放大器自激振荡，产生时钟， 上电复位电路（ 9 脚）， 瓦斯检测电路 信号从 P2.1 输入，作为 AT89C51的两个中断触发信号，下降沿触发方式。由 P3.0 和 P3.1 发送信号控制 LED 灯显示的 绿灯和红灯；报警信号从 P3.2输出。 三 瓦斯检测电路的 设计 瓦斯检测采用气敏传感器作为检测元件，其体电阻随可燃性气体或烟雾浓度的改变而改变。电路图如图 4-2 所示。平时，可燃性气体或烟雾浓度在允许范围内，气敏传感器 A、 B 间电阻值较大，从 B端输出低电平。当可燃性气体或烟雾浓度达到一定值后，气敏传感器 A、 B 间电阻值迅速减小，从 B 端输出高电平。 AT89C51单片机从输人端口来检测是否漏气并作相应的处理，即作报警处理。 图 4-2 瓦斯检测传感器电路 潍坊学院本科毕业设计正文 27 四 LED 灯显示的 设计 显示部分采用两个 LED，如 图 4-3，工作正常时，控制绿灯（ D1）亮，当探测器检测到瓦斯气体浓度超过正常值时，发送信号，控制红灯 (D2)亮。 图 4-3 LED 指示灯电路 五 蜂鸣器 的 设计 蜂鸣器的设计主要是考虑当报警时确保井下人员能及时得知，未看到红灯时能听到声音。在正常时，蜂鸣器不工作，当瓦斯浓度超过临界值时，蜂鸣器开始发出的鸣叫，以保证井下人员及时得到报警信息。 图 4-4 蜂鸣器电路 潍坊学院本科毕业设计正文 28 六 时钟电路的 设计 图 4-5 时钟电路 采用内部方式如上图 4-5，在 XTAL1 和 XTAL2 端外接时英晶体作定时元件，内部反相放大器自激振荡，产生时钟。 对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小多少会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度稳定性，如果振荡器已起振，则在 XTAL2 引脚上输出 3V 左右的正弦波 .振荡频率 fosc 取决于晶振的频率 .我们采用晶振频率为 l 2 MHz。电容 C01 和 C02 主要作用是帮助起振 (谐振 )，其值的大小对振荡频率也有影响 .因此常用调节 C01 和 C02的容量大小 对频率进行微调，电容容量一般在 20 一 100 pF 之间选择，当时钟频率为 12 MHz时典型值为 30 pF. 七 复位电路 的 设计 这里我们采用单片机按键复位电路。 该电路除具有上电复位功能外，若要复位，只需按图 4-6 中的 RESET键，此时电源 VCC经电阻 R1、 R2分压，在 RESET端产生一个复位高电平。单片机复位期间不产生 ALE和 PSEN信号，即 ALE=1 和 PSEN=1。这表明单片机复位期间不会有任何取指操作。 潍坊学院本科毕业设计正文 29 图 4-6 单片机按键复位电路 M C S - 51V C CV C CR E S E TV S S2 2 F1 k M C S - 51V C CV C CR E S E TV S S2 2 FR E S E TR1R2( a ) ( b )2 0 0 潍坊学院本科毕业设计正文 30 第五章 系统 的 软件设计 一 设计要求 软件总体 设计时，首先应对中断作出安排， AT89C51具有两种中断方式：时钟中断和外部中断。本仪器对瓦斯气体的采样周期为 2s， CPU 采用询问方式处理。 井下环境复杂，对井下瓦斯浓度准确预测十分困难，容易发生误判，所以设备的灵敏度和报警的准确度十分关键。为方便控制，设计了两个开关，每个开关四种选择，对应于 I/0 口 P1.6 P1.7、 P1.4 P1.5。分别用来调节采样的时间的长短和报警的门阈值的高低。通过一段时间的抽样结果可更准确测定瓦斯浓度。报警门阈值的选择可控制报警的级别。通 过两个开关的调节，给使用人员带来更大方便。 软件流程图如 5-1所示，设计要求如下： 1、查询抽样时间设置开关，设置抽样时间； 2、查询报警阈值设置开关，设置相应的报警阈值； 3、机器开始计数，按采样时间设置值进行，并计算出单位时间瓦斯浓度抽样值超标次数 rate(计数秒 )。 4、比较 rate 与 state 大小，当 rate state时发出警报信号，直到 rate state 1时撤销报警信号。 