..畢業(yè)設(shè)計(jì)[論文]題目：煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)系別：電氣與電子工程系專(zhuān)業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化__田曉東學(xué)號(hào)：121406158指導(dǎo)劉曉芳XX城建學(xué)院2010年5月27日..目錄TOC\o"1-3"\h\u18100摘要 I29619Abstract II7044第一章緒論 1138981.1煤礦氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述 1253401.2煤礦氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 227601.3本課題的研究意義 3232761.4本課題的主要工作內(nèi)容 324663第二章煤礦氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特殊要求及設(shè)計(jì)原理 5187522.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 5212362.1.1技術(shù)指標(biāo)要求 563342.1.2隔爆儀表設(shè)計(jì)要求 5200022.1.3系統(tǒng)的功能 6192992.2設(shè)計(jì)原理 697972.2.1氣體傳感器的選擇 6237742.2.2單片機(jī)型號(hào)的選擇 10134382.2.3AT89552單片機(jī)的特點(diǎn) 114882第三章基于氣敏元件的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 12130053.1系統(tǒng)原理框圖 1243233.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 1253963.2.1系統(tǒng)電源 1260973.2.2氣體傳感器加熱及其信號(hào)采樣 14199603.2.3傳感器信號(hào)監(jiān)測(cè)回路及A/D轉(zhuǎn)換參考電源 16113533.2.4模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7810的原理及應(yīng)用 17198713.2.5MAX7219顯示電路 20277473.2.6I2C總線接口電路 24134053.2.7RS—485串口通訊 27583.2.8看門(mén)狗硬件電路 31285253.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 32179943.3.1主程序 3399903.3.2案件中斷程序 3573733.3.3定時(shí)器A中斷程序 36234753.3.4串行中斷程序 37178573.3.5軟件的低功耗設(shè)計(jì) 3716115第四章總結(jié)與展望 4011804.1研究工作總結(jié) 40286804.2研究工作展望 405625參考文獻(xiàn) 4228814致謝 4327911附錄 44..摘要能源工業(yè)是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈,近年來(lái),隨著石油資源的緊張、石油價(jià)格的騰升,煤炭行業(yè)的重要地位和不可替代性也日益顯現(xiàn)。然而,中國(guó)煤炭行業(yè)的安全生產(chǎn)形勢(shì)卻不容樂(lè)觀,尤其是重、特大傷亡事故屢見(jiàn)報(bào)端。在這些事故中,瓦斯爆炸又占絕大多數(shù)。這其中,固然有很多誘發(fā)因素,但各煤礦生產(chǎn)企業(yè)安全監(jiān)測(cè)設(shè)備不完備、管理手段落后是造成事故頻發(fā)的重要原因之一。本課題采用XX中煤電子研發(fā)的無(wú)火焰燃燒式氣體傳感器,以AT89552單片機(jī)作為硬件電路核心,研制煤礦瓦斯<CH4>監(jiān)測(cè)系統(tǒng),開(kāi)發(fā)出實(shí)現(xiàn)對(duì)CH4的識(shí)別、濃度監(jiān)測(cè)、閥值報(bào)警以及實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)至地面監(jiān)控PC,通過(guò)串口通訊軟件界面顯示。論文首先闡述了CH4監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀,通過(guò)對(duì)無(wú)火焰燃燒式CH4傳感器的原理分析確立了系統(tǒng)的研發(fā)方向;接著介紹了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,由于煤礦井下工作環(huán)境特殊,空間狹窄,濕度大,有易燃易爆的瓦斯和煤塵,所以,煤礦電氣設(shè)備必須符合防爆要求,應(yīng)有接地、過(guò)流、漏電保護(hù)裝置。在此基礎(chǔ)上,詳細(xì)論述了瓦斯氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)與系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及實(shí)用分析。本課題采用具有較高性?xún)r(jià)比的單片機(jī)AT89552構(gòu)成煤礦氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分,根據(jù)氣體傳感器測(cè)量的信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)CH4的成分識(shí)別和濃度測(cè)量;使用按鍵面板輸入外部命令;采用ATMEL公司的DataFlash存儲(chǔ)器AT24C02存儲(chǔ)設(shè)定的參數(shù)及大_量的測(cè)量數(shù)據(jù);采用RS一485協(xié)議,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳,由地面串口通訊軟件接收處理。串口通訊軟件對(duì)單片機(jī)而言意義重大,不但可以實(shí)現(xiàn)將單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X端,而且能實(shí)現(xiàn)電腦對(duì)單片機(jī)的控制。本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的串口通訊軟件,是煤礦氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定及其與PC機(jī)/之間通訊的配套工具?；诖谕ㄓ崊f(xié)議,使用該軟件可以通過(guò)PC機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控煤礦氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),讀取系統(tǒng)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù),并可實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的不同環(huán)境下的氣體濃度,運(yùn)用PC強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力分析保存數(shù)據(jù),并通過(guò)串口通訊軟件將所測(cè)量的結(jié)果顯示到軟件界面,便于工作人員更直觀地了解井下的工況,實(shí)施相應(yīng)處理與控制。關(guān)鍵詞:傳感器;煤礦;數(shù)據(jù)采集;串口通訊AbstractEnergyindustryisthevitalsofourcountry'seconomydevelopment.Inrecentyears,incompanywithpetroleumresourcesshortagepetroleumpricesgrowrapidly.Theimportanceandunsubstitutabilityofcoalindustryincreaseeveryday.ButChinesecoalindustrysafetyinproductionrefuseoptimism,asseriouscasualtyrepeatedlyappearedinthenewspaper.Gasexplosionoccupythemostpartofthoseaccident.Itissurethatmanyfactorscausedthat,buteachcollieryenterprise'slackofsafetymonitoringequipmentladderofmanagementlagaretheoneofsubstantialreasons.ThedissertationadoptfirelessburninggassessensorthatdesignedbyZhenjiangZhongmeielectroniccompany,developedainstrumentthatcandetecttheCH4aerometry,aswellaswhethereconsistencyreachthealarmthreshold,thensendthedatatothemonitoringPC,usethepowerfuldataanalysisabilityofPCandgreytheorytotheforecasttheCH4aerometry.Firstofall,thedissertationexpoundsthedevelopmentandactualityofCH4instrumentation.Thenintroducethedesignrequirementoftheinstrumentation,becausecolliery'sundergroundworkingenvironment'shighhumidityhasflammableanddetonablegassesandsmut,particularlywithotherlocation'sworkingenvironment,sotheelectricinstallationmustoverflowblastprotectionrequirementandmusthavegroundingoverflowingcreepageprotector.Atthirdchapter,thedissertationelaboratedtheCH4detectioninstrument'shardwareandsoftware.Thewholedetectioninstrument'shardcoreisSCMAT89S52,accordingtothesignaldetectedbythegassensortoidentifytheingredientoftheairandtheUseeightLEDnixietubetodisplaythegasconsistencyofCH4.Usekeyboardpaneltoinputtheexternalcommand;AdoptDataFlashAT24C02producedbyATMELtostoretheparametersandsubstantivedata.UseeightLEDnixietubetodisplaythegasconsistency.UnderthePCcontrolledmode,adoptRS-485protocoltorealizethedatabeingsenttotheserialportcommunicationsoftware.TheserialportcommunicationsoftwaremeanslottotheSCM,notonlyrealizedatatransfer,butalsorealizetheSCMbecontrolledbyPC.TheserialportcommunicationsoftwareistheusefultoolfortheinstrumentcalibrationandcommunicationsoftwareistheusefultoolfortheinstrumentcalibrationandcommunicationbetweenSCMandPC.Baseontheserialportcommunicationprotocol,theusingofsoftwarecouldmonitoringthestatusofthegasdetectioninstrumentallthetime,fetchstoreddataintheflash,andcanshowthereal-timeCH4value,sotheworkercanknowtheenvironment'sstatusallthetime.Keywords:sensor;coalmine;datacollection;serialcommunication第一章緒論煤礦中含有大量的甲烷<CH4>等易燃易爆氣體,發(fā)生事故后會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,危及礦工的生命。