煤矿安全监控监测系统的设计 毕业设计论文.doc

摘要 在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被 控参数。在工业生产的很多领域中，都需要对压力进行检测。而井下压力的检测对矿井 安全更是尤其重要。为了获取井下待测地层的压力，提出了一种利用传感器将压力转化 为电信号，把脉冲数据信号与直流能量叠加，以电流形式馈入电缆，实现能量/数据的耦 合传输。该测量方法能够满足井下远距离传输的要求，可与电子压力计配合实现地面直 读测量，精确度较高。采用单片机对压力进行检测不仅具有检测方便、简单和灵活性大 等优点，而且可以大幅度提高被测压力的精确度。因此，单片机对压力的检测问题是一 个工业生产中经常会遇到的控制问题。 单片机是一种集 cpu、ram、rom、i/o 接口和中断系统等部分于一体的器件， 只需要外加电源和晶振就可实现对数字信息的处理和控制。因此，单片机广泛用于现代 工业控制中。 本论文侧重介绍“单片机压力检测系统”的软件设计及相关内容。论文的主要内容包 括：采样、滤波、键盘、led 显示和报警系统，单片机 at89s52 的开发以及系统应用 软件开发等。作为控制系统中的一个典型实验设计，单片机压力检测系统综合运用了微 机原理、自动控制原理、模拟电子技术、数字控制技术、键盘显示技术等诸多方面的知 识，是对所学知识的一次综合测试 关键词：压力测量；at89s52； can 总线；安全检测系统 abstract with scientific constant progress, in industrial production, electric current, voltage, temperature, pressure are mainly commonly used. especially in the underground mine industry, the accurate test of pressure is very important.to obtain pressures of the formations in well tell testing ,a downhole wireline remote telemetry method is developed by using time division frequency transmission technology in the mode.it also enables to supply power to the downhole tool on a single-core wered-armored camored cable.the coded pulse data are modulated on power signals. then the surface processor uses double countered synchronism method to measure the pressure frequencies. adopt single-chip microcomputer is it control convenient, simple, flexibility advantage such as being heavy to have not merely to control to go on to pressure to come, and can raise by technical indicator not to accuse of pressure by a large margin, thus can big improvement quality and the quantity of products. so the control problem to the pressure of single-chip microcomputer is the control problem constantly be able to encounter in the industry manufacture. this thesis introduces the design and debugging of “the pressure control system by microcomputer”. as a typical experimental design in control system, it uses much control knowledge and comprehensively tests students ability in control system. the content of this thesis mainly includes: introduces, filtering ware, keyboard, man-computer dialogue supported by led indication, heat control method, the development of micro-computer mcs-51 and systemic applied software. key words： pressure control；at89s52；can bus; safety monitoring system . 