[初中教育]2011年杭州中考语文 41页

题目：煤矿瓦斯监测系统（硬件设计）专业：机械设计制造及其自动化学生：朱向辉（签名）指导教师：姜俊英（签名）摘要在煤矿安全问题中，瓦斯浓度是煤矿安全监测的重要指标之一。论文设计了煤矿瓦斯监测系统的硬件部分，用以采集煤矿井下瓦斯数据。系统由传感器、信号调理、A/D转换和报警等模块组成。由传感器将瓦斯浓度值转换成便于测量的电压信号，然后将此电压信号通过调理电路对其进行放大，再经A/D转换器将模拟信号转换成数字信号输入单片机，最后在单片机中对采集的瓦斯浓度数据进行处理，并由显示电路显示。关键字：煤矿瓦斯监测，传感器，信号调理，单片机。III\nSubject:MinegasmonitoringsystemandthehardwaredesignSpecialty:MechanicalDesignManufacturingandAutomationName:ZhuXianghui(Signature)Instructor:JiangJunying(Signature)AbstractIncoalminesafetyproblem，gasstrengthisoneofanimportantsafetyinspectionfactors．Thendividethesystemintotwoparts：theoneisgatherandtransfersystem，theotherisinspectandmanagesystem，atlast，confirmthegatherandtransfersystemasthedesigngoalofthispaper．Hardwaredesignthinksfromitsfunction，Bysensors,signalconditioningsystem,A/Dconversionandcallthepolicemodule．Thesensortomeasurethegasdensitythatconvertthevoltagesignal,andthenthevoltagesignalthroughthemodulationcircuitontheamplifier,thenthroughA/DconverterconvertananalogsignalintoAdigitalsignalinputmicrocontroller,finallythemicrocontrollerthecollecteddataprocessingofgasconcentration,andthedisplaycircuitdisplay.KeyWords：coalminegasinspect，sensor，Signaldisposal，microcontrollerIII\n目录1绪论11.1课题研究的背景11.2国内外矿井监控系统的发展及现状21.3矿井安全监控系统的发展趋势32煤矿瓦斯监测系统总体方案52.1系统总体设计52.2系统硬件设计52.3系统的软件设计53煤矿瓦斯检测系统硬件设计63.1传感器的选择63.1.1传感器的简述63.1.2传感器的选择63.2单片机的选择93.3信号调理123.3.1放大器的选择133.3.2滤波器的选择153.3.3A/D转换芯片的选择163.4显示电路183.4.1MAX7219的功能及设置193.4.2．MAX7219与单片机的串行接口电路203.5看门狗硬件电路223.6报警电路234煤矿瓦斯监测系统的软件设计254.1主程序模块设计254.2数据采集模块264.3声光报警模块274.4显示模块275总结29致谢30参考文献31附录1看门狗子程序33附录2A/D转换子程序34附录3数据采集子程序36附录4硬件电路图37III\n1绪论1.1课题研究的背景煤炭资源是我国国民经济发展的支柱，是维持我国经济高速发展的重要保障，煤炭资源的开采即采矿业一直以来都是我国的基础产业。相对于另外两种重要的资源石油和天然气而言，煤炭在我国既具有储量优势又具有成本优势，并且分布极其广泛，因此在未来的发展中，煤炭仍将是我国的最主要的资源和重要的战略物资。尽管煤炭在能源结构中的比例呈现不断下降的趋势，但是煤炭工业在国民经济中的地位将是长期而稳固的。但是目前我国煤矿安全生产的状况不容乐观，安全生产体系并不完善，煤矿安全问题已经成为构建社会主义和谐社会的极大障碍，是政府在新的行政过程中有待解决的重要问题[3]。在煤炭开采过程中，多种灾害事故时有发生。煤炭市场调研报告中指出，一次死亡10人以上的特大事故中，绝大多数是由于瓦斯爆炸引起的煤矿事故，约占特大煤矿事故总数的70%左右[1]。在煤炭开采过程中，瓦斯煤尘爆炸、火灾、透水、顶板冒落、煤与瓦斯突出、冲击地压、中毒、窒息等多种灾害事故时有发生。煤矿市场调研显示，从每年的事故统计中来看，我国目前国有重点煤矿大多数属于瓦斯矿井，其中高瓦斯矿井和突出矿井占全国煤矿事故的总数的44%，预防和控制瓦斯爆炸事故，是实现煤矿安全生产的关键[3]。瓦斯防治是煤矿安全工作的重中之重，必须采取有利的措施，有效防的治煤矿重特大瓦斯事故的发生，以确保煤矿的安全生产。我国煤矿生产面临着诸多的困难，如地质结构复杂，开采条件差，机械化程度低，安全设施不完善，技术水平低，从业人员素质低，这是长期以来一直困扰我国煤矿生产的主要难题，是制约我国煤矿安全生产的主要障碍，也是我国当前煤矿行业存在的现状[6]。总体而言，我国煤矿正走着一条高收入、高耗能、低产出、低回报的粗放型的经济增长道路。安全问题特别突出。近年，我国平均每7.4天发生一起特大煤矿事故远远的高于世界平均水平，我国采煤效率仅为美国的2.2%，南非的8.1%，百万吨死亡率是美国的100倍，南非的30倍[6]。