基于89c52的瓦斯检测仪设计本科学位论文.doc

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1、摘 要瓦斯是煤矿生产中的有害气体,它严重地威胁着矿工生命和国家财产的安全,为了防止瓦斯爆炸事故,人们使用了多种监测方法和监测仪器,随着国家对瓦斯治理的重视,煤矿安全方面的投入在不断加大,更迫切需要一种能连续,自动检测瓦斯的仪器。鉴于传统的模拟式瓦斯报警仪精度不高且不能数字显示，本设计介绍了AT89C52单片机的性能及特点，以及以其为核心的一种低成本、高精度、微型化、数字显示的瓦斯检测仪。该瓦斯检测仪利用传统的黑白元件来实现对瓦斯的检测,将空气中的瓦斯浓度转换为电信号,再经AD转换器,将模拟信号转为数字信号,用单片机处理后根据瓦斯浓度的大小及时发出声光报警信号，或切断井下工作面的电源并向备用风机

2、发出启动控制命令，而且可通过数字显示装置显示出瓦斯浓度，并且显示数值稳定，亮度适中。 关键词：单片机 瓦斯 检测仪AbstractGas is harmful in the mining activities. People use monitors to prevent gas accidents. We need auto gas monitors which could provide continuous protection. In view of the fact that tradition simulation type gas warning meter precision

3、are low and cannot the digit demonstrate.This paper introduced AT89C52 monolithic integrated circuits performance and the characteristic, as well as take it as core one kind of low cost, high accuracy, microminiaturized, digital demonstration gas instrumentation.This gas instrumentation realizes usi

4、ng the traditional black and white part to the gas examination, change the concentration of the gas into electric signals, and then through the AD converter the analog signals convert to the digital signals. After the dealing with the digital signals by the single chip can send out the acousto-optic

5、s alarm promptly according to the gas density size, or the cut-off mine shaft working surfaces power source and issues the start control command to the standby fan, moreover may demonstrate the gas density through the read out, and the demonstration value is stable, brightness is moderate.Key words:

6、 Monolithic integrated circuit Gas Instrumentation目 录摘 要iAbstractii第一章 绪论1第一节 概述1一、瓦斯检测仪的概述1二、国内外研究现状3第二节 井下瓦斯检测仪的功能5第二章 系统电路的总体设计6一、系统总体设计框图及概述6二、系统工作过程7第三章 系统硬件的设计8第一节 瓦斯检测仪传感电路的设计8一、载体催化元件8二、测量电路11三、运算放大器的设计13第二节 模数转换电路设计15一、引脚结构15二、分频器17三、ADC0809与单片机的接口电路18第三节 控制系统的设计19一、AT89C52单片机的概述19二、AT89C52

7、引脚图、各引脚功能及管脚说明20三、时钟接口电路的设计25四、复位电路的设计27第四节 显示电路的设计29一、串行口的介绍29二、显示电路31三、显示接口电路34第五节 报警电路的设计36一、声光报警电路设计36二、备用电机的启动设计38第六节 电源电路设计39第四章 调试及性能分析41第一节 硬件调试41第二节 软件调试42结束语43参考文献44附录一：硬件接线图45附录二：系统程序46英文文献56中文翻译61致 谢65iii太原理工大学阳泉学院-毕业设计说明书第一章 绪论第一节 概述一、瓦斯检测仪的概述 随着科技的发展，单片机已不是一个陌生的名词，它的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要

8、里程碑，因为单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支。单片机单芯片的微小体积和低的成本，可广泛地嵌入到如玩具、家用电器、机器人、仪器仪表、汽车电子系统、工业控制单元、办公自动化设备、金融电子系统、舰船、个人信息终端及通讯产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。单片机正处在微控制器的全面发展阶段，各公司的产品在尽量兼容的同时，向高速，强运算能力，寻址范围大以及小型廉价方面发展。单片机的发展推动了应用系统的发展，应用系统的发展又反过来对单片机提出了更高要求，从而促进单片机的发展。单片机正向着功能更强，速度更快，功耗更低，辐射更小的方向发展。纵观我们现在生活的

