煤矿瓦斯监测报警装置设计毕业设计

煤矿瓦斯监测报警装置设计

前言

我国是煤炭生产大国，随着煤矿机械化程度的提高，矿井生产能力和生产效率普遍加大，煤炭年产量居世界首位，产煤量占世界总产煤量的20%。但同时我国也是煤矿安全形势最为严峻的国家之一。

近年来，瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等灾害，严重威胁着煤矿的安全生产和数百万名矿工的生命安全，瓦斯灾害已成为制约我国煤矿安全生产和煤炭工业发展的重要因素。随着煤矿开采技术手段的不断改进和开采规模的扩大及开采深度的不断延伸，安全隐患越来越多，瓦斯事故特别是中、特大瓦斯事故在煤矿事故中所占的比例也越来越高。如果不把瓦斯事故控制住，就不能实现煤矿安全生产状况的稳定，也就无法保障煤炭工业的持续健康发展。所以，对煤矿井下瓦斯气体进行快速准确的监测显得尤为重要，对易燃易爆混合气体监测的研究也成为人们一直关注的问题。

多年来的实践证明，瓦斯浓度的监测监控器在监测煤矿井下安全状况，防范安全隐患方面起着重要作用。充分发挥其作用，是我国煤矿安全形势好转的关键。近年来，国有重点煤矿瓦斯爆炸事故减少的原因之一，就是绝大多数煤矿的高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井安装了瓦斯浓度监测监控器。

1绪论

1.1研究背景和意义

当前，随着采矿技术的不断发展，井下作业的安全越来越有保障，但是仍然有许多采矿企业的机械化程度低，对现场采矿的工作人员的生命安全造成潜在的威胁，特别是针对瓦斯气体的监测和报警仍存在隐患，每年由于瓦斯泄露造成的特大事故依然很多。瓦斯是在成煤过程中形成并大量储存在煤层之中的气体，是煤矿井下危害最大的气体。瓦斯是一种无色无味的气体，主要成份是甲烷（CH4），密度为0.716kg/ m3，对人体的危害是超限时能引起人窒息死亡。在地下采矿时候，井内常常会泄露一定量的CH4、CO和SO2等气体，后一种含量少，切易溶于水，经煤矿开采时的喷水处理后变成酸。但前两种气体含量多，且几乎不容于水，属于易燃易爆气体。

由于瓦斯气体本身的危险性和对人民生产生活造成的巨大危害，因此对瓦斯气体的监测和报警是一项必要的工作。瓦斯报警是指利用气体传感器技术，将检测到的瓦斯气体浓度和标准值进行比较，当高过一定浓度值时候进行相应的声光报警，提醒正在作业的人员进行相应的处理，组织人员撤离或对矿井通风排气，避免不安全事故的发生，对现在采矿业的安全起着非常重要的作用。

因此本论文设计一种煤矿瓦斯监测报警装置，用于监测井下瓦斯的浓度，并且能将其显示在数码管上，当瓦斯浓度达到一定的警戒值时，发出声光报警，从而能够更好的保障煤矿安全生产及井下作业人员的安全。

1.2国内外发展状况

井下瓦斯监控技术是随着煤炭工业发展而逐步发展起来的。1815年，英国发明了世界上第一种瓦斯检测仪器——瓦斯检定灯。利用火焰的高度来检测瓦斯浓度；20世纪30年代，日本发明了光干涉瓦斯检定器，一直沿用至今；20世纪40年代，美国研制了检测瓦斯浓度的敏感原件——铂丝催化元件；1954年，英国采矿安全所研制了最早的载体催化元件。电子技术的进展推动了瓦斯检测控制装置的进一步发展，如20世纪70年代后期法国研制的CTT63/40U矿井监控系统，英国的MINOS，美国的SCA-DA系统等。