因此煤矿瓦斯监测系统的设计与应用在煤矿安全生产中具有重大的意义。38\n1.2国内外矿井监控系统的发展及现状国外煤矿监测监控技术是20世纪60年代开始发展起来的，至今已经有四代产品，基本上5～10年更新一代产品。从技术特性来看，主要是从信息传输发生的进步来划分。监控系统发展阶段的第一代煤矿监控系统采用空分制来传输信息。60年代中期英国煤矿的运输机控制、日本煤矿中的固定设备控制大都采用这种技术；波兰在70年代从法国引进技术推出了可测瓦斯、CO、风速、温度等参数共128个测点的CMC-1系统[1]。煤矿监控技术的第二代产品的主要技术特征是信道频分制技术的应用。由于采用频分制，传输信道的电缆芯数大大减少，很快就取代了空分制系统。其中最具代表性且至今仍有影响的是西德Siemens公司的T系统和F+H公司的TF20系统。频分制的应用，体现了以晶体管电路为主的信息传输技术的发展，而集成电路的出现推动了时分制系统的发展，从而产生以时分制为基础的第三代煤矿监控系统，其中发展较快的是英国[3]。1976年，英国煤矿研究院推出轰动一时的以时分制为基础的MINOS煤矿监控系统，并在胶带输送、井下环境监测、供电供水监测和洗煤厂监控等方面取得成功，形成了全矿井监测监控系统[3]。这一系统的成功应用，开创了煤矿自动化技术和煤矿监测监控技术发展的新局面。到了80年代，美国以其拥有的雄厚高新技术优势，率先把计算机技术、大规模集成电路技术、数据通信技术等现代高新技术用于煤矿监控系统，这就形成了以分布式微处理机为基础的第四代煤矿监控系统，其中有代表性的是美国MSA公司DAN640系统，其信息产生方式虽然仍是时分制范畴，但用原来的一般时分制的概念已不足反映这一高新技术的特点[1]。至今PLC和组态软件的广泛应用为煤矿监测系统的发展带来了更为便捷的开发手段，软硬件的可靠性大大提高。世界各国均有煤矿瓦斯气体监测的系统，如波兰的DAN6400、法国的TF200、德国的MNOS和英国的Centurionm200等，其中全矿井综合监测控制系统有代表性的产品有美国MSA公司生产的系统，德国BEBRO公司的PROMOS系统[3]。但是这两种系统只是基于井下监测，并无数据上传，不能实现智能化监控。当前我国矿井正在运行的瓦斯监控系统主要有三类：38\n（1）20世纪80年代初，从波兰、法国、德国、英国和美国等引进的一批安全监控系统，如DAN6400、TF200、MINOS和Senturion-200等。通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况，又先后研制出KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ56、KJ75、KJ80、KJ92等监控系统[6]。由于当时相当一部分监控系统由于技术水平低、功能和扩展性能差、现场维修维护和技术服务跟不上等原因，因此造成相当一部分矿井无法继续正常使用已装备的系统。特别是近年来由于旧系统服务年限将至，已无继续维修维护的必要，系统面临更新改造的机遇。（2）20世纪90年代后期，国内各主要科研单位和生产厂家又继推出了KJ90、KJ95、KJ101、KJF2000、KJ4/KJ2000等监控系统以及MSNM、WEBGIS等煤矿安全综合化和数字化网络监测管理统[1]。此时监控系统特点是系统通信干线普遍采用RS485总线、PSTNFSK调制等方式传递信息，但整个系统通信干线的信息传输速率最大只能达到5000bps。（3）21世纪以来，各个瓦斯监控系统生产厂家都在原有基础推出了升级系统。煤炭科学研究总院重庆研究院在KJ90瓦斯监控系基础上研制开发了基于工业以太环网+现场总线技术的新一代监控品——KJ90NB全矿井综合自动化系统；天地（常州）自动化股份限公司（煤炭科学研究总院常州自动化研究院）在先期开发的KJ95煤矿监控系统的基础上，开发出了KJ95N型煤矿综合监控系统；煤科学研究总院沈阳研究院在先期开发的KJF2000煤矿监控系统的基上，开发出了KJ333煤矿综合监控[3]。另外，其余厂家也都在原来产的基础上，对监控系统的核心设备、传输方式等进行了升级换代。如，镇江中煤电子有限公司将原来的KJ101煤矿安全监控系统升级KJ101N系统等。1.3矿井安全监控系统的发展趋势为了满足企业的安全生产的需要，这类监控系统将向性能卓越的综合监控信息系统方向发展，主要是在以下技术领域取得突破：·传感器技术。传感器是实现计算机监控的技术基础，也是决定监控系统品质的重要方面。它正朝着新技术、新原理、模块化、组件化、智能化和功能化方面发展。．·多媒体技术。当前绝大多数系统仍是以简单的数据信息为主要监测处理对象，随着多媒体技术的日益成熟，数据信息将与文字、语音、图像等多媒体信息结合，监控系统将发展成为集视频监控、语音调度及考勤管理为一体的综合监控信息系统[3]。·信号传输技术。现有的38\n煤矿监控系统的通信线缆只能传输数字语音信号，带宽窄，通信速率偏低，难于满足现场多媒体信息的实时传输要求。随着光通信技术的发展，光缆将取代现有通信电缆(如双绞线、铜缆等)成为主干传输网络。·远程监控技术。随着现代移动通信技术、Internet、信息处理技术的发展，企业局部的监控系统将通过网络与异地安监部门的监控系统或其它企业的监控系统互联以实现远程监控或信息共享，最大限度地利用监控信息资源[6]。传统的本地监测监控系统将朝着无线远程监控系统方向发展。因此，开发工作可靠、兼容性强、应用灵活、易扩展及升级的矿井安全监控系统，已成为我国煤矿安全监控系统今后发展的重要目标。