9、各个领域，单片机应用技术飞速发展，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。单片机是集CPU，RAM ,ROM ,定时，计数和多种接口于一体的微控制器。它体积小，成本低，功能强，广泛应用于智能产业和工业自动化上。而52系列单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。这次毕业设计通过对它的学习，应用，从而达到学习、设计、开发软、硬的能力。对煤矿井下瓦斯浓度连续检测是现代煤矿生产中必不可少的重要工作。鉴于传统的模拟式瓦斯报警仪精度不高且不能数字显示，研制出了

10、一种单片机控制的瓦斯检测系统。该装置将单片机的适时控制及数据处理功能与传感技术相结合，不仅可精确检测井下空气中的瓦斯浓度，还能根据瓦斯浓度的大小及时发出声光报警信号，或切断井下工作面的电源并向备用风机发出启动控制命令，而且可通过数字显示装置显示出瓦斯浓度。瓦斯是严重威胁煤矿井下安全生产的自然因数之一。瓦斯是多种可燃可爆气体的总称。在我国煤矿中，瓦斯的主要成分是甲烷，在瓦斯矿井掘及采煤时，甲烷会涌出、突出。甲烷对空气的比重是0559，故聚集在矿井巷道上部，它的燃点只有63左右，在空气中含最为5l5时，遇明火就会产生爆炸，在9.5时爆炸最猛烈。由于瓦斯爆炸是含有瓦斯与助燃成分的混合气体在热源引燃下

11、，瞬间燃烧反应并产生高温高压的过程。因反应过程很快，瞬间功率很大，所形成的电压对矿井生产人员造成毁灭性的破坏。矿井瓦斯是矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体。有时单独指甲烷(沼气)。它是在煤的生成和煤的变质过程中伴生的气体。在成煤的过程中生成的瓦斯是古代植物在堆积成煤的初期，纤维素和有机质经厌氧菌的作用分解而成。另外，在高温、高压的环境中，在成煤的同时，由于物理和化学作用，继续生成瓦斯。瓦斯是无色、无味、无臭的气体，但有时可以闻到类似苹果的香味，这是由于芳香族的碳氢气体同瓦斯同时涌出的缘故。瓦斯对空气的相对密度是0.554，在标准状态下瓦斯的密度为0.716kg，所以，它常积聚在巷道的

12、上部及高顶处。瓦斯的渗透能力是空气的1.6倍，难溶于水，不助燃也不能维持呼吸，达到一定浓度时，能使人因缺氧而窒息，并能发生燃烧或爆炸。瓦斯的燃烧、爆炸性是矿井主要灾害之一。 瓦斯在煤体或围岩中是以游离状态和吸着状态存在的。 游离状态也称为自由状态，这种瓦斯以自由气体状态存在于煤体或围岩的裂缝、孔隙之中，其量的大小主要决定于贮存空间的体积、压力和温度。 吸着状态又称结合状态，其特点是瓦斯与煤或某些岩石结合成一体，不再以自由气态形式存在。按其结合形式不同又可分为吸附及吸收两种。吸附状态是由于固体粒子与气体分子之间分子吸引力的作用，使气体分子在固体粒子表面上紧密附着一个薄层；吸收状态是气体分子已进入

13、煤分子团的内部。 几种状态的瓦斯处于不断变化的动平衡之中，在一定条件下会互相转化。当压力、温度变化时，游离瓦斯转化为吸着瓦斯称为吸附，吸附瓦斯转化为游离瓦斯称解吸。 矿井瓦斯等级的划分 矿井瓦斯等级是以相对瓦斯涌出量的大小来划分的。煤矿安全规程规定，在一个矿井中，只要有一个煤(岩)层发现瓦斯，该矿井即定为瓦斯矿井，并依照矿井瓦斯等级工作制度进行管理。 矿井瓦斯等级，根据矿井相对瓦斯涌出量、矿井绝对瓦斯涌出量和瓦斯涌出形式划分为： (1)低瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量小于或等于10立方米/吨且矿井绝对瓦斯涌出量小于或等于40立方米/分。 (2)高瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量大于10立方米/吨且矿

