基于单片机的矿井数据无线采集系统.doc

论文题目：基于单片机的矿井数据无线采集系统（硬件）专 业：电气工程及其自动化 学 生：王百立 （签名） 指导教师：王 建 （签名） 摘 要采用AT89C51单片机为核心利用DS18B20温度传感器，MQ2气体传感器，LCD1602，数码管显示器，基于nRF905的无线收发电路完成了对矿井数据的采集，显示，和传输。首先介绍了温度数据采集，瓦斯数据采集和无线传输的背景和发展现状。并对系统进行了设计，主要包括各个部分电路的设计，各个芯片的选择介绍，简单的软件设计，并制成目标板。根据系统的特点，将系统分为采集发送端和接收端。系统设计完成后在实验室进行了调试和测试，测试结果表明：系统硬件设计完全符合矿井数据采集和无线传输的要求，可以投入使用。关键词：AT89C51，温度， 瓦斯，无线传输，LCD1602，上位机ISubject ：Wireless data acquisition system based on microcontroller mine（Hardware）Specialty ：Electrical Engineering and AutomationName ：Wang Bai Li （Signature） Instructor：Wang Jian （Signature） ABSTRACT AT89C51 microcontroller as the core of the temperature sensor DS18B20, MQ2 gas sensor, LCD1602, digital tube display, wireless transceiver circuit based on nRF905 finished to collect the data of mine, display, and transmission. First introduced the temperature data acquisition, data acquisition and gas wireless transmission of background and development present situation. And on the system design, including the each part of the circuit design, the choice of each chip is introduced, the simplicity of the design of the software, and made into target board. According to the characteristics of the system, the system is divided into collection the sender and the receiver. After the completion of the system design in the LABS of the commissioning and testing, testing results show that: the system hardware design meet the mine data acquisition and wireless transmission requirements, can put into use.Key words: AT89C51，Temperature，Gas，Wireless Transmission，LCD1602，PC10目 录第一章 绪 论11.1 矿井无线数据采集的意义11.2 无线通信技术的发展现状11.3 本系统设计内容21.4 本章小结2第二章 系统硬件设计方案的论证32.1 系统设计功能要求及结构组成32.2 主要芯片的选择42.2.1微处理器芯片的选择42.2.2无线射频芯片的选择62.2.3温度传感器的选择72.2.4瓦斯传感器的选择82.2.5模数转换芯片的选择102.3本章小结11第三章 无线数据采集系统的硬件电路设计123.1系统的供电电源和单片机最小系统123.3.1系统供电电源123.3.2单片机最小系统123.2温度数据采集133.3瓦斯数据采集143.4无线收发143.5本章小结15第四章 系统响应与上位机164.1显示电路164.1.1 LED数码管电路及工作原理164.1.2数码管显示电路174.1.3LED显示驱动PNP8550介绍174.1.4LCD1602显示184.2报警电路：194.2.1瓦斯浓度报警电路194.2.2温度报警指示电路194.3上位机（PC机）：194.3本章小结21第五章 系统的软件设计225.1系统软件主流程图设计225.1.1数据发送端流程225.1.2数据接收端流程235.2系统的编程软件245.3本章小结24第六章 系统调试256.1硬件分部调试256.1.1硬件电路检测256.1.2排除元器件失效256.1.3排除电源故障256.1.4显示部分调试256.2基于Proteus仿真调试256.3软硬统一调试266.4软硬件调试过程所遇到的问题266.5本章小结27结论与心得28致 谢29参考文献30附 录31第一章 绪 论1.1 矿井无线数据采集的意义在矿井环境监测中通常需要对矿井矿尘、瓦斯，一氧化碳、温度、湿度、氧气、硫化氢和二氧化碳等参数进行检测。