1.1 1.1.1 课题分析 问题的提出 绪论 煤炭是我国的主要能源，在一次性能源中，所占比例在 70%以上。我国煤田遍布全 国，但煤层的赋存条件和地质情况差异很大，很多矿井自然环境恶劣，受到水、火、瓦 斯、粉尘、顶板事故等自然灾害的威胁。在这些自然灾害所造成的事故中，瓦斯事故死 亡人数占总死亡人数的 30%40%。特别是瓦斯煤尘爆炸事故，危害更为严重。因此， 预防事故是煤矿安全工作的重点。在煤矿中，装备矿井安全监控装置是防止煤矿事故的 重要手段，这就要求有更多的煤矿监控系统的研究。在煤矿监控系统中，井下监控分站 担负着非常重要的作用，主要包括对井下甲烷、一氧化碳、氧气、二氧化碳等气体浓度 的检测；对风速、风量、气压、温度、粉尘浓度等环境参数的检测；对生产设备运行状 态的监测、监控等。 1.1.2 问题研究的意义 近几年来，信息技术被迅速地应用到了煤矿安全生产领域，并取得了明显的经济和 社会效益。国家对煤矿安全生产的管理力度在不断加强，同业各单位都在进行数字化矿 井的建设和改造。尽管煤矿安全监控技术已得到发展和应用，但由于多数矿井技术基础 薄弱，监控装置的装备情况与有关规定相距甚远。国有重点煤矿中，尚有布部分瓦斯灾 害严重的矿井没有装备监控系统，瓦斯断电装置、便携式瓦斯检测仪器的装备数量也不 足，国有地方煤矿和乡镇集体煤矿的差距很大。在已经装备了监控装置的矿井中，设备 的使用、维护和进一步更新改造方面尚存在不少问题。煤矿安全监控是综合性技术，涉 及到计算机、电子技术、通讯、物理、化学、电工等多种学科，与矿山采、掘、机、运、 通等生产环节密切相关，功能复杂，技术难度高。因此，在相当长的时期内，对于监控 装置的装备、管理和培训任务十分艰巨。 为了从根本上解决煤矿安全问题，需要依 靠科技进步手段提高煤矿整体安全技术装备与管理水平。 其中在高瓦斯矿井建立煤矿安 全监测监控系统，从而改善煤矿安全环境和建立包括煤矿安全隐患全面查排、实时监督 管理、 安全保障等内容的安全管理体系是长治久安防止煤矿安全事故的最重要的两个方 面。 1.2 国内外发展状况 井下安全检测系统是矿井安全监控技术的一部分， 是随着煤炭工业发展而逐步发展 起来的。1815 年，英国发明了世界上第一种瓦斯监测仪器瓦斯检定灯，利用火焰的 高度来测量瓦斯浓度。20 世纪 30 年代，日本发明了光干涉瓦斯检定器，一直沿用至今。 40 年代，美国研制了检测瓦斯气体的敏感元件铂丝催化元件。1954 年，英国采矿 1 毕业设计（论文） 安全研究所（smre）制成了最早的载体催化元件。60 年代以后，主要产煤国家都把发展 载体催化元件作为瓦斯检测仪器的主攻方向。 电子技术的进步推动了瓦斯监测装置的进 一步发展，首先是研制小型化个人携带式仪器，以后是矿井监控系统，如 70 年代后期 法国研制的 ctt63/40 矿井监控系统、英国的 minos 系统、美国的 scada 系统等。 我国监控分站技术经历了从简单到复杂、从低水平到高技术的发展过程。从建国初 期到 70 年代，煤矿下井人员主要使用光学瓦斯检定器、瓦斯检定灯、检知管、风表等 携带式仪器检测井下环境参数。60 年代初期，我国开始研制载体催化元件，1964 年煤 炭部组织有关研究所、 制造厂攻关， 研制了第一种达到使用水平的载体催化元件； 接着， 抚顺煤矿安全仪器厂研制出以该元件为传感器的 aqr-1 型瓦斯测量仪。随着敏感元件 制造水平的提高和电子技术的发展， 特别是大规模集成电路的、 微型计算机的广泛应用， 使监控分站技术进入了新的发展阶段。70 年代瓦斯断电仪问世，80 年代以后，国内有 多种型号的监控分站通过了技术鉴定。目前，我国已有数十家科研、制造单位生产矿井 监控系统、各种传感器、瓦斯报警断电仪、瓦斯遥测报警断电仪、风电瓦斯闭锁装置等， 这些装置的推广与应用，改善了煤矿安全技术装备的面貌。缩小了与国外先进技术水平 的差距。 1.3 问题及发展趋势 如前所述，测量瓦斯主要采用载体催化元件，它具有宜于将非电量转化为电量、便 于采用电子技术、灵敏度高、响应时间快、测量精度高、不受温度和湿度影响等优点。 其主要缺点是：工作温度高（500以上） ，只能做成隔爆型；遇 h2s 气体有“中毒”问 题，在有 h2s 气体 的矿井中不能使用；元件稳定性较差，有零点漂移和灵敏度漂移问 题。因此，必须继续开发研制稳定性好、寿命长的新型本质安全型敏感元件。 监控装置的电路设计要向数字化、集成化、智能化的方向发展。 携带式仪器应提高集成度，采用表面安装技术，实现开机自检和运行中自检功能。 程序设计各种参量、报警点，自动校正零点及误差，监视电池状况。扩大数据存储容量， 设置外接计算机接口，开发相应的数据处理软件。推广自动充电和防过充、过放的电池 充电器，开发瓦斯、氧气、一氧化碳三参数及多参数检测仪。向小型化、多参数、多功 能、智能化的方向发展。 为适应不同类型矿井的需要，监控系统应具有灵活的配置方式。大型矿井可以配置 主扇监测、皮带运输、瓦斯抽放等子系统，并实现分站智能化、系统化。