38\n2煤矿瓦斯监测系统总体方案2.1系统总体设计煤矿瓦斯监测系统的总体设计分为硬件设计和软件设计。硬件设计根据采集和传输的要求进行各个模块的设计，软件设计主要是对采集的信息进行分析、处理、储存、显示等的设计。2.2系统硬件设计根据需要实现采集与传输功能的设计要求，进行了煤矿瓦斯检测系统的硬件设计，硬件设计从它的功能考虑，建立由传感器，信号调理，数据采集，A/D转换模块和报警装置模块组成的硬件模型。对各个模块分别进行元器件的选择和具体的设计，最终得到瓦斯检测系统硬件的原理图和模型。如图2-1所示信号调理A/D转换报警电路单片机显示电路传感器1传感器2传感器3多路模拟开关图2-1硬件结构图2.3系统的软件设计软件设计同样根据其要实现的功能进行设计，将软件设计分为瓦斯数据采集与处理模块和瓦斯数据传输模块，实现数据的处理、显示和记录，得出了各模块的流程图并对各模块具体怎样实现进行了设计。38\n3煤矿瓦斯检测系统硬件设计3.1传感器的选择3.1.1传感器的简述传感器是能把被测物理量或化学量转换为与之有确定对应关系的电信号输出装置。传感器主要由敏感元件、转换器件、测量及变换电路和电源等组成，如图3-1所示。被测量转换器件敏感元件测量电路电源图3-1传感器的组成框图3.1.2传感器的选择通过对煤矿井下环境的分析选择MJ-1型甲烷传感器来测量矿井中瓦斯的含量。该传感器可以将煤矿中瓦斯浓度转换为相应的电信号并显示出来。MJ-1型瓦斯传感器输出信号的性质及监测范围[9]：①检测范围（%CH4）0—4②基本误差（%CH4）0—1.00≤±0.1＞1.00—2.00≤±0.2＞2.00—4.00≤±0.3③报警范围及基本误差（%CH4）1.5—3.5≤±0.1④声光报警38\n1m处≥85dB，能见度≥20m。⑤响应时间≤30s⑥稳定性≥7d⑦工作电压（V•DC）13.7～21⑧使用条件温度（℃）0～40相对湿度≤98（环境温度为25℃时）MJ-1型甲烷传感器的检测原理为：利用载体催化元件作为传感元件，并组成一个电桥电路。通过敏感元件与甲烷的催化作用，使甲烷在元件表面上发生无焰燃烧，放出热量，使元件温度上升，电阻值发生变化从而使电桥失去平衡，对输出端电压值的变化进行处理和采集，从而得出煤矿瓦斯的浓度值。（1）催化元件结构催化燃烧式传感器属于高温传感器，载体催化元件由一个带催化剂的敏感元件（黑元件）和一个不带催化剂的补偿元件（白元件）构成。催化元件的检测元件是在铂丝线圈(φ0.025~φ0.05)上包以氧化铝和粘合剂形成的球状，经烧结而成，其外表面敷有铂、钯等稀有金属的催化层，其结构如图3-2所示图3-2催化原件结构图（2）瓦斯作用下催化反应原理利用元件测量CH4是基于测量其表面CH4无焰燃烧反应放出的热量的原理，即无焰38\n燃烧使铂丝线圈的温度升高，线圈的电阻值上升。测量铂丝电阻值变化的大小就可以知道可燃气体的浓度。通过如图3-3所示的惠斯顿电桥测量电路，可以测量其载体催化元件电阻的变化。图3-3催化元件检测电路图中，R1=R2=10KΩ，RD为敏感元件，RC为补偿元件。将RD和RC置于同一测量气室中，测量电桥由稳压电源或恒流源供电。在无瓦斯的新鲜空气中，RD≈RC=100Ω，调整电桥使之平衡，信号输出端电压UAB=0。当瓦斯进入气室时敏感元件RD表面上产生催化燃烧，RD阻值随温度上升而增加为RD+ΔRD，而补偿元件RC的阻值不变，从而使电桥失去了平衡。当采用恒压源E=5V供电时，输出的不平衡电压为UAB=E-(3-1)设RD=RC=R＞＞ΔRD，此时UAB≈≈k1ΔRD(3-2)显然，电桥输出电压取决于敏感元件阻值的变化量ΔRD。对于铂丝元件，其电阻变化量可以用下式表示ΔRD=α(ΔH/h)R0=α(DCQ/h)R0(3-3)式中α——铂丝电阻温度系数，α=3.9485×10-3/℃；38\nΔH——瓦斯燃烧热量；H——敏感元件热容量；D——瓦斯扩散系数；C——被测环境中的瓦斯浓度；Q——瓦斯分子燃烧热；R0——铂丝0℃阻值。其中，α、h、R0与敏感元件的材料、性质、结构尺寸有关；扩散系数D是一个常数。因此可以用一个常数k2代表这些因素，则式(3-3)可以写为ΔRD=k2C(3-4)UAB=k1k2C(3-5)由上式表明，电桥输出电压与瓦斯浓度成正比。通过此公式函数即可得到电桥之间电压值的变化。3.2单片机的选择AT89S52是一种高性能，低功耗的CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与80C51产品的指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash。本课题选用的AT89S52单片机，其特点如下[18]1)完全兼容MCS-5l单片机2)8K字节FLASH存贮器，支持在系统编程ISP，l000次擦写周期3)256字节片内RAM4)工作电压从4.0V到6.0V5)全静态时钟从0Hz到33MHz6)二级程序加密7)32个可编程I/O口8)3个16位定时/计数器38\n9)6个中断源10)上电复位标志11)完全的双工UART串行口12)低功耗支持Idle和Power-down模式13)Power-down模式支持中断唤醒14)一个看门狗定时器15)双数据指针TPTR0和TPTR1AT89S52单片机的PDID封装管脚图如3-4所示。图3-4AT89S52管脚图其主要引脚功能为[18]P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。38\n当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0口具有内部上拉电阻。