第一章概述
1项目提出的必要性和国内外研究水平与动向
从我国煤炭生产的现状及我国能源结构战略规划均可看出，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、甲烷监测监控水平，已经成为中小型煤矿甲烷监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: 2造价高，系统最基本的配置过于庞大，运行费用大
2传感器测量稳定性差，调校频繁，寿命短
2系统安装、维护复杂，操作不便，人机界面较差
2系统设备可靠性差
2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，其它仅具一定的参考价值。
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。甲烷浓度检测仪器就是用来
监视矿井沼气动态的有效工具。鉴于沼气在矿井中存在的普遍性及其可能造成灾害的严重性，甲烷浓度检测仪器在煤矿是数量最多，使用最普遍的安全检测仪器，而且也是煤炭系统研制种类最多的仪器，需要说明的是，由于我国煤矿习惯把甲烷叫做瓦斯，因此检测甲烷浓度的仪器，有的叫瓦斯检定器，有的又叫沼气检定器。在这里，甲烷，沼气和瓦斯是同义词。
2煤矿安全仪器概况
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。所有这些都需要有相应的检测仪器和救
护装备。
最初，人们为了防止井下空气中混有一氧化碳造成中毒事故，曾使
用过金丝雀一类的小动物来进行检测。1815年英国人在煤矿井下开始使用安全火焰灯检测瓦斯。1897年瑞典制成第一台容积压力式瓦斯浓度测量仪。随着矿井开采深度的增大，机械化和综合机械采煤的普遍推广，通风安全方面问题日益突出。与此同时，随着仪表工业及电子技术的发展，矿井通风安全仪器也得到了不断的发展。1927年日本制造成光干涉原理甲烷检定器，以后又陆续出现热导、热催化原理、气敏半导体等各种不同原理的甲烷检定器，其测量精度不断提高，检测方式从“间断”、“就地”检测发展到“连续”、“集中自动”遥测。特别是随着电子计算机技术的应用，一套监测系统，除能检测高低浓度甲烷外，还可测一氧化碳、氧、氢的浓度，气温，风速等等。同时还能对井下设备的工作状态进行监控。如英国DYNSLINK-MINOS系统的监测容量为986个模拟量，896个开关量，传输距离为13 1n。在地面中心站一般都配有用来进行数据采集和处理的计算机、打印机、显示器、控制台和模拟盘等。譬如当井下某测点的甲烷浓度超限时，能发出声、光报警信号，切断该测点附近的电源。作为间断方式检测的携带式仪器，也随着测试技术的飞速发展及多功能集成电路的出现，检测元件的性能不断提高而实现了单机分级报警，数码显示，自动校正，电源监视和故障指示等功能。而且操作简单，维修量小，体积小。例如美国MSA公司生产的携带式甲烷检测仪重量只有0. 28吨，外形尺寸为146*65*38 }
解放前我国煤炭工业技术十分落后，矿井通风安全仪器更是属于空白。解放后，党和政府对安全工作极为重视，煤矿安全状况及劳动条件得到了很大的改善，通风安全仪器从无到有地发展起来在仪器的研究、生产制造方面，多年来投入了
很大的力量，形成了以抚顺、重庆、西安、常州、上海等地为中心的安全仪器生产基地，除生产大量的通风安全仪器和救护设备外，从1980年起，先后从波兰、英国、美国和西德等地引进了多种形式的煤矿安全监测系统和生产监控系统，在引进消化的基础上，我国也研制了一批安全监测系统，如常州煤研所的KJl型，北京长城科学仪器厂的KJ4型，重庆煤矿安全仪器厂的TF-200型和AWJ-80型，西安仪表厂的MJC-100型，抚顺煤矿安全仪器厂的AU1型，总参6904厂的WDJ-1型和镇江煤矿专用设备厂的A-1型等安全监控系统来装备矿井。其中KJ4型的系统容量为1536个，传输距离为13 }n。所有这些成就，表明我国的安全监测仪器的研制和装备进入了新的水平。但是目前安全监测传感器的种类和质量与国际水平的差距还较大，这是需要解决的问题。
3.仪器的基本性能
一、测量仪器的概念
煤矿安全仪器是用来检查测量矿井安全状况的物质手段。什么是测量呢?测量是人们对自然界的客观事物取得数量观念的一种认识过程。在这一过程中，借助于专门的技术工具，通过实验方法，求出以所采用的测量单位表示的未知量的数值大小。测量的目的是为了在限定的时间内尽可能正确地收集被测对象未知信息，以便掌握被测对象的参数及控