掘进工作面的 分站应具有风电瓦斯闭锁功能。小型矿井因测点较少，只布置分站和智能化传感器就可 以满足需要。要进一步开发传感功能和信息处理功能一体化的智能化传感器，传感器之 间的联锁功能由计算机软件判别实现。丰富传感器的种类，开发氧气传感器及生产监控 方面的各类保护性传感器。 2 毕业设计（论文） 本文研究的内容及实现的功能 研究内容 井下安全监控分站是安全监控监测系统的核心， 负责采集和处理现场生产环境和设 备状态等方面的安全监控数据， 并能实时地控制设备。 同时它也是传输系统的关键设施， 各种数据都要通过它与地面中心站进行通讯。图 1-1 是监控系统的总体框图。 中心站 1.4 1.4.1 单片机 1 单片机 2 单片机 x 传感器、变频器、电源开关等现场设备 图 1-1 监控系统的总体框图 本文主要介绍煤矿安全监控监测系统的设计思路， 研究安全监控分站的硬件和软件 结构，并简单介绍频率测量技术以及 can 总线通讯技术。以微控制器 at89c52 为核心, 在现有煤矿安全监控分站的基础上设计了新型煤矿安全监控分站。 1.4.2 功能 1）可以检测低浓瓦斯、高浓瓦斯、一氧化碳、风速、温度、压力等环境参数，以及 风门、风筒等开关参数，并能监测煤仓煤位、水位、电压、电流以及机电设备开/停等 生产参数； 2）每台分站收中心站控制，执行中心站的各种命令，并将分站的各种监控参数和工 作状态传送给中心站； 3）适合矿井及地面工厂环境需要。耐压、耐腐蚀、防潮、密封； 4）具有掉电初始化信息不丢失的保护功能； 5）分站本身具有死机自动复位功能； 6）电源箱提供分站部分及外接传感器的工作电源； 7）当交流电源停电时，备用蓄电池自动投入工作； 8）通过液晶显示块直接显示传感器实时值、通讯及供电状况； 9）可扩展一个 rs485 通讯接口。 3 毕业设计（论文） 2 2.1 2.1.1 检测系统设计 检测系统设计及单片机介绍 整个煤矿安全检测系统简介 整个煤矿安全监控系统设计由地面中心站、网关节点站、分支中继器、井下监控分 站和各种传感器，以及通信介质六部分组成。其中中心站负责接收、存储和显示从井下 监控分站传来的各种井下生产环境安全监控数据， 并通过各个井下分站发送各种配置命 令和对现场设备的控制命令； 网关节点站实现现场总线协议和中心站计算机标准接口协 议的相互转换； 分支中继器在需要的地方完成通信线路的分支、 中继和介质信号的转换； 传感器负责收集各种现场环境安全监控数据和设备运行状态数据； 通信介质负责安全监 控系统各设备的连接和信息的传递。整个监控系统分三级结构：中心站井下分站传 感器。传输介质根据传输距离不同，可分段采用不同线缆，长距离用光纤不加中继器， 或用电缆加中继器， 短距离则可只用电缆不加中继器。 如果连接的节点总数大于 110 个， 则也需加中继器。 2.1.2 检测系统硬件设计 井下安全监控分站是安全监控监测系统的核心， 负责采集和处理现场生产环境和设 备状态等方面的安全监控数据， 并能实时地控制设备。 同时它也是传输系统的关键设施， 各种数据都要通过它与地面中心站进行通讯。图 2-1 是监控分站的原理图。 关 输 关 输入 8路 ad 74ls164 at89c52 显示 传 感 器 入 电 路 输 转 换 及 光 耦 电路 电 电路 图 2-1 监控分站的原理图 在图 2-1 中，输入电路和 a/d 转换电路负责对来自传感器的 8 路频率信号 (200hz1000hz)进行整形，从而得到波形、电平规范的方波信号。光耦电路则主要负责 信号的隔离，消除共模电压的影响并遏制过程通道上的一些脉冲干扰，从而提高系统的 4 器 单 片 机 74hc373 ram32kb 分站通讯 毕业设计（论文） 信噪比。单片机通过多路选择器(8 选 1 开关)定时巡检 8 路信号，对得到的数字量进行 判断和运算，进而用得到的控制量，去自动控制继电器的状态，从而实现对井下设备的 控制。利用 74ls164 芯片驱动数码管循环显示 8 路信号的频率、通道号、通道类型以及 线路状态等。can 总线和 rs-232 总线把单片机根据主站命令采集的安全监控监测数据 传给上位机。74hc373 除了扩展片外 ram，以用来存储历史数据外，还进行了 p0 口扩 展，从而使分站能够根据主站发来的命令允许对继电器的状态进行手动控制。 2.1.3 检测系统软件流程图 系统总体软件结构如图 2-2 所示。在整个软件流程中，系统根据中心站的命令定期 采样传感器的信号，供单片机识别，并对其做出控制。 图 2-2 系统总体软件结构 5 毕业设计（论文） 2.2 at89c52 单片机基本知识 atmel89 系列单片机（简称 89 系列单片机）是 atmel 公司的 8 位 flash 单片 机系列。这个系列单片机的最大特点就是在片内含有 flash 存储器，因此，有着十分广 泛的用途，特别是在便携式、省电和特殊的仪器和系统中显得更为有用。 