在flash编程的时候，P0口也用来接收指令字节；在程序的校验时，输出指令字节。在程序校验时，需要外接一个10KΩ的上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和触发器输入（P1.1/T2EX）。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。引脚号第二功能P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5MOSI（在系统编程时用）P1.6MISO（在系统编程时用）P1.7SCK（在系统编程时用）P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。P3口可作为AT89S52的特殊功能（第二功能）使用，如表3.1所示。38\n表3.1P3口的第二功能引脚替代功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2INTO(外中断0)P3.3INT1(外中断1)P3.4T0(定时/计数器0)P3.5T1(定时/计数器1)P3.6WR(外部数据存储器写选通)P3.7RD(外部数据存储器读选通)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，因此它可以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）。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AT89S52由外部程序存储器读取指令（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只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）。需要注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。XTAL1和XTAT2——XTAT1是片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端，XTAT2是片内振荡器反相放大器的输出端。38\n3.3信号调理通常传感器输出的信号是相当小的电压变化量，而且其信号中还夹杂着很多干扰噪声，且输出的信号与单片机识别信号不匹配，因此传感器输出的信号不能直接转换为数字信号，因此在变换为数字信号时必须进行信号调理。信号调理的内容主要包括滤波、放大等。3.3.1放大器的选择在此次煤矿瓦斯检测系统设计中选用放大器AD612。在煤矿瓦斯测量检测系统中，常常需要将很微弱的电信号放大，这些信号中往往包含共模电压以及各种共模干扰，因此要求放大器采用差动输入方式，并要求放大器具有极强的共模抑制能力，具有极高的输入阻抗、高电压增益和低噪音。本次设计采用AD612数控增益测量放大器。AD612为24脚双列直插式封装结构如图3-5所示。图3-5AD612的管脚图AD612是美国AD公司生产的数控增益测量放大器，是典型的三运放结构，三运放结构中给出了“输入保护”端15，可以用它来构成输入保护电路。由于测量放大器的两个输入端不可能得到完全一样的共模电压而使测量放大器的输出存在共模误差电压，采用跟踪共模电压相对应的点位，就可以将共模电压误差消除。38\nAD612的增益控制有数控增益和外接电阻可调增益两种，数控增益为二进制增益状态选择，是利用精密的电阻网络获得的，当精密电阻网络引出端3～10分别与1端相连接是，接二进制关系建立增益，增益范围从21～28，要求增益为29时，10、11端与1端相连接，要求增益为210时10、11、12端都与1端相连接，当电阻网络引出端3～12都不与1端相连，增益为1。因此在1端与2～12端之间加一个多路开关就可以很方便的进行增益控制。其通过P3.5和P3.6与单片机连接，通过单片机对放大器AD612进行逻辑控制。外接电阻RG也可以调节增益的大小，其方法是在1端和2端之间外接增益电阻RG，其增益为Af=1+80KΩ/RG。本论文选择外接电阻RG=8.89Ω，则放大倍数Af=1+80/8.89=10。在前向通道中，AD612用于测量电桥电路时，其接口接线如图3-6所示，信号地与电源地相连接，是放大器的偏置电流形成通路。“输入保护”端15通过跟随器与屏蔽层相连接。如图其输出电压的表达式为：V0=10[(V1–V2)+]式中V1–V2为输入信号；为共模误差；系数10为放大增益。38\n图3-6AD612与测量电桥的连接线路3.3.2滤波器的选择本课题选择MAX260滤波芯片。MAX260是Maxim公司生产的可编程滤波芯片是双二阶通用开关有源滤波器，可以通过单片机精确的控制滤波器的传递函数，其中包括设置中心频率、品质因数和工作方式等。它采用CMOS工艺制造，在不需要外部元件的情况下，控制MAX260的引脚就可以构成各种带通、低通、高通、带阻等滤波器。MAX260的管脚图如3-7所示。38\n图3-7MAX260管脚分布图MAX260由2个二阶滤波器（A和B两部分）、2个可编程ROM机逻辑接口组成。每个滤波器的部分又包含1个加法器和2个级联的积分器。该芯片的主要特性是[17]：1.配有滤波器设计软件，可改善的滤波特性，带有微处理器接口。2.可控制64个不同的中心频率f0，128个不同的品质因数Q及4个工作模式。3.时钟频率与中心频率比值（fclk/f0）精度可达到1%。4.