煤矿井下风量风压监测仪

摘要煤炭作为我国的主要的一次性能源，在我国国民经济占有非常重要的地位。近年来，我国煤炭行业安全生产形势有所好转，但是由于煤矿作业环境极其恶劣，同时还受多种自然灾害的威胁，导致煤矿事故还是时常发生，煤矿行业的安全生产仍然面临着非常严峻的形势。目前，我国绝大部分煤矿的井下风量、风压监测系统还没有完善，这样就会不利于实现井下局部通风机的系统化管理。本论文是在阅读了大量的书刊的基础上，设计出了一种是用于煤矿井下的风量、风压监测系统。硬件电路是以LPC1778单片机为核心的控制芯片，LPC1778单片机内的高速AD转换器可以将压力变送器采集的静压模拟信号转换成数字信号传入到单片机，单片机进行计算处理后得到风量和风压的数值。测量的风量、风压数值既可以利用液晶显示器进行实时显示，又可以实现通风机发生通风故障后做到停风报警。硬件电路包括传感器、数模转换、数据采集、报警装置、电源装置等电路设计。此测量系统不仅可以实现数字显示功能，还可以将测量的结果转换成标准的频率信号通过井下的分站向上位机传输。当风量和风压超过限定值时，会自动发出报警信号。整个测量系统安装简单、测量精度高、占用空间小、使用方便、可靠性高，可以广泛应用于风硐中的风量和风压的监测。关键字风量；风压；监测；单片机；ABSTRACTASAMAJORFOUNDATIONENERGY,COALINDUSTRYPLAYSANIMPORTANTROLEINOURCOUNTRYSECONOMYINRECENTYEARS,THESITUATIONOFSAFETYINPRODUCTIONOFTHECOLLIERYHAVEBEENIMPROVEDINCHINA,BUTTHEACCIDENTSHAPPENOCCASIONALLYWITHTHEADVERSEWORKINGCONDITIONSANDTHEINFLUENCEOFTHENATURALDISASTERTHESITUATIONOFSAFETYINPRODUCTIONFORCOALMINEISRATHERCRITICALNOW,MOSTUNDERGROUNDCOALMINESINCHINAARENOTSUPPORTINGTHEWIND,AIRPRESSUREMONITORINGDEVICESINREALTIMESOTHESYSTEMATICALMANAGEMENTOFTHEMINELOCALFANSCOULDNOTBEEASILYREALIZEDINTHISPAPER,READALOTOFLITERATURE,BASEDONTHEDESIGNOFACOALMINEFORTHEWIND,AIRPRESSUREMONITORINGSYSTEMINREALTIMELPC1778SINGLECHIPMICROCOMPUTERASTHECORECONTROLWHICHPRODUCEDBYTITHEHARDWAREDESIGNINGOFTHESYSTEMCOULDBEGREATLYREDUCEDBYPLENTYOFPERIPHERALSONCHIPWHICHALSOCOULDIMPROVESYSTEMRELIABILITYITNOTONLYAVOIDTHEENGINEERINGPROBLEMSUCHASINVALIDATIONOFTHEAIRFLOWMEASURINGACCURACYOFTHESYSTEMCOULDBEIMPROVEDHARDWARECIRCUITINCLUDESPOWERCIRCUIT,DATAACQUISITIONANDAMPLIFYINGCIRCUIT,LCDINTERFACINGCIRCUIT,SIGNALOUTPUTCIRCUIT,ALARMCIRCUITANDSOON,MEASURINGSYSTEMHASFUNCTIONOFREALTIMEDISPLAYOFMEASURINGDATA,ALSOCOULDCONVERTMEASURINGDATATOSTANDARDFREQUENCYSIGNALSANDTRANSFERTHESIGNALSTOUPPERCOMPUTERTHOUGHUNDERGROUNDSUBSTATIONMEASURINGSYSTEMHASMANYADVANTAGESSUCHASSMALLNESS,USINGSIMPLE,CONVENIENTINSTALLATIONANDHIGHRELIABILITY,SUITABLEFORALLKINDSOFMINELOCALFANSKEYWORDAIRFLOWAIRPRESSUREMONITORSINGLECHIPMICROCOMPUTER目录第一章绪论111引言112设计的主要内容113论文的设计思路和章节安排1第二章风量风压测量原理221静压差测量原理222压差传感器3221压差传感器的工作原理4第三章系统硬件电路设计431风量风压监测仪整体硬件结构432处理器的选取5321ARM技术简介533LPC1778系统及其外围电路934电源电路设计935数据采集放大电路1036LPC1778单片机内的AD转换模块1237液晶显示电路1238信号输出电路1339停风报警电路14第四章系统软件开发1641软件开发环境1642系统软件整体流程1743ADC12模块程序设计1844液晶模块程序设计1945数据采集处理模块程序设计2546停风报警电路程序设计27第五章总结与展望2851总结2852展望28参考文献29翻译部分30英文原文30中文翻译38致谢43第一章绪论11引言我国是一个“汽少煤多”的大国，也是一个能源缺乏国家。