基于单片机的瓦斯报警器的设计.docx
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基于单片机的瓦斯报警器的设计
本科毕业设计（论文）
题目基于单片机的瓦斯报警器的设计
院（系部）电气与自动化工程系
专业名称电子信息工程专业
年级班级电信08—2班
学生姓名******
指导教师******
年月日
摘要
本课题设计的是用单片机控制的瓦斯浓度报警监控仪，是采用热催化原理探头制成的瓦斯浓度测量仪，适用于中小型煤矿井下各作业场所中测量空气中的瓦斯浓度。
仪器能够根据瓦斯浓度报警限（1.00%）进行声、光报警。
仪器由CPU、敏感元件、A/D转换电路、显示电路、报警电路等组成。
其中CPU是监控仪的核心，完成数据采集、处理、输出、显示等功能；敏感元件是准确检测瓦斯气体含量的主要元件之一，其输出是与瓦斯浓度相对应的电压信号；A/D转换电路把放大了的电压信号由模拟信号变为数字信号送入CPU；显示电路则显示实时瓦斯浓度；报警电路对超限瓦斯浓度进行报警。
该仪器的特点是测量范围宽，精度高；结构简单，成本低；可靠性和稳定性好，是一种电路设计新颖、参数测量准确、操作方便的矿用瓦斯浓度监控仪。
关键词：
CPU；A/D转换电路；敏感元件；报警
Abstract
Thispaperdesignsgasalarmmonitor,whichisaccordingtocatalyticprinciple.Itisapplicabletosmallandmedium-sizedcoalmineinthemeasurementofworkplaceairconcentrationofgas.Apparatus,whichisaccordingtogasconcentrationalarmlimit（1%）,carryoutsoundandlightalarm.ApparatusconsistsofCPU,sensitiveelement,A/Dconversioncircuit,displaycircuitandalarmcircuit.CPU,whichisthecoreofthemonitor,finishesdata’sacquisition,processing,output,displayandotherfunctions;sensitiveelementthatisusedoftheaccuratedetectionofgascontentisoneofthemaincomponents,anditsoutputisthevoltagesignalwhichiscorrespondingtothegas-concentration;A/DconversioncircuitexportstheamplifiedvoltagesignalfromtheanalogsignalintodigitalsignaltotheCPU;displaycircuitdisplaysthereal-timegas-concentration;thealarmcircuitalarmstothelimitedgas-concentration.Theapparatusischaracterizedbyawidemeasurementrange,highprecision,reliabilityandgoodstability.Itisthatparametermeasurementisaccurate,theminegas-concentrationmonitor.
Keywords:
CPU;A/Dconvertercircuit;Sensitivecomponents;Alarm
前言1
1绪论2
1.1本课题的研究背景及意义2
1.2国内外发展概况及研究方向3
2系统概述4
2.1系统框图4
2.2工作原理5
3报警器设计6
3.1瓦斯检测设备6
3.1.1瓦斯浓度检测仪的分类6
3.1.2热催化元件的结构及工作原理7
3.2A/D转换电路14
3.2.1ADC0809的介绍14
3.2.2引脚功能14
3.2.3主要特性16
3.3单片机的概述16
3.3.1单片机中断系统16
3.3.2单片机复位电路18
3.3.3AT89C51简介19
3.3.4主要性能参数20
3.3.5管脚说明21
3.3.6AT89C51单片机对ADC0809的接口24
3.4声光报警与LED显示25
3.4.1声光报警单元25
3.4.2LED显示26
4系统仿真及部分程序29
4.1系统仿真29
4.2部分程序30
参考文献36
附录：
38