对中心频率f0和品质因数Q可以独立编程。其工作原理是信号由高通滤波器A的IN口进入，然后从BP口接入低通滤波器B的IN口，将两个滤波器串联在一起就可以组成一个带通滤波器，实现对信号的滤波，除去干扰信号。MAX260通过A0～A3脚、D0、D1脚和WR提供对单片机的接口，通过单片机接口可以对MAX260内的存储单元写入特定的数值，实现对滤波器类型、中心频率和品质因数的设定。图中输入的信号是放大器AD612的输出信号，输出信号输入A/D转换器。其接口电路图如图3-8所示。38\n图3-8MAX260与单片机接口电路图3.3.3A/D转换芯片的选择AD7810是美国模拟器件公司生产的一种低功耗10位高速串行A/D转换器。该产品有8脚DIP和SOIC两种封装形式，并且带有内部时钟。它的外围接线非常简单，AD7810的转换时间为2μs，采用标准的SPI同步串行接口输出和单一电源(2.7V～5.5V)供电。1．AD7810引脚功能AD7810引脚排列如图3-9所示，各引脚的功能如下[13]：图3-9AD7810引脚排列图1脚CONVST：转换启动输入信号38\n2脚VIN+：模拟信号同相输入端3脚VIN-：模拟信号反相输入端4脚GND：接地端口5脚VREF：转换电压输入端6脚DOUT：串行数据输出端7脚SCLK：时钟输入端8脚VDD；电源端2．AD7810的主要参数[16]：1)分辨率：10位二进制2)转换时间：2μs3)非线性误差：±1LSB4)电源电压范围：2.7—5.5V5)电源功耗：高速方式时为17.5mW，低功耗方式时为5μW6)参考电压VREF的范围：1.2V～VDD7)模拟电压输入范围：0V～Vref8)输出形式：SPI同步串行输出，与TTL电平兼容。3.AD7810与单片机的接口电路AD7810应用时不需要外围元件。图3-10所示是AD7810与单片机的接口电路，其参考电压Vref连接到参考电源VH，模拟输入VIN连接到GND，由气体传感器输出的信号从VIN+输入。在本论文中AD7810与AT89S52接口时，电路采用的是一模拟串口方式，AD7810的SCLK、DOUT和CONVST分别接至AT89S52的P1.5、P1.6和P1.7口。另外，AT89S52也可利用其串行口工方式0与AD7810进行通讯，但这时要解决好两个问题；一是由AT89S52在TXD的上升沿进行采样，这样，TXD应经过一个反相器再接到SCLK，将RXD接到Dout，然后将CONVST接至任意一个输出端口[22]。二是AT89S52串行口首先接收低位数据，这与AD7810相反，编程时需要注意。38\n图3-10AD7810与单片机的接口电路3.4显示电路在煤矿安全生产检测系统中,需要将检测的各种参数量值或状态显示出来,供工作人员读取。因此，显示器及显示电路就成为各种检测系统中不可缺少的一部分。数码显示器是用来显示数字、文字或符号的器件，有许多种不同类型的产品。LED数码管具有防潮防湿，温度特性极佳的优点，而且有较好的远距离视觉效果，因此非常适合矿井下恶劣环境的需要。在本次单片机数据采集控制系统中，选用MAXIM公司的串行接口8位LED显示驱动器MAX7219构成显示接口电路，只需要使用单片机的3个引脚，即可实现对8位LED数码管的显示控制和驱动，线路非常简单，控制方便。3.4.1MAX7219的功能及设置MAX7219芯片是MAXIM公司生产的串行输入/输出共阴极显示驱动器，是用一个芯片来完成以往用软件完成的动态显示电路扫描工作的器件。每片可控制显示8个七段LED数码管、条形图或64个发光二极管，控制字简单。结构为24引脚芯片，除了与显示器连接以外，与单片机串行口为3线连接，芯片外部电路是一个限制峰值段电流的电阻，线路简单，方便38\n对显示器的控制。该芯片控制的显示位数多，控制字少。可对全部或个别显示位的数据进行更新。并可方便地进行多个芯片的级联，扩展它的显示容量。MAX7219的串行数据格式如表3.2所示。其中：D12～D15位不用；D8～D11为显示位和各种工作方式的控制寄存器地址位，可选择要显示的位、解码方式、显示亮度、扫描位数、停止方式、显示测试等，其地址分布如表3.3所示；D0～D7为数据位，其形式与显示出的数字间的关系与解码方式有关[22]。表3.2中X可为16进制任意值，一般取为0。每组16位数据中，首先接收的为最高有效位，最后接收的为最低有效位。表3.2MAX7219串行数据格式D15D14D13D12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0XXXX地址MSBDATALSB解码方式寄存器可以设置各个位数码管为解码显示方式，或非解码的数据位与显示段直接对应的显示方式。亮度寄存器用于与外部电阻配合控制数码管的显示亮度。扫描限制寄存器控制显示的位数。停机寄存器控制显示器为停机或正常工作状态，停机状态下描振荡器停止工作，消隐所有显示位。显示测试寄存器设置器件为正常工作或者测试状态。空操作寄存器用于多个MAX7219级连。器件上电后所有控制寄存器复位。解码方式寄存器的值为非解码方式，亮度寄存器的值设置为最小，扫描寄存器设置为仅显示1位，停机寄存器处于停机状态，显示消隐。因此MAX7219必须经过初始化才可以进行正常工作。表3.3MAX2719的地址格式寄存器地址十六进制码D15-D12D11D10D9D8N0-0pX00000XX0位0X00010XX1位1X00100XX2位2X00110XX338\n位3X01000XX4位4X01010XX5位5X01100XX6位6X01110XX7位7X10000XX8译码方式X10010XX9亮度X10100XXA扫描范围X10110XXB关闭X11000XXC显示测试X11110XXF3.4.2．