基于单片机的瓦斯监控系统的硬件设计

1 引言

1.1 课题研究的目的和意义

在煤矿生产中，随着煤层采动，煤层中往往会涌出矿井瓦斯，瓦斯是煤矿开采中所产生的有害气体总称，它具有独特的性质和特点。瓦斯的主要成份是甲烷，一氧化碳，二氧化碳，二氧化硫和硫化氢等。瓦斯在煤体和围岩中，以游离状态和吸附状态存在，一般情况下处于动态平衡。当外界温度、压力变化时这几种状态就会发生相互转化。瓦斯在煤层开采过程中被逸散出来，在井下积累造成井下瓦斯浓度的增加，当瓦斯浓度达到5%-16%时具有爆炸性，瓦斯浓度为9.5%时爆炸威力最大，当瓦斯浓度小于5%或大于16%时，一般不会爆炸，遇明火只会燃烧，形成燃烧事故。因此煤层瓦斯浓度的大小直接影响煤矿的设计、建设、安全生产及经济利益。我国一些煤矿由于瓦斯预测不准，造成矿井投产后事故频繁发生。因此准确而迅速地测出矿井瓦斯涌出量与突出危险区域，对煤矿安全生产和提高经济效益具有重大的意义。

瓦斯爆炸的主要参数:

（1）瓦斯的爆炸浓度

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5～6％，上限为14～16％。瓦斯爆炸界限不是固定不变的，它受到许多因素的影响，其中重要的有：

（2）氧的浓度

正常大气压和常温时，瓦斯爆炸浓度与氧浓度关系，如柯瓦德爆炸三角形。氧浓度降低时，爆炸下限变化不大(BE线)爆炸上限则明显降低(CE线)。氧浓度低于12％时，混合气体就失去爆炸性。   

（3）煤尘  

煤尘具有爆炸危险，300～400℃时就能从煤尘内挥发出多种可燃气体，形成混合的爆炸气体，使瓦斯的爆炸危险性增加.

（4）空气压力  

爆炸前的初始压力对瓦斯爆炸上限有很大影响。可爆性气体压力增高，使其分子间距更为接近，碰撞几率增高。

1.2 国内外气体检测监控系统研究现状

气体检测监控系统是工矿企业、社会公用事业、环境保护等领域必备的安全设备。经过20多年的努力，气体检测仪表的敏感元件性能、质量有了根本性的改善。在可测气体种类、测量范围、精度、稳定性和寿命等主要技术指标方面均有明显的提高，尤其精度、稳定性与寿命指标，提高了几倍。目前有代表性的是法国OLDHAM公司的MX21，德国Drager公司的Multiwarn，日本理研株式会社的GX86、GX111、GX91、GX82系列，美国GasTech公司的GT、SAFETMTE等仪表。我们通过这几种仪表的介绍和分析，概要说明气体检测监控系统的现状。

（1）气体敏感元件的性能便携式气体监测仪表使用的气体敏感元件性能即代表了仪表整体的性能。

（2）气体仪表的功能气体检测仪表的功能主要是指所测气体浓度值、报警点的设置，声光报警，开机指示，电池欠压指示等。

（3）气体仪表的智能化仪表的智能化是当今电子产品的发展方向。目前技术水平较高的“智能化”，即程序化功能是指：自动校正和可燃气的对比参数。

1.3 课题研究的内容和方案

1.3.1课题研究的内容及要求

这次毕业设计的主要内容与要求是：设计一个瓦斯气体安全监控装置，在气休浓度一定的范围内进行安全检测，并能在被控对象气体浓度超过标准值时进行报警，避免造成人员伤亡。假设这个单片机气体安全监控系统要实现以下的功能：气体测试，超过设定的门限值后自动报警装置。以单片机为主机，气敏传感器通过一根口线与单片机相连接，再加上浓度控制部分和人机对话部分来共同实现瓦斯安全监测与控制。

用单片机实现其具体控制功能如下：

（1）能够连续测量瓦斯气体，用十进制数码管显示水的实际浓度度值。

（2）瓦斯检测仪的检测范围是0—1000ppm报警门限为50ppm, 100ppm。

（3）用单片机AT89C51控制，通过自动监控瓦斯气体浓度设定值，数值采用数码管显示。

1.3.2课题研究的总体解决方案

本论文中设计的瓦斯自动报警系统采用AT89C51作为单片机进行控制，传感信号由气敏电阻和放大器转换成电信号，由ADC0809转换成数字量，监测电路可靠工作，气体设定采用按键移位式设定方法，使电路结构简单，气体检测仪表的功能主要是指所测气体浓度值、报警点的设置，声光报警，开机指示，电池欠压指示等。软件算法采用设定值和测量值比较的算法，并采用中断程序，以及时中断主程序，实现按键控制。

