煤矿安全监控系统井下监控分站的设计 精品.docx

题目：煤矿安全监控系统井下监控分站（软件）1 绪论1.1矿山安全监控系统的发展历程中国是世界产煤大国，也是煤炭消费的大国。但是我国煤矿安全生产状况不容乐观，总的来说，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，发生事故比较频繁。为减少事故的发生，预防工作是安全生产的重点。安全监测监控系统应用于煤炭生产行业，它起源于对矿井瓦斯检测的安全需求。煤矿安全监测监控技术是伴随着煤炭生产行业的发展而逐步发展起来的。随着煤炭行业的发展，采煤工作面产值不断提高，对环境和生产参数的检测要求也越来越高。随着微电子技术、控制技术、通信技术、计算机技术等的突飞猛进计算机更加广泛地进入工业控制的各个领域，并且发挥着越来越大的作用。同时，计算机技术在煤炭行业的应用也越来越广泛，利用计算机作为工控机对生产和环境参数的实时检测是煤炭生产的一个重要环节。1.1.1国内煤矿安全监控系统的发展我国煤矿安全监控技术起步较晚，80年代初，从国外等引进了一批安全监控系统，装备了部分煤矿。通过引进、消化、吸收，并结合我国煤矿生产的实际情况，研制出KJ2、KJ4、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92等监测监控系统，并实际应用于我国煤炭生产行业。事实证明，安全监控系统在煤矿的安全生产中是极其重要的应用。随着电子技术、计算机软硬件技术的快速发展，我们国家相继推出KJ90、KJ95、KJ101、KJF2000、KJG2000等监测监控系统。同时在“以风定产、先抽后采、监测监控”的方针及煤矿生产安全规程等有关规程的指导下，明确规定了我国所有瓦斯矿井必须安装煤矿监控系统。1.1.2国外煤矿安全监控系统的发展外国矿井监测技术在20世纪60年代开始发展，从技术特点来说，监控系统的开发阶段的划分主要依据是从信息传输方法的进步。外国最开始的煤矿监控系统的采用空分制来进行信息传输，法国CTT-63/40是这类矿山环境监测系统的代表，它最多 可以测量40个测量。以信道的频分制技术的为特点煤矿监控技术的 第二代产品，其结果传输 信道的电缆 芯数大大减少，它很快取代第一代监控系统。第三代煤矿监控系统的出现是由于集成电路的出现促进了时分制系统的发展。英国煤炭 科学研究总院在1976年推出了基于时分的MINOS煤矿 监控系统从而引起了轰动。到20世纪80年代初，MINOS系统相当成熟，在英国得到了大量的推广。到了80年代计算机， 大规模集成电路，数字 通信等现代技术 得到了快速发展。在这段时间，美国凭借自身的高科技优势，率先把 计算机技术，大规模 集成电路技术，数据 通信技术等现代科技应用于监控系统，从而使煤矿监控技术得到了高速发展。它创建一个分布式的基于微处理器的第四代煤矿监控系统。最具代表的是美国MSA DAN6400系统。1.2课题研究意义安全监控技术的不断提高以及大量的推广使用，产生了明显的效果，大大降低了煤矿百万吨死亡率。安全监控系统也由早期的 地面单微机监控发展成为 网络化监测监控以及不同 监控系统的联网监测。其主要由监控主机、通信 接口装置、井下监控分站、各类传感器组成。煤矿监测监控系统主要功能是能够及时、准确地反映各类监测信息。从而满足诸如瓦斯、一氧化碳、风速、温度、负压等环境参数及设备开停、风门开闭、风筒风量以及环境安全、轨道运输、皮带运输、供电系统等不同监测对象的要求。以实现在生产过程中对矿井各类参数进行全面综合地监测。本课题研究的意义在于，通过安全监控系统的数据采集和显示，可以把煤矿井下个传感器的数据和现场情况上传到监控中心，使井下现场工作的情况一目了然。用技术来弥补人的疏漏，从而对煤矿井下进行一体化监测监控，实现人值守或少人值守，保证煤矿的安全生产。 1.3的主要工作及结构安排1.3.1的主要内容本课题要是设计煤矿安全监控系统井下监控分站的设计，需要做的主要工作如下：(1) 井下监控分站的总体设计查阅安全监控系统的国内外研究发展状况，在总结归纳的基础上进行设计，对监控分站进行总体设计，确定监控分站要实现的功能。(2) 井下监控分站的硬件设计根据监控分站所要实现的功能，拟将监控分站的硬件设计分为八个模块：电源电路、传感器开关量输入通道、圧频转换电路、控制输出模块、拨码开关电路、声光报警电路、键盘操作和液晶显示电路。(3) 井下监控分站的软件设计单片机控制系统的设计：选择合适型号的单片机，完成要实现系统功能所需的软件设计，实现监控分站的数据采集、控制输出、键盘操作和液晶显示等功能。 (4) 系统的整合、调试和进一步完善。1.3.2的结构安排本文共分为6章：第1章：概述本课题相关研究领域国内外发展状况，本课题的研究意义、研究现状及发展趋势。第2章：介绍煤矿安全监控系统的构成和工作原理以及介绍井下安全监测监控分站的设计目标、总体设计第3章：介绍煤矿安全监控系统井下监控分站的设计的主要技术参数和其硬件设计各个模块及其功能。第4章：介绍煤矿安全监控系统井下监控分站软件设计和实现。第5章：简要介绍硬件测试、系统的测试同时进行功能分析。第6章：总结并做工作展望。14 本章小结本章开始讲述了本文的选题背景、国内外发展历史及本课题及本课题的研究现状及发展趋势，然后讲述了研究的现实意义和理论意义。提出了本文需要研究的主要内容，并对文中的具体章节进行了安排。2 煤矿井下监控分站设计的总体方案21 矿井监控系统的组成矿井监控系统由监控主机（监控软件）、井下分站、各种相关矿用传感器等组成。由图可以看出，这三者组成的是典型的集散控制系统。井下监控分站将采集到的各类传感器数据上传给地面监控主机，监控主机对所采集的实时数据进行分析，然后控制煤矿各级设备的工作状态。矿井监控系统的结构框图如图2-1所示。图2-1 矿井监控系统结构框图2.1.1监控主机地面监控主机能够实现各种监测数据的处理、查询、显示、储存、打印等功能，同时，操作员发出的设备控制命令也是通过地面监控主机完成的。地面监控主机也有显示测量参数、数据报表、图形生成、曲线显示、数据存储、故障统计和报表、报告打印功能。其中，部分 系统可实现局域网 连接功能，采用通用 的TCP/IP网络协议 实现局域网络 终端与监控主机之间实时通信和实时数据查询等功能。2.1.2传感器传感器的稳定性和可靠性是煤矿监控系统能正确 反映被测环境及设备参数的 关键技术和产品,传感器提供是整个监测监控系统中的第一手资料。当前煤矿监控系统的传感器主要 有瓦斯、风速、一氧化碳、温度、负压、水仓水位、煤仓 煤位、电流、电压和有功功率等模拟量传感器，以及机电设 备开停、机电设备 馈电状态、风门 开关状态等 开关量传感器。传感器工作原理框图2-2所示。矿用传感器工作条件特殊，所以在设计中要考虑各种抗干扰，各种预防性技术。对于井下传感器输出的开关量信号，我们可以通过隔离技术直接接入井下分站；而对于模拟量信号，因其传输距离的衰减，各种电气设备的干扰的，所以无法将其模拟量信号直接上传到井下分站，所以在这里我们要对传感器输出的信号进行处理，处理分为两种方式，一种是通过圧频转换，将模拟量信号转换成频率信号上传到井下分站，另一种是将模拟量信号转换成数制信号，通过RS-485或其他方式上传到井下分站。图2-2 传感器原理图2.1.3 井下分站图2-3 井下监控分站原理框图图2-3为井下监控分站工作的原理框图。通用监控分站是煤矿综合监控系统的重要组成部分，具有数据采集、控制输出、液晶显示、数据传输等功能。如图2-3，控制器采用单串口的单片机控制，串口用来与地面计算机通信，开关量信号通过光耦隔离进入单片机，模拟量信号经过圧频转换以频率信号输入单片机。单片机对输入信号经过判断处理后，通过光耦隔离输出4路开关量，输出信号可以控制井下设备的开停等。8位拨码开关用于设置该分站的地址。分站名称、地址、输入/输出信号状态通过液晶显示。单片机自带看门狗，增强稳定性。2.2井下监控分站系统设计目标 系统设计的目标是设计并实现一种应用于煤矿安全监测监控系统中，在井下实时接收传感器的信息，能够进行分析处理并显示的井下监控分站装置。当某种参数超过一定界限时可以进行声光报警提醒，当该参数进一步升高时进行断电处理，例如瓦斯闭锁等动作。实现如下功能：（1）该监控分站体积小巧、灵活；（2）该监控分站具有数据采集功能，并且能够兼容模拟量（频率信号2001000Hz）和开关量信号（开停两态信号）输入，并且应该具有光电隔离功能；（3）该监控分站要有控制输出的功能，能够对后端设备起到远程开停控制的作用；（4）该监控分站可进行人机对话，要求具备键盘输入、液晶显示等功能；（5）该监控分站应考虑到井下复杂的电磁环境，在设计时要考虑到电磁屏蔽以及各输入输出通道的抗干扰措施；（6）设计实现过程中遵循可靠性、快速性、准确性等原则，确保系统设计目标的顺利完成并为以后的需求设计提供尽可能大的拓展空间。2.3井下监控分站的总体设计2.3.1系统总体功能架构综述功能综述：要说明什么是监控分站，就要先说说煤矿安全监控系统。此系统是一种集散控制系统，为了实现煤矿对于集中管理、分散控制的要求，分为井下分站与地面中心两级管理系统，如图2.1所示。