基于單片機(jī)控制的甲烷濃度控制設(shè)計(jì)

1、目錄第1章 緒論················································

2、3;····11.1 課題研究的必要性···········································

3、83;······11.2 國(guó)內(nèi)外研究水平和動(dòng)向·········································

4、·····11.3 課題研究的總體解決方案··········································&#

5、183;·2第2章 智能儀器的研制、基本要求和思路····························32.1 智能儀器的研制···············

6、·····································32.2 智能儀器設(shè)計(jì)的基本要求··········&#

7、183;·································32.3 課題研究的總體思路··············

8、··································3第3章 瓦斯報(bào)警器的總體設(shè)計(jì)方案·············&

9、#183;····················53.1 概述····························

10、··································53.2 總體設(shè)計(jì)方案··············&

11、#183;·······································53.3 總體分析········

12、3;·················································5第4章

13、 硬件電路設(shè)計(jì)··············································64.1 核心器件8031單片機(jī)&

14、#183;··············································64.2 敏感元件·

15、3;·················································

16、3;······84.2.1 熱催化元件的結(jié)構(gòu)·········································8

17、4.2.2 敏感元件工作原理·········································84.3 小信號(hào)放大電路····

18、3;···············································94.4 A/D轉(zhuǎn)換電路

19、3;·················································

20、3;···114.4.1 ADC0809的主要特性······································114.4.2 ADC0809芯片的引腳圖及引腳功能·

21、·························124.4.3 ADC0809與8031單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)····················&#

22、183;····134.5 看門狗電路···········································

23、83;···········144.6 報(bào)警電路·····································

24、;····················164.7 顯示電路····························&

25、#183;····························164.7.1 CD4511簡(jiǎn)介··················

26、83;··························164.7.2 74LS377簡(jiǎn)介····················

27、3;·······················174.8 電源部分·························

28、·································184.9 總體硬件原理圖：··············

29、3;····································19第5章 結(jié)束語(yǔ)············&

30、#183;······································20參考文獻(xiàn)··········&

31、#183;·············································21附錄1···&#

32、183;·················································&#

33、183;····22第1章 緒論1.1 課題研究的必要性 從我國(guó)煤炭生產(chǎn)的現(xiàn)狀及我國(guó)能源結(jié)構(gòu)規(guī)劃均可看出，在本世紀(jì)中葉以前，煤炭仍是支持我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要能源，煤炭生產(chǎn)，作為我國(guó)能源工業(yè)的支柱，其地位將是長(zhǎng)期的、穩(wěn)定的，但是煤炭工業(yè)的安全生產(chǎn)狀況卻不容樂(lè)觀，中小型煤礦的情況尤為嚴(yán)重，已經(jīng)直接威脅到整個(gè)煤炭工業(yè)的穩(wěn)定生產(chǎn)，給國(guó)家財(cái)產(chǎn)和人民生命造成了很大的損失，作為“萬(wàn)惡之首”的甲烷爆炸事故更是重大事故發(fā)生率之首。在去年又接連發(fā)生了多起甲烷爆炸事故，事故的結(jié)果觸目驚心，因此通過(guò)強(qiáng)化甲烷管理，提高通風(fēng)、甲烷檢測(cè)監(jiān)控水平，已成為中小型煤礦甲烷檢測(cè)監(jiān)控的最迫切

34、的任務(wù)之一。 煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)，是目前為止實(shí)際通風(fēng)甲烷管理工作中最重要和最有效的自動(dòng)化手段，已經(jīng)裝備監(jiān)控系統(tǒng)的煤礦的甲烷事故發(fā)生率大為下降，實(shí)踐證明，煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)保障煤礦安全生產(chǎn)，提高煤礦生產(chǎn)率，提高煤礦自動(dòng)化程度以及促進(jìn)煤礦管理現(xiàn)代化水平，都有著舉足輕重的作用。1.2 國(guó)內(nèi)外研究水平和動(dòng)向解放前我國(guó)煤炭工業(yè)技術(shù)十分落后，礦井通風(fēng)安全儀器更是屬于空白。解放后，黨和政府對(duì)安全工作極為重視，煤礦安全狀況及勞動(dòng)條件得到了很大的改善，通風(fēng)安全儀器從無(wú)到有地發(fā)展起來(lái)。在儀器的研究、生產(chǎn)制造方面，多年來(lái)投入了很大的力量，形成了以撫順、重慶、西安、常州、上海等地為中心的安全儀器生產(chǎn)基地，除生產(chǎn)

