煤矿瓦斯监控系统设计.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除自动控制原理课程设计报告设计题目：煤矿瓦斯监控系统设计学生姓名 学 号：专业班级： 学 部： 指导教师： 精品文档摘 要能源工业是国家经济发展的命脉，近年来，随着石油资源的紧张、石油价格的腾升，煤炭行业的重要地位和不可替代性也日益显现。然而，中国煤炭行业的安全生产形势却不容乐观，尤其是重、特大伤亡事故屡见报端。在这些事故中，瓦斯爆炸又占绝大多数。这其中，固然有很多诱发因素，但各煤矿生产企业安全监测设备不完备、管理手段落后是造成事故频发的重要原因之一。 随着人们对安全的重视和能源的紧张，煤矿瓦斯监控系统越来越重要。我们采用MJC4 瓦斯传感器（黑白元件气体传感器）来检测甲烷气体。当甲烷浓度达到一定值时，发生报警。通过串口协议使传感器采集到的数据经过单片机处理发送给PC端，便于工作人员更直观地了解井下的工况，实施相应处理与控制。 关键词:传感器;煤矿;串口通讯Abstract The energy industry is the lifeline of the national economy, the development in recent years, as oil resources, oil prices rise, the important status of the coal industry and non substitutability is also increasingly apparent. However, the situation of production safety Chinese coal industry is not optimistic, especially heavy, casualty accidents frequently appear in newspapers. In these incidents, and the majority of the gas explosion. Among these, there are many factors, but the coal mine production safety monitoring equipment is not complete, backward management means is one of the important reasons for frequent accidents. As people pay more and more attention and energy on the safety of tension, coal mine gas monitoring system is more and more important. We use the MJC4 gas sensor to detect the methane gas. When the methane concentration reaches a certain value, the alarm. Through the serial port protocol enables the sensor collected data through the MCU send to the PC terminal, and is convenient for the staff more intuitive understanding of the downhole conditions, the implementation of appropriate treatment and control. Keywords: coal mine; sensor; serial communication目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 绪 论- 1 -1.1.1煤矿气体监测系统的国外发展状况- 1 -1.1.2煤矿气体监测系统的国内发展状况- 1 -1.2 本方案研究意义- 1 -1.3 本文主要内容- 2 -第2章 系统整体设计方案- 3 -2.1 系统总体设计- 3 -2.1.1 系统功能设计- 3 -2.1.2系统结构设计32.2 系统核心部件单片机42.2.1 AT89S51单片机介绍42.2.2 单片机的复位电路62.2.3 AT89S51最小系统及晶振的选择72.2.4 MJC4 瓦斯传感器（黑白元件气体传感器）9第3章 系统硬件设计- 11 -3.1 液晶显示电路- 11 -3.1.1 LCD1602简介- 11 -3.1.2 LCD1602电路- 15 -3.2 报警电路- 15 -3.3 RS一485串口通讯163.3.1RS一485标准回顾163.3.2 RS一485通信硬件电路设计17参考文献- 21 -谢 辞- 22 -第一章 绪 论煤矿中含有大量的甲烷(CH4)等易燃易爆气体，发生事故后会造成巨大的经济损失，危及矿工的生命。随着煤矿开采技术手段的不断改进和开采规模的扩大及开采深度的不断延伸，安全隐患越来越多。