我国矿井瓦斯监控技术经历了从简单到复杂，从低水平到高水平的发展过

程。从新中国成立初期到20世纪70年代，煤矿下井人员主要使用光学瓦斯检定仪，风表等携带式仪器检测井下参数。20世纪60年代初期，我国开始研制载体催化元件，随着敏感原件制造水平的提高和电子技术的发展，特别是大规模集成电路、微型计算机的广泛应用，使监控技术进入了新的发展时期。20世纪70年代瓦斯断电仪问世，装备在采掘工作面，回风港道等井下固定地点，实现了对瓦斯的自动连续检测及超限自动切断被控制设备的电源的功能。随后，我国陆续研制了便携式瓦斯监控检测报警仪，瓦斯报警矿灯。1983年至1985年从欧美国家先后引进了数十套监控系统及配套的传感器和便携式仪器装备煤矿矿井，并相应的引进了部分监控系统，传感器和敏感元件制造技术，由此推动了我国矿井安全监测、监控技术的发展。1983年以后，国内有多种型号矿井监测系统通过了技术鉴定，逐步实现了对煤矿矿井安全，生产多种参数的连续监测、监控、数据存储和数据处理。近几年，随着计算机的发明和应用，特别是网络和信息化建设的不断发展，给瓦斯治理提供了机遇条件，煤矿瓦斯监控网络系统应运而生。这些装备和系统的推广与应用，丰富了我国煤矿安全监控产品的市场，改善了煤矿安全技术装备的面貌，缩小了我国与国外先进技术水平的差距。

2煤矿瓦斯监测报警装置的设计方案

2.1方案的选择

方案一，通过传感器感受到瓦斯，传感器输出的电压随着瓦斯浓度的升高而增加，并且驱动蜂鸣报警器。电路简单、可靠，但是灵活性和实用性差。

方案二，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。

方案三，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三。

2.2煤矿瓦斯监测报警装置的总体设计

2.2.1系统总体结构

系统总体结构框图如图2-1所示。

图2-1系统总体结构框图

Fig.2-1 The diagram of the whole system structure 该设计采用AT89S51作为单片机进行控制，传感信号由气敏电阻和放大器瓦斯传感器 AT89S51 晶振

复位电路 报警电路 显示电路

电源电路

放大电路

转换成电信号，由ADC0809转换成数字量，监测电路可靠工作。气体监测仪表的功能主要有监测气体浓度值，设置报警点，超限进行声光报警等。软件算法采用设定值和测量值比较的算法，采用中断程序，以及时中断主程序。

2.2.2系统的功能

设计一个瓦斯气体安全监测装置，在气体浓度一定的范围内进行安全监测，并能在被控对象气体浓度超过标准值时进行报警。假设该瓦斯监测报警装置能实现以下的功能：气体监测，超过设定的门限值后自动报警。以单片机为主，气敏传感器与单片机相连接，再加上浓度控制部分和人机对话部分来共同实现瓦斯安全监测与控制。

3瓦斯传感器的选择

3.1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% CH 4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。

3.2载体催化燃烧式传感元件工作原理

载体催化燃烧式传感元件是用铂丝按一定的几何参数绕制的螺线圈，外表上浸渍有一层铂、钯催化剂。因为这种检测元件表面呈黑色，所以又称黑元件；除黑元件外，在仪器的甲烷检测室中，还有一个与检测元件构造相同，但表面没有涂催化剂的补偿元件（称白元件）。黑白元件分别接在一个电桥的两个相邻桥壁上，而电桥的另外两个桥臂分别接入适当的电阻，它们共同组成的测量电路如图3-1所示。

图3-1 载体催化传感元件测量电路图 Fig.3-1 The diagram of Carrier catalytic sensor measurement circuit

当一定的工作电流通过检测元件（黑元件）时，其表面即被加热到一定的温度，而这时当含有瓦斯的空气接触到检测元件表面时，便被催化燃烧，燃烧放出的热量又反过来进一步使元件的温度升高，使铂丝的电阻值明显增加，于是电桥就失去平衡，输出一定的电压。催化反应的方程式为：

