矿井风向检测装置的毕业设计.doc

摘要确保矿井通风是煤矿安全生产的首要任务。然而，矿井通风风向检测装置能直接确定有毒气体和瓦斯气体的去向，能够为矿井安全生产提供保障。煤矿通风是一个需要长期探索的课题，设计一款符合要求的矿井风向检测装置能保证检测数据的可靠性。另外，该装置可用于多种恶劣环境下的煤矿生产基地，能快速、准确地检测出实时风向。本设计给出了符合设计要求的装置结构框图，软硬件均采用模块化思维。设计最初了解了常用测风向传感器的工作原理，通过学习各测风传感器的特性，综合考虑确定选用数字式传感器作为数据采集器件；其次，硬件电路设计以高性能的MSP430单片机为核心搭建硬件平台，具有数据采集、处理、通信、显示和报警功能；最后，软件设计阐述了该装置各模块的设计思想和主要的流程。关键词：矿井通风；风向；检测装置；传感器；单片机 AbstractTo ensure the mine ventilation is the top priority of the coal mine safety production However, mine ventilation direction detection device can directly determine the toxic gases and gas, can provide safeguard for the mine safety production of coal mine ventilation is a need long-term exploration project, design a meet the requirements of the mine direction detection device can ensure the reliability of the testing data In addition, the device can be used in a variety of harsh environments of coal production base, can rapidly and accurately detect the real-time wind.This design meet the design requirements of device structure diagram are given, the hardware and software adopts modular design thinking originally common understand the working principle of the wind sensor, by studying the characteristics of the wind sensor, considering the selection of digital sensor as the data acquisition device; Secondly, the hardware circuit design with high performance MSP430 single chip microcomputer as the core to build hardware platform, with data collection and communication, display and alarm functions; Finally, software design, this paper expounds the design of each module of the plant the thought and the main process.Key words:Mine ventilation; The direction of the wind; Detection device; The sensor; microcontrollerI目录引言11 绪论21.1 研究目的、意义21.2 研究现状31.3 研究内容41.4 研究目标42 装置设计总方案52.1 风向参数52.2 装置结构框图及工作原理 52.3 系统设计要求62.3.1风向检测参数的要求62.3.2传感器特性要求73 风向采集传感器83.1 传感器的特点和选型83.2 风向采集模块94 系统硬件设计124.1 MSP430的介绍124.1.1 MSP430的选型124.1.2 MSP430F149及其外围电路134.2 信号调理模块164.3 键盘输入模块174.4 报警模块184.5 显示模块194.6 串口通信模块214.7 系统电源模块225 系统软件设计245.1 风向采集模块245.2 键盘输入模块275.3 报警模块355.4 显示模块365.5 串口通信模块375.6 主处理模块395.6.1 主处理模块流程图395.6.2 主程序406 经济技术分析417 结论42致谢43参考文献44附录A 主流程图45附录B 主程序46附录C 外文翻译52附录D 外文文献56引言 煤矿井下风向的确定能保障工作人员的生命安全，对矿井风向进行检测可以及时了解井下有毒气体、瓦斯气体的去向，避免安全事故的发生。