外文资料与中文翻译38
前言
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报警器。
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。
所以开发设计出一种操作简单的瓦斯报警器，对有效的预防和减少瓦斯爆炸具有非常现实的意义。
1绪论
1.1本课题的研究背景及意义
从我国煤炭生产的现状及我国能源结构战略规划均可看出，在本世纪中叶以前，煤炭仍将是支持我国国民经济发展的主要能源。
煤炭生产作为我国能源工业的支柱，其地位将是长期的，稳定的。
但是，目前煤炭工业的安全生产状况却很差，其中之一便是有害气体的危害性，包括CH4，瓦斯，SO2等。
瓦斯（CH4）是煤矿井下危害最大的气体，它是在成煤过程中形成并大量贮存于煤层之中的气体，无色、无味，有易燃、易爆等特点。
瓦斯的危害主要表现为三个方面：
第一、瓦斯浓度过高，对工人身体健康造成伤害，表现为缺氧，呼吸困难，窒息等；第二、瓦斯煤尘爆炸，瓦斯爆炸所产生的巨大冲击波和高温火焰，往往导致群死群伤，而且扬起的煤尘又会参与爆炸，摧毁巷道，毁坏设备，甚至毁灭整个矿井，给国家和人民生命财产造成巨大损失。
第三、大量的瓦斯排入大气，污染大气环境。
目前我国已经使用的瓦斯报警矿灯具有体积小、结构简单、安装方便等优点，但存在的问题是传感器漂移大，要定期维护，并且需要维护的周期很短；维护方法复杂，成本较高，抗机械干扰能力较差。
为了解决这些问题，本课题在分析模拟式瓦斯报警器特点的基础上，充分利用51单片机的强大功能，对瓦斯浓度进行实时采集、数据处理，对瓦斯传感器进行实时自校零、非线性补偿，对提高瓦斯检测的可靠性和系统的性价比具有十分重要的意义。
1.2国内外发展概况及研究方向
仪器不断更新。
其类型根据监测对象可分为可燃性气体监测仪，毒性气体监测仪和氧气监测仪等；从仪器结构和方法上分为袖珍式，便携式和固定式。
袖珍式仪器的采样方法为扩散式，用于在危险环境中的工作人员随身携带；便携式仪器采样方法为泵吸式，用于监测人员定期安检；固定式仪器用于煤矿井下固定地点气体监测。
世界各国均有煤矿瓦斯气体监测的系统，如波兰的DAN6400、法国的TF200、德国的MINOS和英国的Senturion-200等，其中全矿井综合监测控制系统有代表性的产品有美国公司生产的MSN系统，德国BEBRO公司的PROMOS系统。
但是这两种系统只是基于井下监测，并无数据上传，不能实现智能化监控。
国外的监控系统技术虽然高于国内发展水平，但应用于国内煤矿尚有一定的局限性，如煤矿管理模式生产方式的不同，价格过高等。
因此，除在传感器技术方面可供借鉴外，其它仅具一定的参考价值。
我国监测监控技术应用较晚，8年代初，从波兰、法国、德国、英国和美国等引进了一批安全监测系统，装备了部分煤矿在引进的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况，先后由重庆煤科院、辽宁抚顺煤科院等国内知名煤矿科学研究所研制出KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92、KJ95、KJ101等煤矿有害气体监测系统，在我国煤矿己有大量使用，但其中很大一部分仪表的传输数据是模拟方式，将气体浓度转化为脉冲量，易受矿井下强电磁设备干扰，造成监测结果不准确，易出现误报警等现象。
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、携带方便、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AT89S51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MQ-4，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。
然后再将电压信号输入到AD7109进行A/D转换变换成数字信号，并在51单片机的控制下将其输入，然后在内部软件编程下进行数值变换处理。
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，其中显示部分我们采用四位的LED数码管，用于显示瓦斯浓度值。
若实际瓦斯浓度超限（浓度超限预警值可键盘控制输入）则在单片机的控制下进行声光报警。
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、A/D转换器ADC0809、单片机AT89C51、LED显示电路、声光报警装置和附件电路组成。