Q

O H CO O CH ++=+222422

（3-1）

Rh 是催化传感元件，Rb 为补偿元件。将Rh 和Rb 置于同一测量环境中，由稳压电源供电。在无瓦斯的新鲜空气中，Rh=Rb ，调整电桥使之平衡，信号输出电压U=0；当瓦斯存在时，在催化传感元件表面发生无焰催化燃烧，电阻值随温度上升而增加为Rh+△Rh ，而补偿元件阻值不变，从而电桥失去平衡。

当采用恒压源E 供电时，输出不平衡电压为：

()2E R R R E R R U h h b h h -?++?+=

（3-2）

由于 h

b h R R R R ?≥== （3-3）

则

h h R K E R R U ?≈?≈12

（3-4）

电桥输出电压取决于敏感元件的阻值变化量 。对于铂丝元件，其电阻变化量可用下式表示：

0)()(R h DCQ a R h H a R h =?=?

（3-5）

其中，a 、h 、R 0与敏感元件的材料、性质、结构尺寸有关；扩散系数D 和瓦斯的分子燃烧热Q 都是常数，可用一个常数K 2代表这些因素，因而上式可写为 C

K R h 2=?

（3-6） C

K K U 21=

（3-7）

即在理想情况下，电桥输出电压与瓦斯浓度成正比；在一定浓度范围内，电桥输出电压与瓦斯浓度呈线性。

3.3传感器的选择

3.3.1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。

3.3.2瓦斯检测过程中的因素影响及分析

催化燃烧式瓦斯检测的主要性能特征是由热催化敏感元件的技术性能所决

定的。它直接关系到瓦斯检测的性能特征质量。以下主要对元件的技术性能及影响因素简要分析。

1）瓦斯传感器的灵敏度

指某一浓度的瓦斯在敏感元件上反应时，电桥输出电压值与瓦斯浓度值之比值，它取决于敏感元件对瓦斯催化燃烧的速率。一般敏感原件不应低于10～15mv/(1%CH4)。性能好的可达30 mv/(1%CH4)以上，这一指标是衡量敏感元件活性和使用寿命的重要指标，它是决定元件寿命的一个重要参数。

催化燃烧型瓦斯检测仪器灵敏度下降是个逐渐变化的过程，这个变化过程越缓慢说明仪器稳定性越好。

2）瓦斯传感器的响应时间

这是仪器的一个重要指标，它标志着仪器与瓦斯催化反应的快慢，井下瓦斯检测要求实时性强，响应时间短。影响催化敏感元件响应时间的因素主要有两个方面：一是瓦斯通过扩散充满气室并达到元件表面的整个扩散过程所占用的时间；二是瓦斯在元件上的催化反应产生热量，使温度上升，并和周围进行热交换，元件最终达到平衡时所需要的时间。

3）瓦斯传感器的零漂问题

由于传感器及外围电路受外界环境影响会产生一定漂移。在长时间工作，受老化等环境变化因素影响就可能产生较大的零点漂移。为了使系统在长时间工作后仍能够精确读数，在软件中使用了零位漂移修正方法。零位稳定是影响测量系统精度非常重要的因素。采用单片机，充分运用其硬件的通用性和软件的灵活性以软代硬解决此问题，这样就不影响传感器的工作特性，也不附加器件，准确可靠。

本设计解决该问题的方法是：用程序控制单片机先测出无输入时传感器的输出值（零位移输出值，即传感器在新鲜空气中的输出值），把它存储在单片机系统的存储器内，工作时每一次数据采集均减去此值，这样就排除了零位输出的影响，提高了使用精度。

4）预防载体催化元件中毒和注意事项

井下使用现场对敏感元件影响较大的就是矿井空气中的硫化氢、二氧化硫、有机硅蒸汽等气体，会使元件发生中毒现象，使仪器灵敏度下降，甚至不发生反

应。这是使用者应当特别注意的，防止中毒的主要措施是在敏感元件上加装1cm 厚活性炭过滤器过滤以上气体，并注意定期更换活性炭。

此外，仪器经常在大于4%CH4以上的高浓度瓦斯环境下工作，也易造成仪器灵敏度被“激活”现象。这种情况是指敏感元件经高浓度CH4冲击后，其灵敏度忽高忽低，稳定性变差，导致误差增大示值不准，甚至完全不能使用。因此，要尽量避免用这种类型的仪器去测高浓度瓦斯。

