煤矿主扇压力监测系统的硬件设计

绪论课题背景通风机是煤矿四大主要设备（空压机、通风机、提升机、排水泵）之一。空压机—压缩空气；提升机—提运原煤和矿工；排水泵—排水，而通风机的作用就是为了保证矿井安全生产，需要不断地向井下提供足够的新鲜空气供人员呼吸，同时稀释和排除井下各种有毒、有害、有爆炸性的气体和粉尘，它对矿井的重要性就象肺脏对人体的作用。矿井通风是矿井各生产环节中最基本的一环，它供给矿井新鲜风量，以冲淡并排出井下的毒性、窒息性和爆炸性的气体和粉尘，保证井下风流的质量（成分、温度和速度）和数量符合国家安全卫生标准，提供良好的工作环境，防止各种伤害和爆炸事故，保障井下人员身体健康和生命安全，保护国家资源和财产，在矿井建设和生产期间始终占有非常重要的地位。矿井通风技术是煤矿治理瓦斯、煤尘及火灾的基础，合理高效的矿井通风系统是煤矿安全生产的基本保障。随着企业信息化的不断深入，安全生产信息化成为企业信息化首当其冲的重要内容。利用现代化的信息技术手段，建设安全生产监督管理信息网络系统，才能将安全生产监督管理工作做好。通风机是矿井安全的重要设备，矿井人员必须随时掌握主扇的运行状况和主扇的各种参数，主扇在线监测系统能在主扇运行中准确地反映和记录风机的运行曲线、风道的负压、静压、动压和温度参数，并能进行数据记录、存档和故障报警，能随时从微机中调出主扇的运行情况。主扇在煤矿安全中起着非常重要的作用，对煤矿的安全有保障的功能。煤矿主扇是建立在地面上的一个大型通风设备，它被安放在一个有两个口的地下通道的一端地面上，负责向井下吹风，然后从另一个通风口出来，将里面的瓦斯排出，从而有效的保护井下的安全，减轻了井下的安全隐患。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。轴承作为主扇的主要部件，由于轴承的不正常发热，轻则热轴、固化造成机破，影响风机的正常运转，重则造成热切轴，使井下停止供风，形成各种安全隐患和重大安全事故的引线，严重影响煤矿安全，对国家造成巨大的经济损失。所以要保证煤矿正常工作，对主扇轴承温度和风压得监测具有非常重要的意义。国内外研究现状国内：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（如DAN6400、TF200、MINOS和Senturion-200）引进了一批安全监控系统，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，先后研制出KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92等监控系统，在我国煤矿已大量使用。实践表明安全监控系统为煤矿安全生产和管理起到了十分重要的作用，各局矿已作为一项重大安全装备。由于当时相当一部分监控系统由于技术水平低、功能和扩展性能差、现场维修维护和技术服务跟不上等原因，或者已淘汰、或者停产。因此造成相当一部分矿井无法继续正常使用已装备的系统。特别是近年来由于老系统服务年限将至，已无继续维修维护的必要，系统面临更新改造的机遇。国外：日前爱普生东洋通信公司开发出一种使用水晶振荡器高精度测量压力的传感器产品“TSU”系列。配备水晶振荡器的频率随压力不同而变化，该产品就是利用这一原理测定压力。新产品共包括4个型号，最大测量压力从100k〜1MPa不等，产品配备的是稳定性高且响应速度快的双音叉水晶振荡器。特点是Q值（共振尖锐度）较高。通过采用该元件，使得产品再现性能较高、温度特性优秀、磁滞损耗较小。此外，通过内置的振荡电路发出频率，减小了来自导线长度的影响，更易于在设备中组装。MEMS传感器成为全世界增长最快的产品之一，MEMS产品的可靠性高，技术附加值高，市场回报率大于传统产业。MEMS传感器与系统将会有更大的市场增长，惯性测量器件、微流量器件、光MEMS器件、压力传感器、加速度传感器、微型陀螺和汽车领域应用的MEMS器件（压力传感器、加速度传感器、微型陀螺）等的应用将具有巨大的潜力。本课题的主要任务本课题主要任务设计煤矿主扇温度以及风道压力的监测系统，以保证主扇的正常运转。此系统利用数字温度传感器和压力传感器将轴承温度和风压转换成相应的电信号，经过处理再传输到单片机上，单片机不仅可以对数据进行显示和暂时存储，还能设置轴承温度和风压的整定值，进行报警处理。