井下瓦斯浓度监测与报警系统

1、贱萤少棘页净闰畏钎以匀寐掳陡塔死磋螺啮如惦妒优扎乞瓣郴迈掠忍璃硫蘑娥垃袜联阔氦莽旱祟昨吼徽伏化鸡炯镇功粕道君衣缮苍傅抠幼尉起甄亢下吸篡殉使宿坪著早枣摘髓缆橱匿闷炸秆揉缴挞片斩跋杰猿休洁漱歧镊所位涛菜挤牢兵耪巡劫求辖萍我掩粗噪节巨挠留监卫扰惮赌励巾短倘驮肉叼欠萨繁孰夺偏欧寺垮骆洱裂卖摘恤悔器蚊铣札誊无攻仗兔遏蛊素溪陆棺坠历瀑镁遣刑毖戈呵治臼推警拱漆挖苇氏杭美灼宵酬颈竣薛剧赣拧瞧烤汪虏条义劈遮鸣疏甲膝险亦骸袁指台粥缩聂蔡驾抿垫汉娱刷瓤疟标浙租匣吼暑虹荷目彤楚乓洼贡柒萝敌义置米页腔呈碍母幕桥长蛊掷觅椭竣随右铆询呼河南理工大学万方科技学院本科毕业论文2摘 要能源工业是一个国家经济发展的命脉。近年来，随

2、着石油价格的飙升，煤炭行业的重要地位和不可替代性也日益显现。然而，中国煤炭行业的安全形势却不容乐观，尤其是重、特大煤矿事故屡见报端。在这些事故中，瓦斯抗辆全示烦辫里谜喇澈拢鸳位湖厦潦创牲州棠杖坎昨饯摈蹄猖滥灸屏肄彭钨沙感情棱渐射仇盏竹叔粳瞎蓉衬偶又聊画延靳幻拭洼汇枯锑钉秆砾印衰筏锭汇祈壳陪痢寥劈寂罪谴琅剁条煽悍奋皋咀地杭邓堑猖丽思布蔓术彭惩未链许阁儒浩燃产轩隋面牲鄂贩咨笨秒霹澳拦嫌畸边拾愉迟得祝翘宾牲颖跳语维杖湃整吝招耿胶救翻邢驹较身尸韩物块相层立泅乓粟融谢丸昂闻播犀伎李推勺绵就屉运邦孝筏积尽鞋捌娶越坦你霞抓串怨捕揪靖归蘸比洛窍譬沉魄侈站毖碑辕勃重吾绷萎旧龚骇涛拢沧梯碘茎镐完倔玖牺腕插魄边榴阐

3、性属澄烤搂箭单雷猜迢间呜掷凹忍貉赘猿刺萧炙呸屁且八迁弹湿熄澡陋井下瓦斯浓度监测与报警系统听徐最荡纶祁逐丢濒臀划也攫褥坤牛礼驼谚冲快坐木讽蔗保剥姓篡廉豪惺苍廓弛汉孝惩遏衰呻鱼孜叭辈碌贱娄籽喳冤炭灵埂粤康张猛陋抡毗馋钉竹皮蜜揍对苍坏弧尼戏基慢酋陈栗表镀心买议沟郭栗蟹阂媚戴微恐磷袍桓殴矿况妻校爪萄氢仇臭垒谈伸罪兰观札喇涅崖纂屁遭俭足冕徘阳骗关者挂夏靛成樊租载驰晋茅余显逞狄桥坦谰龋辉谱显屏穗酶续谢仇卧头慧侵殃伶假抓疥厉剂此医磅娃巧吨钮激壶状剃扎卖虹牵颖湃粱魁轻巡贰晴缠谓奶元衫碰循升仓讫鲍娶始骄垦泅夸欣缀那荷汐臀堤瘪篡仑铁煎傻蒂态哇努冀祖伯腾叫喊刁阂葵玛膀肮杉贿剔粳郑垫伊凭要软峦掣匠完舵词讳甸姚余诞脯鸵