本论文针对AT89C51单片机在检测和过程控制方面的应用来分析瓦斯气体浓度控制系统。在分析过程中，详细叙述了该实例的物理工作原理和电路工作原理。

2瓦斯监控系统的总体设计方案

2.1 概述

一个易燃易爆气体监控系统能够及时的发现易燃易爆气体并报警，肯定能提高人民的生活水平和加快我们的现代化建设，有利于整个社会稳定。基于这个思路，我们研究设计了易燃易爆气体监控系统。当气体的浓度超出某一设定范围后会产生报警并实时的关闭气体阀门，从而达到实时安全监控作用。

2.2 设计方案

针对此课题要求，现提出以下二种设计方案：

总体方案一：基于FPGA的总体设计模块。

图1 方案一总体框图

方案一总体框图如图1所示。本系统基于FPGA，充分利用了它的功能，是一个效率比较高的设计方案，从框图可以看出系统的核心处理模块几乎全是要经过FPGA。系统可以分两个部分，前一部分主要是关于传感器的信号，包括信号的监测、发大和A/D转换。气敏传感器输出的信号是毫伏级的，所以要经过运放发大后送给ADC0809转换成数字量，最终送给FPGA来处理，FPGA根据检测量的大小将气体浓度显示到数码管上，当检测到的气体浓度超过设定值时，系统便会报警，并且控制阀电路工作加快空气流动。该系统的可靠性强，容易实现，但FPGA作为核心电路，成本是其最大的障碍，因为本产品是要进入平常百姓家，不能在实际产品中的应用。

总体方案二：基于单片机的总体设计模块。

图2 方案二总体框图

方案二总体框图如图2所示。本系统是以单片机为核心，系统所要实现的功能几乎与前面方案一样，具有信号的监控处理和报警显示和自动控制阀门。用单片机完全可以取代了方案一的FPGA的功能，使整体的价格大幅度的下降，具有很高的实际开发价值。气敏传感器的电路的处理使其精度可能受到周围的环境的影响比较大，方案一也是一样。

综合考虑采用方案二。

2.3 系统分析

单片机处理部分作为本系统的核心部分，其主要的功能是检测气体浓度，并根据此信号来控制不同的操作。比如报警模块的状态、数码管的不同的状态显示和控制阀电路的工作状态。

系统的原理图参见附录A.

我们在系统里设置了四级报警等级，是根据前端的不同的气体浓度情况下设置的，分别为gas detected、warning、may explode、dangerous ，因为实验环境的原因，这里的等级之分并不是准确的定量，而是定性而得的结果。

2.4 本章小结

总结和分析了前面所想到的二种设计方案，根据各种性能以及实验室的各种环境以及芯片等原因，第二种方案是作为本系统的设计方案。优点：功能强大，精度高，性能稳定，实际可行性很强，而且适合性能的扩展。

3 系统的硬件设计

本系统的基本组成单元包括：主控单元、气体采样单元、单片机控制单元、调节执行单元、电源、报警单元六部分，本章将逐一进行介绍。

3.1 主控单元的设计

主控单元如图3所示。监控系统的核心将采用C51系列单片机中的AT89C51，这类单片机是在MCS-51的CMOS基础上发展起来的，与MCS-51系列相兼容，保留了它的全部特性，内部结构也基本相同。由于这类单片机具有更加优越的特点，将取代MCS-51系列成为第三代单片机。

图3  主控单元

AT89C51系列单片机介绍：

一、AT89C51系列基本组成及特性

在众多的51系列单片机中，要算 ATMEL 公司的AT89C51更实用，因为它不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器，用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为 ATMEL AT89Cx 做的编程器均带有这些功能。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。

AT89C51基本功能描述如下：AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，片内有4k字节的在线可重复编程快擦快写程序存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年。它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积, 增加系统的可靠性，降低了系统成本。只要程序长度小于4k, 四个I/O口全部提供给用户。可用5V电压编程，而且擦写时间仅需10毫秒, 仅为8751/87C51 的擦除时间的百分之一，与8751/87C51的12V电压擦写相比, 不易损坏器件, 没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。工作电压范围宽2.7～6V，全静态工作，工作频率宽，在0-24MHz 内, 比8751/87C51 等51系6MHz-12MHz 更具灵活性，系统能快能慢。AT89C51 芯片提供三级程序存储器加密, 提供了方便灵活而可靠的硬加密手段, 能完全保证程序或系统不被仿制。另外,AT89C51 还具有MCS-51系列单片机的所有优点。128×8 位内部RAM, 32 位双向输入输出线, 两个十六位定时器/计时器, 5个中断源, 两级中断优先级, 一个全双工异步串行口及时钟发生器等。另外，AT89C51有间歇和掉电两种工作模式。间歇模式是由软件来设置的, 当外围器件仍然处于工作状态时, CPU可根据工作情况适时地进入睡眠状态, 内部RAM和所有特殊的寄存器值将保持不变。这种状态可被任何一个中断所终止或通过硬件复位。掉电模式是VCC电压低于电源下限, 振荡器停振, CPU 停止执行指令。该芯片内RAM和特殊功能寄存器值保持不变, 直到掉电模式被终止。只有VCC电压恢复到正常工作范围而且在振荡器稳定振荡后，通过硬件复位、掉电模式可被终止。

