煤矿井下监控分站数据采集系统设计(软件)

煤矿井下监控分站数据采集系统设计 软件 摘 要 在人类发展的过程中 认识世界与改造世界是两部分最主要的过程 而监测监控系 统对于它所要控制的对象亦是如此 即 测 与 控 的过程 监测监控系统是现代化 生产与管理的有效工具 在整个的国民经济中都有着广泛的应用 例如 交通 能源 冶金 化工等 对于监控系统而言 监控分站就是其下位机 有着至关重要的作用 对煤矿井下监 控分站的研究中 主要包括了对四路模拟通道的循环采集并显示它们所代表的物理量的 数值 四路模拟通道兼容电压信号和频率信号 分别代表了瓦斯浓度 CO 浓度 温度以 及湿度信号 就功能而言 对于监控分站的设计已经成功完成 但是它还具有许多可以 扩展的地方 如 遥控远程控制 多功能报警等 监控分站在整个监控系统起着数据采集的基本功能 对于可以实现基本功能以及一 些扩展功能的分站在实际的生产中都具有十分广泛的应用 关键词关键词 多路数据采集 MCS 51 AD 转换 直接测频 无线键盘 Subject Design of data acquisition system for coal mine monitoring substation Software design Specialty Automation Name Mao Zixin Signature Instructor Guo Xiucai Signature ABSTRACT In the course of human development understanding of the world and transform the world are the most important two part process The monitoring and control system to control the object is also the same that measured and control process Monitoring and control system is a modern production and management of the rational tools throughout the national economy has a wide range of applications such as transportation energy metallurgy chemical industry and so on For monitoring systems monitoring and control station is its lower position has a vital role Coal mine monitoring and control station for the study included a cycle of four analog channels captures and displays the physical quantity they represent value Four channel analog signals compatible with voltage and frequency respect the gas concentration CO concentration temperatures and humidity signals In terms of features the design of monitoring and control station has been completed successfully But it can be extended with a number of places such as remote control remote control multi function alarm Standing the whole monitoring system monitoring and control station plays a basic functions of data collection For some monitoring and control stations which achieving basic function and expand function have a widely used in the actual production Keywords multi channel data acquisition MCS 51 AD conversion direct frequency measurement wireless keyboard 1 目录 1绪论 1 1 1 课题研究的背景 1 1 2 煤矿井下监测监控系统的发展历程 1 1 3 课题研究的意义 2 1 4 针对研究题目需要做的工作 2 2煤矿井下监测监控系统介绍 4 2 1 监测监控系统的基本概念 4 2 1 1 监测监控系统的概念 4 2 1 2 监测监控系统的分类 4 2 1 3 监测监控系统的组成 5 2 2 监测监控系统的主要性能指标 5 2 3 监测监控系统与监控分站的关系 7 3监控分站总体结构设计 