14、井绝对瓦斯涌出量大于40立方米分。为保障煤矿开采安全及人身安全，首先要提高瓦斯浓度的检测质量，二是矿井要采用合理、科学和有效的通风系统，三是采取有效、可靠的瓦斯控制措施，才能及时地避免瓦斯爆炸事故的发生。目前，主要是以瓦斯监测为主的系统较多，效果也很好。本文主要介绍单片机监控系统，它是侧检为手段，以控制为目的来考虑改善矿井通风，从而降低瓦斯浓度，确保安全生产。为了防止瓦斯爆炸事故,人们使用了多种监测方法和监测仪器。但这些仪器有的安装在一个固定点,有的配备有专职检查员,只能进行定点定时检测,它的检测范围和时间往往受到检测人员的限制,而且一旦出现故障,直接危害井下人员的安全。在高浓度瓦斯矿井与综合

15、机械化采煤工作面,更迫切需要一种能连续,自动检测瓦斯的仪器。为了防止瓦斯爆炸事故,人们使用了多种监测方法和监测仪器。但这些仪器有的安装在一个固定点,有的配备有专职检查员,只能进行定点定时检测,它的检测范围和时间往往受到检测人员的限制,而且一旦出现故障,直接危害井下人员的安全。在高浓度瓦斯矿井与综合机械化采煤工作面,更迫切需要一种能连续,自动检测瓦斯的仪器。 单片机控制的便携式瓦斯检测仪,它是集瓦斯检测与瓦斯检测报警器于一体,体积效,功耗低,可由井下流动工作人员随身携带,使用方便,随时检测并显示瓦斯浓度,当瓦斯浓度超限时,自动声光报警并发出报警,提醒人员及时撤离。二、国内外研究现状按照瓦斯检测仪

16、工作原理不同，有以下几种：1. 热催化型瓦斯检测报警仪当一定的工作电流通过黑元件(用涂有热催化剂铂丝制成)时，其表面即被加热到一定温度，当反应室中充以含有甲烷的空气时，甲烷接触到黑元件表面，即在反应室中呈无烟燃烧，放出燃烧热，使黑元件(铂丝)的温度升高，导致铂丝的电阻值明显增加，于是电桥就失去平衡，输出一定的电压。在甲烷浓度低于4%的情况下，电桥输出的电压与瓦斯浓度基本上呈直线关系，因此可以根据测量电桥输出电压的大小测算出瓦斯浓度的数值;当瓦斯浓度超过4%时，输出电压就不再与瓦斯浓度成正比关系，所以按这种原理做成的甲烷检测报警仪只能测浓度低于4%的瓦斯。主要优点：测低浓度瓦斯时，精度高，受背景

17、气体和温度变化的影响小；缺点：不能测高浓度瓦斯，相对来说元件寿命较短，在某些气体中元件会中毒（丧失活性）。但由于热催化式成本低，结构简单，所以被广泛采用。2. 热导型甲烷检测仪。 热导型甲烷检测仪的基本原理和结构大体与热催化型相似，其主要差别是:热导型甲烷检测仪的反应元件为热敏元件如热敏电阻、铂丝、钨丝等。当反应室中充以含有甲烷的空气时，由于甲烷比空气的热导率大1.296倍，因而能降低热敏元件的温度，并导致其电阻发生变化，从而破坏电桥的平衡。主要优点：可测高低浓度的瓦斯；缺点：测低浓度瓦斯时精度低，受温度和背景气体的影响大。3. 光学甲烷检测仪。 光干涉式甲烷检测仪是我国煤矿井下普遍使用的一种