传统的风向检测多采用机械式传感器，采集速度和精度不高，而且井下巷道复杂，布线施工难度大，不易于维修，实际应用效果不理想。本设计提出运用绝对式光电编码器基于MSP430F149单片机的风向检测装置，一方面将采集到的实时风向数据通过串口通信传输至上位机；另一方面利用MSP430强大的数据运算和处理能力，将数字传感器采集的数字信号处理和运算，并通过键盘输入设置门限值，实现不正常情况下的告警或者正常情况下的LCD显示，实现实时性检测。 631 绪论1.1 研究目的、意义矿井通风是指矿井持续输送新鲜的空气，供给井下人员呼吸，稀释并排出有害有害气体和粉尘，改善矿井井下气候条件和救灾时控制风流的工作1。矿井通风是煤矿生产的紧要环节。矿井通风与矿井安全密切相关。煤矿挖掘存在瓦斯及其他有毒气体、粉尘、煤炭自燃物的严重威胁，搞好煤矿“一通三防”的工作，是煤矿安全生产的重要工作，也是为了防止重大灾害事故、实现煤矿安全情况最根本改善的关键。为了确保良好的煤矿作业环境，对瓦斯气体、煤尘颗粒和煤炭火灾事故提出切实可行的预防性措施，提高矿井的抗灾救灾能力，最经济、最合理的解决方法就是搞好矿井通风工作。考察我国适合高产高效煤矿生产集中化所需要的通风方式、通风装置、辅助通风技巧与经验及局部瓦斯气体处理方法等，是我们面临的主要任务。现代化的科技技术为矿井通风体系实现高度智能化提供了先决性条件。监控、处理、调控一体化的智能通风系统是煤矿通风技术发展的必然趋势。我们可以利用风向与风速传感器、风压传感器、甲烷浓度传感器等，对通风相关的状态参数能实现远距离自动监测，然后通过监控中心计算机对监测数据进行综合性的分析，最后由顶端控制系统和指令系统统一发出操作指令，自动控制风机的运行及风门等风量调节装置，实现对风量的最优分配的目的。一旦采煤工作面的瓦斯浓度超限安全危机时，该系统会通过指令系统发出相关的操作指令，通过空气流量自动化调节装置来控制空气供给量，或者驱动局部风扇加强通风效果，以达到快速稀释和彻底排除瓦斯气体，保障煤矿安全生产。总之，确保矿井通风是煤矿安全作业的首要任务。然而，矿井通风风向检测装置能直接确定有毒气体和瓦斯气体的去向。2近年来，我国多起煤矿事故发生，因此，一些预防性安全生产技术得到迅速发展，一些矿井通风风向检测装置应运而生。该装置利用流体力学的基本原理，使传感器的码盘产生不同的角位移，该位移所对应的格雷码通过单片机处理并显示在显示器件上，并通过设置安全阈值，实现超限时的告警。风向检测装置能够直接有效地检测风向，而且能对风向进行实时性监控，对突发事件做到及时性估测和调控，从而提高煤矿抗灾能力，供给井下充足的新鲜空气，清除、稀释井下有毒有害的气体，改善井下采煤的气候条件，创造良好的作业环境，提高对煤矿安全生产的能力3。1.2 研究现状矿井风向检测装置的发展主要集中在传感器和控制芯片的研究上。在传感器的研究方面，就目前来看，测量风向的传感器很多，其优缺点各不相同，针对测风条件和测风参数的要求不同选用不同的风向传感器。最具有代表的有皮托管式的传感器、热膜式的传感器、机械式的传感器和超声波测风传感器3。国外最有代表性的是由芬兰维萨拉公司设计的一款超声波风向传感器，该系列的传感器利用超声波探测水平风向。其测风量原理基于超声传输所用的时间，超声波从一个探头传达到另一个探头所用的时间是与风速和超声通道存在一定的关系，双向测量其传输所用时间，零风速发送与返回的传输时间是相等的。超声通道之间的风是顶风传输时间递增，而顺风传速时间递减4。通过对这两种传输时间的测量，425N型控制器计算通路间的风速风向。计算出的风向风速不受高度、温度和湿度的影响，能够在恶劣环境中进行测量。国内在风向的研究起步的比较晚，最比较有代表性的风向传感器有风杯测量仪，带有测量风向的重锤，其原理是风向传感器的变换器即为格雷码盘和光电组件，当风向标随风向变化随即转动时，通过其转轴带动格雷码盘在光电组件缝隙中转动，所产生的光电信号记录对应当时的风向的格雷码输出。测风传感器的变换器可采用精密的导电塑料电位器，因而在电位器的活动的以端输出变化的电流信号或电压信号。目前绝大数风向检测系统均采用该类传感器作为信号检测的感应器件。当然，国内超声波传感器也有所发展，但目前技术还存在些许不成熟，有待于研究和发展。