基于AVR单片机的煤矿传感器设计

总第148期DOI103969JISSN10052798201112032基于AVR单片机的煤矿传感器设计牛雅琴，葛云霞潞安集团司马煤业公司，山西长治047105摘要在煤矿中传统使用的瓦斯传感器存在着测量精度低、稳定性差、无法自动预警等问题。文章介绍了一种AVR单片机的煤矿传感器的设计方案，在方案当中的传感器采用了多个瓦斯元件，并采用单片机作为控制核心，采用最小二乘数据融合算法，将多个瓦斯浓度的检测结果进行融合，实现了瓦斯检测反复测试和信息化处理功能，整个实验的结果表明，该瓦斯传感器具有测量精度高、反复测试良好、维护性能高等特点。关键词传感器；气敏元件；单片机中图分类号TP212文献标识码B文章编号10052798201112007903近年来，我国煤矿行业经常发生各种事故，不少煤矿工人在工作时发生大量意外甚至伤亡。国家安全生产监督管理总局在煤矿安全规程中明确规定，“所有矿井必须安装矿井安全监控系统。”为了能够满足市场需要，煤矿监控系统的制作和研发已经在不断升级和发展。其中煤矿用传感器是检测当前煤矿环境当中瓦斯的浓度，确保煤矿工人在井下工作的安全设备，传感器的工作性能、可靠性、可调节性与可升级性能的好坏，直接影响到煤矿监控系统的正常维护运行。因此，通过对煤矿传感器的研究与开发能够保证实时监控煤矿环境参数的变化，并推动煤矿采用多种检测控制装置的研究。本文基于此观点将重点介绍煤矿传感器的设计过程。1国内现有传感器的设计在市面上较为流行的传感器，大都是以单片机作为传感器核心元件并辅以敏感元件作为检测装置，通过传感器AD转换电路将检测到的数据作为转换单片机的可识别数字信号并送到单片机当中进行数据分析，通过将E2PROM作为数据或程序的存储。典型的如KG9701甲烷传感器，基本原理见图1。KG9701传感器主要适用于煤矿、隧道、燃气、化工等有瓦斯危险气体的场所，提供18V360MA本质安全型传感器电源，可配接两台KG9701型瓦斯传感器。对任意一台传感器异常、瓦斯浓度超限均可提供报警、断电控制。报警值、断电值、控制状态等均由红外遥控器任意设定修改，并永久保存。提供声光、数码显示、继电器触点等多种报警、控制方式，是一款瓦斯场所安全生产的低成本最佳解决方案。KG9701可检测煤矿井下0400CH瓦斯浓度，并连续自动地将井下瓦斯浓度转换成标准电信号输送给关联设备，同时具有就地显示瓦斯浓度值，超限声光报警等功能。具有性能稳定、测量精确、响应速度快、结构坚固、易使用易维护等特点，还具备遥控调校、断电控制、故障自校自检等新功能。图1KG9701基本原理KG9701于2000年研制成功并投放市场，目前已广泛应用于全国大、中、小型煤矿，在国内市场占有率超过60。该传感器设计寿命为3A，目前已进人更新换代时间。其电路主要由以下几部分组成1单片机电路整机电路以89C51作为核心，E2PROM采用AT24C02，可存储256B数据，防止传感器掉电后检测数据丢失。看门狗电路由MAX813组成，防止单片机程序跑飞，并在程序跑飞后重启单片机以使单片机正常运行。2电源电路传感器接受分站送人的824V直流电压，由MC34063构成的开关电源及LM358构收稿日期20111103作者简介牛雅琴1972一，女，山西潞城人，工程师，从事技术管理工作。792011年12月牛雅琴等基于AVR单片机的煤矿传感器设计第20卷第12期成的二次稳压电路构成的本安电源转换成系统所需要的电压，为整机供电。正负电源转换由ICL7660构成并输出一5V电压供AD转换电路使用。3采样电路采样电路由AD转换与敏感元件两部分构成。