煤炭作为我国重要的基础能源和基础原料，在国民经济中占有极其重要的战略地位。在我国一次能源结构中，煤炭将长期是主要能源，广泛的应用于发电、钢铁等行业。2007年，我国的煤炭产量将超过25亿吨。中国能源发展报告中指出，以1990年煤炭保有地质储量以及今后经济的增长需求以152的增长率来计算，我国煤炭动态可供开采时间约为118145年。近年来，我国煤炭工业取得了长足发展和进步，煤炭产量持续增长。但是，每年煤矿事故总是接连不断，造成了大量的人身和财产损失。矿井通风是煤矿安全生产的基础，它不但具有向井下各用风地点输送新鲜风流，保障井下作业人员呼吸的重要功能，同时，还肩负着稀释、排除矿井瓦斯与粉尘以及作业区间的降温等重任。目前用通风方法排放的瓦斯约占全矿井瓦斯量的8090，采煤工作面涌出的瓦斯量的7080。也是靠通风方法排除；同时，通风方法可排除装有抑尘装置的采煤工作面粉尘量的2030排除深井采煤工作面热量的60。煤矿安全规程第127条规定掘进巷道必须采用矿井全压通风或局部通风机通风。随着计算机技术和智能传感技术的不断发展，这些技术己经逐步应用于矿井各种通风安全设备，成为矿井监测系统最常用、有效的技术手段。本论文研究的煤矿通风机风量风压实时监测仪正是针对井下通风机的结构特点来进行设计开发的。本系统可以实时监测井下局部通风机的风量和风压，并实现监测数据的实时显示和停风故障报警。能够及时掌握井下通风机的运行状况，确保煤矿的生产安全，对矿井局部通风安全管理水平和经济发展都有着非常重要意义。12设计的主要内容本文所设计的主要内容是针对目前国内煤矿的通风机监测系统不能实时监测煤矿井下风量、风压数据的这个问题而引出的，其中的目的在于设计出一种可以实时监测煤矿井下通风机风量、风压的仪器，并可以实现停风报警功能，方便井上管理。本文通过查阅大量文献以及目前国内煤矿安全生产监控和局部通风机监测监控系统的基础上，确定了本文的主要设计内容如下1通过查询相关资料了解了风量风压监测仪的工作原理，然后作出整个设计的具体方案。2根据第一步中对监测仪工作原理的了解和设计方案，首先设计出系统的硬件部分，然后选取合适的单片机控制，完成监测系统的硬件电路设计。3根据设计的硬件设计电路的功能和芯片资料，然后设计出整个系统的软件流程图，并且详细的把设计中提出的各个软件模块进行叙述。4根据对整个论文设计工作进行总结和对下一步的工作进行展望。13论文的设计思路和章节安排本论文的设计内容是运用流体力学的相关理论和计算方法，结合单片机技术和数字电子技术等进行设计的。利用静压落差法来测量通风机的风量和风压。系统使用的压差传感器把采集的静压信号将其转换成相应的模拟信号。LPC1778单片机内的AD转换器可以将压差传感器采集的静压模拟信号转换成数字信号传入到单片机，单片机进行计算处理后得到风量和风压的数值。测量的风量、风压数据既可以利用液晶显示器进行实时显示，又可以实现通风机发生通风故障后做到停风报警。整个论文的组织结构章节安排如下所示第1章绪论。简要的描述了风量风压监测仪的设计背景和意义以及本设计的思路和主要设计内容，并介绍了论文的章节安排。第2章讲述风压、风量测量的原理。详细叙述了系统风量、风压的测量原理。引用了静压落差法的推导过程和计算公式计算出所需的数据。第三章系统硬件电路设计。首先确定了系统的整体硬件设计，接着对主控芯片进行了比较和选型。最后分析了硬件各个组成部分的原理和在本设计中的应用，包括供电电源模块、数据采集模块、液晶显示模块、停风报警模块。第四章系统软件设计。详细介绍了C语言的编程特点，嵌入式工作的功能特性和使用方法。详细叙述了各个模块的编程方式和程序流程，并给出了相应的软件流程图。第五章总结与展望。全面总结了本文的主要内容，并对进一步的工作进行了展望。第二章风量风压测量原理21静压差测量原理本文讲述的局部通风机风量、风压监测仪采用静压落差法来测量局部通风机的风量和风压。在局部通风机扩散筒处两端安装静压环采集静压信号，通过静压下方的计算公式可以计算出风速、动压等数据。最后通过计算得出局部通风机的全压和风量。而根据下方的伯努利方程和连续方程可知，在同一流管中流速大时，静压小；流速小时静压大。通过在局部通风机扩散筒两端安装静压环分别测得两端的静压，进而可以求得局部通风机的风量和风压，即通过截面2的风量和全压。图21局部通风机示意图由于风流在通风机流动过程中存在着损失，截面1的气流总压比截面2的总压要小一点。为了把损失的气流计入，在引入伯努利方程中，即2122211P式中空气密度，KG/M3；1一一截面1的静压，2P一一截面2的静压，1一截面1处的风速，M/S，2一截面2处的风速，M/S；一一两截面间的压强损失因数。又根据连续性方程2221A式中，1A一一截面1的截面面积,2一一截面2的截面面积将公式21和22）结合可以得到截面两端的静压差和通过截面2风速的关系，即（23）A1221式中P一一两端测量出的静压差，在引入压强落差因数。（24）A21将式24代入23中可以得到（25）2由上面的式子可以看出两截面之间的静压差和气流动压之间存在着比例关系，而把其比例系数称为压强落差因数。的大小与两截面的面积比以及两截面间能量损失等因素有关。这样只要在截面2处安装相应的风速测量装置，根据和2的关系就可以确定。