1 引言

1.1 課題研究的目的和意義

在煤礦生產(chǎn)中，隨著煤層采動(dòng)，煤層中往往會(huì)涌出礦井瓦斯，瓦斯是煤礦開(kāi)采中所產(chǎn)生的有害氣體總稱(chēng)，它具有獨(dú)特的性質(zhì)和特點(diǎn)。瓦斯的主要成份是甲烷，一氧化碳，二氧化碳，二氧化硫和硫化氫等。瓦斯在煤體和圍巖中，以游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)存在，一般情況下處于動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)外界溫度、壓力變化時(shí)這幾種狀態(tài)就會(huì)發(fā)生相互轉(zhuǎn)化。瓦斯在煤層開(kāi)采過(guò)程中被逸散出來(lái)，在井下積累造成井下瓦斯?jié)舛鹊脑黾樱��?dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到5%-16%時(shí)具有爆炸性，瓦斯?jié)舛葹?.5%時(shí)爆炸威力最大，當(dāng)瓦斯?jié)舛刃∮?%或大于16%時(shí)，一般不會(huì)爆炸，遇明火只會(huì)燃燒，形成燃燒事故。因此煤層瓦斯?jié)舛鹊拇笮≈苯佑绊懨旱V的設(shè)計(jì)、建設(shè)、安全生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)利益。我國(guó)一些煤礦由于瓦斯預(yù)測(cè)不準(zhǔn)，造成礦井投產(chǎn)后事故頻繁發(fā)生。因此準(zhǔn)確而迅速地測(cè)出礦井瓦斯涌出量與突出危險(xiǎn)區(qū)域，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)和提高經(jīng)濟(jì)效益具有重大的意義。

瓦斯爆炸的主要參數(shù):

（1）瓦斯的爆炸濃度

在正常的大氣環(huán)境中，瓦斯只在一定的濃度范圍內(nèi)爆炸，這個(gè)濃度范圍稱(chēng)瓦斯的爆炸界限，其最低濃度界限叫爆炸下限，其最高濃度界限叫爆炸上限，瓦斯在空氣中的爆炸下限為5～6％，上限為14～16％。瓦斯爆炸界限不是固定不變的，它受到許多因素的影響，其中重要的有：

（2）氧的濃度

正常大氣壓和常溫時(shí)，瓦斯爆炸濃度與氧濃度關(guān)系，如柯瓦德爆炸三角形。氧濃度降低時(shí)，爆炸下限變化不大(BE線)爆炸上限則明顯降低(CE線)。氧濃度低于12％時(shí)，混合氣體就失去爆炸性。   

（3）煤塵  

煤塵具有爆炸危險(xiǎn)，300～400℃時(shí)就能從煤塵內(nèi)揮發(fā)出多種可燃?xì)怏w，形成混合的爆炸氣體，使瓦斯的爆炸危險(xiǎn)性增加.

（4）空氣壓力  

爆炸前的初始?jí)毫��?duì)瓦斯爆炸上限有很大影響。可爆性氣體壓力增高，使其分子間距更為接近，碰撞幾率增高。

1.2 國(guó)內(nèi)外氣體檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

氣體檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)是工礦企業(yè)、社會(huì)公用事業(yè)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域必備的安全設(shè)備。經(jīng)過(guò)20多年的努力，氣體檢測(cè)儀表的敏感元件性能、質(zhì)量有了根本性的改善。在可測(cè)氣體種類(lèi)、測(cè)量范圍、精度、穩(wěn)定性和壽命等主要技術(shù)指標(biāo)方面均有明顯的提高，尤其精度、穩(wěn)定性與壽命指標(biāo)，提高了幾倍。目前有代表性的是法國(guó)OLDHAM公司的MX21，德國(guó)Drager公司的Multiwarn，日本理研株式會(huì)社的GX86、GX111、GX91、GX82系列，美國(guó)GasTech公司的GT、SAFETMTE等儀表。我們通過(guò)這幾種儀表的介紹和分析，概要說(shuō)明氣體檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀。

（1）氣體敏感元件的性能便攜式氣體監(jiān)測(cè)儀表使用的氣體敏感元件性能即代表了儀表整體的性能。

（2）氣體儀表的功能氣體檢測(cè)儀表的功能主要是指所測(cè)氣體濃度值、報(bào)警點(diǎn)的設(shè)置，聲光報(bào)警，開(kāi)機(jī)指示，電池欠壓指示等。