分站采用多个51系列单片机设计，具有数据采集、控制输出、键盘输入、液晶显示、声光报警、数据传输等功能。分站在煤矿安全监控系统中起到的作用如图所示：当分站接收到地面主机的询问信号后，就立即将该分站所接收的各测点的数据信号传给地面主机；各分站循环分时对接收到的各传感器信号（开关量、模拟量和累积量）进行各种检测、变换和其他处理，并随时等待主机的询问。当需要对井下设备进行控制时，主机会将控制命令与分站巡检信号同时传给指定的井下分站，由分站通过继电开关等方式控制井下设备。2.3.2系统结构框图设计监控分站设计的系统框图如图2-4所示：图2-4 监控分站设计的原理框图 图2-4为所设计井下监控分站的原理框图。如图3-1所示，分站设计两路开关量输入通道，两路模拟量输入通道，拨码开关确定分站地址，输出部分包括液晶显示、声光报警和控制输出，电源模块分别各单片机、输入和输出部分供电。2.4小结 本章简单介绍了煤矿安全监测监控系统的主要构成，并对其构成的功能、工作原理进行了说明。本章主要介绍了井下监控分站设计的目标和设计的总体方案。3 煤矿井下监控分站的硬件设计井下监控分站作为煤矿安全监控系统的连接纽带，在整个安全监控系统是必不可少的。所以监控分站可以实现以下功能：对传感器数据进行采集，包括开关量信号和模拟量信号；对采集到的传感器数据进行处理分析，通过输出通道进行报警处理和控制其设备的动作情况；可以通过键盘操作实现对参数的改变，对采集到的数据的值进行液晶显示等； 3.1井下监控分站设计的主要技术参数因为监控分站工作于煤矿井下，煤矿井下环境复杂特殊，所以分站的设计要满足以下工作参数：1、环境条件 分站在下列条件下应能正常工作：(1) 环境温度： 040 (2) 平均相对湿度： 不大于95（+25） (3) 大气压力： 80106kPa (4) 煤矿井下有瓦斯、煤尘等爆炸危险的环境 2、电源电压、电流 直流： 15V20%。工作电流：300mA。3、输入输出容量(1) 2路开关量/模拟量(可以扩展至4路)；(2) 2路开关量信号输出（可以扩展至4路）；4、输入输出信号(1) 开关量输入信号 高电平时，信号幅度应不小于3V，电流应不小于1mA；低电平时，信号幅度应不大于0.5V，电流应不大于 0.1mA ；(2) 模拟量输入信号 2001000Hz频率信号（适当修改分站软件，也适于输入不高于1200Hz的频率信号），脉宽大于0.3ms，幅度不小于3V，电流应不小于1mA；(3) 开关量输出信号 高电平空载时不低于10V，负载拉出电流2mA时不低于5V；低电平不大于0.7V。5、自动断电分站接入的模拟量输入信号可以控制分站的开关量信号输出；6、显示(1) 显示方式 液晶显示汉字和字符； (2) 显示模式：、显示本分站的名称地址； 、依次显示分站所接传感器的名称和当前测量值； 、通过按键实现浓度和频率的切换。7、瓦斯闭锁实现对采煤工作面的瓦斯闭锁功能，设定甲烷浓度大于1.0%，分站发出报警信号，大于1.5%时，分站控制其工作面范围断电。当甲烷浓度持续1分站小于1.5%后回复其供电。3.2井下监控分站硬件模块设计我所设计的煤矿安全监控系统井下监控分站以STC89C52 单片机为核心，构成微型计算机系统，本监控分站采用一片STC89C52单片机控制。硬件电路包括过主控电路、电源电路、压频转换电路、信号输入输出电路、地址开关电路、报警电路和显示电路等组成。 3.2.1主控制电路（1）主控芯片的选择本设计采用宏晶科技的STC89C52单片机，STC89C52RC单片机是可靠、高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，同时它也有便于扩展、控制功能强、实用性好等特点。其指令代码完全兼容8051芯片，同时可以选择12时钟/机器周期和6时钟/机器周期。拥有高 频率的8位CPU和 可在系统编程 的Flash等特点，它使得STC89C52单片机在控制应用中变的使用更加灵活、效率更高。STC89C52单片机主要特性如下：l 工作电压：5.5V3.3V（3.8V2.0V：3V单片机）；l 工作频率范围：040MHz；l 用户应用程序空间为8K字节；l 片上集成512字节RAM；l 通用I/O，共32个，当它复位后为：P1、P2、P3、P4是 准双向口/弱上 拉；l ISP/IAP，无需专用编程器，不需要专用 仿真器，可通过 串口（R XD/P3.0, TXD/P3.1）直接下载用户程序；l 具有 EEPROM 功能； l 具有 看门狗 功能； l 共3个 16位定时器 /计数器。