一旦知道了值那么只要测得到值就可以直接得到风速的值。本论文就是通过试验的方法测量压强落差因数的。把压强落差因数作为己知量，就可以得到通过截面2的风速为（26）2即通过截面2的全压等于动压加上静压。（27）221T式中，T截面2的全压，PA。同样可以求得通过截面2的风量为（28）A6022F式中，F一一通过截面2的风量，M3/MIN。传统的风量风压测量方法测量困难，误差大，由于井下测风环境恶劣，存在着严重的视觉对准误差、人工定时误差、表盘读数误差，往往导致风速测定值的严重失真，影响风速及风量的测量准确性。而采用压强落差法不仅可以提高测量的精度，而且避免了皮托管因极易堵塞而造成风量测量失败。22压差传感器压差传感器是一种用来测量两个压力之间差值的传感器，通常用于测量某一设备或部件前后两端的压差，然后将压力信号转变成420MADC信号输出。本文就是需要这样的压差传感器压力变送器）。因为由于静压环采集的静压信息无法被单片机直接检测到，所以需要使用压差传感器将微弱的静压信息转换为单片机能够检测的电压或电流信号。压差传感器的优点1具有较高的灵敏度系数和分辨率，能响应徽弱信号的微小变化。2在检测范围内具有好的线性度，输人信号与输出信号间能保持基本不变的比例关系。3具有防噪音的功能，使其对噪声具有相当的抑制能力，以利于信号的提取。4具有较高的可靠性。这样，才能确保被测信号在转换过程中对数据准确性的判断，有利于信号携带的信息能更完整的传送到单片机中。221压差传感器的工作原理电容式压力变送器是当采集到的压力直接作用在测量膜片的表面，使膜片产生微小的形变，测量膜片上的高精度电路将这个微小的形变变换成为与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，然后采用专用芯片将这个电压信号转换为工业标准的42OMA电流信号。由于测量膜片采用标准化集成电路，所以可以做到高精度和高稳定性，变送电路采用专用的两线制芯片，可以保证输出两线制42OMA电流信号，方便现场接线。据以上的问题考虑设计是应选用的压差传感器的量程为0500PA，精度在5之间，输出的电流为420MA。第三章系统硬件电路设计31风量风压监测仪整体硬件结构本文所设计的风量风压监测仪是以LPC1778为处理器。从整体上来看，首先在风机的扩散筒前后安设两个静压环采集静压信号通过压差传感器传输到运算放大器，放大器把微弱的模拟信号进行放大后传送到单片机里的模数转换，经过A/D转换器转换成单片机所能识别的数字信号。通过单片机给液晶显示器发信号进行显示。此时如检测到的信号小于预算值，单片机输出高电平电路导通闭合继电器触发报警装置。整个系统包含以下几个部分供电电源电路，数据采集电路，A/D转换电路，停风故障预警电路、频率输出电路、数据的实时液晶显示电路。总体结构如下图所示图31硬件结构框图32处理器的选取321ARM技术简介在矿井风量风压监测仪等电子产品的设计中，首先要考虑的是单片机型号的选择。除了考虑到单片机的功能和其开发环境外，还应考虑到处理器本身的稳定性和它所能提供的外设功能。根据监测装置所需要的功能等方面考虑，本文采用NXP公司的LPC1778ARM处理器芯片为主控芯片，它是一款性能稳定功能强大的32位ARM处理器。LPC1778基于CORTEX_M3内核的ARM处理器系列推出时间并不长，但是由于其功能强大性能稳定和片内外设丰富等特点，应用也越来越广泛。最初的ARM处理器由英国剑桥的ACORN计算机公司（ARM公司的前身）设计。1990年11月ARM公司成立于英国剑桥的一个谷仓里，作为嵌入式RISC处理器的知识产权IP供应商，它不自己生产和销售芯片只转让设计许可，有它的伙伴公司生产各种各样的芯片。经过20多年的发展，公司规模由起初的12人增加到现在的一千多人。ARM现在已经拥有100多个合作伙伴，ARM微处理器占据了32位RISC芯片75的市场份额。作为32位嵌入式微处理器的行业领先芯片，到目前为止，已推出各种各样基于通用体系结构的处理器，这些处理器具有高性能和行业领先的功效，而且系统成本也有所降低。ARM与业电源压差传感器信号放大A/D转换单片机信号输出（RS485）停风报警液晶显示界最广泛的体系（拥有超过750个可提供硅、工具和软件的合作伙伴）相结合，已推出的一系列20多种处理器，几乎可以解决每个难题。迄今为止，ARM以生产超过200亿个处理器，每天的销量超过1000万，是真正意义上的数字世界的体系结构。采用ARM技术IP核的微处理器遍及通信、汽车电子、工业、军事、消防等、各个领域。ARM技术可以说是无处不在。ARM处理器具有耗电少、功能强、16位/32位双指令集；合作伙伴众多的优点。具体来说，有以下六个主要特点（1）体积小、低功耗、低成本和高性能。（2）支持THUMB（16位）/ARM32位双指令集，能很好地兼容8位/16位器件；（3）大量使用寄存器，指令执行速度更快。（4）大多数数据操作都在寄存器中完成。（5）寻址方式灵活简单，执行效率高。（6）指令长度固定此外，数据存取指令的执行时间远远大于寄存器内部数据的操作指令的执行时间。因此，RISC处理器都采用了LOAD/STORE结构，只有专门的访存指令才可以与存储器打交道，其余指令不能进行存储器操作。ARM也是采用了LOAD/STORE结构，具有专门的LOAD/STORE指令。