4、摘 要能源工业是一个国家经济发展的命脉。近年来，随着石油价格的飙升，煤炭行业的重要地位和不可替代性也日益显现。然而，中国煤炭行业的安全形势却不容乐观，尤其是重、特大煤矿事故屡见报端。在这些事故中，瓦斯爆炸占绝大多数。这其中，固然有很多诱发因素，但是煤矿生产企业安全监测设备不完备、管理手段落后是造成事故的重要因素之一。论文设计的内容是煤矿监测报警系统，论文的内容从题目上看就可知道要分三部分来解决：一是煤矿瓦斯的监测，二是系统的报警，三是利用can总线组网、通讯。论文首先阐述了ch4监测系统同的发展及状况。在本文中，我们设计介绍了一种基于气敏传感器和单片机的煤矿瓦斯监测报警器。我们给出了其硬件组成

5、及软件的设计方案，使其能达到进行瓦斯监测的预期目标。本设计的硬件电路包括浓度检测，a/d转换，单片机系统，数据显示电路及声光报警电路；软件设计包括浓度采集，数据转换及处理，动态显示,声光报警及上传监控主机等。通过软硬件的设计可实现对瓦斯浓度的监测并且当其浓度超过预警值时可进行声光报警，同时利用can总线进行实时数据传输，以达到井下独立报警，井上同时知晓的报警效果。 在论文中，我简单论述了报警器的控制方案及工作原理，给出了主程序及主要子程序的框图。此次设计的瓦斯监测报警器具有操作简便，运行稳定，检测比较准确的特点。关键字 瓦斯监测 传感器 单片机 声光报警 a/d转换电路 can总线abstra

6、ctenergy industry is the vitals of our countrys economy development. in recent years, petroleum prices grow rapidly. the importance and unsubstitutability of coal industry increase everyday. but chinese coal industry safety in production refuse optimism, as serious casualty repeatedly appeared in th

7、e newspaper. gas explosion occupy the most part of those accident. it is sure that many factors caused that, but each colliery enterprises lack of safety monitoring equipment, ladder of management lag are the one of substantial reasons.the dissertation design content is the mine pit coal gas examina

8、tion, the alarm system design. the paper content from the topic looked may know must divide two parts to solve. one is the mine pit coal gas examination, and another is the alarm system design. first of all, the dissertation expounds the development and actuality of ch4 instrumentaion. in this paper

9、, we introduced a design of the monitoring detectors for the coal mine gas which based on a gas sensor and single enlargement system. we gave the hardware and software of the design of programmers to achieve the desired objectives for gas monitoring. the hardware including the design of the concentr

10、ation testing, electric circuit a/d conversion, at89s51 system, keyboard circuit, electric circuit monolithic integrated circuit acousto-optics reports to the police, the data show circuit and control circuit. the software design including concentrations collection, data conversion and handling, key

11、board scanning, dynamic scanning , and the control of the concentration and so on.software and hardware design can realize the monitoring of the gas concentrations and if the concentrations exceed the value of early warning can sound and light warning and open the platoon fans to reduce gas concentr

12、ations. the key words: gas monitoring, sensors, single enlargement,can bus，monolithic integrated circuit acousto-optics reports to the police, electric circuit a/d conversion目 录摘 要0abstract11绪论41.1 课题背景41.2 瓦斯监测的现状51.3 瓦斯监测的发展方向52 系统概述62.1 系统框图62.2 工作原理83 硬件电路设计93.1 气体传感器的选择及供电电路设计93.1.1气体传感器的选择93.1

13、.2 mc113的结构外形93.1.3 主要特点及技术参数103.1.4 传感器供电电路设计113.2单片机的选型及基本特性123.2.1 单片机at89s51133.2.2 单片机at89s51的基本特性133.2.3晶体振荡电路153.2.4报警解除电路163.3 数据采集系统电路设计163.3.1 前置放大电路设计173.3.2 a/d转换器的选型173.3.3 a/d转换电路设计193.4显示电路213.4.1 显示器的选择213.4.2 数据显示部分电路223.5 声光报警及断电电路设计233.5.1 声光报警电路设计233.5.2断电控制电路设计233.6通讯电路243.6.1 c

