煤矿瓦斯在线监测与报警系统毕业设计

煤矿瓦斯在线监测与报警系统毕业设计
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发展水平，但应用于国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。

以省为例，近几年，特别是2006年以来，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，极大的促进了煤炭信息化工作。

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发展水平，但应用于国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，先后由煤科院、煤科院等国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
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瓦斯传感器检测围的选择
不同的瓦斯传感元件有不同的瓦斯浓度检测围，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，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，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围，我们可以设计检测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，且在一定的浓度围，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围，具体数值应根据A/D 转换器输入围确定输入围0～5V ， RL 调整至该围，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 V RS RL RL V 50⨯+= 2.583 2.895 3.181 3.291 3.532 3.668 4.583 4.96 显示读数= 2555
0⨯V 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：
应用在较宽的浓度围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
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），不管是否有部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间部程序存储器。

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。