毕业设计（论文）基于凌阳单片机的便携式瓦斯智能监测系统设计.doc

目 录目 录1文献综述2便携式瓦斯智能监测系统（论文正文）7第一章 概述7一、瓦斯的定义7二、瓦斯爆炸7三、影响煤层瓦斯含量的因素8四、煤矿井下瓦斯爆炸事故原因分析8五、预防瓦斯爆炸的措施9第二章 系统设计要求9一、所用到的术语和定义9二、甲烷传感器的设置10三、便携式检测仪器使用要求13第三章 所用元器件简介13一、凌阳单片机简介13二、所用传感器简介16三、所用隔离器件简介19第四章 硬件连接20一、系统框图20二、硬件连接的全部电路图21三、各部分的分析21第五章 软件设计26一、程序分析26二、将数值改为二进制26三、语音播放流程26四、各部分流程图27五、程序清单30实习报告34致 谢38参考文献39附 录40文献综述学 院：轻纺工程与美术学院 系 别：纺织工程系专业班级：机械0801 姓 名：指导老师：一、煤矿安全生产历史及现状煤矿生产是地下作业，自然条件和生产条件都复杂，在采掘过程中出现的瓦斯涌出、煤尘飞扬、自然发火等都有可能造成严重事故。为了防止事故发生，保障矿工的健康和安全，促进生产发展，提高煤炭企业的经济效益，应对井下的气象进行检测，对可能造成灾害事故的各种有害气体及矿尘进行及时而准确的检测和严格控制，一旦发生灾变，必须及时救护遇难人员和处理事故。所有这些都需要有相应的检测仪器和救护装备。最初，人们为了防止井下空气中混有一氧化碳造成中毒事故，曾使用过金丝雀一类的小动物来进行检测。1815年英国人在煤矿井下开始使用安全火焰灯检测瓦斯。1897年瑞典制成第一台容积压力式瓦斯浓度测量仪。随着矿井开采深度的增大，机械化和综合机械采煤的普遍推广，通风安全方面问题日益突出。与此同时，随着仪表工业及电子技术的发展，矿井通风安全仪器也得到了不断的发展。1927年日本制造成光干涉原理甲烷检定器，以后又陆续出现热导、热催化原理、气敏半导体等各种不同原理的甲烷检定器，其测量精度不断提高，检测方式从“间断”、“就地”检测发展到“连续”、“集中自动”遥测。特别是随着电子计算机技术的应用，一套监测系统，除能检测高低浓度甲烷外，还可测一氧化碳、氧、氢的浓度，气温，风速等等。同时还能对井下设备的工作状态进行监控。如英国DYNSLINK-MINOS系统的监测容量为986个模拟量，896个开关量，传输距离为13 1n。在地面中心站一般都配有用来进行数据采集和处理的计算机、打印机、显示器、控制台和模拟盘等。譬如当井下某测点的甲烷浓度超限时，能发出声、光报警信号，切断该测点附近的电源。作为间断方式检测的携带式仪器，也随着测试技术的飞速发展及多功能集成电路的出现，检测元件的性能不断提高而实现了单机分级报警，数码显示，自动校正，电源监视和故障指示等功能。而且操作简单，维修量小，体积小。例如美国MSA公司生产的携带式甲烷检测仪重量只有0.28吨，外形尺寸为146*65*38。二、我国煤炭安全生产历史、现状及分析在我国的能源工业中，煤炭占我国一次能源生产和消费结构中的70左右，预计到2050年还将占50以上。因此，煤炭在相当长的时期内仍将是我国的主要能源。当前，我国经济的快速增长，对煤炭工业发展提出了更高的要求。为此，必须加强安全生产，确保煤炭工业持续、稳定、健康发展。煤炭生产，作为我国能源工业的支柱，其地位将是长期的，稳定的，但是煤炭工业的安全生产状况却不容乐观，中小型煤矿的情况尤为严重，已经直接威胁到整个煤炭工业的稳定生产，给国家财产和人民生命造成了很大的损失。我国95的煤矿开采是地下作业。煤矿事故占工矿企业一次死亡10人以上特大事故的72.8至89.6（20022005年）；煤矿企业一次死亡10人以上事故中，瓦斯事故占死亡人数的71。煤矿所面临的重大灾害事故是相当严峻的，造成的损失是极其惨重的。由于煤矿事故多，死亡人数多，造成了我国煤矿的百万吨死亡率一直居高不下。特别是煤矿重大及特大瓦斯（煤尘）灾害事故的频发，不但造成国家财产和公民生命的巨大损失，而且严重影响了我国的国际声誉。我国煤层自然赋存条件复杂多变，影响煤矿安全生产的因素多，是造成事故的客观因素。