（3）氣體儀表的智能化儀表的智能化是當(dāng)今電子產(chǎn)品的發(fā)展方向。目前技術(shù)水平較高的“智能化”，即程序化功能是指：自動(dòng)校正和可燃?xì)獾膶?duì)比參數(shù)。

1.3 課題研究的內(nèi)容和方案

1.3.1課題研究的內(nèi)容及要求

這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容與要求是：設(shè)計(jì)一個(gè)瓦斯氣體安全監(jiān)控裝置，在氣休濃度一定的范圍內(nèi)進(jìn)行安全檢測(cè)，并能在被控對(duì)象氣體濃度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)進(jìn)行報(bào)警，避免造成人員傷亡。假設(shè)這個(gè)單片機(jī)氣體安全監(jiān)控系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)以下的功能：氣體測(cè)試，超過(guò)設(shè)定的門(mén)限值后自動(dòng)報(bào)警裝置。以單片機(jī)為主機(jī)，氣敏傳感器通過(guò)一根口線與單片機(jī)相連接，再加上濃度控制部分和人機(jī)對(duì)話部分來(lái)共同實(shí)現(xiàn)瓦斯安全監(jiān)測(cè)與控制。

用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)其具體控制功能如下：

（1）能夠連續(xù)測(cè)量瓦斯氣體，用十進(jìn)制數(shù)碼管顯示水的實(shí)際濃度度值。

（2）瓦斯檢測(cè)儀的檢測(cè)范圍是0—1000ppm報(bào)警門(mén)限為50ppm, 100ppm。

（3）用單片機(jī)AT89C51控制，通過(guò)自動(dòng)監(jiān)控瓦斯氣體濃度設(shè)定值，數(shù)值采用數(shù)碼管顯示。

1.3.2課題研究的總體解決方案

本論文中設(shè)計(jì)的瓦斯自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)采用AT89C51作為單片機(jī)進(jìn)行控制，傳感信號(hào)由氣敏電阻和放大器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，監(jiān)測(cè)電路可靠工作，氣體設(shè)定采用按鍵移位式設(shè)定方法，使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，氣體檢測(cè)儀表的功能主要是指所測(cè)氣體濃度值、報(bào)警點(diǎn)的設(shè)置，聲光報(bào)警，開(kāi)機(jī)指示，電池欠壓指示等。軟件算法采用設(shè)定值和測(cè)量值比較的算法，并采用中斷程序，以及時(shí)中斷主程序，實(shí)現(xiàn)按鍵控制。

本論文針對(duì)AT89C51單片機(jī)在檢測(cè)和過(guò)程控制方面的應(yīng)用來(lái)分析瓦斯氣體濃度控制系統(tǒng)。在分析過(guò)程中，詳細(xì)敘述了該實(shí)例的物理工作原理和電路工作原理。

2瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

2.1 概述

一個(gè)易燃易爆氣體監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)易燃易爆氣體并報(bào)警，肯定能提高人民的生活水平和加快我們的現(xiàn)代化建設(shè)，有利于整個(gè)社會(huì)穩(wěn)定。基于這個(gè)思路，我們研究設(shè)計(jì)了易燃易爆氣體監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)氣體的濃度超出某一設(shè)定范圍后會(huì)產(chǎn)生報(bào)警并實(shí)時(shí)的關(guān)閉氣體閥門(mén)，從而達(dá)到實(shí)時(shí)安全監(jiān)控作用。

2.2 設(shè)計(jì)方案

針對(duì)此課題要求，現(xiàn)提出以下二種設(shè)計(jì)方案：

總體方案一：基于FPGA的總體設(shè)計(jì)模塊。

圖1 方案一總體框圖

方案一總體框圖如圖1所示。本系統(tǒng)基于FPGA，充分利用了它的功能，是一個(gè)效率比較高的設(shè)計(jì)方案，從框圖可以看出系統(tǒng)的核心處理模塊幾乎全是要經(jīng)過(guò)FPGA。系統(tǒng)可以分兩個(gè)部分，前一部分主要是關(guān)于傳感器的信號(hào)，包括信號(hào)的監(jiān)測(cè)、發(fā)大和A/D轉(zhuǎn)換。氣敏傳感器輸出的信號(hào)是毫伏級(jí)的，所以要經(jīng)過(guò)運(yùn)放發(fā)大后送給ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，最終送給FPGA來(lái)處理，F(xiàn)PGA根據(jù)檢測(cè)量的大小將氣體濃度顯示到數(shù)碼管上，當(dāng)檢測(cè)到的氣體濃度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)報(bào)警，并且控制閥電路工作加快空氣流動(dòng)。該系統(tǒng)的可靠性強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)，但FPGA作為核心電路，成本是其最大的障礙，因?yàn)楸井a(chǎn)品是要進(jìn)入平常百姓家，不能在實(shí)際產(chǎn)品中的應(yīng)用。