现有的监控检测系统需要在矿井内设通信线路,传递监测信息。国内大部分煤矿属于瓦斯矿井,且绝大多数需井下开采,使得瓦斯爆炸成为煤矿重大事故之一,给煤矿企业带来灾难性的破坏和人员伤亡。矿井安全已成为影响矿业生产，保持矿井持续，健康发展的重大问题。因此,做好煤矿瓦斯爆炸事故的预警防范工作,可以降低矿难的发生。当前对瓦斯的检测存在许多问题,例如检测元件的性能较差,如果检测元件损坏而,就会导致检测失效,可能造成重大的事故。此外探测系统容易受到煤矿井下不良环境因素的影响,导致传感器的工作性能不稳定。因此在本次系统的设计中,对这些问题进行了深入的研究并想出解决办法。在这次系统硬件设计中全面考虑了单片机的处理技术,极大地提高了传感器的精确度和系统工作的稳定性。为防止煤矿灾害发生，实时监测矿井温度条件对工人健康和劳动生产率有着直接的影响。矿井温度检测主要用于检测现行采区和采空区中的煤炭自燃过程的发展情况，以及检测棚顶和准备巷道支护空间中的温度。矿井瓦斯和温度监测的新方案,系统可以实现对瓦斯和温度进行监测，采用mcs-51单片机实现数据的采集、处理、存储、显示和上位机实时通信.系统由数据监测模块、单片机通信模块、PC与单片机通信模块组成.系统测量精确,简单实用维护方便,满足矿井瓦斯和温度监测的实际要求。本课题将数据采集与无线传输相结合，发挥无线传输的优势，并且解决硬件、软件及通信协议优化等问题。大四的我工作已经签约到了国有煤矿，通过此次的毕业设计，可以使我了解科学研究的过程，掌握如何收集、整理和利用材料；如何利用图书馆和网络数据库，检索文献资料；如何操作仪器和运用绘图软件等方法。同时也是学习如何进行科学研究的一个极好的机会。而且直接参与和亲身体验了科学研究工作的全过程及其各环节，是一次系统的、全面的实践机会。1.2 无线通信技术的发展现状随着网络和通信技术的迅速发展，无处不在的网络终端、以人为本、个性化、智能化的移动计算以及方便快捷的无线接入、无线互联等新概念和新的产品，已经逐渐融入人们的日常生活和工作领域。无线射频收发一体型芯片技术是最近几年来来发展起来的一种新型无线通讯技术。最近几年来短距离无线数据传输，一直是国内外电子通讯领域发展的重点；在军用领域中、民用通讯领域以及家电领域中得到了广泛的应用。传统的无线射频收发装置结构比较复杂，也不容易调试，其安全性以及可靠性都不是很优良，不能满足对环境和安全性要求比较高的场合，因此国外各大公司纷纷推出了无线射频收发集中一体型芯片。1.3 本系统设计内容本次设计的目的是设计一个体积小、功耗低、数据传输稳定可靠且对煤矿数据传输速率要求不高的温度数据和瓦斯浓度数据无线采集电路，可用于煤矿井下的无法布线环境下的进行数据无线采集。为达到这个目标，需要对硬件整个系统进行整体的规划。本章针对系统的需求和特点，对主要元件进行选择，在设计电路总体结构的基础上，主要介绍了数据采集电路、无线射频收发电路、数据显示电路，并且给出了无线数据采集系统各个部分的电路原理图。1.4 本章小结 本章阐述了矿井数据采集和射频无线传输的概况，分析了短距离无线数据采集的国内外现状，指出了本文的研究目的、研究内容和范围、研究方法及研究意义，阐述了本文的设计方案和预期结果。 第二章 系统硬件设计方案的论证2.1 系统设计功能要求及结构组成本论文提出的矿井数据采集与无线传输系统，由数据发送端和接收端两部分组成，两端通过无线方式通信。数据发送端由温度传感器、微处理器和无线发送模块组成，微处理器将传感器采集到的数据送给无线收发模块打包发出。数据接收端接收到采集端的数据后，按相应的通信协议取出有效数据，发送给微处理器，微处理器程序对数据进行分析和处理。根据煤矿井下采集电路的功能和应用范围，本文设计的无线数据采集系统需要具有如下特点：1.由采集模块和接收模块组成，采集模块主要功能是数据采集，将采集到的数据处理，本地实时显示，同时也要将处理过的数据发送给接收模块，接收模块将接收的数据送上位机显示和数据记录。2.本系统针对的是数据采集的频率适中，传输速度和距离适中的情况。3模块需要具有体积小，成本低，开发周期短的特点。4为了后续研究和系统更新，模块必须具有可更新的能力，并且使用方式灵活多样。本文的系统由数据采集端，无线通信接收端两大部分组成，数据发送端负责数据的采集，处理，显示和发送，数据接收端负责数据的接收，显示并且上传到上位机。本设计的核心控制芯片采用AT89C51单片机，控制DSl8B20和MQ2传感器温度数据采集，控制nRF905无线收发芯片发送数据，另一片nRF905接收数据给接收端单片机，单片机通过RS232串口把数据送到上位机（PC机），在PC机上实时显示数据并记录数据，实现温度和瓦斯气体连续显示。