3.2采样单元的设计

瓦斯传感器是煤矿重要的安全仪器, 国外从30年代开始研究开发气体传感器。过去气体传感器主要用于煤气、液化石油气、天然气及矿井中的瓦斯气体的检测与报警，目前需要检测的气体种类由原来的还原性气体(H2,C4H10,CH4)等扩展到毒性气体(CO,NO2,H2S,NO,NH3,PH3)等。

在本设计中瓦斯检测采用电阻式半导体气体传感器作为检测元件。与其他类型的瓦斯传感器相比，其优点是在测爆炸范围内的可燃性气体精度高，受背景气体、湿度、气压影响小，输出信号大，成本底，制作方便。

电阻式半导体气体传感器是通过检测气敏元件随气体含量的变化情况而工作的。主要使用金属氧化物陶瓷气敏材料。随着近年来复合金属氧化物、混合金属氧化物等新型材料的研究和开发，大大提高了这种气体传感器的特性和应用范围。

气体采样单元如图4所示。气体的采样方法直接影响传感器的响应时间。目前，气体的采样方式主要是通过简单扩散法，或是将气体吸入检测器。它由采样电压转换、小信号放大及A/D转换三部分组成。其中，将气体转化为电量的气体电压转换由气敏传感器-气敏电阻实现，小信号放大由桥式放大电路实现，A/D转换选择模数转换器ADC0809，将采集到的气体浓度模拟信号转换为AT89C51能够处理的二进制数字信号。

图4  气体采样单元

气敏传感器采用MQ-7型。因气体传感器的基本特征，即灵敏度、选择性以及稳定性等，主要通过材料的选择来确定。所以选择适当的材料和开发新材料，使气体传感器的敏感特性达到最优。

1、稳定性

稳定性是指传感器在整个工作时间内基本响应的稳定性，取决于零点漂移和区间漂移。零点漂移是指在没有目标气体时，整个工作时间内传感器输出响应的变化。区间漂移是指传感器连续置于目标气体中的输出响应变化，表现为传感器输出信号在工作时间内的降低。理想情况下，一个传感器在连续工作条件下，每年零点漂移小于10%。

2、灵敏度

灵敏度是指传感器输出变化量与被测输入变化量之比，主要依赖于传感器结构所使用的技术。大多数气体传感器的设计原理都采用生物化学、电化学、物理和光学。首先要考虑的是选择一种敏感技术，它对目标气体的阀限制(TLV-thresh-old limit value)或最低爆炸限(LEL-lower explosive limit)的百分比的检测要有足够的灵敏性。

3、选择性

选择性也被称为交叉灵敏度。可以通过测量由某一种浓度的干扰气体所产生的传感器响应来确定。这个响应等价于一定浓度的目标气体所产生的传感器响应。这种特性在追踪多种气体的应用中是非常重要的，因为交叉灵敏度会降低测量的重复性和可靠性，理想传感器应具有高灵敏度和高选择性。

3.3 单片机控制单元的设计

3.3.1按键电路

按键电路如图5所示。键盘分编码键盘和非编码键盘。键盘上闭合键的识别由专用的硬件编码器实现，并产生键编码号或键值的称为编码键盘，如计算机键盘；而靠软件编程来识别的称为非编码键盘；在单片机组成的各种系统中，用的最多的是非编码键盘。非编码键盘有分为：独立键盘和行列式（又称为矩阵式）键盘。

因所需的按键数目不多，所以采用独立按键，为了更好的区分按下的是哪一个按键，在每个按键按下时相应发光二极管亮。

图5  按键电路如图

3.3.2显示电路

显示电路采用数码管显示，数码管颜色鲜艳，视觉效果好，显示电路如图6所示。

LED显示器工作方式有两种：静态显示方式和动态显示方式。

静态显示的特点是每个数码管的段选必须接一个8位数据线来保持显示的字形码。当送入一次字形码后，显示字形可一直保持，直到送入新字形码为止。这种方法的优点是占用CPU时间少，显示便于监测和控制。缺点是硬件电路比较复杂，成本较高。

