基于单片机的矿用瓦斯红外传感器的解码和编码

1、基于矿用瓦斯红外传感器的解码和编码田慕琴，闫冰程（太原理工大学 电气与动力工程学院，山西 太原 030024 ）摘要：在煤矿安全生产监控系统中，矿用瓦斯传感器直接关系到整套监控系统的灵敏度和可靠性，在监控系统中起着举足轻重的作用。矿用瓦斯传感器的调校是通过向传感器通入标准浓度样气后，使用红外遥控器对传感器的相关参数进行调校。但是不同厂家生产的传感器所配置的遥控器的控制方式不同，编码方式也是随着厂商的不同有一定的区别。而在对传感器的自动调校过程中，调校装置应能自动根据监测数据与标准浓度的偏差实时发出红外控制信号，以代替红外遥控器进行实时调校。为使调校装置能实时发出所配遥控器的红外编码，需将待调校

2、传感器所配红外遥控器的编码传入调校装置。本文基于调校装置中的核心CPU即STC15W201S单片机，设计并实现了一种逆向破解现有遥控器的红外信号传输协议，由单片机根据该红外信号传输协议学习并接收红外控制信号，然后在调校矿用瓦斯传感器时能发出所需功能的红外控制信号，达到自动调校的目的。 关键词：红外遥控；矿用瓦斯传感器；STC15W201S；调校；学习型Decode and Code of Infrared Remote Control for Mine Gas Seneor based on SinglechipYan Bing-cheng, Tian Mu-qin(School of Ele

3、ctrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China) In the Monitoring System of coal mine safety production, Mine Gas Seneor is directly related to the sensitivity and reliability of the Monitoring System, playing a decisive role in the Monitoring System. The adju

4、stment and calibration of Mine Gas Seneor is done by passing standard concentration sample gas into the sensor of which the parameters are adjusted by the remote control. However, the control modes of the remote control matching with the sensors produced by different manufacturers are distinct. In t

5、he process of the automatic adjustment to the sensor, the adjusting device is supposed to send infrared control signals in real time automatically according to the deviation of the monitoring data and the standard concentration to repalce the infrared remote control to adjust in real time. In order

6、to make the adjusting device sent the infrared code with the remote control in real time, the code of the infrared remote control matching with the sensor to be adjusted is required to be input the ad

7、justing device. In this paper, the basis of the core of the adjusting device, CPU, that is the singlechip of STC15W201S, that a reverse engineering of existing infrared remote control signal transmission protocol by means of the microcontroller according to the infrared signal transmission prot

8、ocol, learning and receiving infrared control signal, and senting infrared control signal with the required function to verify the incorrect Mine Gas Sensor is designed and implemented, to achieve the purpose of automatic adjustment.Key Words: Infrared remote control; Mine Gas Seneor; STC15W201S; Ca

9、librator; Learning.1. 引言我国煤炭资源丰富，煤炭是我国主要的能源之一，分别占一次能源生产和消费总量的76%和69%，在未来相当长的时期内，我国仍将是以煤为主的能源结构。但是煤炭工业是“高能耗、高物耗、高污染、高危险”的传统行业，开采条件复杂，事故发生率高。据不完全统计，中国煤产量占世界的37%，而煤矿事故死亡人数占世界的80%以上。从事故类别分析，瓦斯事故死亡人数占总数的36.6%，瓦斯爆炸引起的矿难危害极大、影响非常恶劣，长期以来，瓦斯的防治一直是安全工作的重点，从中央到各矿都制定了严密的安全措施，研究开发了各种安全监测系统，如：便携式报警仪、500新型高灵敏瓦斯检测系

10、统、DWJ瓦斯监测系统等先进技术装备，种类繁多的瓦斯传感器、感应装置、报警设备应运而生，已被广泛应用到各种类型的煤矿生产现场，为安全生产提供了保障。而国内外检测用瓦斯传感器普遍采用热催化元件，长时间工作时由于器件老化、温漂、电磁场的干扰等存在零点漂移和灵敏度的变化，影响了整个监测系统的可靠性，为正常有序的生产活动埋下安全隐患。因此在加大对瓦斯等的监测力度的同时，必须保持瓦斯等传感器检测的准确性，定期对这些传感器进行调校。国家煤矿安全规程规定要求定期(7-10天)调校矿用安全监控系统的瓦斯等传感器，以确保安全生产。现有煤矿采用手动校验仪和遥控校验仪，手动校验仪存在着劳动强度大、工作效率低、检测速

11、度慢、调校精度低等缺点，已逐步被自动化程度高的检测装置所替代。但检测后对传感器的调校一般采用与之配套的红外遥控器进行调整，这仍然摆脱不了手动调校的模式，影响了自动化程度的提高。真正的自动化调校是这样的，每次通入一种标准气样后要等待足够的时间 (约90-120 秒) 使气体传感器的数值达到稳定后再读取数据，读回后与标准气样值进行比较，如果偏差在要求的范围内则此传感器通过校验，否则自动发射红外信号校准传感器。而且在校验有毒有害传感器时，通入的标准气样为有毒有害气体，而且根据国家对调校规程的要求，调校过程要分别在低浓度、中浓度和高浓度下持续较长的时间，这些通入的气体是直接散发到空气中的，造成空气中由

