煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)設計說明

..畢業(yè)設計[論文]題目：煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)設計系別：電氣與電子工程系專業(yè)：電氣工程及其自動化__田曉東學號：121406158指導劉曉芳XX城建學院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)測系統(tǒng)概述 1253401.2煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng)的國內外發(fā)展狀況 227601.3本課題的研究意義 3232761.4本課題的主要工作內容 324663第二章煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng)設計的特殊要求及設計原理 5187522.1系統(tǒng)設計要求 5212362.1.1技術指標要求 563342.1.2隔爆儀表設計要求 5200022.1.3系統(tǒng)的功能 6192992.2設計原理 697972.2.1氣體傳感器的選擇 6237742.2.2單片機型號的選擇 10134382.2.3AT89552單片機的特點 114882第三章基于氣敏元件的煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)設計與試驗 12130053.1系統(tǒng)原理框圖 1243233.2系統(tǒng)硬件設計 1253963.2.1系統(tǒng)電源 1260973.2.2氣體傳感器加熱及其信號采樣 14199603.2.3傳感器信號監(jiān)測回路及A/D轉換參考電源 16113533.2.4模數(shù)轉換芯片AD7810的原理及應用 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看門狗硬件電路 31285253.3系統(tǒng)軟件設計 32179943.3.1主程序 3399903.3.2案件中斷程序 3573733.3.3定時器A中斷程序 36234753.3.4串行中斷程序 37178573.3.5軟件的低功耗設計 3716115第四章總結與展望 4011804.1研究工作總結 40286804.2研究工作展望 405625參考文獻 4228814致謝 4327911附錄 44..摘要能源工業(yè)是國家經(jīng)濟發(fā)展的命脈,近年來,隨著石油資源的緊張、石油價格的騰升,煤炭行業(yè)的重要地位和不可替代性也日益顯現(xiàn)。然而,中國煤炭行業(yè)的安全生產形勢卻不容樂觀,尤其是重、特大傷亡事故屢見報端。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,但各煤礦生產企業(yè)安全監(jiān)測設備不完備、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)的無火焰燃燒式氣體傳感器,以AT89552單片機作為硬件電路核心,研制煤礦瓦斯<CH4>監(jiān)測系統(tǒng),開發(fā)出實現(xiàn)對CH4的識別、濃度監(jiān)測、閥值報警以及實時上傳數(shù)據(jù)至地面監(jiān)控PC,通過串口通訊軟件界面顯示。論文首先闡述了CH4監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀,通過對無火焰燃燒式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)測系統(tǒng)的設計要求,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,煤礦電氣設備必須符合防爆要求,應有接地、過流、漏電保護裝置。在此基礎上,詳細論述了瓦斯氣體監(jiān)測系統(tǒng)的硬件電路設計與系統(tǒng)軟件設計及實用分析。本課題采用具有較高性價比的單片機AT89552構成煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分,根據(jù)氣體傳感器測量的信號,實現(xiàn)對CH4的成分識別和濃度測量;使用按鍵面板輸入外部命令;采用ATMEL公司的DataFlash存儲器AT24C02存儲設定的參數(shù)及大_量的測量數(shù)據(jù);采用RS一485協(xié)議,實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠傳,由地面串口通訊軟件接收處理。串口通訊軟件對單片機而言意義重大,不但可以實現(xiàn)將單片機的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X端,而且能實現(xiàn)電腦對單片機的控制。本文設計開發(fā)的串口通訊軟件,是煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng)標定及其與PC機/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PC機實時監(jiān)控煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài),讀取系統(tǒng)存儲器中的數(shù)據(jù),并可實時顯示系統(tǒng)監(jiān)測到的不同環(huán)境下的氣體濃度,運用PC強大的數(shù)據(jù)處理能力分析保存數(shù)據(jù),并通過串口通訊軟件將所測量的結果顯示到軟件界面,便于工作人員更直觀地了解井下的工況,實施相應處理與控制。關鍵詞: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)生事故后會造成巨大的經(jīng)濟損失,危及礦工的生命。隨著煤礦開采技術手段的不斷改進和開采規(guī)模的擴大及開采深度的不斷延伸,安全隱患越來越多。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越高。如果不把瓦斯事故控制住,就不能實現(xiàn)煤礦安全生產狀況的穩(wěn)定,也就無法保障煤炭工業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。所以,對煤礦井下瓦斯氣體進行快速準確的監(jiān)測顯得尤其重要,對易燃易爆混合氣體監(jiān)測系統(tǒng)的研究和開發(fā)也成為人們一直關注的問題。1.1煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng)概述煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng)是能夠監(jiān)測礦井環(huán)境中瓦斯氣體的濃度,具有報警功能并能實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠傳至地面監(jiān)控室PC的系統(tǒng)。