瓦斯事故特别是重、特大瓦斯事故在煤矿事故中所占的比例也越来越高。如果不把瓦斯事故控制住，就不能实现煤矿安全生产状况的稳定，也就无法保障煤炭工业的持续健康发展。所以，对煤矿井下瓦斯气体进行快速准确的监测显得尤其重要，对易燃易爆混合气体监测系统的研究和开发也成为人们一直关注的问题。1.1.1煤矿气体监测系统的国外发展状况 伴随气体传感器的发展，气体监测仪器不断更新。其类型根据监测对象可分为可燃性气体监测仪、毒性气体监测仪和氧气监测仪等;从仪器结构和方法上分为袖珍式、便携式和固定式。袖珍式仪器的采样方法为扩散式，用于在危险环境中的工作人员随身携带:便携式仪器用泵吸式采样，用于监测人员定期安检;固定式仪器用于煤矿井下固定地点气体监测。世界各国也均有煤矿瓦斯气体监测的系统，如波兰的DAN640O、法国的TF200、德国的MINOS和英国的Senturion-200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。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。1.1.2煤矿气体监测系统的国内发展状况 我国监测监控技术应用较晚，80年代初，从波兰、法国、德国英国和美国等引进了一批安全监测系统，装备了部分煤矿;在引进的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况，先后由重庆煤科院、辽宁抚顺煤科院等国内知名煤矿科学研究所研制出KJ2、KJ4、KJS、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92、KJ95、KJ101等煤矿有害气体监测系统，在我国煤矿己有大量使用，但其中很大一部分仪表的传输数据是模拟方式，将气体浓度转化为脉冲量，易受矿井下强电磁设备干扰，造成监测结果不准确，易出现误报警等现象。1.2 本方案研究意义我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一。虽然通过煤炭生产、加工和利用等各个环节，提供了相当多的就业机会，但每个环节却同时带来了环境污染、安全等一系列的问题。其中之一便是有害气体影响，包括CH4，CO，SO2等。后两种气体含量少，且SO2易溶于水，经煤矿开采时的喷水处理后变成酸。但是CH4气体含量多，且几乎不溶于水，属于易燃易爆气体，发生爆炸事极易造成人身伤害。因此，认识并研制监测这种气体的新型系统，显得非常重要。瓦斯(CH4)是在成煤过程中形成并大量贮存于煤层之中的气体，是煤矿井下危害最大的气体。瓦斯是一种无色、无味的气体，密度为0.7167kg/m3，对人体的危害是超限时能引起人窒息死亡。其有易燃、易爆等特点，因此煤矿对瓦斯的治理应非常重视。瓦斯的灾害主要表现为四个方面。第一、瓦斯浓度过高，对工人身体健康的影响表现为缺氧，呼吸困难，窒息等。第二、瓦斯煤尘爆炸，瓦斯爆炸所产生的巨大冲击波和高温火焰，往往导致群死群伤，而且扬起的煤尘又会参与爆炸，摧毁巷道，毁坏设备，甚至毁灭整个矿井，给国家和人民生命财产造成巨大损失。第二、煤中瓦斯突出。突出直接影响着工人的人身安全。第四、大量的瓦斯从通风井排入大气，污染大气环境。我国煤矿的瓦斯灾害是比较严重的，瓦斯灾害始终是煤矿安全生产的大敌，日前已成为制约煤矿安全生产的主要矛盾。因此，研制先进适用的煤矿气体监测系统对煤矿工业安全生产，减少事故发生和生命财产损失有重要意义，市场应用前景十分广阔。1.3 本文主要内容日前国内有一些用于煤矿中CH4气体的监测系统，但是很少有能实现数据上传，做到实时监测，本文针对煤矿气体监测系统的现状及发展趋势，阅读了大量文献及资料，讨论了煤矿气体监测系统，主要工作包括: l)甲烷气体传感器的选用 2)单片机的选用 3)系统硬件电路的设计 4)通讯方式及通讯协议设计 第2章 系统整体设计方案2.1 系统总体设计2.1.1 系统功能设计本系统拟采用单片机为主控芯片，由于单片机种类繁多，各种型号都有其各自特点，应用于不同的环境，因此在选用时要多加比较。一般来说，在选取单片机时从下面几个方面考虑：性能、功耗、封装形式、抗干扰性、保密性等等。基于以上因素，本设计选用单片机AT89S51作为本设计的核心元件，利用该单片机灵活的编程设计和丰富的I/O端口，及其控制的准确性，实现基本的密码锁功能。在单片机I/O接口上外接输入键盘用于输入和一些功能的控制。为防止系统发生异常，还应提供复位开关，在系统无法正常运转时手动复位。2.1.2系统结构设计图2.1 系统结构图如图2.1所示，整个系统以单片机为核心，辅以若干外围电路。其中数据参数存储部分是输入输出双向结构，保证数据参数可以掉电保存，上电后读出。其余都是单向输入或输出。电源部分为整个系统供电，采用5V直流电源。键盘输入部分采用4*4矩阵行列键盘，需不断扫描检查有无按键按下。复位部分提供手动复位功能，当系统发生异常或未知错误时可以由用户手动复位单片机。指纹识别部分是通过串口通信控制指纹模块对指纹进行采集、录入、存储以及对比，然后根据所得的数据对其它接口器件，如液晶屏、继电器进行响应操作。