瓦斯氣體濃度檢測調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、目錄 一、設(shè)計(jì)背景與要求 1 （一）設(shè)計(jì)背景 1 （二）設(shè)計(jì)要求 1 二、方案論證 2 （一）單片機(jī)選擇 2 （二） 傳感器的選擇 2 （三）顯示模塊的選擇 3 （四）風(fēng)機(jī)的選擇 3 三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4 （一）硬件方框圖 4 （二）硬件設(shè)計(jì)原理圖 5 四、系統(tǒng)實(shí)物圖 12 五、測試結(jié)果 13 六、總結(jié) 13 瓦斯氣體濃度檢測調(diào)節(jié)控制系統(tǒng) 摘要：瓦斯等可燃危險(xiǎn)氣體的濃度檢測一直是煤礦安全生產(chǎn)重要前提。鑒 于此，利用STC89C52單片機(jī)智能控制技術(shù)并集成了瓦斯傳感器等功能電路設(shè)計(jì) 了一種瓦斯氣體濃度檢測調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)包括單片機(jī)主控模塊、瓦斯傳感器、 雙色燈顯示模塊、報(bào)警模塊、液晶顯示模塊、

2、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。系統(tǒng)主控模塊采用 性價(jià)比高的單片機(jī)最小系統(tǒng)；選用瓦斯傳感器進(jìn)行信號(hào)采集；利用雙色燈顯示變 化信息，報(bào)警裝置報(bào)警，液晶顯示濃度的變化，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)瓦斯氣體的濃度。 本系統(tǒng)成本低，性能較穩(wěn)定，可自動(dòng)檢測和調(diào)節(jié)瓦斯氣體濃度并報(bào)警。 關(guān)鍵詞：STC89C52瓦斯傳感器；成本低；報(bào)警 一、設(shè)計(jì)背景與要求 （一）設(shè)計(jì)背景 煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)雖在國已有生產(chǎn)和應(yīng)用，但還沒有一種真正適合于中小型煤礦使 用的產(chǎn)品，我國從八十年代初期開始引進(jìn)煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)，歷經(jīng)了直接引進(jìn)、消化吸 收、仿制配套、自主開發(fā)的過程，但迄今為止的產(chǎn)品大多都是面對大型礦井設(shè)計(jì)的，而且自 身尚有一些有待解決的問題，如 ：

3、造價(jià)高系統(tǒng)最基本的配置過于龐大，運(yùn)行費(fèi)用大傳 感器測量穩(wěn)定性差，調(diào)校頻繁，壽命短。系統(tǒng)安裝、維護(hù)復(fù)雜，操作不便，人機(jī)界面較差。 系統(tǒng)設(shè)備可靠性差。必須依賴專業(yè)的維護(hù)隊(duì)伍，對人員技術(shù)，素質(zhì)有較高的要求。 綜上 所述，瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測監(jiān)控器所要實(shí)現(xiàn)的功能包括根據(jù)所選的瓦斯傳感器來設(shè)定瓦斯?jié)舛阮A(yù)警 值，采集瓦斯?jié)舛炔⑦M(jìn)行濃度顯示及處理。當(dāng)實(shí)際濃度超限時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警并同時(shí)控制排風(fēng) 扇進(jìn)行排風(fēng)以降低濃度含量。所以開發(fā)設(shè)計(jì)出一種操作簡單的瓦斯監(jiān)測監(jiān)控器，對有效的預(yù) 防和減少瓦斯爆炸具有非常現(xiàn)實(shí)的意義。 （二）設(shè)計(jì)要求 當(dāng)瓦斯?jié)舛日r(shí)，電動(dòng)機(jī)緩慢正轉(zhuǎn)，雙色燈的顯示綠燈。當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^警戒值時(shí)， 警報(bào)器報(bào)警，電

4、動(dòng)機(jī)加速正轉(zhuǎn)，超過危險(xiǎn)值時(shí)，電動(dòng)機(jī)再減速停止，然后反向轉(zhuǎn)動(dòng)，雙色燈 顯示紅燈。當(dāng)瓦斯?jié)舛然謴?fù)正常時(shí)，警報(bào)器停止報(bào)警，電動(dòng)機(jī)反向緩慢減速，停止，然后再 緩慢正轉(zhuǎn)，雙色燈顯示綠燈。用諾基亞 5110液晶顯示瓦斯?jié)舛戎怠?（一）單片機(jī)選擇 選擇STC89C52RC是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K在系統(tǒng)可編程 Flash存儲(chǔ)器在單芯片上，擁有靈巧的 8位CPU和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得STC89C52為 眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié) Flash，512字節(jié)RAM 32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，置 4KB EEPROMMA