制生产过程。例如，在采煤机上安装采灯机瓦斯断电控制仪。它不仅可以连续监测采煤机附近风流的甲烷浓度，而且在甲烷浓度超限时还可发出声、光报警信号，并自动切断采煤机的工作电源以防发生瓦斯事故，确保生产安全。
二、测量仪器的基本性能
评价测量仪器品质的指标是多方面的。仪器的基本性能，主要是衡量仪器测量能力的一些指标，如精确度、稳定性、测量范围、动态范围等。但工作可靠性、经济性也很重要，这些因素在很大程度上影响仪器的使用。
(一)精确度
与这个性能有关的指标有:
1.精密度精密度是指在测量中所测数值重复一致的程度。即对某一稳定的被测量在相同的规定工作条件下，由同一测量者用同一仪器在相当短的时间内按同一方法连续重复测量多次，其测量示值的不一致程度。不一致程度愈小，说明测量愈精密。例如某温度仪表精密度为0. 5K，意即用该仪表测量温度时其不一致程度不会大于0. 5K。但精密不一定准确。
2.准确度准确度是指仪器的示值有规律地偏离真值大小的程度。
3.精确度(简称精度)精度是测量的精密与准确程度的综合反映。精密度高是精度高的必要条件，但并非充分条件。要使仪器的精度高，还必须使其准确度高才
行。在工程测试中，为了简单表示仪器测量结果的可靠程度，引入一个仪器精度等级的概念，用A表示。A以一系列标准百分比数值进行分档。这个数值通常是仪器在规定条件下，其最大绝对允许误差值相对于仪器测量范围的百分数，即:
式中: —仪器在全刻度范围内的最大绝对允许误差;
—测量范围的上、下限值:
—仪器的精度等级。
科学研究用的仪器的精度等级值约为10-，一10-io;工业检测用的仪器的精度等级值约为。
(二)稳定性
稳定性是指仪器的性能在工作条件保持恒定的情况下，在规定的时间内保持不变的能力。它用精密度的数值和观测时间长短一起来表示。例如，某仪表24小时内示值变化幅度达1. 3mV，则该仪表的稳定度为 1 .3mV/d0
(三)影响系数
仪器由于室温、大气压、振动等外部状态变化及电源电压、工作条件变化对示值的影响统称为环境影响，为仪器在校准时都规定有一个标准工作条件，用影响系数表示。频率等这是因但在实际使用该仪器时又很难达到这个要求。影响系数是用示值变化值与影响量变化值之比来表示。例如某压力表的温度影响系数为2Pa/℃即温度每变化1 0C，就会引起压力表示值变化2Pa。
(四)仪器输入输出特性
说明仪器输入输出对应关系的主要性能有;
1.灵敏度灵敏度是指仪器在稳态下输出变化对输入变化的比值，用S表示，即S=dy/dx。它是仪器在稳态下输入输出关系的静特性曲线上各点的斜率。在线性特性的仪器中灵敏度S是常数。在非线性特性的仪器中灵敏S在整个量程内不是常数。
对特定的测量装置来说，其灵敏度的定义方法往往是不同的。例如，在接收机中，灵敏度定义为产生具有指定信噪比的输出信号所需的最小输入信号;而在频率计中，它与频率计的输出示值之间没有直接的关系。
2.分辩率如果输入量从某个任意非零值慢慢地变化，我们将会发现，在输入
变化值没有超过某一数值之前，仪器示值是不会变化的，这个使示值变化的最小输入变化值叫做仪器的分辩率，也应该对示值的变化从量上规定一个数值。一般模拟式仪表的分辩率规定为最小刻度分格值的一半，数字式仪表的分辩率是最后一位数的数值。
3.线性度线性度用来说明输出量与输入量的实际关系曲线偏离直线的程度。无论是模拟式的仪表，还是数字式的仪表，都希望它们的特性是线性关系。这样模拟式仪表的刻度就可以做成均匀的刻度，而数字式仪表就可以不必采用线性化环节。
4.滞环滞环是指仪器正向特性和反向特性不一致的程度。这种现象是由于仪器元件吸收能量所引起的。例如机械仪表中有内摩擦，电磁仪表中有磁滞损耗。
(五)量程
量程B是指测量上限值与下限值之差，即仪表刻度盘上的上限值减去下限值，其表达式为。通常仪表的，这时。
但在整个测量范围内仪表提供被测量信息的可靠程度并不相同，
一般在仪表的上、下限值附近的测量误差较大，故不宜在该区使用。这样，更确切的量程概念应定为:在工作量程内的相对误差应该不超过某个设定值。
量程用绝对值B来表示时，各类不同仪表之间便无法比较，所以常用量程比D 作为量程的指标，即
(六)可靠性
可靠性是指仪器对规定的条件在规定时间内完成所要求功能的能力。仪器的可靠性可用平均无故障工作时间MTBF来表征。它是仪器连续运行时发生一次故障的时间间隔的平均值。假设某仪器在90000小时的运行中发生了12次故障，则该仪器的MTBF为7500小时。
(七)经济性
任何工业产品都要讲究经济性。对生产者来讲，以重金制造高质量的产品是比较容易的。但是，如果生产出的仪器价格太高，使用者无力购买，出就谈不上发挥作用。对使用者来讲总是希望有最少的钱买到一台具有指定性能的仪器。所以，工程检测仪器的经济性也是其重要的指标之一。