在控制芯片的研究方面，风向检测装置根据所控制的芯片不同，大致归为两大类：（1）一类是以8位或16位的单片机作为控制芯片的硬件控制中心，这类芯片的特点是低功耗，功能简单单一，主要负责风向的原始信号的采集和存储，部分风向检测系统带有相关的显示控制电路，数据处理与分析主要通过借助上位机完成。例如：由河北工业大学的许世霞等人设计的以AT89S52单片机为主控单元的风向无线数据采集系统，其特点是建立在以微机为上位机、单片机为下位机的无线风向采集系统5；上海应用技术学院的张僖等设计的基于C8051型单片机的车载移动的风向仪设计6，这类测试系统由于存在控制芯片功能的缺陷，需要利用有线或者无线的通信方式与上位机取得联系，使用上位机实现采集数据的记录、存储和发送；（2）另一类是DSP、ARM为控制芯片的测试系统，DSP即数字信号处理器，是一种专用于实现各种数字信号处理的处理器，ARM是一微处理器行业的有名企业，设计了大批高性能、廉价、低功耗的精简指令集的处理器。DSP和ARM处理器因其自身具有强大的处理、控制功能，在采集系统可以发挥重大的功能，能够实现上位机才能完成的功能。例如：内蒙古科技大学的罗中兴设计的基于DSP超声风向检测系统的设计7。该类检测系统处理器能力强大，能代替上位机完成了采集数据的运算、显示、存储等重要功能，自带强大的外设还能满足各种各样的检测调试要求，独立于上位机成为采集分析系统。1.3 研究内容本设计相关的主要的工作就是设计一款拥有风向数据采集、处理、传输、显示或报警功能的矿井风向检测装置。开题初期，查阅国内外相关的科技研发、生产应用及理论设计方案，确定了风向检测装置的原理和系统结构，分析现有技术缺点，提出优化后的系统设计方案。在研究初期，对各类测风传感器的原理进行查阅和分析，结合测风条件与风向测定参数的要求和成本考虑，选用数字传感器作为风向检测的传感器。此外，使用LCD作为显示模块的主要器件。并根据满足测试的要求，选取单片机MSP430F149作为装置的处理和控制中心。装置硬件设计是本设计的重点内容，硬件电路设计是对系统设计方案的具体化实现。本装置采用模块化的设计思想，将装置根据其对应的功能进行具体的划分。硬件模块分为信号采集模块、调理模块、串口通信模块、显示模块、报警模块、电源模块，使用MSP430的实时时钟、复位电路和电源电路等外围设计。系统软件程序使用C语言，采用模块思维，植入程序，增强系统的可读性和稳定性，并结合其他软件对设计进行仿真和误差分析，使系统满足设计要求。1.4 研究目标本设计为矿井风向检测装置的设计，实现以下两种预期的功能：（1）实现检测的快速和准确，达到实时监测；（2）当实时风向不在安全风向阈值范围内时，系统会告警工作人员，以便做到及时性防危调控。2 装置设计总方案2.1 风向参数风是大气流体的水平运动的结果，然而，风向的变化是气压的梯度力、地转的偏向力和摩擦力三者共同作用的结果。实际上，风是一个三维空间的矢量，在地面气象观测中，所测量的风却是二维空间的矢量8。风向是指风的来向，一般用八、十六位表示，根据本设计要求用十六位表示法，以拉丁文缩写记录，如图2-1所示。 图2-1风向十六方位图Figure 21 wind azimuth figure 16风向在空间里的变化具有很多不确定性，尤其是摩擦层的大气运动并不均匀规则，因而存在各种不同尺寸的蜗旋位移，这些大小不同的蜗旋存在不同的运动方向，实际检测到的风是这些运动方向的综合检测结果。2.2 装置结构框图及工作原理 风向检测装置主要由风向信号采集模块、信号调理模块、单片机运算和处理模块、LCD液晶显示模块、串行通信模块、报警模块和系统电源模块组成，如图2-2所示。 串行通信模块 信号调理模块 MSP430 单片机键盘输入模块风向采集模块LCD显示模块 报警模块 系统电源模块 转换至各模块 转换至各模块 图2-2装置结构框图Figure 2-2 device structure diagram风向采集模块的研究主要是对风向传感器的研究上。风向检测传感器的感应元件为前端装有辅助性的单板式风向标，当风向变化时，风向标尾翼转动带动其转轴转动，同时转轴下端的格雷码盘随即在光电组件的狭缝中转动，产生的光电信号经放大整形后，输出对应当时风向且幅值为5V的四位循环码，分辨率为22.5，测量范围为0360，测量16个方位，循环码不同，方位不同。信号调理模块需要对传感器采集的信号进行进一步的处理，风向传感器输出的为一个四位循环码信号，再经过整形和倒相电路的调理。采集信号经过调理后，再经过MSP430单片机进行数据处理，将处理好的数据传输给显示模块，并通过串行通信模块与上位机通信，在满足检测实时风向不在安全风向阈值时，驱动报警模块。