我国煤矿开采的煤层大多瓦斯含量大、透气性低且地质构造复杂，不易在开采前抽放瓦斯，但在采掘时，瓦斯放散量大，再加上开采煤层地质条件复杂和开采规模的扩大、开采集约化程度的提高，导致采动诱发的应力场、煤岩体裂隙场及瓦斯流动场的变化更加复杂多变，在一定条件下，容易诱发煤与瓦斯突出和瓦斯的突然涌出现象，造成瓦斯事故。在目前的能源供应条件下，对高瓦斯矿井和瓦斯突出矿井，不可能采取停产关闭的措施。为此，只能是自主开发与之相应的安全技术，以确保高瓦斯矿井和瓦斯突出矿井的安全生产。 对煤矿企业的技术定位不够准确是主观因素，长期以来，煤矿在人们的心目中是技术水平不高、要求比较低的劳动密集型产业，因而长期以来，技术投入不足、装备水平差、产业技术人才匮乏、劳动效率低。把"千军万马"的队伍放在高度危险的作业环境中劳动，一旦出现瓦斯（煤尘）爆炸、矿井火灾等事故时，容易导致惨重损失，甚至全矿毁灭的现象。而美国、澳大利亚等先进国家的煤矿，实现了高度机械化，井下工作人员少，全矿的巷道布局简洁，巷道面积大、风流通畅，一旦发生灾变时，易于撤离，伤亡人员少。另外，在煤矿井下工作的人员，从某种意义上讲也是危险源，一旦出现违章作业（有意或者无意），就可能导致事故的发生。所以对高危行业，应最大可能实现机械化，尽量减少人员。这一点在社会上长期未能得到共识。为此，建议国家应当将煤矿列入高危行业，给予必要的投入，建立煤矿行业准入制度，甚至在新矿井设计时，就要求提高技术装备水平和劳动生产率。随着科技水平的提高和企业管理的规范，我国煤矿安全生产状况从总体上讲，出现了不断好转的局面。在开展机械化生产、原煤产量不断提升的情况下，1949年至2000年全国煤矿百万吨死亡率总体趋于稳步下降态势。1999年煤矿的百万吨死亡率为6.08，2000年为6.0，2001年为5.85，2002年为5.0。“九五”期间比“六五”期间煤矿百万吨死亡率下降约32.19%，比建国初期下降约52.94%。但是煤矿灾害事故仍然频繁发生，煤矿企业2000年发生伤亡事故2863起、死亡5798人;2001共发生死亡事故3082起、死亡5670人；2002年共发生死亡事故4344起，死亡6995人。从经济类型看：乡镇煤矿发生的事故占绝大多数，如2002年，在全年发生的321起一次死亡39人的重大事故中，乡镇煤矿259起，占80.69%；在全年发生的56起一次死亡10人以上特大事故中，乡镇煤矿40起，占71.43%；乡镇煤矿百万吨死亡率高达12.12，是国有重点煤矿的9.7倍，是国有地方煤矿的3.2倍。从事故的分类看：在2002年煤矿企业的4344起，死亡6995人死亡事故中，瓦斯灾害死亡事故325起，占煤矿死亡事故的7.48%，死亡1703人，占煤矿死亡事故的24.35%。从以上数据可以看出，瓦斯灾害事故是煤矿企业中危害最大、死亡比例最高的重大事故之一。在我国高瓦斯煤矿中，瓦斯爆炸危险普遍存在，危害严重。在煤矿安全事故中，瓦斯爆炸事故是经济损失最大、人员伤亡最多的事故，也是造成社会影响最大的重特大事故。2002年国家煤矿安全监察局安全日志上统计发生瓦斯爆炸伤亡事故共153起，占煤矿瓦斯灾害伤亡事故的47.1%，死亡1216人，占煤矿瓦斯灾害伤亡事故的71.4%。由此可见，有效地防止瓦斯爆炸事故是改善我国煤矿安全状况的重中之重。解放前我国煤炭工业技术十分落后，矿井通风安全仪器更是属于空白。解放后，党和政府对安全工作极为重视，煤矿安全状况及劳动条件得到了很大的改善，通风安全仪器从无到有地发展起来在仪器的研究、生产制造方面，多年来投入了很大的力量，形成了以抚顺、重庆、西安、常州、上海等地为中心的安全仪器生产基地，除生产大量的通风安全仪器和救护设备外，从1980年起，先后从波兰、英国、美国和西德等地引进了多种形式的煤矿安全监测系统和生产监控系统，在引进消化的基础上，我国也研制了一批安全监测系统，如常州煤研所的KJl型，北京长城科学仪器厂的KJ4型，重庆煤矿安全仪器厂的TF-200型和AWJ-80型，西安仪表厂的MJC-100型，抚顺煤矿安全仪器厂的AU1型，总参6904厂的WDJ-1型和镇江煤矿专用设备厂的A-1型等安全监控系统来装备矿井。所有这些成就，表明我国的安全监测仪器的研制和装备进入了新的水平。