隨著煤礦開(kāi)采技術(shù)手段的不斷改進(jìn)和開(kāi)采規(guī)模的擴(kuò)大及開(kāi)采深度的不斷延伸,安全隱患越來(lái)越多。瓦斯事故特別是重、特大瓦斯事故在煤礦事故中所占的比例也越來(lái)越高。如果不把瓦斯事故控制住,就不能實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)狀況的穩(wěn)定,也就無(wú)法保障煤炭工業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。所以,對(duì)煤礦井下瓦斯氣體進(jìn)行快速準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)顯得尤其重要,對(duì)易燃易爆混合氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)也成為人們一直關(guān)注的問(wèn)題。1.1煤礦氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述煤礦氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是能夠監(jiān)測(cè)礦井環(huán)境中瓦斯氣體的濃度,具有報(bào)警功能并能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至地面監(jiān)控室PC的系統(tǒng)。本課題中完整的煤礦氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)山以下五個(gè)部分組成：l>氣體傳感器:能感知環(huán)境中甲烷氣體及其濃度的一種敏感元件,它能將與氣體種類(lèi)和濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)2>顯示單元:根據(jù)測(cè)量信號(hào),由單片機(jī)將待顯示數(shù)據(jù)按相應(yīng)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸給顯示處理模塊顯示于儀表3>聲光報(bào)警單元:當(dāng)監(jiān)測(cè)氣體濃度超出設(shè)定報(bào)警值時(shí),發(fā)出聲光報(bào)警;4時(shí)通訊單元:將采集數(shù)據(jù)通過(guò)RS-485通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信5>數(shù)據(jù)采集分析軟件:運(yùn)用VC++編寫(xiě)串口通訊軟件,實(shí)現(xiàn)氣體數(shù)據(jù)的采集、分析及保存煤礦氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)其他的技術(shù)參數(shù)還有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)性能、傳輸數(shù)據(jù)性能、使用壽命與可靠性等。氣體傳感器是煤礦氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分,就其原理可以分為四大類(lèi):光學(xué)類(lèi)氣體傳感器、電化學(xué)類(lèi)氣體傳感器、高分子材料類(lèi)氣體傳感器及電學(xué)類(lèi)氣體傳感器。利用氣體的光學(xué)特性來(lái)監(jiān)測(cè)氣體成分和濃度的傳感器為光學(xué)類(lèi)氣體傳感器,根據(jù)具體的光學(xué)原理可分為紅外吸收式、可見(jiàn)光吸收光度式、光干涉式、化學(xué)發(fā)光式和試紙光電光度式、光離子化式等氣體傳感器。電化學(xué)類(lèi)氣體傳感器是利用電化學(xué)性質(zhì)的氣體傳感器,該類(lèi)氣體傳感器包括:定電位電解式、伽伐尼電池式、固體電解質(zhì)等種類(lèi)的氣體傳感器。高分子氣敏材料氣體傳感器主要有高分子電阻式、高分子電介質(zhì)式、濃差電池式、聲表面波式、石英振子式等。利用材料的電學(xué)參量隨氣體濃度的變化而改變的特性制作的氣體傳感器為電學(xué)類(lèi)氣體傳感器。這類(lèi)氣體傳感器又可分為電阻式和非電阻式兩大類(lèi),其中非電阻式氣體傳感器是利用材料的電流或電壓隨氣體含量變化的特點(diǎn)而制成的傳感器,主要包括MOS二極管式、結(jié)型二極管式和場(chǎng)效應(yīng)管式,而電阻式氣體傳感器則通常主要有接觸燃燒式、熱導(dǎo)式、半導(dǎo)體氣體傳感器等等。世界上發(fā)達(dá)國(guó)家用于煤礦井下易燃易爆氣體監(jiān)測(cè)的方式主要有光干涉式、載體催化燃燒式兩種。光千涉式氣體監(jiān)測(cè)儀表是利用了光的干涉原理實(shí)現(xiàn)對(duì)已知待監(jiān)測(cè)氣體濃度的測(cè)量。比較典型的產(chǎn)品有礦用光干涉型CH4氣體監(jiān)測(cè)儀,它是利用不同種類(lèi)、不同濃度的氣體對(duì)光的折射率不同這一性質(zhì),針對(duì)CH4氣體設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)墓饴废到y(tǒng),把CH4氣體濃度的變化轉(zhuǎn)換成光的干涉條紋的位置變化。具體地說(shuō),就是采用一個(gè)光源,經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)設(shè)計(jì),使其分解為兩列光波,一路通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)空氣室,另一路穿過(guò)采樣氣室后在某處相遇,此時(shí)由于滿(mǎn)足光的相干條件,從而產(chǎn)生下涉條紋。把兩氣室都充有空氣時(shí)的干涉條紋作為初始位置,當(dāng)CH4氣體充入采樣室后,由于光程差的結(jié)果,干涉條紋會(huì)相對(duì)于原位置移動(dòng)一段距離,并且這個(gè)距.離將隨CH4氣體濃度的不同而產(chǎn)生相應(yīng)的變化。因此只要測(cè)量該位移量,就可以獲得CH4在空氣中的含量。該測(cè)量?jī)x測(cè)量范圍大,使用壽命長(zhǎng),但儀器設(shè)備大,價(jià)格高,測(cè)量不直觀,而且無(wú)法與監(jiān)控系統(tǒng)連接,因此在煤礦中的使用量逐年減少。在這二種氣體監(jiān)測(cè)儀表中,載體催化燃燒方式監(jiān)測(cè)可燃?xì)鉂舛鹊姆椒ㄒ蚱渚€性和穩(wěn)定性較好,以爆炸下限百分體積濃度為單位的濃度標(biāo)度方法能統(tǒng)一衡量各種可燃?xì)鉂舛人尸F(xiàn)的爆炸危險(xiǎn)度,且量程符合工業(yè)要求,故被較多的用于爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所可燃性氣體的測(cè)量。該監(jiān)測(cè)方式使用催化載體型氣體傳感器作濃度的檢知器,該元件由鉑絲上燒結(jié)一層陶瓷載體<如A12仇>后再涂覆催化活性物<Rh,Pd等>構(gòu)成。當(dāng)Pt絲中通以工作電流使之達(dá)到臨界反應(yīng)溫度<320一350OC>時(shí),可燃?xì)庠谠砻娲呋紵筆t絲電阻增加,在完全燃燒且熱輻射可忽略時(shí),電阻增量△凡與可燃?xì)鉂舛菴成正比,即有▲R=a*a*c*Q/Cp=ktC,<Kt=a*a*Q/Cp><l.1>a,a,Q,q分別為Pt電阻溫度系數(shù)、催化劑性能常數(shù)、可燃?xì)馊紵裏?、元件熱?故k是僅與元件及可燃?xì)夥N類(lèi)有關(guān)的常數(shù)。將△RF轉(zhuǎn)換成電信號(hào),通過(guò)這一阻值變化,轉(zhuǎn)換為電壓變化,從而通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換可得到被測(cè)氣體的濃度值。1.2煤礦氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r伴隨氣體傳感器的發(fā)展,氣體監(jiān)測(cè)儀器不斷更新。其類(lèi)型根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象可分為可燃性氣體監(jiān)測(cè)儀、毒性氣體監(jiān)測(cè)儀和氧氣監(jiān)測(cè)儀等;從儀器結(jié)構(gòu)和方法上分為袖珍式、便攜式和固定式。袖珍式儀器的采樣方法為擴(kuò)散式,用于在危險(xiǎn)環(huán)境中的工作人員隨身攜帶:便攜式儀器用泵吸式采樣,用于監(jiān)測(cè)人員定期安檢;固定式儀器用于煤礦井下固定地點(diǎn)氣體監(jiān)測(cè)。世界各國(guó)也均有煤礦瓦斯氣體監(jiān)測(cè)的系統(tǒng),如波蘭的DAN640O、法國(guó)的TF200、德國(guó)的MINOS和英國(guó)的Senturion-200等,其中全礦井綜合監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)有代表性的產(chǎn)品有美國(guó)MSA公司生產(chǎn)的系統(tǒng),德國(guó)BEBRO公司的PROMOS系統(tǒng)。但是這兩種系統(tǒng)只是基于井下監(jiān)測(cè),并無(wú)數(shù)據(jù)上傳,不能實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)控。