由于单片机存储容量较小，本课题考虑到实时监测的需要以及数据存储的要求，还应引入一台上位机进行大量的数据存储和处理。因为上位机（主机）和下位机（从机）传输距离较远，故本课题采用RS-485进行通讯。本课题是上述系统的子系统之一，本人在本课题中承担的主要任务有：（1）对本系统的总体设计即煤矿主扇温度、风道压力监测系统的设计；2） 确定轴承温度及风压的变化范围以选取合适的温度和压力传感器；3） 温度、压力采集硬件电路的设计；4）本课题中涉及的软件部分的设计；系统总体设计系统结构组成本系统主要由上位机、下位机、和传感器三个部分，而本人的设计任务是下位机的主控制器（单片机），温度和压力数据采集部分。温度、压力数据采集部分循环采集传入单片机内与存储在外部存储器中的温度参数进行比较，同时由显示部分显示，若温度超限，由声光报警部分发出报警信号，同时将数据上传到上位机终端进行储存和处理。其中每部分所选择的器件及功能实现见后续章节。系统总体结构框图见图2.1。图2.1系统总体结构框图各部分所选器件及其特点数据采集部分随着现代信息技术的飞速发展，传统工业改造的逐步实现和网络技术的普遍应用，温度自动检测和显示系统在很多领域得到广泛应用，传统的温度监测元件如热敏电阻、AD590，以低成本，操作简单，可靠性强的特点在个式新产品争雄的市场中还是占有一席之地的。压力传感器选用的是具有自动温度补偿、高灵敏度、低漂移、长期稳定性好、防浪涌电压极性反向保护、低功耗迟滞误差小的微差压传感器，经变送器将传感器发出的压力信号调节成为符合国际标准的4〜20mA电流量输出。所采集的数据经过A\D转换器的转换得到数字信号，经过转换进入AT89C51单片机，再通过RS-485进行长距离的数据通讯，然后利用转换电路将其转换成为RS-232的标准与计算机相连，实现数据采集的功能。键盘显示部分键盘/显示部分采用的专用键盘/显示芯片HD7279是一片具有串行接口的，可同时可驱动8位共阴式数码管的智能显示驱动芯片，本设计采用5位共阴极式数码显示，该芯片同时能对多达8X8的键盘矩阵的按键情况进行监视，而本设计采用4X4的键盘设置，完成数据的输入，确定，运行，复位等功能，内部具有自动消除键抖动电路并可识别按键代码，使用该芯片可大大减轻单片机的负担。声光报警部分声光报警部分采用发光二极管和蜂鸣器等级报警，当温度超出所设定的第一温度警戒值的时候二极管发光做提示报警，当温度超出报警值时，发光二极管灯亮，同时蜂鸣器响，显示报警状态。该部分所选用的器材价格低廉，外围电路简单，只占用2位I/O口线，就达到了声光报警提示的作用。看门狗电路及外部存储部分现代单片机的应用系统要求功能齐全、结构简单、价格低廉。在单片机系统的设计中，设计人员必须考虑单片机系统的抗干扰能力和数据长期可靠保存，并且具有看门狗功能、断电后能保存数据和上电、掉电时复位功能。因此本系统采用了Xicor公司的X25045芯片。这是带可编程看门狗和电源监控功能的E2PROM，可编程的看门狗定时器，低电压检测和复位信号提供，5种标准复位电压，可重复编程，有512字节，每字节可擦写10万次，数据可保存100年。使用块保护功能，可使存入数据不被以外改写，3.3MHz时钟频率，片内偶然性写保护，写锁存，写保护引脚，最小编程时间，16位页写模式，写周期5ms（典型）。上电时自动提供200ms咼电平复位脉冲；有三种可编程看门狗周期；电源欠压，Vcc降到转折点时，自动提供复位脉冲°E2PROM采用三线总线的串行外设接口SPI，既节省了I/O口线和电路板空间，又降低了系统成本。因此，该芯片是性价比非常好的组合芯片。更是符合本设计所要求的最佳芯片。RS-485总线介绍随着数字技术的发展和计算机日益广泛的应用，现在一个系统往往由多台计算机组成，需要解决多站、远距离通信的问题。在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485收发器。RS-485收发器采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有咼的灵敏度，能检测低达200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。使用RS-485总线，一对双绞线就能实现多站联网，构成分布式系统，设备简单、价格低廉、能进行长距离通信的优点使其得到了广泛的应用。