瓦斯浓度自动调节系统

目录

1 设计背景与需求.................................... ..3

1.1 设计背景 .......................................3

1.2 设计需求 ..............................................4

2 系统设计方案........................................ 4

2.1 系统设计方案图.........................................4

2.2 系统介绍...............................................4

2.3 系统方案能实现所有功能详细.............................4

3 方案所涉及到的软硬件平台............................ 5

3.1 方案所涉及的硬件平台...................................5

3.2 方案所涉及的软件平台...................................5

4 方案各系统实现原理.................................. 6

4.1 数据采集检测系统.......................................7

4.2 中心系统...............................................8

4.3 驱动系统...............................................13

5 算法流程图.......................................... 16

5.1 算法流程图.............................................16

5.2 核心程序代码...........................................17

6 系统测试结果和记录分析.............................. 18 7 系统实物图.......................................... 18 8 总结................................................ 19

瓦斯浓度自动调节系统

摘要

瓦斯的浓度检测在煤矿开采行业占有非常重要的地位。利用STC89C52单片 和MQ-4瓦斯传感器所构成的总系统的功能结构来检测瓦斯浓度，而功能元素MQ-4气体传感器的自动控制系统的设计中的主要气体CH4气体浓度检测。系统主要由数据采集系统、中心控制系统和驱动系统组成。系统主控模块主要采用功能强大单片机最小系统；选用MQ-4传感器进行信号采集；采用双色灯显示是否为气体浓度，报警的危险，液晶显示的浓度，交流电机的浓度来调节风机的转速 来调整气。系统的稳定性，气体浓度报警自动检测和调整报警精度高。 关键词：STC89C52；MQ-4传感器；风机

Summary

Detection of gas concentrations in the coal mining industry occupies a very important position.Use of the functional structure of the total system STC89C52 monolithic and MQ-4 gas sensor to detect gas concentration constitutes, and the design of functional elements MQ-4 gas sensor automatic control system of the main gas CH4 gas concentration detection.System consists of the data acquisition system, the central control system and drive system components.The main control module system uses powerful smallest single-chip systems; selection MQ-4 sensor signal acquisition; using two-color light shows whether the gas concentration, concentration, concentration of the hazard warning AC motor, the LCD to adjust the fan speed To adjust the gas.Stability of the system, the gas concentration alarm alarm automatic detection and adjustment of high precision.

Keywords : STC89C52; MQ-4 sensor；fan

1 设计背景和需求

1.1 设计背景

煤矿开采业在我国占有非常重要的地位，从而煤矿安全开采也是非常重要

的，其中瓦斯浓度的检测, 自动控制和调节则是必不可少的环节，它关乎到生产

工人的生命我财产安全。

（1）、系统传感器测量不够准确

（2）、系统的装置比较复杂，不好维护，人工操作要求高

（3）、系统的调节误差较大不能更好的控制瓦斯浓度

1.2 设计需求

（1）当瓦斯浓度安全时风机正常转动，显示灯不变；

（2）当瓦斯浓度升高到设定值时，风机转速增大，降低瓦斯浓

（3）当瓦斯浓度升高到危险值时，风机转速增大到最大，同时，警报器响

起，此时需要疏散操作工人，增大新鲜空气的流入。

第二部分

2 系统设计方案

2.1 系统设计方案图

2.2 系统介绍

主要是通过MQ-4在煤矿井下采集瓦斯主要成分CH 4的浓度采集的数据通

过TLC549转换器放大信号然后传送给单片机。中心系统主要由STC89C52芯片，电源，复位电路，晶体振荡器电路、串口通信电路，驱动系统有4个主要模块，双色显示模块，报警模块，液晶显示模块和电机驱动模块。交流电机驱动主要是

通过控制风机的转速从而控制瓦斯浓度。

3 系统设计方案所涉及平台

3.1 方案所涉及的硬件平台

3.1.1 单片机STC89C52C :单片机STC89C52C 是新一代抗干扰力超强、高速和低速消耗的单片机，在8K 编程快闪记忆体系统，通过大量的基于内核的一个典型的MCS-51单片机的使用改进，其中的很多功能，51单片机在传统的基础上。最新的D 版本内集成MAX232复位电路。 3.1.2 A / D转换器：TLC549是一个8位的A/D转换芯片，与一般的时钟，CS ，数据通过三线串行接口的微控制器。在TCL549时间的变化将不会超过17μ的，内部的系统时钟和软，硬件控制电路为4MHz ，TLC549达40000 /秒。其测量范围小适合较小信号的采集。