我國(guó)監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用較晚,80年代初,從波蘭、法國(guó)、德國(guó)英國(guó)和美國(guó)等引進(jìn)了一批安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng),裝備了部分煤礦;在引進(jìn)的同時(shí),通過(guò)消化、吸收并結(jié)合我國(guó)煤礦的實(shí)際情況,先后由XX煤科院、XXXX煤科院等國(guó)內(nèi)知名煤礦科學(xué)研究所研制出KJ2、KJ4、KJS、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92、KJ95、KJ101等煤礦有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng),在我國(guó)煤礦己有大量使用,但其中很大一部分儀表的傳輸數(shù)據(jù)是模擬方式,將氣體濃度轉(zhuǎn)化為脈沖量,易受礦井下強(qiáng)電磁設(shè)備干擾,造成監(jiān)測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確,易出現(xiàn)誤報(bào)警等現(xiàn)象。1.3本課題的研究意義我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó),也是世界上少數(shù)幾個(gè)以煤為主要能源的國(guó)家之一。雖然通過(guò)煤炭生產(chǎn)、加工和利用等各個(gè)環(huán)節(jié),提供了相當(dāng)多的就業(yè)機(jī)會(huì),但每個(gè)環(huán)節(jié)卻同時(shí)帶來(lái)了環(huán)境污染、安全等一系列的問(wèn)題。其中之一便是有害氣體影響,包括CH4,CO,SO2等。后兩種氣體含量少,且SO2易溶于水,經(jīng)煤礦開(kāi)采時(shí)的噴水處理后變成酸。但是CH4氣體含量多,且?guī)缀醪蝗苡谒?屬于易燃易爆氣體,發(fā)生爆炸事極易造成人身傷害。因此,認(rèn)識(shí)并研制監(jiān)測(cè)這種氣體的新型系統(tǒng),顯得非常重要。瓦斯<CH4>是在成煤過(guò)程中形成并大量貯存于煤層之中的氣體,是煤礦井下危害最大的氣體。瓦斯是一種無(wú)色、無(wú)味的氣體,密度為0.7167kg/m3,對(duì)人體的危害是超限時(shí)能引起人窒息死亡。其有易燃、易爆等特點(diǎn),因此煤礦對(duì)瓦斯的治理應(yīng)非常重視。瓦斯的災(zāi)害主要表現(xiàn)為四個(gè)方面。第一、瓦斯?jié)舛冗^(guò)高,對(duì)工人身體健康的影響表現(xiàn)為缺氧,呼吸困難,窒息等。第二、瓦斯煤塵爆炸,瓦斯爆炸所產(chǎn)生的巨大沖擊波和高溫火焰,往往導(dǎo)致群死群傷,而且揚(yáng)起的煤塵又會(huì)參與爆炸,摧毀巷道,毀壞設(shè)備,甚至毀滅整個(gè)礦井,給國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。第二、煤中瓦斯突出。突出直接影響著工人的人身安全。第四、大量的瓦斯從通風(fēng)井排入大氣,污染大氣環(huán)境。我國(guó)煤礦的瓦斯災(zāi)害是比較嚴(yán)重的,瓦斯災(zāi)害始終是煤礦安全生產(chǎn)的大敵,日前已成為制約煤礦安全生產(chǎn)的主要矛盾。因此,研制先進(jìn)適用的煤礦氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)煤礦工業(yè)安全生產(chǎn),減少事故發(fā)生和生命財(cái)產(chǎn)損失有重要意義,市場(chǎng)應(yīng)用前景十分廣闊。1.4本課題的主要工作內(nèi)容日前國(guó)內(nèi)有一些用于煤礦中CH4氣體的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),但是很少有能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳,做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),本文針對(duì)煤礦氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì),閱讀了大量文獻(xiàn)及資料,研發(fā)了煤礦氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng),主要工作包括:l>甲烷氣體傳感器的選用2>單片機(jī)的選用3>系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)4>系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)5>通訊方式及通訊協(xié)議設(shè)計(jì)第二章煤礦氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特殊要求及設(shè)計(jì)原理本課題的研究目標(biāo),是設(shè)計(jì)一種能夠有效監(jiān)測(cè)煤礦瓦斯氣體的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并可以將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至地面監(jiān)控電腦,實(shí)施控制。為此,應(yīng)根據(jù)煤礦工作環(huán)境及煤礦巷道中氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用的特殊要求進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求技術(shù)指標(biāo)要求本課題對(duì)煤礦氣體監(jiān)測(cè)儀表及其所用氣體傳感器在技術(shù)指標(biāo)上的要求如下:1>應(yīng)用環(huán)境:煤礦氣體監(jiān)測(cè)2>監(jiān)測(cè)對(duì)象:監(jiān)測(cè)甲烷氣體3>測(cè)量范圍:甲烷O-10%4>靈敏度:0.01%5>響應(yīng)時(shí)間:30s6>功耗:100mW7>環(huán)境工作溫度范圍:一20一+70C8>環(huán)境工作濕度范圍:<95%RH隔爆儀表設(shè)計(jì)要求煤礦井下工作環(huán)境特殊,空間狹窄,濕度大,有易燃易爆的瓦斯和煤塵,所以,煤礦電器同一般電器有較大的區(qū)別。這就對(duì)煤礦電器有特殊要求,如體積要小,易于搬運(yùn),堅(jiān)固,防潮防水,防爆。屬于煤礦安全標(biāo)志管理目錄內(nèi)的礦用產(chǎn)品應(yīng)有安全標(biāo)志,電氣設(shè)備必須符合防爆要求,應(yīng)有接地、過(guò)流、漏電保護(hù)裝置。隔爆型儀表的主要特點(diǎn)是有一個(gè)可靠的隔爆外殼,它將把可能產(chǎn)生火花和危險(xiǎn)溫度的儀表傳感器、電阻電路及接線端子等,都放在隔爆外殼里,達(dá)到外殼內(nèi)可能發(fā)生的爆炸不影響周?chē)兹家妆镔|(zhì),它的設(shè)計(jì)方法與隔爆型電器和電機(jī)基本相類(lèi)似。如外殼的各配合面<隔爆面>的間隙大小和長(zhǎng)度要符合GB3836.2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求,另一方面外殼要有一定的機(jī)械強(qiáng)度,須達(dá)到外殼內(nèi)部爆炸參考?jí)毫Φ?.5倍壓力不損壞和變形等。隔爆型儀表設(shè)計(jì)須注意如下幾個(gè)方面:<l>確定合理的外殼結(jié)構(gòu)根據(jù)儀表的特點(diǎn),專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)與原結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的外殼,達(dá)到既不損害儀表原來(lái)使用特征又經(jīng)濟(jì)合理的外殼;外殼腔內(nèi)有細(xì)長(zhǎng)通道,避免腔內(nèi)發(fā)生壓力重疊現(xiàn)象;外殼的材質(zhì)采用新型的工程塑料和優(yōu)質(zhì)輕合金,結(jié)構(gòu)輕巧。<2>接線盒結(jié)構(gòu)隔爆型儀表設(shè)計(jì)帶有接線盒的隔爆外殼,且接線盒的防爆類(lèi)型為隔爆型。由于隔爆型儀表具有低電壓、小電流特點(diǎn),隔爆型儀表的主腔和接線盒貫通部分,可以盡量采取橡膠密封結(jié)構(gòu),使隔爆型儀表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,加工方便。<3>指示表結(jié)構(gòu)為了使井下工作人員及時(shí)地了解瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù),隔爆型儀表帶有指示表。指示表設(shè)計(jì)在儀表的主腔室,透明窗面積不大于100mm2,透明玻璃厚度大于8mm,與外殼密封采用橡膠密封措施。系統(tǒng)的功能在本項(xiàng)目中,煤礦氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能是能夠監(jiān)測(cè)CH4,同時(shí)本著方便應(yīng)用的原則,還應(yīng)具備聲光報(bào)警、人機(jī)界面操作、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及與PC機(jī)通訊等功能?；谶@些要求,儀表應(yīng)由敏感探頭、A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、顯示器、按鍵面板及報(bào)警模塊、通訊模塊等組成。由于在標(biāo)定和更新系統(tǒng)參數(shù)的時(shí)候,需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),這就需要擴(kuò)展儀表外設(shè)功能模塊,采用串口通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳。2.2設(shè)計(jì)原理本項(xiàng)目采用CH4氣體傳感器,研制無(wú)火焰燃燒式CH4氣體傳感器應(yīng)用系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)CH4的識(shí)別、濃度的測(cè)量、是否達(dá)到報(bào)警闌值的判斷以及數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳。氣體傳感器的選擇本文在實(shí)驗(yàn)階段,采用7只CH4氣體傳感器進(jìn)行參數(shù)測(cè)量。其催化元件是采用一種全新高活性的納米級(jí)過(guò)渡金屬合金低溫反應(yīng)催化劑作為新的敏感元件,取代傳統(tǒng)的瓦斯燃燒催化劑。這種新的合金催化劑不僅對(duì)瓦斯催化反應(yīng)的活性極高,臨界反應(yīng)溫度低,而且具有良好的催化選擇性,有利于提高報(bào)警器的靈敏性和準(zhǔn)確性。同時(shí)因反應(yīng)可在較低溫度進(jìn)行,催化劑性能穩(wěn)定,因而大大延長(zhǎng)了催化劑的使用壽命。這種敏感元件的外觀圖見(jiàn)圖,其具有抗氣體干擾能力強(qiáng)、選擇性好、反應(yīng)速度快、靈敏度高、線性和穩(wěn)定性好、功耗低、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。適用于煤礦井下作業(yè)環(huán)境測(cè)量空氣中的甲烷氣體濃度。圖元件外觀圖1.元件使用環(huán)境條件:溫度:-20℃—十70℃濕度:<95%RH風(fēng)速:<8m/s大氣壓力:80—116KPa2.零點(diǎn)輸出Vo0mv—+20mV<V。:空氣中的輸出電壓>3.靈敏度M>2mV<M:靈敏度>4.