即定时器T0、T1、T2；l 4路外部中断，下降沿中断或者低电平触发电路，其Power Down模式可以由外部中断低电平触发中断方式唤醒；l 通用异步串行口 （UART），还可用通过定时器软件实 现多个UART；l 工作温度范围：-40+85（工业用）/075（商业用）。（2）STC89C52RC 的工作模式l 掉电模式：典型功耗0.1A,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序；l 空闲模式：典型功耗2mA； l 正常工作模式：典型功耗4Ma7mA； （3）STC89C52主要功能部件图3-1所示为STC89C52的主要功能部件。图3-1 STC89C52主要功能部件结构图（4）主控制电路的设计 主控制电路完成控制并协调各个外围设备工作的功能，最终所设计的电源模块、压频转换模块、信号输入输出模块、地址开关模块、声音报警模块和液晶显示模块等通过主控制电路构成一个硬件系统，然后通过软件编程，为这个系统添加各种功能，主控制电路图如图3-2所示。其主要是通过软件编程，按需要从外设获取信号并处理信号，最终实现控制作用。图3-2 分站的主控电路图3.2.2电源模块图3-3稳压直流电源前端电路原理图。电源作为电路工作的使能元件，所以电源的稳定性对于设计电路的正常工作是非常重要的。本设计所使用的有两种电压形式：STC89C52单片机主控制电路的供电电压为+5V，模拟信号的压频转换模块采用的是双电源供电，需要12V电压。两部分工作电压不同所以需要分别制作各自的电源管理模块。要得到上述两路直流电压，首先需要将市电220V交流电通过降压变压器降压，再通过整流滤波稳压等处理通道后得到+5V、12V三路直流电压，然后分别供两部分电路模块使用。如图3-3所示本模块包括：变压器、整流滤波和稳压电路。变压器选取次级带中心抽头的，电桥完成整流，100pF电解电容起到滤波作用，选取时容值越大越好。图3-3稳压直流电源前端电路原理图图3-4 稳压电路及高频滤波电路图图3-4为稳压电路及高频滤波电路。前端104瓷片电容起到去除高频干扰的作用，通过78、79系列三端稳压芯片将输出端电压维持在设计的电压内，输出端接有各路输出电压的控制开关，通过外接发光二极管来判断是否有输出电压。3.2.2传感器开关量输入通道模块图3-5为信号输入通道电路图。分站设计的传感器信号输入通道共有4路，可扩展为8路。4路中分2路开关量信号输入和2模拟量信号输入。图3-5 信号输入通道电路图电路的工作流程是：信号由输入端子接入输入通道，模拟量和开关量通道设计为可混合使用，模拟量通过压频转换模块将电压信号转换成200 Hz 1000Hz的频率信号。频率信号较电压、电流信号抗干扰能力更强，方便在井下复杂的电磁环境中远距离传输。考虑到电路保护及抗干扰措施，在输入通道的前端设计了一个0.1uF滤波电容用来滤除高频干扰信号；利用稳压二极管1N5338B（击穿电压5.1V）的反向偏置特性设计了一个简单有效的稳压电路，将输入电压限制在5.1V以下。用LED灯显示每路信号传输状态。3.2.3模拟量压频转换模块。图3-6 压频转换电路图图3-6为圧频转换电路图。圧频转换的作用是把传感器输出的模拟信号转换成频率信号，然后输入单片机。VFC32 由运算放大器AMP、电压比较器 、单稳态触发器、集电极开路输出晶体管TQ和基准 电流源IRE构成。积分运算的精度即保证了良好的转换线性度 ,同时它的积分特性使得 VFC32 在各种干扰环境中都有非常好的抗干扰能力。集电极 开路频率输出级 可通过选择上拉电压改变输出脉冲幅度，提高了灵活性，使它适用于各种逻辑电路。通过外接电容和 电阻，可在大范围内调节其输出值3.2.4控制输出模块图3-7为井下监控分站的控制输出部分电路图。本电路通过继电器实现危险参数超限断电或状态切换功能。继电器的控制端有三极管Q来驱动，只要输入端为高电平（+5V），三极管导通，继电器控制端（4、5）获得电流电磁铁工作，接触段1、3导通。输入端为低电平时，三极管Q截止，控制端没有电流通过，继电器不工作。实现了低压控制的目的。此模块模拟实现煤矿井下的瓦斯闭锁功能，根据输出信号的变化，若其达到预设定动作值的上限，则单片机控制继电器动作来模拟分站控制设备的运行与否。