ADuC814單片機(jī)煤礦井下便攜式甲烷報(bào)警儀

摘要：介紹一種基于ADuC814單片機(jī)的煤礦井下便攜式甲烷報(bào)警儀，該報(bào)警儀電路簡單、功能豐富：除可進(jìn)行氣體濃度測量、報(bào)警外，還具有時(shí)間、溫度、工作電壓顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，該報(bào)警儀安全可靠。

關(guān)鍵詞：甲烷報(bào)警儀；煤礦井下；ADuC814；功能豐富

DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.9.016

報(bào)警儀的總體結(jié)構(gòu)

報(bào)警儀的總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其核心是ADuC814單片機(jī)，外圍電路有LED顯示電路、電源電壓采樣電路、聲光報(bào)警電路、按鍵開關(guān)電路、RS232接口電路、數(shù)字溫度探頭、甲烷探頭及采樣電路。

報(bào)警儀的工作原理是：報(bào)警儀采用鋰電池供電，穩(wěn)壓IC進(jìn)一步穩(wěn)壓給報(bào)警儀內(nèi)部電路供電，LED顯示電路用于報(bào)警儀數(shù)據(jù)顯示，聲光報(bào)警電路用于甲烷濃度超限或電池電量不足報(bào)警，按鍵開關(guān)電路用于報(bào)警儀參數(shù)調(diào)整及電源開關(guān)，RS232接口電路用于單片機(jī)程序讀、寫及數(shù)據(jù)導(dǎo)出，甲烷探頭及采樣電路用于將環(huán)境甲烷濃度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電池電壓采樣電路用于電池電壓監(jiān)控，數(shù)字溫度探頭用于感應(yīng)環(huán)境溫度，核心芯片ADuC814對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇判斷，并將運(yùn)算結(jié)果通過LED電路顯示出來。

圖1 報(bào)警儀總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 ADuC814基本工作電路

報(bào)警儀硬件電路設(shè)計(jì)

ADuC814基本工作電路

電源電路及電池電壓采樣電路

報(bào)警儀采用無記憶效應(yīng)的鋰電池供電，鋰電池標(biāo)稱電壓為3.7V，實(shí)際工作時(shí)輸出電壓控制在3.6~4.2V之間，報(bào)警儀核心芯片ADuC814工作在3.3V，報(bào)警儀通過低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)將鋰電池電壓降到3.3V，根據(jù)線性穩(wěn)壓器大約300mV的輸入輸出壓差，可推導(dǎo)出線性穩(wěn)壓器最低輸入電壓大約為3.6V，為保證ADuC814能正常工作，報(bào)警儀程序中設(shè)定鋰電池輸出電壓低于3.6V時(shí)，聲光報(bào)警，并顯示LLLL，表示電池電量低，延時(shí)一秒后，報(bào)警儀自動(dòng)關(guān)機(jī)。

鋰電池輸出電壓可通過電池電壓采樣電路(圖4)獲得，ADuC814內(nèi)置12位AD轉(zhuǎn)換器，其基準(zhǔn)電壓有芯片內(nèi)置和外接兩種選取模式，為簡化電路，這里選取2.5V內(nèi)置基準(zhǔn)電壓，也就是說芯片AD轉(zhuǎn)換器的最大輸入電壓為2.5V，由于正常工作時(shí)鋰電池電壓在3.6~4.2V之間，在圖4中電池電壓先通過電阻R4、R6分壓，然后通過電壓跟隨器電路送入ADuC814 AD轉(zhuǎn)換器入口(P1.3)。

LED顯示和聲光報(bào)警電路

考慮到ADuC814輸出接口較少，為了給其他電路預(yù)留接口，顯示電路采用串口輸出型：利用ADuC814 P1.1、P3.5口組合成模擬串口，顯示數(shù)據(jù)通過串口移位輸出分配到4片74LS164的輸出端，從而控制4位LED數(shù)碼管顯示，這里，串口輸出電路選擇在顯示數(shù)據(jù)有變換時(shí)才進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出，這樣可以減少單片機(jī)的占用率。