總體方案二：基于單片機(jī)的總體設(shè)計(jì)模塊。

圖2 方案二總體框圖

方案二總體框圖如圖2所示。本系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心，系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能幾乎與前面方案一樣，具有信號(hào)的監(jiān)控處理和報(bào)警顯示和自動(dòng)控制閥門(mén)。用單片機(jī)完全可以取代了方案一的FPGA的功能，使整體的價(jià)格大幅度的下降，具有很高的實(shí)際開(kāi)發(fā)價(jià)值。氣敏傳感器的電路的處理使其精度可能受到周?chē)�的環(huán)境的影響比較大，方案一也是一樣。

綜合考慮采用方案二。

2.3 系統(tǒng)分析

單片機(jī)處理部分作為本系統(tǒng)的核心部分，其主要的功能是檢測(cè)氣體濃度，并根據(jù)此信號(hào)來(lái)控制不同的操作。比如報(bào)警模塊的狀態(tài)、數(shù)碼管的不同的狀態(tài)顯示和控制閥電路的工作狀態(tài)。

系統(tǒng)的原理圖參見(jiàn)附錄A.

我們?cè)谙到y(tǒng)里設(shè)置了四級(jí)報(bào)警等級(jí)，是根據(jù)前端的不同的氣體濃度情況下設(shè)置的，分別為gas detected、warning、may explode、dangerous ，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)環(huán)境的原因，這里的等級(jí)之分并不是準(zhǔn)確的定量，而是定性而得的結(jié)果。

2.4 本章小結(jié)

總結(jié)和分析了前面所想到的二種設(shè)計(jì)方案，根據(jù)各種性能以及實(shí)驗(yàn)室的各種環(huán)境以及芯片等原因，第二種方案是作為本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。優(yōu)點(diǎn)：功能強(qiáng)大，精度高，性能穩(wěn)定，實(shí)際可行性很強(qiáng)，而且適合性能的擴(kuò)展。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的基本組成單元包括：主控單元、氣體采樣單元、單片機(jī)控制單元、調(diào)節(jié)執(zhí)行單元、電源、報(bào)警單元六部分，本章將逐一進(jìn)行介紹。

3.1 主控單元的設(shè)計(jì)

主控單元如圖3所示。監(jiān)控系統(tǒng)的核心將采用C51系列單片機(jī)中的AT89C51，這類(lèi)單片機(jī)是在MCS-51的CMOS基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，與MCS-51系列相兼容，保留了它的全部特性，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也基本相同。由于這類(lèi)單片機(jī)具有更加優(yōu)越的特點(diǎn)，將取代MCS-51系列成為第三代單片機(jī)。

圖3  主控單元

AT89C51系列單片機(jī)介紹：

一、AT89C51系列基本組成及特性

在眾多的51系列單片機(jī)中，要算 ATMEL 公司的AT89C51更實(shí)用，因?yàn)樗�不但�?051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的4K程序存儲(chǔ)器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲(chǔ)器，用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫(xiě)，一般專(zhuān)為 ATMEL AT89Cx 做的編程器均帶有這些功能。顯而易見(jiàn)，這種單片機(jī)對(duì)開(kāi)發(fā)設(shè)備的要求很低，開(kāi)發(fā)時(shí)間也大大縮短。