本課題中完整的煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng)山以下五個部分組成：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,它能將與氣體種類和濃度有關的信息轉換成電信號2>顯示單元:根據(jù)測量信號,由單片機將待顯示數(shù)據(jù)按相應方式進行數(shù)據(jù)傳輸給顯示處理模塊顯示于儀表3>聲光報警單元:當監(jiān)測氣體濃度超出設定報警值時,發(fā)出聲光報警;4時通訊單元:將采集數(shù)據(jù)通過RS-485通訊方式進行數(shù)據(jù)通信5>數(shù)據(jù)采集分析軟件:運用VC++編寫串口通訊軟件,實現(xiàn)氣體數(shù)據(jù)的采集、分析及保存煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng)其他的技術參數(shù)還有存儲數(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)測系統(tǒng)的重要組成部分,就其原理可以分為四大類:光學類氣體傳感器、電化學類氣體傳感器、高分子材料類氣體傳感器及電學類氣體傳感器。利用氣體的光學特性來監(jiān)測氣體成分和濃度的傳感器為光學類氣體傳感器,根據(jù)具體的光學原理可分為紅外吸收式、可見光吸收光度式、光干涉式、化學發(fā)光式和試紙光電光度式、光離子化式等氣體傳感器。電化學類氣體傳感器是利用電化學性質的氣體傳感器,該類氣體傳感器包括:定電位電解式、伽伐尼電池式、固體電解質等種類的氣體傳感器。高分子氣敏材料氣體傳感器主要有高分子電阻式、高分子電介質式、濃差電池式、聲表面波式、石英振子式等。利用材料的電學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類氣體傳感器。這類氣體傳感器又可分為電阻式和非電阻式兩大類,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而制成的傳感器,主要包括MOS二極管式、結型二極管式和場效應管式,而電阻式氣體傳感器則通常主要有接觸燃燒式、熱導式、半導體氣體傳感器等等。世界上發(fā)達國家用于煤礦井下易燃易爆氣體監(jiān)測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)測儀表是利用了光的干涉原理實現(xiàn)對已知待監(jiān)測氣體濃度的測量。比較典型的產品有礦用光干涉型CH4氣體監(jiān)測儀,它是利用不同種類、不同濃度的氣體對光的折射率不同這一性質,針對CH4氣體設計適當?shù)墓饴废到y(tǒng),把CH4氣體濃度的變化轉換成光的干涉條紋的位置變化。具體地說,就是采用一個光源,經(jīng)過適當?shù)墓鈱W設計,使其分解為兩列光波,一路通過標準空氣室,另一路穿過采樣氣室后在某處相遇,此時由于滿足光的相干條件,從而產生下涉條紋。把兩氣室都充有空氣時的干涉條紋作為初始位置,當CH4氣體充入采樣室后,由于光程差的結果,干涉條紋會相對于原位置移動一段距離,并且這個距.離將隨CH4氣體濃度的不同而產生相應的變化。因此只要測量該位移量,就可以獲得CH4在空氣中的含量。該測量儀測量范圍大,使用壽命長,但儀器設備大,價格高,測量不直觀,而且無法與監(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)測儀表中,載體催化燃燒方式監(jiān)測可燃氣濃度的方法因其線性和穩(wěn)定性較好,以爆炸下限百分體積濃度為單位的濃度標度方法能統(tǒng)一衡量各種可燃氣濃度所呈現(xiàn)的爆炸危險度,且量程符合工業(yè)要求,故被較多的用于爆炸危險場所可燃性氣體的測量。該監(jiān)測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一層陶瓷載體<如A12仇>后再涂覆催化活性物<Rh,Pd等>構成。當Pt絲中通以工作電流使之達到臨界反應溫度<320一350OC>時,可燃氣在元件表面催化燃燒使Pt絲電阻增加,在完全燃燒且熱輻射可忽略時,電阻增量△凡與可燃氣濃度C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)、可燃氣燃燒熱、元件熱容,故k是僅與元件及可燃氣種類有關的常數(shù)。將△RF轉換成電信號,通過這一阻值變化,轉換為電壓變化,從而通過A/D轉換可得到被測氣體的濃度值。1.2煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng)的國內外發(fā)展狀況伴隨氣體傳感器的發(fā)展,氣體監(jiān)測儀器不斷更新。其類型根據(jù)監(jiān)測對象可分為可燃性氣體監(jiān)測儀、毒性氣體監(jiān)測儀和氧氣監(jiān)測儀等;從儀器結構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散式,用于在危險環(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)測人員定期安檢;固定式儀器用于煤礦井下固定地點氣體監(jiān)測。世界各國也均有煤礦瓦斯氣體監(jiān)測的系統(tǒng),如波蘭的DAN640O、法國的TF200、德國的MINOS和英國的Senturion-200等,其中全礦井綜合監(jiān)測控制系統(tǒng)有代表性的產品有美國MSA公司生產的系統(tǒng),德國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,并無數(shù)據(jù)上傳,不能實現(xiàn)智能化監(jiān)控。我國監(jiān)測監(jiān)控技術應用較晚,80年代初,從波蘭、法國、德國英國和美國等引進了一批安全監(jiān)測系統(tǒng),裝備了部分煤礦;在引進的同時,通過消化、吸收并結合我國煤礦的實際情況,先后由XX煤科院、XXXX煤科院等國內知名煤礦科學研究所研制出KJ2、KJ4、KJS、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92、KJ95、KJ101等煤礦有害氣體監(jiān)測系統(tǒng),在我國煤礦己有大量使用,但其中很大一部分儀表的傳輸數(shù)據(jù)是模擬方式,將氣體濃度轉化為脈沖量,易受礦井下強電磁設備干擾,造成監(jiān)測結果不準確,易出現(xiàn)誤報警等現(xiàn)象。1.3本課題的研究意義我國是世界上最大的煤炭生產和消費國,也是世界上少數(shù)幾個以煤為主要能源的國家之一。雖然通過煤炭生產、加工和利用等各個環(huán)節(jié),提供了相當多的就業(yè)機會,但每個環(huán)節(jié)卻同時帶來了環(huán)境污染、安全等一系列的問題。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)煤礦開采時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,認識并研制監(jiān)測這種氣體的新型系統(tǒng),顯得非常重要。瓦斯<CH4>是在成煤過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。瓦斯是一種無色、無味的氣體,密度為0.7167kg/m3,對人體的危害是超限時能引起人窒息死亡。其有易燃、易爆等特點,因此煤礦對瓦斯的治理應非常重視。瓦斯的災害主要表現(xiàn)為四個方面。第一、瓦斯?jié)舛冗^高,對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,瓦斯爆炸所產生的巨大沖擊波和高溫火焰,往往導致群死群傷,而且揚起的煤塵又會參與爆炸,摧毀巷道,毀壞設備,甚至毀滅整個礦井,給國家和人民生命財產造成巨大損失。