动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。这样一来，就没有必要每一位数码管配一个锁存器，从而大大地简化了硬件电路。选亮数码管采用动态扫描显示。所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。动态显示的亮度比静态显示要差一些，所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的。

工作原理：单片机P0口低4位作为数据输出口，P05-P07为位选信号，数据送给7447翻译成7段数码信号，显示在数码管上，位选信号经过74138编码后，再经8个三极管组成反相器组送给共阴极数码管的位选端，作为位控制信号。这样就可以控制在哪一个位上面显示什么样的数了。

图6   显示电路

数码管原理：7段数码管是由7个独立的二极管采用共阴或共阳的方法连接而成。通常将这7个独立的二极管做成a、b、c、d、e、f、g这7个笔划。数码管显示原理图如图6所示。

图7  数码管显示原理图

通过一个7位的二进制电平信号就可以显示出想要的结果。例如，点亮二极管b、c，数码管将会显示数字1，点亮a、b、c、d、e、f、g，数码管将会显示数字0。所以，数码管的显示需要有7根连线。显示数字对应的二进制电平信号如表1所示。

表1 显示数字对应的二进制电平信号

然而，在实际的电路设计中，由处理器完成译码功能再输出一个7位的二进制信号是非常浪费空间和影响效率的。因此，电子工程师一般采取用7段数码管与译码器相结合的方法来解决这个问题。

3.4 调节执行单元的设计

调节执行单元如图8所示。采用实时控制的方法，在主机AT89C51的P1.4口输出控制信号，由光耦MOC3041（光电耦合器）和可控硅SCR组成。其中光电耦合器MOC3041的作用是将单片机系统与可控硅SCR电路隔开，避免在高压过程中的干扰信号影响单片机的运行；可控硅SCR的作用是相当于一个固态的触点，使之有能力开启或关断电机，从而控制风扇通断，以实现对空气流动大小的实时控制。

图8 调节执行单元

MOC3041是常用的双向晶闸管输出的光电耦合器，带过零触发电路，输入端的控制电流为15mA，输出端额定电压为400V，输入输出端隔离电压为7500V。

MOC3041一般不直接用于控制负载，而用于中间控制电路或用于触发大功率的晶闸管。

3.5 电源模块的设计

电源必须提供稳定的电源，不能有太大的纹波，电源须提供恒定电压和足够的电流。另外系统里面既有数字电路也有模拟电路，所以如果电源性能不佳，造成的后果不堪设想。

为了滤除电源的纹波，采用多级电容滤波，并且在最后并联了104滤除电源中的高频杂波，采用7805稳压，得到稳定的5V电源。电源电路如图9所示。

图9  电源电路

3.6 报警单元的设计

报警电路可以用单片机P1.5输出1 kHz和500 Hz的音频信号经放大后驱动扬声器，做报警信号，要求1 kHz信号响100 ms，再500 Hz信号响200 ms，交替进行。这里使用音频放大器LM386，他的工作电压为4～ 12 V，输出功率最大可达1 W，输入阻抗为50 kHz。报警电路如图10所示。

图10  报警电路

LM386是专为低损耗电源所设计的功率放大器集成电路。它的内建增益为20，透过pin 1 和pin8脚位间电容的搭配，增益最高可达200。LM386可使用电池为供应电源，输入电压范围可由4V~12V，无作动时仅消耗4mA电流，且失真低。LM386的内部电路图如图11所示。引脚排列图如图12所示。

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图11内部电路图

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图12 引脚功能图

极限参数：电源电压（LM386N-1，-3，LM386M-1）15V，封装耗散 （LM386N）1.25W、

（LM386M）0.73W、（LM386MM-1）0.595W，输入电压±0.4V，储存温度-65℃至+150℃，操作温度0℃至+70℃，结温+150℃，焊接信息焊接（10秒）260℃，小外形封装（SOIC和MSOP），气相（60秒）215℃，红外（15秒）220℃，热电阻，qJC （DIP）37℃/W、

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

4 系统的调试运行及分析

4.1 系统调试方法

整个调试过程主要应用了Keil软件和Proteus软件，Proteus 是 Labcenter 公司出品的电路分析、实物仿真系统，而 Keil 是目前世界上最好的 51 单片机汇编和 C 语言的集成开发环境。他支持汇编与 C 的混合编程，同时具备强大的软件仿真和硬件仿真功能。