at89c52 是美国 atmel 公司生产的低电压，高性能 cmos 8 位单片机，片内含 8k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器(perom)和 256 bytes 的随机存取数据存储器 (ram)，器件采用 atmel 公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准 mcs-51 指令 系统及 8052 产品引脚兼容，片内置通用 8 位中央处理器(cpu)和 flash 存储单元，功能 强大 at89c52 单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。 at89c52 提供以下标准功能:8k 字节 flash 闪速存储器，256 字节内部 ram, 32 个 i/o 口线，3 个 16 位定时/计数器，一个 6 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口， 片内振荡器及时钟电路。同时，at89c52 可降至 0hz 的静态逻辑操作，并支持两种软 件可选的节电工作模式。空闲方式停止 cpu 的工作，但允许 ram，定时/计数器，串 行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 ram 中的内容，但振荡器停止工作并禁止 其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 at89c52 主要性能参数： 与 mcs-51 产品指令和引脚完全兼容 8k 字节可重擦写 flash 闪速存储器 1000 次擦写周期 全静态操作：ohz-24mhz 三级加密程序存储器 2568 字节内部 ram 32 个可编程 i/o 口线 3 个 16 位定时/计数器 8 个中断源 可编程串行 uart 通道 低功耗空闲和掉电模式 at89c52 有双列直插式封装和方形封装两种形式。 下图就是其双列直插式封装的引 脚图其具体引脚排列如图 2-3 所示： 6 毕业设计（论文） 图 2-3 at89c52 引脚排列 引脚功能说明： vcc：电源电压 gnd：地 rst：复位输入。当振荡器工作时，rst 引脚出现两个机器周期以上高电平将使 单片机复位。 ale/prog：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ale(地址锁存允许)输出脉 冲用于锁存地址的低 8 位字节。一般情况下，ale 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出固定的 脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。 要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ale 脉冲。对 flash 存储器编 程期间，该引脚还用于输入编程脉冲(prog)。 如有必要，可通过对特殊功能寄存器(sfr)区中的 8eh 单元的 d0 位置位，可禁止 ale 操作。该位置位后，只有一条 movx 和 movc 指令才能将 ale 激活。此外，该 引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 ale 禁止位无效。 psen：程序储存允许(psen)输出是外部程序存储器的读选通信号，当 at89c52 由外部程序存储器取指令(或数据)时， 每个机器周期两次 psen 有效， 即输出两个脉冲。 在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 psen 信号。 ea/vpp： 外部访问允许。 欲使 cpu 仅访问外部程序存储器(地址为 0000h-ffffh), ea 端必须保持低电平(接地)。 需注意的是：如果加密位 lb1 被编程，复位时内部会锁存 ea 端状态。如 ea 端为 高电平(接 vcc 端)，cpu 则执行内部程序存储器中的指令。flash 存储器编程时，该引 脚加上+12v 的编程允许电源 vpp，当然这必须是该器件是使用 12v 编程电压 vpp。 7 毕业设计（论文） xtal1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 xtal2：振荡器反相放大器的输出端。 p0 口：p0 口是一组 8 位漏极开路型双向工 i/0 口，也即地址/数据总线复用口。作 为输出口用时， 每位能吸收电流的方式驱动 8 个 ttl 逻辑门电路， 对端口 p0 写 “时， “1 可作为高阻抗输入端用。 在访问外部数据存储器或程序存储器时， 这组口线分时转换地址(低 8 位)和数据总 线复用，在访问期间激活内部上 拉电阻。 在 flash 编程时，p0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时， 要求外接上拉电阻。 p1 口：p1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 的输出缓冲级可驱动(吸 收或输出电流)4 个 ttl 逻辑电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高 电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信 号拉低时会输出一个电流(iil)。