煤矿瓦斯在线监测与报警系统毕业(论文)设计.doc

河南理工大学本科毕业设计

课题：煤矿瓦斯在线监测与报警系统

摘 要

能源工业是一个国家经济发展的命脉。近年来，随着石油的紧张，石油价格的飙升，煤炭行业的重要地位和不可替代性也日益显现。煤矿生产是地下作业，自然条件和生产条件都复杂，在采掘过程中出现的瓦斯涌出、煤尘飞扬、自然发火等都有可能造成严重事故。为了防止事故发生，保障矿工的健康和安全，促进生产发展，提高煤炭企业的经济效益，应对井下的气象进行检测，对可能造成灾害事故的各种有的害气体及矿尘进行及时而准确的检测和严格控制，一旦发生灾变，必须及时救护遇难人员和处理事故。然而，中国煤炭行业的安全形势却不容乐观，尤其是重、特大上网那个事故屡见报端。在这些事故中，瓦斯爆炸有占绝大多数。这其中，固然有很多诱发因素，但个煤矿生产企业安全监测设备不完备、管理手段落后是造成事故的重要因素之一。
煤矿生产安全监控系统，是目前为止实际通风甲烷管理工作中最重要和最有效的自动化手段，已经装备监控系统的煤矿的甲烷事故发生率大为下降，实践证明，煤矿生产安全监控系统对保障煤矿安全生产，提高煤矿生产率，提高煤矿自动化程度以及促进煤矿管理现代化水平，都有着举足轻重的作用
在文章里，我针对瓦斯的特点，设计出同时监测高低浓度的瓦斯系统，全天候不间断的对井下瓦斯浓度进行监测。同时采用声光报警系统，一旦瓦斯超标，系统立即提醒正在井下作业的工人紧急撤离，避免人员伤亡，并且还运用红外遥控系统来进行远程监控。设计这种智能传感器采用闭环控制来确保采样的平稳。
该传感器以AT87C552单片机为核心，实现对瓦斯的检测、报警和控制，安全可靠，经久耐用，适合各类煤矿瓦斯的监控，可以大大降低煤矿事故的发生，降低企业成本，提高煤炭开采率，为我国煤炭事业做出贡献。