在实际工作中，对给定的测量任务只需达到规定的精度就行了，决不是精度
愈高愈好，盲目地提高测量精度的做法，往往会带来相反的效果，浪费人力和财力，降低测量的可靠性。在工程检测中，应该根据测量的目的，全面考虑测量的可靠性、精度、经济性经及操作的简便性，而在科研工作中往往把测量精度放在首位。
甲烷浓度监测报警仪的发展已经历了三个阶段：模拟仪器、数字式仪器以及目前的智能仪器。基于单片机的甲烷浓度监测报警仪即为一种智能仪器，因为就仪器本身来讲，无论数据的采集还是处理都是由单片机来控制的。利用单片机的算术逻辑处理能力和用软件取代过去电子线路的硬件功能，而软件的灵活性又使得仪器可用各种算法和处理方法进行信息的采集、处理、存储和报警，不再需要专用的电子线路，从而使仪器的控制结构得以很大的简化。
4 单片机系统性能特点
单片微型计算机简称单片,它是把组成微型计算机的各部件:中央处理器、存储器、输入输出接口电路、定时器/计算器等，制作在一块集成电路芯片中，构成一个完整的微型计算机。1971年，Intel公司首次推出4004的4位单片微处理器。1974年12月仙童（Fairchild）公司推出8位单片机F8（需另加一块3851芯片），其后Mostek公司和仙童公司一起推出了F8兼容的3870单片机系列。Intel 公司1976年推出MCS-48系列单片机。GI(Gentra Instrument Crop)公司在1977年10月宣布了PIC1650单片机系列。1978年，Rockwell公司也推出了R6500/1系列（与6502兼容）。有些单片机有8位CPU，若干个并行I/O ，8位定时器/计算器，容量有限的PAM和ROM，以及简单中断处理功能。
Motorola公司和Zilog公司的单片机问世较迟，但是产品性能较高，单片机内有串行I/O，多级中断处理能力，内片的RAM和ROM容量较大；有些还带有A/D转换接口。Motorola公司在1978年下半年宣布了与6800微处理机兼容的6801单片机。Zilog公司在同年10月也推出了Z80单片机系列。Intel公司在原MCS-48基础上，于1980年推出了高性能的MCS-51系列（包括8031/8051/8751）。1982年，Mostek公司和Intel公司先后推出了16位单片机MK68200（与68000微处理器兼容）和MCS-96（8096、8098）系列。1987年Intel公司推出了性能是80962.5倍的新型单片机80296。
由于单片机超小型化，结构紧凑，可能性高，价格低廉，在国民经济中得到广泛应用。
①工业方面：电机控制、工业机器人、过程控制、数字控制。
②仪器仪表方面：智能仪器、医疗器械、色谱仪、示波器。
③民用方面：电子玩具、高级电视游戏机、录象机、激光盘驱动。
④电讯方面：调制解调器、智能线路运行控制。
⑤导航与控制方面：导弹控制、鱼雷执导控制、只能武器装置、航天导
航系统。
⑥数据处理方面：图形终端、彩色黑白复印机、温氏硬盘驱动器、磁带
机、打印机。
⑦汽车方面：点火控制、变速器控制、防滑刹车、排器控制。
单片机的发展趋势是：增加存储器的容量，片内EPROM开始EEPROM化，存储器编程保密化，片内I/O 多功能化及低功耗CMOS化。
目前单片机的现状为：
⑴4位单机片机
4位单片机的主要产品有：
NEC公司的μPD75xx；
TI公司的TMS1000系列；
松下公司的MN1400系列；
NS公司COP400；
Rockwell公司的PPS/1系列；
SAMSUNG公司的KS56和KS57系列；
富士同公司的MB88系列。
其中，μPD75xx与COP400在4位机中占有重要地位，年产量已达到数千万片。
4位单片机的特点是价格便宜，如COP400的价格仅为8位单片机8048和6805价格的一半，但是功能并不弱，只是4位CPU，片内的CPU片内的ROM 有2K，PAM为12834位。NEC公司的μPD75xx片内的ROM可达8K字节，RAM为51234位，I/O 引脚位58根，甚至还有6位A/D。近年俩，4位单片机的产量仍在增长，但所占比例逐年下降，单片机的主角让给了8位单片机。4位机与8位机进行竞争，只有进一步降低价格，并增强I/O的功能（特别是专用I/O 功能）。4位机主要用于家用电器和电子玩具等方面。
⑵8位单片机