与 at89c51 不同之处是，p1.0 和 p1.1 还可分别作为定 时/计数器 2 的外部计数输入(p1.0/t2 )和输入(p1.1 /t2ex) ,参见表 2-1。 flash 编程和程序校验期间，p1 接收低 8 位地址。 引脚号 p1.0 p1.1 表 2-1 p1.0 和 p1.1 的第二功能 功能特性 t(定时/计数器 2 外部计数脉冲输入)，时钟输出 t2ec(定时/计数 2 捕获/重装载触发和方向控制) p2 口： 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口， 的输出缓冲级可驱动(吸 p2 p2 收或输出电流)4 个 ttl 逻辑门电路。对端口 p2 写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉 到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在 上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(iil)。 flash 编程或校验时，p2 亦接收高位地址和一些控制信号。 p3 口：p3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口。p3 口输出缓冲级可驱 动(吸收或输出电流)4 个 ttl 逻辑门电路。对 p3 口写入“1时，它们被内部上拉电阻 拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的 p3 口将用上拉电阻 输出电流(iil)。 p3 口除了作为一般的 i/o 口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表 2-2 所示： 引脚 p3.0 p3.1 p3.2 表 2-2 p3 口替代功能 替代功能 说明 rxd txd int0 串行口入口 串行数据发送 外部中断 0 申请 8 毕业设计（论文） p3.3 p3.4 p3.5 p3.6 p3.7 int1 t0 t1 wr rd 外部中断 1 申请 定时器 0 外部事件计数输入 定时器 1 外部事件计数输入 外部 ram 写选通 外部 ram 读选通 此外，p3 口还接收一些用于 flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信 9 毕业设计（论文） 3 硬件电路设计 我所设计的井下压力检测系统以 at89c52 单片机为中心，构成微型计算机系统， 由模拟量输入、开关量输入和开关量输出、电源指示板及显示电路等组成。 本系统采用一片 at89c52 单片机控制。硬件电路包括过看门狗电路、电平转换电 路、a/d 转换电路、开关量输入、开关量输出、键盘显示电路和稳压电源及地址开关电 路和显示电路。 3.1 看门狗电路 几乎所有的单片机都需要复位电路，对复位电路的基本要求是：在单片机上电时能 可靠复位，在下电时能防止程序乱飞导致 eeprom 中的数据被修改；另外，单片机系 统在工作时，由于干扰等各种因素的影响，有可能出现死机现象导致单片机系统无法正 常工作，为了克服这一现象，除了充分利用单片机本身的看门狗定时器（有些单片机无 看门狗定时器）外，还需外加个看门狗电路；除此以外，有些单片机系统还要求在掉电 瞬间单片机能将重要数据保存下来，因掉电的发生往往是很随机的，因而此类单片机系 统需要电源监控电路，在掉电刚发生时能告知单片机。maxim 公司推出的 max813l 刚好能满足这些要求，下面具体介绍该芯片的性能特点及使用方法。 max813l 有双列直插和贴片两种封装形式，其双列直插如图 4-1 所示，引脚功能 如下：第(1)脚为手动复位输入，低电平有效；第(2)、(3)脚分别为电源和地；第(4)脚为 电源故障输入；第(5)脚为电源故障输出；第(6)脚为看门狗输入，第(7)脚为复位输出， 第(8)脚为看门狗输出。max813l 的引脚如图 3-1 所示： 图 3-1 max813l 的引脚 该芯片具有以下主要性能特点： 1）复位输出。系统上电、掉电以及供电电压降低时，第(7)脚产生复位输出，复位 脉冲宽度的典型值为 200ms，高电平有效，复位门限的典型值为 4.65v。 2）看门狗电路输出。如果在 1.6s 内没有触发该电路（即第(6)步无脉冲输入） ，则 第(8)脚输出一个低电平信号。 3）手动复位输入，低电平有效，即第(1)脚输入一个低电平，则第(7)脚产生复位输 10 毕业设计（论文） 出。 4）1.25v 时，第(5)脚输出一个低电平信号。 max813l 和 at89c52 的连接如图 3-2，max813l 的第(1)脚与第(8)脚相连。第(7) 脚接单片机的复位脚，第(6)脚与单片机制 p1.7 相连。在软件设计中，p1.7 不断输出脉 冲信号，如果因某种原因单片机进入死循环，则 p1.7 无脉冲输出。