主要参数：

（1）电源电源：6.4V ；

（2）输入电压范围：0.3 - 0.3 ~；

（3）输出电压范围：-0.3~+0.3；

（4）峰值输入电流：9.5mA ：

（5）总峰值输入电流： EMBED Equation.KSEE3 \* MERGEFORMAT 25mA ； 3.2 方案所涉及的软件平台

3.2.1 采用KEIL4：keil uvision4设有多个港口管理系统，使开发人员可以在不同的位置使用多个监视器。其汇编功能跟C 语言比起来具有明显的优势，除了C 编译器以外还有宏汇编和连接器，还能结合STC 软件对所编程序进行检测，新版本可以与更多最新的ARM 芯片搭配，还在基础功能上增加了其他新功能。

（1）多显示器和灵活的窗口管理系统；

（2）系统的浏览器在窗口的显示设备外部设有寄存器信息，便于存储信息；

（3）调试能够恢复视图建立和保留多个调试窗口的结构，如此更便于程序编辑；

（4）项目的简化的多项目的工作领域与众多的；

3.2.2 亿地图图标专家：亿地图图标专家是一种基于矢量图形工具开发的图形软件公司。它包含大量的事例和模板库，其涉及到各个领域的专业绘图，其绘图内容主要有工程管理图、软件设计图、网络拓扑图、程序流程图、数据流程图、业务流程图、组织结构图、商业图表等等，亿图图示专家是一种功能很强、适用性很大的专业制作制图工具，亿图图示专家内部设置了2000多个画图模板，使你在制作所需要的图形中更快更准的画出来，因为亿地图图标专家是基于矢量图形的基础，所以用它来使用空间图形点相对较少，对电脑的要求不高，完全满足市民需求。

3.2.3 Altium Designer:Altium Designer是一款绘制原理图功能强大的开发系统原，在Windows XP 操作系统的主要操作。其不仅仅能很好的绘制出原理图还具

有电路仿真功能和PCB 绘制编辑，并有自动布线功能，能够让我们在最短时间里有效的完成PCB 图的编辑。Altium Designer 在全面继承Protel 99SE和Protel DXP在内的一系列版本的基本功能和优点以外，还有很大的改进和很多高端功能可运用。

其主要功能有：（1）原理图设计；

（2）仿真电路板设计；

（3）FPGA 的开发；

（4）嵌入式开发。

4 方案各系统实现原理

4.1 数据采集检测系

4.1.1 原理图

图1为MQ-4原理图，该模块是连接一个

5V 的直流电源，输出信号如果直接连接到单片机的IO 端口或NPN 型三极管驱动继电器，选择相比，的TTL 低端，其中电位器RP 的作用是调节输出电平变化的阀值，根据原理图可以得到，若比较元件LM393管脚2号的电压值，跟检测到瓦斯气体的浓度成正比时，则MQ-4传感器检测到瓦斯气体，若比较器2号脚的点位比3号脚的点位高时，则瓦斯浓度值比电位器RP 设定的阀值要高，此时，比较器的1号脚是输出低电平，LED 显示灯，R3电阻的主要功能是LED 灯限流，C1的作用是滤波电容器。MQ-4传感器则需要输出低电平，反过来说，如果信号断开了，那么传感器就需要输出高电平，电压与电源电压相等。

图1、 MQ-4原理图

4.1.2 重要器件

（1） MQ-4传感器:图2为MQ-4实物图，MQ-4气体传感器一种气体检测器，主要运用于CH 4的检测，当然还能检测其他的可燃气体，只是对CH 4敏感度高，

它的主要材料二氧化锡，主要是因为二氧化锡在清洁空气中电导率非常低。MQ-4气体传感器的工作原理与可燃气体空间浓度增加其导电性，然后用电路转换器转换成输出信号传导。

（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）快速的响应恢复特性.