AT89C51基本功能描述如下：AT89C51是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器，片內(nèi)有4k字節(jié)的在線可重復(fù)編程快擦快寫(xiě)程序存儲(chǔ)器，能重復(fù)寫(xiě)入/擦除1000次，數(shù)據(jù)保存時(shí)間為十年。它與MCS-51系列單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替MCS-51系列單片機(jī)，而且能使系統(tǒng)具有許多MCS-51系列產(chǎn)品沒(méi)有的功能。AT89C51可構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積, 增加系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)成本。只要程序長(zhǎng)度小于4k, 四個(gè)I/O口全部提供給用戶。可用5V電壓編程，而且擦寫(xiě)時(shí)間僅需10毫秒, 僅為8751/87C51 的擦除時(shí)間的百分之一，與8751/87C51的12V電壓擦寫(xiě)相比, 不易損壞器件, 沒(méi)有兩種電源的要求，改寫(xiě)時(shí)不拔下芯片，適合許多嵌入式控制領(lǐng)域。工作電壓范圍寬2.7～6V，全靜態(tài)工作，工作頻率寬，在0-24MHz 內(nèi), 比8751/87C51 等51系6MHz-12MHz 更具靈活性，系統(tǒng)能快能慢。AT89C51 芯片提供三級(jí)程序存儲(chǔ)器加密, 提供了方便靈活而可靠的硬加密手段, 能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。另外,AT89C51 還具有MCS-51系列單片機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)。128×8 位內(nèi)部RAM, 32 位雙向輸入輸出線, 兩個(gè)十六位定時(shí)器/計(jì)時(shí)器, 5個(gè)中斷源, 兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí), 一個(gè)全雙工異步串行口及時(shí)鐘發(fā)生器等。另外，AT89C51有間歇和掉電兩種工作模式。間歇模式是由軟件來(lái)設(shè)置的, 當(dāng)外圍器件仍然處于工作狀態(tài)時(shí), CPU可根據(jù)工作情況適時(shí)地進(jìn)入睡眠狀態(tài), 內(nèi)部RAM和所有特殊的寄存器值將保持不變。這種狀態(tài)可被任何一個(gè)中斷所終止或通過(guò)硬件復(fù)位。掉電模式是VCC電壓低于電源下限, 振蕩器停振, CPU 停止執(zhí)行指令。該芯片內(nèi)RAM和特殊功能寄存器值保持不變, 直到掉電模式被終止。只有VCC電壓恢復(fù)到正常工作范圍而且在振蕩器穩(wěn)定振蕩后，通過(guò)硬件復(fù)位、掉電模式可被終止。

3.2采樣單元的設(shè)計(jì)

瓦斯傳感器是煤礦重要的安全儀器, 國(guó)外從30年代開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)氣體傳感器。過(guò)去氣體傳感器主要用于煤氣、液化石油氣、天然氣及礦井中的瓦斯氣體的檢測(cè)與報(bào)警，目前需要檢測(cè)的氣體種類(lèi)由原來(lái)的還原性氣體(H2,C4H10,CH4)等擴(kuò)展到毒性氣體(CO,NO2,H2S,NO,NH3,PH3)等。

在本設(shè)計(jì)中瓦斯檢測(cè)采用電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器作為檢測(cè)元件。與其他類(lèi)型的瓦斯傳感器相比，其優(yōu)點(diǎn)是在測(cè)爆炸范圍內(nèi)的可燃性氣體精度高，受背景氣體、濕度、氣壓影響小，輸出信號(hào)大，成本底，制作方便。

電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器是通過(guò)檢測(cè)氣敏元件隨氣體含量的變化情況而工作的。主要使用金屬氧化物陶瓷氣敏材料。隨著近年來(lái)復(fù)合金屬氧化物、混合金屬氧化物等新型材料的研究和開(kāi)發(fā)，大大提高了這種氣體傳感器的特性和應(yīng)用范圍。

氣體采樣單元如圖4所示。氣體的采樣方法直接影響傳感器的響應(yīng)時(shí)間。目前，氣體的采樣方式主要是通過(guò)簡(jiǎn)單擴(kuò)散法，或是將氣體吸入檢測(cè)器。它由采樣電壓轉(zhuǎn)換、小信號(hào)放大及A/D轉(zhuǎn)換三部分組成。其中，將氣體轉(zhuǎn)化為電量的氣體電壓轉(zhuǎn)換由氣敏傳感器-氣敏電阻實(shí)現(xiàn)，小信號(hào)放大由橋式放大電路實(shí)現(xiàn)，A/D轉(zhuǎn)換選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809，將采集到的氣體濃度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為AT89C51能夠處理的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。

圖4  氣體采樣單元

氣敏傳感器采用MQ-7型。因氣體傳感器的基本特征，即靈敏度、選擇性以及穩(wěn)定性等，主要通過(guò)材料的選擇來(lái)確定。所以選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾烷_(kāi)發(fā)新材料，使氣體傳感器的敏感特性達(dá)到最優(yōu)。