（1）阻抗不连续信号在传输过程中如果遇到阻抗突变，信号在这个地方就会引起反射，这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法，就是尽量保持传输线阻抗连续，实际工程中在电缆线的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻的原理就是为了减小信号反射。从理论上分析，在传输电缆的末端只要跨接了与电缆特性阻抗相匹配的终端电阻，就能有效的减少信号反射。但是，在实现应用中，由于传输电缆的特性阻抗与通讯波特率等应用环境有关，特性阻抗不可能与终端电阻完全相等，因此或多或少的信号反射还会存在。信号反射对数据传输的影响，归根结底是因为反射信号触发了接收器输入端的比较器，使接收器收到了错误的信号，导致CRC校验错误或整个数据帧错误。这种情况是无法改变的，只有尽量去避免它。（2）RS-485接地问题仅仅用一对双绞线将各个接口的A、B端连接起来，而不对RS-485通信链路的信号接地，在某些情况下也可以工作，但给系统埋下了隐患。RS-485接口采用差分方式传输信号并不需要对于某个参照点来检测信号系统，只需检测两线之间的电位差就可以了。但应该注意的是收发器只有在共模电压不超出一定范围（-7V至+12V）的条件下才能正常工作。当共模电压超出此范围，就会影响通信的可靠直至损坏接口。如图1所示，当发送器A向接收器B发送数据时，发送器A的输出共模电压为V0S,由于两个系统具有各自独立的接地系统存在着地电位差VGPD，那么接收器输入端的共模电压就会达到VCM二VOS+VGPD。RS-485标准规定V0SW3V,但VGPD可能会有很大幅度（十几伏甚至数十伏），并可能伴有强干扰信号致使接收器共模输入VCM超出正常围，在信号线上产生干扰电流轻则影响正常通信，重则损坏设备。（3）RS-485的总线结构及传输距离RS-485支持半双工或全双工模式。网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构不支持环形或星形网络，最好采用一条总线将各个节点串接起来。从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。在使用RS485接口时，对于特定的传输线经，从发生器到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度是数据信号速率的函数，这个长度数据主要是受信号失真及噪声等影响所限制。当数据信号速率降低到90Kbit/S以下时，假定最大允许的信号损失为6dBV时，则电缆长度被限制在1200M。实际上，在实用时是完全可以取得比它大的电缆长度。当使用不同线径的电缆。则取得的最大电缆长度是不相同的。综上所述，RS-485总线，具有高噪声抑制、宽共模范围、长传输距离冲突保护等特性，但还需要考虑合理的应用和网络布局、连续的信号通道、周全的保护措施等，在设计之初就应有总体规划。随着光纤通信和以太网技术的发展，RS-485总线的数据传输距离会更远。本课题所选芯片介绍众所周知，在电路设计过程中如果用分立元件组成的电路和用集成芯片组成的电路都能实现相同的功能，我们通常选择后者。原因有如下几个：（1）各个分立元件之间，虽然选用相同的型号但由于制作工艺的局限总是存在参数上的差别，这就会影响系统工作的稳定性。而选用集成芯片就避免了这个缺点；（2）从成本的角度考虑，如今随着科学技术的突飞猛进，尤其在集成电路方面的进步其集成规模更是越来越大，而由于各个生产厂家之间的竞争价格又在下降，因此我们没有必要不选择集成芯片；（3）从设计的角度考虑，功能强大的芯片会带给我们很多方便，只要我们弄清楚其工作原理正确的使用它，就会减少很多我们本来需要考虑的因素，这样就给我们的设计工作带来很多方便。在本系统中，为了使硬件电路简单、可靠、经济，使其具有更强的抗干扰性能，主要选择了如下几种芯片。3.1AT89C51本课题选用AT89C51，它是一种低功耗、高性能的8位单片机，它采用CHMOS（互补金属氧化物的HMOS）工艺。较之早期的MCS-51系列芯片采用的HMOS（高密度短沟道MOS）工艺，有了长足的进步。CHMOS是CMOS和HMOS的结合，除保持了HMOS高速度和高密度的特点之外，还具有CMOS低功耗的特点。其内含4K字节的FLASH程序存储器，可在现场进行在线编程，指令与MCS-51完全兼容。它含有4K字节的FLASHROM,128字节的RAM，32条I/O口线，两个16位的定时/计数器，5个中断源，两个优先级，一个全双工串行口，工作频率0-24MHz。AT89C51单片机的内部结构和80C51相近，主要含有如下一些部件：