但是目前安全监测传感器的种类和质量与国际水平的差距还较大，这是需要解决的问题。煤矿生产安全监控系统，是目前为止实际通风甲烷管理工作中最重要和最有效的自动化手段，已经装备监控系统的煤矿的甲烷事故发生率大为下降，实践证明，煤矿生产安全监控系统对保障煤矿安全生产，提高煤矿生产率，提高煤矿自动化程度以及促进煤矿管理现代化水平，都有着举足轻重的作用。我国从八十年代初期开始引进煤矿生产安全监控系统，历经了直接引进、消化吸收、仿制配套、自主开发的过程，但迄今为止的产品大多都是面对大型矿井设计的，而且自身尚有一些有待解决的问题，如: ·造价高，系统最基本的配置过于庞大，运行费用大 ·传感器测量稳定性差，调校频繁，寿命短 ·系统安装、维护复杂，操作不便，人机界面较差 ·系统设备可靠性差 ·必须依赖专业的维护队伍，对人员技术，素质有较高的要求。 国外的监控系统技术理论上讲高于国内发展水平，但应用于国内煤矿尚有一定的局限性，如煤矿管理模式生产方式的不同，价格过高不适于国内煤矿现有条件，除在传感器技术方面可供借鉴外，其它仅具一定的参考价值。为了能够更好的保障井下工作的安全，便携式瓦斯报警装置就成了一个可以对瓦斯气体进行有效报警的设备。便携式瓦斯报警装置具有体积小、易携带和报警及时等优点，可将其放于工人所带的矿灯帽上，或者直接放在工人的衣袖上，随时掌握工作地区的瓦斯浓度状况。沼气(甲烷CH4的俗称)矿井在我国煤矿生产矿井中所占比重很大，随着矿井开采强度和深度的增加，沼气涌出量也在不断增加，沼气积聚可能引起沼气事故，及时掌握煤矿井下沼气动态是一件十分重要的工作。甲烷浓度检测仪器就是用来监视矿井沼气动态的有效工具。鉴于沼气在矿井中存在的普遍性及其可能造成灾害的严重性，甲烷浓度检测仪器在煤矿是数量最多，使用最普遍的安全检测仪器，而且也是煤炭系统研制种类最多的仪器，需要说明的是，由于我国煤矿习惯把甲烷叫做瓦斯，因此检测甲烷浓度的仪器，有的叫瓦斯检定器，有的又叫沼气检定器。在这里，甲烷，沼气和瓦斯是同义词。三、研究思路及方案随着采矿技术的不断发展，井下作业的安全越来越有保障，但是仍然有许多采矿企业的机械化程度低，对现场采矿的工作人员的生命安全造成潜在的威胁，特别是针对瓦斯气体的检测和报警仍旧存在隐患，每年由于瓦斯泄露造成的特大事故依然很多。瓦斯是在成煤过程中形成并大量储存与煤层之中的气体，是煤矿井下危害最大的气体。瓦斯是一种无色无味的气体，主要成份是甲烷（CH4），密度为0.716kg/m3，对人体的危害是超时限能引起人窒息死亡。在地下采矿时候，井内常常会泄露一定量的CH4、CO和SO2等气体，后一种含量少，切易溶于水。经煤矿开采时的喷水处理后变成酸。但前两种气体含量多，且几乎不容于水，属于易燃易爆气体。瓦斯报警是指利用气体传感器技术，将检测到的瓦斯气体浓度和标准值进行比较，当高过一定浓度值时候进行相应的声光报警，提醒正在作业的人员进行相应的处理，组织人员撤离或对矿井通风排气，避免不安全事故的发生，对现在采矿业的安全起着非常重要的作用。瓦斯的主要成分是甲烷，本次设计中所检测的气体也主要是甲烷。本设计以凌阳单片机为基础，通过气体传感器进行测量，对采集到的数据进行分析，便可以得到想要的结果，然后通过发光二极管和小喇叭对所采集的数据进行报警等处理，提醒工人们进行必要的防护工作。对于甲烷的各种报警浓度等要根据各个专业标准来设定，并将其转化为二进制数据存入单片机中，与所采集到的数据进行比较。所选用的气体传感器为MQ-4气体传感器，其对甲烷有着很高的灵敏度，但是在工作之前它需要至少24小时的预热时间，所以在本次设计中便需要设计出两个电池安装槽，使其在更换电池的时候也不至于断电。四、进度计划3月1日至3月21日 进行毕业实习3月22日至3月28日 撰写实习报告3月29日至4月6日 确定毕业设计题目及方向，并收集所需资料4月7日至5月7日 完成设计初稿5月8日至5月30日 完成终稿设计，缩写论文，准备打印装订5月31日至6月10日 交论文，准备答辩便携式瓦斯智能监测系统（论文正文）第一章 概述一、瓦斯的定义瓦斯，说起它的另外一个名称沼气，可能大多数人就会明白许多。其实它是来自英文和俄文的不规范发音。Gas的原意就是气体，包括各种可燃和不可燃气体。