同时，为了进一步提高指令和数据的存取速度，有的ARM处理器还有专门的指令高速缓存ICACHE和数据高速缓存DCACHE。ARM公司专于设计，设计出的ARM处理器具有稳定性高、成本低、性能好、功率小的特点。ARM处理器可以分为ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、ARM11和CORTEX等多个系列，每个系列都有各自的特点和性能。在本文中则选用ARMCORTEXM3内核的单片机。322基于CORTEXM3内核的LPC1778芯片概述（1）芯片概述LPC1778是ARMCORTEXM3嵌入式微控制器具有较高水平的集成放大器和低功耗ARMCORTEXM3是最新一代内核。LPC1778芯片功能介绍如下所示表31LPC1778芯片功能介绍1LPC1768CORTEXM3微控制器的操作频率可达到100MHZ2LPC1768CORTEXM3CPU具有3级流水线，代独立的本地指令和数据总线以及用于外设的性能稍低的第三条总线。ARMCORTEXM3CPU还包含一个支持随机跳转的内部预取指单元。3LPC1768CORTEXM3微控制器的外设组件包括高达512KB的FLASH存储器、64KB的数据存储器。4以太网MAC、USB主机/从机/OTG接口58通道的通用DMA控制器、4个UART、2条CAN通道、2个SSP控制器、SPI接口、3个I2C接口、2输入和2输出的I2C接口68通道的12位ADC、10位ADC7电机控制PWM、正交编码器接口8带独立电池供电的超低功耗RTC和多达70个的通用I/O引脚2ARMCORTEXM3处理器ARMCORTEXM3是一个通用的32位微处理器，它具有高性能和超低功耗的特性。CORTEXM3还提供许多新的特性，包括THUMB2指令集、低中断延时、硬件除法、可中断/可持续的多次加载和存放指令、对中断的自动状态进行保存和恢复、紧密结合中断控制器与唤醒中断控制器、多条内核总线可同时用于访问。采用这样的流水处理技术，使得各个器件的处理和存储器系统可以连续进行操作。通常，当一个指令正在执行时，第二个指令正在进行解码，而第三个指令正在存储器中被取指出来。3CORTEXM3配置选项系统选项包含嵌套的向量中断控制器NVIC。NVIC包括SYSTICK定时器包含唤醒中断控制器WIC。WIC可实现更有效的选项，将CPU从低功耗模式中唤醒；包含存储器保护单元MPU；包含ROM表。ROM表提供了调试部件到外部调试系统的地址。调试相关的选项包含JTAG调试接口；包含串行线调试。串行线调试允许仅使用两条线进行调试操作，简单的跟踪功能可增加第三条线；包含嵌入式跟踪宏单元ETM。ETM提供指令跟踪功能；包含数据观察点和跟踪DWT单元。DWT允许数据地址或数据值匹配为跟踪信息或触发其它事件。DWT包含4个比较器和计数器以用于特定的内部事件；包含指令跟踪宏单元ITM。软件可写ITM以发送信息到跟踪端口；包含跟踪端口接口单元TPIUTPIU编码并向外面提供跟踪信息。这可以在串行线浏览器管脚SERIALWIREVIEWERPIN或4位并行跟踪端口上实现；包含FLASH修补和断点FPB。FPB可产生硬件断点并且在代码空间中重新映射特定的地址到SRAM作为更改非易失性代码的暂时方法。FPB包括2个文字比较器和6个指令比较器。4LPC1778CORTEXM3微控制器的内部结构ARMCORTEXM3拥有三条AHBLITE总线，一是系统总线，二是ICODE总线，三是DCODE总线，二、三速率比较快。三条总线分工不同，第二条总线专门用于取指令，第三条总线专门用于数据访问。这两条总线可以同时对不同的目标执行操作。5存储器映射和外设寻址LPC1778CORTEXM3微控制器含有一个4GB的地址空间，如表32所示为LPC1778CORTEXM3微控制器的存储器分布。表32LPC1778CORTEXM3微控制器存储器分布0X000000000X0003FFFF片上非易失性存储器FLASH存储器（512KB）0X100000000X10007FFF片上SRAM本地SRAMBANK032K0X2007C0000X2007FFFF片上SRAM,通常用于存储外设数据AHBSRAMBANK016KB0X200800000X20083FFF片上SRAM,通常用于存储外设数据AHBSRAMBANK016KB0X2009C000通用I/O0X2009FFFF0X400000000X4007FFFFAPB0外设32个外设模块，每个16KB0X400800000X400FFFFFAPB1外设32个外设模块，每个16KB0X500000000X501FFFFFAHB外设DMA控制器、以太网接口和USB接口0XE00000000XE00FFFFFCORTEXM3相关功能包含NVIC和系统节拍定时器（6）APB外设地址下表所示为APB0/1地址映射。APB外设不会全部使用分配给它的16KB空间。通常，每个器件的寄存器在各个16KB范围内采用“别名”。