瓦斯气体浓度检测调节控制系统

1、目录一、 设计背景与要求1（一）设计背景1（二）设计要求1二、方案论证1（一）单片机选择1（二） 传感器的选择2（三）显示模块的选择2（四）风机的选择3三、系统硬件设计3（一）硬件方框图4（二）硬件设计原理图5四、系统实物图12五、测试结果13六、总结13瓦斯气体浓度检测调节控制系统（）摘要：瓦斯等可燃危险气体的浓度检测一直是煤矿安全生产重要前提。鉴于此，利用STC89C52单片机智能控制技术并集成了瓦斯传感器等功能电路设计了一种瓦斯气体浓度检测调节控制系统。系统包括单片机主控模块、瓦斯传感器、双色灯显示模块、报警模块、液晶显示模块、电机驱动模块。系统主控模块采用性价比高的单片机最小系统；选用

2、瓦斯传感器进行信号采集；利用双色灯显示变化信息，报警装置报警，液晶显示浓度的变化，电机转动调节瓦斯气体的浓度。本系统成本低，性能较稳定，可自动检测和调节瓦斯气体浓度并报警。 关键词：STC89C52；瓦斯传感器；成本低；报警一、 设计背景与要求（一）设计背景煤矿生产安全监控系统虽在国内已有生产和应用，但还没有一种真正适合于中小型煤矿使用的产品，我国从八十年代初期开始引进煤矿生产安全监控系统，历经了直接引进、消化吸收、仿制配套、自主开发的过程，但迄今为止的产品大多都是面对大型矿井设计的，而且自身尚有一些有待解决的问题，如: :造价高系统最基本的配置过于庞大，运行费用大传感器测量稳定性差,调校频繁

3、，寿命短。系统安装、维护复杂，操作不便，人机界面较差。系统设备可靠性差。必须依赖专业的维护队伍，对人员技术，素质有较高的要求。综上所述，瓦斯浓度监测监控器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。（二）设计要求当瓦斯浓度正常时，电动机缓慢正转，双色灯的显示绿灯。当瓦斯浓度超过警戒值时，警报器报警，电动机加速正转，超过危险值时，电动机再减速停止，然后反向转动，双色灯显示红灯。当瓦斯浓度恢复

4、正常时，警报器停止报警，电动机反向缓慢减速，停止，然后再缓慢正转，双色灯显示绿灯。用诺基亚5110液晶显示瓦斯浓度值。二、方案论证（一）单片机选择选择STC89C52RC 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位 计数器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行

5、口。另外 STC89X52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。 图1 STC89C52引脚图 图2 STC89C52实物图（二） 传感器的选择由于瓦斯气体很难提取，我们这次实训用酒精代替，于是我们选择了MQ-3酒精传感器。它具有以下特点： A、具有信号输出指示 B、模拟量输出和TTL电平输出 C、TTL输出信号为低电平，可以直接连接单片机 D、模拟输出量为05

6、V，浓度越高电压越高 E、对乙醇浓度具有很高的灵敏性 F、具有快速响应恢复特性 图3 酒精传感器实物图（三）显示模块的选择选用诺基亚5110液晶显示，因为它84x48 的点阵LCD，可以显示4 行汉字; 采用串行接口与主处理器进行通信，接口信号线数量大幅度减少，包括电源和地在内的信号线仅有9 条。支持多种串行通信协议（如AVR 单片机的I、MCS51 的串口模式等），传输速率高达4Mbps，可全速写入显示数据，无等待时间;可通过导电胶连接模块与印制版，而不用连接电缆，用模块上的金属钩可将模块固定到印制板上，因而非常便于安装和更换;LCD 控制器驱动器芯片已绑定到LCD 晶片上，模块的体积很小;