以上分析综合，总体方案框图如图2-1所示。图2-1 总体方案框图2.2 主要芯片的选择微处理器、无线射频芯片和温度传感器瓦斯、传感器是本系统最关键的三个部件，从上面的分析可以看出，本系统所选用的元器件需要满足低功耗、低价格、开发简单、操作简单的特点。2.2.1微处理器芯片的选择作为整个系统的核心部件，微处理器的选择对整个系统的性能起着至关重要的作用。面向工业控制领域的单片处理器，目前广泛应用的单片处理器有51系列的8位单片机，面向大数字信号处理领域的DSP（数字信号处理器），增强型的16位单片机机，以及32位的ARM芯片。DSP器件在工控领域的应用，有着强大的功能和优越的性能。它的速度快，运算能力强，主要用于高端领域，DSP器件功能设计主要应用于有大量数字信息处理的系统，不适合应用在在数据处理量少的小型系统。而目前其价格特别的高，开发技术对我个人来说难度也特别大。ARM芯片具有功耗低、体积小、功能广泛和高性能的特点，ARM芯片还可以运行操作系统，不过ARM芯片也同样不适合应用在简单的小型控制系统，并且本人对ARM也不熟，没有系统的学习过ARM。AT89C51是美国ATMEL公司生产的高性能8位单片机，器件采用ATMEL公司的高密度，存储具有非易失性，可以兼容MCS-51指令系统，器件片内置有通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C51具有强大的控制功能，广泛应用于各种控制领域。AT89C51具有以下标准功能：4K字节的Flash（只读程序存储器），128个字节内部RAM（随机存取数据存储器），32个I/O口外部引脚线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个串行口。空闲模式下CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口及中断系统继续工作。掉电模式下，RAM内容被保存，不会丢失。但是振荡器停止工作并且其它所有部件被禁止工作，直到下一个硬件复位为止。AT89C51引脚图如图2-2所示。图2.-2AT89C51外部引脚图P0口为一个8位双向I/O口，作为输出口时每位能驱动8个TTL门电路。P0口内部没有上拉电阻，使用时需要外接上拉电阻。P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，每位可以驱动4个TTL逻辑门电路。如果作为输入口，首先要对P1口写1。P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，同P1口如果作为输入口，首先要对P1口写1。P3口除了可以作为一般I/O口线外，它的第二功能更重要，如表2-1所示。表2-1 P3口各位的第二功能P口P3口的第二功能P3.0RXD(串行口输入端)P3.1TXD(串行口输出端）P3.2INT0（外部中断0)P3.3INT1（外部中断1)P3.4TO(定时/计数器0)P3.5T1(定时/计数器1计数脉冲输入端)P3.6WR（片外数据存储器写选通信号输出端）P3.7RD（片外数据存储器读选通信号输出端） RST:单片机复位引脚。PSEN:片外程序存储器读选通信号，有效电平为低电平。ALE/PROG:地址锁存允许信号引脚。EA/VPP:片外程序存储器选用端。2.2.2无线射频芯片的选择无线射频芯片是整个无线通信单元的核心部件，成功选择芯片可以提高整个无线数据采集电路的性能和缩短开发周期。基于本此设计模块的实际需求，应该选用低成本、体积小、低功耗、高集成度、有较强的兼容性、抗干扰能力强、方便开发的无线射频收发一体、对于发射具体没有很高要求的芯片。nRF905是Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压为3.33.6V，工作于433/868/915MHz三个频道。NRF905由频率合成器、接收解调器、晶体振荡器、功率放大器和调制器组成，自动处理字头和进行CRC(循环冗余码校验)，可以使用SPI接口与单片机通信，外围电路特别简单，可方便与单片机连接，配置也非常方便。nRF905适用于无线无线报警、无线数据监测、无线开锁和玩具等诸多领域。nRF905有两种工作模式和两种节能模式。两种工作模式分别是接收模式和发送模式，两种节能模式分别是空闲模式和关机模式。基于矿井无线传输适用于400MHZ的频率，因此nRF905能满足本次设计的功能要求，因此本次设计选用nRF905芯片作为无线收发设备。nRF905的详细发送数据流程和接收数据流程如下： (1)NRF905发送数据流程分以下几步：A. 当单片机有数据要发送时，通过SPI接口，按时序把接收机的地址和要发送的数据送传给NRF905；B. 芯片置高TRX_CE和TX_EN，激发nRF905为发送模式；C. 