MAX7219与单片机的串行接口电路AT89S52单片机串行口有四种发送工作方式，其中工作方式0每帧共发送8位数，其他工作方式下每帧发送均不是8位数或其倍数。因此只能考虑使用工作方式0。串行口工作于方式0时，通过P1.0引脚发送/接收串行数据，通过P1.1引脚发送移位时钟脉冲。发送顺序为低位在前，高位在后，与MAX7219的接收顺序相反。从单片机时序上看，只需在发送前将显示数据和地址码的高低位顺序颠倒过来，用串行方式0进行发送，每发送两次，就可以向MAX7219输出一个需要显示的数据或控制寄存器参数。在单片机与MAX7219的时序配合中，时钟脉冲配合是非常关键的。其时序图如3-11所示。38\n图3-11MAX7219的时序图控制系统单片机与MAX7219及显示器件的的接口连接如图3-12所示。单片机的P1.0、P1.1引脚分别接MAX7219的DIN、CLK，以P1.2控制LOAD引脚。由于MAX7219是在脉冲信号的控制下工作的，因此抗干扰非常重要，在线路的连接上，MAX7219应尽量与显示器件相靠近，以减少外部对其干扰的影响。图3.12MAX7219与单片机连接电路图本次系统中单片机采用中断方式对MAX7219进行控制，传送16位数据的地址位和数据位。在主程序中，包括串行方式的设置、显示缓冲单元和各控制寄存器的地址码及数据单元的分配、对MAX7219的初始化等。由于MAX7219易受干扰影响，因此在程序执行过程中要经常对显示进行更新。3.5看门狗硬件电路在监测系统中为了保证单片机能够可靠稳定的运行，使单片机系统能够尽快的摆脱因干扰而产生的程序死循环和跑飞现象，这就需要一种监视器，提供某种状态使CPU重新回到原程序。我们将这种监视器称为“看门狗”(Watchdog)。监测系统设计有看门狗功能，一旦系统在现场受到突发干扰而产生程序跑飞现象，单片机没有自我保护能力，不能使系统复位，重新工作。因此本系统采用了MAX706和AT89S52构成的“看门狗”硬件电路，如图3-13所示。MAX706是一种性能优良的低功耗CMOS监控电路芯片，其内部电路由上电复位、可重复触发“看门狗”定时器及电压比较器等组成。38\nMAX706具有以下特性[10]：1)精确的供电电压监测(2.63V、2.93V、3.08V)；2)200ms的复位延时；3)对手动复位信号消抖，兼容TTL/CMOS；4)独立的1.6秒时长watchdog；5)可输出高电平有效的复位信号。CPU正常工作时．该电路对其不加干预，当CPU工作失常一段时间后，看门狗电路开始动作，使系统复位重新工作。图3-13看门狗电路图P1.3作为喂狗信号，CPU只要在1.6s内给P1.3一个正脉冲，看门狗定时器被清零，引脚维持高电平；当程序跑飞或死机时，CPU不能在1.6s内给出喂狗信号，引脚立即变为低电平，进而触发MR手动复位引脚，使MAX706复位，从而使“看门狗”定时器清零并重新开始计时，引脚输出高电平，MAX706的复位输出引脚输出约200ms宽度的电平脉冲，使单片机控制系统可靠复位，重新投入正常运行工作。3.6报警电路报警器采用JCB-2型甲烷报警器，它是以蓄电池为电源，蜂鸣器及发光二极管声、光报警的报警装置。当甲烷浓度超过限度时，也就是13脚电位将到低于12脚点位时，比较器翻转，输出一个高电平信号，这个高电平信号加到集成报警器的2脚，1脚悬空为低电平，就满足了集成报警电路的工作条件，集成报警电路开始工作，输出两路信号，一路推动发光二极管发光，一路推动蜂鸣器发出警报声。原理图如3-14所示。38\n图3-14声光报警原理图如图3-16所示，OUT3与单片机的P1.3引脚相连，当检测到瓦斯浓度大于4%时通过单片机编程控制P1.3输出方波信号，此时LEDD1闪烁，并且蜂鸣器以相同的频率发出声音，产生声光报警信号。其与单片机接口图如3-15。图3-15声光报警器与单片机接口图38\n小结：在本章中主要对煤矿瓦斯监测系统的硬件进行了设计，具体的把硬件分为传感器，信号调理，A/D转换，单片机选择，显示模块和报警模块等。对其分别进行了选择和电路的连接。4煤矿瓦斯监测系统的软件设计煤矿监测系统是由硬件和软件组成的，其中软件是整个监控系统的灵魂，是系统实现各项功能的手段。系统软件的设计主要包括系统的下位机软件部分和上位机软件部分。系统下位机软件部分主要采用模块化的设计思想，首先进行主程序模块的设计，然后是对各个具体模块的设计。在上位机软件中，主要实现历史数据的保存和接收数据等功能。4.1主程序模块设计主程序是一个顺序执行无限循环的程序，他是下位机的指挥中心，通过对各个功能模块的合理调用来完成瓦斯浓度的检测、处理和显示报警等功能。如图4-1所示。38\n开始系统初始化A/D转换读取采样数据并进行处理瓦斯浓度是否≥4%瓦斯浓度值的显示返回发出声音警报Y图4-1主程序流程图从图4-1中可以看出，主程序首先对系统的硬件和测量变量进行初始化，初始化完毕后进行气体采样，也就是根据程序进行瓦斯浓度的数据采集，启动事件管理器EVA中的定时器T1，时标系统中的计数器开始计数，定时器T1开始工作，在定时器T1时间到后，产生中断INT2，计数器清零，AT89S52单片机外接的A/D开始工作，并在各部分电路的共同配合下，将转换出的数字信号从首地址开始持续不断的写入到指定的RAM中，直到采样结束为止，采样结束后调用数据处理程序进行分析处理，在数据处理过程中，采用去极值滤波算法，进行滤波，标度变换，然后得出比较精确的浓度值，根据国家对煤矿瓦斯浓度的安全标准规定，结合数据处理结果判断瓦斯浓度是否超标并发出警报，同时显示瓦斯浓度，然后把采集的数据通过串行接口发送到上位机，以便保存。