18、测定甲烷浓度的便携式仪器。由于光通过气体介质的折射率与气体的密度有关，如果以空气室和瓦斯室都充入同密度的新鲜空气时产生的条纹为基准(对零)，当瓦斯室充入含有瓦斯的空气时(抽气测定)，由于空气室中的新鲜空气和瓦斯室中的含瓦斯气体的密度不同，引起折射率的变化，光程也就随之发生变化，于是干涉条纹产生位移(移动)，从目镜可以看到干涉条纹移动的距离。由于干涉条纹的位移量与瓦斯浓度成正比例关系，所以根据干涉条纹的位移量就可以测得瓦斯的浓度，从目镜可以观察到干涉条纹移动后所处的瓦斯浓度刻度值，于是便可测得瓦斯浓度。主要优点：准确度高，兼顾耐用，校正容易，高低浓度都可测，还可测二氧化碳浓度；缺点：浓度指示不直

19、观，受气压温度影响，特别是空气中氧气不足或氮、氧的比例不正常时，要产生误差；光学零件加工复杂。成本较高和实现自动检测较困难。4. 红外线式瓦斯检测仪 红外线式瓦斯检测仪是利用不同气体对红外光有着不同的吸收光谱。某种气体的特征光谱吸收强度与该气体的浓度相关，利用这一原理可以测量甲烷的浓度。当某物质受到红外光束照射时，该物质的分子就要吸收一部分光能量并将其转换为另一种能量，即分子的振动和转动能量。在吸收过程中，分子的振动频率与分子的特性有关，辐射只是在这些频率对应的波长处被吸收。非对称双原子和多原子分子气体(如 CH，CO，H，C，SO和CO等)在红外波段均有特征吸收峰，所以具有红外活性的分子可以

20、通过其吸收光谱来辨别，即所谓的指纹区。当红外辐射通过被测气体时，其分子吸收光能量，吸收关系遵循朗伯一比尔(Lamber-Beer)定律，如果气体吸收谱线在射光谱范围内，那么光通过气体以后，在相应谱线处会发生光强的衰减。如下为朗伯一比尔吸收定律： 式中：a为吸收系数；C为气体浓度；L为光通过气体的长度。主要优点：仪器精度高选择性好，不受其它气体影响测量范围宽，可连续检测；缺点：由于有光电转换结构，使制造和保养较困难，体积大、成本高、耗电多，因此推广是使用受到一定限制。在以上介绍的众多方法中，基于光学器件的检测如光干涉法和基于红外吸收的光纤甲烷检测具有测量范围广（可实现全量程测量）、检测精度高、响

21、应快、选择性好、可连续测量等优点。而目前国内广泛使用的瓦斯检测系统中采用的催化燃烧式甲烷传感器相对来说有测量范围窄（0-4%）,敏感元件易中毒、老化快、响应相对较慢，且多是单点测量等缺点。但同时，与前者相比，催化燃烧式传感器突出的优点是传感器模块化设计（检修方便），体积小，本质安全高，且随着对催化燃烧探头的原理与生产工艺的深入研究，载体催化元件的稳定性，抗中毒性，输出线性等都有了大幅度的提高，更适合于再恶劣环境下对煤矿瓦斯的检测。第二节 井下瓦斯检测仪的功能 基于AT89C52井下瓦斯检测仪用于检测煤矿井下空气中的瓦斯含量，它是一种智能型检测仪表，具有自动调整线性、非线性补偿的功能，定量监测环

22、境中甲烷或可燃性气体浓度，采用最新型单片微处理器，智能化程度高，仪器工作性能稳定，反应灵敏，精度好，薄膜面板电子开关，超高亮度红色数码显示，结构新颖，造型美观，密封性能好。具有功能齐全、性能稳定、操作简单且功耗低，具有连续工作时间长、密封好、精度高、稳定可靠、使用方便等特点。瓦斯检测仪主要用于化工、石化、煤矿井下、皮带运输巷道和急电峒室等处连续定量监测环境中甲烷（瓦斯）或可燃性气体浓度。当易燃气体浓度超限时，能自动发出声、光报警并给出相应浓度指示。第二章 系统电路的总体设计一、系统总体设计框图及概述根据题目设计要求，本设计的关键是基于单片机AT89C52的井下瓦斯检测仪的瓦斯检测及转换电路、控

