平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书 (1)经调研一般情况下监测分站最多接2路输入开关量（风门开停或设备开停传感器）因此在16路输入通道中将第15、16路作为开关量输入通道； (2)输入开关量信号的形式主要有无源接点型或电流制式两种形式；
3.3监测分站接口电路设计方案
3.3.1输入接口电路设计方案
由于分站所配接的传感器种类有很多（瓦斯、风速、一氧化碳、风门开停、设备开庭等传感器），其输出信号也常有电流型和频率型等，为了能与不同的传感器兼容在设计监测分站的接口电路时制定了如下设计方案：
模拟量/开关量输入部分，测量的信号为200Hz～1000Hz 频率信号、1～5mA电流型（须先进行I/F转换）和触点型开关量信号。功能电路主要包括：信号隔离整形电路、输入信号选择电路、周期转换电路三部分。
该部分电路的工作原理是：通过信号隔离整形电路，将多余信号隔离，并且整形为标准的数字信号，经过信号选择电路，确定要测量的输入信号。同时，在测量频率量信号时，把输入频率的一个周期，转换为等宽的高电平信号，输入单片机，由单片机测量出该高电平的宽度，即该频率的一个周期时间，这样就可以计算出输入频率。
图3.2 监测分站频率型信号输入电路
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图3.3 监测分站三态开关型信号输入电路
3.3.2输出接口电路设计方案
输出控制电路的作用是将单片机输出的断电控制信号进行功率放大后，控制继电器的常开或常闭触点通过控制断电器实现切断非本质安全设备电源功能的。在输出通道中，大量使用开关量驱动、控制器件。常常是用CPU通过扩展I/O口的输出接口，经过光电耦合器隔离，然后再经功率开关接口电路去控制被控设备。
(1)功率驱动集成电路。
单片机的I/O口或扩展I/O口的驱动能力有限，标准的TTL电路的驱动能力约为16mA，不足以驱动诸如继电器、电磁开关等负载，因此需要一些较大功率开关接口电路。功率驱动集成电路种类很多、常用的芯片如下：BIC87系列是集电极开路高压输出且带选通端的8位驱动器，通过选通端G，可方便地对输出信号进行控制；SN754／554系列是输入为TTL、DTL电平的逻辑门，输出级为集电极开路的功率晶体管，能驱动几百毫安、几十伏的执行机构；MCl416、XR-2001～2004、2011～2014集成驱动电路是集电极开路输出，为驱动感性负载，内部设有保护端并联一个二极管。MCl416驱动能力为500mA~XR-2000系列驱动能力为600mA：XR-2010系列驱动能力为750mA。
上述集成驱动电路均为集电极开路高电压大电流输出，可直接驱动继电器、晶闸管、LED显示器等，还可以作为电平转换器用。
(2)大功率驱动电路。
为了获得大功率输出，可采用功率晶体管驱动，前级驱动可由TTL集电极开路门提供。在采用这种电路时，应注意功率晶体管的驱动电流必须足够大，否则不但限制负载电流，而且可能因增加管耗而损坏功率晶体管。为了解决功率晶体管需要大驱动电流的问题，最好方法是用达林顿晶体管。它的特点是具有高输入阻抗和极高的增益。具有
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平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书 4个达林顿开关的ULN2086驱动电路，可用一般I/O进行驱动，达林顿管输出电流可达1.5A。
晶闸管(SCR)可作为开关使用，一般输出负载电流和输入驱动电流之比大于1000，是较理想的大功率开关器件。
固态继电器通常是一个两个输入和两个输出端的四端组件，是无触点通断功率电子开关。当施加触发信号后其主电路呈现导通状态，无触发信号时呈现阻断状态。它至少由3个部分组成，即输入回路、输出回路和将输入、输出进行隔离的部分。随着半导体技术的发展，固态继电器性能不断提高，价格不断下降，可提供选择的类型越来越多。固态继电器也有军用品、工业和民用品之分；按输出功能有直流型、交流过零型和非过零型；按隔离方式有光隔离和变压器隔离两种；按封装形式分为塑封和金属封装。由于它具有工作可靠、寿命长、干扰小、抗干扰能力强、开关速度快、能与逻辑电路兼容和使用方便等特点，因此在单片机开关量输出通道中的应用越来越广泛。
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第四章 瓦斯监测系统硬件电路设计
本章主要是根据前面两章拟定的总体设计方案，详细地介绍瓦斯传感器、监测分站硬件电路及接口电路的设计。首先选择合理的微处理器和显示模块，然后就每一部分的电路设计及工作原理作详细的分析。
4.1 微处理器和显示模块的选型
随着科学技术和现代制造技术的发展，使得集成电路的设计和制造都取得了很大的进步。目前，电子电路的设计越来越向微型化和集成化方向发展，而且电子产品的种类繁多。选择合适的器件是硬件系统设计的一个关键步骤，这样不仅能很好的实现设计要求，简化设计的难度，而且还能大大的节约成本，不至于浪费资源。单片机及显示模块在整个电路中有着至关重要的作用因而他们在选择时必须认真比较。
4.1.1 单片机的选型
目前国内占主流市场的单片机芯片主要是Inter公司、ATMEL公司和凌阳公司等的产品。通过对ATMEL公司单片机的参数进行分析，本设计选择AT89C52单片机作为控制处理器。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 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单片机提供许多较复杂系统控制应用场合。
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，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。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。 最后从电路板设计布局方面考虑选定AT89C52 QFP封装形式。 4.1.2 显示模块选型
考虑到瓦斯传感器只用显示瓦斯浓度而且其工作环境光线昏暗，故采用四位LED数码管显示其监测瓦斯浓度，监测分站显示部分采用12864液晶显示模块，自带负压发生电路，单+5V供电，带背光，可与各种微处理器直接接口，数据读写操作不受外部时
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平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书 钟控制，不带汉字库，占空比为1/64，外部共有20条引脚来进行外部接口。
LCD12864模块主要硬件构成如图4-1，IC3为行驱动器 IC1 、IC2为列驱动器 IC1、 IC2 、IC3含有以下主要功能器件：指令寄存器(IR)、数据寄存器(DR)、忙标志(BF)、显示控制触发器(DFF)、XY地址计数器、显示数据DDRAM、Z地址计数器。
DB0~DB7RET83D/I,R/W,ECS2CS1IC155464IC264IC3LCD PANEL128*64 DOTS图4-1 12864模块主要硬件构成
4.2 瓦斯监测系统硬件电路的设计
该系统硬件部分主要有瓦斯传感器及输出接口电路、监测分站及输入、输出接口电路四大部分。
其中瓦斯传感器、输出接口电路主要由：瓦斯气体浓度转换电路、AT89C52最小系统、V/F转换电路、LED显示组成。
监测分站和输入接口电路主要由：模拟信号输入电路、串行通信接口、LCD显示、时钟电路、分站断电控制输出电路、单片机复位电路。
4.2.1瓦斯气体浓度转换电路的设计
目前国内外瓦斯气体浓度检测最有效的方法是催化燃烧方法，即把催化剂氧化钯（黑色）涂在测量元件表面，再配以物理性能相同的参比元件（白色）组成测量电桥（即黑白元件）。两只元件用铂丝加热到摄氏450度，当空气中含有甲烷气体时，测量元件在催化剂的作用下，甲烷气体在元件表面发生催化反应，使温度上升，通过测量两只元件的阻值变化就能判断出瓦斯的含量。 1黑白元件的特点
MJC4T系列煤矿瓦斯检测用载体催化元件是目前最新研制的具有自主知识产权的
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