第二、煤中瓦斯突出。突出直接影響著工人的人身安全。第四、大量的瓦斯從通風井排入大氣,污染大氣環(huán)境。我國煤礦的瓦斯災害是比較嚴重的,瓦斯災害始終是煤礦安全生產的大敵,日前已成為制約煤礦安全生產的主要矛盾。因此,研制先進適用的煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng)對煤礦工業(yè)安全生產,減少事故發(fā)生和生命財產損失有重要意義,市場應用前景十分廣闊。1.4本課題的主要工作內容日前國內有一些用于煤礦中CH4氣體的監(jiān)測系統(tǒng),但是很少有能實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳,做到實時監(jiān)測,本文針對煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,閱讀了大量文獻及資料,研發(fā)了煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng),主要工作包括:l>甲烷氣體傳感器的選用2>單片機的選用3>系統(tǒng)硬件電路的設計4>系統(tǒng)軟件的設計5>通訊方式及通訊協(xié)議設計第二章煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng)設計的特殊要求及設計原理本課題的研究目標,是設計一種能夠有效監(jiān)測煤礦瓦斯氣體的監(jiān)測系統(tǒng),并可以將實時數(shù)據(jù)上傳至地面監(jiān)控電腦,實施控制。為此,應根據(jù)煤礦工作環(huán)境及煤礦巷道中氣體監(jiān)測系統(tǒng)使用的特殊要求進行系統(tǒng)設計。2.1系統(tǒng)設計要求技術指標要求本課題對煤礦氣體監(jiān)測儀表及其所用氣體傳感器在技術指標上的要求如下:1>應用環(huán)境:煤礦氣體監(jiān)測2>監(jiān)測對象:監(jiān)測甲烷氣體3>測量范圍:甲烷O-10%4>靈敏度:0.01%5>響應時間: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隔爆儀表設計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。這就對煤礦電器有特殊要求,如體積要小,易于搬運,堅固,防潮防水,防爆。屬于煤礦安全標志管理目錄內的礦用產品應有安全標志,電氣設備必須符合防爆要求,應有接地、過流、漏電保護裝置。隔爆型儀表的主要特點是有一個可靠的隔爆外殼,它將把可能產生火花和危險溫度的儀表傳感器、電阻電路及接線端子等,都放在隔爆外殼里,達到外殼內可能發(fā)生的爆炸不影響周圍易燃易爆物質,它的設計方法與隔爆型電器和電機基本相類似。如外殼的各配合面<隔爆面>的間隙大小和長度要符合GB3836.2標準規(guī)定要求,另一方面外殼要有一定的機械強度,須達到外殼內部爆炸參考壓力的1.5倍壓力不損壞和變形等。隔爆型儀表設計須注意如下幾個方面:<l>確定合理的外殼結構根據(jù)儀表的特點,專門設計與原結構相適應的外殼,達到既不損害儀表原來使用特征又經(jīng)濟合理的外殼;外殼腔內有細長通道,避免腔內發(fā)生壓力重疊現(xiàn)象;外殼的材質采用新型的工程塑料和優(yōu)質輕合金,結構輕巧。<2>接線盒結構隔爆型儀表設計帶有接線盒的隔爆外殼,且接線盒的防爆類型為隔爆型。由于隔爆型儀表具有低電壓、小電流特點,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構,使隔爆型儀表結構簡單,加工方便。<3>指示表結構為了使井下工作人員及時地了解瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù),隔爆型儀表帶有指示表。指示表設計在儀表的主腔室,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)的功能在本項目中,煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng)的功能是能夠監(jiān)測CH4,同時本著方便應用的原則,還應具備聲光報警、人機界面操作、數(shù)據(jù)存儲以及與PC機通訊等功能?；谶@些要求,儀表應由敏感探頭、A/D轉換、單片機、數(shù)據(jù)存儲器、顯示器、按鍵面板及報警模塊、通訊模塊等組成。由于在標定和更新系統(tǒng)參數(shù)的時候,需要大量的實驗數(shù)據(jù),這就需要擴展儀表外設功能模塊,采用串口通訊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠傳。2.2設計原理本項目采用CH4氣體傳感器,研制無火焰燃燒式CH4氣體傳感器應用系統(tǒng),實現(xiàn)對CH4的識別、濃度的測量、是否達到報警闌值的判斷以及數(shù)據(jù)的遠傳。氣體傳感器的選擇本文在實驗階段,采用7只CH4氣體傳感器進行參數(shù)測量。其催化元件是采用一種全新高活性的納米級過渡金屬合金低溫反應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瓦斯催化反應的活性極高,臨界反應溫度低,而且具有良好的催化選擇性,有利于提高報警器的靈敏性和準確性。同時因反應可在較低溫度進行,催化劑性能穩(wěn)定,因而大大延長了催化劑的使用壽命。這種敏感元件的外觀圖見圖,其具有抗氣體干擾能力強、選擇性好、反應速度快、靈敏度高、線性和穩(wěn)定性好、功耗低、壽命長等特點。適用于煤礦井下作業(yè)環(huán)境測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風速:<8m/s大氣壓力:80—116KPa2.零點輸出Vo0mv—+20mV<V。:空氣中的輸出電壓>3.靈敏度M>2mV<M:靈敏度>4.傳感器對多種可燃氣體的敏感特性圖表示CH4氣體敏感元件對各種氣體的反應關系,從圖上我們可以看出敏感元件輸出電壓與對各種氣體濃度之間具有較好的線性關系。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:40℃,95%RH,%小時<見圖>。Y軸表示Vo的輸出電壓值。圖恒定濕熱實驗圖2>低溫實驗見表2氣敏元件在00C一表2.1低溫實驗記錄圖-40C傳感器震蕩曲線圖6.高濃度甲烷實驗將0—7#傳感器置于10%的甲烷環(huán)境中2小時,放氣前后的數(shù)據(jù)狀態(tài)表2.2高濃甲烷實驗放氣前后的數(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輸出可能不為零,只需在工作點電壓穩(wěn)定十分鐘后輸出零點將歸零:b.在氣體中的穩(wěn)定性:貯存一周到一年的元件剛開始下作時靈敏度可能達不到最佳點,只需在工作點電壓穩(wěn)定二十分鐘后輸出靈敏度將復原;2>長期穩(wěn)定性圖長期穩(wěn)定性單片機型號的選擇隨著計算機技術的發(fā)展,單片機因具有集成度高、體積小、速度快、價格低等特點而在許多領域如過程控制、數(shù)據(jù)采集、機電一體化、智能化儀表、家用電器以及網(wǎng)絡技術等方面得到廣泛應用,從而使這些領域的技術水平、自動化程度大大提高。正因為如此國內外多家電子生產廠商把目光投向了單片機的生產,其中最為著名的當數(shù)INTEL公司生產的MCS—51系列單片機。