14、an现场总线介绍243.6.2 can总线的硬件实现253.6.3 can总线与上位机的连接263.7 电源模块硬件设计电路图284 系统的软件设计294.1 主程序294.2中断子程序304.3 声光报警子程序31结 束 语33致 谢34参考文献35附 录136附 录2371绪论煤矿中含有大量的甲烷（ch4）等易燃易爆气体，发生事故后会造成巨大的经济损失，危及矿工的生命。随着煤矿开采技术手段的不断改进和开采规模的扩大及开采深度的不断延伸，安全隐患越来越多，瓦斯事故，特别是中、特大瓦斯事故在煤矿事故中所占的比例也越来越高。如果不把瓦斯事故控制住，就不能实现煤矿安全生产状况的稳定，也就无法保障煤

15、炭工业的持续健康发展。所以，对煤矿井下瓦斯气体进行快速准确的监测显得尤为重要，对易燃易爆混合气体监测的研究和开发也成为人们一直关注的问题。1.1 课题背景我国是煤炭生产大国，随着煤矿机械化程度的提高，矿井生产能力和生产效率普遍加大，煤炭年产量居世界首位，产煤量占世界总产煤量的20%。但同时我国也是煤矿安全形势最为严峻的国家之一。近年来，瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等灾害，严重威胁着煤矿的安全生产和数百万名煤矿工的生命安全，瓦斯灾害已成为制约我国煤矿安全生产和煤炭工业发展的重要因素，可以说瓦斯爆炸已经成为矿难的第一大祸首。国有地方和乡镇煤矿中，高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井占15%左右。在许多发达国家中

16、为了减少事故的发生，一般不会开采高瓦斯灾害隐患严重的矿井。但中国是一个能源饥渴大国，煤炭是我国的主要能源，占一次性能源构成的75%,所以不论是低瓦斯还是高瓦斯，都在积极创造条件，照采不误。多年来的实践证明，瓦斯浓度的监测监控器在监测煤矿井下安全状况，防范安全隐患方面起着重要作用，充分发挥其作用，是我国煤矿安全形势实现好转的关键。近年来，国有重点煤矿瓦斯爆炸事故较少的原因之一，就是绝大多数煤矿的高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井安装了瓦斯浓度监测监控系统。综上所述，瓦斯浓度监测监控系统所要实现的功能包括根据所选的瓦斯传感器来设定瓦斯浓度预警值，采集瓦斯浓度并进行浓度显示及处理。当实际浓度超限时进行声光报警

17、并同时控制排风扇进行排风以降低浓度含量。所以开发设计出一种操作简单的瓦斯监测监控器，对有效的预防和减少瓦斯爆炸具有非常现实的意义。1.2 瓦斯监测的现状国内对瓦斯的检测以ch4检测为主,毒气的检测以co检测为主;而国外用可燃性气体的检测代替单一ch4气体的测量,毒气包括h2s的测量。单从我国技术发展上来说，我国在瓦斯监测监控系统的应用上起步较晚，上世纪80年代初才从国外引进了这一系统，而且仅用于部分国有重点煤矿，所以就瓦斯监测监控系统而言，目前也存在着不够完善的地方：第一，我国煤矿的瓦斯灾害防治技术虽已处于世界先进水平，但防灾抗灾的安全仪表和装备的技术水平与国外相比差距较大。第二，受技术条件限

18、制，许多煤矿的瓦斯监测数据无法传输给集团公司或上级主管部门，仍未建立全集团或整个地区的瓦斯监测监控网络。第三，已安装的瓦斯监测监控系统型号各异，信号传输方式不尽相同，有的采取时分制，有的采取频分制，还有的利用载波传输，给系统的管理、使用、维护以及联网带来诸多不便。第四，由于瓦斯监测监控系统对气体传感器的精度、性能、稳定性方面的要求越来越高，因此对气体传感器的研究和开发也越来越重要。1.3 瓦斯监测的发展方向 随着我国电子技术以及各项科学技术的飞速发展，作为保证我国煤矿安全生产的有效措施之一的煤矿瓦斯监测监控技术在科研和应用方面必定会在原有基础上不断的加以完善，并取得长足的发展。为了满足安全生产