潍坊学院本科毕业设计正文 31 二 单片机的工作过程 假设机器码 74H、 E0H 已存在 0000H开始的单元中，则此表示 把 E0H 这个值送入 A 累加器。下面我们来说明单片机的工作过程。 接通电源开机后， PC =0000H，取指令过程如下： 1、机中的 0000H 送到片内的地址寄存器； 2、 PC的内容自动加 1 变为 0001H，指向下一个指令字 3、地址寄存器中的内容 0000H 通过地址总线送到存储器，经存储器中的地址译码选中 0000H 单元； 4、 CPU 通过控制总线发出读命令； 5、被选中单元的内容 74H送内部数据总线上，该内容过内部数据总线送到单片机内部的指令寄存器。到此，取指令过程结束 ，进入执行指令过程。执行指令的过程： 1、指令寄存器中的内容经指令译码器译码后，说明这条指令是取数命令，即把一个立即数送 A中； 2、 PC的内容为 0001H，送地址寄存器，译码后选中 0001H单元，同时 PC的内容自动加 1变为 0002H； 3、 CPU 同样通过控制总线发出读命令； 4、 0001H单元的内容 E0H读出经内部数据总线送至 A。 至此，本指令执行结束。 PC=0002H，机器又进入下一条指令的取指令过程。机器一直重复上述过程直到程序中的所有指令执行完毕，这就 是单片机的基本工作过程。 潍坊学院本科毕业设计正文 32 三 软件流程和源程序 编写的部分 C 程序如下 : #include #define unit unsigned int #define uchar unsigned char uchar bdata FLAG; sbit FLAG1=FLAG1; sbit FLAG2=FLAG2; sbit P1_1=P11; sbit P3_2=P32; sbit P3_0=P30; uchar data time,Dtime,Btime; unit fetch_rate(void); main() char bdata JFLAG; unit data state,Astate,rate; do P1=0xFF; FLAG=P1; TXD=1; P3_2=1； P3_0=0; 潍坊学院本科毕业设计正文 33 (1) NO YES YES NO YES 返回（ 1） 图 5-1 软件流程图 初始化 输入 P1 到标志 FLAG FLAG7、 6 决定采样时间 time Time=2 Time=4 Time=6 Time=8 State=2 State=4 State=8 State=6 FLAG5、 4 决定报警状态 state 在 time 时间采样计数 现时计数率 rate=count/time 报警 取计数率 rate Astate=sate-1 撤报警 rate 大于等于 state? rate 大于等于 state? 潍坊学院本科毕业设计正文 34 JFLAG=FLAG6;JFLAG=JFLAG&0x03; swich(JFLAG) /*采样时间设定 */ case 0: time=2;Dtime=20;break; case 1: time=4;Dtime=40;break; case 2: time=6;Dtime=60;break; case 3: time=8;Dtime=80;break; Btime=Dtime; JFLAG=FLAG4;JFLAG=JFLAG&0x03; swich(JFLAG) /*门阈值数设定 */ case 0: state=2;break; case 1: state=4;break; case 2: state=6;break; case 3: state=8;break; 潍坊学院本科毕业设计正文 35 FLAG1=0; TM0D=0x01; TH0=0x3C;TL0=0xB0; TR0=1;ET0=1;EA=1; rate=fetch_rate(); Astate=state-1; if(rate=state) TXD=0;P3_2=0;P3_0=1 /*设置报警 */ do rate=fetch_rate(); while(rate=Bstate); TXD=1;P3_2=1;P3_0=0 /*撤报警 */ while(1); usigned int fetch_rate()/*计算 rate*/ unit count 0; dowhile(!FLAG1); Dtime=Btime