煤礦粉塵檢測(cè)系統(tǒng)

1、工 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（ 論 文 ）題 目：煤礦井下粉塵濃度的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)專 業(yè)：電子信息工程班 級(jí)：08級(jí)一班姓 名：陳建寧學(xué) 號(hào)：1665080104指導(dǎo)教師：樊曉宇日 期：2012.5.28目 錄引言11緒論11.1單片機(jī)技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景錯(cuò)誤！未定義書簽。1.2單片機(jī)的應(yīng)用41.3課題的內(nèi)容42粉塵濃度控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)53系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)63.1單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)73.1.1 電源83.1.2 復(fù)位電路93.1.3 振蕩電路103.2液晶顯示電路103.3語音模塊123.4傳感電路133.5控制電路14 3.6 鍵位路. 154系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)164.1 設(shè)計(jì)環(huán)境164.2系統(tǒng)程

2、序框圖174.3硬件調(diào)試184.4軟件調(diào)試195結(jié)論18致謝21參考文獻(xiàn)22 煤礦井下粉塵濃度的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：基于單片機(jī)的井下安全系統(tǒng)的控制是發(fā)展迅速的一項(xiàng)技術(shù)，它是微機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)合軟件編程和自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。本論文是利用單片機(jī)及其外擴(kuò)設(shè)備設(shè)計(jì)出一種簡(jiǎn)單的井下報(bào)警系統(tǒng)。硬件部分采用AT89C51單片機(jī)作為控制器，外圍電路主要包括傳感電路、控制電路、語音提示和液晶顯示。通過單片機(jī)的硬件和軟件控制，完成對(duì)井下可燃?xì)怏w濃度的監(jiān)測(cè)及報(bào)警，以提高井下作業(yè)的安全性，從而保障了井下工作人員的生命安全。關(guān)鍵字：?jiǎn)纹瑱C(jī) 光纖粉塵濃度傳感器 液晶1602 語音提示引言隨著石油、天然氣工業(yè)以及煤炭工業(yè)的

3、發(fā)展，煤礦安全、環(huán)境污染等一系列問題正成為人們關(guān)注的重點(diǎn)，尤其井下粉塵濃度高，對(duì)井下工作人員的的身心健康造成了極大的威脅。據(jù)介紹，中國(guó)煤礦約95是井工礦，開采條件復(fù)雜，而且隨著采掘深度增加，煤礦瓦斯、水患、沖擊地壓等災(zāi)害越來越嚴(yán)重。井工開采礦井具有災(zāi)害因素集中、人員活動(dòng)量大，礦粉不容易及時(shí)排除多種致災(zāi)因素共存井下的特點(diǎn)，也容易引發(fā)大的災(zāi)難。對(duì)煤礦生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中產(chǎn)生的有害氣體進(jìn)行高靈敏度檢測(cè)變得十分重要。光譜吸收型光纖濃度傳感器因具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、分辨力高，抗電磁干擾、適用于易燃易爆的危險(xiǎn)場(chǎng)合等優(yōu)點(diǎn)，倍受國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注，從而具有重大的研究意義。單片機(jī)的應(yīng)用到現(xiàn)在已經(jīng)有了近30

4、年的歷史了。微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，促進(jìn)微型計(jì)算機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，單片機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)廣泛滲透到社會(huì)公共建設(shè)、軍事、醫(yī)療、通信等各種領(lǐng)域，尤其在粉塵測(cè)量中的應(yīng)用，更是得到了人們的認(rèn)可。單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)儲(chǔ)存器 RAM、只讀儲(chǔ)存器、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)時(shí)器。因此用一塊芯片就可以代替一臺(tái)計(jì)算機(jī)，來控制對(duì)粉塵濃度的監(jiān)量及控制，是一個(gè)很大的突破。1緒論目前大多井下作業(yè)安全系數(shù)較低，沒有較完善預(yù)警系統(tǒng)，尤其對(duì)粉塵濃度的監(jiān)測(cè)及控制，國(guó)內(nèi)一直都沒有一個(gè)比較完

5、善的系統(tǒng)，所以開發(fā)井下粉塵濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)勢(shì)在必行，不僅具有良好的市場(chǎng)前景，而且還具備靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)。單片機(jī)是在一塊芯片上集成了一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)所需的CPU、存儲(chǔ)器、輸入、輸出等部分。單片機(jī)自問世以來，性能不斷提高和完善，體積小、速度快、功耗低的特點(diǎn)使得它的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。工業(yè)控制系統(tǒng)的工作環(huán)境惡劣，干擾強(qiáng)，故要求控制系統(tǒng)的工作穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)。單片機(jī)能滿足這些要求，因此單片機(jī)在控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，利用單片機(jī)控制井下粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)是很好的選擇。單片計(jì)算機(jī)即單片微型計(jì)算機(jī),是集CPU、RAM、ROM 、定時(shí)、計(jì)數(shù)和多種接口于一體的微控制器。它體積小、成本低、功能強(qiáng)

6、、廣泛應(yīng)用于智能產(chǎn)業(yè)和工業(yè)自動(dòng)化中。51系列單片機(jī)是各單片機(jī)中最為典型和最有代表性的一種。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)通過對(duì)它的學(xué)習(xí)與應(yīng)用，從而達(dá)到學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)開發(fā)軟、硬件的能力。1.1單片機(jī)技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景單片機(jī)是一個(gè)單芯片形態(tài)、面向控制對(duì)象的嵌入式應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它的出現(xiàn)及發(fā)展使計(jì)算機(jī)從通用型數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域進(jìn)入到智能化的控制領(lǐng)域。從此，計(jì)算機(jī)在兩個(gè)重要領(lǐng)域通用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域和嵌入式計(jì)算機(jī)領(lǐng)域都得到了極其重要的發(fā)展，并正在深深地改變著我們的生活。它具有一個(gè)完整計(jì)算機(jī)所需要的大部分部件：CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會(huì)具有外存。同時(shí)集成諸如通訊接口、定時(shí)器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強(qiáng)大的單片機(jī)系

7、統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。單片機(jī)也被稱為微控制器，是因?yàn)樗钤绫挥迷诠I(yè)控制領(lǐng)域。單片機(jī)由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來。最早的設(shè)計(jì)理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對(duì)提及要求嚴(yán)格的控制設(shè)備。單片機(jī)作為計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域，應(yīng)用一個(gè)較科學(xué)的分類方法。根據(jù)目前發(fā)展情況，從不同角度單片機(jī)大致可以分為通用型/專用型、總線型/非總線型及工控型/家電型：（1） 通用型/專用型 這是按單片機(jī)適用范圍來區(qū)分的。例如，80C51是通用型單片機(jī)，它不是為某種專用途設(shè)計(jì)的；專用型單片機(jī)是針對(duì)一類產(chǎn)品甚至某一個(gè)產(chǎn)