7、采用低电压供电，正常显示时的工作电流在200µA 以下，且具有掉电模式 。 图4 诺基亚5110液晶显示（四）风机的选择在矿道内瓦斯气体浓度正常时风机的主要作用是正转向矿道中通入空气当矿道内瓦斯气体浓度异常时风机会先停止然后反转抽出矿道中高浓度的瓦斯气体恢复正常后风机由反转到停止然后再正转向矿道中通入空气。 风机之所以要先停止在转动是因为风机在由正转到反转后有反转直接进行正转是瞬间电流会很大烧毁电机。 图5 交流电机PCB图三、系统硬件设计（一）硬件方框图1、最小系统及采样电路设计部分框图本部分包括采样电路、供电电路、晶振电路、复位电路、电频转换电路及单片机电路部分，供电电路主要是为

8、单片机提供12V电；复位电路是对单片机进行复位，要想复位必须达到两个条件，一是复位引脚处是高电压，二是时间达到两个机器周期以上；晶振电路是由两个22PF的电容和一个晶振构成，连接单片机的18、19引脚；电频转换电路主要用的是MAX232芯片，它主要是和单片机进行电频的转换；采样电路是主要是瓦斯传感器，对瓦斯浓度进行采集，将信息传送给单片机。框图如下： 图 6 最小系统设计方框图2、驱动系统图本部分包括双色灯显示部分、报警模块、液晶显示模块、电机驱动模块，双色灯显示电路主要是用于显示瓦斯浓度是否超过危险值，如果超过危险值则显示红灯，否则显示绿灯；报警电路用于报警，提示工作人员，给以警报的作用；液

9、晶显示电路时用诺基亚5110液晶，框图如下： 图 7 驱动系统方框图3、系统总图 图8 总系统方框图（二）硬件设计原理图1、最小系统电路部分 供电电路图9是电源电路原理图，主要由开关、发光二极管、电阻组成。在这里电阻的作用是防止二极管击穿。 图9 电源电路原理图 复位电路图10是复位电路原理图，主要有电阻、电容和按键组成。复位电路分为手动复位和上电复位。上电复位即通电时复位引脚处于高电平状态，在此电路中电容与电阻串联，电阻所得电压几乎为5V,当电容进行充电时，电容两端电压增大，电阻两端电压减小，当电阻电压减小到3.5V时，复位引脚处于低电平状态，在此期间所需时间大于两个机器周期，满足复位条件，

10、故单片机复位；手动复位即按键未按前，复位引脚处的电位值为0V，处于低电平状态，当按键按下时，复位引脚处的电位值为10K电阻所得电压值，即：10K*5V/(1+10)K;当电压值大于3.5V时为高电平，经公式算得电压值大于3.5V，故此时复位引脚处于高电平状态，按下按键所需的时间大于两个机器周期，满足复位所需条件，故单片机复位。 图 10 复位电路原理图 晶振电路图11是晶振电路原理图，主要有晶振和电容组成一个稳定的自激振荡电路，产生单片机芯片工作所需要的时钟脉冲，提供振荡源。测量起振方法有两种，一种是用万用表测晶振两端是否有电压差；第二种方法是用示波器测量。 图11 晶振电路原理图串行通信电路

11、图12是串行通信原理图，串行通信的电路使用的是MAX232芯片，实现PC和单片机之间的通信转换，16的引脚是电荷泵电路，79脚悬空，为一组通信；1114脚为通信功能引脚，为另一组通信。C5电容是单独的属性，滤波作用，保护芯片；C2,C3,C4,C6电容是同一属性。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。 图12 串行通信原理图 最小系统实物图 如下：图13 图13 最小系统实物图1、驱动部分电路 双色灯显示电路双色灯

12、电路主要有三极管和电阻组成。三极管在这里主要事放大作用。如下图14是双色灯显示原理图，图15是双色灯显示实物图 图14 双色灯显示原理图 图15 双色灯显示实物图报警电路图16是报警电路原理图，声光报警电路是由蜂鸣器和发光二极管组成的用P1.0和P1.1作为声光报警电路的使能信号输出端。为了提高声光报警电路的驱动能力均加有74LS04反向驱动器同时为了保证电路可靠工作加了限流电阻。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。图17是报警系统的实物图。 图 16 报警电