图3-7 控制输出电路图3.2.5拨码地址模块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，即地面监控主机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位拨码开关，8路DIP拨码开关通过上拉电阻连接至单片机IO口，实现确定分站地址的目的。所以本系统容量最大可以提供28，即256个分站。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。图3-8为拨码开关的电路图。图3-8拨码开关电路图3.2.6声光报警模块声光报警模块是为了警示发现超限输入量而发出声光报警信号。该模块针对的对象为传感器输出的频率信号，即由传感器所采集的模拟量信号，因其实连续变化，所以由单片机预先设置报警上限进而判断所输入的参数是否达到报警值，当单片机接收到输入通道传来的开停信号或者频率信号并判断出当前温度大于报警值，就发出声光报警信号。若其值一直大于报警上限值，蜂鸣器发出持续的报警信号；若检测到其值小于预定报警上限值，则报警信号取消。声光报警电路如图3-9所示。图3-9声光报警电路图3.2.7 按键控制模块图3-10 按键控制电路图图3-10为按键控制电路图。按键一端通过上拉电阻与+5V电源相连，另一端接地并与单片机I/O口相连，本系统选用单片机的P2.6口来读取按键切换信息。3.2.8液晶显示电路分站显示是非常重要的人机对话接口，对现场的维护工作有着重要的意义，分站的显示采用12864液晶显示。开机首先显示分站名称、分站地址，继而刷屏显示四路输入通道的信息。四路信号分2路开关量信号和2路模拟量信号。对于开关量信号直接在液晶显示屏显示其开停状态；对于模拟量信号，则在液晶屏分页显示其采集到的频率值和对应的浓度值，其通过外接按键来实现切换显示。液晶显示电路连接图如图3.11所示。图3-11 液晶显示电路原理图3.3本章小结本章主要对井下监控分站的设计进行了论述，首先介绍了井下监控分站设计的主要技术参数，然后重点讲述了井下监控分站的硬件设计部分。设计中将硬件部分的设计分为包括八个模块来满足设计的要求。因为我所做的是软件部分的设计，所以将在下一章将重点阐述本设计的软件设计部分。4 煤矿井下监控分站的软件设计监控系统的软件在整个工作系统中起着尤为重要的作用。本煤矿安全监控系统井下监控分站的设计完成的主要功能在前面介绍硬件部分的时候已经说明，所以不在这里重复。下面主要讲本设计的软件部分。软件设计包括两部分，一是分站主程序的设计，主要完成对分站的初始化，和循环程序的设计；二是模块化子程序的设计，模块化子程序包括以下部分：传感器数据采集模块、显示部分模块、拨码开关模块、输出控制模块。4.1软件设计平台Keil Software公司为STC89C52系列单片机提供了一套易于方便高效的集成开发环境和C语言开发环境：Vision。这款软件集编辑，编译，仿真于一体。用C语言编程可以大大提高软件的开发效率，提高设计软件的可靠性，可读性、可移植性，设计者可以将精力在充分发挥STC89C52的功能上。因此，本软件编写采用Keil C51语言编写。4.2井下监控分站主程序的设计4.2.1 控制器相关简介本设计所采用的主控制芯片是STC89C52RC。在STC89C52RC片内存储器中，80HFFH共128个单元位特殊功能寄存器（SFR），并非所有的地址都被定义，从80HFFH共128个字节只有一部分被定义。还有相当一部分没有定义。对没有定义的单元读写将是无效的，读出的数值将不确定，而写入的数据也将丢失。（1）复位操作复位是对单片机进行初始化的操作。其主要是把单片机初始化为0000H，从而可以使单片机执行程序从0000H单元开始。（2）引脚简介STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。PO口（Pin39Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0P0.7。P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入 每个引脚能驱动写入“1”时，可以作为高阻抗输入。P1口（Pin1Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0P1.7。1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。P2口（Pin21Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0P2.7。