8、品設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，例如為了滿足電子體溫計(jì)的要求，在片內(nèi)集成ADC接口等功能的溫度測(cè)量控制電路；（2） 總線型/非總線型 這是按單片機(jī)是否提供并行總線來區(qū)分的?？偩€型單片機(jī)普遍設(shè)置有并行地址總線、 數(shù)據(jù)總線、控制總線，這些引腳用以擴(kuò)展并行外圍器件都可通過串行口與單片機(jī)連接，另外，許多單片機(jī)已把所需要的外圍器件及外設(shè)接口集成一片內(nèi)，因此在許多情況下可以不要并行擴(kuò)展總線，大大減省封裝成本和芯片體積，這類單片機(jī)稱為非總線型單片機(jī)；（3） 控制型/家電型 這是按照單片機(jī)大致應(yīng)用的領(lǐng)域進(jìn)行區(qū)分的。一般而言，工控型尋址范圍大，運(yùn)算 能力強(qiáng)；用于家電的單片機(jī)多為專用型，通常是小封裝、低價(jià)格，外圍器件和外設(shè)接口集成

9、度高。 顯然，上述分類并不是惟一的和嚴(yán)格的。例如，80C51類單片機(jī)既是通用型又是總線型，還可以作工控用?？梢钥闯鲈缙诘膯纹瑱C(jī)都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因?yàn)楹?jiǎn)單可靠而性能不錯(cuò)獲得了很大的好評(píng)。此后在8031上發(fā)展出了MCS51系列單片機(jī)系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了16位單片機(jī)，但因?yàn)樾詢r(jià)比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。90年代后隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了巨大的提高。隨著INTEL i960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應(yīng)用，32位單片機(jī)迅速取代16位單片機(jī)的高端地位，并且進(jìn)入主流市場(chǎng)。而傳統(tǒng)

10、的8位單片機(jī)的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數(shù)百倍。目前，高端的32位單片機(jī)主頻已經(jīng)超過300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器，而普通的型號(hào)出廠價(jià)格跌落至1美元，最高端的型號(hào)也只有10美元。當(dāng)代單片機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機(jī)環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機(jī)上。而在作為掌上電腦和手機(jī)核心處理的高端單片機(jī)甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和在控制系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，以及設(shè)備向小型化、智能化發(fā)展，作為高新技術(shù)之一的單片機(jī)以其體積小、功能強(qiáng)、價(jià)格低廉、使用靈活等優(yōu)勢(shì)，顯示出很強(qiáng)的生命力。它和一般的集成電

11、路相比有較好的抗干擾能力，對(duì)環(huán)境的溫度和濕度都有較好的適應(yīng)性，可以在工業(yè)條件下穩(wěn)定工作1。單片機(jī)也廣泛地應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，例如對(duì)工業(yè)上各種窯爐的溫度、酸度、化學(xué)成分的測(cè)量和控制。將測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮其數(shù)據(jù)處理功能和實(shí)時(shí)控制功能，使系統(tǒng)工作處于最佳狀態(tài)，提高系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。從航空航天、地質(zhì)石油、冶金采礦、機(jī)械電子、輕工紡織等行業(yè)的分布系統(tǒng)與智能控制以及機(jī)電一體化設(shè)備和產(chǎn)品，到郵電通信、日用設(shè)備和器械，單片機(jī)都發(fā)揮了巨大作用。其應(yīng)用大致可分為：機(jī)電一體化設(shè)備的控制核心。機(jī)電一體化是機(jī)械設(shè)備發(fā)展的方向。單片機(jī)的出現(xiàn)促進(jìn)了機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，它作為機(jī)電產(chǎn)

12、品的控制器，充分發(fā)揮其自身優(yōu)點(diǎn)，大大強(qiáng)化了機(jī)器的功能，提高了機(jī)器的自動(dòng)化、智能化程度。最典型的機(jī)電產(chǎn)品機(jī)器人，每個(gè)關(guān)節(jié)或動(dòng)作部位都是一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)采集單元。大型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，要求數(shù)據(jù)采集的同步性和實(shí)時(shí)性要好。使用單片機(jī)作為系統(tǒng)的前端采集單元，由主控計(jì)算機(jī)發(fā)出采集命令，再將采集到的數(shù)據(jù)逐一送到主計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理。如有些氣象部門、油田采油部門以及電廠等均可采用這樣的系統(tǒng)。分布控制系統(tǒng)的前端控制器。在直接控制級(jí)的計(jì)算機(jī)分布控制系統(tǒng)(DCS)中，單片機(jī)作為過程控制中每一分部操作或控制的控制器，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、反饋計(jì)算、控制輸出，并在上位機(jī)命令的指揮下進(jìn)行相應(yīng)協(xié)調(diào)工作。智能化儀表的

13、機(jī)芯。自動(dòng)化儀表的智能化程度越來越高。采用單片機(jī)的智能化儀表可具有自整定、自校正、自動(dòng)補(bǔ)償和自適應(yīng)功能，還可進(jìn)行數(shù)字PID調(diào)節(jié)，軟件消除電流熱噪聲等等，解決傳統(tǒng)儀表所不能解決的難題。單片機(jī)的應(yīng)用使這種性能如虎添翼，如自動(dòng)計(jì)費(fèi)電度表、燃?xì)獗碇幸延羞@方面的應(yīng)用。許多工業(yè)儀表中的智能流量計(jì)，氣體分析儀、成分分析儀等也采用了這項(xiàng)技術(shù)。甚至有的保健治療儀中也采用了單片機(jī)控制。消費(fèi)類電子產(chǎn)品控制。該應(yīng)用主要反映在家電領(lǐng)域，如洗衣機(jī)、空調(diào)器、保安系統(tǒng)、VCD視盤機(jī)、電子秤、IC卡、手機(jī)、BP機(jī)等。這些設(shè)備中使用了單片機(jī)機(jī)芯后，大大提高了其控制功能和性能，并實(shí)現(xiàn)了智能化、最優(yōu)化控制。終端及外圍設(shè)備控制。計(jì)算機(jī)