关键字 瓦斯监测 传感器 单片机 声光报警 A/D转换电路 组态控制

1.1 本课题的研究背景和意义
从我国煤炭生产的现状及我国能源结构规划均可看出，在本世纪中叶以前，煤炭仍是支持我国国民经济发展的主要能源，煤炭生产，作为我国能源工业的支柱，其地位将是长期的、稳定的，但是煤炭工业的安全生产状况却不容乐观，中小型煤矿的情况尤为严重，已经直接威胁到整个煤炭工业的稳定生产，给国家财产和人民生命造成了很大的损失，作为“万恶之首”的甲烷爆炸事故更是重大事故发生率之首。在去年又接连发生了多起甲烷爆炸事故，事故的结果触目惊心，因此通过强化甲烷管理，提高通风、甲烷检测监控水平，已成为中小型煤矿甲烷检测监控的最迫切的任务之一。
煤矿生产安全监控系统，是目前为止实际通风甲烷管理工作中最重要和最有效的自动化手段，已经装备监控系统的煤矿的甲烷事故发生率大为下降，实践证明，煤矿生产安全监控系统对保障煤矿安全生产，提高煤矿生产率，提高煤矿自动化程度以及促进煤矿管理现代化水平，都有着举足轻重的作用。
煤矿生产安全监控系统虽在国内已有生产和应用，但还没有一种真正适合于中小型煤矿使用的产品，我国从八十年代初期开始引进煤矿生产安全监控系统，历经了直接引进、消化吸收、仿制配套、自主开发的过程，但迄今为止的产品大多都是面对大型矿井设计的，而且自身尚有一些有待解决的问题，如:
造价高，系统最基本的配置过于庞大，运行费用大
传感器测量稳定性差，调校频繁，寿命短
系统安装、维护复杂，操作不便，人机界面较差
系统设备可靠性差
必须依赖专业的维护队伍，对人员技术，素质有较高的要求。
国外的监控系统技术理论上讲高于国内发展水平，但应用于国内煤矿尚有一定的局限性，如煤矿管理模式生产方式的不同，价格过高不适于国内煤矿现有条件，除在传感器技术方面可供借鉴外，其它仅具一定参考价值。
煤矿瓦斯监控系统系统的意义不言而喻。以山西省为例，近几年，特别是2006年以来，山西省煤炭系统在党和各级政府及安全部门的重视下，全省煤矿信息化工作有了新发展，取得了新成绩。特别是由瓦斯监测监控系统建设所形成的全省煤矿四级信息网络平台，是计算机网络及信息技术用于瓦斯安全治理的一项创举，极大的促进了山西煤炭信息化工作。山西省煤炭系统2005年底累计安装使用瓦斯监控系统3868套。目前，该省国有重点煤矿121座矿井全部安装了瓦斯监测监控系统，并全部联网运行，在线运行率达100%。地方煤矿现有2806座矿井全部安装了瓦斯监测监控系统，已连网运行2671座。这些系统的运用，极大的降低了煤矿瓦斯事故。
综上所述，开发研制适用于中小型煤矿生产安全监控系统的任务迫在眉睫，而根据我国煤矿生产和管理模式，依照我国的有关技术标准，其技术的先进性、产品的可靠性和实用性则是本项目的关键所在。
沼气(甲烷CH4的俗称)矿井在我国煤矿生产矿井中所占比重很大，随着矿井开采强度和深度的增加，沼气涌出量也在不断增加，沼气积聚可能引起沼气事故，及时掌握煤矿井下沼气动态是一件十分重要的工作。
1.2 国内外发展概况及研究方向
仪器不断更新。其类型根据监测对象可分为可燃性气体监测仪，毒性气体监测仪和氧气监测仪等；从仪器结构和方法上分为袖珍式，便携式和固定式。袖珍式仪器的采样方法为扩散式，用于在危险环境中的工作人员随身携带；便携式仪器采样方法为泵吸式，用于监测人员定期安检；固定式仪器用于煤矿井下固定地点气体监测。
世界各国均有煤矿瓦斯气体监测的系统，如波兰的DAN6400、法国的TF200、德国的MINOS和英国的Senturion-200等，其中全矿井综合监测控制系统有代表性的产品有美国公司生产的MSN系统，德国BEBRO公司的PROMOS系统。但是这两种系统只是基于井下监测，并无数据上传，不能实现智能化监控。
国外的监控系统技术虽然高于国内发展水平，但应用于国内煤矿尚有一定的局限性，如煤矿管理模式生产方式的不同，价格过高等。因此，除在传感器技术方面可供借鉴外，其它仅具一定的参考价值。
我国监测监控技术应用较晚，8年代初，从波兰、法国、德国、英国和美国等引进了一批安全监测系统，装备了部分煤矿在引进的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况，先后由重庆煤科院、辽宁抚顺煤科院等国内知名煤矿科学研究所研制出KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92、KJ95、KJ101等煤矿有害气体监测系统，在我国煤矿己有大量使用，但其中很大一部分仪表的传输数据是模拟方式，将气体浓度转化为脉冲量，易受矿井下强电磁设备干扰，造成监测结果不准确，易出现误报警等现象。