瓦斯的主要成分是甲烷，它的化学元素符号是CH4，一种无毒、无味、无颜色，可以燃烧的气体。生活中广泛用来烧水，做饭，也可以用作照明。矿井瓦斯是煤矿生产过程中，从煤、岩内涌出的各种气体的总称。煤矿术语中的瓦斯指的就是甲烷。瓦斯主要由煤体，或者腐烂植物产生。存在状态有吸伏式和游离式。在煤矿井下是煤矿工人第一天敌，煤矿井下地质复杂，环境、空气、工作场所复杂，由于多种原因，有一定浓度瓦斯，遇到明火就会爆炸，是矿难主要原因。 二、瓦斯爆炸矿井瓦斯爆炸是一种热一链式反应（也叫链锁反应）。当爆炸混合物吸收一定能量（通常是引火源给予的热能）后，反应分子的链即行断裂，离解成两个或两个以上的游离基（也叫自由基）。这类游离基具有很大的化学活性，成为反应连续进行的活化中心。在适合的条件下，每一个游离基又可以进一步分解，再产生两个或两上以上的游离基。这样循环不已，游离基越来越多，化学反应速度也越来越快，最后就可以发展为燃烧或爆炸式的氧化反应。所以，瓦斯爆炸就其本质来说，是一定浓度的甲烷和空气中度作用下产生的激烈氧化反应。最终的化学反应式为：CH4+2O2=CO2+2H2O如果O2不足，反应的最终式为：CH4+O2=CO+H2+H2O瓦斯爆炸产生的高温高压，促使爆源附近的气体以极大的速度向外冲击，造成人员伤亡，破坏巷道和器材设施，扬起大量煤尘并使之参与爆炸，产生更大的破坏力。另外，爆炸后生成大量的有害气体，造成人员中毒死亡。瓦斯爆炸条件浓度在5至16%，氧气大于12%，遇明火或者温度650至750摄氏度，就会引起爆炸。浓度9.5%时爆炸威力最大，当浓度大于16%时，则燃烧不爆炸。 在正常的大气环境中，瓦斯只在一定的浓度范围内爆炸，这个浓度范围称瓦斯的爆炸界限，其最低浓度界限叫爆炸下限，其最高浓度界限叫爆炸上限，瓦斯在空气中的爆炸下限为56，上限为1416。瓦斯的最低点燃温度和最小点燃能量决定于空气中的瓦斯浓度，瓦斯-空气混合气体的最低点燃温度，绝热压缩时565，其它情况时650。三、影响煤层瓦斯含量的因素煤的瓦斯含量是指单位体积或重量的煤在自然状态下所含有的瓦斯量（标准状态下的瓦斯体积），单位为 m3/m3(cm3/cm3)或 m3/t(cm3/g)。煤的瓦斯含量包括游离瓦斯和吸附瓦斯含量之和。主要影响因素：1、煤的吸附特性 煤的吸附性能决定于煤化程度， 一般情况下煤的煤化程度越高，存储瓦斯的能力越强。2、煤层露头3、煤层的埋藏深度 -深，瓦斯大4、围岩透气性、泥岩、完整石灰岩低透气性5、煤层倾角-大，瓦斯小，小，瓦斯大6、地质构造-封闭地质，瓦斯大，开放的，瓦斯小7、水文地质条件-水流，带走瓦斯四、煤矿井下瓦斯爆炸事故原因分析1、火源井下的一切高温热源电气、放炮、摩擦、静电2、发生地点掘进工作面占80%90%，采煤工作面占10%20%采煤工作面发生地点上隅角，采煤机药割附近五、预防瓦斯爆炸的措施(一)防止瓦斯积聚所谓瓦斯积聚是指瓦斯浓度超过2，其体积超过0.5m3的现象。1、搞好通风。2、及时处理局部积存的瓦斯。 1）采面上隅角瓦斯积聚处理； 2）综采面处理 3）顶板附近层状积聚处理； 4）顶板冒落孔洞内积聚处理； 5）恢复有大量瓦斯积存盲巷或打开封闭3、抽放瓦斯4、经常检查瓦斯浓度和通风状况 （二）、防止瓦斯引燃防止瓦斯引燃的原则，是对一切非生产必需的热源，要坚决禁绝。生产中可能发生的热源，必须严加管理和控制，防止它的发生或限定其引燃瓦斯的能力。(三)防止瓦斯爆炸灾害事故扩大的措施万一发生爆炸，应使灾害波及范围局限在尽可能小的区域内，以减少损失。第二章 系统设计要求一、所用到的术语和定义1.1煤矿安全监控系统 coal mine safety monitoring system 具有模拟量、开关量、累计量采集、传输、存储、处理、显示、打印、声光报警、控制等功能，用于监测甲烷浓度、一氧化碳浓度、风速、风压、温度、烟雾、馈电状态、风门状态、风筒状态、局部通风机开停、主通风机开停，并实现甲烷超限声光报警、断电和甲烷风电闭锁控制，由主机、传输接口、分站、传感器、断电控制器、声光报警器、电源箱、避雷器等设备组成的系统。1.2传感器 transducer 将被测物理量转换为电信号输出的装置。