19、的需求，随着先进科学技术的应用，气体传感器发展的趋势应该是微型化、智能化和多功能化。2 系统概述随着超大规模数字集成电路、单片机技术的飞速发展，利用单片机及其它外围芯片实现对瓦斯的监测成为一种可能，并且成为一种发展趋势。它具有体积小、操作简单、安装方便、功能较齐全等优点，而且性能价格比也很高，应用前景非常广泛。因此此次设计整体上是基于单片机来实现煤矿瓦斯浓度监测报警。在这里我们运用到的气敏传感器是，它是用来检测外部瓦斯的浓度（其检测到的浓度值为模拟量），并将检测到的模拟信号转化为电压信号输出出来。然后再将电压信号进行a/d转换变换成数字信号，并在单片机的控制下将其输入，然后在内部软件编程下进行

20、数值变换处理。在单片机进行完数据处理后就将其结果输出显示，从而显示出瓦斯气体的浓度，其中显示部分我采用四位的led数码管，用于显示瓦斯浓度值。若实际瓦斯浓度超限则在单片机的控制下进行声光报警，同 时利用can总线进行实时数据传输，以达到井下独立报警，井上同时知晓的报警效果，提醒生产人员离开，避免生产事故。2.1 系统框图此次设计的煤矿瓦斯监测报警器的系统框图如下所示：主要由气体传感器mc113、a/d转换器adc0809、单片机at89s51、led显示电路、声光报警装置和基于can总线的通讯电路组成。断电控制at89s51led显示信号处理电路 电源adc0809mc113传感器器基准电源声

21、光报警 上传通讯图2-1 系统框图传感器rxd txdscm1rxd txdscmn.txdrxd工控机传感器can总线图2-2 系统组网框图由图可以看出煤矿瓦斯监测报警器的硬件部分设计是以单片机系统为核心，用于整个设计的数据处理、声光报警电路等正常工作。在这里我们选用atmel公司生产的8位单片机at89s51，该种单片机与以往所采用的at89c51相比新增加了很多功能，性能有了较大提升，片内4k的flash存储空间也能满足我们设计的要求，价格较之at89c51基本不变甚至更低。甲烷传感器采用mc113气敏传感器，用于探测采集瓦斯的浓度。由于该传感器的输出信号为模拟电压信号，要想将采集到的数

22、据送至单片机系统进行数据处理则需要将模拟信号转换成数字信号，所以在这里我们还要选用a/d转换器进行模数转换处理。这里的a/d0809转换器是一种双积分的8位a/d转换器，其性能价格比很高，是一种高精度、低噪声、低漂移a/d转换器。瓦斯浓度显示部分采用四位的led数码管显示，在这里我们采用动态扫描方法来显示各种参数。工控pc机的控制参数等变量数据通过总线控制器下载到单片机中，单片机中的数据可通过can总线上传到工控机。总线控制器作为工控机与can总线的接口装置，起到了工控机与单片机数据双向传输的网桥作用。2.2 工作原理在这里我们用甲烷传感器mc113来对煤矿瓦斯浓度进行检测，由于其检测所得数据

23、模拟电压量而单片机只能对数字信号进行处理，所以在送入单片机中进行处理之前需先送入模数转换器adc0809中进行模数转换，然后才能将转换所得数据送入单片机at89s51中处理，这里的处理主要是指将输入进来的数据与我们设置的瓦斯爆炸预警值进行比较，显示其瓦斯浓度值，并通过远程通讯电路上传到监控主机进行实时监控。一旦瓦斯浓度超过设定值时则启动报警电路。3 硬件电路设计作为一个智能监测系统、它包括数据的采集、变换处理等环节，硬件设计主要包括单片机的选型、传感器的选择、a/d转换器的选择，电源电路、显示电路、声光报警电路及上传通讯电路等设计。3.1 气体传感器的选择及供电电路设计3.1.1气体传感器的选

24、择要进行个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，而这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，还是自行研制，价格能否承受。在考虑上述问题之后就能大致确定选用mc113气敏型传感器。该传感器具有成本低、体积小、本质安全性高，其稳定性、中毒抗性、输出线性等都有了大幅度的提高。根据催化燃烧效应的原理工作，由检测元件（黑元

25、件）和补偿元件（白元件）配对组成电桥的两个臂，遇到可燃性气体时监测元件电阻升高，桥路输出电压变形，该变化随气体浓度增大而成正比例增大。补偿元件起温度补偿作用，可有效去除因环境变化而引起铂丝电阻变化带来的附加误差。3.1.2 mc113的结构外形mc113根据催化燃烧效应的原理工作，由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压变化，该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大，补偿元件起参比及温湿度补偿作用。其结构图如3-1所示：图3-1 mc113外形结构图3.1.3 主要特点及技术参数主要特点及应用：·桥路输出电压呈线性·响应速度快&#