2.1 煤矿瓦斯监测与报警系统设计方案
2.1.1 方案的选择
方案一，甲烷进入传感器后，输出电参量，该电参量的大小随着甲烷浓度成正比例的变化。输出的电参量，一路直接送给电表指示出相应的甲烷浓度，另一路由传感器送到放大开关线路的输入端。当送给放大开关线路的电参量超过其动作阀值时，则放大开关线路动作驱动三极管导通报警电路。该方案有一定的灵活性和可执性，但是电路比较复杂，智能性差。
方案二，通过单片机作为主控单元，并且能够通过传感器把模拟信号通过A/D信号转换为数字信号，能在短时间内连续检测出甲烷浓度的变化，针对不同的应用场合做出不同的浓度设定。
综合考虑，由于使用单片机设计灵活性更强，使用更方便，所以本设计使用方案二
2.1.2 系统的简介
这是一款基于基于单片机的井下瓦斯浓度智能传感器，该系统以单片机AT87C552为核心，包含甲烷浓度采样器、把220V的交流电转换成5V的直流电源、红外遥控系统、存储器的扩展、LCD显示器和报警装置等组成。该传感器可以有效的监测井下低浓及高浓瓦斯，试用范围非常广泛。监测到的信息传输到单片机，经单片机处理后发出指令，如果瓦斯超过规定值，该系统可以立即发出声光报警并自动发出执行指令以降低瓦斯浓度。
该系统可有效的降低瓦斯事故发生率，，结构灵活，扩展性强，具有较高的性价比，AT87C552的应用实现了电子硬件设计的“软件化”，大大的提高了系统的可靠性和抗干扰能力，非常实用于各种大小煤矿井下瓦斯的监测监控，性能优良，经久耐用，可靠性高。
2.1.3 系统原理的介绍
系统的总体结构如图2-1所示
瓦斯传感器