5、X810復(fù)位電路， 三個(gè)16位 計(jì)數(shù)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。另外STC89X52可 降至OHz靜態(tài)邏輯操作，支持 2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允 許RAM定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM容被保存，振蕩器被 凍結(jié)單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35MHz 6T/12T 可選。 STO59C5： ； 1ST VP- 曲 li I 4 X *直 1 in a Lf F胖 li# fl :-: 疣 jiUJLIL -TT Fi Ci uuai 1 it mi Jg二曲 單片機(jī) 打 1畀 j MTO

6、 Fi 3 JJ pa .* jl PJ訂和 .亠 ； 圖1 STC89C52引腳圖圖2 STC89C52實(shí)物圖 （二） 傳感器的選擇 由于瓦斯氣體很難提取，我們這次實(shí)訓(xùn)用酒精代替，于是我們選擇了 MQ-3酒精傳感器。 它具有以下特點(diǎn)： A、具有信號(hào)輸出指示 B、模擬量輸出和TTL電平輸出 C、TTL輸出信號(hào)為低電平，可以直接連接單片機(jī) D、模擬輸出量為05V,濃度越高電壓越高 E、對乙醇濃度具有很高的靈敏性 F、具有快速響應(yīng)恢復(fù)特性 圖3酒精傳感器實(shí)物圖 （三）顯示模塊的選擇 選用諾基亞5110液晶顯示，因?yàn)樗?84x48的點(diǎn)陣LCD可以顯示4行漢字；采用串行 接口與主處理器進(jìn)行通信，接口信

7、號(hào)線數(shù)量大幅度減少，包括電源和地在的信號(hào)線僅有9 條。支持多種串行通信協(xié)議（如AVR單片機(jī)的SP I、MCS51的串口模式0等），傳輸速率 高達(dá)4Mbps，可全速寫入顯示數(shù)據(jù)，無等待時(shí)間；可通過導(dǎo)電膠連接模塊與印制版，而不用 連接電纜，用模塊上的金屬鉤可將模塊固定到印制板上，因而非常便于安裝和更換；LCD控 制器/驅(qū)動(dòng)器芯片已綁定到LCD晶片上，模塊的體積很小；采用低電壓供電，正常顯示時(shí)的 工作電流在200卩A以下，且具有掉電模式。 圖4諾基亞5110液晶顯示 （四）風(fēng)機(jī)的選擇 在礦道瓦斯氣體濃度正常時(shí)風(fēng)機(jī)的主要作用是正轉(zhuǎn)向礦道入空氣 當(dāng)?shù)V道瓦斯氣體濃 度異常時(shí)風(fēng)機(jī)會(huì)先停止然后反轉(zhuǎn)抽出礦道中高

8、濃度的瓦斯氣體 恢復(fù)正常后風(fēng)機(jī)由反轉(zhuǎn)到 停止然后再正轉(zhuǎn)向礦道入空氣。 風(fēng)機(jī)之所以要先停止在轉(zhuǎn)動(dòng)是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)在由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)后 有反轉(zhuǎn)直接進(jìn)行正轉(zhuǎn)是瞬間電流會(huì)很大燒毀電機(jī)。 nwo TnTjniriH| lj.口uq n nnr 5 圖5交流電機(jī)PCB圖 三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) （一）硬件方框圖 1、最小系統(tǒng)及采樣電路設(shè)計(jì)部分框圖 本部分包括采樣電路、供電電路、晶振電路、復(fù)位電路、電頻轉(zhuǎn)換電路及單片機(jī)電路部 分，供電電路主要是為單片機(jī)提供12V電；復(fù)位電路是對單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位，要想復(fù)位必須達(dá) 到兩個(gè)條件，一是復(fù)位引腳處是高電壓，二是時(shí)間達(dá)到兩個(gè)機(jī)器周期以上；晶振電路是由兩 個(gè)22PF的電容和一個(gè)晶振構(gòu)成，連

9、接單片機(jī)的18、19引腳；電頻轉(zhuǎn)換電路主要用的是 MAX232 芯片，它主要是和單片機(jī)進(jìn)行電頻的轉(zhuǎn)換；采樣電路是主要是瓦斯傳感器，對瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行 采集，將信息傳送給單片機(jī)?？驁D如下： 圖6 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖 2、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖 本部分包括雙色燈顯示部分、報(bào)警模塊、液晶顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，雙色燈顯示電 路主要是用于顯示瓦斯?jié)舛仁欠癯^危險(xiǎn)值，如果超過危險(xiǎn)值則顯示紅燈，否則顯示綠燈； 報(bào)警電路用于報(bào)警，提示工作人員，給以警報(bào)的作用；液晶顯示電路時(shí)用諾基亞 5110液晶, 框圖如下： 潅顯示電 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一訂 圖7驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方框圖 3、系統(tǒng)總圖 中機(jī)核塊 顯示模塊 （二）硬件設(shè)計(jì)原理圖 1、最小系統(tǒng)電