13、路原理图 图17 警报器实物图电机驱动电路电机驱动电路由稳压模块、移相电路模块、D/A转换模块组成。A、稳压模块图18是稳压模块原理图，此部分电路主要有CL7660芯片和78L05芯片。ICL7660主要的作用就是将+5V的电压转换成-5V电压；78L05芯片主要是将输入的12V转换成5V,稳压作用。 图18 稳压电路原理图B、移相电路图19是移相电路原理图，此部分主要有TCA785芯片、MOC3021和TLP521光耦。TCA785芯片是移向控制电路，用来控制半导体晶闸流管，双向可控硅开关，触发脉冲在0180度之间，可以手动控制脉冲输出宽度。光耦在这里主要起到隔离电压作用。在管脚11引入移相

14、控制电平，管脚6接调制信号，管脚5接同步信号，管脚9和管脚10分别接锯齿波斜率电阻和电容，管脚12通过电容接地，管脚15和管脚14为脉冲输出端Q1、Q2。由管脚5引入的同步信号，经内部零点鉴别器，同步寄存器控制锯齿波发生器，使之产生与同步信号同步且频率为同步信号两倍的锯齿波。锯齿波的斜率由管脚9和管脚10间的电阻电容决定，当锯齿波的电压等于移相控制电平时，便产生一个经调制的脉冲信号送到内部输出逻辑单元。管脚14、管脚15输出脉冲相位差180°。光耦在这里主要起到隔离电压作用。图 19 移相电路原理图C、数模转换电路图20是数模转换电路原理图，此部分电路主要有PCF8591芯片、和PC

15、817光耦、比较放大器、二极管组成。PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS数据获取器件。PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I²C总线接口。PCF8591的3个地址引脚A0, A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个I²C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I²C总线以串行的方式进行传输。光耦在这的作用是将12V和5V隔离，也就是隔离电压作用。图20 数模转换电路原理图D、驱动电路实物图图21是驱动电路实物图，用直接对目标板进行调试。

16、然后下载到电路板中。图21 交流电机驱动实物图四、系统实物图 图22 系统实物图五、测试结果 图23测试结果显示图六、总结通过这次设计，复习了以前学过的Protel和Keil等绘图知识，当然在这个过程中我们遇到了好些问题例如：、画图的时候器件查找错误、画PCB图示元器件封装弄错，把贴片式的封装搞成了插针式封装、PCB布线时布的太乱，元器件之间的空隙过大，造成了很大的浪费、使用keil软件编辑程序时，总是出现错误、焊接时把二极管焊接反了，有的元器件找不到，以至于焊接速度很慢、连接实物时电机总是不转、连接液晶显示时总是显示不了出现了问题当然要解决，首先我们小组进行了讨论，比如说那些画图过程中遇到的

17、问题，我们就按照老师给的参考图去放置元器件，自己动手翻书去查找那些元器件的封装，有的元器件封装没有，我们就自己画；由于我们程序那方面不太熟练，我们就请教老师，帮我查找了错误；焊接过程中出现了错误首先自己用万用表测量下，然后分析哪部分出现了错误，进行解决；连接实物图时由于我们接的是220V的电压，老师担心我们安全，就自己先演示一遍，但我们之前把继电器焊接错误，导致连接后电机无法转动重新焊接继电器之后电机就转动了；在接液晶显示时出现了液晶亮但不显示的情况，这个问题最难解决，我们一开始以为是酒精传感器的问题，换了两三个酒精传感器之后还是不显示酒精的度数，最终我们知道原来是程序上的错误。通过这次实训，我最深的感受就是自己真的很缺乏锻炼，理论学的再好也得