（1）803lCPU；（2）时钟电路；（3）总线控制部件；（4）中断控制部件；（5）片内4KBFlash存储器；（6）片内128字节RAM；（7）4个并行I/0接口； （8）2个定时/计数器；（9）串行I/O接口；（10）位处理器。AT89C51的引脚及其说明如表3.1所示。表3.1AT89C51引脚说明引脚符号功能说明1〜8P1.0〜P1.7P1口8位双向口线9RST复位信号当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位操作。10〜17P3.0〜P3.7P3口8位双向口线18、19XTAL、XTAL12外接晶体引线端当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。20GND地线21〜28P2.0〜P2.7P2口8位双向口线29PSEN外部程序存储器读选通信号在读外部ROM时PSEN有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。30ALE地址锁存控制信号在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址送入锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的分时传送。此外由于ALE是以六分之一晶振频率的固定频率输出的正脉冲，因此可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。31EA访问程序存储器控制信号低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；而当其为高电平时，则对ROM的读操作从内部程序存储器开始，并可延续至外部程序存储器。32〜40P0.0〜P0.7P0口8位双向口线

其引脚图如图3.1所示。P]*cPj、匚Tt.C叭.tURSTC«xrjJ'j■匸空"…匸:U'l^Til*jiGToPL*[j「卩八口wi>广i:cXLAi.^CXTAE.tCGNDaPf*<AMr-u(ADOi5P-!i<ADIPf*<AMr-u(ADOi5P-!i<ADIJnF.>{AfJ2J-PajCADjj3Pqj{ATj^》nP&^ADS)5Pa..(AD^*Pn>(3ET/v^3ALLIr»ajj>□FttCAiO3PtUA1S>P..CA17>r>d<Ain由AT89C51做微控制器所构成的此应用系统具有如下特点：有可供用户使用的大量I/O口线。因本设计没有外部存储器扩展，这时EA接高电平，PO、Pl、P2、P3都可作用户I/0口使用。内部含有Flash存储器，因此在系统的开发过程中可以十分容易地进行程序的修改。一般的OTP产品，一旦错误编程就成了废品。而AT89C51单片机内部采用了Flash存储器，所以，错误编程之后仍可以重新编程，直到正确为止，故不存在废品。同时，在系统工作过程中，能有效地保存一些数据信息，即使外界电源损坏也不影响信息的保存。应用系统程序量不大，外电路简单，便于采用模拟开发手段。本设计中使用星研集成开发软件及其仿真器SuperIce51S。和AT80C51插座兼容。AT89C51单片机的引脚和80C51是一样的，所以，当用AT89C51单片机取代80C51时，可以直接进行代换。这时，不管采用40引脚还是44引脚的产品，只要用相同引脚的AT89C51单片机取代80C51的单片机即可。（5）性价比相对较高。现在市场上较为流行的几中品牌的单片机芯片中ATMEL公司的AT89C51单片机芯片的功能能够满足一般用户的要求，而价格较同类产品相比较低。AT89C5l其内部资源丰富，芯片功耗较低，其成本低、体积小，可达性好、扩展容易的优点是我们选择它的主要原因。3.2DS18B203・2・DS18B20简介DS18B20数字式温度传感器是由美国DALLAS公司生产的。