3.3.3瓦斯传感器型号的选择

报警装置能否正确显示瓦斯浓度，取决于传感器的好坏以及它的检测电路。本设计的瓦斯传感器将采用汉威公司生产的MJC4/3.0L（MC112）传感器，MC 系列气敏元件根据催化燃烧效应的工作原理工作，由检测元件和补偿元件组成电桥的两个臂，与可燃性气体反应时检测元件电阻升高，桥路输出电压变量，该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大，补偿元件起参比及温度补偿作用。

1)主要特点及应用:

桥路输出电压呈线性

响应速度快

具有良好的重复性、选择性

元件工作稳定、可靠

抗H2S中毒

工业现场的天然气、液化气、煤气、烷类等可燃性气体及汽油、醇、酮、苯等有机溶剂蒸汽的浓度检测。

可燃性气体泄漏报警器、可燃性气体探测器、气体浓度计。

2)元件外形结构及基本测试电路

元件的外形结构如图3-2所示。基本测试电路如图3-3所示。

图3-2 MC112外形结构

Fig.3-2 The diagram of shape structure of MC112

3）主要技术参数：

产品型号MJC4/3.0L（MC112）

产品类型载体催化元件

标准封装金属封装、冶金粉末网

工作电压(V) 3.0±0.1

工作电流(mA) 110±10

线形度（%）≤5

测量范围（％LEL）0～100

灵敏度(mV) 1%甲烷20～40

1%丁烷30～50

1%氢气25～45

响应时间(90%)小于10秒

恢复时间(90%)小于30秒

使用环境-40～+70℃低于95%RH

储存环境-20～+70℃低于95%RH

外形尺寸（mm）MC112:9.5×14×19

图3-3 MC112测试电路

Fig.3-3 The diagram of MC112 test circuits 4）灵敏度特性

MC112的灵敏度特性如图3-4所示

灵敏度特性

15304560759010512013515000.51 1.52 2.5

3气体浓度（vol%）

输出电压（m v ）H2LPG CH4 图3-4 灵敏度特性

Fig.3-4 Sensitivity characteristics 3.4本章小结

瓦斯传感器是瓦斯监测报警装置的重要环节，它的选择需要考虑多方面的因素。选择时先从传感元件的原理出发，初步了解到气敏半导体传感元件性能更为良好，但通过查阅相关《煤矿安全仪器及装备使用与维修手册》及实际考察后发现黑白元件仍是实际生产中应用最为广泛和经济的。第二步从所需检测的瓦斯浓度范围考虑，原本误以为是要在瓦斯浓度处于爆炸范围时（5%～16%）报警，进经过煤矿瓦检员的讲解后了解到在井下作业时一旦瓦斯浓度达到1%，就要求工作人员撤离现场，由此与实际应用相结合确定了使用低浓度（1%～4%）瓦斯传感元件即可。最后结合瓦斯传感元件在应用中存在的问题及解决方法，最终选择了MC112传感元件。并为后续设计做准备，介绍了其具体的连接电路，及瓦斯浓度与输出电压的关系。

4硬件系统设计

本系统的硬件包括：单片机主控电路、气体采样单元电路、数据显示单元电路、电源电路、报警单元电路五部分，本章将逐一介绍。

4.1主控单元的设计

监控系统的核心是采用C51系列单片机中的AT89S51，这类单片机是在MCS-51的CMOS 基础上发展起来的，与MCS-51系列相兼容，保留了它的全部特性，内部结构也基本相同。

AT89S51是美国ATMEL 公司生产的低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片

内含4K bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器,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8051指令系统及引脚。它既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL 公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