（4）长期的使用寿命和可靠的稳定性

（5）简单的驱动电路

图2、 MQ-4实物图 （2） TLC549转换器：图3为A/D转换电路图

①电源电压：6.5V

②输入电压局限：-0.3V ～＋0.3V ；

③输出电压局限：-0.3V ～＋0.3V ；

④输入电流的峰值：±12mA ；

⑤输入电流的总峰值：±31mA ；

⑥工作温度：TLC549C ：2℃～69℃TLC549I ：－2℃～87℃TLC549M ：－53℃～130℃

图3、A/D转换电路图

4.1.3 SPI 协议：SPI 一种信号传送的串行接口, 两个元器件连接并传送信号时需要达成一个协议，而SPI 就是此系统连接所需要的协议，串行接口SPI 技术从摩托罗拉公司。SPI 控制传输数据只需要四个管脚，不但能够节省pin 数目还能在绘制PCB 图时节省空间。

4.2 中心系统

2来使用； 双向I/O口； 4.2.1 原理图

P2口：P2作为普通的I/O来使用； 控制信号；

9号引脚：RST 复位引脚；

29号引脚：外部程序存储器选中输出引脚；

30号引脚：地址锁存允许输出引脚；

31号引脚：内部存储器选择引脚。 STC89C52RC 共有四个并行I/O口，分别是P0，P1，P2,P3。

P0内部属于漏极开路输出，提升电流和电压的能力是有限的，驱动不了内部负 P1口：P1内部已经集成了上拉电路，可用于准双向的I/O口，可以作为定时器P3口：P3除了作为一个准和其他影响的I / O口外双向，二是一些非常重要的P0口：：P0内部属于漏极开路输出，驱动不了内部负载, 接上排阻后就可成为准

载；信号通过一个电阻的不确定性嵌入在一个高的水平，一个电阻限流功能；该装置的电流注入，拉输出电平值，增加驱动能力和输出引脚；上拉电阻的作用主要是一个开漏输出电路的输出电流通道。

（2）复位电路

下图是复位电路原理图 ，它的主要组成成分是电容、 电阻和按键。复位电路分为复位手动复位和电源，在高水平的复位输入第一个人类需要手动复位。一般的方法是第一终端和Vcc 正电源之间的一个按钮，VCC 5V电平可以直接添加到第一终端，手动复位时间远远大于所需的时间；上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电容加给RST 端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着VCC 对电容的充电过程而逐渐回落，即RST 端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。为了保证系统的可靠复位，最后RST 高电平信号必须保持足够长的时间。要使单片机复位，有必要做一个高层次的复位引脚保持至少两个机器周期。

（3）晶振电路

下图是晶振电路原理图，它的主要组成部分是一个晶振和两个22.1PF 的电容，这个电路是一个稳定的自动激起的振荡电路，它的作用是提供工作需要的时钟脉冲和单芯片振荡源。我们可以通过万用表测量晶振两端的压差来确定是否起振，晶振的测量选20v 档 ，引脚压降大概在0.1v ，测18号引脚和19号引脚分别和地测，或者是用示波器来测量。

晶振电路

（4）串行通信电路

下图是串行通信电路图，串行通信的电路使用的是MAX232芯片串口通信电路主要用于电脑串口的电频（即RS-232电频）和单片机的TTL 电频进行互相装换；C6电容为滤波电容；四个电容与max232组成一个稳压电路，通过对电容的抽放电，形成一个电荷泵。max232在这里所起作用是RS-232为负逻辑电频，认为高电频1为-3~-12V，而低电频0为3~12V。

串行通信电路 （5）电源

下图为电源电路图，电阻的作用是控制电流保护LED, 一般情况下LED 的电流值限定在3mA~20mA,压降在1.7V 左右,5-1.7=3.3V 3.3/20=0.165*10^3欧姆，3.3/3=1.1*10^3欧姆，所以用1K 的电阻。如果接直径为10mm 的led 则又上知需要电阻为165欧姆

4.3 驱动系统

4.3.1 电机驱动

4.3.2 重要部件

图6、电机驱动原理图

（2）TCA785：TCA785是一款由晶闸管单片机通过改变移相来触发集成的电路，主要由德国西门子公司开发出来的的。跟其他的芯片比起来TCA785不

（1）ICL7660:ICL7660是一款功率非常小的由Maxim 公司生产极性反转电源转换器。该集成电路与TC762ACPA MA1044的内部电路及引脚功能完全一致，可以直接替换。ICL7660的静态电流较典型的值为180uA ，输入电压范围为1-10.5V ，工作频率为12kHz 的体积比较小的电容，它的效率和输出功率只需要在外部接一个非常小的体积电容就可以了，它的输出符合我们的需求。