傳感器對(duì)多種可燃?xì)怏w的敏感特性圖表示CH4氣體敏感元件對(duì)各種氣體的反應(yīng)關(guān)系,從圖上我們可以看出敏感元件輸出電壓與對(duì)各種氣體濃度之間具有較好的線性關(guān)系。圖輸出Vo在不同氣體及濃度下的變化曲線5.溫濕度的影響1>恒定濕熱試驗(yàn):40℃,95%RH,%小時(shí)<見(jiàn)圖>。Y軸表示Vo的輸出電壓值。圖恒定濕熱實(shí)驗(yàn)圖2>低溫實(shí)驗(yàn)見(jiàn)表2氣敏元件在00C一表2.1低溫實(shí)驗(yàn)記錄圖-40C傳感器震蕩曲線圖6.高濃度甲烷實(shí)驗(yàn)將0—7#傳感器置于10%的甲烷環(huán)境中2小時(shí),放氣前后的數(shù)據(jù)狀態(tài)表2.2高濃甲烷實(shí)驗(yàn)放氣前后的數(shù)據(jù)7.穩(wěn)定性1>初始穩(wěn)定性a.在空氣中的初始穩(wěn)定性:貯存一周到一年的元件初始零點(diǎn)輸出可能不為零,只需在工作點(diǎn)電壓穩(wěn)定十分鐘后輸出零點(diǎn)將歸零:b.在氣體中的穩(wěn)定性:貯存一周到一年的元件剛開(kāi)始下作時(shí)靈敏度可能達(dá)不到最佳點(diǎn),只需在工作點(diǎn)電壓穩(wěn)定二十分鐘后輸出靈敏度將復(fù)原;2>長(zhǎng)期穩(wěn)定性圖長(zhǎng)期穩(wěn)定性單片機(jī)型號(hào)的選擇隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,單片機(jī)因具有集成度高、體積小、速度快、價(jià)格低等特點(diǎn)而在許多領(lǐng)域如過(guò)程控制、數(shù)據(jù)采集、機(jī)電一體化、智能化儀表、家用電器以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方面得到廣泛應(yīng)用,從而使這些領(lǐng)域的技術(shù)水平、自動(dòng)化程度大大提高。正因?yàn)槿绱藝?guó)內(nèi)外多家電子生產(chǎn)廠商把目光投向了單片機(jī)的生產(chǎn),其中最為著名的當(dāng)數(shù)INTEL公司生產(chǎn)的MCS—51系列單片機(jī)。單片機(jī)根據(jù)本課題的實(shí)際情況,單片機(jī)型號(hào)的選擇主要從以下兩點(diǎn)考慮:一是要有較強(qiáng)的抗干擾能力。由于甲烷氣體監(jiān)測(cè)傳感器處于煤礦礦井巷道中,一下作環(huán)境比較惡劣,以及實(shí)際的運(yùn)行工況比較復(fù)雜,這些都對(duì)單片機(jī)的干擾較大,所以應(yīng)采用抗干擾性能較好的單片機(jī)機(jī)型;二是要有較高的性?xún)r(jià)比。由于51系列在我國(guó)使用最廣泛且該系列的資料和能夠兼容的外圍芯片也比較多,特別是ATMEI副公司20XX推出的新一代895系列單片機(jī),其典型產(chǎn)品AT89552單片機(jī)具有較高的性能價(jià)格比。本文采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89552單片機(jī)作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部件,AT89552單片機(jī)是AT89S系列單片機(jī)中的一種,它是在現(xiàn)己廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制等各領(lǐng)域的AT89C52系列單片機(jī)的換代產(chǎn)品。它具有89C52的全部功能,是8OC51的增強(qiáng)型并且指令完全兼容,AT89S52新增加的功能由特殊功能寄存器完成,相信日后它將更廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制、汽車(chē)控制、智能儀器儀表及電機(jī)控制等應(yīng)用領(lǐng)域。T89552單片機(jī)的特點(diǎn)l>兼容MCS—51單片機(jī)2>SK字節(jié)FLASll存貯器支持在系統(tǒng)編程工SP1000次擦寫(xiě)周期3>256字節(jié)片內(nèi)RAM4>256作電壓吐4.0V到6.0V5>動(dòng)全靜態(tài)時(shí)鐘OHZ到33MHZ6>二級(jí)程序加密7>32個(gè)可編程l/0口8>3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器9>6個(gè)中斷源10>上電復(fù)位標(biāo)志11>完全的雙工UART串行口12>低功耗支持Idle和Power-down模式13>Powerdown模式支持中斷喚醒14>看門(mén)狗定時(shí)器L5動(dòng)雙數(shù)據(jù)指針此外,與AT89C52相比,AT89S52新增加了許多功能,這將使單片機(jī)在工作過(guò)程中具備史高的穩(wěn)定性和電磁抗千擾性。首先,AT89S52內(nèi)部增加了片內(nèi)看門(mén)狗定時(shí)器,這將有利于堅(jiān)固用戶(hù)應(yīng)用系統(tǒng),提高系統(tǒng)可靠性;其次,AT89S52獨(dú)有的雙數(shù)據(jù)指針使數(shù)據(jù)操作更加快捷方便;再次,AT89S52運(yùn)行速度更高,最高晶振可達(dá)到33MHZ;最后,AT89S52支持工ISP<In一SystemProgramming>在線下載功能。AT89S52中ISP引腳共有4個(gè):RST、MOSI、MI50和SCK。用戶(hù)可以直接替換應(yīng)用系統(tǒng)中的AT89C51/52,而軟件硬件均不需作任何修改,這給正使用AT89C52單片機(jī)的用戶(hù)史新?lián)Q代帶來(lái)許多方便。正因?yàn)锳T89S52單片機(jī)增加了高可靠性、安全性的功能,所以能避免因外部芯片擴(kuò)展過(guò)多或傳感器輸入信號(hào)過(guò)多而引起的信號(hào)失真、電磁千擾等現(xiàn)象的發(fā)生。因此,用它作為甲烷氣體測(cè)量可以滿(mǎn)足監(jiān)控、信息傳送的要求。而且,從經(jīng)濟(jì)性的角度來(lái)看,AT89S52不但硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,而且價(jià)格低、功能強(qiáng)、性?xún)r(jià)比高,符合我國(guó)工業(yè)設(shè)計(jì)制造的要求。第三章基于氣敏元件的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)本章將介紹基于甲烷氣體傳感器的氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)原理框圖,及其整體協(xié)調(diào)丁作實(shí)現(xiàn)的功能;系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)及其主要功能模塊;系統(tǒng)程序流程等內(nèi)容。3.1系統(tǒng)原理框圖基于氣體傳感器的甲烷氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由氣體傳感器、單片機(jī)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及LED顯示器以及RS—485通訊接口等部分組成,其原理框圖如圖3.1所示。采用單片機(jī)AT89S52構(gòu)成煤礦氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分,根據(jù)氣體傳感器及測(cè)量的信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)CH4的成分識(shí)別和濃度測(cè)量;使用按鍵面板輸入外部命令;采用ATMEL公司的DataFlash存儲(chǔ)器AT24CO2存儲(chǔ)設(shè)定的參數(shù)及大量的測(cè)量數(shù)據(jù);通過(guò)8只8段LED數(shù)碼管顯示氣體濃度:也可以在PC機(jī)控制模式下,采用RS—485協(xié)議,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。圖3.1系統(tǒng)硬件原理框圖3.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理圖見(jiàn)附錄,下面介紹其主要組成部分以及它們實(shí)現(xiàn)的功能。系統(tǒng)電源該系統(tǒng)系統(tǒng)電源電路圖如圖3.2所示,Vin是外部輸入電源,采用的是12V/3A的直流電源。CZ,C4的作用是對(duì)LM317電壓調(diào)節(jié)端<ADJ>的電壓進(jìn)行濾波,以提高輸出電壓的穩(wěn)定性;Dl、D2起保護(hù)作用,當(dāng)有意外情況使得LM317的Vin電壓比Vout電壓還低的時(shí)候,防止從C3,C4上有電流倒灌入LM317引起其損壞。整個(gè)系統(tǒng)用電可以劃分為兩部分:HVCC是LED顯示器模塊、氣體傳感器加熱、傳感器信號(hào)監(jiān)測(cè)回路及A/D轉(zhuǎn)換參考電源模塊輸入需要的9.58V工作電壓;VCC是單片機(jī)等集成芯片需要5V的下作電壓。電源部分的核心器件是二端可調(diào)輸出集成穩(wěn)壓器LM317。LM317是美國(guó)國(guó)家半公司的三端一可調(diào)整流穩(wěn)壓器集成電路,輸出電壓范圍是1.25v至37v,負(fù)載電流最人為1.5A。它的使用非常簡(jiǎn)單,僅需兩個(gè)外接電阻來(lái)設(shè)置輸出電壓,此外線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率也比標(biāo)準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓器好。內(nèi)置過(guò)載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。輸出引腳3與調(diào)節(jié)引腳1之間保持1.25V的參考電壓Vref,并且引腳3為正端。當(dāng)調(diào)節(jié)端接地時(shí),輸出端輸出1.25V。由Vin端提供工作電壓以后,便可以保持\/out端<3腳>比ADJ端<1腳>的電壓高1.25V。因此,只需要用極小的電流來(lái)調(diào)整A川端的電壓,便可在Vout端得到比較大的輸出電流,并且輸出電壓比ADJ立品電壓高出恒定的1.25V。LM317的輸出電壓二1.25X<I+ADJ端到地的電阻/ADJ端到Vout端的電阻>。通過(guò)調(diào)整接入ADJ端和Vout端電阻的比值,來(lái)改變輸出電壓。值得注意的是,LM317有一個(gè)最小負(fù)載電流的問(wèn)題,即只有負(fù)載電流超過(guò)某一值時(shí),才能起到穩(wěn)壓作用。這個(gè)電流隨器件的生產(chǎn)廠家而有所差異,一般在3—8mA不等,可以通過(guò)在負(fù)載端接一個(gè)合適的電陰來(lái)解決。依據(jù)LM317的輸出電壓計(jì)算公式,可以得到圖3.2中LMI的輸出:HVCC=Vref〔1+R1\R2>其中：Vref=1.25VR1=1000∏,R2=10∏.數(shù)據(jù)代入上式得：HVCC=9.58。另外LM2的輸出：VCC=Vref〔1+R3\R4>其中：Vref=1.25V,R3=460∏,R4=150∏。數(shù)據(jù)代入公式得到：VCC=5.08v.