23、制芯片电路、声光报警电路、LED数码管显示电路。针对此要求，本系统由以下几个模块构成，系统总体设计框图如图2-1所示：该电路采用AT89C52单片机最小化应用设计：利用AT89C52的串行口工作在方式0（同步移位寄存器方式）时，向串入并出的移位寄存器发送字形码实现显示的3位共阳7段LED显示器显示；P2.3端口接5V的小蜂鸣器，用于当瓦斯浓度超出4时发音并做出到时提醒等；P2.4端作为发光二级管1的接口端，当瓦斯浓度达到1.5时，发光二级管1发出绿光，同时备用风机启动，P2.0端作为备用风机启动端；P2.5端作为发光二级管2的接口端，当瓦斯浓度超出4时，发光二级管2发出红光，同时声音报警系统工

24、作；P2.7作为AD转换器的片选信号；时钟电路采用12MHZ晶振，可提高浓度显示的准确性。图2-1 系统总体设计框图控制模块根据设计要求，我的设计直接选用ATMEL公司生产的AT89C52，AT89C52是一个低电压，高性能CMOS的8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。测量电路测量电路采用的是瓦斯敏感元件与补偿元件组成的平衡电桥。没有瓦斯流过敏感元件时，电桥处于平衡状态，输出为零

25、；当瓦斯流过敏感元件时，电桥的平衡状态被破坏，从而输出一个与瓦斯浓度成比例关系的不平衡电压与瓦斯的浓度成正比。瓦斯检测探头电桥将04浓度的甲烷变换成最小050 mV、最大0100 mV的直流电压，而后级A/D转换器的输入电压为05V的电压在探头电桥后需要加上运算放大器 ADC0809。显示模块方案一：使用多个数码管显示。 LED数码管是利用二极管发光显示数字和字母，具有亮度大、动态响应快、接口设计比较容易，价格相对较便宜等优点。它工作电流较大、不能显示汉字，显示的信息量有限。 方案二：采用液晶显示。 液晶特别是具有汉字显示功能的液晶显示器来实现显示功能，可以实现基本的显示信息，也可以显示丰富的

26、符号指示信息以及文字指示信息，信息量丰富且直观易懂。液晶显示有功耗低、体积小、重量轻、不产生电磁辐射污染等优点，但价格相对较贵、动态响应慢、由于液晶材料的化学物理稳定性不高，使用寿命也远远不及LED。并且由于液晶显示器本身不能直接发光，是用电压来控制对环境照明的光在显示部位的反射或透射方法实现显示，因此在黑暗中不能显示，需采用辅助光源 对比此两种方案，在本设计中采用共阳7段LED显示器。LED数码管使用3个，数量不是很多，并且LED数码管接口比较容易，价格也相对便宜。二、系统工作过程 在系统控制下实现瓦斯浓度的显示，当井下瓦斯浓度达到1.5时，系统控制发光二极管1发出绿光，同时向备用风机启动控

27、制命令；当井下瓦斯浓度达到4时，系统控制发光二极管2发出红光，并及时发出声音报警信号，系统及时切断井下工作面电源。第三章 系统硬件的设计 该检测仪由控制电路 、瓦斯检测及转换电路 、声光报警电路 、LED数码管显示电路等部分组成 ，原理框图如图3-1所示图3-1 AT89C52单片机的瓦斯检测仪原理框图第一节 瓦斯检测仪传感电路的设计考虑到性能及价格方面原因，这里采用技术成熟、应用普遍的热催化式探头，即通常所说的黑白元件探头。黑元件为测量元件，白元件为补偿元件。检测电路由黑白催化元件、补偿元件、高稳定电阻组成电桥。在电路工作时，电桥在纯空气中保持平衡，检测电路检测到瓦斯气体后，瓦斯气体在黑元件