14、網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，如銀行終端、商業(yè)POS（自動(dòng)收款機(jī)）以及計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備如打印機(jī)、通信終端和智能化UPS等。在這些設(shè)備中使用單片機(jī)，使其具有計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示、輸入等功能，具有和計(jì)算機(jī)連接的接口，使計(jì)算機(jī)的能力及應(yīng)用范圍大大提高。總之，隨著信息時(shí)代的到來，傳統(tǒng)單片機(jī)固有的結(jié)構(gòu)缺陷，使其呈現(xiàn)出諸多弊端。其速度、規(guī)模、性能等指標(biāo)越來越難以滿足用戶需求、因此單片機(jī)芯片的開發(fā)，升級(jí)面臨著新的挑戰(zhàn)2?？v觀單片機(jī)的發(fā)展過程，可以預(yù)示單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，大致有：（1）低功耗CMOS化 MCS-51系列的80C51推出時(shí)的功耗達(dá)120mW，而現(xiàn)在的單片機(jī)普遍都在100mW左右，隨著對(duì)單片機(jī)功耗要求越來越低，現(xiàn)在的各個(gè)

15、單片機(jī)制造商基本都采用了CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)。CMOS雖然功耗較低，但由于其物理特征決定其工作速度不夠高，而CHMOS則具備了高速和低功耗的特點(diǎn)，更適合于在要求低功耗像電池供電的應(yīng)用場(chǎng)合。所以這種工藝將是今后一段時(shí)期單片機(jī)發(fā)展的主要途徑；（2）微型單片化常規(guī)的單片機(jī)普遍都是將中央處理器(CPU)、隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(RAM)、只讀程序存儲(chǔ)器(ROM)、并行和串行通信接口，中斷系統(tǒng)、定時(shí)電路、時(shí)鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強(qiáng)型的單片機(jī)集成了如A/D轉(zhuǎn)換器、PMW(脈寬調(diào)制電路)、WDT(看門狗)、有些單片機(jī)將LCD(液晶)驅(qū)動(dòng)電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機(jī)包含的單元電路就

16、更多，功能就越強(qiáng)大。甚至單片機(jī)廠商還可以根據(jù)用戶的要求量身定做，制造出具有自己特色的單片機(jī)芯片；(3）主流與多品種共存現(xiàn)在雖然單片機(jī)的品種繁多，各具特色，但仍以MCS-51為核心的單片機(jī)占主流，兼容其結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的有PHILIPS公司的產(chǎn)品，ATMEL公司的產(chǎn)品和中國(guó)臺(tái)灣的WinBond系列單片機(jī)。以8031為核心的單片機(jī)占據(jù)了半壁江山，在一定的時(shí)期內(nèi)，這種情形將得以延續(xù)，將不存在某個(gè)單片機(jī)一統(tǒng)天下的壟斷局面，走的是依存互補(bǔ)，相輔相成、共同發(fā)展的道路。總之，隨著信息時(shí)代的到來，傳統(tǒng)單片機(jī)固有的結(jié)構(gòu)缺陷，使其呈現(xiàn)出諸多弊端。其速度、規(guī)模、性能等指標(biāo)越來越難以滿足用戶需求、因此單片機(jī)芯片的開發(fā)，

17、升級(jí)面臨著新的挑戰(zhàn)1.2 單片機(jī)的應(yīng)用單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括單片機(jī)基本擴(kuò)展、外圍電路設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境、系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)、電磁兼容性設(shè)計(jì)等內(nèi)容。通常開發(fā)一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的步驟如圖1.1所示。 總體方案設(shè)計(jì)總體方案設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)單元路線 制作PCB板 安裝調(diào)試 編寫應(yīng)用程序 在線調(diào)試軟硬件 脫機(jī)運(yùn)行 圖1.1 開發(fā)單片機(jī)的步驟單片機(jī)具有軟硬件的結(jié)合，體積小，可以很容易嵌入到各種應(yīng)用系統(tǒng)中的優(yōu)點(diǎn)。因此，以單片機(jī)為核心的嵌入式控制系統(tǒng)在下述的各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 (1) 通信 在調(diào)制解調(diào)器、各類手機(jī)、傳真機(jī)、程控電話交換機(jī)、信息網(wǎng)絡(luò)以及各種通信設(shè)備中，單片機(jī)也已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

18、 (2) 消費(fèi)類產(chǎn)電子產(chǎn)品 單片機(jī)在家用電器中的應(yīng)用也已經(jīng)十分普及。目前家電產(chǎn)品的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)是不斷提高其智能化程度。例如，洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、電風(fēng)扇、電視機(jī)、微波爐、加濕機(jī)、消毒柜等。在這些設(shè)備中嵌入了單片機(jī)后，其功能和性能大大提高，并實(shí)現(xiàn)了智能化、最優(yōu)化控制。(3) 武器裝備 在現(xiàn)代化的武器裝備中，如飛機(jī)、軍艦、坦克、導(dǎo)彈、魚雷制導(dǎo)、智能武器裝備、航天飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)，都有單片機(jī)嵌入其中。(4) 儀器儀表 目前對(duì)儀器儀表的自動(dòng)化和智能化要求越來越高。在智能儀器儀表中，單片機(jī)應(yīng)用十分普及。單片機(jī)的使用有助于提高儀器儀表的精度和準(zhǔn)確度，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減小體積且易于攜帶和使用，加速儀器儀表向數(shù)字

19、化、智能化、多功能化發(fā)展。(5) 工業(yè)檢測(cè)與控制 在工業(yè)領(lǐng)域，單片機(jī)的主要應(yīng)用有：工業(yè)過程控制、智能控制、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)采集和傳輸、測(cè)試、測(cè)量、監(jiān)控等。這種集機(jī)械、微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的綜合技術(shù)中，單片機(jī)發(fā)揮著重要作用。1.3 課題的內(nèi)容本課題是為了學(xué)習(xí)單片機(jī)技術(shù)而設(shè)計(jì)的，用于井下安全系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)及報(bào)警。本設(shè)計(jì)的單片機(jī)粉塵濃度控制系統(tǒng)有：傳感電路、控制電路、語音提示系統(tǒng)等模塊組成。在此系統(tǒng)中可實(shí)現(xiàn)如下功能：當(dāng)傳感電路測(cè)得井下粉塵濃度過高時(shí)，將此信號(hào)傳入單片機(jī)，單片機(jī)做出反應(yīng)，控制控制電路打開或者閉合開關(guān)，達(dá)到控制排塵系統(tǒng)打開和關(guān)閉的效果，從而達(dá)到防止礦井爆炸保護(hù)井下工作人員安全的效果。同時(shí)單