圖3.2系統(tǒng)電源電路圖氣體傳感器加熱及其信號(hào)采樣氣體傳感器加熱及其信號(hào)采樣電路圖如圖3.3所示,由LM317提供加熱電壓。其中,llVCC是輸入電壓,V巨是氣體傳感器的力I:熱電壓,VH是監(jiān)測(cè)回路的工作電壓,G剛>為氣體傳感器加熱地,VSS為信號(hào)采樣地,RS為氣體傳感器的敏感體電阻,R:_為取樣電阻。傳感器加熱電壓高,加熱絲的電阻值小,這樣勢(shì)必導(dǎo)致流經(jīng)加熱回路的電流大:另外,為了方便測(cè)量,傳感器探頭電路與儀表數(shù)據(jù)處理電路不在同一個(gè)電路板_!_,而是用了比較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)線相連。如果采樣地與加熱地共用一條回路,采樣地就會(huì)流過(guò)較大的電流,這樣就能在信號(hào)采樣線上產(chǎn)生很大的壓降,從而導(dǎo)致采集的信號(hào)受信號(hào)采集線的長(zhǎng)短影響較大。必須把加熱地與信號(hào)地分離開(kāi),才能降低干擾。依據(jù)LM317的輸出電壓一計(jì)算公式,可以得到:VE=Vref〔1+R1\R2>其中：Vref=1.25V,R=470∏,R2=150。數(shù)據(jù)代入公式得到：VE=5.17。圖3.3氣體傳感器加熱及信號(hào)采樣電路圖模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選用的是美國(guó)模擬器件公司<AnalogDeviceS>生產(chǎn)的一種低功耗10位高速串行A/D轉(zhuǎn)換器AD7810,其轉(zhuǎn)換精度為。模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí),參考電源的穩(wěn)定性很重要,在本系統(tǒng)中外部電源是由TL431及其外圍電路供給。根據(jù)歐姆定律,得到氣體傳感器的輸出電壓:經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后,換算出氣體傳感器輸出電壓:其中:VAD是A/D的轉(zhuǎn)換結(jié)果。由以上兩式聯(lián)立得:上式簡(jiǎn)化得到：從上式可以看出,Rs與采樣回路電壓VH無(wú)關(guān),只要保證參考電壓VH穩(wěn)定就可以。如果確定了采樣電阻R.,以及A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果,就可以得到氣體傳感器得敏感體電阻。傳感器信號(hào)監(jiān)測(cè)回路及A/D轉(zhuǎn)換參考電源傳感器信號(hào)監(jiān)測(cè)回路及A/D轉(zhuǎn)換參考電源電路圖如圖3.4所示,主要由三極管和TL431組成。TL431是Tl公司生產(chǎn)的一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)精密電壓基準(zhǔn)集成電路,引腳分別為:陰極<CATHODE>、陽(yáng)極<ANODE>和參考端<REF>;輸出電壓范圍是2.5v到:36v;典型動(dòng)態(tài)阻抗為0.2∏,輸出雜波低。在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管,例如,數(shù)字電壓表,運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源,開(kāi)關(guān)電源等等。該器件內(nèi)部有一個(gè)的2.5V基準(zhǔn)源V工,接在內(nèi)部運(yùn)放的反相輸入端。由運(yùn)放的特性可知,只有當(dāng)REF<同相端>的電壓非常接近VI時(shí),三極管中才會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的非通過(guò)從陰極到陽(yáng)極很寬范圍的分流來(lái)控制輸出電壓。需要注意的是,在選擇電阻時(shí)必須保證TL431工作的必要條件,即通過(guò)陰極的電流要大于lmA。圖3.4中,R8和R6對(duì)VH的分壓引入反饋。若輸出增大,則反饋量增大,TL431的分流也就增加,從而又導(dǎo)致VH下降?？梢?jiàn),這個(gè)深度的負(fù)反饋電路必然在VI等于基準(zhǔn)電爪處穩(wěn)定,此時(shí)TL431的輸出:其中:Vref=2.5V,R6=200Π,R8=1000∏。數(shù)數(shù)據(jù)代入公式得到:VH=3V。為了降低系統(tǒng)功耗,用單片機(jī)I/O口控制該電源的工作狀態(tài)。當(dāng)I/O為高電平"1”時(shí),NPN三極管Q1導(dǎo)通,其集電極為低電平,從而使PNP三極管Q2基極拉低,其射極輸出高電平,這樣就能滿(mǎn)足TIJ431的工作條件,從而可以得到VH=3V的輸出電壓；當(dāng)I/O為低電平"0”時(shí),NPN二極管Q1截止,其集電極為高電平,從而使PNP三極管Q2基極為高,Q圖3.4傳感器信號(hào)監(jiān)測(cè)回路及A/D轉(zhuǎn)換參考電源電路圖模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7810的原理及應(yīng)用AD7810是美國(guó)模擬器件公司<AnalogDeviCeS>生產(chǎn)的一種低功耗10位高速串行A/D轉(zhuǎn)換器。該產(chǎn)品有8腳DIP和SOIC兩種封裝形式,并帶有內(nèi)部時(shí)鐘。它的外圍接線極其簡(jiǎn)單,AD781O的轉(zhuǎn)換時(shí)間為2us,采用標(biāo)準(zhǔn)SPI同步串行接口輸出和單一電源<2.7V一5.5V>供電。在自動(dòng)低功耗模式下,該器件在轉(zhuǎn)換吞吐率為1kSPS時(shí)的功耗僅為27uW。1.AD7810引腳功能AD7810引腳排列如圖1所示,各引腳的功能如下:1腳CONVST:轉(zhuǎn)換啟動(dòng)輸入信號(hào)2腳VlN+:模擬信號(hào)同相輸入端3腳VIN—:模擬信號(hào)反相輸入端4腳GND:接地端口5腳Vref:轉(zhuǎn)換參考電壓輸入端6腳DOUT:串行數(shù)據(jù)輸出端7腳SCLK:時(shí)鐘輸入端8腳VDD:電源端圖3.5AD7810引腳功能2.AD7810主要參數(shù)l>分辨率:10位二進(jìn)制2>轉(zhuǎn)換時(shí)間:2uS3>非線性誤差:1LSB4時(shí)電源電>長(zhǎng)范圍:2.7—5.5V5>電源功耗:高速方式時(shí)為17.5mW,低功耗方式時(shí)為5uW6>參考電壓Vref范圍:1.2V—VDD7>模擬電壓輸入范圍:0V一Vref8>輸出形式:SPI同步串行輸出,與TTL電平兼容。3.D7810的工作模式3.1高速模式圖3.6是AD7810工作在高速模式時(shí)的時(shí)序圖。在此模式下,啟動(dòng)信號(hào)CONVST一般處于高電平。在CONVST端輸入一個(gè)負(fù)脈沖,其下降沿將啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換。若采用內(nèi)部時(shí)鐘,那么,轉(zhuǎn)換需要2uS的時(shí)間<圖中tl>。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),AD7810會(huì)自動(dòng)將轉(zhuǎn)換結(jié)果鎖存到輸出移位寄存器中。此后,在每一個(gè)SCLK脈沖的上升沿,數(shù)據(jù)按由高到低的原則<首先發(fā)送DB8,最后發(fā)送DBO>依次出現(xiàn)在DOUT上。如果在轉(zhuǎn)換還未結(jié)束之前就發(fā)出SCLK信號(hào)來(lái)啟動(dòng)數(shù)據(jù)輸出,那么,在DOUT上出現(xiàn)的將是上一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果。圖3.6AD78l0高速模式時(shí)序圖啟動(dòng)信號(hào)CONVST應(yīng)在轉(zhuǎn)換結(jié)束前變?yōu)楦唠娖?即t2應(yīng)小于tl,否則器件將自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式。另外,串行時(shí)鐘SCLK的最高頻率不能超過(guò)20MHz。3.2自動(dòng)低功耗模式圖3.7是AD7810下作在自動(dòng)低功耗模式時(shí)的時(shí)序圖。在此模式下,啟動(dòng)信號(hào)CONVST為低電平時(shí),器件處于低功耗休眠狀態(tài)。當(dāng)在CONVST端輸入一個(gè)正脈沖時(shí),可在其上升沿將器件從休眠狀態(tài)喚醒,喚醒過(guò)程需要1uS的時(shí)間<圖中t2>。當(dāng)器件被喚醒后,系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換時(shí)間也是2uS圖中tl>。轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),AD7810將轉(zhuǎn)換結(jié)果鎖存到輸出移位寄存器中,同時(shí)自動(dòng)將器件再一次置于低功耗狀態(tài)。圖3.7AD781O自動(dòng)低功耗模式啟動(dòng)信號(hào)CONVST正脈沖的寬度<圖3.7中t2>應(yīng)小于1ps,否則器件被喚醒后將不會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換,而是將A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)時(shí)間順延至CONVST的下降沿處。自動(dòng)低功耗模式是AD7810的一大特色,一般當(dāng)數(shù)據(jù)吞吐率小于100kSPS時(shí),應(yīng)使器件工作在此模式下。在5V電源電壓下,當(dāng)數(shù)據(jù)吞吐率為100kSPS時(shí),器件的功耗2.7mW;而當(dāng)數(shù)據(jù)吞吐率為10kS時(shí),功耗為270。W;若數(shù)據(jù)吞吐率為1KSPS,則其功耗僅27uW。4.AD7810的應(yīng)用電路AD7810應(yīng)用時(shí)幾乎不需外圍元件。圖3.8所示是其應(yīng)用電路,其參考電壓Vref連接至參考電源VH,模擬輸入VIN-接至GND,而待由氣體傳感器輸出的信號(hào)從VIN+輸入。圖3.8AD78lO應(yīng)用電路AD7810幾乎與各種MCU進(jìn)行接口,圖3.8中的MCU可以是51系列或PIC16C6x/7x單片機(jī)。在本論文中AD7810與AT89S52接口時(shí),電路采用的是一種模擬串口方式,AD7810的SCLK、DOUT和CONVST分別接至AT89552的Pl.5、Pl.6和P1.7,只要嚴(yán)格按照AD7810的時(shí)序要求操作,一般接口都不會(huì)有問(wèn)題。這種方式實(shí)際上可擴(kuò)展到所有的MCU種類(lèi)。另外,AT89S52也可利用其串行口工作方式0與八AD7810進(jìn)行通訊<圖中未畫(huà)出>,但這時(shí)應(yīng)解決好兩個(gè)問(wèn)題:一是由于AT89S52在TXD的上升沿進(jìn)行采樣,這樣,TXD應(yīng)經(jīng)過(guò)一個(gè)反相器再接到SCLK,而將RXD接至Dout,然后將CONVSI接至任意一個(gè)輸出端口。二是AT89S52串行口首先接收低位數(shù)據(jù),這一點(diǎn)與AD7810剛好相反,編程時(shí)需要注意。