于是 1.6s 后在 max813l 的第(8)脚输出低电平，该低电平加到第(1)脚，使 max813l 产生复位输出， 使单片机有效复位， 摆脱死循环的困境。 另外， 当电源电压低于限值 4.65v 时， max813l 也产生复位输出，使单片机处于复位状态，不执行任何指令，直至电源电压恢复正常， 可有效防止因电源电压较低进单片机产生错误的动作。 reset p1.7 +5v 2 vcc 3 gnd pfo pfi wdo 5 4 8 6 wdi 7 reset 1 mr max813l 图 3-2 max813l 的连接电路 电源故障输入 pfi 通过一个电阻分压器监测未稳压的直流电源。当 pfi 低于 1.25v 时，电源故障输出脚第 5 脚 pfo 变低，可引起 at89c52 中断进行电源故障处理，或将 重要数据保存下来。把分压接到未稳压的直流电源是为了更早地对电源故障告警。 max813l 是一体积小、功耗低、性价比高的带看门狗和电源监控功能的复位芯片； 它使用简单、方便。它所提供的复位信号为高电平，因而是应用于复位信号为高电平场 合的单片机系统的理想芯片。 3.2 a/d 转换电路 井下分站监测环境参数的传感器均为电压型或电流型， 必须使用 a/d 转换器把接收 到的模拟量信号转换为数字量信号，供单片机处理。使用模拟开关可以接收 8 路模拟信 号，每一路的转换时间约为 1.5ms。 a/d 单元电路主要由信号变换、信号补偿、模拟开关、阻抗匹配、a/d 转换和缓冲 器等组成。a/d 单元组成框图如图 3-3。 11 毕业设计（论文） 图 3-3 a/d 单元组成框图 (1)信号变换：每台分站设有 8 个模拟量输入口，每个输入口都设置了一组信号变 换跳线器 e，e 上有三个变换位置，以 a、b、c 三个字母表示，分别接有 200 欧姆、47 千欧姆、250 欧姆电阻，以适用于不同的传感器输出信号制，如图 3-4 所示。当接入 1 5ma 电流信号时，将 e 接在 a 的位置上，在 200 欧姆的电阻上产生 0.21v 的电压信 号；当接入 420ma 电流信号时，e 接在 c 的位置上，即在 250 欧姆电阻上 产生 1 5v 的电压信号；当接入 01v 或 05v 电压信号时，e 都接在 b 的位置上，在 47 千 欧姆的电阻上仍然是 01v 或 05v 电压信号。 输入 输出 图 3-4 信号变换电路 (2)阻抗变换：是把电压型的输入信号转换成低阻抗信号源输出。它由图 3-5 中运算 放大器 1 组成。 (3)信号补偿：信号补偿放大器是为适合不同信号制式的传感器要求而设计的。它由 图 3-5 中运算放大器 2 和 3 组成。 在煤矿井下，有的传感器安装位置需要经常变动，也就是说传感器与分站之间的传 输电缆的长度有所变化，这对于输出信号为电流型的传感器影响不大，而对于输出信号 是电压型的传感器就必须考虑了。传输电缆的长短不同，压降就不同，为了得到真实数 据，应重新调整图 3-5 中 w1，使得运放 8 端电位与传感器输出电压完全相同，从而使 信号得以补偿。 12 毕业设计（论文） 输出至量程转换 图 3-5 阻抗变换和信号补偿电路 4模拟开关：scl4051 是 8 选 1 模拟开关，通过逻辑电路控制，使 8 路模拟量依 次选通。其作用如同开关一样，俗称模拟开关。分站中利用 scl4051 单 8 路模拟开关， 实现 8 路模拟量依次采样。其逻辑电路如图 3-6 所示。 这种模拟开关设有禁止端，当 inh=1 时，每个模拟通道均关闭，呈高阻状态。分 站没有采用禁止功能，而是直接把 inh 接地。 图 3-6 8 选 1 模拟开关 5 阻抗匹配电路：是把输入信号与 a/d 转换集成电路可靠连接，以适应 a/d 集成电路对输入阻抗的要求。 它由一块 lm324 四运放集成电路和部分阻容元件组成。 其电路如图 3-7 所示。 13 毕业设计（论文） 图 3-7 6 阻抗匹配电路 . a/d 转换电路：a/d 转换器由 cmos8 位 8700cj 转换器、74hc244 缓冲器和 74ls74 双 d 触发器组成。如图 3-8 所示。信号经 r89 进入 8700cja/d 转换芯片的输入 端第 14 脚，经内部的转换后由芯片的第 23 脚输出一转换结束脉冲，触发 d 触发器，使 输出转换结束信号 end 通知 mpu。同时，转换完的数据锁存到 a/d 输出的 8 条数据线 上，等待取走信号。当 mpu 接到 a/d 转换结束信号后，再触发 d 型触发器，使其复位， 等待 a/d 下一个转换信号。同时，mpu 触发 74hc244 的 1、19 脚，取缓冲器中的信号 到数据总线，供 mpu 处理。 图 3-8 a/d 转换电路 7缓冲器和触发器：74ls74 和 74hc244 为 a/d 转换输出控制电路。图 3-9 为其 引脚功能图。74hc244 为 8 路数据缓冲器，把 a/d 输出的数据与总线可靠地连接，消 除时序的误差。当 8700cja/d 转换完一路模拟信号时，输出一脉冲信号，触发 d 触发 器 cp 端，则 q 输出高电平信号，通知 mpua/d 转换已经结束，可以取数。