1.3甲烷传感器 methane transducer 连续监测矿井环境气体中及抽放管道内甲烷浓度的装置，一般具有显示及声光报警功能。1.4声光报警器 acoustooptic alarm 能发出声光报警的装置。1.5瓦斯矿井 gassy colliery只要有一个煤(岩)层发现瓦斯，该矿井即为瓦斯矿井。瓦斯矿井依照矿井瓦斯等级进行管理，分为低瓦斯矿井，高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井。1.6便携式甲烷检测报警仪 portable methane alarm detector具有甲烷浓度数字显示及超限报警功能的携带式仪器。二、甲烷传感器的设置2.1 甲烷传感器应垂直悬挂，距顶板(顶梁、屋顶)不得大于300mm，距巷道侧壁(墙壁)不得小于200mm，并应安装维护方便，不影响行人和行车。2.2 甲烷传感器的报警浓度、断电浓度、复电浓度和断电范围及便携式甲烷检测报警仪的报警浓度必须符合表1的规定。本次设计的是便携式瓦斯检测系统，用于掘进机工作人员使用，大小为烟盒大小，可固定于衣服前或者袖子上。为安全起见，其甲烷报警浓度为0.8%，同时设定危险撤离报警浓度为1%。三、便携式检测仪器使用要求3.1 便携式甲烷检测报警仪和甲烷报警矿灯等检测仪器应设专职人员负责充电、收发及维护。每班要清理隔爆罩上的煤尘，下井前必须检查便携式甲烷检测报警仪和甲烷检测报警矿灯的零点和电压值，不符合要求的禁止发放使用。3.2 使用便携式甲烷检测报警仪和甲烷报警矿灯等检测仪器时要严格按照产品说明书进行操作，严禁擅自调校和拆开仪器。第三章 所用元器件简介一、凌阳单片机简介随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理（DSP，DigitalSignalProcessing）等领域。凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。它的CPU内核采用凌阳最新推出的µnSP（Microcontroller and SignalProcessor）16位微处理器芯片（以下简称µnSP）。围绕µnSP所形成的16位µnSP系列单片机（以下简称µnSP家族）采用的是模块式集成结构，它以µnSP内核为中心集成不同规模的ROM、RAM和功能丰富的各种外设接口部件。SPCE061A是继µnSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH）。较高的处理速度使µnSP能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此，与SPCE500A相比，以µnSP为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。凌阳16位单片机的主要性能有：1、16位µnSP微处理器；2、工作电压(CPU) VDD为2.43.6V (I/O) VDDH为2.45.5V3、CPU时钟：0.32MHz49.152MHz ；4、内置2K字SRAM；5、内置32K FLASH；6、可编程音频处理；7、晶体振荡器;8、系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电仅为3.6V；9、2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；10、2个10位DAC(数-模转换)输出通道；11、32位通用可编程输入/输出端口；12、14个中断源可来自定时器A / B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒；13、具备触键唤醒的功能；14、使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据；15、锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；16、32768Hz实时时钟；17、7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器；18、声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能；19、具备串行设备接口；20、具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；21、内置在线仿真电路ICE（In- Circuit Emulator）接口；22、具有保密能力；23、具有WatchDog功能。