表33APBO外设和基址APB0外设基址外设名称00X40000000看门狗定时器10X40004000定时器020X40008000定时器130X4000C000UART040X40010000UART150X40014000未使用60X40018000PWM170X4001C0002IC080X40020000SPI90X40024000RTC100X40028000GPI0中断110X4002C000引脚连接模块120X40030000SSP1130X40034000ADC140X40038000CAN验收滤波器RAM150X4003C000CAN验收滤波器寄存器160X40040000CAN公共寄存器170X40044000CAN控制器1180X40048000CAN控制器219220X4004C0000X40058000未使用230X4005C0002IC124310X400600000X4007C000未使用7存储器重映射CORTEXM3包含一个机制允许将中断向量表重新映射到存储器映射空间的备用单元。这通过包含在NVIC滩套向量中断控制器中的向量表偏移寄存器来进行控制。向量表可位于CORTEXM3的地址空间1GB范围内的任意一处。向量表必须是128字512字节边界对齐，因为LPC1768CORTEXM3微控制器上的NVIC可分配128个中断。8预取指中止和数据中止异常如果试图访问一个保留地址或未分配区域的地址，LPC1768CORTEXM3微控制器将产生适当的总线周期中止异常。这些区域是特定的CORTEXM3微控制器器件所没有执行的存储器映射区域。试图对这些区域进行数据访问和指令取指都将会产生异常。此外，对映射到AHB或APB外设的地址空间进行任何取指，会产生预取指中止异常。在现有的APB外设地址空间内，对未定义地址空间的访问不会产生数据中止异常。每个外设内的地址译码被限定为外设内部需要判别的已定义寄存器。如果软件执行直接写FLASH存储器，则FLASH加速器产生数据中止异常。FLASH编程必须通过使用引导代码提供的特定FLASH编程接口来完成。需要注意的是，只有在试图执行从非法地址中取指时，在流水线阶段CORTEXM3内核会保存相关预取指令的异常标志，并且只有在试图执行从非法地址中取得的指令时，才一会去处理这个预取指令终止异常。当代码在非常靠近存储器边界执行时，这种操作可防止由预取指所造成的意外中止。本文根据外围电路和所选的芯片，对模块占用进行了配置。下图为单片机端口分配图，具体的电路详细介绍在后续的章节介绍。系统I/O接口配置如图322所示322I/O端口配置33LPC1778系统及其外围电路P023P024P10P118P48P40液晶显示停风报警信号采集信号输出图33整个系统原理图整个系统电路由上图所示，LPC1778单片机最小系统有复位和外围晶振电路组成。从原理图中可以看出，单片机通过按键实现低电平复位。单片机外围接了2个外部晶振一个是低频32768HZ低频石英晶振，一个是110592MHZ的外部高频晶振。其它的部分为各个功能模块电路，在后续的单元电路中还要进行详细介绍，这里就不在叙述了。34电源电路设计电源是任何电气设备不可或缺的能量来源，尤其是对于工作在一定频率下的单片机系统，电源的好坏是其能否可靠运行的保证。但是，电源又可能成为整个设备中严重干扰和污染的根源。因此，选择一个高效、可靠，抗干扰能力强的电源，对于整个电子设备的稳定工作是必不可少的环节。本设计的风量风压实时监测仪中，需要同时提供几种不同的电源电压。其电路原理图如图34所示。（1）LPC1778单片机、集成运算放大器LM324,液晶显示模块的工作电压33V。（2）压差传感器、常开继电器的工作电压为5V。图34系统电源电路由图中可以看出，要想得到传感器工作所需要的5V和33V电压第一步必须经过变压器变压将220V的交流电变为传感器工作所需要的直流电压。然后利用开关电源芯片转化为单片机和传感器工作所需要的5V和33的稳定电压。可以分为以下两个步骤来设计实现。（1）将220V交流电压经过变压器和二极管整流，变为12V的直流电压，电路中的F1为保险丝，当电路出现短路时，保险丝自动切断电路，起到保护电路的作用。（2）由二极管整流后的12V直流电源，经过开关电源芯片TPS62160变为系统工作所需要的33V和5V电压。为了提高整个系统的稳定性，我们选取了开关电源芯片作为本系统的电源调节芯片。TPS62160是一款低压差高效率的开关电源芯片，输入电压为317V，输出电流最大1A，电源效率可达到80以上。输出电压可通过反馈电阻调节，在本系统时，通过电阻调节得到本系统工作所需要的33V和5V电压。在本系统电源的设计中，为了使输出电压的纹波减小，电压稳定。输入输出端的电容采用滤波效果较好的电解电容。35数据采集放大电路系统使用高精度的压差传感器采集通风机前后的静压信号，将静压信号转换成符合工业标准的420MA的信号输出。利用LPC1778单片机内部集成的12位的A/D转换器将压差传感器输出的模拟量信号转换成数字量信号送入单片机进行处理，为了提高系统的采样精度，在信号调节电路中采用了高精度的模拟运算放大器LM324对传感器输入的信号进行放大。其具体电路如图35所示图35数据采集放大电路原理图由于通过压差传感器感应到的被测静压信号是模强度很微弱的小信号，不利于进行模数转换。所以在设计后续的处理电路时，首先要考虑的是放大电路设计。放大电路是一个专门的放大电流、电压或功率信号的电路。它首先通过从电源取得电压，并控制输出电流、电压或功率的大小能够反映输入信号的变化。一般放大电路输出与输入在工作范围内呈线性放大关系，即输出等于输入几倍。运算放大电路是依赖多级三极管的放大电路实现的。在当前实际应用当中大多采用运算放大器代替三极管电路。