mpu 取数 时，发出一脉冲至 74hc244 的 1、19 引脚，把缓冲器的数据取出，送至数据总线，供 mpu 处理。同时，触发 d 触发器 r 端，使其复位，等待再次 a/d 转换结束时，触发 d 触发器 cp 端。这样周而复始，完成 8 路的循环 a/d 转换。 14 毕业设计（论文） 74ls7 6 图 3-9 74ls74 和 74hc244 引脚图 3.3 开关量输入 每台分站设有 8 个开关量输入， 可采集分站附近 2km 范围内各种设备的开停信号。 开关量输入电路由光电耦合输入电路、显示电路、数据锁存电路等组成。其工作原理框 图如图 3-10 所示。 图 3-10 开关量输入工作原理框图 光电耦合开入电路直接与开停状态检测传感器相接， 将接受到的电流信号或触点信 号，经光电隔离转换成标准的 ttl 电平信号。此信号送入二极管显示电路，同时也送 到缓冲电路。当单片机对缓冲电路使能时，缓冲器内的开停状态信息经数据总线送单片 机处理。 开关量输入口（即开入口）既可接受5a 信号，也可接收触点信号，由跳线器选择 即可。 当开关量输入端接收到+5ma 电流时，耦合器 ic1 导通，输出端 1 为低电平，表示 设备开；当开关量输入端接收到-5ma 电流时，耦合器 ic2 导通，输出端 2 为低电平， 表示设备停；当开关量输入端无电流时，耦合器 ic1、ic2 的输出端 1、2 均为高电平， 表示传感器或连接电缆损坏。因此，双耦合器开关量输入可监测设备的接通、断开、断 线三种状态。其原理如图 3-11 所示，它需占用两位数据线。 15 毕业设计（论文） 图 3-11 双耦合器开关原理图 ic1 与 ic2 接在同一个与非门的输入端。ic1 输出端直接连在另一个数据缓冲器上， 只有 ic1 与 ic2 输出均为高电平、开入口无电流时，与非门输出低电平，表示故障状态。 ic1 输出端电平高低表示设备开/停。其信息直接经缓冲器 2 送到数据总线，被 mpu 接 收。 在开入口电路中接入了一组发光二极管显示电路， 各路二极管的状态随所测设备的 开停而变化。设备处于开的状态，发光二极管亮，设备处于停的状态，发光二极管灭。 当开入口接入触点信号时， 只需将相应输入口上的光电耦合器的输入与输出用跳接 线短接即可。 3.4 开关量输出 井下分站的开关量输出中有 4 路由单片机 i/o 口直接控制，另外 4 路由数据总线进 行控制。开关量输出主要由驱动器、显示电路和继电器电路组成，电路原理框图 3-12。 开出58 开出1 开出14 继电器 继电器 驱动器 数据 锁存器 驱动器 数据锁存器 单片机i/o口 数据总线 图 3-12 开关量输出电路原理框图 16 毕业设计（论文） 为了保证控制有效， 采用双组触点继电器作为开关量输出控制， 一组触点对外控制， 另一组触点将继电器状态信息回送单片机，由单片机再送给地面中心站计算机。地面中 心站管理人员可随时了解井下分站的对外控制状态。回送信息的触点状态电路如下图 3-13。 图 3-13 回送信息的触点状态电路 图中 no 为常开触点，nc 为常闭触点，bx 为数据总线上的 1 位，c 为控制触点。 通常，控制触点 c 与常闭触点 nc 相接。当 mpu 不对 rly 使能时，rly 为高电平，无论 控制触点接在常开端还是常闭端，二极管均不能导通。因此，其触点状态信息不可能送 到数据总线上去。当 mpu 对 rly 使能时，没有吸合继电器的控制点 c 仍与常闭点 nc 相接，此路二极管 d 导通，使其所对应的总线上的这一位为低电平。 吸合继电器的控制触点 c 与常开触点 no 相接，此路二极管 d 不能导通，所对应 的总线上的这一位为高电平。因此，当 rly 使能时，8 位数据总线上的高低电平代表了 8 个继电器触点的工作状态。 由单片机 i/o 口直接控制的前 4 路继电器是由并联的一对驱动器 7407 所驱动。 7407 是集电极开路的正向输出缓冲器，输出端可驱动 30v dc，在本电路中缓冲器输出端最 高电压为 12v dc，如图 3-14 所示。当 mpu 输出低电平时，则在继电器两端产生 12v 压 降，使继电器动作。 图 3-14 前 4 路继电器电路 由单片机经过数据总线控制的后四路继电器电路如图 3-15。 17 毕业设计（论文） 图 3-15 后四路继电器电路 由于数据总线不可能为继电器锁存信息，在反相驱动器 7406 与数据总线之间设置 一级数据锁存器，由 4d 触发器 74hc175 构成。 当 mpu 对锁存器 dig0 低电平使能时， 当前数据总线上的内容被触发器锁存在锁存 器输出端。继电器动作，经反相驱动器控制。由于 7406 是反相的输出缓冲器，只有对 应数据总线位为高电平的继电器动作，而对应数据总线位为低电平的继电器不动作。 显示电路是由 8 个发光二极管组成， 发光二极管的亮灭与继电器被控制的状态相一 致。 3.5 稳压电源电路 本系统需要+15v 和+5v 的电源，所以工作电源电路采用先单相桥式整流后稳压的 方法。整流输出正向半波经过滤波得到直流电压，先经 7815 稳压器稳压得到稳定可靠 的 15v 直流电压，再经 7805 稳压器稳压得到稳定可靠的 5v 直流电压。