1、穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是指?jìng)鞲衅髟谡麄�(gè)工作時(shí)間內(nèi)基本響應(yīng)的穩(wěn)定性，取決于零點(diǎn)漂移和區(qū)間漂移。零點(diǎn)漂移是指在沒(méi)有目標(biāo)氣體時(shí)，整個(gè)工作時(shí)間內(nèi)傳感器輸出響應(yīng)的變化。區(qū)間漂移是指?jìng)鞲衅鬟B續(xù)置于目標(biāo)氣體中的輸出響應(yīng)變化，表現(xiàn)為傳感器輸出信號(hào)在工作時(shí)間內(nèi)的降低。理想情況下，一個(gè)傳感器在連續(xù)工作條件下，每年零點(diǎn)漂移小于10%。

2、靈敏度

靈敏度是指?jìng)鞲衅鬏敵鲎兓�量與被測(cè)輸入變化量之比，主要依賴于傳感器結(jié)構(gòu)所使用的技術(shù)。大多數(shù)氣體傳感器的設(shè)計(jì)原理都采用生物化學(xué)、電化學(xué)、物理和光學(xué)。首先要考慮的是選擇一種敏感技術(shù)，它對(duì)目標(biāo)氣體的閥限制(TLV-thresh-old limit value)或最低爆炸限(LEL-lower explosive limit)的百分比的檢測(cè)要有足夠的靈敏性。

3、選擇性

選擇性也被稱(chēng)為交叉靈敏度。可以通過(guò)測(cè)量由某一種濃度的干擾氣體所產(chǎn)生的傳感器響應(yīng)來(lái)確定。這個(gè)響應(yīng)等價(jià)于一定濃度的目標(biāo)氣體所產(chǎn)生的傳感器響應(yīng)。這種特性在追蹤多種氣體的應(yīng)用中是非常重要的，因?yàn)榻徊骒`敏度會(huì)降低測(cè)量的重復(fù)性和可靠性，理想傳感器應(yīng)具有高靈敏度和高選擇性。

3.3 單片機(jī)控制單元的設(shè)計(jì)

3.3.1按鍵電路

按鍵電路如圖5所示。鍵盤(pán)分編碼鍵盤(pán)和非編碼鍵盤(pán)。鍵盤(pán)上閉合鍵的識(shí)別由專(zhuān)用的硬件編碼器實(shí)現(xiàn)，并產(chǎn)生鍵編碼號(hào)或鍵值的稱(chēng)為編碼鍵盤(pán)，如計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)；而靠軟件編程來(lái)識(shí)別的稱(chēng)為非編碼鍵盤(pán)；在單片機(jī)組成的各種系統(tǒng)中，用的最多的是非編碼鍵盤(pán)。非編碼鍵盤(pán)有分為：獨(dú)立鍵盤(pán)和行列式（又稱(chēng)為矩陣式）鍵盤(pán)。

因所需的按鍵數(shù)目不多，所以采用獨(dú)立按鍵，為了更好的區(qū)分按下的是哪一個(gè)按鍵，在每個(gè)按鍵按下時(shí)相應(yīng)發(fā)光二極管亮。

圖5  按鍵電路如圖

3.3.2顯示電路

顯示電路采用數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管顏色鮮艷，視覺(jué)效果好，顯示電路如圖6所示。

LED顯示器工作方式有兩種：靜態(tài)顯示方式和動(dòng)態(tài)顯示方式。

靜態(tài)顯示的特點(diǎn)是每個(gè)數(shù)碼管的段選必須接一個(gè)8位數(shù)據(jù)線來(lái)保持顯示的字形碼。當(dāng)送入一次字形碼后，顯示字形可一直保持，直到送入新字形碼為止。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是占用CPU時(shí)間少，顯示便于監(jiān)測(cè)和控制。缺點(diǎn)是硬件電路比較復(fù)雜，成本較高。

動(dòng)態(tài)顯示的特點(diǎn)是將所有位數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，由位選線控制是哪一位數(shù)碼管有效。這樣一來(lái)，就沒(méi)有必要每一位數(shù)碼管配一個(gè)鎖存器，從而大大地簡(jiǎn)化了硬件電路。選亮數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。所謂動(dòng)態(tài)掃描顯示即輪流向各位數(shù)碼管送出字形碼和相應(yīng)的位選，利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺(jué)暫留作用，使人的感覺(jué)好像各位數(shù)碼管同時(shí)都在顯示。動(dòng)態(tài)顯示的亮度比靜態(tài)顯示要差一些，所以在選擇限流電阻時(shí)應(yīng)略小于靜態(tài)顯示電路中的。