20、片機(jī)控制語音提示系統(tǒng)和字符液晶1602LCD顯示系統(tǒng)做出語音提示和液晶顯示。2 井下粉塵濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì) 圖2.1是粉塵濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，它是由光纖濃度傳感器、AT89C51單片機(jī)、開光控制、LCD液晶顯示器、語音提示芯片、控制排塵電路組成。光纖濃度傳感器是由一根刻有布拉格光柵的光纖光柵、激光光源，光電轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的，他的主要作用是將探測(cè)到粉塵濃度值對(duì)光纖光柵波長(zhǎng)的影響轉(zhuǎn)換成電流的變化，方便根據(jù)電流的變化來監(jiān)測(cè)粉塵濃度的變化.光纖濃度傳感器在整個(gè)設(shè)計(jì)方案中，起到了主導(dǎo)的作用，也是整個(gè)系統(tǒng)的核心。AT89C51單片機(jī)在這個(gè)系統(tǒng)中屬于系統(tǒng)的整個(gè)大腦，它是用來接受光纖粉塵濃度傳感器所探

21、測(cè)的粉塵濃度值來控制液晶顯示器、語音提示電路及排塵控制電路等，他將處理好的信息分別執(zhí)行到各個(gè)電路，已達(dá)到一種智能控制的目的。液晶顯示器在這個(gè)系統(tǒng)中相當(dāng)于人的眼睛，它的核心部件就是1602LCD液晶顯示器，單片機(jī)把傳感器傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理過后，全部顯示在液晶顯示器上，當(dāng)出現(xiàn)危險(xiǎn)狀況時(shí)，顯示器也會(huì)發(fā)出提示。排塵控制電路是有一個(gè)電機(jī)，一個(gè)閥門組成，當(dāng)濃度過高時(shí)傳感器把數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，單片機(jī)處理完數(shù)據(jù)之后控制排塵控制電路給電機(jī)供電，是閥門打開開始通風(fēng)，從而保證礦井下空氣流通，達(dá)到有效地、及時(shí)的把粉塵排放出去。工作過程：當(dāng)光源透過粉塵濃度較高時(shí)，光強(qiáng)會(huì)消弱很多，這是通過光纖濃度傳感器時(shí)，光纖的波長(zhǎng)發(fā)

22、生變化，通過光電轉(zhuǎn)化模塊，電流值會(huì)隨著光纖波長(zhǎng)的變化而變化，這樣與正?？諝鉂舛戎档墓獾牟ㄩL(zhǎng)產(chǎn)生的電流作比較，當(dāng)濃度超過一定范圍時(shí)，液晶顯示器顯示濃度超標(biāo)值，單片機(jī)控制井下排塵控制電路進(jìn)行排塵，當(dāng)濃度過高時(shí)，語音提示系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示人們盡快離開。光纖濃度傳感器單片機(jī)AT89C51排塵控制電路開關(guān)控制語音提示電路液晶顯示電路 圖2.1 粉塵濃度監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)框圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)方框以及論文要求，用PTOTEL99畫出了實(shí)現(xiàn)開發(fā)板設(shè)計(jì)的整體硬件原理圖，原理圖包括復(fù)位電路、振蕩電路、語音提示電路、液晶顯示電路、傳感電路和控制電路，如圖3.1所示。圖3.1 系統(tǒng)硬件原理圖3.1單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)AT

23、89C51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4KB的可反復(fù)擦寫的程序存儲(chǔ)器和128B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）,器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)配置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89C51單片機(jī)可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域【3】。AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4KB的Flash閃速存儲(chǔ)器，128B內(nèi)部RAM,32個(gè)I/O接口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支

24、持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位如圖3.2所示AT89C51芯片引腳圖，包括：（1）P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高；（2）P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口

25、，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收；（3） P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)

26、行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)；（3）P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口：P3.0 RXD（串行輸入口、P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT1（外部中斷1）P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入）P3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

27、器寫選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。圖3.2 AT89C51芯片引腳圖RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MO

28、VX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XT

29、AL2：來自反向振蕩器的輸出。 3.1.1 電源電源用的是1015V的直流電壓。穩(wěn)壓電源把直流電壓通過電源插座導(dǎo)入開發(fā)板，左邊是兩個(gè)12伏的電源濾波電容，一般大電容旁邊并聯(lián)一個(gè)小電容的目的是降低高頻內(nèi)阻，因?yàn)榇蟮碾娊怆娙菀话悴捎镁砝@工藝制造，所以等效電感比較大，小電容可提供一個(gè)小內(nèi)阻的高頻通道，降低電源全頻帶內(nèi)阻。 電源為兩部分，一部分是直接提供給繼電器的12V直流電源，另一部分通過三端穩(wěn)壓芯片7805穩(wěn)壓成5伏直流電源提供給單片機(jī)系統(tǒng)使用，右邊兩個(gè)電容是5伏電源的濾波電容，電阻和LED組成5伏電源的共組指示電路，只要電源部分正常，LED就會(huì)點(diǎn)亮。我們可以根據(jù)這個(gè)LED來判斷整個(gè)電源

30、部分是否正常工作。電源電路如圖3.3所示。圖3.3 電源電路3.1.2 復(fù)位電路單片機(jī)AT89C51作為主控芯片，控制整個(gè)電路的運(yùn)行。單片機(jī)外圍需要一個(gè)復(fù)位電路，復(fù)位電路的功能是：系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤消復(fù)位信號(hào)。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)才撤銷復(fù)位信號(hào)，以防電源開關(guān)或電源插頭分-合過程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位。該設(shè)計(jì)采用的復(fù)位電路可以有效的解決電源毛刺和電源緩慢下降（電池電壓不足）等引起的問題，在電源電壓瞬間下降時(shí)可以使電容迅速放電，一定寬度的電源毛刺也可令系統(tǒng)可靠復(fù)位。復(fù)位電路的設(shè)計(jì)圖如圖3.4所示。圖3.4單片機(jī)復(fù)位圖按鍵手動(dòng)復(fù)位的原理是：當(dāng)按鍵被按下時(shí)