单片机要正常运行，必须具备一定的硬件条件，其中最主要的就是三个基本条件：电源正常、时钟正常、.复位正常。

1)工作电源：电源是单片机工作的动力源泉。对应的接线方法为：40脚（VCC）电源引脚，工作时接+5V电源，20脚（GND）为接地线。

2)时钟电路：时钟电路为单片机产生时序脉冲，单片机所有运算与控制过程都是在统一的时序脉冲的驱动下的进行的，如果单片机的时钟电路停止工作（晶振停振），那么单片机也就停止运行了。当采用外部时钟时，连接方法如图4-4所示，在晶振引脚XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）引脚之间接入一个晶振，两个引脚对地分别再接入一个电容即可产生所需的时钟信号，电容的容量一般在几十皮法，如30PF。

3)复位电路：在复位引脚（9脚）持续出现24个振荡器脉冲周期（即2个机器周期）的高

电平信号将使单片机复位。如下图所示电容C和电阻R构成了单片机上电自动复位电路，复位后，单片机从0000H单元开始执行程序，并初始化一些专用寄存器为复位状态值。

4)控制引脚EA接法。EA/VPP（31脚）为内外程序存储器选择控制引脚，当EA 为低电位时，单片机从外部程序存储器取指令；当EA接高电平时，单片机从内部程序存储器取指令。AT89S51单片机内部有4KB可反复擦写1000次以上的程序存储器，因此我们把EA接到+5V高电平，让单片机运行内部的程序，我们就可以通过反复烧写来验证我们的程序了。

主控单元电路如图4-4所示。

图4-1主控单元电路

Fig.4-1 The Master unit circuit

4.2采样单元的设计

采样单元由采样电压转换、小信号放大及A/D转换组成。其中，将气体转换为电量的气体电压转换由MC112实现，小信号放大由放大器AD623实现，A/D转换选择模数转换器ADC0809，将采集到的气体浓度模拟信号转换为AT89S51能够处理的二进制数字信号。

4.2.1检测信号的放大

由以上MC112传感器的输出特性易知在本设计瓦斯检测范围（0～4%）内，传感器的输出电压约在0～100mv之间，而ADC0809 对输入模拟量要求的要求是信号单极性，电压范围是0～5V，若信号太小，则必须进行放大。因此我们要选择合适的放大器对检测输出信号进行放大。

1）放大倍数的确定

在本设计中所选择的传感器MC112在瓦斯监测范围内输入与输出有很好的线性关系，从其灵敏度特性可以得到输出与输入的关系为Y=0.0225X（X代表气体浓度的百分比值，Y代表输出电压值）。因为在本设计中瓦斯监测的最大范围是0～4%，即我们所要输出的值的范围是0.000～4.000，而ADC0809所要求的输入电压是0～5V，两者较为接近，所以我们考虑若能让瓦斯浓度的百分值与ADC0809的输入值达到一致，即显示部分显示的瓦斯浓度的百分比值实际与

ADC0809的输入值相等，则会使设计的程序简单，计算简便。从而，浓度的百分比值是0～4，对应的传感器的输出电压值为0～0.09V ，若要使对应的ADC0809值为0～4V ，则需要将传感器输出电压放大44.5倍。

2）放大器的介绍

本设计选用由美国AD 公司生产的AD623。

AD623是一个集成电源仪表放大器，它能在单电源3～12V 下提供满电源幅度输出，允许使用单个增益设置电阻进行增益编程，以得到良好的用户灵活性。在无外接电阻的条件下，AD623被设置为单位增益；外接电阻后，AD623可编程设置增益，其增益最高可达1000倍。AD623通过提供极好的随增益增大而增大的交流共模抑制比而保持最小的误差，线路噪声及谐波将由于共模抑制比在高达200HZ 时仍保持恒定而受到抑制，低功耗、宽电源电压、适合电池供电电路，线性度、温度稳定性、可靠性好；高精度直流、交流性能。放大器应用电路 AD623主要应用于传感器接口、工业过程控制、低功耗医疗仪器、热电偶放大器、便携式供电仪器等。

