煤矿监控系统_毕业论文.doc

学 号：3333090141山西煤炭职业技术学院计算机信息系毕业论文题 目 柳林煤矿监控系统的开发与设计 班 级：硬件330901 学生姓名： 韩彬彬研究领域：计算机科学与技术 研究方向：软件工程校内指导教师： 田丽娜 职称：副教授企业指导教师：王飞飞 安监站站长 论文报告提交日期： 2012年6月 成绩评定日期： 33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 目录摘要1目录1第一节 课题分析11.1.1 问题的提出11.1.2问题研究的意义1第二节 国内外发展状况2第三节 问题及发展趋势2第四节 本文研究的内容及实现的功能31.4.1 研究内容31.4.2 功能3第二章 检测系统设计及单片机介绍4第一节 检测系统设计42.1.1 整个煤矿安全检测系统简介42.1.2 检测系统硬件设计42.1.3 检测系统软件流程图5第二节 at89c52单片机基本知识6第三章硬件电路设计10第一节 看门狗电路10第二节 a/d转换电路11第三节 开关量输入15第四节 开关量输出16第五节 稳压电源电路18第六节 led显示电路18第七节 地址开关电路20第八节 声光报警电路20第四章系统的软件设计23第一节 主程序流程图23第二节 中断子程序流程图24第三节 数据采集子程序流程图25第四节 数字滤波子程序流程图25第五节 压力标度变换流程图26结束语28参考文献29致谢30山西煤炭职业技术学院计算机信息系毕业论文第一章 绪论第一节 课题分析1.1.1 问题的提出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。第二节 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。第三节 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。第四节 本文研究的内容及实现的功能1.4.1 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。山西煤炭职业技术学院计算机信息系毕业论文第二章 检测系统设计及单片机介绍第一节 检测系统设计2.1.1 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。at89c52单片机74ls164液晶显示74hc373ram32kb分站通讯传感器输入电路ad转换及光耦8路选择器看门狗电路电源电路开关量输出开关量输入 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 系统总体软件结构第二节 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ram32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：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。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“1“时，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。 表2-1 p1.0和p1.1的第二功能引脚号功能特性p1.0t(定时/计数器2外部计数脉冲输入)，时钟输出p1.1t2ec(定时/计数2捕获/重装载触发和方向控制)p2口：p2是一个带有内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)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： 表2-2 p3口替代功能引脚替代功能说明p3.0rxd 串行口入口p3.1txd串行数据发送p3.2int0外部中断0申请p3.3int1外部中断1申请p3.4t0定时器0外部事件计数输入p3.5t1定时器1外部事件计数输入p3.6wr外部ram写选通p3.7rd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第三章 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。第一节 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。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。第二节 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。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15ma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15v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。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。 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。 图3-7 阻抗匹配电路6. 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。图3-9 74ls74和74hc244引脚图 第三节 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。 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。第四节 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。图 图3-12 开关量输出电路原理框图为了保证控制有效，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。 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。第五节 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。图3-16 电源电路第六节 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 显示电路第七节 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。数据总线configk22b0b7 图3-19 地址开关原理图第八节 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。555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：图3-20 声光报警电路第四章 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。第一节 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 主程序流程图第二节 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。设t0为定时方式1，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中断进行记数，够200次时，则有50ms*200=10s即可完成10s的定时。流程图如下图4-2： 图4-2 中断子程序流程图第三节 数据采集子程序流程图本设计中有很多传感器，由于对这些传感器进行采集，以及对数据的处理所采用的方法是一样的。为简化起见，本设计只给出瓦斯传感器的采集及其相应的子程序。采集子程序的流程图如下4-3：图4-3 数据采集子程序流程图第四节 数字滤波子程序流程图 考虑到本设计所采样的东西其随机性很大，某一次采集到的数据很有可能与其他次才具到的数据相差甚远。如果采用算术平均的方法来求其平均值，对系统的可靠性有很大的影响。所以本设计才用防脉冲干扰平均值法。所谓防脉冲干扰平均值法就是将采集到的n个数据中最大的那个数去掉，再把最小的那个数也去掉，最后对剩下的n-2个数求平均。流程图如下图4-4： 图4-4 数字滤波子程序流程图第五节 压力标度变换流程图目的是要把实际采样的二进制转换成bcd形式的压力值，然后存放到显示缓冲区。对一般线形仪表来说，标度变换公式为：ax=ao +（am-ao）（nx-no）/（nm-no）式中：ao为一次测量仪表的下限am为一次测量仪表的上限ax为实际测量值（工程量）nx为仪表下限所对应的数字量nm为仪表上限所对应的数字量nx为测量所得数字量。根据上述算法，设传感器的量程，相应的压力转换子程序就可以编出来。标度变换子程序的流程图如下图4-5所示： 图4-5 压力标度变换流程图结束语煤矿监控系统的发展是保证煤矿安全生产的前提条件，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。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，所以发展煤矿监控系统是重中之重，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，加强了对监控