敏感元件感应井下瓦斯浓度，并送至AZD转换电路。AD转换电路由ICL7109组成，以L2B精度进行采样，并将结果转换成8位数字信号，送至89C51处理，同时将数据存人E2PROM中保存。4报警及显示在井下瓦斯浓度超限时，由CD401L驱动喇叭及发光二极管报警。74HC373驱动4位数码管显示瓦斯浓度，在调试传感器时显示各调试值。5红外接收电路红外接收电路接收遥控器传来的遥控信号，以完成传感器的调整与设置。289C51系列单片机与AVR单片机的对比KG9701采用传统的89C51单片机。由于推出时问长、设计资料丰富、应用面广，掌握该芯片使用的技术人员多。但随着科学技术的发展，AVR单片机与其相比而言有更多优势。现就两种单片机做一对比。2189系列单片机的优点1内部含FLASH存储器在系统的开发过程中可以十分容易进行程序修改，大大缩短了系统的开发周期，同时在系统工作过程中能有效地保存一些数据信息，即使外界电源损坏也不会影响到信息的保存。2和80C51插座兼容89系列单片机的引脚和80C51的引脚一样，所以当用89系列单片机取代80C51时可以直接进行替换，产品不管是采用40引脚或是44引脚，只要用相同引脚的89系列单片机取代80C51系列的单片机即可。3静态时钟方式89系列单片机采用静态时钟方式可以节省电能，这对于降低便携式产品的功耗十分有用。4错误编程亦无废品产生一般的OTP产品一旦错误编程就成了废品，而89系列单片机内部采用的FLASH存储器可以在错误编程之后仍能够重新编程直到正确为止，故不存在废品。5可进行反复系统试验用89系列单片机设计的系统可以反复进行系统试验，每次试验可以编入不同的程序，这样可以保证用户的系统设计达到最优，而且随用户的需要和发展还可以进行修改。2289系列单片机的弊端89系列单片机采用CISC复杂指令系统结80构。复杂指令计算机系统设计目的是要用最少的机器语言指令来完成所需的计算任务。但这种架构造成CPU结构的复杂性和对CPU高工艺的要求。由于89系列单片机的结构的复杂性，使其集成度相对较低，如片内集成FLASHROM较少、无E一2PROM、无看门狗电路等，导致开发产品可能存在以下问题1运行速度降低89系列单片机采用复杂指令系统，使其程序的运行效率降低，同时程序的复杂也导致存储程序的FLASHRAM加大，甚至可能采用扩充存储器。2故障率加大89系列单片机需增加外围电路，使电路的复杂性增加，故障率加大。3升级不方便通常89系列单片机程序的写入需要专用的编程器，升级程序不方便。23AVR单片机的优点由于89系列单片机的固有缺点，所以采用RISC精简指令系统的单片机越来越受到青睐，并大有取代89系列单片机的趋势。目前采用精简指令系统的单片机主要有ATMEL公司的AVR系列单片机与MICROCHIP公司的PIC系列单片机。ATMEL公司的AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发的基于RISC技术的高速8位单片机，其主要优点如下1高性能AVR单片机采用HARVARD结构，指令为16位，执行指令与取指令同时进行，每1个时钟周期可执行1条指令，其运行速度是复杂指令计算机系统的1520倍。2内置FLASH存储器AVR单片机内置的FALSH存储器从1128KB都有，可根据需要选择不同的芯片并进行扩充。FALSH可写次数达10000次以上。3内置多种外围电路AVR单片机内置独立的看门狗、AD转换、E2PROM、PWM输出、上电自动复位等电路，应用AVR单片机大大简化了外围电路，提高了电路的可靠性。