8位单片机的产量占整个单片机的60﹪以上，并逐年增长。1985年的产量位1.7亿片1986年的产量位2.1亿片，1992年达7亿片。8位单片机的旧的机种正在被淘汰，新的机型不断涌现。自1985年以来，各种高性能、大容量、多功能的新型8位单片机不断推出。如Inte公司的8x552、μPI-452（8051的增强型）、Motorola公司的MC68HC11（6801增强型）、Zilog公司的Super8等，它们将代表单片机发展的方向，将在单片机领域中起越来越大的作用。
第二章监控仪工作原理
2.1甲烷浓度检测仪原理分析
甲烷浓度检测仪器按其工作原理不同，有下列几种:
1.光干涉式
光干涉式是利用光波对空气和甲烷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甲烷浓度的测定。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，特别是空气中氧气不足氮、氧的比例不正常时，要产生误差;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
热催化式是利用甲烷在催化元件上的氧化生热引起其电阻的变化来测定甲烷浓度。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，不能测高浓度甲烷，硫化氢及硅蒸气会引起元件中毒而失效。目前国内外检测甲烷的仪器广泛采用这一原理。
3.热导式
热导式是利用甲烷与空气热导率之差来实现甲烷浓度的测定。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甲烷时输出信号小，受气及背景气体的影响较大。
4.红外线式
红外线式是利用甲烷分子能吸收特定波长的红外线来测定甲烷浓度。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，其表面能够吸附甲烷而改变其电阻值来检测甲烷浓度。其优点是对微量甲烷比较敏感，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甲烷浓度的检测，而多用于可燃气体的检漏报警。
6.声速差式
在温度为220C、气压为101325Pa条件下，声波在甲烷中的传播速度为432m/s，而在清洁空气中为332m/s。比较这两种速度就可测定高浓度甲烷。其优点是读数不受气压影响;其缺点是不适合测量低浓度甲烷，一般只用来检测矿井抽放甲烷管道中的甲烷浓度，对背景气体、粉尘及气温变化很敏感。
7.离子化式气体在放射性元素的辐射作用下发生电离，在气体介质中的两个电
极度之间便有电流产生。测量空气介质和被测甲烷中的电流大小，便可
测出甲烷浓度。其优点是快速，可以连续自动检测，灵敏度高，测量准
确，可测二氧化碳浓度。其缺点是测量低浓度甲烷困难，空气湿度对仪
器读数有影响，传感器结构复杂。
根据设计要求，本项目采用热催化式工作原理。
2.2热催化元件的结构及工作原理
1.热催化元件的结构
载体催化燃烧式传感器一般被制成一个便于测量的探头，探头可以单独设置，也可以作为一个独立单元装配在仪器内使用。
探头内部的主要元件是黑元件(催化元件)和白元件(补偿元件)，两个元件分别配置在电桥电路中，作为一组桥臂，另一组桥臂是两个固定电阻，作为电桥的比率臂。与黑白元件相对应，为使电桥在无甲烷状态下处于平衡状态，桥路内装有调零电位器w。此外，传感器电源应是经过稳压的稳压源。
2.敏感元件工作原理
黑元件载体催化燃烧式元件，当甲烷气体在元件表面与氧气产生无焰燃烧时，电桥失去平衡，输出一个电压信号。白元件是补偿元件，基本结构和技术参数与黑元件相同，但表面不涂镀催化剂，所以，它不参加低温燃烧。但由于它处于与黑元件相同的工作环境中，所以，对非甲院浓度变化引起的催化元件阻值变化起补偿作用，以提高仪器零点稳定性和抗干扰能力。
使用时一般将黑白元件串联，作为电桥的一臂，用普通电阻构成电桥的另一臂，电桥的两端加上稳定的工作电压U。当含有甲烷的空气在高温和催化剂的作用下，发生无焰燃烧，而在白元件上则不致使甲烷燃烧，从而使黑元件的温度比白元件的温度高，黑元件中的铂丝既是加热元件，又是感应温度的热敏元件，根据铂丝的正温度系数的特性，温度升高时电阻增大，黑元件上的电压降即增大，电桥失去平衡，输出一个电压信号△U，该电压值的大小反映了甲烷浓度的高低，检测此电压便可测量出甲烷浓度。
3整机工作原理
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。甲烷浓度报警监控仪的工作原理是CPU通过V o口输出低电平经反相器加在催化元件电源端，使催化元件开始工作，输出与甲烷浓度相对应的电压信号，此电压经过放大电路放大后，分别送到A/D转换、报警电路，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甲烷浓度值，若被测气体中甲烷浓度超过报警电路预定的数值时，报警电路即发出声音报警信号。遥控发射装置再将报警信号传输给远方的接收装置，最远传输距离可达到10km。