P2口是一个带内部上拉电阻8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。P3口（Pin10Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0P3.7。P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。RST（9引脚）：复位输入。当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机的复位初始化操作。看门狗计时完成后，RST引脚输出96个晶振周期的高电平。XTAL1（19引脚）：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2（18引脚）：振荡器反相放大器的输入端。VCC（40引脚）：电源电压。VSS（20引脚）：接地。（3）时钟电路STC89C52RC内部自带一个用来构成振荡器的 高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此 放大器的 输入端和输出端。时钟有两种产生方式，分别为内部方式产生和外部方式产生。本设计所采用的是内部方式产生。内部方式 产生的时钟电路，只需要在引脚RXD和TXD上接定时元件，内部振荡器就可以产生自激振荡。定时元件通常采用电容和石英晶体组成的并联 谐振回路。（4）定时器/计数器程序设计需要完成对频率信号的采集，需要设置定时器/计数的值。 其定时器工作方式控制寄存器如表4-1所示。表4-1 TMOD定时器工作方式控制寄存器GATE C/TM1M0GATEC/TM1M0T1方式字段 T0方式字段说明：GATE 为1 定时器/计数器受外部引脚电平控制；C/t为1计数；为0定时。表4-2为定时/计数方式选择说明。表4-2 定时/计数方式选择说明M1M0功 能 说 明00110101方式0 ，为13位计数/定时方式方式1 ，为16位计数/定时方式方式2 ，为8位常数自动重新装入计数/定时方式方式3 ，仅使用T0,分为两个8位计数器4.2.2主程序流程在整个设计中，硬件部分构成了整个设计的框架，而软件部分则赋予整个设计各种功能，整个制作所有功能的实现都是靠软件操作来实现的。井下监控分站软件设计部分主程序流程图如图4-1所示。图4-1 主程序流程图初始化程序主要用于初始化设计所接的模块以及全局变量的初始化，设置定时器的工作模式、计数器的初值。如图4-1所示，首先对分站进行初始化设置，然后选择通道，对数据信号转化进行初始化，接下来读取输入信号，对采集到的信号进行判断，若是所要的信号，则根据输入信号值的不同，执行不同的输出动作，若不是所需要的信号，则定时刷新重新读取。4.3井下监控分站模块子程序设计模块的功能为：传感器数据采集：完成对2001000HZ的频率信号的采集，设计中以甲烷传感器输出数据为采集对象，2001000HZ对应不同的甲烷浓度值；显示部分：包括分站地址、采集到传感器数据、控制输出状态；拨码开关：主要是对分站地址的设置；输出控制；根据采集到传感器的数据是否达到报警值控制设备的开停，设计以控制继电器的动作来模拟设备的开停； 4.3.1传感器数据采集定时/计数器0配置为计数模式，定时/计数器1配置为16位定时器模式。频率信号采集子程序：void Timer_Init( void ) TMOD = 0x15; TH1 = (65536-50000)/256; TL1 = (65536-50000)%256; TH0 = 0; TL0 = 0; EA = 1; ET1 = 1; TR1 = 1; TR0 = 1;/*void Timer1_ISR ( void ) interrupt 3 Time_t +; TH1 = (65536-50000)/256; TL1 = (65536-50000)%256; EA = 1; ET1 = 1; TR1 = 1; if(Time_t=20) Time_t = 0; EA = 0; ET1 = 0; TR1 = 0; Counter = TH0*256 + TL0; TH0 = 0; TL0 = 0; TR0 = 0; Time_OK = 1; /*void Frequency_Measure(void) while(!Time_OK); Time_OK = 0;程序的实现是通过设定时/计数器0配置为计数模式，定时/计数器1配置为16位定时器模式。设定定时/计数器1定时时间为1s，然后读取计数器的值就是当前所需要的频率值。