图2-1系统框图
2.2工作原理
在催化元件电源端加上一正电压，使催化元件开始工作，输出与瓦斯浓度相对应的电压信号，送到A/D转换，A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号送入CPU,CPU对采样值进行数值计算，处理后，驱动显示器显示出被测气体中的瓦斯浓度值，若被测气体中瓦斯浓度超过报警电路预定的数值时，报警电路即发出声、光报警信号。
3报警器设计
3.1瓦斯检测设备
3.1.1瓦斯浓度检测仪的分类
（1）光干涉式
光干涉式是利用光波对空气和瓦斯折射率不同所产生的光程差，引起干涉条纹移动来实现对不同瓦斯浓度的测定。
其优点是准确度高，坚固耐用，校正容易，高低浓度均可测量，还可测量二氧化碳浓度；其缺点是浓度指示不直观，受气压温度影响严重；光学零件加工复杂，成本较高和实现自动检测较困难。
（2）热催化式
热催化式是利用瓦斯在催化元件上的氧化生热引起其电阻的变化来测定瓦斯浓度。
其优点是元件和仪器的生产成本低，输出信号大，对于1%气样，电桥输出可达15mV以上，处理和显示都比较方便，所以仪器的结构简单，受背景气体和温度变化的影响小，容易实现自动检测。
其缺点是探测元件的寿命较短，不能测高浓度瓦斯，硫化氢及硅蒸气会引起元件中毒而失效。
目前国内外检测瓦斯的仪器广泛采用这一原理。
（3）热导式
热导式是利用瓦斯与空气热导率之差来实现瓦斯浓度的测定。
其优点是热导元件和仪器设计制作比较简单，成本低、量程大，可连续检测，有利于实现自动遥测，被测气体不发生物理化学变化，读数稳定，元件寿命长。
其缺点是测量低浓度瓦斯时输出信号小，受气温及背景气体的影响较大。
（4）红外线式
红外线式是利用瓦斯分子能吸收特定波长的红外线来测定瓦斯浓度。
其优点是采用这一原理的仪器精度高，选择性好，不受其它气体影响，测量范围宽，可连续检测；其缺点是由于有光电转换精密结构，使制造和保养产生困难，而且体积大，成本高，耗电多，因此推广使用受到一定限制。
（5）气敏半导体式
气敏半导体的种类较多，如氧化锡、氧化锌等烧结型金属氧化物。
这一原理是利用气敏半导体被加热到200℃时，其表面能够吸附瓦斯而改变其电阻值来检测瓦斯浓度。
其优点是对微量瓦斯比较敏感，结构简单、成本低。
但当浓度大于1%CH4时，其反应迟钝，选择性和线性均较差，所以很少用于煤矿井下瓦斯浓度的检测，而多用于可燃气体的检漏报警。
（6）声速差式
在温度为22℃、气压为101325Pa条件下，声波在瓦斯中的传播速度为432m/s，而在清洁空气中为3m/s。
比较这两种速度就可测定高浓度瓦斯。
其优点是读数不受气压影响，对背景气体、粉尘及气温变化很敏感，其缺点是不适合测量低浓度瓦斯，一般只用来检测矿井抽放瓦斯管道中的瓦斯浓度。
根据设计要求及各类检测仪的优缺点，本课题设计采用热催化式工作原理。
3.1.2热催化元件的结构及工作原理
3.1.2.1热催化元件的结构
载体催化燃烧式传感器一般被制成一个便于测量的探头，探头可以单独设置，也可以作为一个独立单元装配在仪器内使用[7]。
探头内部的主要元件是黑元件（催化元件）和白元件（补偿元件），两个元件分别配置在电桥电路中，作为一组桥臂，另一组桥臂是两个固定电阻，作为电桥的比率臂。
与黑白元件相对应，为使电桥在无瓦斯状态下处于平衡状态，桥路内装有调零电位器W。
此外，传感器电源应是经过稳压的稳压源。
这种敏感元件的外观图见图3-1，其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、寿命长等特点。
适用于煤矿井下作业环境测量空气中的瓦斯气体浓度。
图3-1热催化元件外观图
（1）元件使用环境条件
温度：
-20℃～+70℃
湿度：
<95%RH
风速：
<5m/s
大气压力：
80～116KPa
（2）零点输出（空气中的输出电压）
V。
：
OmV～+2OmV
（3）灵敏度
M>2mV
（4）传感器对多种可燃气体的敏感特性
图3-2表示CH4气体敏感元件对各种气体的反应关系，从图上我们可以看出敏感元件输出电压与对各种气体浓度之间具有较好的线性关系。
图3-2传感器对各种气体的反应关系
（5）温湿度的影响
1）恒定湿热试验：
40℃，95%RH，96小时（见图3.3）。
Y轴表示Vo的输出电压值。
图3-3恒定湿热实验图
2）低温试验见表3-1（气敏元件在0～40℃的环境下维持4小时的数据）
表3-1低温试验记录
※代表传感器输出出现振幅在0～2.5V之问的振荡波型，见图3-4
图3-4传感器震荡波形
（6）高浓度瓦斯试验