作电压稳压器， 不需要任何外整功率管的安全工作区保护 7805 可直接用于电路，所以使用起来安全、 可靠，如图 3-16 所示。 1 7815 220 4 2 c 11 0.1u 3 0.1u +15 7805 +5v 图 3-16 电源电路 3.6 led 显示电路 在单片机系统中，通常用 led 数码显示器来显示各种数字或符号。由于它具有显 示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长的特点，因此使用非常广泛。本系统选用的是八 18 毕业设计（论文） 段共阴极发光二几管显示器（结构简单，价格便宜，接口容易）。共阴极 led 显示器 的发光二极管的阴极连在一起，通常此公共阴极接地，当某个发光二极管为高电平时， 发光二极管点亮，相应的段被显示。电路如图 3-17 所示。 图 3-17 led 显示电路 在单片机应用系统中，显示器显示常用两种方法：静态显示和动态扫描显示。所谓 静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的 i/o 接口用于笔划段字形 代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显 示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机 cpu 的开销小。可以 提供单独锁存的 i/o 接口电路很多，这里我们使用一种常用静态显示电路。 在此，利用串行口扩展一个 8 位的 led 显示器，硬件电路如图 3-18。图中串行口 工作在方式 0，串行数据从 rxd（p3.0）端输出。74ls164 是一个串行输入并行输出的 8 位移位寄存器，其引脚 1 是串行数据输入端；引脚 3-6 和 10-13 是并行数据的输出端， 每个 74ls164 的输出端 q7-q0 各驱动一个共阴极的 led 显示器； clr 是 74ls164 的清 0 端，由 p1.6 提供清 0 信号，当 clr 伪时，q7-q0 输出为 0，4 个 led 显示空白字符； 同步移位脉冲由 txd（p3.1）送出，p1.7=1 时允许 74ls164 串行接收数据，其波特率 固定为 fosc/12。 图 3-18 显示电路 19 毕业设计（论文） 3.7 地址开关电路 地址开关用于分站地址的设定。每一个分站都有一个分站号，即中心站对分站查询 时的分站地址。分站号使用 bcd 码设置。 分站地址开关是个 8 位开关， 每位开关的一端全部接在一起接到 config 使能端上， 另一端经二极管接在总线 b0b7 上。图 3-19 为地址开关原理图。 当地址开关设定后，一旦 config 低电平使能时，则闭合的那一路所对应的 总线 位必然是低电平，而未闭合的那一路所对应的总线位必然是高电平。于是，8 位开关的 设定必然在 8 路总线上形成高或低（或“1”或“0” ）的电平信号。例如，总线 b0b7 对应的地址开关拨成 01010101，即说明该分站地址为 55。通过对地址的不同设置，可 以得到不同的分站号。 k 22 config b0 b7 数据总线 图 3-19 地址开关原理图 3.8 声光报警电路 当井下压力超标时，单片机控制系统要发出报警及指示以提醒工作人员解除故障。 为使报警较可靠的引起工作人员的注意，本设计采用声光报警，并有两种不同频率的声 音信号。 由 cd4011 组成两个不同频率的音频振荡器，74ls126 为三态输低有效四总线缓冲 门作为音频切换开关。 定时器产生 1hz 的频率用来切换两种音频发出报警声并使报 555 警图 5-8 声光报警电路灯闪烁，以引起人感官上的注意。当瓦斯浓度超标时，单片机使 p3.2 产生高电平，输入到与非门，振荡器起振，使报警扬声器每秒发出两种不同频率的 报警声，并且报警灯每秒闪烁一次。报警电路如图 3-20 所示： 20 毕业设计（论文） 图 3-20 声光报警电路 21 毕业设计（论文） 4 系统的软件设计 本系统软件采用模块化法设计,用 mcs -51 汇编语言编写。包括主程序，中断服务 程序以及数据采集、数字滤波、标度变换、显示等子程序组成。主程序的任务是对系统 初始化，根据检测到的参数控制阀门的运行。中断服务程序实现定时采样和输出控制。 各子程序是实现各自的控制要求。 4.1 主程序流程图 主程序主要进行初始化、 分配内存单元即设置定时器的参数， 为系统工作创造条件。 使用内部 ram 之前应将对应的内存单元清零。主程序的流程图为图 4-1： 图 4-1 主程序流程图 23 毕业设计（论文） 4.2 中断子程序流程图 该系统的采样周期为 10s，因此需要多个定时器才能保证可靠定时。设计时，将两 个定时器串联，即 t0 为定时方式，t1 为记数方式；也可采用软、硬件结合的方式进行， 即设 t0 为定时方式 1，记数用软件实现。本设计采用后者软、硬件结合的定时方式来 实现 10s 的定时。 t0 为定时方式 1， 设 定时的时间间隔为 50ms， 时钟频率选为 12mhz。 得 t0 应装入的时间常数 x=3cb0h，可分别装入 th0，tl0。设 r7=200，对定时器 t0 中断进