但温度适用的范围非常宽，还能很准确的检测过零点，她的输出脉冲不仅非常整齐，而且移相的范围也非常宽。TCA785适用的范围之所以非常广泛是因为它的触发脉冲的宽度不仅可以自动调节还可以手动调节。它的5号引脚为外部连接同步信号，从外部获得过零点信号，9、10号两个引脚的作用是通过两引脚连接的电阻和电容来获得10号引脚所需要的片内产生的同步锯齿波和其斜坡的最大值及最小值。而15号和14号引脚要输出的同步脉冲信号是由10号引脚产生的锯齿波和11号引脚的控制电压相比较得来的。所以，一般通过控制移相来获得我们所需要的11脚控制电压，12号引脚的作用是通过外接电容来决定所需要的脉冲的宽度，如果你想要两个窄脉冲的驱动方式来驱动的话，在12号引脚上接140PF 的电容就可以了。

（3）TLC5615：TLC5615是一个拥有串行接口，主要由美国德州仪器公司生产的数模转换器，TLC5615主要是电压型输出，它的最大输出电压可以达到基准电压值的两倍。DAC 寄存器被重置为零与上电复位功能。TLC5615电流输出性能比较好，完成10位数据的串行电路输入只需要3根左右串行总线就可以，TLC5615和别的微处理器接口比较简单实用范围比较广，主要涉及到移动电话和电池供电的测试仪表。

（4）LM393：TDC393是由两个相对独立的精度高的电压比较器组合而成的集合行成电路，TDC393的失去调控电压比较低最大也只能为2.2mV 。它的设计主要要求是电压范围宽并且是单个电源提供电，当然TDC393还可以用双电源来提供电源；电源的电流消耗一般都非常低，这个跟电源电压大小没有关系。TDC393的另一个特性是即使是单电源提供电，比较器的共同模块的输入电压范围非常接近地电平。它主要是在模数转换器中，相对简单的限制器，MOS 时钟计时器，方波发生器，脉冲发生器，延时发生器，宽带压控振荡器，多谐振荡器和高水平的数字逻辑门电路。之所以要把393设计成能直接连接TTL 或者直接连接CMOS ，是为了在用双电源供电时，它可以将MOS 逻辑电路兼容，这过程跟标准比较器相比393的功率消耗低得多，其占有独特的优势 其特点为：

①电源电压范围宽：单电源双电源供电；2.5v-36.5v 1.5v-18.5v； ②电源电流消耗很低； ③输入偏置电流低；25nA ④输入失调电流低；±5nA ⑤最大输入失调电压；±3mV

⑥输入共模电压范围接近地电平； ⑦差模输入电压范围等于电源电压； ⑧输出饱和电压低；

⑨输出的电平包括DTL 、CMOS 、ECL 、MOS 和TTL 五个逻辑系统

（5）MOC3021：MOC3021是一种可控硅驱动的光电藕合器，主要由摩托罗拉公司生产的，它包含了一个砷化镓红外线发光二极管和对光敏感的双向可控硅，功能就像三端双向可控硅开关元件。该MOC3021主要用于交流电源连接的晶闸管控制240V 电动控制器。 其特点为：

①红外发光二极管压降的触发电流IFT 非常好的稳定性是非常小的； ②拥有很高的隔离电压，其中最小交流峰值为7600V ； ③峰值阻断电压400V ；

（6）TL431:TL431是一个2.5~36V可以调式而且精密的并联稳压器，主要生产公司是美国德州仪器和摩托罗拉公司。TL431性能非常好，而且价格也不贵非常实惠，TL431的动态阻抗典型值为0.25Ω，不但在单片精密开关电源或精密线性稳压电源中得到广泛运用，还在其它很多领域得到应用，主要是把它当齐纳二极管来用。此外，TL431也构成的电源电压监控，电压比较器，精密恒流源，延时电路中起着重要的作用。

TL431的封装形式主要有DIP ，有时也会用到T0-92，TL431的3个引脚的端口分别为阳极、阴极和参考端。如果需要使用阳极则阳极要接地，如果需要阴极限制电流组时则阴极要接正电源；U0设置输出电压UREF ，其外部连接电阻分压器；气足数控。从TL431的等效电路图不难看出，TL431内部的2.5V 基准源是UREF ，接在与运放的反相的那个输入端。我们运放的特性，应该知道三极管中有一个稳定的非饱和电流通过的唯一条件是REF 端的电压非常接近UREF ，这因为REF 端的电压会发生微小变化，从而三极管VT 的电流也会在其限定范围内变化。 ①可编程输出电压：达36V ；