第三章基于单片机甲烷浓度监测报警仪系统分析与设计的硬件
在硬件的设计前期，根据框图对电路中可能出现的电路进行了分析，并根据指导老师提出的要求对硬件设计进行了合理化的修改完善。在第二章中已分析了系统并绘制了框图，下面将根据框图分别设计各部分电路。
3.1输入电路的设计
甲烷浓度信号的采集电路，放大电路输入口连接甲烷浓度传感器的两个引脚。此传感器采用的是气敏元件是一种具有良好温度特性的电压输入/电流输出型气敏元件。可以在-55℃~150℃温度范围内正常工作。
3.1.1 气敏元件MQ-K7简单介绍
1. 热催化元件的特性
在选择敏感元件时，主要从以下几个方面来衡量:
(1)活性。元件活性是指元件对甲烷氧化燃烧的速率。元件活性高，通过电桥测量甲烷时，可以得到较高的电压输出。
(2)稳定性。元件的稳定性是指元件在新鲜空气与一定浓度的甲烷中，在规定的连续工作时间里的活性下降率。下降率其值越低越好，活性下降率越低，表明元件工作性能越稳定。
(3)工作点与工作区间。元件工作点是指元件的标准工作电压和电流值。实际使用中，为了便于组成电桥和选定电桥电流，通常是指一对元件(即一只黑元件和一只白元件)的标准工作电压或电流值。在工作点上，元件具有较大的输出，较好的稳定性和最小的零点飘移。目前国内元件的工作点有:直1.2V, 2.2V, 2.4V, 2.8V及320mA等几种。当元件的工作电压或工作电流变动时，在同一甲烷浓度下输出活性大小是不相同的。只有当工作电压或工作电流在某一范围内变动时，
输出活性才接近直线。这个电压或电流的变动范围称为元件的工作区间。区间越宽越好。目前元件的工作区间只能达到标准电压的士10% o
(4)输出特性。元件输出特性。是指在不同的甲烷浓度下，元件的活性与甲烷浓度的关系。在0-S%CH4范围内，电桥输出信号与甲烷浓度呈线性关系。当甲烷浓度在9.5%处时，曲线出现拐点，以后随着甲烷浓度的增大，电桥输出信号不断下降，出现了高浓度和低浓度输出信号相同现象。产生的原因是由于高浓度甲烷气体中缺氧使燃烧不完全所造成的。所以，这种原理的甲烷检测仪只能测量低浓度甲烷。
(5)元件的寿命。元件的寿命是指元件在使用过程中，其活性下降到某一规定值的时间。
(6)元件的“中毒现象”。矿井空气中的硫化氢、二氧化硫等气体会使元件产生中毒现象，使活性降低。其原因主要是由于这些毒性气体元件活性下降。此外，井下电气设备用的硅油、硅绝缘材料等挥发物，也会使元件中毒。这主要是由于硅分子量大，一旦吸附在元件表面，就会阻止甲烷进入而影响元件氧化速率，致使活性下降。
为防止元件中毒，可以加过滤器，例如用活性炭吸收管，1 cm厚活性炭的吸收管，可使工作在有毒环境中的元件寿命延长数百倍。
经过一段时间工作的元件，遇到较高浓度，工作数分钟后，元件的活性将升高，高浓度消失后，元件在几十小时内活性才会逐步下降到原值附近，以后又保持稳定的活性。这种现象称为元件被浓甲烷激活。元件的激活特性是一个缺点，因为被激活的元件在一段时间内会造成不稳，这是在使用中应该加以注意和调整的。
载体催化元件与纯铂丝元件相比，其抗毒性能较弱，在有毒气体的环境中，宜采用铂丝元件。
(7)反应速度。反应速度是工作元件的一个重要指标。特别是当元件应用到各种运动机械上时，就更为突出。
在井下空气中，当甲烷浓度发生变化时，元件的反应速度由两个因素决定，一是元件本身的时间常数:，二是甲烷向元件扩散的速度。元件的时间常数可由下式确定:
式中：元件的时间常数;
E：元件的热容量;
A：等效热导系数;
S：元件的表面积;
0：常数;
T：元件的工作温度;
I：工作电流;
R：元件电阻;
RQ：铂丝电阻温度系数2
通过对上式的分析，可以合理地选择元件参数，以提高工作元件的反应速度。本设计中选择的敏感元件型号为:MQ-K7
参数为:
测量介质:甲烷
工作电流:直流稳压
工作点:2. 8V/ < 175MA
测量范围:0-4%CN
稳定性:灵敏度变化士0. 1%CH4
响应时间:(20S)
3.1.2.气敏元件的组成及作用
