煤矿瓦斯监测报警器

控制系统综合设计煤矿瓦斯监测报警系统设计专业自动化学生姓名胡秋原班级081学号15完成日期2012年1月10日盐城工学院电气学院煤矿瓦斯监测报警器摘要能源工业是一个国家经济发展的命脉。近年来，随着石油的紧张，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、特大上网那个事故屡见报端。在这些事故中，瓦斯爆炸有占绝大多数。这其中，固然有很多诱发因素，但个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。课程设计的内容是煤矿监测报警器，设计的内容从题目上看就可知道要分两部分来解决：一是煤矿瓦斯的监测，二是系统的报警。首先阐述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甲烷传感器MQ-4和单片机AT89S51的煤矿瓦斯监测报警器。我们给出了其硬件组成及软件的设计方案，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，键盘电路，数据显示电路及各控制电路；软件设计包括浓度采集，数据转换及处理，键盘扫描，动态显示及浓度控制，组态控制等。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并排风以降低瓦斯浓度。关键字瓦斯监测传感器单片机声光报警A/D转换电路组态控制第一章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。1.1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MQ-4、A/D转换器ICL7109、单片机AT89S51、LED显示电路、键盘控制电路、声光报警装置和附件电路组成。图1-1系统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AT89S51LED显示瓦斯探测器（MQ-4）电源A/D7109声光报警增加了很多功能，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MQ-4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ICL7109芯片进行模数转换处理。这里的ICL7109是一种双积分的12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。1.2工作原理在这里我们用甲烷传感器MQ-4来对煤矿瓦斯浓度进行检测，由于其检测所得数据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ICL7109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，在这里我们的预警值可通过键盘进行设置，显示其瓦斯浓度值。第二章单片机的选用单片机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程。同时已具有三级程序存储器保密的性能。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。2.1AT89S51的引脚说明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2-1AT89S51引脚图VCC(40脚)：供电电压。GND(20脚)：接地。P0口(32脚～39脚)：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写“1”时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口(1脚～8脚)：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入“1”后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口(21脚～28脚)：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口(10脚～17脚)：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89S51的一些特殊功能口，P3口管脚备选功能如下表所示：表2-1P3口第二功能引脚第2功能P3.0RXD（串行口输入端）P3.1TXD（串行口输出端）P3.2/INT0（外部中断0请求输入端，低电平有效）P3.3/INT1（外部中断1请求输入端，低电平有效）P3.4T0（定时器/计数器0计数脉冲输入端）P3.5T1（定时器/计数器1计数脉冲输入端）P3.6/WR（外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）P3.7/RD（外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST（9脚）：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG（30脚）：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN（29脚）：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP（31脚）：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1（19脚）：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2（18脚）：来自反向振荡器的输出。2.2单片机的I/O口扩展器件由于单片机本身只有4个8位并行输入输出I/O接口，1个串行I/O接口，非常有限，所以当I/O口不能满足设计需求时则需要我们进行I/O口的扩展。其扩展方法为根据需要在串行口上外接1个或多个移位寄存器。由电路原理图我们可以看到此次我们单片机89S51的I/O口分配如下：P0口：A/D转换器ICL7109转换后的数据的输入接口P1口：其中P1.0接+5V的直流蜂鸣器当P1.0=0时蜂鸣器蜂鸣P1.1接发光二极管LED,当P1.1=1时发光二极管发光，其和蜂鸣器结合就是我们所要实现的声光报警。P1.2接排风扇的继电器部分P1.3～P1.6作为数码管显示部分的位选P1.7作为7109的片选P2口我们仅用了P2.6和P2.7作为7109的数据选通端P3：P3.0（RXD）和P3.1（TXD）用于I/O口的扩展所以很显然我们要对单片机进行扩展I/O口，下图所示为用串行口扩展I/O口的电路：图2-2I/O口扩展电路其中芯片74LS164为带清零端的串行输入/并行输出移位寄存器（8位），其管脚图和功能表如下RXDTXD单片机DSADSB74LS164CPQ0Q7123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:31-May-2006SheetofFile:C:\PROGRAMFILES\DESIGNEXPLORER99SE\EXAMPLES\MyDesign.ddbDrawnBy:A1B2QA3QB4QC5QD6GND7CLK8CLR9QE10QF11QG12QH13VCC1474LS164图2-374LS164的管脚图表2-274LS164功能表输入输出CLRCLKABAQBQ—HQLⅩⅩⅩLLLHLⅩⅩQA0QB0QH0H↑HHHQAnQGnH↑LⅩLQAnQGnH↑ⅩLLQAnQGnH=高电平L=低电平Ⅹ=任意↑=电平上升在使用时将A,B并接作为数据的串行输人端,CLK作为时钟端。串行输入时，先将数据在A,B端准备好，在CLK端产一上升沿，则一位数据移至最低位QA;再将下一位数据准备好后，在CLK端产生下一上升沿，则下一位数据移至次低位QB,其余位顺次从低位到高位移动，这种时序符合串行器件特性，即把164当成一典型串行外设，可以用普通I/O口模拟其时序将数据移入。第三章浓度测试部分电路MQ-4瓦斯浓度测试部分电路是由气体传感器MQ-4组成的，其作用为将瓦斯气体的体积分数转化成对应的模拟电压信号并输出出来。3.1MQ-4的结构外形MQ-4气敏元件的结构和外形如图3-1所示，由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。结构外形图3-1MQ-4的结构和外形其中部件材料1气体敏感层二氧化锡2电极金（Au）3测量电极引线铂（Pt）4加热器镍铬合金（Ni—Cr）5