LCD显示模块对实时风向进行显示；报警模块将实现不安全实时风向的报警；串行通信模块用于系统调试，而且可以将采集数据上传到上位机显示和保存；键盘输入模块用来输入门限数据，为报警模块提供判断数据；该装置总电源模块采用12V的锂电池供电，通过各个稳压模块和转换模块提供各模块所需的工作电压源。 2.3 系统设计要求2.3.1 风向检测参数的要求本系统设计就是为了矿井风向检测的快速、准确，系统采用数字传感器。风向检测时，对实时风向进行记录和显示。风向采用标准的十六方位检测。风向方位、二进制码、循环码对应关系如表2-1所示。风向显示符号如表中的记录符号。表2-1风向方位、二进制码、循环码对照表Table 2-1 wind azimuth Binary code cyclic code table方位记录符号二进制循环码（格雷码）北N00000000北东北NNE00010001东北NE00100011东东北ENE00110010东E01000110东东南ESE01010111东南SE01100101南东南SSE01110100南S10001100南西南SSW10011101西南SW10101111西西南WSW10111110西W11001010西西北WNW11011011西北NW11101001北西北NNW111110002.3.2 传感器特性要求装置使用的是数字式传感器，能够直接将采集的非电量转换为能进行数据处理的数字量，不但可提高系统的稳定性和精确度，而且具有抗干扰力强，适宜远距离传输等优点，其特性特别能满足矿井风向检测的要求。其主要特性参数要求如表2-2所示。表2-2数字传感器主要特性参数Table 2-2 digital sensors main characteristic parameters测量范围起风风速精确度输出信号工作电压环境温度环境湿度十六方位0.5m/s5%电压信号DC 5V40550100%RH3 风向采集传感器风向测量已经广泛应用于气象监测、科学研究和工农业生产中，特别在煤矿生产中起着至关重要的作用。根据设计要求，对目前经常使用的五种测风传感器进行了了解，它们分别有皮托管式、热式、机械式、超声波式和数字式，分析了各自的工作原理，并归纳了各传感器的特性，根据现场工作条件和设计参数要求选定合适的传感器。3.1 传感器的特点和选型角编码器又称之为码盘，是一种旋转式的位置传感器，它的转轴与被测轴是连接的，跟随被检测轴一起转动。它能将被检测轴在码盘的角位移转换成二进制码或一串脉冲。角编码器有两种基本的类型：绝对式编码器和增量式编码器。本次研究对风向检测的精度要求不高，可采用四位二进制编码器，结合增量式编码器和绝对式编码器特点，本设计选用四位绝对式光电编码器作为风向传感器。对于n位的二进制码盘，是有n圈码道，且圆周均分个数据来分别表示其被测位置的不同，因此可推出其分辨角和分辨率9； （31） 本设计选用的编码器分辨率为22.5。在实际应用中，对光电码盘和电刷的要求相当严格，不然就会产生一定的非单值性误差。为了去除这种非线性值的误差，可使用循环码盘（格雷码盘）。如图3-1-(1)所示为一个四位得格雷码盘，与图3-1-(2)所示的BCD码盘相比，格雷码盘旋转时，任意相邻两个数码之间只存在一位的变化，因此通过每次变化只换一位数，可把误差控制在最小单位内10。 (1) 四位二进制码盘 (2) 四位格雷码盘图3-1光电式四位码盘Figure 3-1four photoelectric encoder由于径向各码道的透光和不透光，使各光敏元件中，受光的输出“1”，不受光部分输出“0”，由此组成n位二进制码。光电码盘的特征是不存在接触性磨损，码盘寿命比较长，其许可的转速较高。就光电码盘质料而言，使用不锈钢薄板所制成的码盘要比玻璃码盘的抗振性能要好，且耐不洁腐蚀性能好。 本设计具体选用的风向传感器是依据EC9-1传感器做成4位风向传感器，其参数符合表2-2，它使用的四位格雷码盘。该风向检测传感器的感应器件为前端带有辅助标板的单板式风向标。当风标随风旋转时，通过其转轴带动码盘旋转，每转动22.5时，位于码盘上下两侧的四组发光与接收光光电组件就会产生一组幅值为5V新的四位格雷码信号，该信号经过整形、倒相后串行输出。VCC工作电压为5V，GND是连接地线的接头，DO是串行输出接口。它采用二进制计数模式，读出来的不是风向，而是四位串行的格雷码，而且该装置配有防爆装置，其供电指标要求小于防爆装置规定电压（本安型），适用于化工，易燃，易爆环境中。其原理图如图3-2所示。 图3-2 EC9-1原理图Figure 3-2 EC9 1 schematic diagram3.2 风向采集模块 风向的采集即为一个圆周内（0360）循环码确定的指向。（1）由于光电编码器的四位格雷码具有唯一性，当风向短暂发生变化时，码盘的位置也随即发生变化，风向确定时，各光敏元件依据是否受光转换出相对应的四位电平信号，因此不予考虑正反风向；（2）风向是一个三维空间矢量，风向标尾翼受的气压梯度力不均匀分布，即使风向与风向标尾翼的受力面平行，可能二者方向相反，但因为气压梯度力始终会使风向标尾翼方向趋于风的去向，最终二者方向一致。