AT87C552

晶振
复位电路
报警电路
显示电路
电源电路
放大电路

2.1.4 系统的工作原理
在催化元件电源端加上一正电压，使催化元件开始工作，输出与瓦斯浓度相对应的电压信号，送到A/D转换，A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号送入CPU, CPU对采样值进行数值计算，处理后，驱动显示器显示出被测气体中的瓦斯浓度值，若被测气体中瓦斯浓度超过报警电路预定的数值时，报警电路即发出声、光报警信号。
2.2.1瓦斯浓度检测仪的分类
(1)光干涉式
光干涉式是利用光波对空气和瓦斯折射率不同所产生的光程差，引起干涉条纹移动来实现对不同瓦斯浓度的测定。其优点是准确度高，坚固耐用，校正容易，高低浓度均可测量，还可测量二氧化碳浓度；其缺点是浓度指示不直观，受气压温度影响严重；光学零件加工复杂，成本较高和实现自动检测较困难。
(2)热催化式
热催化式是利用瓦斯在催化元件上的氧化生热引起其电阻的变化来测定瓦斯浓度。其优点是元件和仪器的生产成本低，输出信号大，对于1%气样，电桥输出可达15mV以上，处理和显示都比较方便，所以仪器的结构简单，受背景气体和温度变化的影响小，容易实现自动检测。其缺点是探测元件的寿命较短，不能测高浓度瓦斯，硫化氢及硅蒸气会引起元件中毒而失效。目前国内外检测瓦斯的仪器广泛采用这一原理。
(3)热导式
热导式是利用瓦斯与空气热导率之差来实现瓦斯浓度的测定。其优点是热导元件和仪器设计制作比较简单，成本低、量程大，可连续检测，有利于实现自动遥测，被测气体不发生物理化学变化，读数稳定，元件寿命长。其缺点是测量低浓度瓦斯时输出信号小，受气温及背景气体的影响较大。
(4)红外线式
红外线式是利用瓦斯分子能吸收特定波长的红外线来测定瓦斯浓度。其优点是采用这一原理的仪器精度高，选择性好，不受其它气体影响，测量范围宽，可连续检测；其缺点是由于有光电转换精密结构，使制造和保养产生困难，而且体积大，成本高，耗电多，因此推广使用受到一定限制。
(5)气敏半导体式
气敏半导体的种类较多，如氧化锡、氧化锌等烧结型金属氧化物。这一原理是利用气敏半导体被加热到200℃时，其表面能够吸附瓦斯而改变其电阻值来检测瓦斯浓度。其优点是对微量瓦斯比较敏感，结构简单、成本低。但当浓度大于1%CH4时，其反应迟钝，选择性和线性均较差，所以很少用于煤矿井下瓦斯浓度的检测，而多用于可燃气体的检漏报警。
(6)声速差式
在温度为22℃、气压为101325Pa条件下，声波在瓦斯中的传播速度为432m/s，而在清洁空气中为3m/s。比较这两种速度就可测定高浓度瓦斯。其优点是读数不受气压影响，对背景气体、粉尘及气温变化很敏感，其缺点是不适合测量低浓度瓦斯，一般只用来检测矿井抽放瓦斯管道中的瓦斯浓度。根据设计要求及各类检测仪的优缺点，本课题设计采用热催化式工作原理。
2.2.2瓦斯监测装置传感元件概述
传感元件是被测物理量的敏感原件，是各类传感器的检出元件。
煤矿监测瓦斯浓度变化的传感元件主要有以下几种类型：
1）纯铂丝传感元件
纯铂丝传感元件具有对沼气浓度变化反应灵敏的优点外，还具有耐氧化、抗毒性能好的优点。但是，铂丝元件在还原性介质中连续工作时，尤其在高温条件下工作，很容易被还原出来的气体所污染，使铂丝变细和变脆，从而，影响元件电阻与温度的对应关系，引起仪器出现零点漂移和精度降低，同时，也会大大降低元件使用寿命。因此缺陷影响了该元件的推广。
2）载体催化燃烧式传感元件
载体催化燃烧式传感元件，属于气敏热效应型传感器。其特点是体积小，结构简单，功耗低，性能较稳定及使用寿命长，目前已成为国内外检测瓦斯的主要传感元件，特别是我国和英、日、美诸国应用尤为广泛。
3）热导式传感元件
此类传感元件不适于低浓度瓦斯的检测。
4）声波传感元件
声波及超声波传感器，广泛应用于水下探测，地震检测等方面。煤矿也可利用声波传感器进行瓦斯及其它参数的检测。但其敏感性不强，分辨率较差，只适用于高浓度瓦斯变化的检测。
5）气敏半导体传感元件
气敏半导体传感元件由某些金属氧化物制成。它可以定量或定性的检测各种还原性气体，可燃性气体。气敏半导体传感器制造简单，使用方便，但需要两组电源，耗电量大，且对被吸附气体的选择性较差。
6）红外激光谱吸收原理传感元件
红外激光测试瓦斯含量选择性能好，灵敏度高，其存在的技术问题是激光器电源电压高，设备结构和制造工艺比较复杂。
我国目前的瓦斯检测装置几乎全部采用热催化原理检测瓦斯。热催化原理有一定的局限性，但是却具有价格低廉的特点，易于煤矿量大面广的使用，使用载体催化元件检测占据了矿井瓦斯和多种易燃易爆气体检测领域的首位。其工作原理是利用可燃气体在催化剂的作用下进行无烟燃烧，产生热量，使元件电阻温度升高而发生变化，测知瓦斯的浓度。这种传感器的优点是精度较高，输出信号较大（1% CH4时，输出电压可达20～25mv），且不受其它可燃气和灰尘存在的影响。
由于在实际煤矿井下工作中，应用比较普遍的是载体催化燃烧式检测仪器。所以在设计中我们对其工作原理进行介绍，也选用此种工作原理的传感器。
2.2.3瓦斯传感器检测范围的选择
不同的瓦斯传感元件有不同的瓦斯浓度检测范围，在选择元件时要结合实际煤矿生产过程相关规程对瓦斯浓度的要求。
《煤矿安全规程》对井下各点瓦斯浓度的规定如下：
1）矿井总回风巷或一翼回风巷风流中瓦斯浓度超过0.75％，矿总工程师必须立即查明原因，进行处理，并报告矿务局总工程师。
2）采区回风巷、采掘工作面回风巷风流中瓦斯浓度超过1%时，必须停止工作，撤出人员，并由矿总工程师负责采取措施，进行处理。
3）综合机械化、水采和煤层厚度小于0.8米的保护层的采煤工作面，经抽放瓦斯和增加风量已达到最高允许风速后，其回风巷风流中瓦斯浓度仍不能降低到 1%以下时，经矿务局局长批准，瓦斯浓度最高不得超过1.5％，并应符合下列要求：①工作面的风流控制必须可靠；②通风巷必须保持设计断面；③必须制定安全措施，配有专职瓦斯检查员并安设瓦斯自动检测报警断电装置。
4）采掘工作面风流中瓦斯浓度达到1%时，必须停止用电钻打眼；放炮地点附近20米以内风流中的瓦斯浓度达到1%时，严禁放炮。采掘工作面风流中瓦斯浓度达到1.5％时，必须停止工作，撤出人员，切断电源，进行处理；电动机或其开关地点附近20米以内风流中瓦斯浓度达到1.5％时，必须停止运转，撤出人员，切断电源，进行处理。
5）采掘工作面内，体积大于0.5立方米的空间，局部积聚瓦斯浓度达到2%时，附近20米内，必须停止工作，撤出人员，切断电源，进行处理。
6）综合机械化采掘工作面，应在采煤机和掘进机上安设机载式断电仪，当其附近瓦斯浓度达到1%时报警，达到1.5％时必须停止工作，切断采煤机和掘进机的电源。
结合以上规程与现有瓦斯传感器检测范围，我们可以设计检测范0%～4%的煤矿瓦斯监测预报装置，是完全满足煤矿安全规程的要求的。
要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种传感器，而这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：1)量程的大小；2)被测位置对传感器体积的要求；3)测量方式为接触式还是非接触式；4)信号的引出方法，有线或是非接触测量；5)传感器的来源，国产还是进口，还是自行研制，价格能否承受。
热催化原理又称催化燃烧原理。利用该原理的甲烷测定器是当前国内测量低浓度甲烷的检测仪器中采用最广泛的一种，而且还在不断的提高和发展。其基本原理是根据甲烷在一定的温度条件下氧化燃烧，且在一定的浓度范围内，不同浓度的甲烷在燃烧过程中要释放出热量不同的特性，来达到测定甲烷浓度的目的在考虑上述问题之后我们选择MQ-5传感器