35、大量的通風(fēng)安全儀器和救護(hù)設(shè)備外，從1980年起，先后從波蘭、英國(guó)、美國(guó)和西德等地引進(jìn)了多種形式的煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，在引進(jìn)的基礎(chǔ)上，我國(guó)也研制了一批安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如常州煤研所的KJ1型，北京長(zhǎng)城科學(xué)儀器廠的KJ4型，重慶煤礦安全儀器廠的TF-200型和AWJ-80型，西安儀表廠的MJC-100型，撫順煤礦安全儀器廠的AU1型，總參6904廠的WDJ-1型和鎮(zhèn)江煤礦專用設(shè)備廠的A-1型等安全監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)裝備礦井。其中KJ4型的系統(tǒng)容量為1536個(gè)，傳輸距離為13 km。所有這些成就，表明我國(guó)的安全監(jiān)測(cè)儀器的研制和裝備進(jìn)入了新的水平。但是目前安全監(jiān)測(cè)傳感器的種類和質(zhì)量與國(guó)際水平的差距還較

36、大，這是需要解決的問(wèn)題。煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)雖在國(guó)內(nèi)已有生產(chǎn)和應(yīng)用，但還沒(méi)有一種真正適合于中小型煤礦使用的產(chǎn)品，我國(guó)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(guò)程，但迄今為止的產(chǎn)品大多都是面對(duì)大型礦井設(shè)計(jì)的，而且自身尚有一些有待解決的問(wèn)題，如:造價(jià)高，系統(tǒng)最基本的配置過(guò)于龐大，運(yùn)行費(fèi)用大傳感器測(cè)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(duì)人員技術(shù)，素質(zhì)有較高的要求。國(guó)外的監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)理論上講高于國(guó)內(nèi)發(fā)展水平，但應(yīng)用于國(guó)內(nèi)煤礦尚有一定的局限性，如煤礦管理模式生產(chǎn)方式的不同，價(jià)格過(guò)

37、高不適于國(guó)內(nèi)煤礦現(xiàn)有條件，除在傳感器技術(shù)方面可供借鑒外，其它僅具一定參考價(jià)值。 綜上所述，開發(fā)研制適用于中小型煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)迫在眉睫，而根據(jù)我國(guó)煤礦生產(chǎn)和管理模式，依照我國(guó)的有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其技術(shù)的先進(jìn)性、產(chǎn)品的可靠性和實(shí)用性則是本項(xiàng)目的關(guān)鍵所在。1.3 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8031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，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，開機(jī)指示，電池欠壓指示等。該系統(tǒng)由單片機(jī)、瓦斯氣體檢測(cè)電路、A/D轉(zhuǎn)換、LED數(shù)碼管

38、顯示電路和聲光報(bào)警電路組成，以單片機(jī)為核心構(gòu)成一個(gè)具備數(shù)據(jù)采集，對(duì)象控制，結(jié)果顯示等功能的完整系統(tǒng)。本論文針對(duì)8031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。1.4 本論文的結(jié)構(gòu)安排 介紹了該課題提出的必要性和國(guó)內(nèi)外研究水平與動(dòng)向以及測(cè)量?jī)x器的基本性能，同時(shí)給出整個(gè)論文的結(jié)構(gòu)安排。研究?jī)?nèi)容、方法和原則。闡述了課題研究的內(nèi)容，設(shè)計(jì)思路和方法以及整體設(shè)計(jì)所遵循的原則。監(jiān)控儀的工作原理。對(duì)甲烷濃度監(jiān)控儀作了原理分析，同時(shí)介紹了敏感元件的結(jié)構(gòu)和工作原理以及整機(jī)工作原理。硬件設(shè)計(jì)。對(duì)組成系統(tǒng)的CPU、時(shí)鐘電路、敏感元件、小信