因此不需要考虑风向与风向标的受力面平行的情况。风向检测传感器内部结构图如图3-3所示。 3-3风向检测结构内部图Figure3-6 Wind direction detection of internal structure diagram风向标受力作用时会带动转轴转动，同时码盘随之转动，风向标稳定时，码盘所转角度一定，此刻角度的绝对值位置的四位光电耦合回路导通，采集的信号即为此刻所对应的循环码，然后通过NPN型集电极开路串行输出。其中四位光电耦合回路如图3-4所示，放大整形部分设计在后面调理电路中研究。 图3-4四位光电耦合回路Figure 3-4 four photoelectric coupling circuit如上图所示，左侧为四个发光二极管，右侧为四个光敏三极管，光敏受光时输出电位“1”，不受光时输出电位“0”，其虚影部分为不透光区，空白地区为透光区，可读出输出的四位电平为“0101”，其串行输出波形如图3-5所示。 图3-5串行输出“0101”波形图Figure 3-5 serial output waveform figure of 0101在某一特定的角度方位内，四个光电耦合回路输出指定的四位格雷码，输出的该信号为风向的去向循环码，由表3-1可知再经过信号幅值变换、倒相整形为风的来向循环码。又由表2-1所知，当前来向循环码经过单片机转换为二进制码，并经过数据处理，通过当前位置的二进制判断风向。角度范围、来向和去向循环码对应表如表3-1所示。表3-1角度范围、来向和去向循环码对照表Table 3-1 the wind range and to cyclic code corresponding to the table（来向）循环码（去向）循环码中心角度角度范围111100000.0348.7611.251110000122.511.2633.75110000114533.7656.251101001067.556.2678.75100101109078.76101.2510000111112.5101.26123.7510100101135123.76146.2510110100157.5146.26168.7500111100180168.76191.2500101101202.5191.26213.7500001111225213.76236.2500011110247.5236.26258.7501011010270258.76281.2501001011292.5281.26303.7501101001315303.76326.2500011000337.5326.26348.754 系统硬件设计风向检测传感器的功用是实现信号的变换，而装置的硬件电路则主要用来完成信号的输入和输出操作，是各种功能设计的具体实现。该装置使用模块化的设计理念，方便于装置的调试、移动和扩展。根据装置的设计要求，本设计对硬件电路提出了针对如下功能的分步设计要求：(1)为测试系统选定一款高性能、低功耗的控芯片，优越的片内外设能简化系统外围电路，另外丰富的接口便于系统功能扩展。(2)能够对风向信号实施实时采集，风向信号转换为电压信号，则该检测装置需要设计符合控制芯片处理的信号调理电路，将采集信号转换为控制芯片能够处理的形式。(3)系统使用MSP430文件系统进行管理，存储数据可以直接被上位机读取。(4)LCD1602液晶显示模实现实时风向的显示，同时解决了上位机体积大、不利于移动的问题。(5)设计串行通信接口，便于传感器与单片机的通信，同时，也实现单片机与上位机通信。(6)设计键盘电路，用于人机交互。(7)设计报警电路，用于不安全风向时的告警，实现矿井的安全通风。4.1 MSP430的介绍MSP430系列的单片机是由美国的德州仪器（TI）公司在1996年上市的一种超低功耗的16位MSP430单片机11。它是一款具备功耗小、采用精简指令集（RISC）的混合信号处理器。被称为混合信号处理器，由于该单片机针对实际应用需要，因此将各个不同功用的数字电路、模拟电路模块和微处理器模块集成在一个芯片上，该类型的单片机大多使用于需要电池供电的便携式仪器装置中。4.1.1 MSP430的选型MSP430F149单片机作为一款发展迅速而成熟的单片机，本设计选用MSP430F149作为核心硬件12。1）MSP430F149的组成l 基础时钟模块，其中包含一个数控振荡器(DCO)、一个高速的晶体振荡器和一个低速的晶体振荡器。l 看门狗定时器：Watch Timer，可设置成通用定时器。l 带有3个捕获/比较寄存器16位定时器：Timer_A3。