凌阳单片机的封装分为84引脚和80引脚，本设计采用的是84引脚的封装片，其引脚分布与作用为下图所示图3.0 SPCE061A引脚排列图二、所用传感器简介本设计所采用的是电阻型传感器，其型号为MQ-4。其特点是：1、 对甲烷、天然气有很高的灵敏度；2、 对乙醇、烟雾的灵敏度很低；3、 具有快速的响应恢复特性；4、 具有长期的使用寿命和可靠的稳定性；5、 驱动电路简单。其应用范围为家庭、工业的甲烷、天然气的探测装置。MQ-4气体传感器的结构为图.1所示，其测量电路图为图.2所示。MQ-4气敏元件的结构和外形如结构A或B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个用于信号的取出，2个用于提供加热电流。 图.1其规格为MQ-4气敏元件对各种气体的灵敏度特性曲线如下图所示。上图给出了MQ-4型气敏元件的灵敏度特性。其中：温度：20，相对湿度：65%，氧气浓度：21%，RL=20K。Rs：元件在不同气体，不同浓度下的电阻值。根据甲烷报警浓度为0.8%，同时设定危险撤离报警浓度为1%，从上图中可得报警时Rs为0.38Ro=0.38*20=7.6千欧，危险撤离时的Rs为0.33Ro=0.33*20=6.6千欧。MQ-4型气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。因此，在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。建议使用5000ppm甲烷校准传感器。MQ-4空气传感器需要进行测量之后才可以使用，这是因为其出厂时电阻不稳定所造成的，为了使用的安全，其电阻是必须测量的，其传感器电阻（Rs），可用下式计算：Rs=(Vc/VRL-1)×RL其基本测试回路为VcVHGNDRLVRL：左图是传感器的基本测试电路。该传感器需要施加2 个电压：加热器电压（VH）和测试电压（VC）。其中VH用于为传感器提供特定的工作温度。VC 则是用于测定与传感器串联的负载电阻（RL）上的电压（VRL）。这种传感器具有轻微的极性，VC需用直流电源。在满足传感器电性能要求的前提下，VC 和VH可以共用同一个电源电路。为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的RL值。本设计所采用的负载和传感器均为20K，本设计中的参数计算暂且设定为标准条件下，如果是非标准条件，则可根据实际情况调整，其调整方法为调整电路上的滑动变阻器。注：ppm是指一百万体积的空气中所含指定气体的体积数。三、所用隔离器件简介所用的是光电耦合器隔离方法，是用光电耦合器把输入信号和内部信号隔离起来，或者是内部输出信号和外部电路隔离起来。其连接电路为下图所示：第四章 硬件连接一、系统框图选择IOA0口和IOA1口为信号输入端，IOA2口和IOA9-IOA12口为信号输出口，具体的选择如下图所示：二、硬件连接的全部电路图所有的电源选择一律为5V，这样就可以不必配置多个电源。因为所选择的MQ-4气体传感器必须要进行至少24小时的预热，所以在设计外壳的时候设计两个电源安装槽，以用于电源的更换，这样可以减少重复预热的时间。其中，VCC的电压选择为5V，R2为20K，R3为100K，其余电阻需要进一步的设计确定。三、各部分的分析1、 传感器选择的传感器电阻为20K，电阻R2滑动到60K的位置，而R3也为60K，这样的话理想情况下的输出电压为2V；而危险状况下传感器电阻为7.6K，则输出电压为0.989V；撤离状况下传感器电阻为6.6K，则输出电压为1.098V。