图2.3

图2.4

MQ-5气敏元结构形如图2.3所示(结构A或B),由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极加热器构成敏感元固定塑料或不锈钢制成腔体，加热器气敏元提供必工作条。封装好气敏元有6只针状管脚，其4个于信号出，2个于提供加热电流设计MQ-5接线如图2.4所示，实际测量，以按照其等效电路计算相应校数值，其Ro表示测量气体腔体等效电阻，RL接载电阻，调整输出模拟量电压范围，具体数值应根据A/D转换器输入范围确定输入范围0～5V， RL调整至该范围，保证测量量程足够。
表2.5 甲烷浓度测试计算

浓度（ppm）
计算值
100
500
800
1000
2000
3000
5000
10000
Rs/R0
0.9
0.7
0.55
0.5
0.4
0.35
0.28
0.2
Rs(k)
4.68
3.636
2.8584
2.5956
2.0772
1.818
1.4544
1.04044

2.583
2.895
3.181
3.291
3.532
3.668
4.583
4.96
显示读数=

132
148
162
168
180
187
234
253

其：RL＝5KΩ；Ro=5.2KΩ； RL—载电阻；Ro—敏感体电阻；Rs 表示传感器在不同浓度气体中的电阻值 Ro 表示传感器在1000ppm 氢气中的电阻值图中所有测试都是在标准试验条件下完成的。