10、路部分 供電電路 圖9是電源電路原理圖， 主要由開關(guān)、發(fā)光二極管、電阻組成。在這里電阻的作 用是防止二極管擊穿。 復(fù)位電路 圖10是復(fù)位電路原理圖，主要有電阻、電容和按鍵組成。復(fù)位電路分為手動(dòng)復(fù)位 和上電復(fù)位。上電復(fù)位即通電時(shí)復(fù)位引腳處于高電平狀態(tài)，在此電路中電容與電阻串 聯(lián)，電阻所得電壓幾乎為 5V,當(dāng)電容進(jìn)行充電時(shí)，電容兩端電壓增大，電阻兩端電壓減 小，當(dāng)電阻電壓減小到 3.5V時(shí)，復(fù)位引腳處于低電平狀態(tài)，在此期間所需時(shí)間大于兩 個(gè)機(jī)器周期，滿足復(fù)位條件，故單片機(jī)復(fù)位；手動(dòng)復(fù)位即按鍵未按前，復(fù)位引腳處的 電位值為0V,處于低電平狀態(tài)，當(dāng)按鍵按下時(shí)，復(fù)位引腳處的電位值為10K電阻所得 電壓值

11、，即：10K*5V/(1 + 10)K;當(dāng)電壓值大于 3.5V時(shí)為高電平，經(jīng)公式算得電壓值大 于3.5V，故此時(shí)復(fù)位引腳處于高電平狀態(tài)，按下按鍵所需的時(shí)間大于兩個(gè)機(jī)器周期， 滿足復(fù)位所需條件，故單片機(jī)復(fù)位。 晶振電路 圖11是晶振電路原理圖，主要有晶振和電容組成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩電路，產(chǎn)生單片 機(jī)芯片工作所需要的時(shí)鐘脈沖，提供振蕩源。測量起振方法有兩種，一種是用萬用表測晶振 兩端是否有電壓差；第二種方法是用示波器測量。 串行通信電路 圖12是串行通信原理圖，串行通信的電路使用的是MAX232芯片，實(shí)現(xiàn)PC和單片機(jī)之 間的通信轉(zhuǎn)換，1 6的引腳是電荷泵電路，79腳懸空，為一組通信；11 14腳為

12、通信功 能引腳，為另一組通信。 C5電容是單獨(dú)的屬性，濾波作用，保護(hù)芯片；C2,C3,C4,C6電容是 同一屬性。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成 RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT T2OUT送到電腦 DB9插頭；DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成 TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從 R1OUTR2OUT 輸出。 圖12串行通信原理圖 最小系統(tǒng)實(shí)物圖 如下：圖13 圖13最小系統(tǒng)實(shí)物圖 1、驅(qū)動(dòng)部分電路 雙色燈顯示電路 雙色燈電路主要有三極管和電阻組成。三極管在這里主要事放大作用。 圖14雙色燈顯示原理圖 圖15雙色燈顯示實(shí)物圖 報(bào)警電路 圖16是報(bào)警電路原理圖，聲

13、光報(bào)警電路是由蜂鳴器和發(fā)光二極管組成的用P1.0和 P1.1作為聲光報(bào)警電路的使能信號(hào)輸出端。為了提高聲光報(bào)警電路的驅(qū)動(dòng)能力均加有 74LS04反向驅(qū)動(dòng)器同時(shí)為了保證電路可靠工作加了限流電阻。其中蜂鳴器我們采用+5伏直 流蜂鳴器 其屬于無源蜂鳴器部封裝有音頻振蕩電路只要外加+5直流電源電壓即可起振發(fā) 聲。當(dāng)采集到的瓦斯?jié)舛瘸^預(yù)先設(shè)定的上限值時(shí)系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。圖17是報(bào)警 系統(tǒng)的實(shí)物圖。 吐 1 I I I 1 I 1 I I I 1 I 1 I 丨I I I ： 1I I 1 I I 丨一廠 圖16報(bào)警電路原理圖 圖17警報(bào)器實(shí)物圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由穩(wěn)壓模塊、移相電路模塊、

14、D/A轉(zhuǎn)換模塊組成。 A、穩(wěn)壓模塊 圖18是穩(wěn)壓模塊原理圖，此部分電路主要有 CL7660芯片和78L05芯片。ICL7660主 要的作用就是將+5V的電壓轉(zhuǎn)換成-5V電壓；78L05芯片主要是將輸入的12V轉(zhuǎn)換成5V, 穩(wěn)壓作用。 B移相電路 圖19是移相電路原理圖，此部分主要有 TCA785芯片、MOC302和TLP521光耦。TCA785 芯片是移向控制電路，用來控制半導(dǎo)體晶閘流管，雙向可控硅開關(guān)，觸發(fā)脈沖在0180度 之間，可以手動(dòng)控制脈沖輸出寬度。光耦在這里主要起到隔離電壓作用。在管腳11弓I入移 相控制電平，管腳 6接調(diào)制信號(hào)，管腳5接同步信號(hào)，管腳9和管腳10分別接鋸齒波斜率 電