MAX7219顯示電路本課題中氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作環(huán)境是處于比較黑暗的礦井巷道中,所以不宜采用液晶顯示模塊,而采用了發(fā)光柔和的LEO數(shù)碼管作顯示,顯示顏色為紅色。發(fā)光數(shù)碼粉的優(yōu)點(diǎn)在于防潮防濕,溫度特性極佳,而且有遠(yuǎn)距離視覺(jué)效果,很適合礦井下惡劣環(huán)境的需要。而我們使用的單片機(jī)AT89552本身并無(wú)顯示接口部分,需要外接顯示的譯碼驅(qū)動(dòng)電路。LED數(shù)碼管顯示有動(dòng)態(tài)顯示和靜態(tài)顯示兩種方式。通常小管采用哪種顯示方式,單片機(jī)往往都工作于并行工/0或存儲(chǔ)器方式。在本課題的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)中,利用MAXIM公司的串行接口8位LED顯示驅(qū)動(dòng)器MAX7219構(gòu)成顯示接口電路,僅需使用單片機(jī)3個(gè)引腳,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)8位LED數(shù)碼管的顯示控制和驅(qū)動(dòng),線路非常簡(jiǎn)單,控制簡(jiǎn)單方便?！瞝MAX7219的功能和設(shè)置MAX7219芯片為MAXIM公司推出的串行輸入/輸出共陰極顯示驅(qū)動(dòng)器,是用一個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)以往用軟件完成的動(dòng)態(tài)顯示電路掃描工作的器件。每片可控制顯示8個(gè)七段LED數(shù)碼管、條形圖或64個(gè)發(fā)光二極管,控制字簡(jiǎn)單。為24引腳芯片,除與顯示器連接外,與微機(jī)串行口為3線連接,芯片外部電路僅為一限制峰值段電流的電阻,線路簡(jiǎn)單,極大地方便了對(duì)顯示器件的控制。該芯片控制的顯示位數(shù)多,控制字少,可對(duì)全部或個(gè)別顯示位的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。并可方便地進(jìn)行多個(gè)芯片的級(jí)聯(lián),擴(kuò)展顯示容量。MAX7219有多種封裝形式,如窄式DIP封裝和SOP封裝等。MAX7219的串行數(shù)據(jù)格式如表3.1所示。其中:D12一D15位不用;D8一Dll為顯示位和各種一廠作方式的控制寄存器地址位,可選擇要顯示的位、解碼方式、顯示亮度、掃描位數(shù)、停止方式、顯示測(cè)試等,其地址分布如表3.2所示;D0一D7為數(shù)據(jù)位,其形式與顯示出的數(shù)字間的關(guān)系與解碼方式有關(guān)。表3.2中X可為16進(jìn)制任意值,一般取為0。每組16位數(shù)據(jù)中,首先接收的為最高有效位,最后接收的為最低有效位。表3.1MAX7219串行數(shù)據(jù)格式解碼方式寄存器可設(shè)置各位數(shù)碼管為解碼顯示方式,或非解碼的數(shù)據(jù)位與顯示段直接對(duì)應(yīng)的顯示方式。亮度寄存器用于與外部電阻配合控制數(shù)碼管的顯示亮度。掃描限制寄存器控制顯示的位數(shù)。停機(jī)寄存器控制顯示器為停機(jī)或正常工作狀態(tài),停機(jī)狀態(tài)下描振蕩器停止工作,消隱所有顯示位。顯示測(cè)試寄存器設(shè)置器件為正常一「作或測(cè)試狀態(tài)?？詹僮骷拇嫫饔糜诙鄠€(gè)MAX7219級(jí)連。器件上電后所有控制寄存器復(fù)位。解碼方式寄存器的值為非解碼方式,亮度寄存器的值設(shè)置為最小,掃描寄存器設(shè)置為僅顯示1位,停機(jī)寄存器處于停機(jī)狀態(tài),顯示消隱。因此MAX7219必須經(jīng)過(guò)初始化后才可正常工作。MAX7219的工作時(shí)序如圖3.9所示。數(shù)據(jù)由DIN引腳輸入,最先輸入的為最高位,在CI;K的上升沿將數(shù)據(jù)位移入器件內(nèi)的移位寄存器,LOAD引腳信號(hào)的上升沿將最后移入的16位數(shù)據(jù)鎖存入相的寄存器中,LOAD信號(hào)的上升沿必須與CIK的上升沿同時(shí),或在其后。從DIN輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)16.5個(gè)CLK脈沖后移到DOUT引腳上。表3.2MAx7219地址格式〔2單片機(jī)的串行工作方式AT89S52單片機(jī)串行口有四種發(fā)送工作方式,其中方式0每幀共發(fā)送8位數(shù),其他下作方式下每幀發(fā)送均不為8位數(shù)或其倍數(shù)。因此只能考慮使用方式0。串行口工作于方式0時(shí),通過(guò)P1.0引腳發(fā)送/接收串行數(shù)據(jù),通過(guò)Pl.1引腳發(fā)送移位時(shí)鐘脈沖。發(fā)送順序?yàn)榈臀辉谇?高位在后,與MAX7219的接收順序相反。從單片機(jī)時(shí)序上看,只需在發(fā)送前將顯示數(shù)據(jù)和地址碼的高低位順序顛倒,利用串行方式0進(jìn)行發(fā)送,每發(fā)送兩次,就可向MAX7219輸出一個(gè)要顯示的數(shù)據(jù)或控制寄存器參數(shù)。而在單片機(jī)與MAX7219的時(shí)序配合中,時(shí)鐘脈沖的配合是非常關(guān)鍵的。圖3.9MAX7219時(shí)序圖<3>單片機(jī)與MAX7219的連接控制系統(tǒng)單片機(jī)與MAX7219及顯示器件的連接如圖3.10所示。單片機(jī)的Pl.0、P1.1引腳分別接MAX7219的DIN、CLK,以Pl.2控制LOAD引腳。由于MAX7219是在脈沖信號(hào)控制下工作的,抗干擾非常關(guān)鍵,在線路上,MAX7219應(yīng)盡量與顯示器件相靠近,以減少外部的干擾。圖3.10MAX7219電路連接圖〔4控制程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中單片機(jī)采用中斷方式對(duì)MAX7219進(jìn)行控制,傳送16位數(shù)據(jù)的地址位和數(shù)據(jù)位。在主程序中,包括串行方式的設(shè)置、顯示緩沖單元和各控制寄存器的地址碼及數(shù)據(jù)單元的分配、對(duì)MAX7219的初始化等。由于MAX7219易受干擾影響,因此在程序執(zhí)行過(guò)程中應(yīng)經(jīng)常對(duì)顯示進(jìn)行更新。3.2.6I2C總線接口電路I2C〔1I2C采用廠C總線標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)或兀器件,其內(nèi)部不僅有工ZC接口電路,而且將內(nèi)部各渾七兒電路按功能劃分為若干相對(duì)獨(dú)立的模塊,通過(guò)軟件尋址實(shí)現(xiàn)片選,減少了器件片選線的連接。C四不僅能通過(guò)指令將某個(gè)功能單元電路掛靠或摘離總線,還可對(duì)該單元的工作狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件系統(tǒng)的既簡(jiǎn)單又靈活的擴(kuò)展與控制。I2C圖3.11I2C〔2雙向傳輸?shù)慕涌谔匦詡鹘y(tǒng)的單.片機(jī)串行接口的發(fā)送和接收一般都各用一條線,如MCS51系列的TXD和RXD,而I2C總線則根據(jù)器件的功能通過(guò)軟件程序使其可工作于發(fā)送或接收方式。當(dāng)某個(gè)器件向總線土發(fā)送信息時(shí),它就是發(fā)送器<也叫主器件>,而當(dāng)其從總線上接收信自、時(shí),又成為接收器<也叫從器件>。主器件用于啟動(dòng)總線上傳送數(shù)據(jù)井產(chǎn)生時(shí)鐘以開(kāi)放傳送的器件,此時(shí)任何被尋址的器件均被認(rèn)為是從器件。I2總線上主和從<即發(fā)送和接收>的關(guān)系不是一成不變的,而是取決于此時(shí)數(shù)據(jù)傳送的方向。SDA和SCL均為雙向I/0線,通過(guò)上拉電阻接正電源。當(dāng)總線空閑時(shí),兩根線都是高電平。連接總線的器件的輸出級(jí)必須是集電極或漏極開(kāi)路,以具有線"與"功能。工藝C總線的數(shù)據(jù)傳送速率在標(biāo)準(zhǔn)工作方式下為10Okbit/s,在快速方式下,最高傳送速率可達(dá)400kbit/s?！?I2C在I2C〔4數(shù)據(jù)的傳送在數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中,必須確認(rèn)數(shù)據(jù)傳送的開(kāi)始和結(jié)束。在I2C圖3.12I2CI2C總線的數(shù)據(jù)傳送格式是:在I2C總線開(kāi)始信號(hào)后,送出的第一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)是用來(lái)選擇從器件地址的,其中前7位為地址碼,第8位為方向位<R/W>。方向位為"0”在I2C總線土侮次傳送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)不限,但每一個(gè)字節(jié)必須為8位,而且每個(gè)傳送的字節(jié)后面必須跟一個(gè)認(rèn)可位<第9位>,也叫應(yīng)答位<ACK>。每次都是先傳最高位,通常從器件在接收到每個(gè)字節(jié)后都會(huì)作出響應(yīng),即釋放SCL線返回高電平,準(zhǔn)備接收下一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié),主器件可繼續(xù)傳送。如果從器件正在處理一個(gè)實(shí)時(shí)事件而不能接收數(shù)據(jù)時(shí),<例如正在處理一個(gè)內(nèi)部中斷,在這個(gè)中斷處理完之前就不能接收I2當(dāng)與主器件發(fā)送完一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)后,接著發(fā)出對(duì)應(yīng)于SCL線上的一個(gè)時(shí)鐘<ACK>一認(rèn)可位,在此時(shí)鐘內(nèi)主器件釋放SDA線,一個(gè)字節(jié)傳送結(jié)束,而從器件的響應(yīng)信號(hào)將S觸線拉成低電平,使SDA在該時(shí)鐘的高電平期間為穩(wěn)定的低電平。從器件的響應(yīng)信號(hào)結(jié)束后,SDA線返回高電平,進(jìn)入下一個(gè)傳送周期。<5>I2C總線接口器件日前在視頻處理、移動(dòng)通信、數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域采用工ZC總線接口器件己經(jīng)比較普遍。另外,通用的I2C總線接口器件,如帶I2AT24C02是美國(guó)ATMEl公司的低功耗CMOS串行EEPROM,它是內(nèi)含256*8位存儲(chǔ)空間,具有工作電壓寬<2.5一5.5V>、擦寫(xiě)次數(shù)多<大于10000次>、寫(xiě)入速度快<小于10ms>等特點(diǎn)。AT24C02與AT89S52連接電路見(jiàn)圖3.13。圖3.13AT24CO2與AT89S52連接電路圖圖中AT24C02的1、2、3腳是三條地址線,用于確定芯片的硬件地址。它們都接地,第8腳和第4腳分別為正、負(fù)電源。