LM324系列运算放大器价格便宜，并且带差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是30V32V。其结构特点主要有以下几个方面1）短路保护输出；2）真差动输入级；3可单电源工作3V32V；4低偏置电流最大100NA；5每封装含四个运算放大器；集成运算放大电路LM324根据图35所示，两个压差传感器输出的电流信号经过100欧的电阻后分别送入LM324的3脚和5脚，其功能是将04MA的电流信号放大100倍后变为042V的电压信号。分别将LM324的1脚和2脚、6脚和7脚相连，这样就可以构成一个电压跟随器，即1脚和7脚输出的电压就等于3脚和5脚输入的电压，且方向相同。考虑到输出端负载对运算放大电路的影响，在图中插入了适当大小的补偿电阻和电容，降低了外界和负载对运算放大电路的干扰，提高了系统的稳定性和测量的精度。36LPC1778单片机内的AD转换模块LPC1778单片机片内嵌有12位AD转换的模数转换模块，操作和控制十分方便。ADC12转换模块它是由五大功能模块构成的，而且可以根据需要通过软件进行独立的配置。其五大功能模块分别是（1）ADC12内核是一个带有采样与保持功能的12位模数转换器。2内部集成参考电压发生器，同时有两种参考电压可供选择。3采样与转换过程中所需要的时钟信号源可以选择。4采样及转换所需的时序控制电路。5转换结果有专门的桶型缓存。除此之外，单片机内的12位ADC有4种转换模式，可以根据不同的采样需要，进行不同的配置。本文需要分别采样局部通风机扩散筒前后两个静压环的静压信号，所以需要两个采样通道。为了使采样结果能够更加的准确，我们通常需要对同一信号进行多次的采样，并对采样的结果进行一定的处理，才能得到较为准确的采样结果。为了满足以上这些要求，因此本设计选用了排序通道多次转换模式，设计时只需简单的设置相应的寄存器就可以了，具体的设置方法将会在软件设计部分进行详细的介绍。37液晶显示电路本文使用液晶显示风量、风压以及单位等信息。通过对液晶模块的外观、尺寸、功耗等多方面的考虑，选用12864液晶显示模块。12864液晶显示器是应用较多的一种点阵式液晶显示模块，它由行驱动器、列驱动器及12864全点阵液晶显示器组成。可以完成图形显示也可以显示84个（1616点阵）汉字。模块内自带10V负压，用于LCD的驱动；显示内容为128（列）64（行）个点；与CPU接口采用了8位数据总线并行输入输出和8条控制线。在本文的设计中，我们采用SMG12864G2ZK液晶显示模块。此液晶显示模块是128X64点阵的汉字图形液晶显示模块可显示汉字及图形，内置国GB2312码简体中文字库16X16点阵、128个字符16X8点阵及64X256点阵显示RAMGDRAM。具有多种功能光标显示、画面位移、睡眠模式等。能够进行8位并口传输或4位串口传输，并可加选LED背光的功能。其工作电压2936V典型值为33V，正好与单片机系统兼容。其管脚介绍如表31所示表31液晶引脚及其功能引脚号引脚名称方向功能解说1VSS模块的电源地2VDD模块的电源正端3VOLCD驱动电压输入端4RSCSH/L并行的指令/数据选择信号串行的片选择信号5R/WSIDH/L并行的读写选择信号串行的数据口6ECLKH/L并行的使能信号串行的同步时钟7DB0H/L数据08DB1H/L数据19DB2H/L数据210DB3H/L数据311DB4H/L数据412DB5H/L数据513DB6H/L数据614DB7H/L数据715PSBH/L并/串行接口选择H并行L串行16NC空脚17/RETH/L复位低电平有效18NC空脚19LED_A背光源负极LED0V20LED_K背光源正极（LED5V）为了提高整个系统的工作速度，本文的液晶显示器连接采用8位并行连接方式，即PSB引脚直接接电源正极。系统设计时，使其供电电源和单片机使用同一的供电电源，在其VO和VDD的引脚上连接了合适的电阻，这样以便于显示亮度达到最佳的效果。将液晶显示屏的复位端同样连接到电源正极，不会使液晶显示器复位。LPC1778单片机的P1端口接液晶显示器的控制位，完成对液晶显示器读写命令操作,并且连接液晶显示器的数据位，负责数据的传输。液晶显示器与单片机的电路原理图如图37所示图37液晶显示电路原理图38信号输出电路单片机经过A/D转换后输出的风量风压信号，先通过单片机处理再经过RS485通信方式将信号输出到井上，以便管理人员及时了解井下的情况。通过单片机的收发引脚与井上的计算机进行通信。由于单片机输出的信号为TTL信号而井上的上位机的信号为COMS信号，所以我们需要一个电平转换芯片实现通信。通过反复比较则选取MAX485芯片。电路图如下所示图38RS485电路原理图RS485总线是一种常见的串行总线标准，采用平衡发送与差分接收的方式，因此具有抵制信号干扰的能力。在一些要求通信距离为几十米到上千米的时候，RS485总线是一种应用最为广泛的总线。而且在多节点的工作系统中也有着广泛的应用。在本电路中MAX485芯片的1,4引脚分别接单片机的收发引脚，2,3引脚连接在一起，与单片机的一个引脚链接，该引脚通过输出高低电平控制该芯片工作在接收状态或者发送状态。电路中的TVS1起到保护作用。39停风报警电路本设计的煤矿井下风量风压实时监测仪不仅可以对通风机风量和风压等参数进行监测，同时在通风机出现故障时，还可以通过报警的方式对井下人员进行预警，以保障煤矿井下作业的人员安全生产。