工作原理：?jiǎn)纹瑱C(jī)P0口低4位作為數(shù)據(jù)輸出口，P05-P07為位選信號(hào)，數(shù)據(jù)送給7447翻譯成7段數(shù)碼信號(hào)，顯示在數(shù)碼管上，位選信號(hào)經(jīng)過(guò)74138編碼后，再經(jīng)8個(gè)三極管組成反相器組送給共陰極數(shù)碼管的位選端，作為位控制信號(hào)。這樣就可以控制在哪一個(gè)位上面顯示什么樣的數(shù)了。

圖6   顯示電路

數(shù)碼管原理：7段數(shù)碼管是由7個(gè)獨(dú)立的二極管采用共陰或共陽(yáng)的方法連接而成。通常將這7個(gè)獨(dú)立的二極管做成a、b、c、d、e、f、g這7個(gè)筆劃。數(shù)碼管顯示原理圖如圖6所示。

圖7  數(shù)碼管顯示原理圖

通過(guò)一個(gè)7位的二進(jìn)制電平信號(hào)就可以顯示出想要的結(jié)果。例如，點(diǎn)亮二極管b、c，數(shù)碼管將會(huì)顯示數(shù)字1，點(diǎn)亮a、b、c、d、e、f、g，數(shù)碼管將會(huì)顯示數(shù)字0。所以，數(shù)碼管的顯示需要有7根連線。顯示數(shù)字對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制電平信號(hào)如表1所示。

表1 顯示數(shù)字對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制電平信號(hào)

然而，在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中，由處理器完成譯碼功能再輸出一個(gè)7位的二進(jìn)制信號(hào)是非常浪費(fèi)空間和影響效率的。因此，電子工程師一般采取用7段數(shù)碼管與譯碼器相結(jié)合的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

3.4 調(diào)節(jié)執(zhí)行單元的設(shè)計(jì)

調(diào)節(jié)執(zhí)行單元如圖8所示。采用實(shí)時(shí)控制的方法，在主機(jī)AT89C51的P1.4口輸出控制信號(hào)，由光耦MOC3041（光電耦合器）和可控硅SCR組成。其中光電耦合器MOC3041的作用是將單片機(jī)系統(tǒng)與可控硅SCR電路隔開(kāi)，避免在高壓過(guò)程中的干擾信號(hào)影響單片機(jī)的運(yùn)行；可控硅SCR的作用是相當(dāng)于一個(gè)固態(tài)的觸點(diǎn)，使之有能力開(kāi)啟或關(guān)斷電機(jī)，從而控制風(fēng)扇通斷，以實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣流動(dòng)大小的實(shí)時(shí)控制。

圖8 調(diào)節(jié)執(zhí)行單元

MOC3041是常用的雙向晶閘管輸出的光電耦合器，帶過(guò)零觸發(fā)電路，輸入端的控制電流為15mA，輸出端額定電壓為400V，輸入輸出端隔離電壓為7500V。

MOC3041一般不直接用于控制負(fù)載，而用于中間控制電路或用于觸發(fā)大功率的晶閘管。

3.5 電源模塊的設(shè)計(jì)

電源必須提供穩(wěn)定的電源，不能有太大的紋波，電源須提供恒定電壓和足夠的電流。另外系統(tǒng)里面既有數(shù)字電路也有模擬電路，所以如果電源性能不佳，造成的后果不堪設(shè)想。

為了濾除電源的紋波，采用多級(jí)電容濾波，并且在最后并聯(lián)了104濾除電源中的高頻雜波，采用7805穩(wěn)壓，得到穩(wěn)定的5V電源。電源電路如圖9所示。

圖9  電源電路

3.6 報(bào)警單元的設(shè)計(jì)

報(bào)警電路可以用單片機(jī)P1.5輸出1 kHz和500 Hz的音頻信號(hào)經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，做報(bào)警信號(hào)，要求1 kHz信號(hào)響100 ms，再500 Hz信號(hào)響200 ms，交替進(jìn)行。這里使用音頻放大器LM386，他的工作電壓為4～ 12 V，輸出功率最大可達(dá)1 W，輸入阻抗為50 kHz。報(bào)警電路如圖10所示。