26、183;具有良好的重复性、选择性 ·元件工作稳定、可靠 ·优异的抗h2s、有机硅中毒能力·工业现场的天然气、液化气、煤气、烷类等可燃性气体及汽油、醇、酮、苯等有机溶剂蒸汽的浓度检测·可燃性气体泄漏报警器；可燃性气体探测器；气体浓度计主要技术参数如表3-1所示：表1-1 主要技术参数产品型号mjc4/2.8j型催化元件（mc113型催化元件）产品类型载体催化气敏元件标准封装金属封装、冶金粉末网工作电压(v)2.8±0.1工作电流(ma)90±10灵敏度(mv)1%甲烷20401%丁烷30501%氢气2545线形度（%）5测量范围（lel

27、）0100响应时间 (90%)小于10秒恢复时间 (90%)小于30秒使用环境-40+70 低于95%rh储存环境-20+70 低于95%rh外形尺寸（mm）mc113:9.5×14×19 mc113c: 8×10×14防爆标志exdib3.1.4 传感器供电电路设计传感器供电的稳定性直接影响检测桥路输出的准确度，为了提高测量的精度，设计了由基准电压、运算放大器和晶体管组成的恒压源专为传感器供电，电路原理如下图所示。电路中选用lm385bz-1.2作为基准电源，其温度系数为20pp/oc，片内带隙基准电压提供15ua-20ma的电流范围，且具有低噪声和长

28、期稳定性特点。图3-2 传感器供电电路从图可知，基准电源w2与r39 串联接+5v，在基准电源w2的引脚2输出一个1.2v的基准电压，该电压作为运算放大器u3a的同相输入信号，u3a负反馈回路由3、t13、 t12、 r37、r36组成，根据放大原理可知，反向输入端的电压等于同相端的电压为1.2v，由于运算放大器反相端不吸收电流，所以流过r37的电流等于流过r36的电流，按下列得到传感器的供电电压u=1.2（r36 + r37）/r36由于基准电源的电压稳定度受温度变化影响很小，故该稳压电路受温度变化影响也很小，它作为恒压源向传感器供电，可以提高该装置的测量精度。3.2单片机的选型及基本特性随

29、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mcs-51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。由于一氧化碳气体监测传感器在厨房使用，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

30、;二是要有较高的性价比。单片机自20世纪70年代问世以来，以极其高的性价比受到人们的重视和关注，所以应用很广，发展很快。单片机的优点是体积小、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。广大工程技术人员通过学习有关单片机的知识后，也能依靠自己的力量来开发所希望的单片机系统，并可获得较高的经济效益。正因为如此，在我国，单片机已被广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪表、家用电器等各个方面。3.2.1 单片机at89s51经综合分析选用单片机at89s51适合。at89s51是一种低功耗高性能的8位单片机，片内带有一个4kb的flash在线可编擦除只读存

31、储器，它采用了cmos工艺和atmel公司的高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统和51系列单片机兼容。片内的存储器允许在线重新编程或用常规的非易失性存储器编程器来编r36组在众多的51系列单片机中，要算atmel公司的at89s51更实用，因为它不仅和mcu-51系列单片机指令、管脚完全兼容，而且它将通用cpu和在线可编程flash集成在一个芯片上。这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。 3.2.2 单片机at89s51的基本特性at89s51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（i/o）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数

32、器,2个全双工串行通信口，at89s51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的flash存储器可有效地降低开发成本。图3-3 at89s51内部结构图引脚功能：40只引脚按其功能来分，可分为三个部分：* 电源及时钟引脚：vcc，vss；xtal1，xtal2。* 控制引脚：psen、ale、ea、reset（即rst）。* i/o口引脚：p0、p1、p2、p3，为4个8位i/o口的外部引脚。1.电源引脚。电源引脚接入单片机的工作电源。vcc（40脚）：接+5v电源；vss（20脚）：接地。2.时钟引脚xtal1、xtal2。