28、表面无焰燃烧，温度增高，黑元件的内阻发生变化，电桥失去平衡，输出信号电压给前置放大器。系统通过实时采集瓦斯浓度传感器的变换电压，将其数字化为实际瓦斯浓度值，通过数码管显示。一、载体催化元件 实现热催化原理测定甲烷浓度的传感元件，最初是用纯铂丝线圈组成，成为铂丝催化元件，它必须在9001000高温下才能使甲烷稳定 燃烧。由于燃烧温度高，铂易于挥发，丝径逐渐变细，造成铂丝催化元件寿命缩短及引起元件电阻增加，导致仪器严重是我零位漂移。因此因为燃烧温度高，元件耗电量大。为了克服上述缺点，在50年代后期，英国人贝尔发明了在铂丝圈上加载体，并在多孔载体上涂有催化剂的载体催化元件。这种元件能在500左右对甲

29、烷催化燃烧，因而降低了元件的耗电量，延长了铂丝寿命，所以很快在世界各国得到应用。载体催化元件以铂金丝为骨架，在铂丝外面以氧化铝作载体，并在载体上涂以由活性组分钯、铂配制而成的催化剂，将它称为催化元件。由于催化剂呈棕黑色，所以习惯上又称它为黑元件。而没有涂催化剂的元件，称它为补偿元件或载体元件。由于氧化铝呈白色，所以习惯上称它为白元件。载体催化元件的结构如图3-1-1所示。图3-1-1 载体催化元件的基本结构 载体催化元件是以作载体，由一个载体上涂催化剂作敏感元件(俗称黑元件)，另一个载体上不涂催化剂作补偿元件(俗称白元件)构成。黑、白元件的载体上都附有铂丝，结构和尺寸都相同，物理性能也基本相同

30、。铂丝用于通电加热两元件，维持瓦斯催化燃烧反应所需温度，同时又兼作感温元件。瓦斯在载体催化元件上的反应是一种气固相催化反应过程，即为多相催化。多相催化反应是在固体催化剂的表面进行，即把反应物吸附在催化剂表面上，并在催化剂表面上发生反应，其反应物也吸附在表面上。为了使载体催化反应能连续不断地在表面上发生，产物必须不断地从表面上解析出来。载体催化元件使用Pt、Pd等金属催化剂。Pt、Pd等过渡金属元素是较好的加氢脱氢催化剂，可以化学吸附甲烷，使甲烷离解，一般称为离解化学吸附，即: 式中:M表面金属原子。 甲烷是饱和烃，在金属催化剂上吸附保留时间极短，属难氧化气体。由于离解化学吸附作用，使甲烷分子的

31、价键力发生变化，降低了反应活化能，产生催化反应。因此，采用载体催化元件检测瓦斯时，只要维持甲烷一空气混合气体中有足够量的氧，并维持一定的高温条件，就会在元件表面产生无焰燃烧。甲烷氧化过程如下: 总的反应方程式：催化反应过程中无焰燃烧放出热量，增加了敏感元件铂丝的电阻值。根据电阻值的变化可以得到一个与瓦斯浓度关联的电信号。 设铂丝线圈电阻值的变化量为，则式中：-气体传感器的温度系数-由于气体燃烧引起的温度上升值-由于气体燃烧产生的热量-气体传感器的热容量-气体的浓度-气体分子的燃烧热-系数如果气敏传感器的结构、材料已确定，而被测气体的种类又是固定不变，则气敏传感器的电阻变化量与被测气体的浓度成正

32、比，即： 从上式看出，只要测出传感器的电阻变化量，便可以测得可燃气体的浓度。白元件（补偿元件）的作用：补偿元件除了不与甲烷反应之外还具有和催化元件近似的热特性，所以当把催化元件接在电桥线路的一臂上时，补偿元件就被接在它的相邻臂上并处于相同的工作环境中，用于抵消由于供给电桥电流的变化，环境温度、湿度的变化，风速的变化等等一切非甲烷浓度变化所引起的催化元件的阻值变化。从而大大提高了测量桥路零点的稳定性和仪器的抗干扰性。因此载体催化元件必须是由经过选配的一个催化元件，一个补偿元件和一个补偿电阻组成，补偿电阻是用来改善补偿元件的补偿性能的，这是由于补偿元件的热特性不可能与催化元件的热特性完全一致。当补