31、，在通電瞬間，電容C通過電阻R充電，此時(shí)電容C相當(dāng)于短路，RESET端出現(xiàn)正脈沖，單片機(jī)復(fù)位，等充電結(jié)束時(shí)（這個(gè)時(shí)間很短暫），電容相當(dāng)于斷開，這時(shí)已經(jīng)完成了復(fù)位動(dòng)作。3.1.3 振蕩電路如圖3.5所示在單片機(jī)19引腳X1、18引腳X2上接入由晶振、電容、接地電源構(gòu)成的振蕩電路。它提供的連續(xù)脈沖信號(hào)給單片機(jī)，比如說用幾個(gè)振蕩脈沖時(shí)間完成某個(gè)指令，沒有振蕩做指導(dǎo)是會(huì)亂套的8 。圖3.5晶振電路圖3.2 LCD液晶顯示系統(tǒng)采用1602液晶顯示器顯示開燈的數(shù)目。在日常生活中，我們對(duì)液晶顯示器并不陌生。液晶顯示模塊已作為很多電子產(chǎn)品的通過器件，如在計(jì)算器、萬用表、電子表及很多家用電子產(chǎn)品中都可以看到，顯

32、示的主要是數(shù)字、專用符號(hào)和圖形。在單片機(jī)的人機(jī)交流界面中，一般的輸出方式有以下幾種：發(fā)光管、LED數(shù)碼管、液晶顯示器。 在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用晶液顯示器作為輸出器件有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）顯示質(zhì)量高，由于液晶顯示器每一個(gè)點(diǎn)在收到信號(hào)后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器（CRT）那樣需要不斷刷新新亮點(diǎn)。因此，液晶顯示器畫質(zhì)高且不會(huì)閃爍；（2）數(shù)字式接口，液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機(jī)系統(tǒng)的接口更加簡(jiǎn)單可靠，操作更加方便。（3）體積小、重量輕液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達(dá)到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。（4）功耗低相對(duì)而言，液晶顯示器

33、的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動(dòng)IC上4，因而耗電量比其它顯示器要少得多。在使用時(shí)我們應(yīng)該充分了解1602的管腳功能： 圖3.6 16021602字符型LCD通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線，VCC(15腳)和地線GND(16腳)，其控制原理與14腳的LCD完全一樣，其中： VL：液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高（對(duì)比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度）；RS：RS為寄存器選擇，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時(shí)選擇指令寄存器；RW：RW為讀寫信號(hào)線，高電平(1)時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平(0)

34、時(shí)進(jìn)行寫操作；EN： EN端為使能(enable)端，下降沿使能；D0：低4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 0位（最低位）；D1：低4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 1位；D2：低4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 2位；D3：低4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 3位； D4：高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 4位；D5：高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 5位；D6：高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 6位；D7：高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 7位（最高位）（也是busy flag）；LED+：背光電源正極；LED-：背光電源負(fù)極18。圖3.7為1602與AT89C51的連接圖,D0接PC1，D1接PC2，D3串聯(lián)一個(gè)電阻接單片機(jī)的PC2，D3是低

35、4位三態(tài)接PC3期間也串聯(lián)一個(gè)電阻，LED+為光源正極，當(dāng)單片機(jī)收到傳感器信息時(shí)就會(huì)把粉塵濃度值的變化通過電路部分以電流的形式傳輸?shù)斤@示器上顯示出來，這樣就達(dá)到了可以讓人們隨時(shí)可以通過顯示器來了解當(dāng)前粉塵的濃度值。圖圖3.7 1602與AT89C51的連接3.3語音模塊這個(gè)模塊采用芯片WT588D語音芯片。WT588D是廣州唯創(chuàng)與臺(tái)灣華邦合作研發(fā)的一款語音芯片（單片機(jī)）。WT588D不僅可以作為一般語音芯片，當(dāng)從片發(fā)聲，而且因?yàn)镮/O口多，帶控制功能和外置FLASH存儲(chǔ)器，所以能做FLASH單片機(jī)；最重要的是還可以按照樣品直接投掩膜，管腳完全不用改動(dòng)，價(jià)錢便宜一半.WT588D的芯片引腳如圖3

36、.8所示。圖3.8 WT588D的引腳圖WT588D的特性：外掛2M32M的Flash，時(shí)間從321054秒。掩膜為內(nèi)置ROM，最長(zhǎng)支持400秒（6K采樣）。采樣率支持6K22KDAC輸出：13Bit，PWM輸出：12Bit內(nèi)置0.5W功放，可直接推動(dòng)0.5W/8揚(yáng)聲器支持加載MP3/WAV/WMA三種音頻格式工作電壓：DC2.8V5.5V靜態(tài)休眠電流：<10uA可通過電腦軟件，隨意組合語音，可插入靜音，插入的靜音不占用內(nèi)存的容量，一個(gè)已加載語音可重復(fù)調(diào)用到多個(gè)地址，重復(fù)調(diào)用的，不占空間，這是其它芯片所不具備的USB下載方式，支持在線下載/ISP下載7種控制方式： MP3控制模式、按鍵控

37、制模式、3×8矩陣控制模式、并口控制模式、一線串口控制模式、三線串口控制模式以及三線串口控制I/O口擴(kuò)展輸出模式掩膜后的管腳與原來一致，性能一樣，音質(zhì)一樣。不用更改電路。且不用焊接FLASH最多可加載500段語音；210段可控制地址位，單個(gè)地址位最多可加載128段語音，地址位內(nèi)的語音組合播放；插入的靜音時(shí)間范圍10ms25min；靜音不占用存儲(chǔ)空間語音模塊電路原理圖如圖3.9所示。圖3.9 語音系統(tǒng)電路語音模塊電路采用AMS1117芯片來起穩(wěn)壓作用。AMS1117系列穩(wěn)壓器有可調(diào)版與多種固定電壓版，設(shè)計(jì)用于提供1A輸出電流且工作壓差可低至1V。在最大輸出電流時(shí)，AMS1117器件的壓

38、差保證最大不超過1.3V，并隨負(fù)載電流的減小而逐漸降低。AMS1117的片上微調(diào)把基準(zhǔn)電壓調(diào)整到1.5%的誤差以內(nèi)，而且電流限制也得到了調(diào)整，以盡量減少因穩(wěn)壓器和電源電路超載而造成的壓力。AMS1117器件引腳上兼容其他三端SCSI穩(wěn)壓器，提供適用貼片安裝的SOT-223，8引腳SOIC，和TO-252(DPAK)塑料封裝。AMS1117 應(yīng)用高效線性穩(wěn)壓器后置穩(wěn)壓器，用于交換式電源 5V至3.3V線性穩(wěn)壓器、電池充電器、有源SCSI終端、筆記本電源管理、電池供電設(shè)備。語音模塊是輸出模塊，當(dāng)J2接口的引腳接受到單片機(jī)的控制信號(hào)后，傳輸?shù)絁5 WT588-16語音芯片進(jìn)行處理，處理過后會(huì)通過J1