第5腳SDA為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出,數(shù)據(jù)通過(guò)這條雙向工七總線串行傳送,和單片機(jī)的P3.7連接。第6腳SCL為串行時(shí)鐘輸入線,和單片機(jī)的P3.6連接。SDA和SCL都需要和正電源間各接一個(gè)5.IK的電阻上拉。第7腳需要接地。RS一485串口通訊本節(jié)主要介紹RS—485的標(biāo)準(zhǔn),并從幾個(gè)方面簡(jiǎn)要介紹了本課題在用RS一485進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊時(shí)提高可靠性的一些措施。RS—485作為一種多點(diǎn)差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)范現(xiàn)已成為業(yè)界應(yīng)用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)通信接口之一,這種通信接口允許在簡(jiǎn)單的一對(duì)雙絞線上進(jìn)行多點(diǎn)雙向通信。它所具有的噪聲抑制能力、數(shù)據(jù)傳輸速率、電纜長(zhǎng)度及可靠性等方面是其他標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法比擬的。因此,許多不同領(lǐng)域都采用RS—485作為數(shù)據(jù)傳輸鏈路。例如:汽車(chē)電子電信設(shè)備局域網(wǎng)、蜂窩基站工業(yè)控制儀器儀表等等。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)得到廣泛接受的另外一個(gè)原因是它的通用性。RS—485標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)接口的電氣特性做出規(guī)定而不涉及接插件電纜或協(xié)議,在此基礎(chǔ)上用戶(hù)可以建立自己的高層通信協(xié)議。盡管RS—485標(biāo)準(zhǔn)已被廣泛接受,但是對(duì)于它在實(shí)際應(yīng)用中的一些具體問(wèn)題并沒(méi)有得到深入廣泛的認(rèn)識(shí),甚至存在著種種誤區(qū)以至于影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。本節(jié)在介紹RS—485標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上重點(diǎn)討論幾個(gè)在本課題實(shí)際應(yīng)用中注意的幾個(gè)方面?！?RS一485標(biāo)準(zhǔn)回顧RS—485標(biāo)準(zhǔn)最初山電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA于1983年制訂并發(fā)布,后由TIA通訊工業(yè)協(xié)會(huì)修訂后命名為T(mén)IA/EIA—485—A,不過(guò)工程師還是習(xí)慣地稱(chēng)之為RS—485,RS—485由RS—422發(fā)展而來(lái),后者是為彌補(bǔ)RS—232之不足而提出的為改進(jìn)RS一232通信距離短、速率低的缺點(diǎn)。RS—422定義了一種平衡通信接口將傳輸速率提高到10Mbps,傳輸距離延長(zhǎng)到4000英尺<速率低于I100kbpS時(shí)>,并允許在一條平衡線上連接最多10個(gè)接收器。RS—422是一種單機(jī)發(fā)送多機(jī)接收的單向平衡傳輸規(guī)范,為擴(kuò)展應(yīng)用范圍隨后又為其增加了多點(diǎn)雙向通信能力,即允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上,同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性擴(kuò)展了總線共模范圍,這就是后來(lái)的EIARS—485標(biāo)準(zhǔn)。RS—485是一個(gè)電氣接口規(guī)范,它只規(guī)定了平衡驅(qū)動(dòng)器和接收器的電特性,而沒(méi)有規(guī)定接插件傳輸電纜和通信協(xié)議。RS—485標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)基于單對(duì)平衡線的多點(diǎn)雙向半雙工通信鏈路,是一種極為經(jīng)濟(jì)、并具有相當(dāng)高噪聲抑制、傳輸速率、傳輸距離和寬共模范圍的通信平臺(tái)。RS—485接口的主要特點(diǎn)如下:l>平衡傳輸2>多點(diǎn)通信3>驅(qū)動(dòng)器輸出電壓<帶載>>≥1.54>接收器輸入門(mén)限:200mV5-7V至+12v總線共模范圍6>最大輸入電流:1.0mA/0.8mA〔12Vin/-7Vin7>最大總線負(fù)載:32個(gè)單位負(fù)載<UL>8>最人傳輸速率:10MbPs9>最大電纜長(zhǎng)度:1200m〔2RS一485通信硬件電路設(shè)計(jì)在使用RS—485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí),如果簡(jiǎn)單地按常規(guī)方式設(shè)計(jì)電路,在實(shí)際工程中,可能有以下兩個(gè)問(wèn)題出現(xiàn)。一是通信數(shù)據(jù)收發(fā)的可靠性問(wèn)題;二是在多機(jī)通信方式下<圖3.14>,一個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障<如死機(jī)>,往往會(huì)使得整個(gè)系統(tǒng)的通信樞架崩潰,而且給故障的排查帶來(lái)困難,針對(duì)上述問(wèn)題,我們對(duì)485總線的軟硬件采取了具體的改進(jìn)措施。圖3.14RS—485系統(tǒng)示意圖1>硬件電路的設(shè)計(jì)在論計(jì)中采用AT89S52單片機(jī)自帶的異步通信口,外接MAX485芯片轉(zhuǎn)換成485總線。其中為了實(shí)現(xiàn)總線與單片機(jī)系統(tǒng)的隔離,在AT89S52的異步通信口與MAX485之間采用光耦隔離。電路原理圖如圖3.15所示。圖3.15485通信電路原理圖MAX485各引月卻意義如下:l>RO:接收數(shù)據(jù)的TTL電平輸出2>RE:低電平有效的接收允許3>DE:高電平有效的發(fā)送允許4DI:發(fā)送數(shù)據(jù)的TTL電平輸入5>A:485差分信號(hào)的正向端6>B:485差分信號(hào)的反向端充分考慮現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜環(huán)境,在電路設(shè)計(jì)中注意了以下三個(gè)問(wèn)題。1.MAX85芯片DE控制端的設(shè)計(jì)由于應(yīng)用系統(tǒng)中,主機(jī)與分機(jī)相隔較遠(yuǎn),通信線路的總長(zhǎng)度往往超過(guò)400米,而分機(jī)系統(tǒng)工電或復(fù)位又常常不在同一個(gè)時(shí)刻完成。如果在此時(shí)某個(gè)MAX485的DE端電位為"l",那么它的455總線輸出將會(huì)處于發(fā)送狀態(tài),也就是占用了通信總線,這樣其它的分機(jī)就無(wú)法與主機(jī)進(jìn)行通信。這種情況尤其表現(xiàn)在某個(gè)分機(jī)出現(xiàn)異常情況下<死機(jī)>,會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)通信崩潰。因此在電路設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)保證系統(tǒng)上一七復(fù)位時(shí)MAX485的DE端電位為"0”口輸出高電平,故圖3.巧電路的接法有效地解決復(fù)位期間分機(jī)"咬"總線的問(wèn)題。2.隔離光禍電路的參數(shù)選取在瓦斯數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,由于要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及響應(yīng),通信數(shù)據(jù)的波特率往往做得較高<通常都在4800波特以上>。限制通信波特率提高的"瓶頸",并不是現(xiàn)場(chǎng)的導(dǎo)線<現(xiàn)場(chǎng)施工一般使用5類(lèi)非屏蔽的雙絞線>,而是在與單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)隔離的光禍電路上。此處采用TILll7。電阻R2、R3如果選取得較大,將會(huì)使光禍的發(fā)光管由截止進(jìn)入飽和變得較慢;如果選取得過(guò)小,退出飽和也會(huì)很慢,所以這兩只電阻的數(shù)值要精心選取,不同型號(hào)的光藕及驅(qū)動(dòng)電路使得這兩個(gè)電阻的數(shù)值略有差異,這一點(diǎn)在電路設(shè)計(jì)中要特別慎重,不能隨意,通常可以由實(shí)驗(yàn)來(lái)定。3.485總線輸出電路部分的設(shè)計(jì)輸出電路的設(shè)計(jì)要充分考慮到線路上的各種干擾及線路特性阻抗的匹配。由于工程環(huán)境比較復(fù)雜,現(xiàn)場(chǎng)常有各種形式的干擾源,所以485總線的傳輸端一定要加有保護(hù)措施。在電路設(shè)計(jì)中采用穩(wěn)壓管Dl、D2組成的吸收回路,也可以選用能夠抗浪涌的TVS瞬態(tài)雜波抑制器件,或者直接選用能抗雷擊的485芯片<如SN75LBC184等>。考慮到線路的特殊情況<如某一臺(tái)分機(jī)的485芯片被擊穿短路>,為防止總線中其它分機(jī)的通信受到影響,在MAX485的485信號(hào)輸出端串聯(lián)了兩個(gè)20∏的電阻R10、R11。這樣本機(jī)的硬件故障就不會(huì)使整個(gè)總線的通信受到影響。在應(yīng)用系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)采集中,由于通信載體是雙絞線,它的特性阻抗為120。左右,所以線路設(shè)計(jì)時(shí),在RS—485網(wǎng)絡(luò)傳輸線的始端和末端各應(yīng)接1只120∏的匹配電阻<如圖3.15中R8>,以減少線路上傳輸信號(hào)的反射。由于RS一485芯片的特性,接收器的監(jiān)測(cè)靈敏度為士200mV,即差分輸入端vA一VB>+200mV,輸出邏輯1,VA一VB[-200mV,輸出邏輯0;而A、B端電位差的絕對(duì)值小于200mV時(shí),輸出為不確定。如果在總線上所有發(fā)送器被禁止時(shí),接收器輸出邏輯O,這會(huì)誤認(rèn)為通信幀的起始引起工作不正常。解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是人為地使A端電位高于B兩端電位,這樣RXD的電平在485總線不發(fā)送期間<總線懸浮時(shí)>呈現(xiàn)唯一的高電平,AT89S52單片機(jī)就不會(huì)被誤中斷而收到亂字符。通過(guò)在485電路的A、B輸出端加接3.3K的上拉、下拉電阻R7、R8,即可很好地解決這個(gè)問(wèn)題。2>軟件的編程485芯片的軟件編程對(duì)產(chǎn)品的可靠性也有很大影響。