最后对读取的频率值进行处理后通过12684液晶显示将结果显示出来。4.3.2显示主程序液晶显示部分采用的是串行驱动。其程序流程图如图4-2所示。图4-2 显示程序流程图井下监控分站的显示部分，主要包括分站名称、分站地址、开关量信息、模拟量（频率）信息的显示。分站地址的显示是通过读取接在单片机上的八位拨码开关的状态来确定分站的地址，八位拨码开关共256个地址；开关量与模拟量则是对传感器输入信号的读取，这里需要说明的是对模拟量的读取，开机进入分站后分站所显示的是读取的分站的频率值，这时只需要通过长按Key_Change按键，可以实现频率到浓度的切换，频率值与浓度保持比例对应关系。4.3.3输出控制程序图4-3所示为井下监控分站输出控制程序流程图。图4-3 输出控制程序流程图井下监控分站的控制输出部分包括：超限报警和控制设备的开停。超限报警和控制设备的开停是通过对采集到的频率值进行分析处理，根据对数据分析处理的结果来判断是否要执行动作。如果采集到的频率值超过预设定上限的报警值，则蜂鸣器发出报警信号；如果检测到的频率值超过预设定的动作值上限，则监控分站控制设备开停，本设计以当采集到的值超过动作值的上限时控制继电器的动作来模拟；在继电器动作以后继续检测其输入值，若其值小于预定的动作值，则继电器恢复未动作前的状态， 若其值继续小于报警值后，则报警取消，分站继续运行。井下监控分站控制输出程序：void Nongdu_Display(void) unsigned char Nongdu_a=0,Nongdu_b=0,Nongdu_c=0,i; if(!Key_Change) Delay_25ms(1); if(!Key_Change) while(!Key_Change); Key_Counter+; if(Key_Counter=2) Key_Counter=0; if(Key_Counter=0) Write_mand( 0x80 );for(i=0;i14;i+)Write_Data(Table_6i);Write_mand( 0x90 );for(i=0;i14;i+)Write_Data(Table_7i);Write_mand( 0x88 );for(i=0;i8;i+)Write_Data(Table_8i);Write_mand( 0x98 );for(i=0;i4100) Beep_Sound (); if(Counter6050) Relay = 1;else Relay = 0; 4.3.4拨码开关程序设计分站地址开关是个8位拨码开关，8路DIP拨码开关通过上拉电阻连接至单片机I/O口，实现确定分站地址的目的。所以在程序设计时，只需直接读入I/O口的值即可。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 00000001，即说明该分站地址为1。通过对地址的不同设置，可以得到不同的分站号，但是在一个系统中，每个分站号是唯一的。4.4本章小结 本章节详细介绍了煤矿安全监控系统井下监控分站的软件设计以及实现，包括主程序和子程序设计。主程序部分主要完成对分站的初始化，功能设置等；子程序部分采用模块化设计的思想，将分站所要实现的功能分解成不同的模块，每个模块都给出了其具体设计和实现的关键技术。这样使得所设计的分站开发和维护更加容易。5 井下监控分站的调试及运行结果5.1 井下监控分站硬件电路测试硬件电路包括主控制电路、电源电路、传感器信号输入通道、圧频转换电路、控制输出模块、拨码开关电路、声光报警电路，液晶显示电路等路，将各个模块连接到单片机通电测试。图5-1为硬件电路连接后的整体电路图。图5-1 硬件电路连接图上电后测其输入输出参数： 电源模块测试，当输入交流为220V且开关闭合时，测得7805直流稳压芯片输出的电压值为5.02V。因而，5V电源输出时，对应的纹波电压为1.82mV。满足在电路空载时，输出纹波电压峰峰值10mV，稳压系数Sr310-3的设计要求。单片机最小系统的调试，主要是围绕GPIO口能否正常工作、单片机系统能否正常复位等问题进行测试。我们写好周期性定时的程序，让GPIO口的电平每0.5秒翻转一次，然后用示波器观察GPIO口输出信号的频率，经测试GPIO输出信号的频率为1Hz，然后按下复位按键发现GPIO口为高电平直至松开复位按键才会重新出现频率为1Hz的方波，述单片机模块工作正常。控制输出模块测试，在继电器控制端输入高电平，观察继电器触点变化，断开连接或者接到地线上时，继电器状态应当切换。