本设计选用的气敏元件是由太原电子厂和哈尔滨通江晶体管厂生产的MQ—K7型号的半导体气敏元件，太被用于做各种可燃气体的检测、检漏、监控设备的敏感元件。气敏元件是准确检测甲烷气体含量的核心元件之一，它由工作元件和补偿元件组成，将这两个元件分别接在惠斯登电桥上，在元件的电端加入高电平时元件开始工作，当环境中无甲烷气体时，调整电桥使之输出为零，当有甲烷气体时，甲烷气体以扩散方式进入仪器原测量气室，内部接于桥臂的热催化元件或热导元件发生氧化一还原反应，引起元件温度升高，阻值增大，使原来平衡的电桥失去平衡，输出与甲烷浓度相对应的电压信号，测量该电压信号即可知甲烷浓度。
它的基本测试电路图如附一图所示
3.2 按键电路设计与器件选择
此次设计的甲烷浓度报警仪应具备两种基本功能，一是随时输入报警上限值，二是随时对当前的报警上限值进行修改，要实现这两种功能，可以接入键盘输入电路。
1.键盘的结构选择
在单片机组成的监测系统及智能化仪器中，用得最多的是非编码键盘。键盘的结构分为独立式键盘和行列式键盘两类。
本设计中只需要三个按键，因此选择独立式键盘。如图所示，电路由按键和三个电阻组成，按键分别命名为SET、+1和RET键。按键可以采用轻触开关，电阻可以采用4脚排电阻（3*1K）
2.如附二图所示，将键盘直接与单片机的P3口连接。用P
3.3引脚通过按键SET 接一格外部中断的请求信号INT1；P3.1、P3.0引脚作为I/O口使用，通过两个按键+1、RET接入两个输入信号。
SET键功能：设置当前报警上限值，即当前报警仪的报警上限值有误差时，需要随时对它进行调整，使用SET、+1和RET键配合完成这一功能。
①当SET被按下时，在单片机的INT1引脚产生一个低电平触发中断请求信号，CPU响应中断请求时，就转移到INT1中断服务程序的入口地址，执行INT1的中断服务程序。
②+1调整键的功能：分别对报警值的十位、个位和小数位进行+1调整，即每按一次键，对应的值调整为+1。
③RET确认键的功能：确认，即对+1调整为进行确认，该键按下时，说明被调整位的值已经确认，转去调整下一位。
3.3 蜂鸣器电路的设计
设计要求报警上限浓度到时要有声音提醒信号产生，可选择一只蜂鸣器来实现这一功能。压电式蜂鸣器工作时约需10mA的驱动电流，并设计一个相应的驱动及控制电路。电路设计如图所示，蜂鸣器作为三极管的集电极负载，当它导通时，蜂鸣器发出声音，截止时不发声。它的报警时间长短是靠软件设置的。
3.4放大电路的设计
在许多需要A/D转换和数字采集的单片机系统中，很多情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，这种情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。仪表器的选型很多，可选用的运算放大器相当多，如OP-07，OP-725，如果要求不高，甚至可选价廉的uA741等通用运算放大器。本设计的放大电路采用高精度集成运放OP-07做放大元件,OP-07为一种具有低失调电压、低失调电流和低温漂的超低失调运算放大器，其广泛地应用于稳定积分、精密加法、比较、阖值电压检测、微弱信号精确放大等场合，是一种通用性极强的运算放大器。OP-07的电源电压范围 3～ 18V，输入电压范围为0～ 14V，
3.5 TLC1549与AT89C2051接口电路的设计
TLC1549芯片与单片机AT89C2051的连接比较简单，如图所示。被测电压
从2、4脚输入，经A/D转换后在6脚输出，5、6、7分别与单片机的P3.2、P3.7、P3.1连接。其工作原理是：由单片机产生片选控制信号和时钟信号，当P3.0=0（CS=1）时，片选信号有效，P3.2引脚输出时钟脉冲送到I/O CLOCK引脚，在10个时钟脉冲的作用下，电压转换值从DATAOUT引脚输出，按照高位在前低位在后的顺序通过P3.7引脚送入单片机。当P3.1=1（CS=0）时，片选信号无效，DATA OUT引脚输出为高阻状态。
3.5.1 AT89C2051芯片概述
AT89C2051是美国和ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含2k bytes的可反复檫写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes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AT89C2051单片机可为您提供许多高性能价比的应用场合。
主要性能参数：
2与MCS-51产品指令系统完全兼容
22k字节可重檫写闪速存储器
21000次檫写周期
22.7-6V的工作电压范围
2全静态操作CHz-24MHz
2两极加密程序存储器
212838字节内部RAM
215个可编程I/O口线
2两个16位定时/计数器
26个中断源