系统根据采集转化得到的风量大小进行报警判断。首先预先设置一个最低的风量报警值，当检测到的风量值小于预设值时，就触发报警信号。设计在此时没有设定具体的值，只是设计了报警的开关设置，通过控制继电器的闭合、断开来控制是否报警。这样做是因为井下报警装置很多，使用时容易混乱到底是哪个监控仪器发生了报警。为了和其他报警信号进行区分，使用的时候可以自行选择将报警设备安放在特殊的位置，或选择其它的报警方式。单片机的驱动电流一般都是毫安级。所有的单片机有一个共同特点就是驱动电流有限，不能直接驱动控制报警装置的继电器。本设计通过一个三极管将电流放大来达到驱动继电器的目的。停风报警电路图如图37所示图39报警电路原理图本文设计时利用单片机的P40端口输出报警信号。当风机正常运行时，P40端口输出低电平。三极管处于截止状态，继电器没有上电，继电器两引脚处于断开状态。当风机出现故障时，检测到的风量数值低于预先设定的值时，P40端口输出高电平，三极管处于放大状态，继电器得电闭合，继而报警装置发出报警信号。图中电阻器起限流的作用，防止电流过大烧坏了三极管。二极管反接是为了防止反向电流过大，烧坏继电器。第四章系统软件开发41软件开发环境本系统软件部分的程序主要是使用C语言编写的。目前使用C语言是单片机系统开发中比较流行的语言。与传统的汇编语言相比，C语言有以下优点1）语言简洁、紧凑，使用方便、灵活。2）寄存器分配、不同存贮器的寻址及数据类型等细节可由编译器管理。3具有结构化的控制语句。可以将程序分为各个模块，可以实现程序的模块化。4语法限制不严格，程序编写者有较大的自由度。5编程及调试时间显著缩短，从而提高效率。6C语言可以直接访问物理地址，可以实现汇编语言的大部分功能。7很容易的完成复杂的数学运算。本文使用IAR的EMBEDDEDWORKBENCH作为LPC1778单片机系统的软件开发平台。这是一款多种类型的单片机开发软件平台。为开发不同的类型目标处理器项目提供了强有力的开发环境，并为每一种处理器提供工具选择，因此EW430为开发和管理LPC1778嵌入式应有程序提供了极大便利。它的基本特性为1）分层次的项目管理。2支持ANSIC并包含对EMBEDDEDC的支持。3代码长度和速度有多级优化，内建LPC1778特性扩展优化。4支持32位和64位浮点数，支持硬件乘法器。5支持C和汇编语言混合编程，内部函数支持低功耗模式。6开发环境中集成了一个针对嵌入式应用程序的、功能强大高级语言交互式调试器CSPY,为单片机的软件开发提供了极大的便利。7必要时可用MAKE重新编译、汇编和连接文件，执行程序时可以分步执行，并可以同时设置3个断点，如果调试时需要更多的断点还可以需要设置虚拟断点；8WINDOWS风格的可视化用户界面，支持直观的拖放功能，有超文本风格的操作帮助。由于本文单片机系统的程序大部分是由C语言编写的，所以只简单介绍一下IAR软件C语言编译器的功能特性。IAR系统的C编译器提供C语言的标准特性，再加上许多为利用LPC1778专用工具而设计的扩展功能。编译器与系统汇编器一起提供，与它集成在一起，共享连接器与库管理工具。它具有以下几个功能特性1）语言功能与ANSI规格一致可应用于嵌入式系统的标准函数库具有可选用的源代码IEEE兼容的浮点算法对LPC1778特殊性能的有力扩展包括高效的I/O端口用户代码与汇编子程序连接长识别符多达255个有效字符多达32000个外部符号42系统软件整体流程系统的软件部分作用是为了实现硬件电路各部分模块的功能。为了便于调试和扩展系统设备端的程序采用C语言并按照各个模块进行编写，各个模块之间任务划分明确、结构清楚，彼此之间具有相应的独立性。其软件流程图如图42所示。否是上电/复位时钟、液晶初始化开中断源、定时器数据采集是否报警闭合继电器报警液晶显示风量风压数据清除看门狗结束图42系统软件流程图系统从上电复位开始，首先要进行LPC1778时钟、液晶等内外部设备的初始化，为后续整个程序运行提供一个良好的硬件环境。通过设置时钟的内部寄存器将系统的时钟源切换为外部高频晶体振荡器。在主系统时钟切换完成后进行液晶显示器和片内ADC的初始化设置，同时给内部看门狗定时器进行初值设定。这样，一旦系统出现程序跑飞或者锁死的情况下，看门狗溢出后产生一个强制单片机复位的复位信号，使单片机重新开始运行。这样可以显著提高系统的可靠性，并最大限度地节省了系统资源。然后让系统进入低功耗模式，等待ADC产生中断。中断服务程序主要是进行数据的采集和处理。经过单片机计算后得到的风量值与以前设置的报警风量值进行比较，若达到报警要求就进行报警。最后将处理好的风量、风压数值以数字的形式在液晶显示器上显示。最后，在每次采样转换结束后将看门狗定时器初值清零，等待下一次转换的到来。43ADC12模块程序设计ADC12模块的程序设计实际上就是设置ADC12位内部有关的寄存器并完成初始化的过程。由于LPC1778单片机的设计非常合理，在对ADC12位寄存器进行操作时，并没有设置其所有的寄存器，有些寄存器只需保持上电复位后的初始值就可以了，减少了程序设计时的时间。LPC1778单片机的I/O端口既可以作为普通的输入输出端口，又可以作为片内外围模块功能。其软件流程图如图43所示。