39、號(hào)放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、通信電路以及看門狗監(jiān)控電路都作了詳細(xì)介紹。 第2章 測(cè)控儀器的選取、基本要求和思路2.1測(cè)控儀器的選取主要?jiǎng)澐譃榇_定任務(wù)、擬定設(shè)計(jì)方案、硬件設(shè)計(jì)研制、儀器總調(diào)、性能測(cè)試等幾個(gè)階段。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分應(yīng)用近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的各種新技術(shù)、新器件、新方法，在保證各項(xiàng)性能指標(biāo)能夠滿足系統(tǒng)各方面要求的前提下，力求簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，提高可靠性和穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的問(wèn)題：1.產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)、生產(chǎn)工藝等要符合國(guó)家有關(guān)規(guī)定及煤炭部，地方管理部門的規(guī)定。2.運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性一定要好，安裝、維護(hù)要方便，操作要簡(jiǎn)單。3.各項(xiàng)功能要實(shí)用，既要滿足國(guó)家和地方的有關(guān)規(guī)定也要考慮用戶的要求

40、。4.設(shè)計(jì)、制造盡可能使用通用的有替代產(chǎn)品的元件，器件和設(shè)備。5.能使用軟件實(shí)現(xiàn)的功能，一般不使用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，以減小體積，將成本降至最低。6.設(shè)計(jì)要從整體出發(fā)，分步、分層實(shí)施，突出系統(tǒng)的整體性能，力求系統(tǒng)整體性能最優(yōu)化。2.2測(cè)控儀器設(shè)計(jì)的基本要求硬件：儀器所用器件的質(zhì)量和儀器結(jié)構(gòu)工藝是影響可靠性的重要因素故應(yīng)合 理選擇元器件和采用在極限情況下進(jìn)行試驗(yàn)的方法。所謂合理選擇元器件是 指在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)元器件的負(fù)載、速度、功耗、工作環(huán)境等技術(shù)參數(shù)應(yīng)留有一定 的余量并對(duì)元器件進(jìn)行老化和篩選。而極限情況下的試驗(yàn)是指在研制過(guò)程 中一臺(tái)樣機(jī)要承受低溫、高溫、沖擊、振動(dòng)、干擾、煙霧等試驗(yàn)以保證 其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。

41、便于操作和維護(hù)：在儀器設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)考慮操作方便，盡量降低對(duì)操作人員的專業(yè)知識(shí)的要求，以便產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。儀器的控制開關(guān)或按鈕不能太多、太復(fù)雜，操作程序應(yīng)簡(jiǎn)單明了，從而使操作者無(wú)需專門訓(xùn)練，便能掌握儀器的使用方法。2.3 課題研究的總體原則1.加強(qiáng)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)用性，將監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造同現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要密切結(jié)合起來(lái)，整體結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，安裝使用十分簡(jiǎn)便，希望使監(jiān)控系統(tǒng)真正成為礦井通風(fēng)管理的得力助手。2.提高產(chǎn)品的技術(shù)應(yīng)用水平和整體質(zhì)量檔次，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料適用、工藝安排等方面都努力使產(chǎn)品在技術(shù)上、質(zhì)量上更上一個(gè)新的臺(tái)階。3.花大力氣提高產(chǎn)品的可靠性，從軟件到硬件，從元器件到整機(jī)，都盡最大努力提高整

42、體系統(tǒng)的可靠性。第3章 瓦斯報(bào)警器的總體設(shè)計(jì)方案3.1 概述瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)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(lái)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(jiǎn)單的瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控器，對(duì)有效的預(yù)防和減少瓦斯爆炸具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義3.2 總體設(shè)計(jì)方案瓦斯氣體轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路電源顯示輸出檢測(cè)系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)看門狗計(jì)算3.3 總體分析本設(shè)計(jì)是以單片機(jī)處理部分作為核心的礦井瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，其主要的功能是檢測(cè)氣體濃度，當(dāng)?shù)V井中的瓦斯氣體濃度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)會(huì)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，防止發(fā)生瓦斯爆炸，保

43、證井下工人安全。將監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造同現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要密切結(jié)合起來(lái)，希望使監(jiān)控系統(tǒng)真正成為礦井通風(fēng)管理的得力助手。第4章 硬件電路設(shè)計(jì)為適應(yīng)安全生產(chǎn)的需要，同時(shí)滿足體積小、耗電少、精度高的要求，硬件電路設(shè)計(jì)中盡可能選用功耗小，性能穩(wěn)定的集成電路芯片。4.1 核心器件8031單片機(jī)8031是監(jiān)控報(bào)警儀的核心，完成數(shù)據(jù)采集、處理、輸出、顯示等功能,是整個(gè)儀器正常工作的基礎(chǔ)，它的選擇直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的工作。選擇通用性強(qiáng)、功耗小、性能穩(wěn)定良好的8位CMOS微處理器芯片8031，工作電壓為2.7V6.OV,具有32條可編程I/O端口，2個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器大大簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)。引腳圖如圖4-1：圖4-1