9 3 1 监控分站的主要技术指标 9 3 2 分站总体结构设计 9 3 2 1 单片机的选择 9 3 2 2 传感器输入通道的设计 10 3 2 3 显示电路的设计 11 3 2 4 无线键盘电路的设计 12 4监控分站关键技术 14 4 1 监控分站中的 MCS 51 单片机 14 4 1 1 8051 单片机系列介绍 14 4 1 2 8051 的工作方式 15 4 1 3 数据存储器 16 4 1 4 程序存储器 17 4 1 5 特殊功能寄存器 17 4 2 监控分站检测信号采集技术 17 4 2 1 模拟信号的采集 18 4 2 2 A D 转换技术 18 4 2 3 A D 转换的主要技术指标 19 4 3 监控分站无线键盘技术 20 4 3 1 无线键盘发射电路原理 20 4 3 2 无线键盘接收电路原理 21 2 5 监控分站软件设计 23 5 1 监控分站数据采集部分 23 5 1 1 监控分站电压信号处理 23 5 1 2 分站频率信号处理 23 5 2 分站显示部分 25 5 3 分站主程序 26 5 4 监控分站无线键盘部分 27 5 4 1 系统设计 27 5 4 2 无线键盘发射部分 28 5 4 3 无线键盘接收部分 30 6 监控分站软件调试 32 6 1 频率信号输入部分 32 6 2 电压信号输入部分 33 7 结论 36 致谢 37 参考文献 38 附录 1 硬件原理图 39 附录 2 实物相片 40 附录 3 系统源程序代码 42 0 1 绪论 1 1课题研究的背景 在人类认识和改造世界的过程中 经历了观察 认识世界的第一阶段和改造世界的 第二阶段 而对于煤矿井下的实际控制系统的研究如同人类认识和改造世界的过程 即 测 和 控 的过程 在煤矿井下的环境中 监测监控系统需要对代表煤矿井下某些 参数进行 检测 从而获得与其相关的信息 另一方面 还需要由检测而来的信息根 据一定的策略对这些参数进行 控制 进而达到预期的控制效果 监测监控系统是现代化生产以及现代化管理的一种有效的工具 在化工 能源 电 力 交通 冶金等国民经济领域有着广泛的应用 此外它是企业综合自动化 CIMS 系统 中的子系统 是计算机网络的节点 1 2煤矿井下监测监控系统的发展历程 监测监控技术的发展经历了以下过程 1 手动控制 在 20 世纪的 40 年代 由于当时没有大规模的生产 而且检测控制仪器尚且处于发 展的初级阶段 当时所采用的仅仅就是安装在生产现场且具备简单测量功能的 基地式 气动仪器 它仅仅是具备自身的测量 不可以将信息传给上位系统 即是封闭的状态 无法与外界进行沟通信息 因此 当时的控制方式就是操作人员进行的巡视 来进行简 单的手动操作 2 局部自动化 到了 20 世纪 50 60 年代初 随着生产规模逐渐扩大 操作人员必须综合掌握现场 很多点的运行信息与参数 要求在同一时刻按照多点的参数信息进行控制操作 于是出 现了集中控制室 实际生产现场各处的参数信息由统一的模拟信号 传往集中控制室 操作人员仅仅就可以在集中控制室进行总体观察生产现场的状况 能够将每个单元仪表 的信号按要求需要组合成复杂控制系统 从而实现了工厂仪表化以及局部自动化 3 集中数字控制 在 20 世纪 60 70 年代初期 由于模拟信号在传输中比较缓慢 而提高它的速度和 精度都需要花费很大的代价 此外模拟信号传输过程中抗干扰的能力比较差 所以人们 1 开始寻求用数字信号来代替以往的模拟信号 当时的数字计算机计数还比较落后 人们 希望用一台计算机来取代控制所有的仪表 这就出现了所谓的集中数字控制 这种控制 在当时并没有得到广泛的应用 原因很简单 就是这个系统太依赖于计算机 以至于一 台计算机出现问题就会引起整个系统的瘫痪 4 集散控制 20 世纪 80 年代初期 随着计算机的可靠性的提升以及价格的大幅下降 出现了可 编程控制器 PLC 以及由许多计算机组成的集中 分散相结合的集散控制系统 这也 就是今天在许多企业应用的 DCS Distributed Control System 可由于当时信息封闭 的原因 每个厂家产生的商品都不可以相互联系在一起 从而导致很难实现互换以及互 操作 这样就很难组成更大范围的网络系统 5 分布式网络控制 20 世纪 90 年代至今 新型现场总线控制技术突破了 DCS 中通信方式由专用网络的 所造成的缺陷 把封闭和专用的网络公开 标准化 从而可以把来自不同厂商遵守不同 规定而生产的 智能仪器 通过现场总线网络的方式连接成系统 进而了实现综合自动 化的很多功能 同时把 DCS 的集中和分散相结合进而变成了新型全分布式结构 把控制 的功能彻底下放到了现场 依靠现场的智能仪表的自身的测控功能实现基本的测控 1 3课题研究的意义 煤矿井下安全监测监控系统的中心是微型计算机 即它是以微型计算机为中心的煤 矿安全监测监控系统 监测监控系统中的微型计算机控制着监控分站中的通道的选择以 及它的运行方式 监控分站可以对煤矿井下火灾 环境 通风设施状况以及运输安全状 况进行全面的检测 将表征其状态的物理量信息传到中心站中来进行相应的处理 进而 可以有效地避免各种事故的发生 保证了生产的稳定以及工人的人身安全 在实际的生 产现场有着十分重要的意义 1 4针对研究题目需要做的工作 主要工作 1 单片机的选择 设计的开始 在明确了设计的主要性能指标以后 