單片機根據(jù)本課題的實際情況,單片機型號的選擇主要從以下兩點考慮:一是要有較強的抗干擾能力。由于甲烷氣體監(jiān)測傳感器處于煤礦礦井巷道中,一下作環(huán)境比較惡劣,以及實際的運行工況比較復雜,這些都對單片機的干擾較大,所以應采用抗干擾性能較好的單片機機型;二是要有較高的性價比。由于51系列在我國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,其典型產品AT89552單片機具有較高的性能價格比。本文采用ATMEL公司生產的AT89552單片機作為監(jiān)測系統(tǒng)的核心部件,AT89552單片機是AT89S系列單片機中的一種,它是在現(xiàn)己廣泛應用于工業(yè)控制等各領域的AT89C52系列單片機的換代產品。它具有89C52的全部功能,是8OC51的增強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用于工業(yè)控制、汽車控制、智能儀器儀表及電機控制等應用領域。T89552單片機的特點l>兼容MCS—51單片機2>SK字節(jié)FLASll存貯器支持在系統(tǒng)編程工SP1000次擦寫周期3>256字節(jié)片內RAM4>256作電壓吐4.0V到6.0V5>動全靜態(tài)時鐘OHZ到33MHZ6>二級程序加密7>32個可編程l/0口8>3個16位定時/計數(shù)器9>6個中斷源10>上電復位標志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>看門狗定時器L5動雙數(shù)據(jù)指針此外,與AT89C52相比,AT89S52新增加了許多功能,這將使單片機在工作過程中具備史高的穩(wěn)定性和電磁抗千擾性。首先,AT89S52內部增加了片內看門狗定時器,這將有利于堅固用戶應用系統(tǒng),提高系統(tǒng)可靠性;其次,AT89S52獨有的雙數(shù)據(jù)指針使數(shù)據(jù)操作更加快捷方便;再次,AT89S52運行速度更高,最高晶振可達到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:RST、MOSI、MI50和SCK。用戶可以直接替換應用系統(tǒng)中的AT89C51/52,而軟件硬件均不需作任何修改,這給正使用AT89C52單片機的用戶史新?lián)Q代帶來許多方便。正因為AT89S52單片機增加了高可靠性、安全性的功能,所以能避免因外部芯片擴展過多或傳感器輸入信號過多而引起的信號失真、電磁千擾等現(xiàn)象的發(fā)生。因此,用它作為甲烷氣體測量可以滿足監(jiān)控、信息傳送的要求。而且,從經(jīng)濟性的角度來看,AT89S52不但硬件結構簡單,而且價格低、功能強、性價比高,符合我國工業(yè)設計制造的要求。第三章基于氣敏元件的煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)設計本章將介紹基于甲烷氣體傳感器的氣體監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)原理框圖,及其整體協(xié)調丁作實現(xiàn)的功能;系統(tǒng)的硬件電路設計及其主要功能模塊;系統(tǒng)程序流程等內容。3.1系統(tǒng)原理框圖基于氣體傳感器的甲烷氣體監(jiān)測系統(tǒng)主要由氣體傳感器、單片機、數(shù)據(jù)存儲器以及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AT89S52構成煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分,根據(jù)氣體傳感器及測量的信號,實現(xiàn)對CH4的成分識別和濃度測量;使用按鍵面板輸入外部命令;采用ATMEL公司的DataFlash存儲器AT24CO2存儲設定的參數(shù)及大量的測量數(shù)據(jù);通過8只8段LED數(shù)碼管顯示氣體濃度:也可以在PC機控制模式下,采用RS—485協(xié)議,實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠傳。圖3.1系統(tǒng)硬件原理框圖3.2系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)硬件設計原理圖見附錄,下面介紹其主要組成部分以及它們實現(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LM317電壓調節(jié)端<ADJ>的電壓進行濾波,以提高輸出電壓的穩(wěn)定性;Dl、D2起保護作用,當有意外情況使得LM317的Vin電壓比Vout電壓還低的時候,防止從C3,C4上有電流倒灌入LM317引起其損壞。整個系統(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、傳感器信號監(jiān)測回路及A/D轉換參考電源模塊輸入需要的9.58V工作電壓;VCC是單片機等集成芯片需要5V的下作電壓。電源部分的核心器件是二端可調輸出集成穩(wěn)壓器LM317。LM317是美國國家半公司的三端一可調整流穩(wěn)壓器集成電路,輸出電壓范圍是1.25v至37v,負載電流最人為1.5A。它的使用非常簡單,僅需兩個外接電阻來設置輸出電壓,此外線性調整率和負載調整率也比標準的固定穩(wěn)壓器好。內置過載保護、安全區(qū)保護等多種保護電路。輸出引腳3與調節(jié)引腳1之間保持1.25V的參考電壓Vref,并且引腳3為正端。當調節(jié)端接地時,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調整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>。通過調整接入ADJ端和Vout端電阻的比值,來改變輸出電壓。值得注意的是,LM317有一個最小負載電流的問題,即只有負載電流超過某一值時,才能起到穩(wěn)壓作用。這個電流隨器件的生產廠家而有所差異,一般在3—8mA不等,可以通過在負載端接一個合適的電陰來解決。依據(jù)LM317的輸出電壓計算公式,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采樣氣體傳感器加熱及其信號采樣電路圖如圖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)測回路的工作電壓,G剛>為氣體傳感器加熱地,VSS為信號采樣地,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,這樣勢必導致流經(jīng)加熱回路的電流大:另外,為了方便測量,傳感器探頭電路與儀表數(shù)據(jù)處理電路不在同一個電路板_!_,而是用了比較長的數(shù)據(jù)線相連。如果采樣地與加熱地共用一條回路,采樣地就會流過較大的電流,這樣就能在信號采樣線上產生很大的壓降,從而導致采集的信號受信號采集線的長短影響較大。必須把加熱地與信號地分離開,才能降低干擾。依據(jù)LM317的輸出電壓一計算公式,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采樣電路圖模數(shù)轉換芯片選用的是美國模擬器件公司<AnalogDeviceS>生產的一種低功耗10位高速串行A/D轉換器AD7810,其轉換精度為。