系统输出有：液晶显示部分，为用户显示字符提示当前操作状态。蜂鸣器发出错误的警告音。开锁电路是控制继电器，只有密码正确时，继电器内部的电磁铁才会吸合，发光二极管电路连通后发光，表示锁已打开。2.2 系统核心部件单片机2.2.1 AT89S51单片机介绍AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP（In-system programmable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。图2.2 AT89S51单片机电路符号管脚说明：VCC：电源电压GND：地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口，作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端口。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。表2-1 P1口第二功能端口引脚第二功能P1.5MOSI（用于ISP编程）P1.6MISO（用于ISP编程）P1.7SCK（用于ISP编程）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逻辑门电路。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校验期间，P1接收低8位地址。表2-1为P1口第二功能。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4个TTL逻辑门电路。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I。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行：MOVX Ri 指令）时，P2口线上的内（也即特殊功能寄存器，在整个访问期间不改变。Flash 编程或校验时，P2也接收高位地址和其它控制信号。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。作输入端口时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流I。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，P3口的第二功能如下表2-2。 表2-2 P3口的第二功能端口功能第二功能端口引脚第二功能RXD（P3.0）串行输入口T0（P3.4）定时/计数器0外部输入TXD（P3.1）串行输出口T1（P3.5）定时/计数器1外部输入INT0（P3.2）外中断0WR（P3.6）外部数据存储器写选通INT1（P3.3）外中断1RD（P3.7）外部数据存储器读选通RST：复位输入。当振荡工作时，RST引脚出现两个机器周期上高电平将使单片机复位。WDT益出将使该引脚输出高电平，设置SFR AUXR 的 DISRTO 位（地址8EH）可打开或关闭该功能。DISRTO 位缺省为RESET输出高电平打开状态。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。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目地，要注意的是：第当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。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。该位禁位后，只有一条MOVX 和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE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AT89S51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。当访问外部数据存储器，高有两次有效的PSEN信号。EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU公访问外部程序存储器（地址0000HFFFFH），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的编程电压Vpp。XTAL1：振荡器反相放大器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。2.2.2 单片机的复位电路单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，例如复位后PC0000H，使单片机从第个单元取指令。无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位。