射频寄存器自动开启；打包数据(自动加字头和CRC校验码)；发送数据包；当数据发送完成，数据准备好引脚（DR）被置高；D. AUTO_RETRAN被置高，NRF905不断重复发送数据，直到TRX_CE被置低；E. 当TRX_CE被置低，NRF905发送过程完成，自动进入空闲模式。发送工作模式保证，一旦发送数据的过程开始，无论TRX_CN和TX_EN引脚是高还是低，发送过程都会成功完成。只有在前一个数据包被发送完毕后，nRF905才能接受下一个发送数据包。 (2)NRF905接收数据流程分以下几步：A. 当TRX_CE为高且TX_EN为低时，nRF905进入接收模式；B. 650us后，nRF905不断进行监测，等待接收数据；C. 当nRF905检测到同一频率的载波信号时，载波检测引脚被置高；D. 当接收到一个相同的地址时，地址匹配引脚被置高；E. 当一个正确的数据包接收完毕，nRF905会自动移去字头和CRC校验位，然后把数据准备好引脚（DR）置高；F. 微控制器把TRX_CE置低，nRF905进入空闲模式；G. 微控制器通过SPI口，以一定的速率把数据移到单片机内；H. 当所有的数据接收完毕，nRF905把数据准备好引脚和地址匹配引脚置低；I. nRF905此时可以进入接收模式、发送模式或关机模式。2.2.3温度传感器的选择数字温度传感器是微电子技术、计算机技术的结晶。目前，市场上有多种数字温度传感器系列产品。要在众多的产品中选择出合适的器件需要把握以下几点：外围电路比较简单，测温的精度、分辨率要合适，占用单片机的I/O引脚数应该较少，因为单片机的系统资源特别宝贵，要节约使用I/O口；与单片机的通信协议要简单，温度测量的软件开发难度尽量小。DSl8B20是美国Dallas半导体公司开发的新一代数字式温度传感器，它具有强大的单总线接口方式，允许在一条信号线上接多个数字式传感器，克服了模拟式传感器与微机接口时需要的A/D转换器的缺点，而且可以通过总线供电，由它组成的温度监测系统十分方便，而且DS18B20的成本低、体积小、可靠性高。由于DSl8B20独特的单总线接口方式，占用单片机的I/0引脚数量少，和单片机的通信协议比较简单，成本较低，传输距离远，因此选用DSl8820做为温度测量的传感器。(1)DS18B20引脚功能说明：DS18B20具有3引脚小体积封装形式，工作电源支持3V5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生。其引脚图封装如图2-3所示。图2-3 温度传感器DS18B20引脚图GND:接地。DQ:数据输入/输出引脚。VDD:外接供电电源输入端。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。(2)DS18B20 内部结构：DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位ROM、温度传感器、非易失性温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。A .64位激光ROM。B. 温度灵敏元件。用于采集温度并转换成电信号。C. 非易失性温度报警触发器TH和TL。可通过软件写入报警上下限值。(3)DS18B20的主要特性： A.适应电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。 B.单线接口方式，DS18B20在与单片机连接时仅需要一条口线即可。C.可以多点组网工作，多个DS18B20可以并联在唯一的数据线上。D.全部传感元件及转换电路集成在形如三极管的集成电路内。 E.测温范围55+125，在-10+85时精度为0.5。 F.可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温。 G.在12位分辨率时最多在750us内把温度值转换为数字，速度非常快。H.测量结果直接输出数字温度信号，以一线总线串行传送给单片机。2.2.4瓦斯传感器的选择 可燃气体传感器有多种但每种传感器对不同气体的敏感程度不同，具体的传感器有其针对性检测的气体，比如MQ7对一氧化碳有较强的敏感性，主要用于监测一氧化碳气体。MQ2对瓦斯烷类气体有较好的敏感性，适用于监测矿井瓦斯的浓度，因此，本次设计选用MQ2气体传感器。(1) MQ2可燃气体传感器特点： 在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度、长寿命、低成本、简单的驱动电路即可 。MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的SnO2。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-2气体传感器对液化气、丙烷的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。