模數(shù)轉換時,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轉換后,換算出氣體傳感器輸出電壓:其中:VAD是A/D的轉換結果。由以上兩式聯(lián)立得:上式簡化得到：從上式可以看出,Rs與采樣回路電壓VH無關,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轉換結果,就可以得到氣體傳感器得敏感體電阻。傳感器信號監(jiān)測回路及A/D轉換參考電源傳感器信號監(jiān)測回路及A/D轉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公司生產的一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調精密電壓基準集成電路,引腳分別為:陰極<CATHODE>、陽極<ANODE>和參考端<REF>;輸出電壓范圍是2.5v到:36v;典型動態(tài)阻抗為0.2∏,輸出雜波低。在很多應用中可以用它代替齊納二極管,例如,數(shù)字電壓表,運放電路、可調壓電源,開關電源等等。該器件內部有一個的2.5V基準源V工,接在內部運放的反相輸入端。由運放的特性可知,只有當REF<同相端>的電壓非常接近VI時,三極管中才會有一個穩(wěn)定的非通過從陰極到陽極很寬范圍的分流來控制輸出電壓。需要注意的是,在選擇電阻時必須保證TL431工作的必要條件,即通過陰極的電流要大于lmA。圖3.4中,R8和R6對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,從而又導致VH下降。可見,這個深度的負反饋電路必然在VI等于基準電爪處穩(wěn)定,此時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I/O口控制該電源的工作狀態(tài)。當I/O為高電平"1”時,NPN三極管Q1導通,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,這樣就能滿足TIJ431的工作條件,從而可以得到VH=3V的輸出電壓；當I/O為低電平"0”時,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傳感器信號監(jiān)測回路及A/D轉換參考電源電路圖模數(shù)轉換芯片AD7810的原理及應用AD7810是美國模擬器件公司<AnalogDeviCeS>生產的一種低功耗10位高速串行A/D轉換器。該產品有8腳DIP和SOIC兩種封裝形式,并帶有內部時鐘。它的外圍接線極其簡單,AD781O的轉換時間為2us,采用標準SPI同步串行接口輸出和單一電源<2.7V一5.5V>供電。在自動低功耗模式下,該器件在轉換吞吐率為1kSPS時的功耗僅為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:轉換啟動輸入信號2腳VlN+:模擬信號同相輸入端3腳VIN—:模擬信號反相輸入端4腳GND:接地端口5腳Vref:轉換參考電壓輸入端6腳DOUT:串行數(shù)據(jù)輸出端7腳SCLK:時鐘輸入端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位二進制2>轉換時間:2uS3>非線性誤差:1LSB4時電源電>長范圍:2.7—5.5V5>電源功耗:高速方式時為17.5mW,低功耗方式時為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工作在高速模式時的時序圖。在此模式下,啟動信號CONVST一般處于高電平。在CONVST端輸入一個負脈沖,其下降沿將啟動一次轉換。若采用內部時鐘,那么,轉換需要2uS的時間<圖中tl>。當轉換結束時,AD7810會自動將轉換結果鎖存到輸出移位寄存器中。此后,在每一個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。如果在轉換還未結束之前就發(fā)出SCLK信號來啟動數(shù)據(jù)輸出,那么,在DOUT上出現(xiàn)的將是上一次轉換的結果。圖3.6AD78l0高速模式時序圖啟動信號CONVST應在轉換結束前變?yōu)楦唠娖?即t2應小于tl,否則器件將自動進入低功耗模式。另外,串行時鐘SCLK的最高頻率不能超過20MHz。3.2自動低功耗模式圖3.7是AD7810下作在自動低功耗模式時的時序圖。在此模式下,啟動信號CONVST為低電平時,器件處于低功耗休眠狀態(tài)。當在CONVST端輸入一個正脈沖時,可在其上升沿將器件從休眠狀態(tài)喚醒,喚醒過程需要1uS的時間<圖中t2>。當器件被喚醒后,系統(tǒng)將自動啟動一次轉換,轉換時間也是2uS圖中tl>。轉換結束時,AD7810將轉換結果鎖存到輸出移位寄存器中,同時自動將器件再一次置于低功耗狀態(tài)。圖3.7AD781O自動低功耗模式啟動信號CONVST正脈沖的寬度<圖3.7中t2>應小于1ps,否則器件被喚醒后將不會自動啟動轉換,而是將A/D轉換的啟動時間順延至CONVST的下降沿處。自動低功耗模式是AD7810的一大特色,一般當數(shù)據(jù)吞吐率小于100kSPS時,應使器件工作在此模式下。在5V電源電壓下,當數(shù)據(jù)吞吐率為100kSPS時,器件的功耗2.7mW;而當數(shù)據(jù)吞吐率為10kS時,功耗為270。W;若數(shù)據(jù)吞吐率為1KSPS,則其功耗僅27uW。4.AD7810的應用電路AD7810應用時幾乎不需外圍元件。圖3.8所示是其應用電路,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從VIN+輸入。圖3.8AD78lO應用電路AD7810幾乎與各種MCU進行接口,圖3.8中的MCU可以是51系列或PIC16C6x/7x單片機。在本論文中AD7810與AT89S52接口時,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,只要嚴格按照AD7810的時序要求操作,一般接口都不會有問題。這種方式實際上可擴展到所有的MCU種類。另外,AT89S52也可利用其串行口工作方式0與八AD7810進行通訊<圖中未畫出>,但這時應解決好兩個問題:一是由于AT89S52在TXD的上升沿進行采樣,這樣,TXD應經(jīng)過一個反相器再接到SCLK,而將RXD接至Dout,然后將CONVSI接至任意一個輸出端口。二是AT89S52串行口首先接收低位數(shù)據(jù),這一點與AD7810剛好相反,編程時需要注意。MAX7219顯示電路本課題中氣體監(jiān)測系統(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)點在于防潮防濕,溫度特性極佳,而且有遠距離視覺效果,很適合礦井下惡劣環(huán)境的需要。而我們使用的單片機AT89552本身并無顯示接口部分,需要外接顯示的譯碼驅動電路。LED數(shù)碼管顯示有動態(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,單片機往往都工作于并行工/0或存儲器方式。在本課題的單片機數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)中,利用MAXIM公司的串行接口8位LED顯示驅動器MAX7219構成顯示接口電路,僅需使用單片機3個引腳,即可實現(xiàn)對8位LED數(shù)碼管的顯示控制和驅動,線路非常簡單,控制簡單方便?！