将O一7#传感器置于10%的瓦斯环境中2小时，放气前后的数据状态。
表3-2高浓度瓦斯试验放气前后的数据
（7）稳定性
l）初始稳定性
a.在空气中的初始稳定性
贮存一周到一年的元件初始零点输出可能不为零，只需在工作点电压稳定十分钟后输出零点将归零
b.在气体中的稳定性
贮存一周到一年的元件刚开始下作时灵敏度可能达不到最佳点，只需在工作点电压稳定二十分钟后输出灵敏度将复原
2）长期稳定性
图3-5长期稳定性
3.1.2.2敏感元件工作原理
黑元件载体催化燃烧式元件，当瓦斯气体在元件表面与氧气产生无焰燃烧时，电桥失去平衡，输出一个电压信号。
白元件是补偿元件，基本结构和技术参数与黑元件相同，但表面不涂镀催化剂，不参加低温燃烧。
但由于白元件处于与黑元件相同的工作环境中，所以，对非瓦斯浓度变化引起的催化元件阻值变化起补偿作用，以提高仪器零点稳定性和抗干扰能力。
黑白元件的工作原理：
使用时一般将黑白元件串联，作为电桥的一臂，用普通电阻构成电桥的另一臂，电桥的两端加上稳定的工作电压U。
当含有瓦斯的空气在高温和催化剂的作用下，发生无焰燃烧，而在白元件上则不致使瓦斯燃烧，从而使黑元件的温度比白元件的温度高，黑元件中的铂丝既是加热元件，又是感应温度的热敏元件，根据铂丝的正温度系数的特性，温度升高时电阻增大，黑元件上的电压降即增大，电桥失去平衡，输出一个电压信号
△U，该电压值的大小反映了瓦斯浓度的高低，检测此电压便可测量出瓦斯浓度。
图3-6黑白元件的基本测试电路
根据黑白元件的工作原理，设计电路如下图3-7所示。
图3-7黑白原件的工作原理图
3.1.3整机的工作原理
仪器由电源电路、瓦斯气体敏感元件及电桥电路、A/D转换电路、显示电路及报警/断电电路等组成。
仪器将关联设备送来的电源稳压为5V电压，供给整机电路使用。
瓦斯气体敏感元件是采用热催化原理探头，电桥供电电压为3V。
黑白元件的工作原理是：
黑白元件由测量元件和补偿元件构成，测量元件的表面有黑色的催化剂。
工作时黑白元件有工作电流通过而发热，空气中的瓦斯在高温的测量元件的催化剂作用下，发生无焰燃烧。
瓦斯浓度越高，测量元件的温度越高，而补偿元件的温度不变。
测量电桥输出与瓦斯浓度成比例的信号电压。
电桥信号电压经过A/D转换后，变成数字信号，经单片机处理后，由显示电路显示瓦斯浓度值，并经信号输出电路输出相应的频率信号。
3.2A/D转换电路
3.2.1ADC0809的介绍
ADC0809具有8个通道的模拟输入线（IN0～IN7），可在程序控制下对任意通道进行A/D转换，获得8位二进制数字量（D7～D0）。
模拟输入部分有8路多路开关，可由3位地址输入ADDA、ADDB、ADDC的不同组合来选择，ALE为地址锁存信号，高电平有效，锁存这三条地址输入信号。
主体部分是采用逐次逼近式的A/D转换电路，由CLK控制的内部电路的工作,START为启动命令，高电平有效，启动ADC0809内部的A/D转换，当转换完成，输出信号EOC有效，OE为输出允许信号，高电平有效，打开输出三态缓冲器,把转换后的结果送DB。
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D／A转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。
因此，ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。
输入输出与TTL兼容。
3.2.2引脚功能
ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，下面说明各引脚功能。
IN0～IN7：
8路模拟量输入端。
D0～D7：
8位数字量输出端。
ADDA、ADDB、ADDC：
3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。
ALE：
地址锁存选通信号，输入高电平有效。
START：
A／D转换启动信号，输入高电平有效。
EOC：
A／D转换结束信号，当A／D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。
OE：
数据输出允许信号，输入高电平有效。
当A／D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。
CLK：
时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于640KHZ。
REF（+）、REF（-）：
基准电压输入端,它们决定了输入模拟电压的最大值和最小值.