图2.6 MQ-5特性曲线
MQ-5 可燃气体检测用特点：
应用在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度。家庭用气体泄漏报警器对丁烷、丙烷、甲烷的灵敏度较高 工业用可燃气体报警器长寿命、低成本 便携式气体检测器简单的驱动电路即可 MQ-5气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处的环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。 MQ-5传感器对丁烷、丙烷、甲烷的灵敏度高，对甲烷和丙烷可较好的兼顾。这种传感器可检测多种可燃气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。图2.6是传感器典型的灵敏度特性曲线。图中纵坐标为传感器的电阻比（Rs/Ro），横坐标为气体浓度。 Rs 表示传感器在不同浓度气体中的电阻值 Ro 表示传感器在1000ppm氢气中的电阻值图中所有测试都是在标准试验条件下完成的。
传感器的基本测试电路：该传感器需要施加2 个电压，加热器电压（VH）和测试电压（VC）。其中VH用于为传感器提供特定的工作温度。VC 则是用于测定与传感器串联的负载电阻（RL）上的电压（VRL）。这种传感器具有轻微的极性，VC 需用直流电源。在满足传感器电性能要求的前提下，VC 和VH 可以共用同一个电源电路。为更好利用传感器的性能，所以需要选择恰当的RL值。 规格： A. 标准工作条件符号 参数名称 技术条件 备注 Vc 回路电压 ≤24V DC VH 加热电压 5.0V±0.2V AC or DC RL负载电阻可调RH加热电阻 31Ω±3Ω室温PH加热功耗 ≤900mW B.环境条件符号 参数名称 技术条件 备注 Tao 使用温度 -10℃－＋50℃ Tas 储存温度 -20℃－＋70℃ RＨ 相对湿度小95％ RＨ O2 氧气浓度 21％(标准条件) 氧气浓度会影响灵敏度特性 最小值大于２％ C.灵敏度特性 符号 参数名称 技术参数 备注 R敏感体表面电阻 2KΩ-20KΩ (2000ppm C3H8 ) 适用范围： 300-10000ppm 甲烷，丙烷，丁烷，氢气 α (R1000ppm/ R500ppm H2) 浓度斜率 ≤0.6 标准工作条件 温度20℃±2℃ Vc:5.0V±0.1V 相对湿度： 65％±5％ VH: 5.0V±0.1V 预热时间 不少于48小时 敏感体功耗（Ps）值可用下式计算： 传感器电阻（Rs），可用下式计算： Ps=Vc2×Rs/(Rs+RL)2 Rs=(Vc/VRL-1)×RL D.
灵敏度调整：
MQ-5型气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。因此，在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。

第二章 系统功能介绍
1单片机AT89S51
经综合分析选用单片机AT89S51适合。AT89S51是一种低功耗高性能的8位单片机，片内带有一个4KB的Flash在线可编擦除只读存储器，它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统和51系列单片机兼容。片内的存储器允许在线重新编程或用常规的非易失性存储器编程器来编程。同时已具有三级程序存储器保密的性能。在众多的51系列单片机中，要算ATMEL公司的AT89S51更实用，因为它不仅和MCU-51系列单片机指令、管脚完全兼容，而且它将通用CPU和在线可编程Flash集成在一个芯片上。这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。
1.1 AT89S51的引脚说明
AT89S51是一个低功耗高性能单片机，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，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89S51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

图2-1 AT89S51引脚图
VCC(40脚)：供电电压。
    GND(20脚)：接地。
   P0口(32脚～39脚)：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写“1”时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
  P1口(1脚～8脚)：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入“1”后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
  P2口(21脚～28脚)：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
   P3口(10脚～17脚)：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89S51的一些特殊功能口，P3口管脚备选功能如下表所示：
表2-1 P3口第二功能
引 脚
第 2 功 能
P3.0
RXD（串行口输入端）
P3.1
TXD（串行口输出端）
P3.2
/INT0（外部中断0请求输入端，低电平有效）
P3.3
/INT1（外部中断1请求输入端，低电平有效）
P3.4
T0（定时器/计数器0计数脉冲输入端）
P3.5
T1（定时器/计数器1计数脉冲输入端）
P3.6
/WR（外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）
P3.7
/RD（外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
  RST（9脚）：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG（30脚）：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
  /PSEN（29脚）：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
   /EA/VPP（31脚）：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H- FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
  XTAL1（19脚）：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
  XTAL2（18脚）：来自反向振荡器的输出。
1.2单片机的I/O口扩展器件
由于单片机本身只有4个8位并行输入输出I/O接口，1个串行I/O接口，非常有限，所以当I/O口不能满足设计需求时则需要我们进行I/O口的扩展。其扩展方法为根据需要在串行口上外接1个或多个移位寄存器。
由电路原理图我们可以看到此次我们单片机89S51的I/O口分配如下：
P0口：A/D转换器ICL7109转换后的数据的输入接口
P1口：其中P1.0接+5V的直流蜂鸣器当P1.0=0时蜂鸣器蜂鸣
P1.1接发光二极管LED,当P1.1=1时发光二极管发光，其和蜂鸣器结合就是我们所要实现的声光报警。
P1.2接排风扇的继电器部分
P1.3～P1.6作为数码管显示部分的位选
P1.7作为7109的片选
P2口我们仅用了P2.6和P2.7作为7109的数据选通端
P3：P3.0（RXD）和P3.1（TXD）用于I/O口的扩展
所以很显然我们要对单片机进行扩展I/O口，下图所示为用串行口扩展I/O口的电路：
RXD