4.2数据采集模块数据采集模块的功能是将来自传感器的模拟信号转换为数字信号，需要38\n完成的操作有设定采集A/D转换通道，启动A/D转器、读取转换结果，然后将转换结果保存在存储器中，以便进一步的数据处理。程序流程图如4-2所示。入口选择指定通道启动A/D转换转换是否结束读取A/D转换结果保存原始数据进行数据处理返回N图4-2数据采集子程序4.3声光报警模块在煤矿井下环境中常常处于危险之中，为了使工作人员能够更迅速的对危险做出反应，因此需要报警器进行发声发光报警。因此需要通关软件的设计对其进行控制。当瓦斯浓度小于煤矿安全生产标准规定值4%时，不报警；当浓度大于4%时，报警。流程图如4-3所示。38\n入口读取瓦斯浓度值瓦斯浓度＜4%瓦斯浓度≥4%返回不报警报警图4-3报警程序流程图4.4显示模块在煤矿安全生产检测仪器及其设备中,常常要将检测的各种参数量值或状态显示出来,供人们读取。因此，显示器及显示电路就成为各种检测仪器中不可缺少的一部分。显示模块的软件设计主要是利用程序对显示数据进行处理和显示。其流程图如4-4所示。38\n开始初始化信号调理数据显示返回图4-4显示模块流程图小结：本章对煤矿瓦斯监测系统的软件进行了设计，分析了每一个环节的具体流程和程序的编制，以更好的完成对信号的控制。38\n5总结由于我国经济持续高速的发展，对我国能源供应提出了更高的要求，这就给我国的能源开采行业带来了巨大的压力。我国的煤矿生产条件一直以来都存在着各种潜在的不安全因素，随着需求的激增这些因素在当前条件下进一步突显出来，所有这些都使解决煤矿安全问题成为我国当前的当务之急。本论文主要工作如下：1．查阅了大量关于煤矿安全方面的国内外文献，了解了国内外煤矿安全现状及国内外煤矿监测系统现状。结合实际情况设计了煤矿瓦斯监测系统的硬件。2．对采集与传输系统实现的重要部分进行了软硬件设计。硬件设计从它的功能开始考虑，建立由传感器，信号调理，数据采集，A/D转换模块和报警装置模块组成的硬件模型。根据设计需求传感器模块选择了催化燃烧式传感器。软件设计分为瓦斯数据采集与处理模块和瓦斯数据传输模块，实现数据的处理、显示和记录等。在这次毕业设计中使我学到很多知识，通过这半年来的毕业设计让我对大学里学过的知识有了更深刻的认识和了解，使我受益匪浅。38\n致谢本论文在选题及研究过程中得到姜俊英老师的悉心指导，姜老师倾注了大量的心血，从选择题目到开题报告，从写作提纲，到不断地指出每次稿件中的具体问题，严格把关，循循善诱，姜老师多次询问了设计的进程，并为我悉心指导，帮助我开拓设计思路，精心点拨、热忱鼓励。姜老师一丝不苟的作风，严谨求实的工作态度，踏踏实实的精神，不仅在学业上对我又巨大的帮助，而且教我如何做事做人，在此我表示衷心的感谢。同时我还要感谢在我毕业设计期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。感谢指导老师一直以来的帮助和指导，在老师的精心指导和耐心解答过程中我学到了很多知识，每次都有意想不到的收获，每次都有不一样的惊喜。同时也感谢和我一组的同学，正是有了他们的配合，我的设计才能有效的按时完成。我深深的理解到了团队协作的重要性，一次好的设计不但要个人有很强的能力，更重要的是配合，只有默契的配合，设计才会尽善尽美。再次感谢姜老师的悉心指导以及即将在百忙之中抽出时间为我们答辩的老师们。38\n参考文献[1]徐竞天编矿井瓦斯监控系统当前现状及发展前景[J]西安石油大学2004[2]煤矿工业部安全司编.矿井安全监控原理与应用.中国矿业大学出版社.2001年[3]苪千龙浅析监测监控技术在矿井安全生产中的发展与应用.[J]安徽淮南市一矿望峰岗监控信息队2005年[4]王汝临主编.矿井环境传感技术.中国矿业大学出版社.1988年.[5]单呈祥编著.传感器的理论与设计基础及应用.国防工业出版社.1999年.[6]刘西青论国内煤矿瓦斯监测监控系统现状与发展[J]山西煤炭职业学院.[7]张铁岗主编.矿井瓦斯综合治理示范工程.煤炭工业出版社.2006年.[8]马维绪主编.煤矿通风与安全技术.煤炭工业出版社.2006年.[9]中国地方煤矿公司安监局编.煤矿瓦斯监测仪器设备实用手册.煤炭工业出版社.1999年.[10]张德增郑江萍编著.煤矿安全检测技术基础知识.煤炭工业出版社.1993年.[11]倪云峰主编.单片机原理与应用.西安电子科技大学出版社.2009年.[12]邹德蕴张广文编著.矿井环境气体理化性与控制技术.煤炭工业出版社.2005年.[13]运宝珍主编.瓦斯检查员.煤炭工业出版社.1994年.[14]胡晓军主编.数据采集与分析技术.西安电子科技大学出版社.2010年.[15]中国安全生产科学研究院编.矿山企业安全生产条件.化学工业出版社.2007年.[16]魏小龙编单片机接口技术及系统设计实例．北京：北京航空航天大学出版杜2002年.[17]何立民编MCS-5l系列单片机应用系统设计．北京航空航天大学出版社，1999年.[18]孙育才等新型AT89S52系列单片机及其应用清华大学出版社，2004年.38\n[19]WeipingYan,ChengfenDiao，eta1．ThestudyofgassensorarraySignalprocessingwithimprovedBPalgorithm．SensorsandActuatorsB．2000.[20]YeaB，OsakiT，SugaharaKeta1．