l 带有7个捕获/比较寄存器16位定时器：Timer_B7。l 两个含有中断功能的8位并行端口：P1和P2。l 四个8位并行端口：P3、P4、P5与P6。l 一个模拟比较器：compator_A。l 片内12位的A/D转换模块：ADC12，自带采样保持。l 双通道串行通信接口，可使用于异步或同步通信：USART0和USA1T1。l 一个硬件乘法器。 2）MSP430F149的特点l 工作于低电压（电压适用范围是1.8V3.6V）。l 超低功耗。在休眠条件下上作电流只有0.8A；该条件下(2.2V、1MHz)工作电流仅有280A。l 能采用中断请求将CPU从低耗模式下唤醒，而且只需要6s。l 快速的指令执行时间。MSP430F149为16位RISC结构，指令周期为150ns。l 片内有12位A/D转换器，片内提供参考电压。A/D转换器具有采样保持和自动扫描特点。l 具有灵活的时钟设计。l 方便的调试功能。l 该系列的单片机属于FLASH型的，能够实现擦写，而且该单片机提供JTAG口，可以很好的实现在线调试和仿真功能。利用集成的IDE开发环境，能够使用户很容易实现调试程序。l 单片机内提供较多集成的模拟信号比较器和储存器。l 串口通信模块，USART0 USART1。l 提供外部Pl.0P6.0六个I/O端口，可为用户提供更多的处理功能外接端口。l 安全熔丝的程序代码保护。4.1.2 MSP430F149及其外围电路 MSP430F149单片机最小系统电路图如图4-1所示。 图4-1最小系统电路图Figure 4-1 minimum system circuit diagram MSPF430F149单片机电路作为整个装置的控制中心，主要实现与其他模块电路接口的联结，然后将得到的数据进行处理，将处理的数据表现出来，比如液晶显示或报警。从MSP30F149最小系统电路可以看出，该单片机外部接口电路相当简单，均采用单片机外部一般I/O口与其他模块电路的联结，与其他单片机相比，该单片机在时钟电路设计上存在以下差异，该单片机拥用两个时钟的输入，一个32kHz和一个8MHz的时钟信号。该单片机的时钟均采用晶体振荡器来实现。考虑到电源的输入纹波，因此在电源的管理脚增加一个0.1F的滤波电容，用来减小对输入端的干扰。另外考虑到模拟电源输入端的干扰问题，在该装置中的干扰比较小，因此需要模拟地和数字地共地，模拟电源输入端需增加一个滤波电容用来减少干扰。 1）电源电路 由于MSP430F149单片机的工作电压一般是1.83.6V，并且功率极低。为了简化装置，本装置使用电池供电，单片机电源系统采用3.3V供电，因此选用TPS76033芯片直接提供单片机3.3V的电源。考虑到该最小系统对电源要求稳定可靠和纹波小等特性，并且根据最小系统的低耗特点，故该最小系统的电源电路采用美国德州仪器公司的TPS76033芯片来实现，该芯片能很好的满足该硬件的设计要求。为了满足输出的电源纹波小，在输出端使用一个2.2F和0.1F的电容，而且在该芯片输入端也安置一个0.1F的滤波电容，可以减少对输入端的干扰。电源电路具体如图4-2所示。 图4-2电源电路图Figure 4-2 power supply circuit diagram2）复位电路 在单片机系统里，单片机需要复位电路，复位电路可以使用简单的RC复位电路，也可以采用可靠性较高的复位芯片，RC复位电路虽然具有较好的经济性，但其可靠性不高，然而使用复位芯片就能保障复位电路的可靠性，所以该最小系统选用MAX809芯片作为复位电路的芯片。为了减小电源对最小系统的干扰，需要在复位芯片的电源输入端增用一个0.1F的滤波电容，用来减少对输入端的干扰。复位电路如图4-3所示。 图4-3复位电路图Figure 4-3 reset circuit diagram 3）时钟电路对于起振时间要求不高的最小系统，如图4-1所示就可保障最小系统可靠起振并能够稳定运行。MSP430F149单片机拥有两个时钟输入。考虑到低功耗的要求时，采用的时一个32kHz的时钟信号；考虑到串口通信速率时，需要使用一个8MHz的时钟信号。该系统的时钟部分都是采用晶体振荡器实现的。系统时钟电路如图4-1所示可知。4.2 信号调理模块风向传感器输出高电平5V、低电平0V的方波信号。需要通过脉冲信号调理电路转换成标准的3.3V方波信号才能输入到MSP430F149引脚进行数据处理 ，而且输出的四位格雷码是风的去向码，需要经过反向施密特触发器的倒相整形成风的来向码。如图4-5所示。采用连接器J2，2接口为串口通信接收端，它将传感器输出的5V电压信号传输给调理电路，1接口为保护接地端。图中前端0.1F电容用于隔直通交，1k电阻用于限流。调理电路使用了3.3V的稳压管和74HCl4反相施密特触发器，分别用于信号稳压、倒相整形。 