4具有SPI编程功能SPI编程功能使更新AVR程序仅仅需要几根线即可，省去了拨下芯片的麻烦，避免了更新程序时损坏单片机的可能性。由以上对比可以看出，使用AVR单片机设计煤矿传感器，将大大降低其外围电路的复杂性，提高电路可靠性，使其成为煤矿传感器升级换代的首选。3使用AVR单片机设计的矿用传感器AVR单片机共分为TINY，AT90S，ATMEGA三个档次。根据需求，此处决定采用ATMEGA8L作为主芯牛雅琴等基于AVR单片机的煤矿传感器设计第20卷第12期片。TMEGASL最高8MHZ工作频率，工作电压2755V，有8KB的FLASHROM，1KB的RAM，512KB的E2PROM，8路L0位AD转换，能满足应用需要，其电路原理框图如图2所示。图2煤矿传感器改进型原理传感器核心控制单元采用ATMEGA8L一8AU单片机，PB口的PB3、PB4配置为SPI下载线接口，并与外壳上的接口相连，用于程序更改与升级。PB口PB1配置为声光报警输出，以用于检测值超过设定值后报警。PC口的PC0配置为AD转换输入口。由于输入信号幅度较小，故在电路中加入1级由LM358构成的放大电路。PC口的PC2配置为红外线接收口，用于接收遥控板送来的信息。PD口用于4位数码显示。特别注意的是，在硬件设计上，为降低AD转换噪声，需要在AVCC引脚连接AD转换专用电源。并且由于AVR芯片内部的AD转换参考电压不够稳定，故在其AREF引脚配置由精密稳压集成电路TL431构成的参考电压，以保证AD转换的准确性。目前正在应用的煤矿传感器的软件系统经过几年的使用与改进，软件系统已渐趋成熟，加之AVR单片机支持C语言，所以不需要开发新的软件系统，仅对原有的煤矿传感器的软件系统作简单的改变即可移植到以AVR为核心的传感器上，改进成本低，转变容易。4结语本文所介绍使用AVR设计的煤矿传感器外围元件少、结构简单、工作效率高、成本低每片ATMEGA8单片机售价不足10元。同时AVR芯片在设计时考虑了其安全性，只需简单配置即可达到保密的作用，无需在软加密上过多下功夫，有效地保护了自己的知识产权。所以AVR单片机是设计矿用传感器部件的首选。参考文献1杨国庆，侯宏伟我国煤矿瓦斯监控系统现状及发展J煤炭技术，2008963642孙建民，杨清梅传感器技术M北京清华大学出版社，20053谢宝卫，李国斌催化燃烧型的瓦斯检测仪器性能特征及影响因素浅析J煤矿安全，2002354554张克彦AVR单片机实用程序设计M北京北京航空航天大学出版社，20045陈永站新型全量程甲烷检测仪的研究与设计D武汉武汉理工大学，20086刘建周，徐正新，刘风丽甲烷催化元件输出漂移的原因分析与对策J传感器技术，2004634367刘志存，孙林峰智能矿井瓦斯传感器自动调零校正研究J工矿自动化，2005346责任编辑王伟瑾口E_I_JJELI_F一口臣日臣臣_JJ嵋二L1_L_LLL互_。JLILIL【|LLLLLJCIILSL3司_盯LLLIILLIXL11_上接第76页存在着不可消除的惯性力，因此运行时振动大、噪音高，较大的活塞机安装时需要专门的固定基础。螺杆机转速高，输气平稳，无脉动。活塞机是往复间断性供气，运行时气流脉动大。活塞式空压机的效率低，尤其是长期运行时经济性更差。由于活塞式空压机组成压缩腔的元件大多是易损件，这些易损件的磨损和损坏都将造成气体压缩时更大的泄漏，导致压缩效率降低；螺杆压缩机中不存在影响机器效率的易损件，进行压缩的一对转子由于自身的结构特点不会出现磨损。因此长期连续运行的经济性远远优于活塞机。螺杆机具有全面的自动控制与保护系统。具有防过