首要的工作就是根据要求选择单 2 片机的型号 合适的单片机不仅能使设计在硬件输出 I O 端口分配方面更加合理 也可 以使软件设计更加简单 2 传感器输入通道的设计 传感器输入通道设计方面的主要工作就是规定传感器输入通道每一路的信号所代表 的意思以及规定每一路输入信号的制式 在明确了信号制式以及信号代表的物理量以后 就可以根据每一部分的核心算法来对每一路信号进行处理 3 显示部分的设计 显示部分由于设计已经规定了使用 LED 进行显示 所以这方面的硬件电路设计就比 较简单 软件方面的工作是选择 LED 显示的方式 扫描方式 以及扫描频率 另外还需 要定义四位 LED 数码管中每一位代表的意思 4 无线遥控部分 这部分是我们监控分站的一个扩展功能 主要是用遥控来实现对监控分站的控制 遥控的主要命令有对监控分站的断电操作和传感器通道选择操作 遥控器定义好的命令 还需要通过编码以后进行发送 监控分站接收到命令后对命令进行解调并进行相应的动 作 5 主程序的设计 主程序的设计主要综合了以上几个部分 在没有遥控命令的时候 主程序无限地分 别对 4 路传感器输入通道循环扫描 得到数据以后显示在 LED 数码管上 当得到遥控器 传来的命令以后 单片机就停止以上的循环 而根据命令进行相应的动作 3 2煤矿井下监测监控系统介绍 2 1 监测监控系统的基本概念 2 1 1 监测监控系统的概念 监测监控系统包括了检测被控变量和控制执行机构 这两者融合了计算机技术 通 信技术 传感器技术 控制技术 计算机网络技术等综合技术 监测监控系统在现代工 业生产和现代化管理有广泛的应用 包括化工 冶金 交通 能源 纺织等 它是企业 综合自动化 CIMS 中的子系统 同时也是计算机网络中的节点 2 1 2 监测监控系统的分类 监测监控系统的分类方法有很多种 按照不同的方法有其对应的种类 这里按照监 测监控系统的功能可以将其分为控制系统 检测系统和测控系统 1 控制系统 控制系统就是单纯以控制为目的的系统 它的结构如图 2 1 所示 控制器执行机构被控对象 图 2 1 控制系统 2 检测系统 检测系统就是专门用来检测某个理量 并且获得相应的测量数据 检测系统包括敏 感元件环节 变量转换环节 数据传输环节 数据显示环节 数据处理环节 它的原理 结构图如图 2 2 所示 敏感元件变量转换数据传输数据显示 数据处理 被测对象 被测量 图 2 2 检测系统 3 测控系统 测控系统按其字面意思来讲就是既 测 又 控 可以说它是上面两个系统的组 合 测控系统可以按照人们预期的结果来使系统执行相应的动作 4 2 1 3监测监控系统的组成 大多数监测监控系统都具有相似的结构和很多相同的特点 它们由被控对象 检测 单元 控制器和执行机构组成 基本的原理结构如图 2 3 所示 控制器执行机构被控对象 检测单元 X t e t u t g t f t c t 图 2 3 监测监控系统结构 2 2 监测监控系统的主要性能指标 在实际的生产的过程中 生产的成功与否 生产的产品的质量和产量占主导的地位 所以在实际的生产中 对不同类型的产品都必须严格遵循其相应的被控参数 实际中 在阶跃扰动的信号作用下 人们提出了被控参数稳定性 快速性以及准确性的要求指标 根据图 2 4 所示的闭环控制系统对设定值突变的阶跃响应曲线来分别对以上几个性能指 标进行说明 y t t t0 t1 t3 ts 5 或2 y T tp Ay1 y y x t0 y3 C 图 2 4 闭环控制系统对设定值突变的阶跃响应曲线 1 稳定性指标 5 1 衰减比 n 2 衰减率 1 如果 n 1 0 1 曲线为衰减振荡过程 那么系统就是稳定的 如果 n 1 曲线为等 幅振荡过程 那么系统就是不稳定的 这样一般希望 n 4 10 稳定性是一个系统最基本的性能指标 是考虑其他参数的前提 只有在系统足够稳 定的前提下才可以去确定系统的其他性能指标如 快速性 准确性 2 快速性指标 1 调节时间 ts t0 5 或 2 y 所需时间 ts 越小 快速性越好 2 振荡周期 T 曲线中相邻两波峰 或波谷 之间的时间间隔 3 振荡频率 f 4 振荡角频率 振荡周期 T 越小则系统的快速性越好 5 上升时间 tr t0 t1 所需要的时间 在衰减率一定的情况下 上升时间越小 系统的快速性越好 3 准确性指标 1 最大动态偏差 A y t1 y x t0 2 超调量 100 以上的都为系统的动态参数 它们都与系统的动态过程息息相关 4 防爆 本安性能指标 在实际的石油 化工 能源的生产和开采现场 往往在其环境中混杂着各种易燃易 爆的固体粉尘 气体和蒸汽等 这些杂质和空气混合以后经过火花的反应可能会产生爆 炸或火灾 而仅仅依靠对生产参数进行控制来避免这些事故是远远不够的 这样就必须 6 使监测监控系统要符合防爆 本质安全性指标的要求 由国家的规定 爆炸环境的电气设备可以分为两类 即有瓦斯爆炸危险的矿井和没 有瓦斯有其他爆炸危险的场所所使用的电气设备分别为 类和 类 而 类设备根据环 境的爆炸性气体混合物最大实验安全间隙或最小点燃电流又可分为 A B C 三级 类 中的电气设备还可以按照最高表面温度的差异 分为 T1 T6 6 组 类电气设备类型标 志符号如图 2 5 所示 H e 防爆类型为本安型最小引爆电流为 型 周围气体自然温度为e组 图 2 5 类电气设备类型及标志符号 