根据MQ-4空气传感器的参数来选择，Vcc选择为5V。传感器连接图为下图所示：2、前置放大电路传感器输出信号一般比较微弱，需要经过前置电路对其进行放大，满足单片机对输入信号的要求。本系统采用的半导体烟雾传感器属于电阻型，因此只需通过电阻改变电压，再经过一个放大电路即可发送给ADC采集。由于系统采用的是单极性供电，所以采用同相比例放大电路，可以减少硬件开销；反之，如果采用反相放大，则一般需要利用双极性供电，这就需要系统额外的利用变压芯片产生一个负压，这显然会造成浪费。前置放大电路为下图所示：下面详细介绍运算放大电路： 如图所示，从传感器的上端出来的信号Vi经过运算放大器的同相输入端，但是为保证引入的是负反馈，输出电压Vo通过电阻Rf接到反相输入端。同相比例运算电路中反馈的组态为电压串联负反馈，同样可以利用理 想运放工作在线性区时的两个特点来分析其电压放大倍数。 在图中，根据运放的“虚短”和“虚断”的特点可知，I- = I+ ，V0=（1+Rf/R1)Vi所以本放大电路的放大倍数A =1+ Rf/R1 ，此放大电路为同相比例放大电路，它的放大倍数总是大于或等于1。同相比例运算电路有以下几个特点： (1)同相比例运算放大电路是一个深度的电压串联负反馈电路。因为不存在“虚地”现象，所以其输入端有较高的共模输入电压。(2)电压放大倍数A =1+ Rf/R1 ，即输出电压与输入电压的幅值成正比，且相位相同，所以此电路实现了同相比例放大。(3)由于引入了深度电压串联负反馈，因此电路的输入阻抗很高，输出阻抗很低。高输入阻抗就可以减少放大电路对前端电路的影响，同时低输出阻抗也可以提高自身的抗干扰性，这显然有利于电路中其他模块的设 计。根据实际情况，选择R1为50K，Rf为75K，放大倍数A为2.5倍。由此可知最终送到单片机的安全电压为低于2.4725V的电压，报警电压为2.4725V，危险电压为2.745V，高于此电压需撤离！3、传感器连接故障诊断电路(1)判断传感器电源连接情况 在传感器的地端串联一个电阻R4。当传感器正常连接时，电阻和传感器分压，此时电阻两端有微弱的电压，单片机可以通过P2口检测到； 如果传感器电源连接不正常，则会产生断路，检测到电阻两端电压为0。其电路图为下图所示：(2)判断传感器信号端连接情况 另一种情况是判断传感器信号端是否连接正确，此时不需要外加电路，在传感器预热2分钟后，测量传感器信号的输出电压，如果电压为5V，则说明传感器的信号端连接不正常。 当报警器自诊断发现传感器连接不正常，就会发出长鸣声音警报，并伴随黄灯闪烁，提醒用户及时排除传感器连接问题。4、小喇叭报警电路小喇叭报警电路图如下图所示。当单片机引脚置1时，三极管导通，小喇叭报警。其连接图为下图所示：6、 状态指示灯电路本电路采用四个发光二极管，依次为蓝、绿、黄、红四色，其中蓝灯亮表示传感器连接有问题；绿灯常亮表示正常状态，环境中瓦斯（甲烷）浓度极低；黄灯闪亮表示环境中瓦斯（甲烷）浓度达到了需注意的浓度，提醒用户尽快作相应安全措施；红灯闪亮表示环境中瓦斯（甲烷）浓度超过报警限值，要求用户赶紧撤离，并采取紧急措施。其连接图为下图所示：第五章 软件设计一、程序分析程序在开始的时候需要进行设置看门狗和程序指针，将连接小喇叭和发光二极管的IOA2和IOA9-12端口设置为低电平0，同时开启IOA0-1端口，接收信号，其中IOA0端口接收传感器信号，IOA1端口接受线路检测信号。在程序中，接收信号的两个端口程序要设置成死循环，以保证单片机可以接收即时信号，并予以保存和分析。当达到设定值时，才相应端口和电平变为高电平1，同时对应端口的小喇叭和发光二极管发光。二、将数值改为二进制假设是N位的A/D转换器，参考电压假设为M。分辨率=M/2的N次方最后采集的电压=采集到的二进制*分辨率例如：10位的A/D，最大采样值为5V分辨率=5/1024=4.48mV也就是说采集回来的二进制数(0到1023之间)每一个格子占了4.48mV所以最终电压=采集回来的二进制数*4.48mV假设采回来的是FF的话 V=256*4.48=1146.8mv=1.15V本设计中凌阳单片机的安全电压低为2.4725V，报警电压为2.4725V，危险电压为2.745V，高于此电压需撤离！