12、大量高浓度的有害气体，直接威胁到调校人员的生命安全，所以调校员不能手持遥控器对传感器进行校准。总之，调校的实质是要达到真正的调校，即是测试和调整的结合，仅仅给出标准气样、测回传感器读数，调校人员再通过遥控器来校准，整个校验控制过程为开环控制，在精度、速度和工作量方面还存在缺陷，因此还需对矿用传感器本身的工作原理，特别是红外遥控的机理进行深入的研究，剖析气体传感器各类遥控器的红外编码和解码格式，通过单片机等实现红外遥控信号的发送，以使调、校真正成为一体，实现检测、分析与调整的自动闭环功能，实现无人值守的调校目标。红外遥控是一种无线非接触传输控制技术，具有抗干扰能力强、信息传输可靠、功耗低，成本低

13、等显著优点。近年来，红外遥控已经涉及到各类家电和工业设备，但是不同厂家生产的传感器所配置的遥控器的控制方式不同，编码方式也是随着厂商的不同有一定的区别。由于煤矿使用的传感器种类多厂家杂，互不兼容，在进行自动调校时，调校装置就必须针对不同传感器，模拟相应的遥控器发送红外控制码，因此有必要提供一种通用的红外遥控码学习装置，首先学习遥控器各种功能的红外码并存储下来，这样就能针对不同的红外遥控器发射其控制功能码，为矿用瓦斯传感器的调校智能化提供一种新的思路。2. 矿用瓦斯传感器结构和红外调校原理矿用瓦斯传感器属于智能型气体传感器，传感器集成了气体敏感元件、微控制器和红外信号接收模块，同时可以显示被检气

14、体浓度，并以电流或频率信号变送输出，当被检气体浓度超限后发出声光报警1。红外信号是一串有序的二进制数，通过既定的编码方式进行传送信息，编码方式除了规定红外遥控信号的载波频率、编码方式、二进制“1”和“0”的宽度等外，还对数据传输的格式进行了严格的规定，以确保发送端和接收端之间数据传输的准确无误。矿用瓦斯传感器的红外遥控由发射和接收两个部分组成，在对矿用气体传感器调校过程中，当传感器的红外模块接收到红外遥控器发送的红外信号后，首先对信号进行取反整形，而后送到单片机内部按照既定的红外协议进行解码后执行相对应的操作，完成对传感器各种参数的调整2。3. 学习型遥控器工作原理红外遥控器是由遥控接收、发射

15、集成电路，单片机以及键盘组成的。发送端我们采用单片机替代遥控器的硬件电路将待发送的二进制信号编码调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。红外接收端普遍采用价格便宜，性能可靠的一体化红外接收头接收红外信号，它同时对信号进行放大、检波、整形，得到0/1电平的编码信号，再送给单片机经解码并执行相应的功能。要对红外遥控器进行解码首先要知道其编码方式，国内传感器生产厂家所配套的遥控器普遍使用的是脉冲宽度编码方式。它是根据发送信号的脉冲宽度来区别二进制“0”和“1”的。用宽脉冲表示“1”，用窄脉冲表示“0”，通过载波调制后发送，我们只需要知道红外信号的载波频率以及表示“0”、“1”的不同时间

16、间隔就可以对该红外信号进行破解从而模拟发射。然而，这种破解方式对NEC这种红外协议颇有效果（如图3-1所示，其高电平持续时间相同，“0”、“1”是通过低电平持续时间的长短来进行区分），然而对于一些高电平持续时间也不同的协议比较乏力，不具有普适性。为此我们采用波形拷贝的方式进行破解。 图3-1NEC协议中“0”、“1”的规定波形拷贝式破解的基本思路就是把原遥控器所发出的信号进行完全拷贝，而不管遥控器是什么格式，存储到存储器内，当需要发射时，再由存储器取出还原出原始信号。为使用单片机发送不同编码格式的红外遥控信号，采集了多种遥控器红外信号的波形图，分析了这些波形图的编码方式，总结出所有红外信号的共

17、同点，就是以不同时间间隔的高低电平表示二进制“0”和“1”，那么只要记录不同编码方式下表示“0”和“1”的高低电平的时间，利用单片机的定时器进行调制即可获得红外编码的通用形式2。4.硬件的设计电路须能够执行红外信号的接收、波形的学习、红外码的存储以及模拟发射编码等功能。硬件主要由红外接收头、单片机、键盘，存储器以及红外发射管构成，其组成框图如图4-1所示。图4-1学习型红外遥控器硬件组成框图4.1红外接收头红外接收头统称为遥控预放器。红外接收头的种类很多，引脚定义也不相同，一般都有三个引脚，包括供电脚，接地和信号输出脚。根据发射端调制载波的不同应选用相应解调频率的接收头3。本文采用一体化红外接