在复位期间（即RST为高电平期间），P0口为高组态，P1P3口输出高电平；外部程序存储器读选通信号PSEN无效。地址锁存信号ALE也为高电平。根据实际情况图2.3 复位电路原理图选择如图2.3所示的复位电路。该电路在最简单的复位电路下增加了手动复位按键，在接通电源瞬间，电容C1上的电压很小，复位下拉电阻R上的电压接近电源电压，即RST为高电平，在电容充电的过程中RST端电压逐渐下降，当RST端的电压小于某一数值后，CPU脱离复位状态，由于电容C1足够大，可以保证RST高电平有效时间大于24个振荡周期，CPU能够可靠复位。增加手动复位键是为了避免死机时无法可靠复位。当复位按键按下后电容C1通过R5放电。当电容C1放电结束后，RST端的电位由R5与R6分压比决定。由于R5R6 因此RST为高电平，CPU处于复位状态，松手后，电容C1充电，RST端电位下降，CPU脱离复位状态。R5的作用在于限制按键按下瞬间电容C1的放电电流，避免产生火花，以保护按键触点。2.2.3 AT89S51最小系统及晶振的选择单片机最小系统是利用最少的外围器件而使单片机工作的电路组织形式。AT89S51单片机最简系统只包含单片机、振荡器结构、复位电路和电源系统，如图2.4所示。图2.4 AT89S51单片机最小系统下面讲解系统中各部分功能：电源端：AT89S51的第40管脚和20管脚分别为电源端和接地端，根据Atmel公司的技术文档，AT89S51的供电电压范围为直流+4.0+5.5V。时钟信号：单片机的X1（19管脚）和X2（18管脚）接晶振，如图2.4所示。这种结构通过晶振Y1、电容C2和C3与单片机X1和X2相连，与单片机内部结构组成一个时钟信号源，作为单片机的工作时序。这种使用晶振配合产生时钟信号的方法称为内部时钟方式。晶振频率决定了该系统的时钟频率。例如晶振频率选择12MHz，那么单片机工作的频率就是12MHz。根据系统对速度的要求，一般可以选择1.212MHz的晶振电容C1和C2可选取2040Pf。除了如图所示内部时钟外，还可以利用外部信号源直接向单片机提供时钟信号，做法是直接把外部时钟信号输入到X2脚上，而把X1脚接地。这个外部振荡信号一般可选择频率低于12MHz的方波信号。复位：第9管脚是AT89S51的复位端。最简单的复位电路是在RST端与VCC之间连接一个10uf的电容。本设计在2.2.2节已设计复位电路，这里不再赘述。外部程序存储器访问控制端:在如题2.4所示最小系统中还有一个值得注意的地方，那就是AT89S51单片机第31个管脚接高电平。由于在最简系统中没有外接存储器，所以将EA/VPP接高电平单片机上电复位后直接读取的是本机内的程序存储器（片内存储器）中的数据。2.2.4 MJC4 瓦斯传感器（黑白元件气体传感器）MJC4/3.0L型催化元件根据催化燃烧效应的原理工作，由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压变化，该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大，补偿元件起参比及温湿度补偿作用。 特点 响应速度快 具有良好的重复性、选择性 元件工作稳定、可靠 工作电压(V) 3.00.1 工作电流(mA) 12010 测量范围（LEL） 04% 灵敏度0.01%使用环境 -40+70 低于95%RH 储存环境 -20+70 低于95%RH 外形尺寸（mm） 大:9.51419 小: 81014 第3章 系统硬件设计3.1 液晶显示电路3.1.1 LCD1602简介字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD。 1602字符型LCD能够同时显示16*2即32个字符(16列2行)。其内置192种字符(160个5*7点阵字符和32个5*10点阵字符)，具有64个字节的自定义字符RAM，可自定义8个5*8点阵字符或4个5*11点阵字符。1602通常有14条引脚线或16条引脚线两种，多出来的2条线是背光电源线和地线，带背光的比不带背光的略厚，控制原理与14脚的LCD完全一样，是否带背光在应用中并无差别。本设计中采用带背光16引脚线的。其主要技术参数为：显示容量：162个字符。芯片工作电压：4.5-5.5V。工作电流：2.0mA(5.0V)。模块最佳工作电压：5.0V。LCD1602的16个引脚可参照图3.1，其引脚功能分别为：图3.1 LCD1602引脚图VSS：电源地(GND)。VCC：电源电压(5V)。V0：LCD驱动电压，液晶显示器对比度调整端。使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高。RS：寄存器选择输入端，选择模块内部寄存器类型信号。RS=0，进行写模块操作时指向指令寄存器，进行读模块操作时指向地址计数器。RS=1，无论进行读操作还是写操作均指向数据寄存器。图3.2 LCD1602写时序R/W：读写控制输入端，选择读/写模块操作信号。R/W=0，读操作；R/W=1，写操作。本设计中只需往LCD里写数据即可，写时序见图3.2。E：使能信号输入端。