图43ADC初始化软件流程图开始设置P023和P024为外围功能模块打开ADC，设置采样保持时间设置采样转换模式使能ADC转换结束ADC12模块程序代码如下所示P6SEL0X03/使能ADC通道ADC12CTL0ADC12ONSHT0_15MSC/打开ADC，设置采样时间ADC12CTL1SHPCONSEQ_3/使用序列通道多次转换模式ADC12MCTL0INCH_0ADC12MCTL1INCH_1EOS/设置转换通道，并以通道1为末通道ADC12IE0X02/使能ADC中断ADC12CTL0ENC/使能转换ADC12CTL0ADC12SC/开始转换本系统在进行片内12位为外部电路功能端口，即使用ADC初始化设计时，首先将P023和P024端口设置12位ADC的转换通道0和转换通道1。为了满足压力变送器输入电压的要求，没有使用其内部的参考电压源，而是选用了33V的单片机供电电源作为ADC的参考电压。采样控制使用的是内部集成的采样定时器，由采样输入信号的上升触发采样，将其采样保持时间设置为8个ADC12内部时钟周期。选用的采样模式为序列通道多次采样，即先对通道0进行采样，再对通道1进行采样。设置P023通道为最后的转换通道，并使能P0转换中断，即当通道1完成模数转换后12位ADC产生中断信号，最后使能开始AD转换。44液晶模块程序设计液晶显示器的程序设计包括液晶显示器LCD的初始化、风量风压数字的显示、文字的显示以及绘制图型的显示。这些功能的实现都是通过向LCD内部的寄存器写相应的控制命令指令来实现的。每次在对LCD的寄存器进行操作之前，微处理器必须首先确认液晶模块处于非忙碌状态。连续写入两条控制指令时，中间需要加入一段延时程序，因为写入指令后需要一定的执行时间来完成指令操作。对LCD的控制命令分为基本指令集合扩展指令集，下面进行分别介绍。基本指令集RE0一共包括11条指令，主要控制液晶显示器的基本功能，包括初始化指令和基本显示功能指令。对LCD各控制位和数据位的值情况如表41所示，下面详细介绍一下各指令的功能。1）清除显示指令代码01H）功能说明将DDRAM填满“20H“空格，把DDRAM地址计数器调整为“00H“，重新进入点设定将I/D设为“1“，光标右移AC加1。2地址归位指令代码02H）功能说明设定DDRAM的地址计数器AC到“00H“，并且将游标移到开头原点位置。这个指令并不改变DDRAM的内容。3进入点设定指令代码04H/OSH/06H/07H）功能说明指定在资料的读取与写入时，设定游标的移动方向及移动显示的位移。4显示状态开关指令代码08H/OCH/ODH/OEH/OFH）功能说明D1，整体显示ON；D2，游标ON；B1游标位置ON。表41基本指令集指令功能RSRWDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0清除显示0000000001地址归000000001X位进入设定点00000001I/DS显示开关状态0000001DCB游标或显示移位0000001S/CR/LX功能设定00001DLXREXX设定DDRAM地址001AC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0设定DDRAM地址001AC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0读忙碌标志和地址01BFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0写资料到RAM10D7D6D5D4D3D2D1D0读出RAM值11D7D6D5D4D3D2D1D05游标或显示移位控制指令代码L0H/14H/18H/1CH功能说明设定游标的移动与显示的移位控制位元，这个指令并不改变DDRAM的内容。6功能设定指令代码20H/24H/30H/43H）功能说明DL1，并行控制DL0，串行控制。RE1，扩展指集；RE0基本指令集。7设定CGRAM地址指令代码40H4FH）功能说明设定CGRAM地址到地址计数器AC。8设定DDRAM地址指令代码80H9FH）功能说明设定DDRAM地址到地址计数器AC。9读取忙碌标志BF和地址功能说明读取忙碌标志BF可以确认内部动作是否完成，同时可以读出地址计数器AC的值。10写资料到RAM功能说明写入资料到内部的RAM，包括DDRAM,CGRAM,GDRAM11读出RAM的值功能说明从内部的RAM读取资料，包括DDRAM,CGRAM,GDRAM扩展指令集RE1一共包括7条指令，主要控制一些特殊的显示功能和显示模式，如待命显示模式以及睡眠模式。另外还具有图形显示功能，显示图片时需要先把要显示的图片转换成位图的格式，然后通过去模软件将其转换成相应的二进制代码，写入绘图RAM进行显示。扩展指令集的控制指令表如表42所示，其各条指令的具体说明如下。表42扩展指令集指令功能RSRWDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0待命模式0000000001IRAM地址选择000000001SR反白选择11D7D6D5D4D3D2D1D0睡眠模式0000001SLXX扩充功能模块00001DLXREG0设定IRAM地址0001AC5AC4AC3AC2AC1AC0绘制RAM地址001AC6AC5AC4AC3AC2AC1AC01）待命模式指令代码O1H）功能说明将DDRAM填满“2