表 2 1 防爆型电气设备的防爆类型及标志符号 增安型隔爆型本质安全型通风充气型充油型 edia ibpo 2 3 监测监控系统与监控分站的关系 以煤矿安全监测监控系统为例来说明监测监控系统与监控分站之间的关系 煤矿安 全监测监控系统的总体结构如图 2 6 所示 7 中中心心站站 终终端端1 1终终端端2 2终终端端3 3 图图形形工工作作站站 1 10 0 1 10 00 0B Ba as se e T T 打打印印机机 通通信信接接口口装装置置 交交换换机机 路路由由器器 G GP PR RS S卡卡 基基本本分分站站 甲甲烷烷传传感感器器 温温度度传传感感器器 开开停停传传感感器器 图 2 6 煤矿安全监测监控系统总体结构图 由图可以知道一个监测监控系统大致可以分为两个部分 其一是中心站 中心站 是整个系统的核心部分 它监视并控制着监控分站 可对监控分站采集回来的数据进 预期的分析以后进行报警 存储 显示等功能 其二就是监控分站 监控分站主要的 功能是对井下环境的数据进行采集并且显示 它接受着中心站的控制命令 来进行要 求的动作 当然也可以根据预期的设定来循环工作 由上所述可知 监控分站的存在对于一个监测监控系统有着至关重要的作用 8 3监控分站总体结构设计 3 1 监控分站的主要技术指标 本设计 煤矿井下监控分站数据采集系统的主要技术指标具体如下 1 工作电源 本质安全 本安 型电源 DC 12V 2 工作电流 300mA 3 传感器输入通道 4 路 兼容电压信号和频率信号 4 电压输入信号制式 0 5V 的电压信号 5 频率输入信号制式 200 1000Hz 的频率信号 6 键盘控制 用无线键盘来实现通道选择与分站断电 7 显示方式 LED 数码管显示 8 防爆制式 本质安全型 3 2 分站总体结构设计 3 2 1 单片机的选择 煤矿井下监控分站数据采集系统这个设计在选择单片机的时候 主要考虑了其处理 能力 输入 输出引脚数量以及电路设计是否简洁等因素 通过反复比较 我们最终决 定选择 AT89S51 单片机 首先这款单片机的最小系统我们在过去课程设计中接触并焊 接过 我们对它比较熟悉 其次这款单片机的输入 输出引脚数量也可以满足我们的设 计要求 其引脚图如图 3 1 所示 图 3 1 AT89S51 引脚图 9 3 2 2 传感器输入通道的设计 传感器输入通道的设计如图 3 2 所示 分站的传感器输入通道共 4 路 每路兼容电压 信号和频率信号 缓冲放大器 缓冲放大器 缓冲放大器 缓冲放大器 传感器通道1 传感器通道2 传感器通道3 传感器通道4 4路通道切 换模拟开 关 线性隔离 放大器 单片机定时器端口 单片机AD转换器端口 图 3 2 传感器输入通道 每一路通道都对应着不同的井下环境物理量 根据 09 版 煤矿安全章程 具体地 分别为 传感器通道 1 200 1000Hz 的频率信号 0 4 的瓦斯浓度信号 传感器通道 2 0 5V 的电压信号 5 65 的温度信号 传感器通道 3 200 1000Hz 的频率信号 0 20PPm 的 CO 浓度信号 传感器通道 4 0 5V 的电压信号 0 100 的湿度信号 但是本设计由于实际实验条件和时间有限 为实现上述功能 对上述数据进行了修 改 具体的为 传感器通道 1 200 1000Hz 的频率信号 0 4 的瓦斯浓度信号 传感器通道 2 0 5V 的电压信号 18 28 的温度信号 传感器通道 3 200 1000Hz 的频率信号 0 20PPm 的 CO 浓度信号 传感器通道 4 0 5V 的电压信号 40 70 的湿度信号 对于图 3 2 所示的电路 它的工作流程是 单片机进行控制多路开关 进而选择每 一路的通道的通断 由于我们提前规定了每一路信号的制式 所以就省去了判断信号制 式的部分 这里 当得到通道 1 或者通道 3 开通的时候 则一定为频率信号 单片机控 制信号直接传入到单片机的定时器对信号进行处理 当单片机判断 得到通道 2 或者通 道 4 开通的时候 则一定为电压信号 单片机控制信号直接传入到 A D 转换单元对数据 进行处理 10 3 2 3 显示电路的设计 分站的显示是非常重要的人机接口 对现场维护工作有着很重要的意义 煤矿井下 监控分站数据采集系统 可以采用 LED 数码管方式 也可以采用 LCD 点阵液晶显示的 方式 我们在这里采用了前者 即 LED 数码管显示的方式 LED 分为共阴和共阳两种 我们设计的监控分站采用的是共阳 LED 数码管 其内部电路图如图 3 3 所示 bac def g dp com 图 3 3 数码管内部电路图 在图 3 3 中 如果 a 口连接 8051 输出端口中的的最低位 dp 连接 8051 输出端口中 的最高位 当希望小数点不亮的时候 那么 0 至 9 驱动信号如下表 3 1 所示 表 3 1 数字 dp gfedcba16 进位显示 00 xc00 10 xf91 20 xa42 30 xb03 40 x994 50 x925 60 x836 70 xf87 80 x808 90 x989 我们设计的监控分站中 显示部分的硬件连接图如图 3 4 所示 11 Q1 PNP0915 Q2 PNP0915 Q3 PNP0915 Q4 PNP0915 A 1 f 2 g 3 e 4 d 5 c 8 DP 7 b 9 