18、收头1838。接收头使用简单，只需要将它的三个引脚分别接地、+5V电源和单片机的通用I/O引脚即可。红外接收头内部放大器的增益很大，很容易引起干扰，因此在接收头的供电引脚上需加上滤波电容。4.2单片机单片机具有体积小、功耗低、控制能力强、扩展灵活，微型化以及使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表以及各类传感器。采用单片机控制使得红外遥控器实现数字化、智能化、微型化，并且比采用模拟或数字电路更加强大。本文选用STC15W201S，是STC-51系列单片机，具有1KB的FLASH存储器，256字节的SRAM。该单片机价格低廉，运算能力及实时性满足所需要求。单片机是学习型红外遥控器电路的核心，负责接收遥

19、控器的发射码，破译后将其记录、存储到扇区，即完成学习功能；同时当有按键按下时，判断其键值，将相应扇区的编码取出并发送出去，执行遥控功能。4.3键盘键盘最多可有64个，可以赋予不同的功能。本文初步设定4个按键，其中3个为功能键，1个为复位键，由于按键数较少，采用独立按键。经学习后，各功能键即可代替红外遥控器实施遥控功能。4.4发射单元发射单元是由单片机和发射管共同组成。其中信号波和载波均来自于单片机的通用I/O引脚。信号波是将单片机学习后的编码还原发送出的原始信号，载波则是由单片机中断产生的38kHZ方波。红外发光二极管则是由红外辐射效率高的材料制成PN结，外加正向偏置电压向PN结注入电流激发红

20、外光。其外形和发光二极管LED相似，管压降约为1.4V，工作电流一般小于20mA。为了适应不同的工作电压，回路中常常串有限流电阻。红外发射管电路见图4-2。图4-2红外发射管电路5.软件的设计由于红外遥控器与按键相对应，故在主程序中要不断判断键值，相应的功能在子程序中完成。软件部分还应完成接收码的破解和存储（学习）、38k载波的形成以及当按键按下后从相应扇区取出编码并发送。单片机程序流程图如图5-1。5.1接收码的学习学习型红外遥控器接收码的学习采用波形拷贝式破解，把原遥控器所发出的信号进行完全拷贝，而不管遥控器是什么格式，存储到存储器内，当需要发射时，再由存储器取出并还原为原始信号。其具体实

21、施方法是，无论遥控器的编码以哪种编码调制方式发出，总可以认为编码由时间连续不等的高、低电平组成，因此，可以不断读取与接收头相连的I/O口的数值，用计数器记录高、低电平的时间4。将记录下的时间存储到相应的扇区，就完成了接收码的学习或者原遥控器的拷贝。接收码的学习程序如下：while(1)/低电平计数开始TH0 = 0;TL0 = 0;TR0 = 1;iap_write_byte(addr+, m);/先让时钟开始工作，再记录之前低电平计数值（接收与实际红外值相反）iap_write_byte(addr+, n);while(!INFRARED_RECV);/低电平结束判断TR0 = 0;m =

22、TH0;n = TL0;/高电平计数开始TH0 = 0;TL0 = 0;TR0 = 1;iap_write_byte(addr+, m);/先让时钟开始工作，再记录之前高电平计数值iap_write_byte(addr+, n);while(1)if(TH0 * 256 + TL0 > 20000) TR0 = 0; return;/如果高电平时间过长，则退出if(!INFRARED_RECV) break; /如果没有接收到红外信号则跳出循环TR0 = 0;m = TH0;n = TL0;5.2按键的判断由于初步选取的按键数较少，所以采用独立式按键。当按键按下时，经软件去抖后，将相应的

23、键值返回至函数值。5.3载波38kHZ的产生载波采用STC15W201S单片机定时中断进行调制，定时器1工作在自动重装方式，定时器初值以13us为定时值，即满足香农采样定理的要求，在定时器中断服务程序中对单片机的I/O口进行取反，完成载波的调制5。载波38kHZ产生的程序如下：/启动T0，产生38K载波TMOD = 0;TH0 = 0xff;TL0 = 0xf4;ET0 = 1;EA = 1;TR0 = 1;void infrared_38k() interrupt 1/T0溢出中断用于产生38K载波 INFRARED_38K_PIN = INFRARED_38K_PIN;5.4发射编码发射编

24、码时，先根据返回的键值寻找编码所在的扇区；然后按照高、低电平的顺序，根据取出的编码确定相应高、低电平的持续时间并发送，同时单片机发送38kHZ载波。发射编码的程序如下：void infrared_send_code(uint addr)uchar m, n;uint count;/启动T0，产生38K载波TMOD = 0;TH0 = 0xff;TL0 = 0xf4;ET0 = 1;EA = 1;TR0 = 1;m = iap_read_byte(addr); /将扇区内学习到的编码取出n = iap_read_byte(addr + 1);if(m * 256 + n = 0xffff) return; /判断扇区内是否写有编码INFRARED_SEND = 1;while(1)T2H = 0;T2L = 0;m