瞝MAX7219的功能和設置MAX7219芯片為MAXIM公司推出的串行輸入/輸出共陰極顯示驅動器,是用一個芯片實現(xiàn)以往用軟件完成的動態(tài)顯示電路掃描工作的器件。每片可控制顯示8個七段LED數(shù)碼管、條形圖或64個發(fā)光二極管,控制字簡單。為24引腳芯片,除與顯示器連接外,與微機串行口為3線連接,芯片外部電路僅為一限制峰值段電流的電阻,線路簡單,極大地方便了對顯示器件的控制。該芯片控制的顯示位數(shù)多,控制字少,可對全部或個別顯示位的數(shù)據(jù)進行更新。并可方便地進行多個芯片的級聯(lián),擴展顯示容量。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)字間的關系與解碼方式有關。表3.2中X可為16進制任意值,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)位與顯示段直接對應的顯示方式。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)。停機寄存器控制顯示器為停機或正常工作狀態(tài),停機狀態(tài)下描振蕩器停止工作,消隱所有顯示位。顯示測試寄存器設置器件為正常一「作或測試狀態(tài)?？詹僮骷拇嫫饔糜诙鄠€MAX7219級連。器件上電后所有控制寄存器復位。解碼方式寄存器的值為非解碼方式,亮度寄存器的值設置為最小,掃描寄存器設置為僅顯示1位,停機寄存器處于停機狀態(tài),顯示消隱。因此MAX7219必須經(jīng)過初始化后才可正常工作。MAX7219的工作時序如圖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)位移入器件內的移位寄存器,LOAD引腳信號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信號的上升沿必須與CIK的上升沿同時,或在其后。從DIN輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)過16.5個CLK脈沖后移到DOUT引腳上。表3.2MAx7219地址格式〔2單片機的串行工作方式AT89S52單片機串行口有四種發(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,通過P1.0引腳發(fā)送/接收串行數(shù)據(jù),通過Pl.1引腳發(fā)送移位時鐘脈沖。發(fā)送順序為低位在前,高位在后,與MAX7219的接收順序相反。從單片機時序上看,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進行發(fā)送,每發(fā)送兩次,就可向MAX7219輸出一個要顯示的數(shù)據(jù)或控制寄存器參數(shù)。而在單片機與MAX7219的時序配合中,時鐘脈沖的配合是非常關鍵的。圖3.9MAX7219時序圖<3>單片機與MAX7219的連接控制系統(tǒng)單片機與MAX7219及顯示器件的連接如圖3.10所示。單片機的Pl.0、P1.1引腳分別接MAX7219的DIN、CLK,以Pl.2控制LOAD引腳。由于MAX7219是在脈沖信號控制下工作的,抗干擾非常關鍵,在線路上,MAX7219應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控制程序設計本系統(tǒng)中單片機采用中斷方式對MAX7219進行控制,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MAX7219的初始化等。由于MAX7219易受干擾影響,因此在程序執(zhí)行過程中應經(jīng)常對顯示進行更新。3.2.6I2C總線接口電路I2C〔1I2C采用廠C總線標準的單片機或兀器件,其內部不僅有工ZC接口電路,而且將內部各渾七兒電路按功能劃分為若干相對獨立的模塊,通過軟件尋址實現(xiàn)片選,減少了器件片選線的連接。C四不僅能通過指令將某個功能單元電路掛靠或摘離總線,還可對該單元的工作狀況進行監(jiān)測,從而實現(xiàn)對硬件系統(tǒng)的既簡單又靈活的擴展與控制。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)器件的功能通過軟件程序使其可工作于發(fā)送或接收方式。當某個器件向總線土發(fā)送信息時,它就是發(fā)送器<也叫主器件>,而當其從總線上接收信自、時,又成為接收器<也叫從器件>。主器件用于啟動總線上傳送數(shù)據(jù)井產生時鐘以開放傳送的器件,此時任何被尋址的器件均被認為是從器件。I2總線上主和從<即發(fā)送和接收>的關系不是一成不變的,而是取決于此時數(shù)據(jù)傳送的方向。SDA和SCL均為雙向I/0線,通過上拉電阻接正電源。當總線空閑時,兩根線都是高電平。連接總線的器件的輸出級必須是集電極或漏極開路,以具有線"與"功能。工藝C總線的數(shù)據(jù)傳送速率在標準工作方式下為10Okbit/s,在快速方式下,最高傳送速率可達400kbit/s。〔3I2C在I2C〔4數(shù)據(jù)的傳送在數(shù)據(jù)傳送過程中,必須確認數(shù)據(jù)傳送的開始和結束。在I2C圖3.12I2CI2C總線的數(shù)據(jù)傳送格式是:在I2C總線開始信號后,送出的第一個字節(jié)數(shù)據(jù)是用來選擇從器件地址的,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,但每一個字節(jié)必須為8位,而且每個傳送的字節(jié)后面必須跟一個認可位<第9位>,也叫應答位<ACK>。每次都是先傳最高位,通常從器件在接收到每個字節(jié)后都會作出響應,即釋放SCL線返回高電平,準備接收下一個數(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實時事件而不能接收數(shù)據(jù)時,<例如正在處理一個內部中斷,在這個中斷處理完之前就不能接收I2當與主器件發(fā)送完一個字節(jié)的數(shù)據(jù)后,接著發(fā)出對應于SCL線上的一個時鐘<ACK>一認可位,在此時鐘內主器件釋放SDA線,一個字節(jié)傳送結束,而從器件的響應信號將S觸線拉成低電平,使SDA在該時鐘的高電平期間為穩(wěn)定的低電平。從器件的響應信號結束后,SDA線返回高電平,進入下一個傳送周期。<5>I2C總線接口器件日前在視頻處理、移動通信、數(shù)據(jù)采集等領域采用工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ATMEl公司的低功耗CMOS串行EEPROM,它是內含256*8位存儲空間,具有工作電壓寬<2.5一5.5V>、擦寫次數(shù)多<大于10000次>、寫入速度快<小于10ms>等特點。AT24C02與AT89S52連接電路見圖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、負電源。第5腳SDA為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出,數(shù)據(jù)通過這條雙向工七總線串行傳送,和單片機的P3.7連接。第6腳SCL為串行時鐘輸入線,和單片機的P3.6連接。SDA和SCL都需要和正電源間各接一個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的標準,并從幾個方面簡要介紹了本課題在用RS一485進行數(shù)據(jù)通訊時提高可靠性的一些措施。