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煤矿瓦斯微机监测系统设计 指导老师： 专 业： 机械电子工程 姓 名： 学 号： 本课题的研究意义 降低重大事故发生率，保障矿工安全 系统总体结构设计 瓦斯信号 检测电路 放大电路 模数转换 单片机 显示浓度 信号输出 蜂鸣器报警 稳压电源 220V 总体方案的确定 一、煤矿瓦斯微机监测系统实现的功能： 实时测量瓦斯浓度，精度为0.01% 对瓦斯浓度进行显示 瓦斯超浓度报警 瓦斯浓度可上传上位机进行监控 二、浓度测定程序流程图 开始 初始化 启动A/D转化 滤波 零点修正 浓度超限 LED显示 返回 蜂鸣器报警 三、上位机方案的确定 1.上位机功能 任意时刻选定下位机查看浓度 将查看到的浓度进行保存 2.上位机软件界面 确认获取浓度值 保存浓度 查看数据 退出 下位机选择 打开串口 关闭串口 CH4浓度 100ppm 四、通讯协议的确定 1.物理层选定 由于要进行远距离传输，所以选择RS-485构建下位机网络 2.通讯协议的选定 定义：网络间必须遵循的规则和约定 约束：单片机的串行通讯已经约定 确定：上位机查询时发送地址帧，下位机对接收到得地址帧进行核对，信息匹 配则发送数据帧，然后上位机查收；下位机串口通信采用中断方式。 五、下位机操作界面设定 当前值 LED显示屏 复位 power 零点数据 电源指示灯 报警灯 下位机硬件设计 一、控制核心单片机 1.单片机选择 选择范围：PIC、AVR、51系列 选择因素：A/D驱动、两个中断使用、零点修正、LED八位段码管显示 选择尺度：在满足性能的情况下，选择最经济的单片机 选择结果：AT89S52 2.AT89S52基本性能 与 MCS-51 单片机兼容 8K 字节在系统可编程Flash存储器 1000 次擦写周期 全静态操作：0Hz－33MHz 三级加密程序存储器 32 个可编程 I／O 口线 3个 16 位定时／计数器 6个中断源 全双工 UART 串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 二、瓦斯检测模块 1.传感器选择 （1）常用类别： 催化燃烧式甲烷传感器 红外原理甲烷传感器 光干涉式甲烷传感器 光纤气体甲烷传感器 半导体式甲烷传感器 （2）选择结果：MJC4/3.0L催化燃烧式 （3）选择原因：桥路输出电压呈线性避免 复杂的线性修正 2.瓦斯检测电路 （1）电路选择结果：半桥电路 （2）选择原因：MJC4/3.0L传感器规定选择 （3）全桥电路优点：灵敏度高，成本比全桥电路低 （4）电路图： 3.放大电路 （1）采用放大电路原因： 如图所示，当浓度高于2%时，电路输出45mv，为了满足A/D输入范围，必须采用放大电路对模拟信号进行放大。 （2）放大器的选择：INA114 （3）选择原因：成本低应用广泛，外接一个普通电阻就可以得到任意增益。 （4）INA114基本放大电路： （5）放大电路Rg计算： 已知条件：VCC=3V，R0=2000?，Umax=75mV=0.075V 设定条件：G=66 公式：Rg=50ku/(G-1) 结果：Rg=770? 三、A/D模块电路 1.A/D转换器的选择 （1）转换原理： 计数式、双积分式、逐次逼近式及并行式A/D转换器 （2）主流A/D转换器： 1）双积分式A/D转换器 优点：转换精度高、抗干扰性能好、价格便宜 缺点：转换速度较慢 2）逐次逼近式 优点：速度较快、精度较高 缺点：精度和抗干扰性较差 （3）选择因素：因为LED要对浓度进行即时显示，所以转换速度要快。 （4）选择结果：选用逐次逼近式的PCF8591。 2.PCF8591： （1）芯片通信原理：I2C总线 （2）I2C总线简介：它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高等优点，可以只用两个管脚进行通信，最大程度的利用单片机管脚。 四、显示模块 1.模块选择：共阳极数码管 2.共阳极数码管的字型代码表： 字型 dp g f e d c b a 段码 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0C0H 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0F9H 2 1 0 1 0 0 1 0 0 0A4H 3 1 0 1 1 0 0 0 0 0B0H 4 1 0 0 1 1 0 0 1 99H 5 1 0 0 1 0 0 1 0 92H 6 1 0 0 0 0 0 1 0 82H 7 1 1 1 1 1 0 0 0 0F8H 8 1 0 0 0 0