2可编程串行UART通道
2可直接驱动LED的输出端口
2内置一个模拟比较器
2低功耗空闲和掉电模式
功能特性概述：
AT89C2051提供以下标准功能：2k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，15和I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两极中断结构，一个全双工串行通信口，内置一个精密比较器，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C2051可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式，空闲方式停止CPU的工作，但允许PAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作，掉电方式保存PAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
方框图
引脚功能说明
2Vcc:电源电压
2GND地
2P1口：P1口是一组8位双向I/O口，P1.2- P1.7提供内部上拉电阻，P1.0和P1.1内部无上拉电阻，组要是考虑它们分别是内部紧密比较器的同相输入端（AINO）和反向输入端（AIN1），如果需要应在外部接上拉电阻。P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并可直接驱动LED。当P1口引脚写入“1”时可做输入端，当引脚P1.2- P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的上位电阻而输出电流（In）。
P3口还用于实现AT89C2051特殊性能，如下表示：
P1口还在Flash闪速编程及程序校验时接受代码数据。
2P3口：P3口的P3.0- P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的7个双向I/O 口。P3.6没有引出，它作为一个通用的I/O口但不可访问，但可作为固定输入片内比较器的输出信号，P3口缓冲器可吸收20mA电流，当P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口，作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（In）。
P3口还接受一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
2RST：复位输入。RST引脚一旦变成两个机器周期以上高电平，所有的I/O 都将复位带“1”（高电平）状态，当振荡器正在工作时，持续两个机器周期以上的高电平可完成复位，每个机器周期为12个振荡时钟周期。
2XTAL1：振动器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
2XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。
2振荡器特征：
XTAL1、XTAL2为片内振荡器的反相放大器的输入和输出端，如下表示，可采用石英晶体或陶瓷震荡器组成时钟振荡器，如需从外部输入时钟驱动AT89C2051，时钟信号从XTAL1输入，XTAL2应悬空。由于输入到内部电路是经过一个2分频触发器，所以输入的外部时钟信号无需特殊要求，但必须符合电平的最大和最小植及时序规范。
2特殊功能寄存器：
并非存储器中所有的地址都被占用，未占用的地址单元亦不能使用，如果对其进行读访问一般返回为随机数，写访问也不确定。
这些单元是为了以后利用这些未使用的地址单元扩展新功能而设置，所以用户软件不要对它们写“1”，在这种情况下，新位的复位或不激活值为“0”。
2某些指令的约束条件：
AT89C2051是经济型低假位的微控制器，它含有2k字节的Flash闪速程序存储器，指令系统与MCS-51完全兼容，可使用MCS-51指令系统对其进行编程，但是在使用某些有关指令进行编程时，程序员须注意一些事项。
和跳转或分支有关的有一顶的空间约束，使目的地址安全落在AT89C2051的2k字节的物理程序存储器空间内，程序员必须注意一点。对于2k字节存储器
的AT89C2051来说，LJMP 7EOH是一条有效指令，而LJMP 900H则为无效指令。
1.分支指令