a 10 A 1 f 2 g 3 e 4 d 5 c 8 DP 7 b 9 a 10 A 1 f 2 g 3 e 4 d 5 c 8 DP 7 b 9 a 10 A 1 f 2 g 3 e 4 d 5 c 8 DP 7 b 9 a 10 5 4K7 4K7 4K7 4K7 P2 4 P2 5 P2 6 P2 7 图 3 4 显示电路硬件连接图 在这部分的软件设计中 规定数码管的第一位为通道数 后三位为具体的数值 3 2 4 无线键盘电路的设计 在我们分站的设计中 无线键盘电路的主要作用就是用来实现无线操作控制 具体 地讲就是我们可以通过无线键盘来实现对分站四路模拟通道的选择 进而来观测其数据 这个作用在现场有着十分重要的意义 另外我们还可以通过无线键盘电路来实现在比较 远的距离对监控分站的进行断电控制 无线键盘的发送与接收电路如图 3 5 以及图 3 6 所示 12 A0 1 A1 2 A2 3 A3 4 A4 5 A5 6 A6 7 A7 8 Vss 9 D3 10 D2 11 D1 12 D0 13 TE 14 OSC2 15 OSC1 16 Dout 17 Vcc 18 PT2262 U1 PT2262 data U2 FR 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 S1 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 S2 SW DIP 8 BT1 Battery 2K R1 2K R2 2K R3 2K R4 1 2M R6 IN 1 OUT 3 2 U8 7132 10UF C1 104 C2 104 C4 10UF C3 P2 3V 1 2 3 4 5 P1 图 3 5 发射电路 A0 1 A1 2 A2 3 A3 4 A4 5 A5 6 A6 7 A7 8 Vss 9 D3 10 D2 11 D1 12 D0 13 DIN 14 OSC2 15 OSC1 16 VT 17 Vcc 18 PT2272 U2 PT2272 200K R1 5V data 发发发发 t1 TR 5V 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 S1 5V 图 3 6 接收电路 13 4监控分站关键技术 4 1 监控分站中的 MCS 51 单片机 4 1 1 8051 单片机系列介绍 单片机的种类繁多 8051 是源自 Intel 公司的 MCS 51 系列的芯片 但是目前市 面上使用的 8051 并不再是仅仅局限于 Intel 公司所产生的芯片 而是以其他厂商发行的 兼容芯片为主 例如 Atmel 公司发行的 89C51 89S51 系列 它们的价格便宜 质量比较 稳定 开发工具也非常齐全 它们对于早期的单片机芯片的主要技术特点是 1 扩大了片内存储器以及外部的寻址空间 2 增强了并行口 增设了全双工串行口 I O 3 增加了定时器 计数器的个数并扩展了长度 4 增强了中断系统 它设置了 2 及中断优先级 可以接收 5 个中断源的中断请求 中断优先级可以由用户自己定义 5 具备很强的指令寻址和运算等功能 有 111 条指令 可以分 4 大类 使用了 7 种 寻址方式 6 设定了布尔处理机 即在指令系统中设有位操作的指令 可用于位寻址空间 这 些位操作指令与位寻址空间一起构成了布尔处理机 8051 单片机的结构如图 4 1 所示 8位数据总线 振荡器 中央处理 器 中断控制 器 只读存储 器 总线控制 器 随机访问 存储器 4个输入 输出端口 定时器 计 数器 串行口 外部中断 计 数 输 入 RxD TxD P0 P1 P2P3 PSEN ALE EA 内部中断 图 4 1 8051 结构图 14 4 1 2 8051 的工作方式 AT89S51 单片机有复位 程序执行 单步执行 低功耗和掉电保护等工作方式 1 复位方式 复位就是单片机的一个初始化的过程 复位以后 单片机恢复到初试的状态 并且 从这个状态开始继续工作 另外 当单片机出现 死机 的状态以后 需要对单片机进 行复位操作 来实现重启单片机 复位以后单片机中各个特殊功能寄存器的状态如下表 4 1 所示 表 4 1 单片机复位后特殊功能寄存器的状态表 名称内容名称内容 PC0000HTCON00H A00HTL000H PSW00HTH000H SP07HTL100H DPTR0000HTH100H P0 P30FFHSCON00H IPXXBSBUF不定 IE0XBPCON0XXX0000B TMOD00H 2 程序执行方式 程序执行方式就是单片机执行用户编制好并且放到存储器中的程序 它是单片机的 最基本的工作方式 由于单片机复位以后 PC 的值是 0000H 因此程序执行的开始总是 从地址 0000H 开始 但一般情况下 程序不是从 0000H 开始一直执行的 而是在开始 的时候加入一条无条件的跳转指令 以便转到实际程序的入口去执行 3 单步执行方式 单步执行方式其实就是单片机通过脉冲的控制来执行程序 每收到一个脉冲程序就 运行一步 4 低功耗方式 为了达到电源功耗要求较低环境的标准 CHMOS 型的 MCS 51 单片机芯片设置了 低功耗的工作方式 此外 在掉电保护的情况下 会有备用的电源为单片机供电来使单 