基于stc单片机的矿用智能甲烷传感器的开发与研究.doc

0引言瓦斯是一种广泛存在于矿井下的可燃性气体，其主要成分是甲烷，当其浓度 达到一定程度（5%〜16%）吋容易产生爆炸因此为了预防乩斯事故发生，保证煤 矿企业安全生产有序进行，需要开发一-种低功耗、实吋性好、灵敏度高的矿用智 能甲烷浓度传感器1传感器硬件电路设计传感器结构如图1所示，主要由载体催化信号电路、CPU、信号调理电路、 声光报警电路、RS-485通信电路、红外遥控电路、显示电路、电源转换电路7 部分组成具体工作原理如下：甲烷浓度信号经载体催化元件信号检测电路转换 成电信号，再经信号调理电路将该电压信号转换成0〜5V的标准信号进入A/D 转换芯片，STC单片机再将数字信号转换成相应的甲烷浓度，若甲烷浓度高于设 定值，则启动声光报警装置，同时将检测到的甲烷浓度信息通过井下传输到地面载体催化信号电路如图2所示对比元件1与检测元件2被安装在惠斯特电 桥上，当检测环境中无甲烷气体时，电桥处于平衡状态，无电压信号输出当检 测环境中含有甲烷气体时，甲烷与氧气在检测元件2的表而发生反应，反应释放 出的热量使得检测元件表而温度升高，引起其电阻值增加，从而导致电桥失去平 衡，输出一个与环境小甲烷浓度成正比的电压信号。

1.2 CPUCPU的选取是整个传感器设计的核心，如果选用普通的51系列单片机，由 于芯片功能比较单一，片内资源有限，必须外接大量集成电路才能构成完整的控 制电路，这样会增加设计成本，也不满足低功耗的要求为了解决这个问题，选用宏晶科技生产的高速、低功耗的新一代单片机 —STC单片机12C5A60S2C如图3所示），该单片机代码指令完全兼容传统8051, 但速度是其8〜12倍内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM, 8路高速 1（）位A/D转换，片上集成1280字节RAM,程序空间达60K字节，能完全满足 设计要求同时该芯片可实现ISP,无需专用编程器或专用仿真器，通过串口 （P3.0/P3.1）直接下载用户程序，降低了传感器开发成本⑴图 3 STC12C5A60S2 管脚图1.3信号调理电路载体催化信号电路作为传感检测单元，测量的甲烷浓度信号为电压信号该 信号比较微弱，要与单片机进行信号对接，必须要进行信号的处理与转换采 用MAX4194作为信号调理电路的主要集成芯片信号调理电路如图4所示图4信号调理电路1.4红外遥控电路机械开关使用时间一长,由于触点氧化或弹簧片老化等各种原因，很容易出现接触不良或按下后难以上调等故障。

考虑到井下特殊环境因素（如空气湿度大 等），摒弃传统按键机械开关设置方式，设计一种红外遥控电路（如图5所示） 来实现参数设置和修改的功能，不仅可以克服上述缺点，延长整机的寿命，而且 使用起來也灵活方便图中BL9149是红外遥控接收IC电路，作为红外接收部分的核心，接收遥控 编码脉冲，完成对系统参数的设定图5红外遥控电路1.5声光报警电路声光报警电路如图6所示当甲烷浓度超过报警值时，单片机输出控制信号 经光耦电路触发单向晶闸管VS导通VS —旦导通，便会始终保持导通状态， 使报警灯通电发光；同吋模拟声集成电路KD-956I也通电工作，其输出端输出 内储模拟警笛声电信号，经晶体三极管VT1、VT2构成的直接耦合功率放大器 放大后，推动扬声器发出响亮的警报声图6声光报警电路图1.6 RS-485通信电路采用RS-485T通信方式（电路如图7所示），实现对水分仪的远程监 控及将检测水分信息及吋传输到分站或中继通信站RS-485采用平衡发送和差 分接收方式实现通信：发送端将串行口的TTL电平信号转换成差分信号分A、 B两路输出，经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号由 于传输线通常使用双绞线，又是差分传输，所以电路有极强的抗共模干扰的能力, 总线收发器灵敏度很高，可以检测到低至200mV的电压。

图7 RS-485通信电路1・7电源转换电路控制板电源电路的作用主要是将由井下分站电源输入的电压信号（一般为 18〜24VDC）转换为5VDC和12VDC,为主控电路板供电控制板电源分为两 部分，分别采用LM2675-5.0和LM2675-ADJ来实现电压转换，一部分为单片机 提供5V稳定电压，另一部分为放大电路提供电压具体电路如图7所示图7控制板电源电路图2传感器软件设计传感器的软件设计分为系统初始化子程序、参数修改子程序、键盘与显示子 程序、时钟和中断子程序等由于采煤作业面工作环境复杂，电磁干扰强，本系 统软件编写采用性能可靠的汇编语言来完成，具体流程如图8所示图8传感器软件流程图3结论以STC12C5A60S2为主要控制芯片的矿用智能甲烷传感器解决了传统甲烷 传感器存在的设计电路复杂、灵敏度低等缺点，为实现全矿井甲烷浓度实时 监控提供了新的手段参考文献[1] http://www.mcu- 2C5A60S2.pdf ⑵刘同法.单片机外围接口电路与工程实践[M].北京：北京航空航天大学出版 社，2003。