(2)灵敏度特性：图2-4是传感器典型的灵敏度特性曲线,图中纵坐标为传感器的电阻比（Rs/Ro），横坐标为气体浓度，Rs 表示传感器在不同浓度气体中的电阻值。Ro 表示传感器在1000ppm 氢气中的电阻值。图2-4 MQ-2灵敏度特性 图2-5 是传感器的基本测试电路。该传感器需要施加2 个电压：加热器电压（VH）和测试电压（VC）。其中VH用于为传感器提供工作温度。VC 则是用于测定与传感器串联的负载电阻（R）上的电压（VR）。这种传感器具有轻微的极性，VC需用直流电源。VC 和VH 可以共用同一个电源电路，本次设计使用系统供电VC=VH=+5V。为更好利用传感器的性能，选择R的值为10K。 图2-5 MQ-2基本测试图2.2.5模数转换芯片的选择模数转换芯片有多种，常见的有ADC0808,ADC0809,AD0804,TLC2543 。在大三学期，老师在讲单片机课程中，着重讲解了ADC0809芯片，因此我对此芯片的功能及应用比较熟悉，对于本次设计，对瓦斯气体采样进行A/D转换，ADC0809芯片足以满足设计要求，因此我选择了ADC0809芯片。 (1)ADC0809内部结构： ADC0809是逐次逼近式A/D转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D/A转换器、逐次逼近。ADC0809可处理8路模拟量输入，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。输入输出与TTL兼容。 (2)ADC0809外部特性： ADC0809芯片有28条引脚，如图2-6所示，采用双列直插式封装，其引脚简介如下：IN0IN7：8路模拟量输入端；ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线。用于选通8路模拟输入中的一路；ALE：地址锁存允许信号，输入，有效电平为高电平；START：A/D转换启动信号。输入，有效电平为高电平；EOC：A/D转换结束信号。输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）；OE：数据输出允许信号。输入，有效电平为高电平。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，输出数字量；CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ，一般选择时钟频率为500KHZ； REF（+）、REF（-）为基准参考电压；VCC：电源5V；GND：地。图2-6 ADC0809外部引脚图ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入通道之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作查询信号。当OE输入高电平时，转换结果的数字量输出到数据总线上。2.3本章小结 本章主要阐述了主要芯片的选择，主要芯片的工作原理，以及芯片的结构。选择正确的适合的主要芯片能够提高系统的整体性能，并且为系统的硬件电路设计能起到事半功倍的效果。本系统所选用的元器件需要满足低功耗、低价格、开发简单、操作简单的特点。第三章 无线数据采集系统的硬件电路设计3.1系统的供电电源和单片机最小系统 3.3.1系统供电电源单片机系统工作电压为+5V,nRF905工作电压为3.3V3.6V，超过3.6V，就会烧坏芯片，本次设计采用两节南孚电池给起供电，能够使其正常工作。系统供电电源如图3-1所示。图3-1 系统电源3.3.2单片机最小系统所谓最小系统，也称为最小应用系统，是指一个真正可用的单片机最小配置系统。单片机最小系统由时钟电路，复位电路和电源电路组成。 (1)时钟（晶振）电路：单片机采用内时钟方式，利用芯片内部振荡电路，但要形成时钟还必须外接晶体，内部振荡器便能产生自激荡。定时元件本系统采用的是11.0592MHz的晶振和30pF的两个电容组成的并联谐振电路，其连接方法如图3-2所示。 图3-2 时钟电路 (2)复位电路:单片机在最小系统除了包含晶振回路还包含一个复位电路，51单片机的复位靠外部电路实现，信号由RST引脚输入，高电平有效。当RST引脚上持续两个机器周期以上的高电平时，单片机即完成复位。常用的复位电路有上电复位和手动开关复位两种。手动开关复位电路如图3-3所示，当手动开关断开时，为上电复位。当手动开关接通时，RST引脚经电阻与VCC接通，并对电容充电，产生一定时间的高电平，可使单片机复位。 图3-3 复位电路3.2温度数据采集在本设计中，由DS18B20组建温度采集系统。1脚为GND，2脚为数据输入端，3脚VCC，2脚与3脚间接上一个4.7K的上拉电阻电阻。详细的采集电路如图3-4所示。图3-4 温度采集连接图3.3瓦斯数据采集瓦斯气体传感器与ADC0809的连接图如图3-5所示，本次设计模拟量采集只有瓦斯气体，因此只需ADC0809的一个输入通道即可，本次设计中选用IN0通道，将ADDA、ADDB、ADDC模拟通道地址线直接共同接地。