Theconcentrationestimationofinflammablegaseswithasemiconductorgassensorutilizingneuralnetworksandfuzzyinference．SensorsandActuatorsB.1997.[21]JohnGoldie．TenWaystoBulletproofRS-485interfaces，NationalSemiconductor，AN1057．1996[22]KennethM．True，LongTransmissionLinesandDataSignalQuality，NationalSemiconductor．AN808.1992[23]郭三明曹淑娟主编.新型矿业瓦斯传感器的研制．中国煤炭，2004年.[24]求是科技编.单片机典型外围器件及应用实例.人民邮电出版社.2006年.[25]周润景徐宏伟丁莉.编著.单片机电路设计分析与制作.机械工业出版社.2010年.[26]王幸之钟爱琴王雷编著.AT89系列单片机原理与接口技术.北京航空航天大学出版社.2004年.38\n附录1看门狗子程序     ORG    00001                      LJMP    MAIN                      ORG    000BH          ;定时器0的中断向量地址              AJMP    TIME0          ;跳转到真正的定时器程                      ORG    30HMAIN:  SETB    p0.2                      LCALL  DELAY                      CLR    p0.2                      LCALL  DELAY                        SETB    p0.2                      LCALL  DELAY                      MOV    TMOD,#00000001B;定时/计数器0工作于方式1                      MOV    TH0,#0EAH                      MOV    TL0,#60H        ;即60000                      SETB    EA              ;开总中断允                      SETB    ET0            ;开定时/计数器0允许                    SETB    TR0            ;定时/计数器0开始运                JH1:    MOV    0A6H,#01EH      ;在程序初始化中激活看门狗      JH2:    MOV    0A6H,#0E1H      ;在程序初始化中激活看门狗LOOP:  SETB    p0.3                      LCALL  DELAY                      CLR    p0.3                      LCALL  DELAY              38\n        LJMP    LOOPTIME0:  PUSH    ACC    ;定时器0的中断处理程序;                    PUSH    PSW   ;将PSW和ACC推入堆栈保护              WG1:    MOV    0A6H,#01EH  ;喂狗指令,      WG2:    MOV    0A6H,#0E1H  ;喂狗指令,可以将这两句注释后看不喂狗的情形        MOV    TH0,#0EAH                      MOV    TL0,#60H    ;重置定时常数                        POP    PSW                      POP    ACC                      RETI       ;延时子程序DELAY:  MOV    R7,#250  D1:  MOV    R6,#250        DJNZ    R6,$                      DJNZ    R7,D1                      RET                      END附录2A/D转换子程序#include电子爱好者社区,@3sw)[%Na#include电子爱好者社区+[$o2CrRMFWf6osfrP1_ADC_EN=0x97;//A/D转换功能允许寄存器]_f+Qw1Z0sfrADC_CONTR=0xC5;//A/D转换控制寄存器电子爱好者社区z8NKMAS|sfrADC_DATA=0xC6;//A/D转换结果寄存器f/jVd:g8lJ0sfrP1M0=0x91;电子爱好者社区$K"r.e,vyq38\nsfrP1M1=0x92;  电子爱好者社区:h(l3xwI%v*C|q4M#defineucharunsignedchar;$OQ#N/`#l:E&KI0#defineuintunsignedint;6D5YtC(jm%bd7n3b?w0voiddelay(uchardelay_time)//延时函数电子爱好者社区:^2L+nYT7w5?*[{R"r%vK)]*hl\i2h0    ucharn;E&S.XG:tV0    uintm;P,s{zqj0    for(n=0;n