44、8031單片機(jī)引腳圖 部分引腳功能說(shuō)明：XTAL1：接外部晶振的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一反相放大器輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。它采用外部振蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)接地。XTAL2：接外部晶振的一個(gè)引腳。在片內(nèi)接至振蕩器的反相放大器輸出端和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器輸入端。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，則此引腳接外部振蕩信號(hào)的輸入。RST：8031的復(fù)位信號(hào)輸入引腳，高電位工作，當(dāng)要對(duì)芯片復(fù)位時(shí)，只要將此引腳電位提升到高電位，并持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的時(shí)間，8031便能完成系統(tǒng)復(fù)位的各項(xiàng)工作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器的內(nèi)容均被設(shè)成已知狀態(tài)。ALE/：ALE表示允許地址鎖存允許信號(hào)。當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE信號(hào)負(fù)跳

45、變來(lái)觸發(fā)外部的8位鎖存器 (如74LS373)，將端口P0 的地址總線(A0-A7)鎖存進(jìn)入鎖存器中。在非訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器期間，ALE引腳的輸出頻率是系統(tǒng)工作頻率的1/16，因此可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)其他外圍芯片的時(shí)鐘輸入。P0：P0口(P0.0P0.7)是一個(gè)8位漏極開路雙向輸入輸出端口，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)時(shí)，它是地址總線（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用。外部不擴(kuò)展而單片應(yīng)用時(shí)，則作一般雙向I/O口用。P0口每一個(gè)引腳可以推動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。P2：P2口(P2.0P2.7)是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/0端口(準(zhǔn)雙向并行I/O口)，當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，它是高8位地址。外部不擴(kuò)展而單片應(yīng)用時(shí)，則作一般雙向I/O

46、口用。每一個(gè)引腳可以推動(dòng)4個(gè)LSTL負(fù)載。P1：P1口(P1.0P1.7)口是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/0端口(準(zhǔn)雙向并行I/O口)，其輸出可以推動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。僅供用戶作為輸入輸出用的端口。P3：P3口(P3.0P3.7)口是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/0端口(準(zhǔn)雙向并行I/O口)，它還提供特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)控制及外部隨機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ?。其特殊功能引腳分配如下：P3.0 RXD 串行通信輸入P3.1 TXD 串行通信輸出P3.2 外部中斷0輸入,低電平有效P3.3 外部中斷1輸入,低電平有效P3.4 T0 計(jì)數(shù)器0 外部事件計(jì)數(shù)輸入端P3.5

47、 T1 計(jì)數(shù)器1 外部事件計(jì)數(shù)輸入端P3.6 外部隨機(jī)存儲(chǔ)器的寫選通，低電平有效P3.7 外部隨機(jī)存儲(chǔ)器的讀選通，低電平有效在設(shè)計(jì)中用到了多片串行通信的芯片，但選用的單片機(jī)8031只有一個(gè)串行口，這給連接帶來(lái)了極大的麻煩。在設(shè)計(jì)中，用單片機(jī)未用到的普通I/O口輔之控制軟件來(lái)模擬串行口工作，從而解決了串行口不夠用的難題。4.2 敏感元件4.2.1 熱催化元件的結(jié)構(gòu)載體催化元件最里層是用0.02O.O5mm的高性能鉑絲繞制的螺旋圈，外面是由三氧化二鋁和催化劑組成的催化外殼。鉑絲螺旋圈完成加熱;三氧化二鋁載體有定型、傳熱和載附催化劑等功能。催化劑由氯化鈀外加穩(wěn)定劑釷(Tu)配制而成，有降低起燃溫度、