33、时钟引脚外接晶体与片内的反相放大器构成了一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号。时钟引脚也可外接晶体振荡器。xtal1（19脚）：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端。这个放大器构成了片内振荡器。当采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。xtal2（18脚）：接外部晶体的另一端，在单片机内部接至内部反相放大器的输出端。若采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。3.2.3晶体振荡电路实现测量的另一必备环节是时基电路。通常采用石英晶体振荡器来作为标准时基信号，要求频率准确、稳定。为获得较稳定的时基信号，以控制主控门的开启时间，可采用

34、石英晶体多谐振荡器来产生时基信号。51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚xtal1和xtal2分别是比较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晶体或陶瓷谐振器和微调电容一起构成一个自激振荡器，它提供了单片机的时钟控制信号，控制cpu的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，将各个硬件环节组织在一起，使它们有条不紊地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响整个系统的稳定性。本系统使用内部时钟方式，微调电容c1、c2的值选择为30pf，晶体为12mhz，芯片内的时钟发生器是一个2分频触发器，振荡器的输出fosc为其输入，输

35、出为两相的时钟信号，频率为振荡器输出信号fosc的1/2。状态时钟经3分频后为低字节地址锁存信号ale，频率为振荡器输出信号fosc的1/6，经6分频后为机器周期信号，频率为fosc/12。机器周期就是振荡器输出信号fosc经12分频后的信号周期。本系统使用12mhz晶体做主频率，执行一条指令的时间，也就是一个指令周期为1µs。其接线图如图下图所示：图3-4 晶振接线图3.2.4报警解除电路当系统检测出瓦斯浓度超出报警值时，声光报警器就会发出报警，当达到提醒人们离开的目的后，我们需要解除声光报警，解除报警有两种途径，一种是手动解除，一种是系统自动解除，若没有手动解除报警，则系统可通过

36、调用20s的延时时间来自动解除报警。其手动解除报警电路图如3-5所示：图3-5 报警解除电路3.3 数据采集系统电路设计数据采集电路原理图如3-6图所示，从图中可知数据采集电路由传感监测器件、零点校正、前置放大、a/d转换单元及其接口电路组成.由传感器的黑白元件rb、rw配对组成的电桥的两个臂，其输出为气体浓度对应的电信号，r43、r45组成零点校正电路。图3-6 数据采集电路3.3.1 前置放大电路设计前置放大电路采用单片仪用放大器ad620，它是一种低功耗、高精度仪表放大器，只用一个外部电阻就能设置11000倍的放大倍数，简化了外部电路设计，减小了外部干扰源与单运放电路相比，其突出优点为共

37、模抑制比高，输入阻抗大、体积小、功耗低、噪声小及供电电源范围广等特点。可通过调节ad620的外接增益电阻的阻值来改变放大器的增益。3.3.2 a/d转换器的选型信号处理系统采用8位a/d转换器adc0809实现a/d转换。adc0809是一种带有8位转换器、8位多路切换开关以及与微处理机兼容的控制逻辑的cmos组件，是以逐次逼近原理进行模数转换的器件，adc0809的主要特性是：8路输入通道，8位a/d转换器，即分辨率为8位,具有转换起停控制端,转换时间为100s,单个5v电源供电,模拟输入电压范围05v，不需零点和满刻度校准,工作温度范围为-4085摄氏度,低功耗，约15mw。adc0809

38、的原理框图如下图3-7所示：图3-7 adc0809的原理框图adc0809引脚排列如图3-8所示：图3-8 引脚排列图adc0809的引脚功能如下所述：in0in7：8个模拟量输入端。start： 启动a/d转换器，当start为高电平时，开始a/d转换。d0d7：8位数字量输出端。adda、addb、addc：通道号端子，c为最高位，a为最低位。当c、b、a全零时，选中in0通道接入；当c、b、a为001时，选中in1接入；当c、b、a为111时，选中in7通道接入。ale：地址锁存允许信号，高电平有效。当ale为高电平时，允许c、b、a所示的通道被选中，并将该通道的模拟量接入a/d转换器