圖10  報(bào)警電路

LM386是專(zhuān)為低損耗電源所設(shè)計(jì)的功率放大器集成電路。它的內(nèi)建增益為20，透過(guò)pin 1 和pin8腳位間電容的搭配，增益最高可達(dá)200。LM386可使用電池為供應(yīng)電源，輸入電壓范圍可由4V~12V，無(wú)作動(dòng)時(shí)僅消耗4mA電流，且失真低。LM386的內(nèi)部電路圖如圖11所示。引腳排列圖如圖12所示。

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圖11內(nèi)部電路圖

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圖12 引腳功能圖

極限參數(shù)：電源電壓（LM386N-1，-3，LM386M-1）15V，封裝耗散 （LM386N）1.25W、

（LM386M）0.73W、（LM386MM-1）0.595W，輸入電壓±0.4V，儲(chǔ)存溫度-65℃至+150℃，操作溫度0℃至+70℃，結(jié)溫+150℃，焊接信息焊接（10秒）260℃，小外形封裝（SOIC和MSOP），氣相（60秒）215℃，紅外（15秒）220℃，熱電阻，qJC （DIP）37℃/W、

qJA （DIP）107℃/W、qJC （SO封裝）35℃/W、qJA （SO封裝）172℃/W、qJA （MSOP封裝）210℃/W、qJC （MSOP封裝）56℃/W 。

4 系統(tǒng)的調(diào)試運(yùn)行及分析

4.1 系統(tǒng)調(diào)試方法

整個(gè)調(diào)試過(guò)程主要應(yīng)用了Keil軟件和Proteus軟件，Proteus 是 Labcenter 公司出品的電路分析、實(shí)物仿真系統(tǒng)，而 Keil 是目前世界上最好的 51 單片機(jī)匯編和 C 語(yǔ)言的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。他支持匯編與 C 的混合編程，同時(shí)具備強(qiáng)大的軟件仿真和硬件仿真功能。

調(diào)試過(guò)程如下：

（1）先建立一個(gè)工程目錄，取個(gè)工程名字保存，然后選擇一個(gè)單片機(jī)芯片AT89C51。

（2）新建一個(gè)C文檔。

（3）編寫(xiě)調(diào)試程序。

（4）設(shè)置相應(yīng)的調(diào)試輸入文件，使之生成HEX文件。

（5）調(diào)試程序檢查錯(cuò)誤，直到無(wú)錯(cuò)誤為止。

仿真過(guò)程如下：

（1）打開(kāi)Proteus軟件，新建DEFAULT文件。

（2）按照仿真原理圖放置所要仿真的元器件。

（3）進(jìn)行電路搭接使仿真圖和原理圖電子連接一樣。

（4）雙擊AT89C51單片機(jī)在Program File處打開(kāi)Keil軟件調(diào)試生產(chǎn)的HEX文件添加到單片機(jī)中。

（5）保存，運(yùn)行。

（6）調(diào)試程序再按如上操作就能調(diào)試所有功能。

4.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析

圖 13 系統(tǒng)仿真圖

系統(tǒng)在PROTUES仿真圖如圖13所示,由于系統(tǒng)不能應(yīng)用瓦斯采集傳感器，所以直接給ADC0809模擬數(shù)據(jù)量輸入端輸入一個(gè)5V的電壓源RV2(2)，用滑動(dòng)變阻器RV2來(lái)控制輸入電壓的大小（模擬瓦斯的濃度大小的變化），使電壓的變化范圍在0到5V之間進(jìn)行變化（此系統(tǒng)中的電壓要求在0到5V），圖中仿真是調(diào)節(jié)了一個(gè)3V的電壓輸入，然后用一個(gè)電壓表實(shí)時(shí)監(jiān)控電壓的變化，以便與后面的轉(zhuǎn)換和顯示進(jìn)行比較，電壓經(jīng)過(guò)ADC0808（Protues中沒(méi)有ADC0809模型用ADC0808代替，這兩個(gè)芯片使用和功能相似）進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換程數(shù)字信號(hào)后由OUT01到OUT7引腳輸出，輸出的數(shù)字信號(hào)接到單片機(jī)的P0口輸入到單片機(jī)，進(jìn)行到單片機(jī)處理，計(jì)算后，再由單片機(jī)調(diào)用譯碼程序（主要是操作74LS47和74LS138），對(duì)LED數(shù)碼管進(jìn)行段選位選的操作，讓他在數(shù)碼管上顯示出來(lái)，當(dāng)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器時(shí)，數(shù)碼管上的數(shù)據(jù)隨著調(diào)節(jié)的變化而變化。按下鍵盤(pán)設(shè)定一個(gè)最大值時(shí)，再滑動(dòng)滑動(dòng)變阻器使電壓值高于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警。仿真圖中的三極管起到驅(qū)動(dòng)7段數(shù)碼管的作用。