对于LCALL、ACALL、AJMP、SJMP、@＋DPTR等指令，只要程序员记住这些分支指令的目的地址在程序存储器大小的物理范围内（AT89C2051程序地址空间为：000H-7FFH单元），这些无条件分支指令就会正确执行，超出物理空间的限制会出现不可预知的程序出错。CJNE［…］、DJNZ［…］、JB、JNB、JC、JNC、JBC、JZ、JNZ等这些条件转移指令的使用与上述原则一样，同样，超出物理空间的限制也会引起不可预知的程序出错，至于中断的使用，80C51系列硬件结构中已保留标准中断服务子程序的地址。
2.与MOVX相关的指令，数据存储器
AT89C2051包含128字节内部数据，这样，AT89C2051的堆栈深度局限于内部RAM的128字节范围内，它既不支持
外部数据存储器的访问，也不支持外部程序的执行，因此程序中应有MOVX［…］指令。
一般的80C51汇编器即使在违反上述指令约束而写入的指令时仍对指令进行汇编，用户应了解正在使用的AT89C2051微控制器的存储器物理空间的约束范围，适当地调整所使用的指令寻址范围以适应AT89C2051。
2程序存储器的加密：
2空闲模式：
在空闲模式下，CPU保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生，此时，片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变，空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。
P1.0和P1.1在不使用外部上拉电阻的情况下应设置为“0”，或者在使用上拉电阻的情况下设置为“1”
应注意的是：在用硬件复位终止空闲模式时，AT89C2051通常从程序停止一
直到内部复位获得控制之前的两个机器周期处恢复程序执行。在这种情况下片内硬件禁止对内部RAM的读写，但允许对端口的访问，要消除硬件复位终止空闲模式对端口以外写入的可能，原则上进入空闲模式指令的下一条不应对端口引脚或外部存储器进行访问。
2掉电模式：
在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。退出掉线模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM 中的内容，在Vcc恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。
P1.0和P1.1在不使用外部上拉电阻的情况下应设置为“0”。或者在使用外部上拉电阻随时应设为“1”。
2Flash闪速存储器的编程：
AT89C2051是檫除状态下（也即所有单元内容均为FFH时）用2k字节内的PEROM代码存储阵列进行封装微控制器，其程序存储器是可反复编程的，代码存储阵列一次编程一个字节，一旦阵列被编程，如需重新编程一非空（空为：FFH）字节，必须对整个存储器阵列进行电檫除。
AT89C2051内Flash闪速存储器的编程和校验电路
2内部地址计数器：AT89C2051内部包含一个PEROM编程地址计数器，它总在RST上沿到来时复位到000H，并在XTAL1引脚上出现在跳变脉冲时进行加1记数。
2编程方法：要对AT89C2051进行编程，推荐使用以下方法。
1.上电次序：
在Vcc和GND引脚之间加上电源。
设置RST和XTAL1为GND电平。
其它引脚置空，等待至少10ms以上。
2.置RST引脚为高电平，置P
3.2引脚为高电平。
3.对引脚P3.3、P3.4、P3.5、P3.7按下表正确组合加上逻辑高“H”或低“L”
电平即对PERM进行编程操作。
4.在000H地址单元对P1.0-P1.7输入数据代码字节。
5.置RST端为＋12V，激活编程。
6.使P3.2跳变一次来编程PEROM阵列中的一字节或者加密位，写字节周期
是自身定时的，一般需时1.2ms。
7.当校验已编程的数据，使RST从＋12V降到逻辑电平“H”，置P3.3-P3.7
引脚到正确的电平即可P1口读取数据。
8.对下一地址单元编程字节，使XTAL1引脚正脉冲跳变一次使地址计数器加
1，在P1口输入新的数据字节。
9.重复5至8，可对整个2k字节阵列全部编程，直到目标文件结束。
10.下电次序：
置XTAL1为低“L”电平
置RST为“L”点平
置空所有其它I/O引脚
关闭Vcc电源
2数据查询：AT89C2051具有周期结束的数据查询功能，在写周期期间，对最后写入的字节尝试读将令P1.7上写入数据的操作结束，当写周期完成，完全输出端的真实数据有效，同时下一个周期开始，数据查询可在写周期被初始