48、加強(qiáng)選擇性、提高穩(wěn)定性等功能。當(dāng)載體催化元件遇到甲烷與空氣的混合氣體時(shí)，在催化劑的作用下，甲烷氣體在元件表面發(fā)生無(wú)焰燃燒，產(chǎn)生的熱量使鉑絲的溫度升高。載體催化燃燒式傳感器一般被制成一個(gè)便于測(cè)量的探頭，探頭可以單獨(dú)設(shè)置，也可以作為一個(gè)獨(dú)立單元裝配在儀器內(nèi)使用。探頭內(nèi)部的主要元件是黑元件(催化元件)和白元件(補(bǔ)償元件)，兩個(gè)元件分別配置在電橋電路中，作為一組橋臂，另一組橋臂是兩個(gè)固定電阻，作為電橋的比率臂。與黑白元件相對(duì)應(yīng)，為使電橋在無(wú)甲烷狀態(tài)下處于平衡狀態(tài)，應(yīng)先對(duì)電橋進(jìn)行調(diào)零。此外，傳感器電源應(yīng)是經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓的穩(wěn)壓源。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本項(xiàng)目采用熱催化式工作原理。4.2.2 敏感元件工作原理黑元件載體是

49、催化燃燒式元件，當(dāng)甲烷氣體在元件表面與氧氣產(chǎn)生無(wú)焰燃燒時(shí)，電橋失去平衡，輸出一個(gè)電壓信號(hào)。白元件是補(bǔ)償元件，基本結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)與黑元件相同，但表面不涂鍍催化劑，所以，它不參加低溫燃燒。但由于它處于與黑元件相同的工作環(huán)境中，所以，對(duì)非甲烷濃度變化引起的催化元件阻值變化起補(bǔ)償作用，以提高儀器零點(diǎn)穩(wěn)定性和抗干擾能力。使用時(shí)一般將黑白元件串聯(lián)，作為電橋的一臂，用普通電阻構(gòu)成電橋的另一臂，電橋的兩端加上穩(wěn)定的工作電壓U。當(dāng)含有甲烷的空氣在高溫和催化劑的作用下，發(fā)生無(wú)焰燃燒，而在白元件上則不致使甲烷燃燒，從而使黑元件的溫度比白元件的溫度高，黑元件中的鉑絲既是加熱元件，又是感應(yīng)溫度的熱敏元件，根據(jù)鉑絲的正溫

50、度系數(shù)的特性，溫度升高時(shí)電阻增大，黑元件上的電壓降即增大，電橋失去平衡，輸出一個(gè)電壓信號(hào)U，該電壓值的大小反映了甲烷濃度的高低，檢測(cè)此電壓便可測(cè)量出甲烷濃度。敏感元件是準(zhǔn)確檢測(cè)甲烷氣體含量的核心元件之一，它由工作元件和補(bǔ)償元件組成，將這兩個(gè)元件分別接在惠斯登電橋上，在元件的電源端加入高電平時(shí)元件開始工作，當(dāng)環(huán)境中無(wú)甲烷氣體時(shí)，調(diào)整電橋使之輸出為零，當(dāng)有甲烷氣體時(shí)，甲烷氣體以擴(kuò)散方式進(jìn)入儀器原測(cè)量氣室，內(nèi)部接于橋臂的熱催化元件或熱導(dǎo)元件發(fā)生氧化還原反應(yīng)，引起元件溫度升高，阻值增大，使原來(lái)平衡的電橋失去平衡，輸出與甲烷濃度相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，測(cè)量該電壓信號(hào)即可知甲烷濃度。其中R1為催化燃燒式元件，當(dāng)

51、烷氣體在元件表面與氧氣產(chǎn)生無(wú)焰燃燒時(shí)，電橋失去平衡，在A和B之間輸出一個(gè)電壓信號(hào)，該電壓值的大小反映了甲烷濃度的高低，檢測(cè)此電壓便可測(cè)量出甲烷濃度。它的基本測(cè)試電路圖如圖4-2所示:圖4-2 敏感元件的基本測(cè)試電路4.3 小信號(hào)放大電路目前有許多型號(hào)的單片測(cè)量放大器集成芯片可供選擇，因此不再用分立的運(yùn)算放大器來(lái)構(gòu)成測(cè)量放大器。采用單片測(cè)量放大器芯片與用分立的運(yùn)算放大器相比具有性能優(yōu)異、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中選擇集成芯片INA128儀用放大器。它的內(nèi)部原理圖4-3： 圖4-3 INA128內(nèi)部原理圖其特點(diǎn)如下： 低偏置電壓最大50V，低溫度漂移最大0.5V/，低輸入偏置電流最