调试过程如下：

（1）先建立一个工程目录，取个工程名字保存，然后选择一个单片机芯片AT89C51。

（2）新建一个C文档。

（3）编写调试程序。

（4）设置相应的调试输入文件，使之生成HEX文件。

（5）调试程序检查错误，直到无错误为止。

仿真过程如下：

（1）打开Proteus软件，新建DEFAULT文件。

（2）按照仿真原理图放置所要仿真的元器件。

（3）进行电路搭接使仿真图和原理图电子连接一样。

（4）双击AT89C51单片机在Program File处打开Keil软件调试生产的HEX文件添加到单片机中。

（5）保存，运行。

（6）调试程序再按如上操作就能调试所有功能。

4.2 系统仿真结果及分析

图 13 系统仿真图

系统在PROTUES仿真图如图13所示,由于系统不能应用瓦斯采集传感器，所以直接给ADC0809模拟数据量输入端输入一个5V的电压源RV2(2)，用滑动变阻器RV2来控制输入电压的大小（模拟瓦斯的浓度大小的变化），使电压的变化范围在0到5V之间进行变化（此系统中的电压要求在0到5V），图中仿真是调节了一个3V的电压输入，然后用一个电压表实时监控电压的变化，以便与后面的转换和显示进行比较，电压经过ADC0808（Protues中没有ADC0809模型用ADC0808代替，这两个芯片使用和功能相似）进行模数转换程数字信号后由OUT01到OUT7引脚输出，输出的数字信号接到单片机的P0口输入到单片机，进行到单片机处理，计算后，再由单片机调用译码程序（主要是操作74LS47和74LS138），对LED数码管进行段选位选的操作，让他在数码管上显示出来，当调节滑动变阻器时，数码管上的数据随着调节的变化而变化。按下键盘设定一个最大值时，再滑动滑动变阻器使电压值高于设定值时，系统产生报警。仿真图中的三极管起到驱动7段数码管的作用。

结束语

本文以AT89C51系列单片机为核心，用AT89C51单片机作为控制器件，气体信号通过气敏电阻和放大器转换成电信号，再由ADC0809转换成为数字信号，测浓度电路采用桥式电路，浓度设定采用按键移位式设定方法，气体浓度采用气体传感器来测量。在单片机应用的基础上，实现了以AT89C51单片机控制传感器的自动化安全报警监控系统。（充实一点）

（1）设计实现情况与改进方案

实现情况：

本次设计基本完成了任务目标的所有要求，而且在功能和性能上有所扩展。

用户可以设定键盘输入，并显示预期值和输出结果。

电源发生过载或短路故障时，能发出声光报警。

设计的不足：

由于设计时间及经费的限制，此监控系统还有不足之处是电源仍使用传统的电位器调节AD采集端。

（2）设计心得

本次毕业设计是我第一次独立完成一个比较大型的系统，选芯片、制定方案、画原理图、制作PCB图、焊接电路、调试系统、写报告均由本人完成。对我来说，这是一个不小的挑战。在毕业设计的过程中遇到了不少困难，在遇到问题百思不得其解的痛苦之后又往往有茅塞顿开的喜悦。回顾整个毕业设计经历，心得体会总结为一句话：小处不可随便。

在做的时候，我遇到了问题：采用独立式键盘，键盘做了2个，第一个发生异常情况。错误原因：常开型按键变成常闭型按键，可能是万能电路板有一层氧化膜，发生线路错误。

从上面的分析中可以看出，仅仅只是几个电容和电阻，却直接影响整个系统的稳定性，抗干扰性甚至直接决定整个系统是否正常工作。经过这次设计，我更深刻的理解了“小处不可随便”这句话。

在本次毕业设计的过程中，由于本人边工作边做设计，比较忙碌，所以此次设计有待于进一步的学习和研究。

系统的原理图(A)

系统的原理图(B)

致 谢

我的设计题目是“基于单片机的煤气报警器的设计与实现”。 此课题的完成需要大量的专业知识和丰富的实践经验。经过一个月的努力，我终于成功的完成了本次毕业设计任务。

首先要感谢辅导老师耐心、认真的指导。从确定课题、查找资料，到电路设计、选件、制作，最后到撰写论文，靳老师都给予了我极大的帮助。在教研室期间，由于我在原来的课程学习中，有很多的不懂地方，基础也不够牢固，而且又在这次设计的过程中遇到了许多新问题，是靳老师以扎实的理论知识给予我辅导，才使我学到了很多原来不会的知识，而且能够把原来学习的知识和实践联系到一起，融会贯通，能够更好的掌握这些知识。

最后，向所有帮助过我的老师、同学们表示最衷心的感谢!

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