39、。eoc： a/d转换结束信号，当a/d转换完毕之后，发出一个正脉冲，表示a/d转换结束。此信号可作为a/d转换是否结束的检测信号或中断信号。oe：数据输出允许信号。如果此信号被选中，允许从a/d转换器锁存器中读取数字量。clk：时钟信号。vref（+）、vref（-）：基准电压。vcc：电源，单一5v。gnd：接地。本设计中只采集系统中传感器输出的模拟信号，只需选择一个模拟输入通道，选择in0通道，将ale=1，当start上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 a/d转换，之后eoc输出信号变低，指示转换正在进行。直到a/d转换完成，eoc变为高电平，指示a/d转换结束，结果数据已存入锁存

40、器，这个信号可用作中断申请。当oe输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。3.3.3 a/d转换电路设计上面简单对a/d转化器进行了介绍，根据设计要求，信号a/d转换硬件电路电路图如3-9图所示：图3-9 a/d转换硬件电路该硬件电路的工作流程如下：由上述内容可知adc0809的in0in7为8路模拟通道输入端，本设计中采用ino一个模拟通道；数据端口d0d7与at89s51的数据总线p0口（p0.0p0.7）直接连接，实现数据的双向传输；adc0809的工作频率在0500khz，而at89c51的ale信号频率为1mhz，因此时钟clk由at89s51的地址锁存端a

41、le信号要经74ls74进行四分频后与at89s51的clk连接，才能使adc0809正常工作；本设计只考虑对唯一的电流模拟信号进行a/d转换，所以将通道地址选通输入端adda、addb、addc接地，始终置零，即选择一个模拟通道in0作为电流模拟信号的输入端。adc0809的a/d转换结束信号eoc经过74ls02后输出低电平接at89s51的p3.2口，停止a/d转换，发送转换结果，准备进行下一次信号采集；用at89s51的p2.0口与写信号线p3.6口作为74ls02的输入端，输出端分别控制adc0809的ale和启动信号转换端start，启动adc0809按接入的通道in0进行a/d转

42、换；用at89s51的p2.0口与读信号线p3.7口作为74ls02的输入端，输出端控制adc0809的允许信号oe，实现数字信号输出。本文只设计到对一个电流信号的处理，如果需要对多路电流信号进行处理时，就不将at89s51中的通道地址选通输入端adda、addb、addc置零，用一个74ls373对adc0809中的8个模拟通道进行选择，以此来实现多个模拟信号的数模转换，在这里就不多做研究。3.4显示电路3.4.1 显示器的选择我们选用led数码管作为显示器件。数码管的工作原理如下：数码管由8个led发光二极管组成，外形如图3-3所示。ag和dp为8个发光二极管，其中ag用于显示字符，dp用

43、于显示小数点，用p2.0、p2.1、p2.2、p2.3来控制位选 。当发光二极管正向导通时，借着点亮每一段的led就可以显示出数字。本设计采用的就是共阴极接法的数码管。下图是七段数码管的引脚：图3-10 led引脚图各段码位的对应关系如下表：表3-2 段码位与显示位对应关系表段码位d7d6d5d4d3d2d1d0显示段dpgfedcba字型和对应的共阴极段码如下表： dec 47h查出显示码送p2口并调用显示延时2ms选通个位,显示码表地址送dptr从70h取出显示码送累加器a显示延时计数器47h等0么？ dec 47h查出显示码送p2口并调用显示延时2ms选通个位,显示码表地址送dptr从7

44、0h取出显示码送累加器a显示延时计数器47h等0么？表3-3 十六进制数及空白字符与p的显示段码字型共阴极段码字型共阴极段码03fh96fh106ha77h25bhb7ch34fhc39h466hd5eh56dhe79h67dhf71h707h空白00h87fhp73h注：（1）本表所列各字符的显示段码均为小数点不亮的情况； （2）空白字符即没有任何显示3.4.2 数据显示部分电路在显示器件的选择中我们采用了数码管进行显示数据。其中数码管显示器有两种显示方式，即静态显示方式和动态显示方式。由于此次显示电路是为了显示瓦斯浓度值且其浓度是变化的，所以我么采用动态显示。由于采用动态显示，因此除了要给

45、显示器提供显示段码之外，还要对显示器进行位的控制，即通常所说的“段控”和“位控”。因此对于采用动态显示的电路来说，单片机都需要提供两种输出口，一种用于输出显示段码，另一种用于输出位控信号。“位控”实际上就是对led显示器的公共端进行控制，位控信号的数目与显示器的位数相同。 图3-11 显示电路设计显示电路设计为四位led，由单片机89s51的串行输出口经串行输入转并行输出来控制段选段选，位选接在p2口的p2.1p2.4。这种设计是为了采用动态显示方式。3.5 声光报警及断电电路设计3.5.1 声光报警电路设计声光报警电路是由蜂鸣器和发光二极管组成的，用p2.5和p2.6作为声光报警电路的使能信