TXD

单片机
DSA
DSB 74LS164
CP
Q0 Q7

图2-2 I/O口扩展电路
其中芯片74LS164为带清零端的串行输入/并行输出移位寄存器（8位），其管脚图和功能表如下

图2-3 74LS164的管脚图
表2-2 74LS164功能表
输 入
输 出

CLK
A
B

—
L
Ⅹ
Ⅹ
Ⅹ
L
L
L
H
L
Ⅹ
Ⅹ
QA0
QB0
QH0
H
↑
H
H
H
QAn
QGn
H
↑
L
Ⅹ
L
QAn
QGn
H
↑
Ⅹ
L
L
QAn
QGn
H=高电平 L=低电平 Ⅹ=任意 ↑=电平上升
在使用时将A,B并接作为数据的串行输人端,CLK作为时钟端。串行输入时，先将数据在A,B端准备好，在CLK端产一上升沿，则一位数据移至最低位QA;再将下一位数据准备好后，在CLK端产生下一上升沿，则下一位数据移至次低位QB,其余位顺次从低位到高位移动，这种时序符合串行器件特性，即把164当成一典型串行外设，可以用普通I/O口模拟其时序将数据移入。
1.3浓度测试部分电路
MQ-5
瓦斯浓度测试部分电路是由气体传感器MQ-5组成的，其作用为将瓦斯气体的体积分数转化成对应的模拟电压信号并输出出来。
1.3.1 MQ-5的结构外形
MQ-5气敏元件的结构和外形如图3-1所示，由微型AL2O3陶瓷管、SnO2 敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。

结构 外形
图3-1 MQ-5的结构和外形
其中

部件
材料
1
气体敏感层
二氧化锡
2
电极
金（Au）
3
测量电极引线
铂（Pt）
4
加热器
镍铬合金（Ni—Cr）
5
陶瓷管
三氧化二铝
6
防爆网
100目双层不锈钢(SUB316)
7
卡环
镀镍铜材（Ni—Cu）
8
基座
胶木
9
针状管脚
镀镍铜材（Ni—Cu）
1.3.2 MQ-5标准工作条件
MQ-5的标准工作条件见表3-1：

表3-1 MQ-4的标准工作条件
符号
参数名称
技术条件
备注
Vc
回路电压
≤15V
Ac or Dc
VH
加热电压
5.0V±0.2V
Ac or Dc
RL
负载电阻
可调

RH
加热电阻
31Ω±3Ω
室温
PH
加热功耗
≤900mw

3.3 MQ-5的环境条件
MQ-5的环境条件见表3-2：
表3-2 MQ-5的环境条件
符号
参数名称
技术条件
备注
Tao
使用温度
-10℃-50℃

Tas
储存温度
-20℃-70℃
RH
相对湿度
小于 95%RH
O2
氧气浓度
21%(标准条件)
氧气浓度会影响灵敏度
最小值大于2%
3.4 MQ-5的测试电路及灵敏度调节
（1）测试电路
我们设计的MQ-5测试电路如图3-2所示，其中可调节电阻R3是用来调整传感器的灵敏度的。

图3-2 测试电路
（2）灵敏度调节
在对MQ-5的灵敏度进行调节之前首先要就要了解其灵敏度特性。具体的灵敏度特性见表3-3及图3-3
表3-3 MQ-5的灵敏度特性
符号
参数名称
技术参数
备注
Rs
敏感体表面电阻
10—60
（5000ppmCH4）
适用范围：
300—10000ppm
甲烷，天然气
а
(1000ppm/5000ppmCH4)
浓度斜率
≤0.6
标准工作条件
温度：20℃±2℃ Vc:5.0V±0.1V
相对湿度：65%±5% Vh:5.0V±0.1V
预热时间
不少于24小时