凌阳单片机的A/D转换器为十位，最大采样值为5V，分辨率=5/1024=4.48mV，故此可以算出其安全电压和危险电压用十六进制表示分别为0x0228和0x0265。三、语音播放流程此次设计用到语音播放，其步骤为：1、 新建工程；2、 复制语音播放需要的文件到工程所在的文件夹3、 把刚刚复制的支持文件和语音资源添加到工程中4、 把Sacmv26e.Lib语音函数库添加到工程中5、 编写语音播放函数6、 编写中断服务函数7、 编写主函数8、 添加语音资源索引表9、 下载试听四、各部分流程图1、主程序流程图主程序中要先进行传感器的预热，然后将小喇叭和各个显示二极管处于熄灭状态，同时对各个部分进行初始化。然后进行A/D转换设置，同时进行故障检测，如果有故障则报警，无故障则绿灯亮，进入循环检测子程序。流程图如下：2、检测流程图检测流程应先设置计数器，启动定时器中断进行采样，然后将模拟量数据转化为数字量并检测是否采够十个。采完十个之后应进行数据平均，然后与安全值和危险值进行比较，并选择相应的LED灯和音乐响起。流程图如下：3、中断流程图中断是要进行数模转化，所以在中断流程中应设置数模转换，转换完毕则跳出流程。中断流程图如下：4、语音播放流程图语音播放流程需要进行播放初始化，然后解码播放，完毕之后返回。语音播放流程图如下：五、程序清单- / 工程名称：/ 功能描述：便携式智能瓦斯监控系统/ 涉及的库：CMacro1016.Lib/ 组成文件：main.c Isr.asm,Dig.asm,Key.asm Dig.inc,SPCE061A.inc,Key.inc Dig.h,SPCE061A.h,Key.H/ 硬件连接：IOA0连接信号输入，IOA1连接检测信号输入，IOA2连接小喇叭输出，IOA912连接发光二极管输出。对数据存储器进行分配为：原始数据存储区：0x00000x000A 结果数据存储区：0x000B主程序部分：#define P_TimerA_Data (volatile unsigned int *)0x700A#define P_TimerA_Ctrl (volatile unsigned int*)0x700B#define P_IOA_Data (volatile unsigned int *)0x7000#define P_IOA_Dir (volatile unsigned int *)0x7002#define P_IOA_Attrib (volatile unsigned int *)0x7003#define P_Watchdog_Clear (volatile unsigned int *)0x7012#include hardware.inc.main() int key,r1,r2; *P_IOA_Data=0xFFFC; *P_IOA_Attrib=0xFFFF *P_IOA_Dir=0xFFFF /IOA口设置为悬浮式输出口，设置IOA2和IOA912为带数据缓存器的高电平输出 *P_IOA_DATA=0xFFFF /设置IOA2、IOA912的DATA为零，使得四个发光二极管为熄灭状态，小喇叭为不工作状态 *P_TimerA_Data=0x0002 /设置时钟源A的频率为32768Hz *P_INT_Ctrl=0x3000 /设置FIQ_TMA和IRQ_TMA两个中断允许 *P_ADC_Ctrl=0x0001 /设置P_ADC_Ctrl单元允许A/D转换 *P_ADC_MUX_Ctrl=0x0001 /设置P_ADC_MUX_Ctrl单元选择通道 While(1) key=*P_ADC_Data; If(key=0) /判断传感器连接是否有故障 key=0x0100; *P_IOA_Dir=key； key=K; /传感器连接有故障，蓝色LED灯亮，否则将K赋值给key，而K为子程序定义 *P_Watchdog_Clear=1 /清看门狗检测流程部分： r1=*P_TimerA_Data *P_TimerA_Data=0xFFF