参考电压VREF(+)=5V，VREF(-)=0V。图3-5 瓦斯数据采集连接图 3.4无线收发 nRF905总共有14个外部引脚，本次设计中发送与接收分别只需用到其中的9个引脚即可，VSS直接接+3.3V电压，GND与系统地连接在一起。基于nRF905无线发送芯片芯片引脚与单片机的连接图分别如图3-6所示。图3-6 NRF905发送连接图在接收部分nRF905与单片机的连接与发送部分连接基本相同，VSS直接接+3.3V电压，GND与系统地连接在一起。基于NRF905无线接收芯片引脚接收部分与单片机接图如图3-7所示。图3-7 NRF905接收连接图3.5本章小结 本章主要阐述了及芯片的应用电路设计，和芯片的引脚与单片机的连接，本章是本次毕业设计的核心部分，硬件电路的主要工作集中在本章，在设计过程中也花费了大量的时间。33第四章 系统响应与上位机4.1显示电路4.1.1 LED数码管电路及工作原理7段LED数码管是利用7个发光二极管外加一个小数点的LED组合而成的显示设备，可以显示09等10个数字和小数点，使用非常广泛。7段LED数码管数码管可以分为共阳极和共阴极两种，共阳极就是把所有LED的阳极连接在一起，而每个LED的阴极分别为a、b、c、d、e、f、g及dp（小数点）；共阴极则是把所有LED的阴极连接在一起，而每个LED的阳极分别为a、b、c、d、e、f、g及dp（小数点），如下图4-1所示。图中的8个LED分别与上面那个图中的Adp各段相对应，通过控制各个LED的亮灭来显示数字。图4-1 数码管原理图数码管显示方式有动态扫描和静态显示，由于静态扫描要用到多片串入并出芯片，考虑到电路板成本计算和工作效率。本人采用是节约硬件资源的动态扫描方式。本设计使用的是四位一体数码管，内部的四个数码管共用A-dp这8根数据线，为设计人员使用提供了方便，因为里面有四个数码管，所以它有四个公共端，加上A-dp，共有12个引脚也。有共阴和共阳之分，共阳极的是为选线为高电平，段选线为低电平。共阴极的是为选线为低电平，段选线为高电平。4.1.2数码管显示电路 在接收机部分用四位一体数码管动态扫描显示瓦斯气体的浓度。在显示电路图中，LED的八段段选连接单片机的P0八个口，而四个位选连接在单片机的P2口的P2.4、P2.5、P2.6、P2.7，其电路连接图如图4-2所示。动态扫描显示就是让各位数码管按照一定的顺序轮流地发光显示。只要扫描的速度够快，人眼看起来很稳定，感觉不到闪烁。与静态驱动显示相比，动态扫描显示具有以下优点：第一，能显著降低数码管的功耗；第二，能大大减少数码管的外部引线，给系统的设计带来方便；因此在接收机瓦斯浓度显示采用动态扫描的方法进行显示。图4-2 数码管电路连接图4.1.3LED显示驱动PNP8550介绍 外延型晶体管(三极管) 8550是一种最常用的普通三极管。它是一种低电压，大电流，小信号的PNP型硅晶体三极管。（1）特性： 集电极电流Ic：Max 1.5A ；集电极-基极电压Vcbo：25V ；工作温度：-55 to +150 功率(W)：1 ；fT(MHZ)：200.；hFE :60300。 （2）主要用途： 开关应用；射频放大；低噪声放大管；通用功率放大管。4.1.4LCD1602显示本次设计发送机显示部分用LCD1602；该型LCD可以显示2行16个字符，由于发送机共有温度和瓦斯浓度两部分数据显示，LCD1602可以满足显示要求，LCD1602外部共有16个引脚,共有三根信号控制线8根数据线，电源正极和电源地，背光正极和背光负极，其引脚编号功能说明如表4-1所示。表4 -1 LCD1602引脚功能说明：编号 符号引脚编号符号引脚1VSS电源地9D2data2VCC电源正极10D3data3VL偏压信号11D4data4RS数据/命令12D5data5R/W读/写13D6data6E使能信号14D7data7D0data15A背光正极8D1data16K背光负极 LCD1602显示功能比数码管稳定，能够在具体的位置上通过设定来显示数据字符，在硬件设计上较为方便，只要进行简单的引脚接线就可以显示， LCD1602与单片机连接图如图4-3所示。图4-3 LCD1602与单片机连接图4.2报警电路：4.2.1瓦斯浓度报警电路在接收机单片机利用蜂鸣器实现报警功能，当浓度超过设定峰值蜂鸣器立即报警。该电路由PNP8550型三极管放大信号，PNP基极通过4.7K的限流电阻与单片机的P3.0口连接，蜂鸣器直接加正负电压信号并不能发生，需要施加一定频率的信号，才能发生。该频率信号由P3.0口提供。其电路连接如图4-4所示。图4-4 蜂鸣器报警驱动电路4.2.2温度报警指示电路当温度超过设定峰值时，在接收机单片机通过P3.4口输出低电平点亮指示灯，当温度低于设定峰值时，指示灯熄灭。电路连接如图4-5所示。