33、偿元件并联上补偿电阻之后，它的热特性就更加接近于催化元件的热特性，特别是在没有甲烷气体时，由环境变化引起的补偿元件的电阻变化量将更加接近于催化元件的电阻变化量。因此在更换载体催化元件时应将黑、白元件连同补偿电阻一齐更换。二、测量电路 检测原理：将瓦斯敏感元件与补偿元件组成平衡电桥。在甲烷浓度为零时，通过电位器的调整使电桥处于平衡状态，此时在工作电流加热下，元件温度达500左右。当有甲烷存在时，甲烷与氧气在黑元件表面反应，放出的反应热使元件吸收引起温度升高，使铂丝的电阻值增大，结果破坏了电桥原来的平衡条件，从而输出一个与瓦斯浓度成比例关系的不平衡电压与瓦斯的浓度成正比(图 3-1-2)。图3-1

34、-2 测量电桥1. 电桥平衡的条件将图3-1-2简化后如图3-1-3。图中：I为电桥的工作电流，为输出电压，为电桥的工作电压，为元件的臂电流，为电阻臂电流。图3-1-3 电桥回路已知：电桥工作电流I及平衡时为零。求此时各电阻之间的关系。因为电桥平衡时所以只有当时即时电桥才能平衡。2. 催化元件的电阻增量与电桥输出的关系假设载体催化元件的电阻值与补偿元件在无甲烷气体时是相等的即，它们对应的桥臂电阻也是相等的即。所以在没有甲烷气体的情况下电桥是平衡的，当有甲烷气体时，催化元件的阻值发生变化，电桥平衡破坏，则有一输出电压，不妨令, ,其中x表示有甲烷气体时催化元件的阻值增长倍数所以当采用恒压源E供电

35、时，输出不平衡电压为设R,则：显然，电桥输出电压取决于敏感元件的阻值变化量。由可知对于载体元件，其电阻变化量与被测气体的浓度成正比，由此可推出电桥输出电压与瓦斯浓度成正比，与与成正比，所以电桥输出电压与电阻变化量成正比。因为直流电桥的输出电压很低(0100 mV)，所以信号需要通过放大电路进行放大。三、运算放大器的设计设计中的瓦斯检测探头电桥将04浓度的甲烷变换成最大0100 mV的直流电压，而后级A/D转换器的输入电压为05V，所以该电路中需用一个差分输入比例电路，将0100 mV的直流电压放大到后级A/D转换器所输入的电压05V，即所需要的放大倍数为50。传感器的工作环境往往是比较复杂和恶

36、劣的，在传感器的两个输出端经常产生较大的干扰信号，有时是完全相同的干扰信号，称为共模干扰。虽然运算放大器对共模信号都有较高的抑制能力，但实际上共模信号不都是直接加到运算放大器的差动输入端，因此对来自信号源的共模干扰信号不能起到有效的抑制作用。设计中采用的是测量放大器（如图3-1-4），对于一般的电压信号源有较高噪声抑制能力，且由于它具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗共模干扰能力、低温漂、低失调电压和高稳定电压等特点，使其在微弱信号的检测系统中广泛用作前置放大器。图3-1-4 测量放大器结构测量放大器的工作原理：测量放大器通常是由三个运放组成。其中第一级是两个对称的同相放大器，它不仅提高了输入阻抗

37、和共模抑制比，而且变双端输入为单端输出，如图 所示。放大倍数G求得如下：因为所以因为所以 为了提高电路抑制共模干扰的能力，第一级两个运算放大器的特性一致性要好，第二级差分放大器中四个电阻要精密配合,即取； 所以即调整电阻可以改变放大倍数。所需要的放大倍数为50，根据表3-1-5，选择电阻=49 =2,=2。在选则电阻器的阻值时，根据设计电路时理论计算电阻值，在最靠近标称值系列中选用。在普通电阻器阻值标称系列值见表，实际电阻器的阻值是表中的数字乘以（n为整数）。表3-1-5 电阻器阻值标称系列值允许偏差（%）阻值（）5%1.0、1.1、1.2、1.3、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.