读操作时，高电平有效；写操作时，下降沿有效DB0DB7：数据输入/输出口，单片机与模块之间的数据传送通道。选择4位方式通讯时，不使用DB0DB3。BGVCC：背光的正端+5V。BGGND：背光的负端0V。1602模块内部主要由LCD显示屏、控制器、列驱动器和偏压产生电路构成。控制器接受来自MPU的指令和数据，控制着整个模块的工作。主要由显示数据缓冲区DDRAM，字符发生器CGROM，字符发生器CGRAM，指令寄存器IR，地址寄存器DR，忙标志BF，地址计数器AC以及时序发生电路组成。表3-1 寄存器选择组合RSR/W操 作00将DB0DB7的指令代码写入指令寄存器IR中01分别将状态标志BF和地址计数器AC内容读到DB7和DB6DB010将DB0DB7的数据写入数据寄存器中，模块的内部操作将数据写到DDRAM或者CGRAM中的数据送入数据寄存器中11将数据寄存器内的数据读到DB0DB7，模块的内部操作自动将DDRAM或者CGRAM中的数据送入数据寄存器中模块通过数据总线DB0DB7和E、R/W、RS三个输入控制端与MPU接口。这三根控制线按照规定的时序相互协调作用，使控制器通过数据总线接受MPU发来的数据和指令，从CGROM中找到欲显示字符的字符码，送入DDRAM，在LCD显示屏上与DDRAM存储单元对应的规定位置显示出该字符。控制器还可以根据MPU的指令，实现字符的显示，闪烁和移位等显示效果。CGROM内提供的是内置字符码，CGRAM则是供用户存储自定义的点阵图形字符。模块字符在LCD显示屏上的显示位置与该字符的字符代码在显示缓冲区DDRAM内的存储地址一一对应。LCD1602模块内部具有两个8位寄存器：指令寄存器IR和地址寄存器DR，用户可以通过RS和R/W输入信号的组合选择指定的寄存器，进行相应的操作。表3-1中列出了组合选择方式。1602提供了较为丰富的指令设置，通过选择相应的指令设置，用户可以实现多种字符显示样式。下面仅简要介绍本次设计中需要用到的一些指令设置。1）清屏指令 Clear display清显示指令将空位字符码20H送入全部DDRAM地址中，时DDRAM中的内容全部清除，显示消失，地址计数器AC=0，自动增一模式。显示归位，光标闪烁回到原点(显示屏左上角)，但不改变移位设置模式。清屏指令码见表3-2表3-2 清屏指令码RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB000000000012）进入模式设置指令 Entry mode set 见表3-3，进入模式设置指令用于设定光标移动方向和整体显示是否移动。表3-3 模式设置指令码RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB000000001I/DS I/D：字符码写入或者读出DDRAM后DDRAM地址指针AC变化方向标志。I/D=1，完成一个字符码传送后，AC自动加1。I/D=0，完成一个字符码传送后，AC自动减1。 S：显示移位标志。S=1，完成一个字符码传送后显示屏整体向右(I/D=0)或向左(I/D=1)移位。S=0，完成一个字符码传送后显示屏不移动。3）显示开关控制指令 Display on/off control 指令码见表3-4，该指令功能为控制整体显示开关，光标显示开关和光标闪烁开关。表3-4 显示开关控制指令码RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00000001DCB D：显示开/关标志。D=1，开显示；D=0，关显示。关显示后，显示数据仍保持在DDRAM中，开显示即可再现。 C：光标显示控制标志。C=1，光标显示；C=0，光标不显示。不显示光标并不影响模块其他显示功能。显示5*8点阵字体时，光标在第八行显示；显示5*10点阵字符时，光标在第11行显示。 B：闪烁显示控制标志。B=1，光标所在位置会交替显示全黑点阵和显示字符，产生闪烁效果；B=0，光标不闪烁。4）功能设置指令 Function set 功能设置指令用于设置接口数据位数，显示行数以及字形。指令码见表3-5。表3-5 功能设置指令码RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB000001DLNF* DL：数据接口宽度标志。DL=1，8位数据总线DB7DB0；DL=0，4位数据总线DB7DB4，DB3DB0不使用，此方式传送数据需分两次进行。 N：显示行数标志。N=0，显示一行；N=1，显示两行。F：显示字符点阵字体标志。F=0，显示5*7点阵字符；F=1，显示5*10点阵字符。1602模块内部设有上电自动复位电路，当外加电源电压超过+4.5V时，自动对模块进行初始化操作，将模块设置为默认的显示工作状态。初始化大约持续10ms左右。初始化进行的指令操作为：1）清显示2）功能显示DL=1：8位数据接口。N=0：显示一行。F=0：显示5*8点阵字符字体。3）显示开/关控制D=0：关显示。C=0：不显示光标。B=0：光标不闪烁。4）输入模式设置I/D=1：AC自动增一。S=0：显示不移位。