基于单片机的瓦斯报警系统设计报告.docx

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基于单片机的瓦斯报警系统设计报告

测控技术与仪器专业

综合课程设计

设计说明书

班级：

学号：

姓名：

指导教师：

电气工程学院

2013年1月2日

电气工程学院综合课程设计成绩评定表

设计题目

基于单片机的瓦斯报警系统

姓名

班级

答辩小组成员（职称）：

说明书主要内容：

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。

仪器由单片机、敏感元件、A/D转换电路、显示电路、报警电路等组成。

其中单片机是监控仪的核心，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转换电路把电压信号由模拟信号变为数字信号送入单片机；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。

评定成绩：

答辩小组组长：

年月日

目　　次

引　　言

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。

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文献综述

1.1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。

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。

1.2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总体设计方案

2.1系统组成

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8031、LED显示电路、声光报警装置和附件电路组成。

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具体实施方案

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

3.3.18031简介

（1）主电源引脚Vss和Vcc①Vss接地②Vcc正常操作时为+5伏电源

（2）外接晶振引脚XTAL1和XTAL2

①XTAL1内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。

当采用外部振荡器时，此引脚接地。

②XTAL2内部振荡电路反相放大器的输出端。

是外接晶体的另一端。

当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。

（3）控制或与其它电源复用引脚RST/VPD，ALE/，和/Vpp①RST/VPD当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位在Vcc掉电期间，此引脚可接上备用电源，由VPD向内部提供备用电源，以保持内部RAM中的数据。

②ALE/正常操作时为ALE功能（允许地址锁存）提供把地址的低字节锁存到外部锁存器，ALE引脚以不变的频率（振荡器频率的）周期性地发出正脉冲信号。

因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。

但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲，ALE端可以驱动（吸收或输出电流）八个LSTTL电路。

对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚接收编程脉冲（功能）③外部程序存储器读选通信号输出端，在从外部程序存储取指令（或数据）期间，在每个机器周期内两次有效。

同样可以驱动八LSTTL输入。

8031引脚图

3.3.2单片机复位电路

复位是单片机的初始化操作,其主要功能是把PC初始化位0000H单元开始执行程序。

除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。

除PC之外，复位操作还对其它一些专用寄存器有影响，他们的复位状态如下；

PC0000HT瓦斯N00H

ACC00HTLO00H

PSW00HTH000H

SP07HTL100H

DPTR0000HTH100H

P0—P30FFHS瓦斯N00H

IPxx000000BSBUF不定

IE0x000000BP瓦斯N0xx0000B

TMOD00H

复位操作还对单片机的个别引脚信号有影响，例如把ALE和

信号变为无效状态，即ALE=0，

=1。

本实验采用按键电平复位方式，晶振为12MHz，R1为200Ω，R2为2K，C为10uF。

复位电路虽然简单,但其作用非常重要。

一个单片机是否正常工作，首先要检查是否能复位成功

3.3.3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

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。

3.3.48031单片机对ADC0809的接口

MCS-51与ADC接口时必须弄清并处理好三个问题:

（1）要给START线送一个200ns以上宽的启动正脉冲;

（2）获取EOC线上的状态信息,因为它是A/D转换的结束标志;

（3）要给“三态输出锁存器”分配一个端口地址，也就是给OE线上送一个地址译码器输出信号。

MCS-51和ADC接口通常可以采用查询和中断两种方式。

采用查询法传送数据时MCS-51应对EOC线查询它的状态：

若它为低电平，表示A/D转换正在进行，则MCS-51应当继续查询；若查询到EOC变为高电平，则给OE线送一个高电平，以便提取A/D转换后的数字量。

采用中断方式传送数据时，EOC线作为CPU的中断请求输入线。

CPU响应中断后，应在中断服务程序中使OE线变为高电平，以提取A/D转换后的数字量。

ADC0809内部有一个8位“三态输出锁存器”可以锁存A/D转换后的数字量，故它本身既可看作一种输入设备，也可认为是并行I/O接口芯片。

因此，在大多数情况下，51系列单片机是和ADC0809直接相连的。

3.4系统电源

该系统电源电路图如图3.2所示，外部输入电源采用的是12V/3A的直流电源。

C2，C4的作用是对LM317电压调节端（ADJ）的电压进行滤波，以提高输出电压的稳定性；Dl、D2起保护作用，当有意外情况使得LM317的Vin电压比Vout电压还低的时候，防止从C3，C4上有电流倒灌入LM317引起其损坏。

整个系统用电可以划分为两部分:

VCC是LED显示器模块及A/D转换参考电源模块输入需要的9.58V工作电压；VCC1是单片机、看门狗电路、气体传感器加热等需要5V的下作电压。

电源部分的核心器件是二端可调输出集成稳压器LM317。

LM317是美国国家半公司的三端一可调整流稳压器集成电路，输出电压范围是1.25v至37v，负载电流最人为1.5A。

它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压，此外线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。

内置过载保护、安全区保护等多种保护电路。

输出引脚3与调节引脚1之间保持1.25V的参考电压Vref，并且引脚3为正端。

当调节端接地时，输出端输出1.25V。

由Vin端提供工作电压以后，便可以保持\/out端（3脚）比ADJ端（1脚）的电压高1.25V。

因此，只需要用极小的电流来调整A川端的电压，便可在Vout端得到比较大的输出电流，并且输出电压比ADJ立品电压高出恒定的1.25V。

LM317的输出电压二1.25X（I+ADJ端到地的电阻/ADJ端到Vout端的电阻）。

通过调整接入ADJ端和Vout端电阻的比值，来改变输出电压。

值得注意的是，LM317有一个最小负载电流的问题，即只有负载电流超过某一值时，才能起到稳压作用。

这个电流随器件的生产厂家而有所差异，一般在3—8mA不等，可以通过在负载端接一个合适的电阴来解决。

依据LM317的输出电压计算公式，可以得到图3.2中LM1的输出:

VCC=Vref（1+R1\R2）

其中:

Vref=1.25VR1=1000Ω,R2=10Ω.数据代入上式得:

VCC=9.58。

另外LM2的输出:

VCC1=Vref（1+R3\R4）

其中:

Vref=1.25V，R3=460Ω，R4=150Ω。

数据代入公式得到:

VCC1=5.08v.

图3.2系统电源电路

3.5气体传感器

1.测试电路

我们设计的MQ-4瓦斯传感器电路如图3.3所示，其中可调节电阻R5是用来调整传感器的灵敏度的

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