其引脚图如图4-6所示。

图4-2 AD623引脚图

Fig.4-2 The AD623 pins figure AD623的工作原理：

图4-7为AD623的原理图。输入信号加到作为电压缓冲器的PNP 晶体管上，并且提供一个共模信号到输入放大器，每个放大器接入一个精确的50ΩK 的反馈电阻，以保证增益可编程。差分输出为

C G o V R K V ??????Ω+=1001

（4-1）

然后差分电压通过输出放大器转换为单端电压。6脚的输出电压以5脚的电位为基准进行测量。基准脚（5脚）的阻抗是100Ω

K，在需要电压/电流转换的应用中仅仅需要在5脚与6脚之间接一只小电阻。+VS和-VS双极性电源（VS=±2.5～±6V）或单电源（+VS=+3.0V～12V，-VS=0）.靠近电源引脚处加去藕电容。去藕电容最好选用0.1uF的瓷片电容和10uF的钽电解电容。AD623的增益G由R G进行电阻编程，更准确的说，由1脚与8脚之间的阻抗来决定。R G可以由以下公式计算：

()1

=G

K

R

Ω

/

100-

G

（4-2）

计算后得式中R G应为Ω

3.2

K

图4-3 AD623原理图

Fig.4-3 The diagram of AD623 principle

AD623仪表放大器可单电源供电，也可双电源供电，本设计是单电源供电。接线图如图4-8。

图4-4AD623单电源接线图

Fig.4-4 The AD623 single-supply hookup

结合以上内容得出检测部分电路的连接如图4-9所示。

图4-5 检测部分电路连接图

Fig.4-5 The testing part circuit connection diagram

AD623内设以电源为基准的箝位二极管，使得输入端、输出端、基准端、增益调节端能安全地承受高于或低于0.3V的过电压。

通过瓦斯传感器MC112将瓦斯浓度信号转换为电压信号（电压信号较小，为毫伏级），通过放大器AD623将信号放大至0～5V输出，作为模数转换器ADC0809的输入，输入到IN0端口。

4.2.2检测信号的转换

传感器输出的模拟信号除需要放大还必须变换为计算机可以识别和处理的数字信号。模拟信号和数字信号之间的转换一般称为A/D（模/数）转换和D/A （数/模）转换。在本系统中，主要用到A/D转换器。A/D转换器的种类繁多，

特性各异。

在实际应用中，应从系统数据总的位数、精度要求、输入模拟信号范围及输入等方面综合考虑A/D 转换器的选用。本设计选用ADC0809。

ADC0809是美国半导体公司生产的8位ADC ，它是逐次逼近的方法完成A/D 转换的。其内部结构原理图如图4-10所示。

ADC0809由单一+5V 电源供电，片内有带锁存功能的8路模拟多路开关，可对8路0～5V 的输入模拟电压信号分时进行转换，完成一次转换约需100μs ；输出具有TTL 三态锁存缓冲器，可直接接到单片机数据总线上。

图4-6 ADC0809内部结构图

Fig.4-6 The ADC0809 internal structure

ADC0809的引脚图如图4-11。

引脚功能说明如下：IN0－IN7：8条模拟量输入通道

ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0～5V ，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。

IN1

IN0

IN2

IN3

IN4

IN5

IN6

IN7 8 路 模 拟 量 开 关 地址 所存 与译

码器 A

B

C

ALE ８路 A/D 转 换

器

VREF+ VREF- 三 态 输出锁存器 ST CLK OE

EOC D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7

图4-7ADC0809引脚图

Fig.4-7 ADC0809 pins figure

地址输入和控制线：4条

ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0～IN7上的一路模拟量输入。

通道选择表如表4-1所示。

表4-1ADC0809输入量通道选择

Tablet.4-1 Table of ADC0809 inputs channel selection

C B A 选择的通道

0 0 0 IN0

0 0 1 IN1

0 1 0 IN2

0 1 1 IN3

1 0 0 IN4

1 0 1 IN5

1 1 0 IN6

1 1 1 IN7