39、所接的揚(yáng)聲器播放所需的音頻數(shù)據(jù)。單片機(jī)當(dāng)語音模塊播放音頻數(shù)據(jù)是D5發(fā)光二極管將變亮。D5發(fā)光二極管可以有效減小電路出錯(cuò)時(shí)出錯(cuò)電路范圍的大小。J3,J4是兩個(gè)分別接VCC和地的引腳，這樣可以讓語音模塊以及激光模塊有獨(dú)立的供電系統(tǒng)。C1,C2,AMS1117-3.3V是線性穩(wěn)壓模塊，可以增加電路的穩(wěn)定性。3.4傳感電路當(dāng)今關(guān)于煤炭井下開采是很普遍的，但是對(duì)于井下工作人員的身體健康，相關(guān)企業(yè)及國(guó)家政府都一直很重視，尤其是井下煤炭粉塵濃度高，容易造成矽肺，以及礦井爆炸等突發(fā)事故。我所用的傳感器是加拿大O/E land 所生產(chǎn)的光纖光柵粉塵濃度傳感器，中心波長(zhǎng)用的是1550.60nm，反射率要10.5d

40、b，3db帶寬，正負(fù)2nm，當(dāng)光源通過有一定濃度的粉塵時(shí)，發(fā)射出的光強(qiáng)會(huì)大幅度消弱，當(dāng)通過光纖的柵區(qū)時(shí)，光纖的波長(zhǎng)會(huì)隨著濃度發(fā)生變化，通過一個(gè)光電轉(zhuǎn)換模塊，會(huì)把波長(zhǎng)的變化轉(zhuǎn)換成電流的變化，但是還缺少一個(gè)參考系，因此我們又將同樣的光通過正?？諝猓瑢?duì)光纖的波進(jìn)行分析，光電轉(zhuǎn)化之后把兩個(gè)數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)采集卡采集起來，傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中進(jìn)行分析、處理，然后通過顯示器、語音提示系統(tǒng)、排塵控制系統(tǒng)進(jìn)行處理。圖3.10 傳感器原理圖激光光源發(fā)出的光被調(diào)制后，由分光器將光分成兩路，由光纖一路傳輸至被測(cè)氣室，光被吸收后，光纖又將帶有濃度信號(hào)的光傳輸至光電探測(cè)器PINl，PINl將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；另一路傳輸至參考?xì)馐?/p>

41、，然后光纖又將參考光傳輸至光電探測(cè)器PIN2，PIN2將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；這兩路電信號(hào)經(jīng)前置放大后，送入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理、顯示、報(bào)警。系統(tǒng)主要由硬件和軟件組成，其中硬件部分有光源、電路、光纖、數(shù)據(jù)采集卡、氣室、氣體和單片機(jī)等。3.5 控制電路控制電路是利用繼電器來控制電機(jī)，通過電機(jī)來打開或者關(guān)閉閥門。當(dāng)單片機(jī)給出粉塵濃度值過高的數(shù)字信號(hào)時(shí)，通過二極管，使繼電器內(nèi)部線圈通電，點(diǎn)機(jī)發(fā)動(dòng)，排塵閥門打開。當(dāng)粉塵濃度不超標(biāo)的時(shí)候，電機(jī)停止工作，閥門關(guān)閉?？刂齐娐吩韴D如圖3.11所示。圖3.11 控制電路3.2 鍵盤電路外接三個(gè)獨(dú)立鍵盤，分別接在單片機(jī)的相應(yīng)端

42、口上，起設(shè)定、上調(diào)、下調(diào)作用。由于在實(shí)驗(yàn)板上沒有多余的獨(dú)立鍵盤，需要將如圖3.12所示的矩陣鍵盤改造為獨(dú)立鍵盤。圖 3.12復(fù)位電路因矩陣鍵盤的工作原理是先將行的二進(jìn)制的位數(shù)賦值為0111，再分別檢測(cè)鍵盤的列的位數(shù)，當(dāng)?shù)谝恍械哪骋粋€(gè)按鍵被按下的時(shí)候，其列的四位二進(jìn)制數(shù)必然有一位為0，此時(shí)再判斷這個(gè)0的位置，就能檢測(cè)被按下的是哪個(gè)按鍵。如果第一行沒有檢測(cè)到按鍵，則將行的二進(jìn)制賦值為1011，再依次檢測(cè)列的位數(shù)。依次類推，不停的重復(fù)著對(duì)鍵盤進(jìn)行檢測(cè)14。因此，要想將矩陣鍵盤改為獨(dú)立鍵盤，只需將某一列賦值為0，這樣就只用檢測(cè)這一列所對(duì)應(yīng)的行的二進(jìn)制，或是將某一行賦值為0，然后檢測(cè)這一行所對(duì)應(yīng)的列的二

43、進(jìn)制。本次設(shè)計(jì)是將P1.3賦值為0，再判斷P.4、P1.5、P1.6所對(duì)應(yīng)的按鍵A、B、C是否被按下。 圖3.13 矩陣鍵盤電路4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.1 設(shè)計(jì)環(huán)境一般來說，編寫嵌入式程序可以采用兩種程序架構(gòu)：一種是前后臺(tái)系統(tǒng)，即整個(gè)系統(tǒng)的所有任務(wù)構(gòu)成一個(gè)超級(jí)無限循環(huán)，此稱為后臺(tái)，其余的異步事件，如定時(shí)器溢出、串口接收中斷等都在中斷服務(wù)程序里即前臺(tái)處理。應(yīng)用前后臺(tái)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是不能適合于復(fù)雜應(yīng)用。另一種程序結(jié)構(gòu)為采用嵌入式操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用了基于uCOSII的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS(RealTime Operating System)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)：(1

44、)實(shí)時(shí)性：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、控制、通信等工作都要求實(shí)時(shí)性，一旦出現(xiàn)有關(guān)情況，CPU能夠及時(shí)響應(yīng)，刻不容緩。為此，一個(gè)實(shí)用的RTOS都應(yīng)具有完善的中斷響應(yīng)機(jī)制，保證中斷響應(yīng)潛伏時(shí)間足夠短；（2）多任務(wù)：半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用復(fù)雜性的增長(zhǎng)促使CPU的處理能力越來越高，在這樣強(qiáng)大的處理器上運(yùn)行應(yīng)用程序，必然不是整塊，而是根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的若干方面功能，劃分為數(shù)個(gè)任務(wù)，這樣有利于軟件的開發(fā)和維護(hù)。因此單片機(jī)系統(tǒng)中采用的RTOS必然是支持多任務(wù)的，并能夠根據(jù)各個(gè)任務(wù)的輕重緩急，合理地在它們之間分配CPU和各種資源的占用時(shí)間。uCOSII是源碼公開的實(shí)時(shí)嵌入式內(nèi)核，其性能完全可以與商業(yè)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)。自1992年以