52、大5nA，高共模抵制CMR 最小120DB，輸入保護(hù)至±40V，寬電源電壓范圍±2.25 至±18V，低靜態(tài)電流700A，8 引腳塑料DIP 和SO-8封裝。電路圖如圖4-3-1所示： 圖4-3-1 INA128應(yīng)用電路 設(shè)置增益：在引腳1和引腳8之間外接一個(gè)電阻RG可對(duì)增益進(jìn)行設(shè)置 等式中的50K是兩個(gè)內(nèi)部反饋電阻A1和A2的和。在信號(hào)的輸入電路設(shè)計(jì)中，INA128的增益設(shè)為固定值，在這里取G=20,則RG2.632K。電源電壓取為3.3V。在有噪聲或高阻抗供電電源的應(yīng)用中，要在器件的引腳附近接去耦電容器。如上圖中電源與地之間的去耦電容。4.4 A/D轉(zhuǎn)換電路因

53、為單片機(jī)不能直接接收模擬量信號(hào)，所以電壓測(cè)量信號(hào)，必須通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后方可以輸入單片機(jī)進(jìn)行處理。A/D轉(zhuǎn)換器芯片有很多種,在此選擇比較熟悉的ADC0809。ADC0809是8路8位逐次逼近行A/D轉(zhuǎn)換CMOS器件，能對(duì)多路模擬信號(hào)進(jìn)行分時(shí)采集和A/D轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號(hào)通過(guò)三態(tài)緩沖器，可直接與微處理器的數(shù)據(jù)總線相連接。4.4.1 ADC0809的主要特性ADC0809的主要特性如下：1.分辨率為8位2.最大不可調(diào)誤差小于±ULSB3.可鎖存三態(tài)輸出，能與8位微處理器接口4.輸出與TTL兼容5.不必進(jìn)行零點(diǎn)和滿度調(diào)整6.單電源供電，供電電壓為+5V7.轉(zhuǎn)換速率取決于芯片的時(shí)鐘頻率，時(shí)鐘頻

54、率范圍是：101280KHZ，當(dāng)時(shí)鐘頻率為500KHZ時(shí)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間為125Us。其內(nèi)部原理圖為：4.4.2 ADC0809 芯片的引腳圖及引腳功能ADC0809由一個(gè)8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。引腳圖如圖4-3所示，部分引腳功能說(shuō)明如圖4-5： 圖4-4 ADC0809引腳圖 IN0IN7：8路模擬信號(hào)輸入端D0D7：8位數(shù)字量輸出端START：?jiǎn)?dòng)控制輸入端，

55、高電平有效，用于啟動(dòng)ADC0809內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程ALE：地址鎖存控制輸入端。ALE端可與START端連接在一起，通過(guò)軟件輸入一個(gè)正脈沖，可立即啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出端，開始A/D轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)輸出高電平。OE：輸出允許控制端，用于打開三態(tài)輸出鎖存器。當(dāng)OE為高電平時(shí)，打開三臺(tái)數(shù)據(jù)輸出鎖存器，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)量輸送到數(shù)據(jù)總線上。CLK：時(shí)鐘信號(hào)輸入端。ADDA（ADDB、ADDC）：8路模擬選通開關(guān)的3位地址選通輸入端。VREF+：參考電壓正端。VREF-：參考電壓負(fù)端。4.4.3 ADC0809與8031 單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)ADC0809 與8031的硬件接口方

56、式有：查詢方式、中斷方式和等待延時(shí)方式。采用中斷方式不浪費(fèi)CPU的等待時(shí)間，但如果A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間較短，也可采用程序查詢方式和等待延時(shí)方式。在此采用中斷方式，接口電路如圖4-4-1： 圖4-4-1 ADC0809與8031單片機(jī)的接口電路 P2.6與WR相或非，產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)START和地址鎖存控制信號(hào)ALE；P2.6與RD相或非產(chǎn)生輸出允許控制信號(hào)OE。OE為高電平時(shí)，打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)量輸送到數(shù)據(jù)總線上。4.5 看門狗電路 看門狗電路一般有軟件看門狗和硬件看門狗兩種。軟件看門狗不需外接硬件電路，但系統(tǒng)需要出讓一個(gè)定時(shí)器資源，這在許多系統(tǒng)中很難辦到，而且若系統(tǒng)軟件運(yùn)行不正常，