但是需要特别注意的是，倘若供电电源达不到要求，模块内部复位电路无法正常工作，上电复位初始化就会失败。因此，最好在系统初始化时通过指令设置对模块进行手动初始化。3.1.2 LCD1602电路如图3.3，AT89S51的P0口接1602的8位数据线，通过输出数据控制1602显示不同的提示字符。1602本身内置各种字符，还可以自定义显示字符。本设计中根据不同场合1602会显示各种提示字符，显示内容对应含义见表3-6。P3.0P3.2接1602控制端，其中P3.0接使能端E，写操作时，使能端下降沿有效。P3.1接读写控制端R/W，R/W=0，读操作；R/W=1，写操作。P3.2接寄存器选择端RS，RS=0，写操作时指向指令寄存器，读操作时指向地址寄存器；RS=1，无论读操作还是写操作都指向数据寄存器。LCD1602的VSS为电源地，需接地；VDD为电源电压；V0为LCD驱动电压，接电位器，通过调节电位器控制显示的亮度，使LCD显示清晰而无黑影。背光电源线LCD正负两端分别接电源和地即可。图3.3 液晶显示电路原理图3.2 报警电路发声部分的电路如图3.11，就是用P2.1口控制一个有源蜂鸣器发声，作为提示音或报警音。程序设定为每当识别到有一位按键被按下时，蜂鸣器发声0.1S；开锁时停顿2S发声2S，发声3次；密码错误时每次停顿0.5S发声1S。蜂鸣器有两个引脚，其中长脚为正极，短脚为负极。其发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它。由于单片机I/O引脚输出的电流较小，基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路，一般使用三极管来放大电流就可以了。本设计中使用三极管9012，P2.1口高电平时三极管截至，蜂鸣器不发声；P2.1口低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，我们可以通过程序控制P2.1脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。图3.11 报警电路原理图3.3 RS一485串口通讯 本节主要介绍RS485的标准，并从几个方面简要介绍了本课题在用RS一485进行数据通讯时提高可靠性的一些措施。RS485作为一种多点差分数据传输的电气规范现已成为业界应用最为广泛的标准通信接口之一，这种通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点双向通信。它所具有的噪声抑制能力、数据传输速率、电缆长度及可靠性等方面是其他标准无法比拟的。因此，许多不同领域都采用RS485作为数据传输链路。例如:汽车电子电信设备局域网、蜂窝基站工业控制仪器仪表等等。这项标准得到广泛接受的另外一个原因是它的通用性。RS485标准只对接口的电气特性做出规定而不涉及接插件电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。尽管RS485标准已被广泛接受，但是对于它在实际应用中的一些具体问题并没有得到深入广泛的认识，甚至存在着种种误区以至于影响到整个系统的性能。本节在介绍RS485标准的基础上重点讨论几个在本课题实际应用中注意的几个方面。3.3.1RS一485标准回顾 RS485标准最初山电子工业协会EIA于1983年制订并发布，后由TIA通讯工业协会修订后命名为TIA/EIA485A，不过工程师还是习惯地称之为RS485，RS485由RS422发展而来，后者是为弥补RS232之不足而提出的为改进RS一232通信距离短、速率低的缺点。RS422定义了一种平衡通信接口将传输速率提高到10Mbps，传输距离延长到4000英尺(速率低于I100kbpS时)，并允许在一条平衡线上连接最多10个接收器。RS422是一种单机发送多机接收的单向平衡传输规范，为扩展应用范围随后又为其增加了多点双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性扩展了总线共模范围，这就是后来的EIA RS485标准。RS485是一个电气接口规范，它只规定了平衡驱动器和接收器的电特性，而没有规定接插件传输电缆和通信协议。RS485标准定义了一个基于单对平衡线的多点双向半双工通信链路，是一种极为经济、并具有相当高噪声抑制、传输速率、传输距离和宽共模范围的通信平台。RS485接口的主要特点如下: l)平衡传输 2)多点通信 3)驱动器输出电压(带载)1.5 4)接收器输入门限:200mV 5）-7V至+12v总线共模范围 6)最大输入电流:1.0mA/0.8mA（12Vin/-7Vin） 7)最大总线负载:32个单位负载(UL) 8)最人传输速率:10MbPs 9)最大电缆长度:1200m 3.3.2 RS一485通信硬件电路设计在使用RS485总线进行数据通信时，如果简单地按常规方式设计电路，在实际工程中，可能有以下两个问题出现。一是通信数据收发的可靠性问题;二是在多机通信方式下(图3.14)，一个节点的故障(如死机)，往往会使得整个系统的通信枢架崩溃，而且给故障的排查带来困难，针对上述问题，我们对485总线的软硬件采取了具体的改进措施。 