图4-5 温度报警指示电路4.3上位机（PC机）： 下位机通过NRF905将接受到的数据通过SPI传到主控芯片单片机，单片机再通过串口RS232将数据传给上位机（PC）,在PC机上应用VB编程一个无线数据实时监控与数据管理系统的软件，通过串口线对接收到的数据进行实时显示，并且绘制出实时温度变化曲线图，使数据在某个时间段内的运行状况更加直观，停止接收数据，软件能够生成txt文件，将历史监测的数据进行记录保存，以便观察数据变化的趋势和随时调用某一时刻的历史数据，监控者可以对数据文件进行管理。 上位机接收波特率与单片机程序设置波特率必须相同，共同设置为19200bitps，AT89C51单片机能够以此波特率准确的向上位机传送数据，端口选择设置为COM1，运行程序后首先设置波特率和端口，然后打开串口，就可以接收数据了。端口主界面设置如图4-6所示。图4-6 串口设置图 本次上位机温度曲线设置横坐标为36格，纵坐标为20，显示2040度温度的变化，曲线选用红颜色，曲线走向为从右向左，很显然如果温度不变化，曲线便以直线形式向左移动，如果温度变化，曲线会有一定的陡度，监测人员直观上会很容易注意到温度的突变，实时温度运行曲线如图4-7所示。图4-7 实时温度曲线图 在上位机同时输出有日期和时间的文本数据，不断的刷新数据显示，界面如图4-8所示。可以直观的监测不同时刻的温度值。图4-8 实时数据文本形式显示4.3本章小结本章主要阐述了系统的发送机本地数据通过LCD1602实时显示电路设计，以及接收机响应电路设计和上位机监测界面的的设计，接收机响应电路主要包括瓦斯浓度用四位一体数码管通过无线传输实时显示，温度极限值报警指示电路和瓦斯浓度报警发声电路。通过串口RS232把接收到的温度数据通过单片机串口上传到PC机，通过VB软件编程设计上位机监测界面，在上位机界面实时显示接收到的温度数据，通过温度曲线的走势，可以反映出温度的变化，在界面上不断的输出含有日期和时间的文本数据，并且不断的刷新温度数据，同时生成TXT格式的文档，记录保存历史温度数据。第五章 系统的软件设计 对于本系统的软件编程时采用模块化的设计思想，系统中各主要功能模块都编成独立的函数被主程序调用，主要的程序模块由以下几个组成：初始化程序，温度采集、瓦斯数据采集及处理程序，液晶显示程序，无线收发程序。5.1系统软件主流程图设计5.1.1数据发送端流程发送端主程序首先是对LCD1602和nRF905初始状态的设置，并设定nRF905为发送模式，对温度数据和瓦斯数据按一定的顺序进行采集，然后对温度数据和瓦斯数据进行处理处理数据，LCD1602实时本地显示数据，同时数据传送到nRF905缓存器，对接到的数据进行打包，打包完成发送数据。主程序发送流程图如图5-1。图5-1 数据发送流程图5.1.2数据接收端流程 接收端主程序首先是对初始化状态的设置，接收数据，送显示流程如图5-2。对于nRF905模块，要使其接收数据包，先初始化nRF905模块，设定接收模式，等待接收完成，即DR=1,使能spi总线，发送读有效数据包命令，读数据，禁止spi总线。图5-2 数据接收流程图5.2系统的编程软件单片机编程软件采用Keil uVision4软件，Keil uVision4是Windows的51系列单片机集成开发平台，是目前最流行的51系列单片机开发软件。Keil软件提供了包括编译器、宏汇编、链接定位、库函数维护和项目管理、软件模拟调试、硬件仿真调试等一系列完整开发方案，提供了丰富的库函数和强大功能的集成开发工具。通过Keil 软件可以对C语言程序进行编译对汇编语言程序进行汇编，链接目标模块与库模块产生目标文件，生成HEX文件，生成目标代码的效率非常高。5.3本章小结程序的灵魂是算法，语言只是表现算法的形式。为了表示算法可以用不同的方法，本次系统软件流程设计采用传统流程图。本章简单的介绍了系统的软件的流程设计，流程图设计为编程提供了一个主体的思路，通过流程图可以直观、形象的体现出编程的主题思思。本章同时简单的介绍了编程软件，经过多次的调试程序，本人已能非常熟练的运用Keil uVision4软件，通过多次的编译、调试过程，本人获得了不少的经验。在系统软件的设计过程中要充分考虑硬件的元器件的具体性能、型号等。第六章 系统调试6.1硬件分部调试6.1.1硬件电路检测硬件电路板是整个系统的基础，所以在整个硬件电路板的检测中要认真、仔细、有耐心不能急躁、粗心大意。以下是硬件电路板检测步骤（1）检查原理图连接是否正确；（2）检查原理图与焊接是否一致；（3）器件的引脚的连接是否正确；（4）用万用表检查是否有虚焊，引脚短路现象；结果：硬件电路连接无误，无虚焊短路现象。6.1.2排除元器件失效导致元器件失效的原因有两个：一个原因是元器件买回来时就是坏的；另一个原因是由于引脚安装上下颠倒，烧坏元器件。通过检查元器件与设计要求的型号、规格和安装是否一致，在保证元器件引脚安装正确后，用更换的方法可以排除故障。结果：一个发光二极管不亮，更换另一个之后正常。6.1.3排除电源故障在通电前，一定要用电压表检查电源电压的幅值和正负极性，否则很容易造成集成芯片损坏。上电后检查各插件上引脚的电位，一般先检查VCC与GND之间电位，若在4.8V5V之间属于正常。