57、可能導(dǎo)致看門狗系統(tǒng)也癱瘓。硬件看門狗是真正意義上的“程序運(yùn)行監(jiān)視器”，如計(jì)數(shù)型的看門狗電路通常由555多諧振蕩器、計(jì)數(shù)器以及一些電阻、電容等組成，分立元件組成的系統(tǒng)電路較為復(fù)雜，運(yùn)行不夠可靠?？删幊炭撮T狗電壓監(jiān)控電路選用Xicor公司的X25045集成芯片，它是集看門狗定時(shí)器功能，電壓監(jiān)控功能，快閃E2PROM存儲(chǔ)功能為一體的集成芯片，大大簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了對(duì)印制電路板的空間要求，降低了成本和系統(tǒng)功耗，是一種理想的單片機(jī)外圍芯片?？撮T狗定時(shí)器電路對(duì)微控制器提供了獨(dú)立的保護(hù)系統(tǒng)，可編程設(shè)置三種周期，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，在預(yù)先設(shè)定的周期之后產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，該周期一旦設(shè)定，即使在

58、電源周期變化之后也不改變。電壓監(jiān)控功能可以保護(hù)系統(tǒng)使之免受低電壓狀況的影響，當(dāng)V0降到最小轉(zhuǎn)換點(diǎn)以下時(shí)，系統(tǒng)復(fù)位，直到電壓升高且穩(wěn)定為止，E2PROM可存放數(shù)據(jù)，安全可靠，這種組合不僅降低系統(tǒng)成本，減少電路板空間要求，而且與CPU接口簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定。芯片的性能特點(diǎn):1.可編程的看門狗定時(shí)器；2.低VCC檢測(cè)，直到VCC等于1V時(shí)復(fù)位信號(hào)有效；3.1MHZ的串行時(shí)鐘頻率；4.512×8位串行EEPROM；5.低功耗CMOS設(shè)計(jì)，工作時(shí)電流3mA，備用時(shí)10A；6.電源電壓為2.7V5.5V；7.片內(nèi)寫保護(hù)；8.高可靠性:使用期限:100000周期/字節(jié)；數(shù)據(jù)保存期:100年；ESD保護(hù)

59、:所有引腳2000V ;9.RESET高電平有效。 引腳如圖4-10，部分引腳說(shuō)明：片選擇輸入；SO：SO是一個(gè)推/拉串行數(shù)據(jù)輸出引腳，在讀周期時(shí)間內(nèi)，數(shù)據(jù)從這個(gè)引腳輸出，串行時(shí)鐘脈沖下降沿時(shí)數(shù)據(jù)輸出；圖4-5 X25045引腳圖SI：是串行數(shù)據(jù)輸入引腳，所有的操作碼，字節(jié)，地址及數(shù)據(jù)都通過(guò)這個(gè)引腳寫入存儲(chǔ)器，串行時(shí)鐘脈沖上升沿時(shí)，數(shù)據(jù)被鎖存； SCK：串行時(shí)鐘輸入，其上升沿將數(shù)據(jù)或命令寫入，下降沿將數(shù)據(jù)輸出； ：寫保護(hù)輸入。當(dāng)它低電平時(shí)，寫操作被禁止； ：復(fù)位輸出。X25045硬件連接圖如圖4-5-1 ： 圖4-5-1 X25045硬件連接圖4.6 報(bào)警電路 報(bào)警電路由NPN三極管、蜂鳴器、LED和限流電阻組成，如圖4-10所示。由單片機(jī)兩個(gè)I/0口控制聲報(bào)警方式和光報(bào)警方式，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以通過(guò)軟件設(shè)置選擇其中一種報(bào)警方式，也可以兩種都選擇。 8050是一種常用的小功率開關(guān)三極管，它的最大負(fù)載電流為700mA, VCEO=20V,飽和壓降為0.5V。 Q1和Q2分別作為蜂鳴器和發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)器，蜂鳴器的正常工作為3V，聲音強(qiáng)度為80dB，發(fā)光二極管的額定電流為5lO