38、4、2.7、3.0、3.3、3.6、3.9、4.3、4.7、5.1、5.6、6.2、6.8、7.5、8.2、9.110%1.0、1.2、1.5、1.8、2.2、2.7、3.3、3.9、4.7、5.6、6.8、8.220%1.0、1.5、2.2、3.3、4.7、6.8第二节 模数转换电路设计检测电桥输出电压经过放大后，原来的小信号由0100mV放大到了05V的大信号，能被A/D转换器准确转换。对于低、中速A/D转换器，这类芯片常用的转换方法有计数-比较式、双斜率积分式和逐次逼近式3种。由于逐次逼近式A/D转换技术能很好地兼顾速度和精度，故它得到了广泛的应用。本设计的转换电路选用的是逐次逼近式A/

39、D转换器ADC0809。ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。ADC0809内部逻辑结构由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。一、引脚结构IN0IN7：8条模拟量输入通道 图3-2-1 ADC0809引脚图ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信

40、号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线：4条 ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如表3-2-2所示。表3-2-2 ADC0809输入通道选通地址表CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄

41、存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。 CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ。 VREF（），VREF（）为参考电压输入。当单片机不执行外部数据存储器读/写操作时，ALE的频率为单片机时钟频率的1/6，单片机的时钟频率是12MHZ,ALE的频率为2MH

42、Z，经4分频后可作为ADC0809的外部时钟信号。二、分频器4分频器由两个D触发器构成如图3-2-3所示图3-2-3 4分频器电平触发的主从触发器工作时，必须在正跳沿前加入输入信号。如果在CLK 高电平期间输入端出现干扰信号，那么就有可能使触发器的状态出错。而边沿触发器允许在CLK触发沿来到前一瞬间加入输入信号。这样，输入端受干扰的时间大大缩短，受干扰的可能性就降低了。边沿D触发器也称为维持-阻塞边沿D触发器。 工作原理：PRE和CLR接至基本RS 触发器的输入端，它们分别是预置和清零端，低电平有效。当PRE=0且CLR=1时,不论输入端D为何种状态，都会使Q=1，Q非=0，即触发器置1；当P

43、RE=1且CLR=0时，触发器的状态为0, PRE和CLR通常又称为直接置1和置0端。我们设它们均已加入了高电平，不影响电路的工作。若初始状态为0，则4分频器工作的波形图如图3-2-4所示。图3-2-4 4分频器波形图三、ADC0809与单片机的接口电路 ADC0809与AT89C52单片机的接口电路如图3-2-5所示。图3-2-5 ADC0809与AT89C52单片机的接口电路ADC0809的工作过程是：使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之IN0到比较器。ST上升沿将逐次逼近寄存器复位,下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/

44、D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。第三节 控制系统的设计设计采用AT89C52单片机作为系统的控制核心，使得整个系统可编程，并且灵活性大大增加，还可以方便的实现其他功能的扩展。单片机是集CPU ,RAM ,ROM ,定时，计数和多种接口于一体的微控制器。它体积小，成本低，功能强，广泛应用于智能产业和工业自动化上。而52系列单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。随着科技的发展，单片机已不是一个陌生的名词，它的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要里程碑，因为

45、单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支。纵观我们现在生活的各个领域，单片机应用技术飞速发展，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。单片机正处在微控制器的全面发展阶段，各公司的产品在尽量兼容的同时，向高速，强运算能力，寻址范围大以及小型廉价方面发展。单片机的发展推动了应用系统的发展，应用系统的发展又反过来对单片机提出了更高要求，从而促进单片机的发展。单片机正向着功能更强，速度更快，功耗更低，辐射更小的方向发展。一、AT

46、89C52单片机的概述AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。兼容标准MCS-51指令系统的AT89C52是一个低电压，高性能CMOS的8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合，也可为您提供许多高性低比的系统控制应用领域。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，1个全双工串行口，1个精密片内部模拟比较器和片内振荡器；2个读写口线；低功耗的闲置和掉电模式；工作电压425550 V，工作频率12 MHz。AT89C52中的2个16位的定时/计数器和，作定时器时可计数机器周期，计数频率为振荡频率的1/24。 AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通