与此同时接在继电器输出端口的发光二级管会轮番被点亮，显示继电器工作状态。声光报警模块测试。由于采用的三极管为PNP型，所以在三极管控制端(基极)加上低电平，就可以驱动蜂鸣器进行报警，相反，在三极管控制端(基极)加上高电平则会停止报警，所以只要输入一定频率的高低电平蜂鸣器就会发出间断的报警声音。经测试，该部分硬件电路能够正常工作。圧频转换模块测试，用示波器测试压频转换电路输出信号的频率，然后再将压频转换电路中的电阻、电容参数代入公式中计算理论上输出的频率。经测试当理论输出频率在200Hz-1000Hz之间变化时，实际输出的频率与理论输出的频率相差3-17Hz，满足系统设计要求。5.2 井下监控分站系统调试将程序烧到单片机后，进行测试。系统显示正常，图为测试中所显示的界面。性能描述：通电运行，液晶显示分站名称“井下监控分站、分站信息、地址号XXX、*此地址不可重复”，然后刷新显示“1 号设备状态:X、2 号设备状态:X、通道1_F：XXXX、通道2_F：XXXX”, 通过长按Key_Change按钮, 可以将刚显示的频率值切换到对应的浓度显示状态“通道1 浓度：XX%、通道2 浓度：XX%”。开关量信号我们通过将外接开关，经光耦隔离直接输入进单片机；对于模拟量信号我们通过电位器来模拟，然后经圧频转换电路输入单片机。5-2 通电时输入为零时显示 5-3 输入达到报警值时显示5-4 输入值达到动作值时的显示和整体电路图图5-2为分站通电后进入显示界面后模拟量信号输入为零，开关量信号输入一个为高电平一个为低电平时的显示；然后通过调节电位器来改变输入模拟量信号的大小，图5-3为模拟量输入信号达到报警浓度时的显示，此时蜂鸣器发出报警声音；图5-4为模拟量输入信号达到动作值后的浓度显示，此时我们在整体电路图中可以看到继电器旁边红色指示灯亮，表明继电器动作了，若检测到浓度值小于1.5%，则继电器复位，旁边绿色指示灯亮。测试中仍然有不足之处，我们今后加以完善。5.3 本章小结本章主要介绍了井下监控分站的硬件测试和系统测试。通过对硬件部分各个模块的连接通电测试，证明硬件部分可以满足分站设计的要求。接下来对整个系统进行了测试，经过软、硬件的联调，系统基本实现了设计目标，可实现对传感器数据的正确采集、显示并能实现超限报警和模拟控制设备的运行等功能。6 结论与展望6.1结论本设计的研究主要针对煤矿安全监控系统中的井下监控分站展开，主要包括国内外矿山安全监控系统的发展历程与现状；煤矿安全监控系统井下的结构特点、分站设计的主要内容、设计原则、设计步骤；安全监控分站硬件设计以及软件设计核心内容，系统调试以及系统测试结果论述等。本主要以总分总的结构展开论述，通过矿山安全监控系统监控分站的整体系统搭建、各部分硬件设计、软件流程设计、系统调试等展开论述。首先，本以矿山安全监控系统在煤炭安全生产中的重要性展开论述，并进一步探讨了监控分站研究的深远意义。其次，通过矿山安全监控系统的组成进行论述，引出井下监控分站设计的中体方案。接下来井下监控分站的主要参数特征、硬件组成、结构特征、软件流程等的介绍；其中对系统的硬件各部分组成的主要器件或设备的工作原理与作用进行了简单介绍；而软件设计论述中，对分站设计的主流程图，分站的显示部分，采集数据部分以及控制输出部分做了论述。最后，通过前面的硬件软件测试，可以看出本次设计的监控站软件可以完成对传感器的数据采集，控制输出并显示，以及键盘操作等功能。控制输出部分则预先设定报警和动作值，然后将采集到的模拟量信号分析比较；若达到报警值则蜂鸣器发出报警指示，若达到动作值，则控制继电器动作。由于本次设计时间有限，未能实现监控分站的通信连接，因此未能测试该监控站与地面监控主机的通信。在今后的工作学习中，我会更进一步对该监控进行深入研究，亲身实践该监控站与地面监控主机的通信。6.2 展望随着国内外矿用监控系统及设备的飞速发展，矿用监测监控系统在煤矿行业的应用得到更广泛的推广。安全监控系统以其稳定性、实时性方面的优势，在行业中占据重要地位，使得井下工作人员的工作环境得以有安全的保障，煤矿井上、下指挥者能够在第一时间得到生产数据以及井下各类环境数据，同时，监控系统也可以处理突发的危险情况，例如，监控甲烷等气体浓度、压力监控。为了更好的改善井下分站的工作性能，可以从以下几个方面着手：（1）当矿山遇到突发情况，矿井上下通信受阻时，此时传感器采集到的数据传输到分站后，分站无法将数据上传到上位机，而分站没有数据存储功能，此时，数据便会丢失，等到通信正常时，不正常时段的数据便无法找回，产