VCC：
电源，接＋5V。
GND：
接地。
图3-8ADC0809管脚图
3.2.3主要特性
（1）8路8位A／D转换器，即分辨率8位
（2）具有转换起停控制端
（3）转换时间为100μs
（4）单个＋5V电源供电
（5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准
（6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度
（7）低功耗，约15mW
ADC0809的工作过程是：
当模拟量送至某一输入通道IN0后，CPU将标识该通道编码的三位地址信号经数据线或地址线输入到ADDC、ADDB、ADDA引脚上。
然后输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。
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，转换开始,EOC变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。
转换结束,OE输入高电平，EOC可作为中断请求信号,转换结束后，可通过执行IN指令，设法在输出允许OE脚上形成一个正脉冲，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单片机的概述
3.3.1单片机中断系统
（1）中断的概念
中断是通过硬件来改变CPU程序运行的方向。
计算机在执行程序的过程中，由于CPU以外的某种原因，有必要尽快中止当前程序的执行，而去执行相应的处理程序，在处理结束后，再回来继续执行被中止了的源程序。
这种程序在执行过程中由于外界的原因而被中间打断的情况称为“中断”。
（2）89C51的中断系统
89C51的中断系统主要由几个与中断有关的特殊功能的寄存器，中断入口，顺序查询逻辑电路等组成。
与中断有关的特殊功能寄存器有四个，分别为中断源寄存器（即专用寄存器T瓦斯N和S瓦斯N的相关位），中断允许控制寄存器IE和中断优先级控制寄存器IP。
89C51单片机有5个中断源，可提供两个中断优先级，即可实现二级中断嵌套。
5个中断源的排列顺序由中断优先级控制寄存器IP和顺序查询逻辑电路共同决定。
5个中断源对应5个固定的中断入口地址。
1）中断请求源：
外部中断请求源：
即外中断0和1，经由外部引脚引入的，在单片机上有两个引脚，名称为INT0、INT1，也就是P3.2、P3.3这两个引脚。
在内部的T瓦斯N中有四位是与外中断有关的。
IT0：
INT0触发方式控制位，可由软件置位和复位，IT0=0，INT0为低电平触发方式，IT0=1，INT0为负跳变触发方式。
IE0：
INT0中断请求标志位。
当有外部的中断请求时，这位就会置1（这由硬件来完成），在CPU响应中断后，由硬件将IE0清0。
IT1、IE1的用途和IT0、IE0相同。
2）内部中断请求源：
TF0：
定时器T0的溢出中断标记，当T0计数产生溢出时，由硬件置位TF0。
当CPU响应中断后，再由硬件将TF0清0。
TF1：
与TF0类似。
TI、RI：
串行口发送、接收中断。
3）中断允许寄存器IE
中断的允许或禁止是由片内可进行位寻址的8位中断允许寄存器IE来控制的。
见表3-3
表3-38位中断允许寄存器
EA
X
X
ES
ET
EX
E
E
1
1
T0
X0
其中EA是总开关，如果它等于0，则所有中断都不允许。
ES－串行口中断允许；
ET1－定时器1中断允许；
EX1－外中断1中断允许；
ET0－定时器0中断允许；
EX0－外中断0中断允许。
4）五个中断源的自然优先级与中断服务入口地址
外中断0：
0003H定时器0：
000BH
外中断1：
0013H定时器1：
001BH
串口：
0023H
它们的自然优先级由高到低排列。
中断优先级中由中断优先级寄存器IP来置值的，IP中某位设为1，相应的中断就是高优先级，否则就是低优先级。
X
X
X
PS
PT
PX
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