结果：电源电压正常。6.1.4显示部分调试 显示部分调试为了使调试顺利进行，首先检查LCD1602和LED数码管各引脚连接对错，其次检查LCD1602和LED与单片机的连接线。检查无误后给单片机下载一个显示程序，如若调试通过后，就可以编制应用程序了。6.2基于Proteus仿真调试此次基于单片机的矿井无线数据采集系统毕业设计为两个人一组，我是硬件部分设计，我的同组同学是软件设计，两部分结合起来才构成完整的设计体系，在我们各自部分都设计完成后，首先利用PROTEUS仿真软件进行部分功能的调试，由于PROTEUS软件无法实现无线收发功能的调试，因此对于温度数据进行了温度数据采集与显示，对于瓦斯数据，利用电位器调节电位器电压模拟瓦斯传感器电压输出作为ADC0809的电压输入模拟量，通过对单片机载入程序，在数码管上显示电压。仿真调试操作方便，能够实时修改程序，并且系统连线简便。仿真调试的成功意味着设计系统功能的实现，这为系统软硬件在具体实物上功能的实现提供了理论的保障。很遗憾的是并不是所有的功能都能够进行仿真。但仿真已基本实现了本次设计的大部分内容，为系统软硬件的调试带来了巨大的方便。 6.3软硬统一调试将硬件及软件结合起来进行系统的统一调试。使系统运行，观察系统硬件检测是否正常（包括单片机最小系统，显示电路，温度和瓦斯测试电路等）。采用温度传感器和温度计同时测量多点水温变化情况（取温度值不同的多点），目测显示电路是否正常。并记录各点温度值，与实际温度值比较，得出系统的温度指标。在将程序下载进单片机后，我们接通电源，来检测温度。该系统发送部分是用LCD1602来展示成果的。另外，在检测DS18B20是否能正常工作时，我们使用了直接的手触方式。结果显示，在同一环境下不同的人具有不同的温度，我们发现，DS18B20能够快速的将所测得的不同人的不同体温显示出来，反应迅速、准确。因为芯片是塑料封装，所以对温度的感应灵敏度不是相当高，需要一个很短的时间才能达到稳定。说明系统一切正常。6.4软硬件调试过程所遇到的问题 在此次软硬件调试中遇到以下问题及问题解决办法：（1）硬件电路搭建好后，程序不能下载单片机。解决：检查串口线路没有问题，重新下载新版串口软件，程序正常下载到单片机。（2）数码管动态显示不稳定。解决：因为程序中延时子程序时间跨度太大，修改延时方法。（3）数据不能正常发送，nRF905管脚DR始终是低电平。 解决：确认程序没有问题，重新更换nRF905，排除故障，问题得到解决。 6.5本章小结 本章主要阐述了系统的调试，包括系统硬件分部调试，基于PROTEUS仿真调试，以及软硬件统一调试。在系统电路设计过程中，难免会出现一些错误和故障，包括元器件焊接错误和元器件本身的故障，有些元器件买来后就是坏的，使用前需要检测元器件的性能，确定其性能完好才可以焊接。在焊接过程中也会出现虚焊，在软件件统一调试过程中，不能实现软件的功能，通过重新检测电路后，令故障逐一的排除。在调试的过程中培养了我的耐心和细心。结论与心得 在传统的温度测量系统中，往往采用模拟的温度传感器进行设计，必须经过A/D转换后才可以被微处理器识别和处理。这样的设计方法不仅对前端模拟信号处理电路提出了更高的要求，而且不具有数字通。在结合DSl8B20的新特性和现代温度测量系统提出的新要求，设计出了基于智能数字温度传感DSl8B20的高精度温度测量系统。该系统具有安装方便、硬件电路简单、数字化程度高、精度高、适应性强、操作简单等特点，在设备多点温度检测中具有广阔的应用前景；瓦斯监测刚开始觉得很有难度，不知道如何设计检测电路图，无从下手，查过大量资料后，思路逐渐清晰，其电路检测接线并不复杂，买到MQ-2后，便很顺利的焊接完成了瓦斯检测的电路。经过一学期的毕业设计，终于完成了我的毕业设计，虽然没有完全达到设计要求，但从心底里说，还是高兴的，毕竟这次设计把实物都做了出来，而且实现了其功能。在本次设计的过程中，我发现很多的问题，虽然以前还做过单片机课程设计但这次设计真的让我长进了很多，有好多的东西，只有我们去试着做了，才能真正的掌握，只学习理论知识，有些东西是很难理解的，更谈不上掌握。而在本次设计中有许多东西是我们以前未接触也未了解过的东西，我们需要从零开始学习然后紧接着应用实践，对我的学习应用实践能力是一次很好的锻炼。这次基于单片机的矿井数据无线采集系统的设计，不仅把将课堂上学到的理论知识与实际应用结了起来，而且使我对电子电路、电子元器件、焊接电路板等方面的知识有了更进一步的认识，同时在软件编程、排版调试、焊接技术、相关仪器设备和相关软件的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高。在此次的毕业设计中，通过观看网络视频教程和借阅书籍，自主学会了Proteus仿真软件的应用，经过数次的仿真实践，能够熟练的运用Proteus软件绘制电路图和系统仿真，深深感受到了仿真软件的强大功能，尤其在软硬件调试过程中，可以顺利的分析判断出是软件还是硬件有问题，这位系统的软硬件调试提供了极大的方便