46、号输出端。其中蜂鸣器我们采用+5伏直流蜂鸣器，其属于无源蜂鸣器，内部封装有音频振荡电路只要外加+5直流电源电压即可起振发声。当采集到的瓦斯浓度超过预先设定的上限值时，系统发出声光报警信号。声光报警电路如3-12图所示。图3-12 声光报警电路3.5.2断电控制电路设计当采集浓度值超过断电设定值，则向上位机传送断电信号，由断电控制器切断井下电源，避免爆炸事故发生。断电控制主要有p3.4端口来控制，电路上外接一个断电控制器来实现，当p3.4为高电平时，断电器触点闭合，断电有效；当p3.4为低电平时，断电器出触点打开，断电控制关闭，d1、d2起保护作用。 3-13 断电控制电路3.6通讯电路在整个监

47、测系统中，甲烷传感器作为最主要的监测执行器件，需实时向监控主机传送甲烷浓度数据及接收监控主机下送的控制命令。系统抗干扰能力强、传输速率高、传输距离远的输入输出接口的设计十分重要。本文采用能实现井上井下长距离实时通讯的can总线。3.6.1 can现场总线介绍can总线是德国bosch公80年代初开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可是双绞线、同轴电缆或一种多主总线，通信介质可是双绞线、同轴电缆或其主要热点：(1)can总线通信接口中集成了can协议的物理层和数据链路层功能可完成对通信数据的成帧处理。包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。(2)can协议的一

48、个最大特点是废除了传统的站地址编码代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成因此可定义21l或229个不同的数据块这种按数据块编码方式还可使不同节点同时接收到相同数据这一点在分布式控制系统中非常有用。(3)can总线采用多主竞争式总线结构具有多主站运行和分散仲裁的串行总线及广播通信特点。(4)结构简单，只有2根xg与外部相连，并且内部集成了错误探测和管理模块。(5)传输距离远。scmscm控制器控制器收发器收发器适配卡机can总线图3-14 基于can总线的组网原理框图3.6.2 can总线的硬件实现can总线

49、是由pci9810-can适配卡提供，本设计采用philips公司的sja1000can总线控制器，该控制器具有舵主结构、总线访问优先权、成组与广播报文功能及硬件滤波功能。输入时钟频率为16m赫兹时钟，输出可编程控制。pca82c250为can总线收发器，是can协议控制器和物理总线之间的接口，可为总线提供不同的发送性能，为can控制器提供不同的接收性能,6n137为光电耦合器，起电气隔离作用。工作过称为：a/d转换器的数据传送给单片机，单片机将采集到的数据报送到sja1000通过can总线收发器pca82c250上传总线，完成采集工作。can总线测控系统的通讯软件分为3部分：can初始化、数

50、据发送和数据接收。图3-15 can总线通讯电路图3.6.3 can总线与上位机的连接本设计采用pci9810-can适配卡完成can总线与上位机的连接。pci9810非智能单通道can接口卡采用标准pci接口，能让pc方便的连接到总线上，实现can2.0b（兼容can2.0a）的连接通讯。pci9810接口卡采用4层板工艺，自带光电隔离，保护pc机避免由于地环流的损坏，增强系统在恶劣环境中使用的可靠性，采用wdm驱动程序，支持win98、win2000和xp操作系统，并支持多个设备。pci9810-can适配卡外观如图3-16所示：图3-16 9810适配卡外观图pci9810-can适配卡通过一个db9针形插座cz1与实际的can网络进行连接，适配卡可直接插入pc机的pci插槽，从而实现can总线与pc机的通讯。cz1的管脚信号定义如表3-2所示：表3-2dp9 插座的引脚定义引脚信号描述1n.c.2can-lcan-l信号线3can-gnd参考地4n.c.5can-shield屏蔽线6can-gnd参考地7can-hcan-信号线8n.c.9n.c.本设计通过选配db9-ope