图3-3 MQ-5型气敏元件的灵敏度特性
其中：温度为20℃、相对湿度为65%、氧气浓度为21% RL=20kΩ Rs是指元件在不同气体，不同浓度下的电阻值。R0是指元件在洁净空气中的电阻值。
由上可得MQ-5型气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。 因此，在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。在这里我们用5000ppm甲烷校准传感器进行校准。其校准过程如下：
在测试条件下对传感器进行校准时，我们进行硬件部分电路的调试。在调节确定MQ-5的可调负载电阻值时，以空气中甲烷浓度值为5000ppm时作为校准，此时观察显示部分电路，又因为要求显示的瓦斯浓度精度要求优于5%，即准确显示的范围为5000ppm（15%）也就是4750ppm～5250ppm的范围内，若不在该范围内则说明甲烷传感器的灵敏度不够高，需要进行调节。而灵敏度的调节是依靠调节负载电阻RL来实现的。我们调节RL使显示的瓦斯浓度值尽可能与实际相符合。这样确定下来的RL的阻值，换言之传感器的灵敏度也就确定下来了，此时我们已经完成了甲烷传感器的校准。校准后的传感器就可以用来监测实际中各个不同的瓦斯浓度了。
第三章 A/D转换电路
ICL7109
3.1 ICL7109芯片简介

图4-1 ICL7109的管脚图
由ICL7109的引脚图可见其采用40脚封装，其中各个引脚的功能意义如下：
1脚：GND，逻辑地。
2脚：STATUS，工作状态输出端。该信号为“1”时表示正在转换，为“0”时表示转换完毕。
3脚：POL，极性输出端。为“1”时表示正信号输入，为“0”时表示负信号输入。
4脚：OR，超量程输出端。为“1”时表示溢出，为“0”时表示正常。
5～16脚：12位二进制数据输出端。
17脚：TEST，自身功能检测端。
18脚：，低8位数据输出选通端，低电平有效。
19脚：（为低），高4位及极性位、溢出位选通端，低电平有效。
20脚：/，片选端，低电平有效，并同时配合21脚MODE信号工作。
2l脚：MODE，工作方式选择端。低电平时转换器为直接输出方式，此时可在片选和字节使能的控制下直接读取数据；高电平脉冲时转换器处于UART方式，并在输出两个字节的数据后返回到直接输出方式。当输入高电平时，转换器将在信号交换方式的每一转换周期的结尾输出数据。
22、23脚：OSCIN、OSCOUT，时钟输入、输出端。
24脚：OSCSET，时钟振荡器方式选择端，高电平时采用RC振荡器工作方式，低电平时采用品体振荡器工作方式。
25脚：BUFOUT，时钟缓冲器输出端。
26脚：，转换控制端。高电平时，每经8192个时钟完成一次转换；低电平时，转换器将立即结束消除积分阶段并跳至自动调零阶段，从而缩短了消除积分阶段，提高了转换速度。
27脚：SEND，与外设进行数据交换控制端。
28、40脚：V-、V+，电源负与电源正端。
29脚：REFOUT，基准电压输出端，一般为+2.8V，经电阻分压输出。
30脚：BUF，缓冲放大器输出端，接积分电阻。
31脚：AZ，自零电容端，接自零电容。
32脚：INT，积分器输出端，接积分电容。
33脚：COM，模拟公共端。
34、35脚：INLO、INHI，差分输入低端与高端。
36、39脚：REF IN+、REF IN-，基准电压输入正端与负端
37、38脚：REFCAP+、REFCAP-，基准电容输入端。

3.2 A/D转换部分电路
A/D转换部分电路是由A/D转换器ICL7109构成的，其主要作用是将气体传感器MQ-4所得到的模拟电压信号转换成数字量（该模拟电压信号与瓦斯气体的体积分数相对应），便于输入到单片机中进行数据处理。

图4-2 A/D转换电路
前面我们已经分析过气体传感器MQ-4完全符合此次设计的要求，所以在这里MQ-4的作用就是将气体瓦斯的浓度转换成与之相对应的模拟电压信号。我们需要将该模拟信号转换成数字量，只有这样才能经过单片机进行处理。在这里我们经过A/D转换器ICL7109将其进行转换。ICL7109为12位的模数转换器，数据可分为低8位和高4位分时传送给单片机