片机进行低功耗运行 因此掉电保护方式实际也是一种低功耗的运行方式 所以可以说 低功耗运行方式可以分为两种 即空闲方式和掉电保护方式 15 5 掉电保护方式 系统运行的过程中 如过发生掉电情况 单片机将丢失 RAM 中和寄存器中的数据 其后果有的时候也是十分严重的 因此 MCS 51 单片机还设置了掉电保护措施来进行 掉电保护的处理 其具体的做法就是先将有用的信息进行转存 而后再启动备用电源维 持供电 4 1 3数据存储器 MCS 51 的数据存储器的结构是相对比较复杂的 它与程序存储器是两个分开的部 分 所以当系统在访问程序存储器的时候 一定不会影响到数据存储器 反之亦然 数 据存储器的结构图如图 4 2 所示 外部可扩展 数据存储器 FFFFH 0000H 内部数据存储器256B 00FFH 0000H 可直接寻址或间 接寻址 128B 只能间接寻址 128B 特殊功能寄存器 直接寻址 128B 0000H 007FH 0080H 00FFH 图 4 2 数据存储器结构 8051 中的数据存储器除了有内部数据存储器以外 还可扩展外部数据存储器 对于内部存储器而言 从 0000H 到 007FH 内的 128B 范围是可直接寻址或间接寻址的存 储器 在这个范围中 数据存储器又可以为成三个部分 1 寄存器组区 0000H 到 001FH 为寄存器组 0 0008H 到 000FH 为寄存器组 1 0010H 到 0017H 为寄存器组 2 0018H 到 001FH 为寄存器组 3 2 可位寻址区 0020H 到 002FH 为可位寻址区 顾名思义就是通常访问存储器是以 字节为单位 可位寻址 就是指可以指定访问某个位 bit 3 一般数据与堆栈区 0030H 到 007FH 为一般数据访问以及堆栈区 CPU 复位后 16 堆栈指针指向了 07H 的位置 为了能确保数据的安全性和执行的正确性 如果在程序需 要使用 PUSH 和 POP 命令 那么最好能把堆栈指针的地址改至本区 4 1 4 程序存储器 程序存储器 ROM 根据其字面意思得知它就是来存放程序的存储器 CPU 会自 动地从程序存储器中读取所需要的指令码 MCS 51 单片机的程序存储器结构如图 4 3 所示 CPU 复位以后 程序将会从程序存储器 0000H 位置开始执行 如果没有遇到跳跃 指令 则会沿着存储器顺序进行执行 外部可扩展程序 存储器60KB 内部程序存储器 4KB 0000H 0FFFH 1000H FFFFH 外部可扩展程序 存储器64KB 0000H FFFFH 1 0 图 4 3 程序存储器结构图 4 1 5特殊功能寄存器 在 MCS 51 单片机中 寄存器是 CPU 中特定地址数据存储器 而在 0080H 到 00FFH 之间的 128B 范围 是单片机的特殊功能寄存器 SFR Special Function Register 所在的位置范围 特殊功能寄存器就是 8051 内部装置 如果采用汇编语言来编写程序 那么就必须要确切地掌握特殊功能寄存器的一切相关知识 在我们这次设计采用了 C 语 言进行编写 SFR 位置的声明放在了 KEIL C 所提供的 reg51 h 头文件里 所以只要 把它包含到程序里就可以 4 2 监控分站检测信号采集技术 17 4 2 5模拟信号的采集 模拟信号输入的一般结构如图 4 4 所示 传感器1 传感器4 传感器3 传感器2 信号调理 信号调理 信号调理 信号调理 多路 模拟 开关 数据放大采样保持A D转换 控制逻辑 CPU 图 4 4 模拟信号输入通道一般结构 模拟信号从传感器中传出来 通过调理电路信号被调理成为符合后面电路要求的信 号 由于模拟信号有很多路 所以多路模拟开关的作用就是实现对 n 路输入的模拟信号 进行 n 选 1 的操作 就是利用多路开关将 n 路输入信号依次切换 实现对模拟信号的采 样 采样过后的信号要想转换成计算机能接受的信号就必须经过 A D 转换 所以 数据 放大电路的作用就是将信号变换成为适合 A D 转换所需要的数值信号 在 A D 转换期 间 信号难免会发生变化 这样就会引起转换误差 采样保持器的作用就是使信号保持 平稳 图中的 A D 转换器件就是对信号进行量化的器件 这个输入通道的关键所在 而 以上每一部分都是在核心 CPU 的控制之下进行的 这个过程就是一个信号经过模拟通 道的过程 4 2 6A D 转换技术 在单片机的测控应用系统中 被采集的信号有许多都是连续变化的物理量 比如 压力 温度 湿度 电压等 由于计算机仅仅可以处理数字信号 因此就要将这些连续 变化的物理量转换成为计算机能够接受的数字量 这就是 A D 转换 常用 A D 转换器 按原理可分为四种 即双积分式 计数式 逐次逼近式以及并行式等 在煤矿井下的监 控分站的设计中我们选择的是逐次逼近式的 A D 芯片 其原理为采用了乘 2 除 2 比对 快速接近这种方式 可以将模拟信号转换成为数字信号 首先将参考的电压 Vr 与输入 的模拟信号进行比较 如果输入模的拟信号比较高 那么 Vr 乘以 2 再与输入模拟信号 进行比较 如果输入的模拟信号还是比较高 则再将 Vr 乘以 2 与输入的模拟信号比 较 反之 如果输入的模拟信号比较低 那么将 Vr 除以 2 再与输入的模拟信号比 18 较 最后就可找到与其最接近的值 