②电压参考源误差：典型+/-0.5%@25.2°C ； ③地动态输出阻抗、典型为0.22Ω； ④灌电流能力为1.3ma ；

⑤对50.2ppm/°C 相当于全范围的温度系数；

⑥可进行工作温度补偿的范围是整个额定工作温度； ⑦低输出噪声电压。

（7）报警系统模块

瓦斯浓度高于警戒浓度时，警报器响起，此时及时疏散工作人员。风机转速加大，增加新鲜空气流入。

（8）双色灯显示模块

双色灯主要的组成部分是电阻和三级管，三极管是用来放大电路。主要采用红绿两色灯，瓦斯浓度处于正常浓度时绿灯亮，瓦斯浓度高于或等于危险浓度时红灯亮。

（9）液晶显示模块

LCD1602：LCD1602是一种两行显示器，每行可以有16个字符的液晶显示模块。它主要由几个5X7或5X11点阵字符位来构成，表现出一个字符不需要点阵字符位，LCD1602不能较好的显示图形是因为位于位之间都间隔一个点距，行于行之间也有间隔。

5 算法流程图

5.1 算法流程图

5.2 核心程序代码

void LCD_Disp_Byte_Dec(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char dat) {

if(dat>99)

LCD_Disp_Char(x++,y,dat/100+'0'); else

LCD_Disp_Char(x++,y,' '); if(dat>9)

LCD_Disp_Char(x++,y,dat/10%10+'0');

else

LCD_Disp_Char(x++,y,' '); LCD_Disp_Char(x++,y,dat%10+'0'); }

//入口参数：x ：横坐标0~15 y：纵坐标0或1 dat：要显示的数0~65536 //返回参数：无

//函数功能：LCD 显示10进制0-65536 void LCD_Disp_Word_Dec(unsigned char x,unsigned char y,unsigned int dat) {

if(dat>9999)

LCD_Disp_Char(x++,y,dat/10000+'0'); else

LCD_Disp_Char(x++,y,' '); if(dat>999)

LCD_Disp_Char(x++,y,dat/1000%10+'0'); else

LCD_Disp_Char(x++,y,' '); if(dat>99)

LCD_Disp_Char(x++,y,dat/100%10+'0'); else

LCD_Disp_Char(x++,y,' '); if(dat>9)

LCD_Disp_Char(x++,y,dat/10%10+'0'); else

LCD_Disp_Char(x++,y,' '); LCD_Disp_Char(x++,y,dat%10+'0'); }

unsigned char TLC549() {

unsigned i,tmp; CS=1; CLK=0; CS=0; _nop_(); _nop_();

for(i=0;i

tmp

}

CS=1;

for(i=17;i>0;i--) _nop_(); return(tmp);

6 系统测试结果记录和分析

8 总结

经过这次近两个星期的设计，我学会了亿图图示专家和 Altium Designer等绘图软件，当然还有Keil4编程代码以及其相关的程序检测软件，在这个过程中让我这个非本专业的学生对机电学有了深一步的认识，电与机械是不分家的，从而让我更有理由去学电学。当然，在这个过程中我们有很多的不错，用亿图图示专家绘制流程图时不会排版的比较好看只能往上堆需要的框框；在绘制系统原理图时，经常找错元器件，其中在转换成PCB 图时，开始我们好多都无法转换，主要原因是我们在第二次绘图时直接在文件里点开的话工程就没了，在绘制PCB 图时经常把线连错；在焊电路板时，电容和电阻比较小容易忘记焊，晶振和指示灯等一些元器件容易焊错，还有就是有时会把电路板焊短路；最后就是连接实物图时会把线连错。

虽然问题层出不穷，但是在各老师的指导下我们还圆满的完成了这次设计，此过程中我们受益匪浅，更加重要的是我们知道合作的重要性，一个我们自己无法解决的问题经过几个同学的讨论很快就解决，同时自我感觉实践能力弱，所以在以后的生活中我会多多去实践，去自己动手。

参考文献

[1] 张毓：单片机应用技术项目化教程[M]，安徽商贸职业技术学院出版，2010:68-80.

[2] 赵继文, 传感器与应用电路设计[M]，科学出版社，2002:123-140. [3] 郭振民：电子设计自动化EDA[M],中国水利北电出版社，2009:32-43.