图4-4信号调理电路Figure 4-4 signal conditioning circuit 1）稳压电路 本稳压电路采用型号为IN5226的精密稳压管，该稳压管功耗为0.5W，稳压值为3.3V，是一种由特殊工艺制成的面接触型低功耗硅二极管，与普通的二极管相比，其正向特性类似，反向特性比较陡峭，工作区域分布在反向击穿区。 2）倒相整形电路 信号的倒相整形需要经过74HCl4实现，它是由CMOS门组成的六反相施密特触发器，用于信号整形。当输入的信号受到干扰产生畸变时，通过使用施密特触发器的回差特性，将信号整形成标准的矩形波。74HCl4通过正向、反向输入阈值电压来控制输出信号的状态是维持稳定还是翻转，从而输出边沿陡峭的矩形脉冲。74HC14的极限参数如表4-1所示。表4-1 74HC14的极限参数Table 4-1 74 hc14 limit parameters符号参数大小VCC/V电源电压4.755.25VT+/V正向输入阈值电压1.41.9VT-/V反向输入阈值电压0.51HYS/V输入滞后0.40.8IOH/m A高电平输出电流0.4IOL/m A低电平输出电流8TA/工作温度0704.3 键盘输入模块键盘输入电路主要是用来完成对数据的输入，已达到人机交互的效果，本设计该模块用来为报警模块提供判断比较数值。该系统的键盘设计是采用扫描方式实现的矩阵键盘。该系统的键盘电路图如图4-5所示。该矩阵扫描键盘由行线与列线组成，P1.2、P1.3、P1.4、P1.5和P1.6构成键盘的行线，Pl.0和Pl.1构成键盘的列线。键盘的行线作为键盘的控制输出端，键盘的列线作为键盘的输入端。本设计模块的键盘列线采用Pl.0和Pl.1，可以使用该管脚的中断功能。当没有按键按下时，Pl.0和Pl.1管脚的电平均为高电平，若有按键按下情况下，则其对应的列线管脚为低电平，通过依次设置P1.2、P1.3、P1.4、P1.5和P1.6为低电平触发中断方式，低电平触发中断进入中断服务程序，从而获得输入的数据。 图4-5键盘电路图Figure 4-5 keyboard circuit diagram 该键盘的具体工作原理：首先将P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6.设置为输出方向，将P1.0和P1.1设置为输入方向，并将P1.0和P1.1设置为低电平触发中断方式；将P1.6设置为低电平，如果该行上有按键按下时，则P1.0或者P1.1上为低电平，就会触发中断，进入中断服务程序，从而获得输入的数据。如果没有按键按下的话，则P1.0和P1.1上为高电平，不会进入中断服务程序。依次将P1.5、P1.4、P1.3、P1.2设置为低电平来判断该行是否有输入，如果没有输入时，P1.0和P1.1均为高电平，如果有输入的话，P1.0或者P1.1上为低电平，就会触发中断，进入中断服务程序，便可获得输入数据。4.4 报警模块该模块主要用来是驱动一个蜂鸣器，需要将蜂鸣器的一端接地，另一端与单片机进行联结。然而驱动该蜂鸣器需要适用于功率放大的器件，本模块采用LM386功率放大器。LM386是一种音频集成功放，它具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压工作范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛适用于录音机和收音机13。LM386的内部电路原理图如图4-6所示。其内部电路原理与通用型集成运放相似，它具有三级放大电路。 图4-6 LM386内部电路原理图Figure 4-6 LM386 internal circuit principle diagram 如图4-6所示,引脚2为反相输入端，3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源端和接地端；引脚1和8为电压增益设定端；使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取10F。 查LM386 相关数据14，静态消耗电流为4mA；电源电压为412V或518V；电压增益为20200dB；当1、8脚开路时，带宽为300KHz；输入阻抗为50K；音频功率0.5W。 尽管LM386的应用非常简单，但稍不注意，特别是器件上电、断电瞬间，甚至工作稳定后，当插拔音频插头或旋音量调节钮等时都会带来瞬态的冲击，会在喇叭里产生烦躁的噪声。如图4-7，将LM386的IN+口与MSP430F149的P2.5端口通过一个100的电阻相连接，来实现报警驱动。 