但对于模拟电压信号来说 乘 2 除 2 的操作都是不容易操作 但是 对于数字信号 而言 只要将它的数据左移一位 就是乘以 2 数据右移一位就是除以 2 而移位后的 数字再由数字 模拟转换 就可以产生对应的模拟信号 Vr 就可以与输入模拟电压 Va 相 比较 以产生左移或右移的控制信号来控制移位寄存器的相应动作 如图 4 5 所示 在图 4 5 中 如果 VrVa 移位寄存器就右 移 如果 Vr Va 时 即可输出数字信号 位移寄存器 数字 模拟转换器 时钟脉冲输入 模拟电压输入 Va Vr Vr 数 字 输 出 图 4 5 逐次逼近式模拟 数字转换概念图 逐次逼近式模拟 数字转换器的转换的时间为 n 个时钟脉冲 其转换速度仅次于并 行式的模拟 数字转换 除此之外它的电路也比并行式的模拟 数字转换更加简单 4 2 3 A D 转换的主要技术指标 1 分辨率 Resolution 分辨率可以体现出转换器所能分辨的被测量的最小值 通常使用输出二进制代码的 位数来表示 比如 分辨率为 8 位的 A D 转换器 模拟电压的变化范围被分成 1 级 255 级 而分辨率是 10 位的 A D 转换器 模拟电压变化范围就被分成 1 级 1023 级 所以 同样范围的模拟电压 使用 10 位 A D 转换器来测量数值的最小值 要小于用 8 位 A D 转换器 2 精度 Precision 所谓精度就是转换的结果相对于实际值的偏差 一般地来讲 精度的表示方法有两 种 分别是绝对精度和相对精度 精度和分辨率是两个不一样的概念 一样分辨率的 A D 转换器 它的精度可能不相 19 同 但是它们之间遵循分辨率高精度不一定高 而精度高则分辨率一定高的原则 3 线性误差 Linerarity Error 线性误差就是转换器的模拟数字转换关系和理想的直线关系的不同而出现的误差 4 量程 Full Scale Range 量程是输入模拟电压的变化的范围 一般情况来讲的满刻度只是单纯的名义值 而 实际中 A D 转换器的最大输出的数值总比满刻度数值小 1 其中的 n 就是转换器的 位数 5 转换时间 Conversion Time 从发出启动转换信号开始到得到稳定的二进制代码需要的时间就是转换时间 转换 时间的长短以及 A D 转换器的工作原理和它的位数息息相关 一般地 一样工作原理的 A D 转换器 其位数和转换时间成正比 4 3监控分站无线键盘技术 4 3 1 无线键盘发射电路原理 无线键盘遥控一般有两种 分别是基于电磁波和红外线的遥控 他们有各自的特点 其中 电磁波遥控具有衍射的作用 可以在跨过一些屏障 因此遥控的时候不需要直线 遥控 电磁波的无线遥控就是在发射端来发射一定频率的电磁波 而接收端仅仅接受相 同频率的电磁波信号就可以 再经过数据的解码就可以得到发射的内容 而红外遥控的 距离相对电磁波就比较短 而且没有电磁波一样的衍射效果 所以在发射的时候必须是 在直线传播才可以 遥控器发射电路如图 4 6 所示 它主要包括有振荡电路 高频放大器 而调制的方 式也一般采用 ASK 和 FSK 两种 一般载波信号的频率在 315MHZ 433MHZ 当然 也可以 实现更高的频率 信号经过高频放大器来获得更高的能量 进而可以传达更远的距离 ASK 调制 载波发生器 高频放大 串行数据 天线 图 4 6 遥控发射电路原理图 20 4 3 2无线键盘接收电路原理 接收电路相对与发射电路就比较简单 如图 4 7 所示 就是基本的接收电路原理图 ASK解调滤波数据输出 天线 图 4 7 遥控接收电路原理图 由图 4 7 可知 遥控接收电路主要由天线 滤波电路 解调电路和输出电路组成 PT2262 编码芯片和 PT2272 解码芯片如图 4 8 及图 4 9 所示 图 4 8 编码芯片 PT2262 图 4 9 解码芯片 PT2272 PT2262 和 PT2272 这组器件广泛应用于各种遥控器件上 只需要较低的 3V 电压就 能工作 PT2262 是发射编码芯片 PT2272 是接收解码芯片 两者的地址必须要配对 PT2262 的 TE 端是发射允许端 接受低电平时 17 脚的 DOUT 端输出一串编码 该串编 码在载波上发送出去 被接收端接收并且解调 输入 PT2272 的 14 脚 当地址配对的时 候 VT 解码有效端输出高电平 数据端口就会输出与 PT2262 发射端口一致的数据 从 而实现遥控功能 具体的遥控电路如图 4 10 及图 4 11 所示 21 图 4 10 发射部分 图 4 11 接收部分 A0 1 A1 2 A2 3 A3 4 A4 5 A5 6 A6 7 A7 8 Vss 9 D3 10 D2 11 D1 12 D0 13 TE 14 OSC2 15 OSC1 16 Dout 17 Vcc 18 PT2262 U1 PT2262 data U2 FR1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 S1 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 S2 SW DIP 8 BT1 Battery 2K R1 2K R2 2K R3 2K R4 1 2M R6 IN 1 OUT 3 2 U8 7132 10UF C1 104 C2 104 C4 10UF C3 