RS—485作為一種多點差分數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)范現(xiàn)已成為業(yè)界應用最為廣泛的標準通信接口之一,這種通信接口允許在簡單的一對雙絞線上進行多點雙向通信。它所具有的噪聲抑制能力、數(shù)據(jù)傳輸速率、電纜長度及可靠性等方面是其他標準無法比擬的。因此,許多不同領域都采用RS—485作為數(shù)據(jù)傳輸鏈路。例如:汽車電子電信設備局域網(wǎng)、蜂窩基站工業(yè)控制儀器儀表等等。這項標準得到廣泛接受的另外一個原因是它的通用性。RS—485標準只對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,在此基礎上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。盡管RS—485標準已被廣泛接受,但是對于它在實際應用中的一些具體問題并沒有得到深入廣泛的認識,甚至存在著種種誤區(qū)以至于影響到整個系統(tǒng)的性能。本節(jié)在介紹RS—485標準的基礎上重點討論幾個在本課題實際應用中注意的幾個方面?！?RS一485標準回顧RS—485標準最初山電子工業(yè)協(xié)會EIA于1983年制訂并發(fā)布,后由TIA通訊工業(yè)協(xié)會修訂后命名為TIA/EIA—485—A,不過工程師還是習慣地稱之為RS—485,RS—485由RS—422發(fā)展而來,后者是為彌補RS—232之不足而提出的為改進RS一232通信距離短、速率低的缺點。RS—422定義了一種平衡通信接口將傳輸速率提高到10Mbps,傳輸距離延長到4000英尺<速率低于I100kbpS時>,并允許在一條平衡線上連接最多10個接收器。RS—422是一種單機發(fā)送多機接收的單向平衡傳輸規(guī)范,為擴展應用范圍隨后又為其增加了多點雙向通信能力,即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上,同時增加了發(fā)送器的驅動能力和沖突保護特性擴展了總線共模范圍,這就是后來的EIARS—485標準。RS—485是一個電氣接口規(guī)范,它只規(guī)定了平衡驅動器和接收器的電特性,而沒有規(guī)定接插件傳輸電纜和通信協(xié)議。RS—485標準定義了一個基于單對平衡線的多點雙向半雙工通信鏈路,是一種極為經(jīng)濟、并具有相當高噪聲抑制、傳輸速率、傳輸距離和寬共模范圍的通信平臺。RS—485接口的主要特點如下:l>平衡傳輸2>多點通信3>驅動器輸出電壓<帶載>>≥1.54>接收器輸入門限:200mV5-7V至+12v總線共模范圍6>最大輸入電流:1.0mA/0.8mA〔12Vin/-7Vin7>最大總線負載:32個單位負載<UL>8>最人傳輸速率:10MbPs9>最大電纜長度:1200m〔2RS一485通信硬件電路設計在使用RS—485總線進行數(shù)據(jù)通信時,如果簡單地按常規(guī)方式設計電路,在實際工程中,可能有以下兩個問題出現(xiàn)。一是通信數(shù)據(jù)收發(fā)的可靠性問題;二是在多機通信方式下<圖3.14>,一個節(jié)點的故障<如死機>,往往會使得整個系統(tǒng)的通信樞架崩潰,而且給故障的排查帶來困難,針對上述問題,我們對485總線的軟硬件采取了具體的改進措施。圖3.14RS—485系統(tǒng)示意圖1>硬件電路的設計在論計中采用AT89S52單片機自帶的異步通信口,外接MAX485芯片轉換成485總線。其中為了實現(xiàn)總線與單片機系統(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差分信號的正向端6>B:485差分信號的反向端充分考慮現(xiàn)場的復雜環(huán)境,在電路設計中注意了以下三個問題。1.MAX85芯片DE控制端的設計由于應用系統(tǒng)中,主機與分機相隔較遠,通信線路的總長度往往超過400米,而分機系統(tǒng)工電或復位又常常不在同一個時刻完成。如果在此時某個MAX485的DE端電位為"l",那么它的455總線輸出將會處于發(fā)送狀態(tài),也就是占用了通信總線,這樣其它的分機就無法與主機進行通信。這種情況尤其表現(xiàn)在某個分機出現(xiàn)異常情況下<死機>,會使整個系統(tǒng)通信崩潰。因此在電路設計時,應保證系統(tǒng)上一七復位時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位期間分機"咬"總線的問題。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,由于要對現(xiàn)場情況進行實時監(jiān)控及響應,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)場的導線<現(xiàn)場施工一般使用5類非屏蔽的雙絞線>,而是在與單片機系統(tǒng)進行信號隔離的光禍電路上。此處采用TILll7。電阻R2、R3如果選取得較大,將會使光禍的發(fā)光管由截止進入飽和變得較慢;如果選取得過小,退出飽和也會很慢,所以這兩只電阻的數(shù)值要精心選取,不同型號的光藕及驅動電路使得這兩個電阻的數(shù)值略有差異,這一點在電路設計中要特別慎重,不能隨意,通?？梢杂蓪嶒瀬矶ā?.485總線輸出電路部分的設計輸出電路的設計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)境比較復雜,現(xiàn)場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措施。在電路設計中采用穩(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<如某一臺分機的485芯片被擊穿短路>,為防止總線中其它分機的通信受到影響,在MAX485的485信號輸出端串聯(lián)了兩個20∏的電阻R10、R11。這樣本機的硬件故障就不會使整個總線的通信受到影響。在應用系統(tǒng)的現(xiàn)場采集中,由于通信載體是雙絞線,它的特性阻抗為120。左右,所以線路設計時,在RS—485網(wǎng)絡傳輸線的始端和末端各應接1只120∏的匹配電阻<如圖3.15中R8>,以減少線路上傳輸信號的反射。由于RS一485芯片的特性,接收器的監(jiān)測靈敏度為士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端電位差的絕對值小于200mV時,輸出為不確定。如果在總線上所有發(fā)送器被禁止時,接收器輸出邏輯O,這會誤認為通信幀的起始引起工作不正常。解決這個問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>呈現(xiàn)唯一的高電平,AT89S52單片機就不會被誤中斷而收到亂字符。通過在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問題。2>軟件的編程485芯片的軟件編程對產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,在某一個時刻,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對分機的查詢方式通信,總線上必然有一臺始終處于主機地位的設備在巡檢其它的分機,所以需要制定一套合理的通信協(xié)議來協(xié)調總線的分時共用。