由于485總線是異步半雙工的通信總線,在某一個(gè)時(shí)刻,總線只可能呈現(xiàn)一種狀態(tài),所以這種方式一般適用于主機(jī)對(duì)分機(jī)的查詢(xún)方式通信,總線上必然有一臺(tái)始終處于主機(jī)地位的設(shè)備在巡檢其它的分機(jī),所以需要制定一套合理的通信協(xié)議來(lái)協(xié)調(diào)總線的分時(shí)共用。這里采用的是數(shù)據(jù)包通信方式。通信數(shù)據(jù)是成幀成包發(fā)送的,每包數(shù)據(jù)都有引導(dǎo)碼、長(zhǎng)度碼、地址碼、命令碼、內(nèi)容、校驗(yàn)碼等部分組成。其中引導(dǎo)碼是用于同步每一包數(shù)據(jù)的引導(dǎo)頭;長(zhǎng)度碼是這一包數(shù)據(jù)的總長(zhǎng)度;命令碼是主機(jī)對(duì)分機(jī)<或分機(jī)應(yīng)答主機(jī)>的控制命令;地址碼是分機(jī)的本機(jī)地址號(hào);"內(nèi)容"是這一包數(shù)據(jù)里的各種信息;校驗(yàn)碼是這一包數(shù)據(jù)的校驗(yàn)標(biāo)志,可以采用奇偶校驗(yàn)、和校驗(yàn)等不同的方式。在485芯片的通信中,尤其要注意對(duì)485控制端DE的軟件編程。為了可靠的工作,在485總線狀態(tài)切換時(shí)需要做適當(dāng)延時(shí),再進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。具體的做法是在數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)下,先將控制端置"1”3>結(jié)論經(jīng)過(guò)以上的軟硬件共同處理,RS—485總線在應(yīng)用系統(tǒng)工程中的可靠性大大提高,在通常的環(huán)境條件下,24小時(shí)連續(xù)開(kāi)機(jī),系統(tǒng)的通信始終處于正常狀態(tài),整機(jī)性能滿(mǎn)足了對(duì)于瓦斯數(shù)據(jù)需時(shí)時(shí)采集的需要?？撮T(mén)狗硬件電路在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中為了保證單片機(jī)可靠而穩(wěn)定的運(yùn)行,使單片機(jī)系統(tǒng)盡快擺脫因干擾而產(chǎn)生的程序跑飛或死循環(huán),需要一種監(jiān)視器,提供某種狀態(tài)使CPU重新回到用戶(hù)程序。這種監(jiān)視器即"看門(mén)狗"<Watchdog>。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有看門(mén)狗功能,一旦系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)受到突發(fā)干擾使程序跑飛,單片機(jī)沒(méi)有自我保護(hù)能力,不能系統(tǒng)復(fù)位,重新工作。為此,本系統(tǒng)采用了MAX706和AT89S52構(gòu)成的"看門(mén)狗"硬件電路,如圖3.16所示。MAX706是一種性能優(yōu)良的低功耗CMOS監(jiān)控電路芯片,其內(nèi)部電路由上電復(fù)位、可重復(fù)觸發(fā)"看門(mén)狗"定時(shí)器及電壓比較器等組成。MAX7O6有以下特性:1>精確的供電電壓監(jiān)測(cè)<2.63v,2.93v,3.08v>;2>200ms的復(fù)位時(shí)延3>對(duì)手動(dòng)復(fù)位信號(hào)消抖,兼容TTL/CMOS;4>獨(dú)立的1.6秒時(shí)長(zhǎng)watchdog;5>可輸出高電平有效的復(fù)位信號(hào)。CPU正常工作時(shí),該電路對(duì)其不加干預(yù),當(dāng)CPU工作失常一段時(shí)間后,看門(mén)狗電路動(dòng)作,使系統(tǒng)復(fù)位重新工作。圖3.16看門(mén)狗電路P1.3作為喂狗信號(hào),CPU只要在1.6s內(nèi)給Pl.3一個(gè)正脈沖,看門(mén)狗定時(shí)器被清零,WDO引腳維持高電平;當(dāng)程序跑飛或死機(jī)時(shí),CPU不能在1.6s內(nèi)給出喂狗信號(hào),WDO引腳立即跳變?yōu)榈碗娖?進(jìn)而觸發(fā)MR手動(dòng)復(fù)位引腳,使MAX706復(fù)位,從而使"看門(mén)狗"定時(shí)器清零并重新開(kāi)始計(jì)時(shí),WDO引腳輸出高電平,MAX706的RST復(fù)位輸出引腳輸出大約200ms:寬度的的電平脈沖,使單片機(jī)控制系統(tǒng)可靠復(fù)位,重新投入正常運(yùn)行。3.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)軟硬件底層設(shè)計(jì)軟件是采用美國(guó)Kei1Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)KEILuVIS工ONZ。KEILuVISIONZ是眾多單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟件中優(yōu)秀的軟件之一,它支持眾多不同公司的MCS51架構(gòu)的芯片,它集編輯,編譯,仿真等于一體,同時(shí)還支持匯編和C語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì),它的界面和常用的微軟VC++的界面相似,界面友好,易學(xué)易用,在調(diào)試程序,軟件仿真方而也有很強(qiáng)人的功能。論文中設(shè)計(jì)的內(nèi)嵌于氣體監(jiān)測(cè)儀表中的軟件所要完成的主要功能有:l>設(shè)置系統(tǒng)初始狀態(tài)2>氣體成分識(shí)別及濃度計(jì)算、顯示3>報(bào)警閥值設(shè)置4>數(shù)據(jù)存儲(chǔ)5>串行通訊6>測(cè)量結(jié)束后系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)上述功能主要由主程序、氣體傳感器信號(hào)測(cè)量子程序、按鍵中斷程序、定時(shí)器A中斷程序、定}時(shí)器B中斷程序、顯示子程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序、串行中斷程序以及軟件的低功耗設(shè)置這幾個(gè)部分完成。主程序主程序首先初始單片機(jī)的一些寄存器、1/0等的狀態(tài)功能,開(kāi)/關(guān)一些I2C按鍵中斷程序圖3.18按鍵中斷程序流程圖儀表有6個(gè)外部按鍵,它們的名稱(chēng)分別為"CH4”、"▲"、"▲1>參數(shù)設(shè)定:觸發(fā)"CH4”鍵,顯示CH4報(bào)警閥值。"▲""鍵改變被設(shè)置位的位值<從O到9循環(huán)改變>。再次觸發(fā)"CH4"鍵,就可以更新CH4報(bào)警閡值。更新的參數(shù)存入DataFlash后,并在液晶上顯示"88",提示參數(shù)設(shè)置成功。2>數(shù)據(jù)采集:角蟲(chóng)發(fā)"RECORD’’鍵,啟動(dòng)定時(shí)器A,進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、存儲(chǔ)等操作。再次觸發(fā)"RECORD"鍵,關(guān)閉定時(shí)器A,停止數(shù)據(jù)采集。3>系統(tǒng)復(fù)位:觸發(fā)"RESET"鍵,啟動(dòng)看門(mén)狗復(fù)位功能,1.gms后,程序復(fù)位。的屏蔽:觸發(fā)"AlarmStop"鍵,程序暫時(shí)屏蔽報(bào)警和LED顯示功能。定時(shí)器A中斷程序圖3.19定時(shí)器A中斷程序流程圖本文利用定時(shí)器A定時(shí)中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境氣體的循環(huán)測(cè)量,3.19所示。進(jìn)入定時(shí)中斷后,關(guān)閉定時(shí)器A,關(guān)中斷;設(shè)置A/D其程序流程如圖轉(zhuǎn)換模式,采集氣體傳感器信號(hào);設(shè)置定時(shí)器3,識(shí)別氣體成分,計(jì)算氣體濃度;存儲(chǔ)、顯示數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳:氣體濃度超過(guò)閡值進(jìn)行聲光報(bào)警。中斷返回時(shí),開(kāi)中斷,開(kāi)啟定時(shí)器八。如柒數(shù)據(jù)采集停止標(biāo)志位復(fù)位,則關(guān)閉定時(shí)器A,退出定時(shí)器A程序中斷,停止數(shù)據(jù)采集。串行中斷程序圖3.20串行中斷程序流程圖本文利用AT89552單片機(jī)的通用串行同步/異步<UART>通信接口,來(lái)實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對(duì)煤礦氣體監(jiān)測(cè)儀表的控制。UART接口允許7或8位串行位流以預(yù)設(shè)的速率或外部時(shí)鐘確定的速率移入、移出單片機(jī)。UART接口支持兩種不同的串行協(xié)議:通用異步協(xié)議<UART協(xié)議>和同步協(xié)議<SPI協(xié)議>。用控制寄存器UCTL中的控制位來(lái)選擇所需的模式。通信的接口設(shè)置和數(shù)據(jù)命令格式見(jiàn)第五章。PC機(jī)發(fā)送命,C時(shí)氣體監(jiān)測(cè)儀表根據(jù)PC機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的命令進(jìn)行相應(yīng)的處理。程序流程如圖3.20所示,胃號(hào)是串行通訊的起止碼,是數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始標(biāo)志;回車(chē)換行是串行通訊的停止碼,是數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束標(biāo)志。軟件的低功耗設(shè)計(jì)一個(gè)低功耗系統(tǒng),僅僅依靠硬件設(shè)計(jì)技術(shù)還不夠,必須有相應(yīng)軟件措施配合才能達(dá)到最佳效果。常規(guī)單片機(jī)軟件結(jié)構(gòu)和實(shí)時(shí)多任務(wù)程序結(jié)構(gòu)一般采用順序程序設(shè)計(jì)方一法,山主程序加中斷處理程序組成,一般為一個(gè)循環(huán)程序。中斷處理程序完成各種隨機(jī)事件和各種實(shí)時(shí)操作的處理。在一個(gè)循環(huán)中各功能模塊依次得到執(zhí)行,主程序可被中斷中止,待中斷程序執(zhí)行完畢后再返回到斷點(diǎn)順序執(zhí)行。而在實(shí)際應(yīng)用中,各功能模塊的執(zhí)行頻率往往不同,如一些系統(tǒng)在多次測(cè)量后方進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,必要時(shí)才有輸出控制,按固定順序及次數(shù)執(zhí)行各功能模塊,將增加CPU的動(dòng)態(tài)工作時(shí)間,降低資源的利用率。實(shí)時(shí)多任務(wù)程序結(jié)構(gòu)是一種分層次的軟件結(jié)構(gòu),由控制程序和應(yīng)用程序兩部分組成?？刂瞥绦蛭挥谏蠈?完成任務(wù)管理、任務(wù)調(diào)度及任務(wù)間通訊等功能;應(yīng)用程序位于下層,一般按所完成的操