P2 3V 1 2 3 4 5 P1 A0 1 A1 2 A2 3 A3 4 A4 5 A5 6 A6 7 A7 8 Vss 9 D3 10 D2 11 D1 12 D0 13 DIN 14 OSC2 15 OSC1 16 VT 17 Vcc 18 PT2272 U2 PT2272 200K R1 5V data 发发发发 t1 TR 5V 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 S1 5V 22 5 监控分站软件设计 5 1 监控分站数据采集部分 5 1 1 监控分站电压信号处理 监控分站中模拟信号输入通道的结构图如图 4 4 所示 对于分站电压信号的处理主要是通过 A D 转换来进行处理的 而在设计时我已经规 定 传感器通道 1 200 1000Hz 的频率信号 0 4 的瓦斯浓度信号 传感器通道 2 0 5V 的电压信号 18 28 的温度信号 传感器通道 3 200 1000Hz 的频率信号 0 20PPm 的 CO 浓度信号 传感器通道 4 0 5V 的电压信号 40 70 的湿度信号 所以只有当传感器通道 2 和传感器通道 4 开通的时候才进行这部分的 AD 处理 我 们所用的 AD 芯片是 ADC0809 而当传感器通道 2 开通的时候 信号为 0 5V 的电压信号 需要表示成为 18 28 的温度信号并输出 要明确当输入模拟信号为 A1 时的 A D 输出 结果 必须要知道 A D 转换器的输入信号 我们使用的 ADC0809 是 8 位 AD 芯片 而这 里的电压信号均为 0 5V 的电压信号 所以其分辨率为 5 可知当 A D 转换器的输入 为 5V 的时候 则输出为 即就表示 5V 的模拟量 但是如果输入为 5V 时 我们希望要 输出的是 28 就需要进行处理 5 5 28 18 18 28 这里假设输入的电压信号为 A1 输出的温度信号为 B1 则可以得到 B1 A1 5 28 18 18 同样如果是通道 4 假如输入的电压信号为 A2 输出的湿度信号为 B2 则可以得到 B2 A2 5 70 40 40 5 1 2 分站频率信号处理 MCS 51 具有定时 计数以及数据处理的功能 可以很方便的用于频率的测量 一 般来讲有两种方法来进行测量频率 第一种方法是将被测频率信号看作 I O 接口板上的十进制计数器的一个计数脉冲源 23 由单片机定时器 计数器来确定计数器开门 关门的时间 在启动片内定时器 计数器定 时的同一个时刻 打开十进制计数器计数门 从而开始对被测量频率进行计数 而当定 时器定时时间到的时候 就关闭计数门 而后通过 I O 接口将计数值读入到单片机的 RAM 区 由对定时时间以及计数值的数据处理 来得到被测量信号的频率 以上的方法 就是直接计数法 仅仅使用单片机一个定时中断 它的程序编制比较简单 并且具有比 较高的频率测量上限 但外部接口电路相对比较复杂 另外一种方法是用单片机的两个中断源和 通过内部定时器 计数器 T0 来 确定定时的时间 通过外部中断源计量被测量信号周期数 用此来计算频率值 这 种周期测量的方法能充分发挥单片机的内部功能 从而尽量简化电路 编程的时候 设置了定时器 计数器为工作方式 1 为最高中断优先级 因为定时 计数器是加 1 计数操作 如果是晶振的频率为 6MHz 那么定时器发出的信号周期为 2 s 对于 16 位的定时器来讲 最大定时时间只能达到 131 072ms 不能实现 1s 定时 所以就需要使用软件来扩大定时器定时倍数 如果程序设定的定时倍数是 100 时 测量 过程中要由主程序控制 T0 溢出的次数 如果溢出 100 次以后 即定时 1s 时间到了以后 就可读出被测量的频率数值 由于外部中断工作在计数的方式 每次检测到被测量的信号频率 fs 的下跳沿 的时候 就会引起一次中断 而在中断服务程序中 需要把指定工作寄存器 R4 R5 中的内容加上 1 并且进行十进制的调整 当 1s 定时到的时侯 可以由主 程序将 R4 R5 寄存器内的计数值读取出来 这个中断服务程序执行的时间长短决定了 频率测量的范围上限 假如晶振是 6MHz 指令周期是 2 s 中断服务需要执行 50 个指令周期 那么允许测量频率的上限就是 10KHz 如果执行时间减少到 20 个指令 周期 那么被测量频率上限就变为 25KHz 分站的传感器通道 1 和传感器通道 3 为频率信号 根据规定 传感器通道 1 200 1000Hz 的频率信号 0 4 的瓦斯浓度信号 传感器通道 2 0 5V 的电压信号 18 28 的温度信号 传感器通道 3 200 1000Hz 的频率信号 0 20PPm 的 CO 浓度信号 传感器通道 4 0 5V 的电压信号 40 70 的湿度信号 可以知道通道 1 和通道 3 的输入信号都是 200 1000Hz 的频率信号 所以 在测频 方面他们的思路基本都一样 只是在具体的信号处理方面有一定的差异 24 测频的思路为 首先 CPU 接收到来自传感器通道 1 或者传感器通道 3 的信号以后 首先启动 T0 定时器定时 1s 钟 开始定时的同时 T1 也开始计数 CPU 输入端口的脉冲 而 T0 定时器定时完成时产生中断即停止 T1 的计数 也完成了测量阶段 由于计数的周期 T 1s 所以计数的结果就是赫兹 f 1