同樣為了節(jié)省ADuC814的輸出接口，報(bào)警電路采用與非門CD4011為主的振蕩電路，當(dāng)甲烷濃度超限或電池電壓過低時(shí)，ADuC814 P3.7口輸出高電平進(jìn)入CD4011 13腳，電路開始振蕩，一方面驅(qū)動(dòng)報(bào)警燈間歇發(fā)光，一方面驅(qū)動(dòng)蜂鳴器B1發(fā)聲。

按鍵開關(guān)設(shè)置電路和RS232接口電路

報(bào)警儀按鍵開關(guān)電路非常簡單(圖7)，ADuC814 P3.2口接電源開關(guān)鍵，同時(shí)該鍵還作為參數(shù)設(shè)置時(shí)的確認(rèn)鍵；P3.3口為數(shù)碼管數(shù)據(jù)上調(diào)鍵；P3.4口為數(shù)碼管數(shù)據(jù)下調(diào)鍵；P1.7口為報(bào)警儀參數(shù)調(diào)整時(shí)模式鍵和數(shù)碼管選位鍵，該接口需外加上拉電阻(R57)才能正常工作。

報(bào)警儀RS232接口電路用于計(jì)算機(jī)向報(bào)警儀寫程序和報(bào)警儀存儲(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，電路采用集成芯片MAX232，該芯片只需接少量外圍電路即可構(gòu)成RS232接口。

數(shù)字溫度探頭

溫度探頭采用MAXIM的1-wire總線式數(shù)字溫度傳感器，僅需占用 ADuC814一個(gè)IO接口，就可實(shí)現(xiàn)與ADuC814雙向通訊。

甲烷探頭及采樣電路

甲烷探頭采用國內(nèi)技術(shù)比較成熟的熱催化元件，熱催化元件將甲烷濃度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后經(jīng)圖10所示差分放大電路放大送ADuC814 AD轉(zhuǎn)換器口(P1.2)，需要注意的是：由于熱催化元件工作電流較大，為保持差分放大電路的穩(wěn)定性，甲烷探頭單獨(dú)采用一個(gè)3.0V輸出的LDO芯片供電。

圖3 LDO電源電路

圖4 電池電壓采樣電路

圖5 LED顯示電路

圖6 聲光報(bào)警電路

圖7 按鍵開關(guān)電路

圖8 RS232接口電路

圖9 數(shù)字溫度探頭電路

圖10 甲烷探頭、采樣電路

圖11 甲烷探頭供電電路

表1 甲烷濃度測量基本誤差

圖12 程序流程圖

報(bào)警儀軟件設(shè)計(jì)

基于ADuC814單片機(jī)的煤礦甲烷報(bào)警儀程序采用單片機(jī)C51語言編寫，包括主程序，T0定時(shí)器中斷子程序，TIC定時(shí)器中斷子程序，掉電模式中斷子程序幾部分構(gòu)成：主程序用于報(bào)警儀數(shù)據(jù)顯示及參數(shù)設(shè)置；T0定時(shí)器中斷子程序用于甲烷濃度和環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)采樣、計(jì)算；TIC定時(shí)器中斷子程序用于當(dāng)前時(shí)間校準(zhǔn)及調(diào)用；掉電模式中斷子程序用于將報(bào)警儀從關(guān)機(jī)節(jié)電狀態(tài)喚醒。

報(bào)警儀各子程序較簡單，在此略過，報(bào)警儀主程序的流程圖如圖12所示。

報(bào)警儀主要技術(shù)指標(biāo)

(1)甲烷濃度測量范圍：0.00% CH₄～10.0%CH₄。

(2)甲烷濃度測量基本誤差：見表1。

(3)環(huán)境溫度測量范圍：0.0～50.0℃。

(4)甲烷測量響應(yīng)時(shí)間：≤20s(T90)。

(5)甲烷濃度報(bào)警點(diǎn)：0.1-9.99% CH₄，可任意設(shè)置。

(6)報(bào)警儀充滿電后持續(xù)工作時(shí)間：>10h。

(7)儀器重量：≤50g。

結(jié)束語

報(bào)警儀研制過程中歷經(jīng)多次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該報(bào)警儀符合現(xiàn)有煤礦井下便攜式甲烷報(bào)警儀標(biāo)準(zhǔn)，且具有功能豐富、操作簡單、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可以在現(xiàn)有煤礦大范圍推廣，具有良好的市場前景。