图4-7报警电路图Figure 4-7 alarm circuit diagram4.5 显示模块装置的显示电路采用LCD液晶显示器显示，该显示器能满足设计的要求，也很容易实现。本设计采用LCD1602来显示风向方位所对应的汉字（如“东北”），LCD1602是一款用来专门显示字母、数字、符号等信息的点阵型液晶模块15。其主要参数如表4-2。表4-2 LCD1602主要技术参数Table 4-2 LCD1602 main technical parameters显示容量（字符）工作电压最佳工作电流最佳工作电压字符尺寸1624.55.52.0mA5.0V2.954.35mm 1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，本设计采用14脚接口，各引脚接口说明如表4-3所示:表4-3 LCD1602引脚说明表Table 4-3 LCD1602 pin description table编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5RW读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极LCD1602液晶显示模块的读写操作、屏幕与光标的操作都是通过指令编程来实现的，表4-4为LCD1602的控制命令，表中给出了11条指令，这些指令包括清显示、光标返回、置输入模式和显示开/控制等等，其中1为高电平，0为低电平。表4-4 LCD1602控制命令表Table 4-4 LCD1602 control command table序号指令RSRWD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000002光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000000S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生贮存期地址0001字符发生存储器地址8置数据存储器地址001显示数据存储器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10CGRAM或DDRAM10要写的数据内容11从CGRAM读数11读出的数据内容 如图4-8显示电路，该电路直接可与单片机的数据I/O口进行连接，其中VSS为电源地，VDD为电源正极，接5V电源，RS为数据命令选择，RW为读写命令选择，D0D7用来接收数据，由于MSP430F149具有丰富的I/O口资源，故本设计采用并行的接口方式，提高引脚的利用率，同时可增加装置的可靠性。P4.04.7是用来显示数据，分别与对应LCD1602的D0D7相连接，P2.2、P2.3和P2.4是用来控制液晶显示器的选通状态。P2.2与LCD1602的RS端相连接，用来控制数据命令，P2.3与RW相连接，用来控制读/写操作，P2.4与使能端E相连接。 图4-8显示电路图Figure 4-8 display circuit diagram4.6 串口通信模块 该模块主要用来完成单片机与上位机的通信，单片机系统将采集到的数据送到上位机进行累计分析处理，从而减轻单片机系统的处理负担，提高装置的可靠性。然而单片机与上位机进行通信时接口电平存在差异，需要进行相应的接口转换，这里采用MAX485驱动芯片搭建接口电路。常见的异步串行通信的接口标准有RS-485、RS-232、RS-422和RS-423等，一般采用简单易行、应用广泛的RS-485或RS-232，又因为上位机位于井上工作，考虑到传输距离的要求，因此本设计采用RS-485通信标准。RS-485标准接口是单片机系统常用的一种串行总线之一。与RS-232比较，其性能有许多改进。其细节差异见表4-5。表4-5 接口标准RS-232与RS-485的细节差异表Table 4-5 interface standard RS - 232 and RS - 485 details difference table接口RS-232RS-485操作方式单端差动方式最大距离/m15(24kbps)1200(100kbps)最大速率200kbps10Mbps最大驱动数目132最大接收器数目132RS-485接口可连接成半双工和全双工两种通信方式16。本设计采用的MAX485是常见的半双工通信芯片。它采用的封装由DIP、SO和u MAX三种，本设计采用DIP封装。其端口功能说明如表4-6。表4-6 RS-485端口说明Table 4-6 RS - 485 port符号端口说明ROAB=200mV，RO=1接收器输出使能端，低电平有效DE驱动器输出使能端，高电平有效DI驱动器输入端A同相接收器输入和同相驱动器输出