15、阻和電容，管腳12通過電容接地，管腳 15和管腳14為脈沖輸出端 Q1、Q2。由管腳5引 入的同步信號(hào)，經(jīng)部零點(diǎn)鑒別器，同步寄存器控制鋸齒波發(fā)生器，使之產(chǎn)生與同步信號(hào)同步 且頻率為同步信號(hào)兩倍的鋸齒波。鋸齒波的斜率由管腳9和管腳10間的電阻電容決定，當(dāng) 圖19 移相電路原理圖 C數(shù)模轉(zhuǎn)換電路 圖20是數(shù)模轉(zhuǎn)換電路原理圖，此部分電路主要有PCF8591芯片、和PC817光耦、比較 放大器、二極管組成。PCF8591是一個(gè)單片集成、單獨(dú)供電、低功耗、8-bit CMOS數(shù)據(jù)獲取 器件。PCF8591具有4個(gè)模擬輸入、1個(gè)模擬輸出和1個(gè)串行12 C總線接口。PCF8591的3 個(gè)地址引腳 AO, A

16、1和A2可用于硬件地址編程，允許在同個(gè)12 C總線上接入8個(gè)PCF8591 器件，而無需額外的硬件。 在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號(hào)都是通過雙 線雙向12 C總線以串行的方式進(jìn)行傳輸。光耦在這的作用是將 12V和5V隔離，也就是隔離 電壓作用。 疋.c*i,i 圖20數(shù)模轉(zhuǎn)換電路原理圖 D驅(qū)動(dòng)電路實(shí)物圖 圖21是驅(qū)動(dòng)電路實(shí)物圖，用直接對目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試。然后下載到電路板中。 圖21交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)物圖 四、系統(tǒng)實(shí)物圖 圖22系統(tǒng)實(shí)物圖 五、測試結(jié)果 濃度 電機(jī)轉(zhuǎn)向 報(bào)警器 雙色燈 37 緩慢正轉(zhuǎn) 不報(bào)警 綠燈 107 快速正轉(zhuǎn) 報(bào)警 綠燈 170 先停止， 在反轉(zhuǎn) 報(bào)警 紅燈

17、 圖23測試結(jié)果顯示圖 六、總結(jié) 通過這次設(shè)計(jì)，復(fù)習(xí)了以前學(xué)過的 Protel和Keil等繪圖知識(shí)，當(dāng)然在這個(gè)過程中我們 遇到了好些問題例如： 、畫圖的時(shí)候器件查找錯(cuò)誤 、畫PCB圖示元器件封裝弄錯(cuò)，把貼片式的封裝搞成了插針式封裝 、PCB布線時(shí)布的太亂，元器件之間的空隙過大，造成了很大的浪費(fèi) 、使用keil軟件編輯程序時(shí)，總是出現(xiàn)錯(cuò)誤 、焊接時(shí)把二極管焊接反了，有的元器件找不到，以至于焊接速度很慢 、連接實(shí)物時(shí)電機(jī)總是不轉(zhuǎn) 、連接液晶顯示時(shí)總是顯示不了 出現(xiàn)了問題當(dāng)然要解決，首先我們小組進(jìn)行了討論，比如說那些畫圖過程中遇到的問題，我 們就按照老師給的參考圖去放置元器件，自己動(dòng)手翻書去查找那些元器件的封裝，有的元器 件封裝沒有，我們就自己畫；由于我們程序那方面不太熟練，我們就請教老師，幫我查找了 錯(cuò)誤；焊接過程中出現(xiàn)了錯(cuò)誤首先自己用萬用表測量下，然后分析哪部分出現(xiàn)了錯(cuò)誤，進(jìn)行 解決；連接實(shí)物圖時(shí)由于我們接的是220V的電壓，老師擔(dān)心我們安全， 就自己先演示一遍， 但我們之前把繼電器焊接錯(cuò)誤，導(dǎo)致連接后電機(jī)無法轉(zhuǎn)動(dòng)重新焊接繼電器之后電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng) 了；在接液晶顯示時(shí)出現(xiàn)了液晶亮但不顯示的情況，這個(gè)問題最難解決， 我們一開始以為是 酒精傳感器的問題，換了兩三個(gè)酒精傳感器之后還是不顯示酒精的度數(shù)，最終我們知道原來 是程序上的錯(cuò)誤。 通過這次實(shí)訓(xùn)，我最深的感受就是自己真的