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)都有引導碼、長度碼、地址碼、命令碼、內容、校驗碼等部分組成。其中引導碼是用于同步每一包數(shù)據(jù)的引導頭;長度碼是這一包數(shù)據(jù)的總長度;命令碼是主機對分機<或分機應答主機>的控制命令;地址碼是分機的本機地址號;"內容"是這一包數(shù)據(jù)里的各種信息;校驗碼是這一包數(shù)據(jù)的校驗標志,可以采用奇偶校驗、和校驗等不同的方式。在485芯片的通信中,尤其要注意對485控制端DE的軟件編程。為了可靠的工作,在485總線狀態(tài)切換時需要做適當延時,再進行數(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>結論經(jīng)過以上的軟硬件共同處理,RS—485總線在應用系統(tǒng)工程中的可靠性大大提高,在通常的環(huán)境條件下,24小時連續(xù)開機,系統(tǒng)的通信始終處于正常狀態(tài),整機性能滿足了對于瓦斯數(shù)據(jù)需時時采集的需要?？撮T狗硬件電路在監(jiān)測系統(tǒng)中為了保證單片機可靠而穩(wěn)定的運行,使單片機系統(tǒng)盡快擺脫因干擾而產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重新回到用戶程序。這種監(jiān)視器即"看門狗"<Watchdog>。監(jiān)測系統(tǒng)設計有看門狗功能,一旦系統(tǒng)在現(xiàn)場受到突發(fā)干擾使程序跑飛,單片機沒有自我保護能力,不能系統(tǒng)復位,重新工作。為此,本系統(tǒng)采用了MAX706和AT89S52構成的"看門狗"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,其內部電路由上電復位、可重復觸發(fā)"看門狗"定時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<2.63v,2.93v,3.08v>;2>200ms的復位時延3>對手動復位信號消抖,兼容TTL/CMOS;4>獨立的1.6秒時長watchdog;5>可輸出高電平有效的復位信號。CPU正常工作時,該電路對其不加干預,當CPU工作失常一段時間后,看門狗電路動作,使系統(tǒng)復位重新工作。圖3.16看門狗電路P1.3作為喂狗信號,CPU只要在1.6s內給Pl.3一個正脈沖,看門狗定時器被清零,WDO引腳維持高電平;當程序跑飛或死機時,CPU不能在1.6s內給出喂狗信號,WDO引腳立即跳變?yōu)榈碗娖?進而觸發(fā)MR手動復位引腳,使MAX706復位,從而使"看門狗"定時器清零并重新開始計時,WDO引腳輸出高電平,MAX706的RST復位輸出引腳輸出大約200ms:寬度的的電平脈沖,使單片機控制系統(tǒng)可靠復位,重新投入正常運行。3.3系統(tǒng)軟件設計本系統(tǒng)軟硬件底層設計軟件是采用美國Kei1Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)KEILuVIS工ONZ。KEILuVISIONZ是眾多單片機應用開發(fā)軟件中優(yōu)秀的軟件之一,它支持眾多不同公司的MCS51架構的芯片,它集編輯,編譯,仿真等于一體,同時還支持匯編和C語言的程序設計,它的界面和常用的微軟VC++的界面相似,界面友好,易學易用,在調試程序,軟件仿真方而也有很強人的功能。論文中設計的內嵌于氣體監(jiān)測儀表中的軟件所要完成的主要功能有:l>設置系統(tǒng)初始狀態(tài)2>氣體成分識別及濃度計算、顯示3>報警閥值設置4>數(shù)據(jù)存儲5>串行通訊6>測量結束后系統(tǒng)進入低功耗狀態(tài)上述功能主要由主程序、氣體傳感器信號測量子程序、按鍵中斷程序、定時器A中斷程序、定}時器B中斷程序、顯示子程序、數(shù)據(jù)存儲子程序、串行中斷程序以及軟件的低功耗設置這幾個部分完成。主程序主程序首先初始單片機的一些寄存器、1/0等的狀態(tài)功能,開/關一些I2C按鍵中斷程序圖3.18按鍵中斷程序流程圖儀表有6個外部按鍵,它們的名稱分別為"CH4”、"▲"、"▲1>參數(shù)設定:觸發(fā)"CH4”鍵,顯示CH4報警閥值。"▲""鍵改變被設置位的位值<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)設置成功。2>數(shù)據(jù)采集:角蟲發(fā)"RECORD’’鍵,啟動定時器A,進行傳感器數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、存儲等操作。再次觸發(fā)"RECORD"鍵,關閉定時器A,停止數(shù)據(jù)采集。3>系統(tǒng)復位:觸發(fā)"RESET"鍵,啟動看門狗復位功能,1.gms后,程序復位。的屏蔽:觸發(fā)"AlarmStop"鍵,程序暫時屏蔽報警和LED顯示功能。定時器A中斷程序圖3.19定時器A中斷程序流程圖本文利用定時器A定時中斷來實現(xiàn)對環(huán)境氣體的循環(huán)測量,3.19所示。進入定時中斷后,關閉定時器A,關中斷;設置A/D其程序流程如圖轉換模式,采集氣體傳感器信號;設置定時器3,識別氣體成分,計算氣體濃度;存儲、顯示數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)遠傳:氣體濃度超過閡值進行聲光報警。中斷返回時,開中斷,開啟定時器八。如柒數(shù)據(jù)采集停止標志位復位,則關閉定時器A,退出定時器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單片機的通用串行同步/異步<UART>通信接口,來實現(xiàn)PC機對煤礦氣體監(jiān)測儀表的控制。UART接口允許7或8位串行位流以預設的速率或外部時鐘確定的速率移入、移出單片機。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中的控制位來選擇所需的模式。通信的接口設置和數(shù)據(jù)命令格式見第五章。PC機發(fā)送命,C時氣體監(jiān)測儀表根據(jù)PC機發(fā)送過來的命令進行相應的處理。程序流程如圖3.20所示,胃號是串行通訊的起止碼,是數(shù)據(jù)傳輸開始標志;回車換行是串行通訊的停止碼,是數(shù)據(jù)傳輸結束標志。軟件的低功耗設計一個低功耗系統(tǒng),僅僅依靠硬件設計技術還不夠,必須有相應軟件措施配合才能達到最佳效果。常規(guī)單片機軟件結構和實時多任務程序結構一般采用順序程序設計方一法,山主程序加中斷處理程序組成,一般為一個循環(huán)程序。中斷處理程序完成各種隨機事件和各種實時操作的處理。在一個循環(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順序執(zhí)行。而在實際應用中,各功能模塊的執(zhí)行頻率往往不同,如一些系統(tǒng)在多次測量后方進行數(shù)據(jù)處理,必要時才有輸出控制,按固定順序及次數(shù)執(zhí)行各功能模塊,將增加CPU的動態(tài)工作時間,降低資源的利用率。實時多任務程序結構是一種分層次的軟件結構,由控制程序和應用程序兩部分組成?？刂瞥绦蛭挥谏蠈?完成任務管理、任務調度及任務間通訊等功能;應用程序位于下層,一般按所完成的操