結(jié)束語(yǔ)

本文以AT89C51系列單片機(jī)為核心，用AT89C51單片機(jī)作為控制器件，氣體信號(hào)通過(guò)氣敏電阻和放大器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再由ADC0809轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)，測(cè)濃度電路采用橋式電路，濃度設(shè)定采用按鍵移位式設(shè)定方法，氣體濃度采用氣體傳感器來(lái)測(cè)量。在單片機(jī)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了以AT89C51單片機(jī)控制傳感器的自動(dòng)化安全報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)。（充實(shí)一點(diǎn)）

（1）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)情況與改進(jìn)方案

實(shí)現(xiàn)情況：

本次設(shè)計(jì)基本完成了任務(wù)目標(biāo)的所有要求，而且在功能和性能上有所擴(kuò)展。

用戶可以設(shè)定鍵盤(pán)輸入，并顯示預(yù)期值和輸出結(jié)果。

電源發(fā)生過(guò)載或短路故障時(shí)，能發(fā)出聲光報(bào)警。

設(shè)計(jì)的不足：

由于設(shè)計(jì)時(shí)間及經(jīng)費(fèi)的限制，此監(jiān)控系統(tǒng)還有不足之處是電源仍使用傳統(tǒng)的電位器調(diào)節(jié)AD采集端。

（2）設(shè)計(jì)心得

本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是我第一次獨(dú)立完成一個(gè)比較大型的系統(tǒng)，選芯片、制定方案、畫(huà)原理圖、制作PCB圖、焊接電路、調(diào)試系統(tǒng)、寫(xiě)報(bào)告均由本人完成。對(duì)我來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。在畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到了不少困難，在遇到問(wèn)題百思不得其解的痛苦之后又往往有茅塞頓開(kāi)的喜悅。回顧整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)經(jīng)歷，心得體會(huì)總結(jié)為一句話：小處不可隨便。

在做的時(shí)候，我遇到了問(wèn)題：采用獨(dú)立式鍵盤(pán)，鍵盤(pán)做了2個(gè)，第一個(gè)發(fā)生異常情況。錯(cuò)誤原因：常開(kāi)型按鍵變成常閉型按鍵，可能是萬(wàn)能電路板有一層氧化膜，發(fā)生線路錯(cuò)誤。

從上面的分析中可以看出，僅僅只是幾個(gè)電容和電阻，卻直接影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，抗干擾性甚至直接決定整個(gè)系統(tǒng)是否正常工作。經(jīng)過(guò)這次設(shè)計(jì)，我更深刻的理解了“小處不可隨便”這句話。

在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，由于本人邊工作邊做設(shè)計(jì)，比較忙碌，所以此次設(shè)計(jì)有待于進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和研究。

系統(tǒng)的原理圖(A)

系統(tǒng)的原理圖(B)

致 謝

我的設(shè)計(jì)題目是“基于單片機(jī)的煤氣報(bào)警器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”。 此課題的完成需要大量的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)一個(gè)月的努力，我終于成功的完成了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)。

首先要感謝輔導(dǎo)老師耐心、認(rèn)真的指導(dǎo)。從確定課題、查找資料，到電路設(shè)計(jì)、選件、制作，最后到撰寫(xiě)論文，靳老師都給予了我極大的幫助。在教研室期間，由于我在原來(lái)的課程學(xué)習(xí)中，有很多的不懂地方，基礎(chǔ)也不夠牢固，而且又在這次設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到了許多新問(wèn)題，是靳老師以扎實(shí)的理論知識(shí)給予我輔導(dǎo)，才使我學(xué)到了很多原來(lái)不會(huì)的知識(shí)，而且能夠把原來(lái)學(xué)習(xí)的知識(shí)和實(shí)踐聯(lián)系到一起，融會(huì)貫通，能夠更好的掌握這些知識(shí)。

最后，向所有幫助過(guò)我的老師、同學(xué)們表示最衷心的感謝!

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