45、來，全世界成千上萬的開發(fā)者已經(jīng)成功地將uCOS-II應(yīng)用于各種系統(tǒng)。uCOSII是著名的、源碼公開的實(shí)時(shí)內(nèi)核，是專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的，可用于各類8位、16位和32位單片機(jī)或DSP。從uC0S-II算起，該內(nèi)核已有10余年應(yīng)用史，在諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。uCOS-II提供了諸如定時(shí)器、信號(hào)量、消息隊(duì)列、郵箱、事件標(biāo)志等等系統(tǒng)服務(wù)。為了在AVR上應(yīng)用uCOS-II，需要對(duì)其進(jìn)行移植，即改變uCOS-II當(dāng)中與處理器有關(guān)的代碼以實(shí)現(xiàn)uCOS-II在該處理器上的正確運(yùn)行。在基于uCOS-II的嵌入式軟件分為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核、與處理器相關(guān)部分、與應(yīng)用相關(guān)部分，用戶的應(yīng)用系統(tǒng)等四個(gè)部分。編譯和連接：在設(shè)

46、置好工程后，即可進(jìn)行編譯、連接。選擇菜單Project->Build target，對(duì)當(dāng)前工程進(jìn)行連接或點(diǎn)擊工具欄中相應(yīng)按鈕，驗(yàn)證程序是否編譯正確。編譯結(jié)果如圖4.2所示。4.1編譯圖系統(tǒng)開始工作時(shí)，單片機(jī)初始化，傳感電路開始測(cè)量井下粉塵的濃度通過光電轉(zhuǎn)換器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳入單片機(jī)，單片機(jī)做出反應(yīng)，將超標(biāo)值顯示于液晶顯示屏上。同時(shí)系統(tǒng)做出判斷井下粉塵濃度超標(biāo)值是否具有危險(xiǎn)性，若濃度值沒有超標(biāo)就繼續(xù)測(cè)量。若超標(biāo)單片機(jī)控制繼電器打開閥門進(jìn)行排塵并打開語音提示報(bào)警。在打開閥門排氣的同時(shí)傳感電路仍然繼續(xù)測(cè)量粉塵濃度，此時(shí)若分成濃度恢復(fù)到不具有危險(xiǎn)性，就關(guān)閉閥門和語音提示。若可粉塵濃度仍然

47、超標(biāo)就繼續(xù)排塵檢測(cè)直到粉塵濃度達(dá)到安全范圍。4.2 系統(tǒng)程序的框圖系統(tǒng)開始工作時(shí)，單片機(jī)初始化，傳感電路開始測(cè)量井下氣體濃度只通過光電轉(zhuǎn)換器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳入單片機(jī)，單片機(jī)做出反應(yīng)，將濃度值顯示于液晶顯示屏上。同時(shí)系統(tǒng)做出判斷井下粉塵濃度值是否超標(biāo)，若濃度值沒有超標(biāo)就繼續(xù)監(jiān)測(cè)井下粉塵濃度。若超標(biāo)單片機(jī)控制繼電器打開閥門進(jìn)行排塵并打開語音提示報(bào)警。在打開閥門排塵的同時(shí)傳感電路仍然繼續(xù)測(cè)量粉塵的濃度，此時(shí)若粉塵濃度值恢復(fù)到不具有危險(xiǎn)性是，就關(guān)閉閥門和語音提示。若粉塵濃度仍然超標(biāo)就繼續(xù)排塵檢測(cè)直到粉塵濃度恢復(fù)正常。4.3 硬件調(diào)試Protel 99是Protel Technology公司的產(chǎn)

48、品，是一個(gè)基于Windows平臺(tái)的32位EDA設(shè)計(jì)系統(tǒng)，用于電路原理圖和印制板圖的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。主要分為兩大部分： （1）原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)這是一個(gè)易于使用的具有大量元件庫的原理圖編輯器，主要用于原理圖的設(shè)計(jì)。它可以為印制電路板設(shè)計(jì)提供網(wǎng)絡(luò)表。該編輯器除了具有強(qiáng)大的原理圖編輯功能以外，其分層組織設(shè)計(jì)功能、設(shè)計(jì)同步器、豐富的電氣設(shè)計(jì)檢驗(yàn)功能及強(qiáng)大而完善的打印輸出功能，使用戶可以輕松完成所需的設(shè)計(jì)任務(wù)。 （2）印制電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)它是一個(gè)功能強(qiáng)大的印制電路板設(shè)計(jì)編輯器，具有非常專業(yè)的交互式布線及元件布局的特點(diǎn)，用于印制電路板（PCB）的設(shè)計(jì)并最終產(chǎn)生PCB文件，直接關(guān)系到印制電路板的生產(chǎn)。Protel

49、 99 SE的印制電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以進(jìn)行多達(dá)32層信號(hào)層、16層內(nèi)部電源/接地層的布線設(shè)計(jì)，交互式的元件布置工具極大地減少了印制板設(shè)計(jì)的時(shí)間。同時(shí)它還包含一個(gè)具有專業(yè)水準(zhǔn)的PCB信號(hào)完整性分析工具、功能強(qiáng)大的打印管理系統(tǒng)、一個(gè)先進(jìn)的PCB三維視圖預(yù)覽工具。此外，Protel 99 SE還包含一個(gè)功能強(qiáng)大的基于SPICE 3f5的模/數(shù)混合信號(hào)仿真器，使設(shè)計(jì)者可以方便地在設(shè)計(jì)中對(duì)一組混合信號(hào)進(jìn)行仿真分析。同時(shí)，它還提供了一個(gè)高效、通用的可編程邏輯器件設(shè)計(jì)工具【5】。Protel 99是應(yīng)用最廣泛的電子線路設(shè)計(jì)軟件，使用簡(jiǎn)單、易于學(xué)習(xí)、功能強(qiáng)大。它結(jié)合電子電路設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，從實(shí)用角度出發(fā)，完全可以實(shí)