图 3.14 RS485系统示意图1)硬件电路的设计在论计中采用AT89S52单片机自带的异步通信口，外接MAX485芯片转换成485总线。其中为了实现总线与单片机系统的隔离，在AT89S52的异步通信口与MAX485之间采用光耦隔离。电路原理图如图3.15所示。 图3.15 485通信电路原理图MAX485各引月却意义如下: l)RO:接收数据的TTL电平输出 2)RE:低电平有效的接收允许 3)DE:高电平有效的发送允许 4）DI:发送数据的TTL电平输入 5)A:485差分信号的正向端 6)B:485差分信号的反向端 充分考虑现场的复杂环境，在电路设计中注意了以下三个问题。1.MAX85芯片DE控制端的设计由于应用系统中，主机与分机相隔较远，通信线路的总长度往往超过400米，而分机系统工电或复位又常常不在同一个时刻完成。如果在此时某个MAX485的DE端电位为“l”，那么它的455总线输出将会处于发送状态，也就是占用了通信总线，这样其它的分机就无法与主机进行通信。这种情况尤其表现在某个分机出现异常情况下(死机)，会使整个系统通信崩溃。因此在电路设计时，应保证系统上一七复位时MAX485的DE端电位为“0”。由于AT89S52在复位期间，I/O口输出高电平，故图3.巧电路的接法有效地解决复位期间分机“咬”总线的问题。2.隔离光祸电路的参数选取在瓦斯数据采集系统中，由于要对现场情况进行实时监控及响应，通信数据的波特率往往做得较高(通常都在4800波特以上)。限制通信波特率提高的“瓶颈”，并不是现场的导线(现场施工一般使用5类非屏蔽的双绞线)，而是在与单片机系统进行信号隔离的光祸电路上。此处采用TILll7。电阻R2、R3如果选取得较大，将会使光祸的发光管由截止进入饱和变得较慢;如果选取得过小，退出饱和也会很慢，所以这两只电阻的数值要精心选取，不同型号的光藕及驱动电路使得这两个电阻的数值略有差异，这一点在电路设计中要特别慎重，不能随意，通常可以由实验来定。3.485总线输出电路部分的设计输出电路的设计要充分考虑到线路上的各种干扰及线路特性阻抗的匹配。由于工程环境比较复杂，现场常有各种形式的干扰源，所以485总线的传输端一定要加有保护措施。在电路设计中采用稳压管Dl、D2组成的吸收回路，也可以选用能够抗浪涌的TVS瞬态杂波抑制器件，或者直接选用能抗雷击的485芯片(如SN75LBC184等)。考虑到线路的特殊情况(如某一台分机的485芯片被击穿短路)，为防止总线中其它分机的通信受到影响，在MAX485的485信号输出端串联了两个20的电阻R10、R11。这样本机的硬件故障就不会使整个总线的通信受到影响。在应用系统的现场采集中，由于通信载体是双绞线，它的特性阻抗为120。左右，所以线路设计时，在RS485网络传输线的始端和末端各应接1只120的匹配电阻(如图3.15中R8)，以减少线路上传输信号的反射。 由于RS一485芯片的特性，接收器的监测灵敏度为士200mV，即差分输入端vA一VB)+200mV，输出逻辑1，VA一VB-200mV，输出逻辑0;而A、B端电位差的绝对值小于200mV时，输出为不确定。如果在总线上所有发送器被禁止时，接收器输出逻辑O，这会误认为通信帧的起始引起工作不正常。解决这个问题的办法是人为地使A端电位高于B两端电位，这样RXD的电平在485总线不发送期间(总线悬浮时)呈现唯一的高电平，AT89S52单片机就不会被误中断而收到乱字符。通过在485电路的A、B输出端加接3.3K的上拉、下拉电阻R7、R8，即可很好地解决这个问题。2)软件的编程485芯片的软件编程对产品的可靠性也有很大影响。由于485总线是异步半双工的通信总线，在某一个时刻，总线只可能呈现一种状态，所以这种方式一般适用于主机对分机的查询方式通信，总线上必然有一台始终处于主机地位的设备在巡检其它的分机，所以需要制定一套合理的通信协议来协调总线的分时共用。这里采用的是数据包通信方式。通信数据是成帧成包发送的，每包数据都有引导码、长度码、地址码、命令码、内容、校验码等部分组成。其中引导码是用于同步每一包数据的引导头;长度码是这一包数据的总长度;命令码是主机对分机(或分机应答主机)的控制命令;地址码是分机的本机地址号;“内容”是这一包数据里的各种信息;校验码是这一包数据的校验标志，可以采用奇偶校验、和校验等不同的方式。在485芯片的通信中，尤其要注意对485控制端DE的软件编程。为了可靠的工作，在485总线状态切换时需要做适当延时，再进行数据的收发。具体的做法是在数据发送状态下，先将控制端置“1”，延时lms左右的时间，再发送有效的数据，一包数据发送结束后再延时lms后，将控制端置“O”。这样的处理会使总线在状态切换时，有一个稳定的工作过程。3)结论经过以上的软硬件共同处理，RS485总线在应用系统工程中的可靠性大大提高，在通常的环境条件下，24小时连续开机，系统的通信始终处于正常状态，整机性能满足了对于瓦斯数据需时时采集的需要。结论我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是世界上少数几个