50、現(xiàn)電路原理圖的設(shè)計(jì)及印制電路板的設(shè)計(jì)方法。 具體內(nèi)容有Prorel 99原理圖設(shè)計(jì)環(huán)境的設(shè)置、電路原理圖的設(shè)計(jì)、層次式原理圖的設(shè)計(jì)、原理圖元件的創(chuàng)建、電路板設(shè)計(jì)的基本知識(shí)、電路板設(shè)計(jì)環(huán)境設(shè)置、電路板規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)表的載入、印制電路板的設(shè)計(jì)、元件封裝的創(chuàng)建、各種報(bào)表文件的生成及設(shè)計(jì)成果的輸出等。設(shè)計(jì)調(diào)試：本設(shè)計(jì)的開發(fā)板原理圖用Protel99工具完成，在進(jìn)行元器件的創(chuàng)建、元器件的選擇以及元器件的連接以后，在這整體的合理布局以后，我們采用菜單欄上的TOOL工具欄中ERC電氣檢測(cè)對(duì)原理圖檢測(cè)，經(jīng)檢驗(yàn)無誤，硬件連接正確。5 結(jié)論本設(shè)計(jì)利用了單片機(jī)與簡(jiǎn)單外圍電路結(jié)合的思想，通過對(duì)單片機(jī)軟件程序和硬件電路的合

51、理劃分，完成了井下監(jiān)測(cè)粉塵濃度控制功能。利用FBG光學(xué)特性，設(shè)計(jì)了光源調(diào)制裝置，從而獲得適合氣體檢測(cè)的窄帶掃描光源，既解決了目前窄帶光源相干性高引起的系統(tǒng)附加干涉問題，又降低了光源成本，同時(shí)，只要通過更換不同反射波長(zhǎng)的光柵就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同氣體的測(cè)量；在本系統(tǒng)中，單片機(jī)AT89C51作為電路的核心部分，采用C語言編程。外圍電路由控制電路、傳感電路、液晶顯示電路和語音提示電路組成。控制電路選用繼電器來控制電機(jī)來打開或者關(guān)閉閥門。傳感電路采用了布拉格光柵傳感器，在電路中的起到主導(dǎo)的作用。液晶顯示采用的是1602芯片。語音提示采用WT588D語音芯片。為了保證電源的穩(wěn)定以及有效，系統(tǒng)的電源部分經(jīng)行了一

52、系列的穩(wěn)壓及蒸整流，達(dá)到了預(yù)想的效果。在整個(gè)設(shè)計(jì)過稱中，需要實(shí)現(xiàn)測(cè)出井下粉塵體濃度值，再與平常的空氣中的粉塵濃度做對(duì)比，老師平時(shí)指導(dǎo)我們將設(shè)計(jì)模塊化，首先實(shí)現(xiàn)功能，接著逐個(gè)地添加功能，最后達(dá)到自動(dòng)監(jiān)測(cè)可粉塵濃度和排放粉塵的功能。在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，不斷調(diào)試和修改電路及程序，提高了對(duì)單片機(jī)的應(yīng)用能力，以及分析和解決問題的能力。畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)階段非常重要難得的理論和實(shí)踐相結(jié)合的機(jī)會(huì)，通過本次以單片機(jī)為核心的井下安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我鞏固了所學(xué)的理論知識(shí)。和實(shí)際設(shè)計(jì)的結(jié)合鍛煉了我的綜合運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，以及在親身設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)中，培養(yǎng)了自己不斷提高產(chǎn)品性能的發(fā)散性思維，使我在對(duì)以后未來的工作中充滿了

53、自信，及希望?？傊?，通過本次完整的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，我各方面的能力得到了提高，今后的學(xué)習(xí)生活中我將不斷的提高與完善自己。致謝經(jīng)過幾個(gè)月的設(shè)計(jì)，我終于完成了這次井下安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這是我對(duì)單片機(jī)和Protel，C語言等有了更深刻的了解及認(rèn)識(shí)！ 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠順利完成，首先要感謝我的指導(dǎo)老師樊老師。樊老師一直做事嚴(yán)謹(jǐn)，細(xì)心并具有創(chuàng)造性思維，在我設(shè)計(jì)方案的時(shí)候，總是能給我好多改良性的意見，設(shè)計(jì)過程中，給了我很大的幫助。從選題到整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成，都離不開樊老師的指導(dǎo)。他淵博的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的作風(fēng)、對(duì)我們無微不至的關(guān)心、孜孜不倦的工作精神深深觸動(dòng)了我。在此，我要向樊老師表示深深的感謝，不僅感謝他交給我們

54、知識(shí)，更感謝他對(duì)我們的鼓勵(lì)！參考文獻(xiàn)1 劉建英.基于單片機(jī)的壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.內(nèi)蒙古石油化工，2005：15-202 張毅剛.新編MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)M.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2005:1-4.3 何立民.鍋爐自控系統(tǒng)M.北京: 北京航空航天大學(xué)出版社，1990:8-124 楊將新,李華軍,劉東駿.單片機(jī)程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用M.電子工業(yè)出版社,2006:4-85 蔣輝平,周國(guó)雄.單片機(jī)原理與應(yīng)用設(shè)計(jì).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.9:1-136 徐淑華，程退安，姚萬生.單片機(jī)微型機(jī)原理及應(yīng)用M.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1999.6:2-47 陳光東.單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)原

55、理與接口技術(shù)(第二版)M.武漢：華中理工大學(xué)出版社，1999.4：20-228 楊寧單片機(jī)與控制技術(shù)M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005(1):126-1459 張毅坤，陳善久，裘雪紅.單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用M.西安電子科技大學(xué)出版社,1998:2-510 曹巧媛.單片機(jī)原理與應(yīng)用M.北京:電子工業(yè)出版社,2002:122-14011 張凱,馬忠梅.MCS-51單片機(jī)綜合系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)開發(fā)M.北京:科學(xué)出版社,1996：202-20812 WT588D語音芯片使用說明M.大連東顯電子有限公司.13 電子驛站.手把手教你1602字符型液晶模塊使EB/OL. /blog/item/ fda9

56、3f6dabcc29f1431694ee.html14 電子天下.LCD1602中文資料.15 電子天下.LCD1602中文資料.16 徐瑋.51單片機(jī)綜合學(xué)習(xí)系統(tǒng)1602字符型液晶顯示篇J.電子制作17 蔡康松,段杏林.基于單片機(jī)字符型液晶顯示模塊控制設(shè)計(jì)J.黃山學(xué)院學(xué)報(bào)2005:34-4018 鄧燕妮,常小科等.基于51單片機(jī)控制的液晶顯示技術(shù)J.工業(yè)控制計(jì)算2007(03):57-619 彭小軍.各種壓力傳感器的應(yīng)用J.新余高專學(xué)報(bào).2004(9)：54-6020 吳今哲.基于AT89C51的C語言編程J.機(jī)械與電子,2009:32-3821 蔡江洪;壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2005The monitorin