它使用了在板（Onboard）专利技术，无需外围元件。传统的温度检测可以使用热敏电阻作为温度敏感元件，热敏电阻主要优点是成本低，但徐后续信号处理电路，而且可靠性相对较差，准确度和精确度都较低。而DS18B20数字式温度传感器与传统的热敏电阻温度传感器不同，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9〜12位的数字值读数方式，可以分别在93.75ms和750ms内将温度值转化9位和12位的数字量。因而使用DS18B20可使系统结构更简单，可靠性更高。芯片的耗电量很小，从总线上“偷”一点电（空闲时几iW,工作时几mW），存储在片内的电容就可正常工作，一般不用另加电源。最可贵的是这些芯片在检测点已把被测信号数字化了，一次在单总线上传送的是数字信号，这是的系统的抗干扰性好，可靠性高，传输距离远。它充分利用了单总线的独特特点，可以轻松的组建传感器网络，提高系统的抗干扰性，使系统设计更灵活方便，而且

适合于在恶劣的环境下进行现场温度测量。由DS18B20和单片机构成的系统具有如下特点：(1)单线接口，只有一根信号线与CPU连接;不需要备份电源，可通过信号线供电，电源电压范围从3.3V〜5V;(3)传送串行数据，不需要外部元件；温度测量范围从-55〜+125，-10〜+85时测量精度为±0.5；(5)用户可自设订非易失性的报警上下限值；报警搜索命令可以识别哪片DS18B20温度超限；通过编程可实现9〜12位的数字值读数方式；在93.7ms和750ms内将数字值转化9位和12位的数字量。DS18B20的引脚及功能NC1NC2VDD3DQ4DALLASDS18B208NC7NC6NC5GND1：GND2:DQ3:VDDDS18B20T0-92封装DS18B20引脚如图3.2所示，器件只有3NC1NC2VDD3DQ4DALLASDS18B208NC7NC6NC5GND1：GND2:DQ3:VDDDS18B20T0-92封装GND：地VDD：电源NC：空脚DQ：数据输入/输出DS18B208脚SOIC封装图3.2DS18B20封装及引脚图

内部结构组成及工作原理数字温度传感器DS18B20的内部结构如图3.3所示。它有4个主要的数据部件组成：64位激光ROM。64位激光ROM从高位到低位依次由8位CRC、48位列号和8位家族代码(28H)组成。温度灵敏元件。非易失性温度报警触发器TH与TL。可通过软件写入用户报警上下限值。配置寄存器。配置寄存器为中间结果暂存器中的字节4，配置寄存器可以设置DS18B20温度转换的精度，可以设置成精度为9位、10位、11位、12位，上电缺省的分辨率为12位精度。用户可根据需要改写配置寄存器以获得合适的分辨率。存储器和控制逻辑64位ROM和单64位ROM和单线接口高速

暂存

器温度传感器高温度触发器底温度触发器配置寄存器电源监测■>8位电源监测■>图3.3DS18B20的内部结构图DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个中间结果暂存器和一个非易失性的电可擦除EEPROM，后者存放高温度报警TH、低温度报警TL和配置寄存器的值。暂存器包含了8个连续字节，前两个字节是测得的数字温度数值，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是TH、TL,第五个字节是配置寄存器，这三个字节的值可以存在电可擦除的只读存取器（EEPR0M）中，掉电后数据不丢失，上电复位时数据从EEPROM载入中间结果暂存器。第六、七、八个字节内部保留。第九个字节是循环冗余检验CRC字节。DS18B20有三个主要的数据部件：64位激光ROM;温度灵敏元件；非易失性温度告警触发器TH和TL。器件从单线的通信线取得其电源，在信号线为高电平的时间周期内，把能量贮存在内部的电容器中，在单信号线为低电平的时间内断开此电源，直到信号线变为高电平重新接上寄生（电容）电源为止，作为另一种可供选择的方法，DS18B20也可用外部5V电源供电。其它设备与DS18B20进行数据通信要经过一个单线接口。在单线接口情况下，在ROM操作未定之前不能使用存贮器和控制操作。主机必须首先提供五种ROM操作命令之一：ReadROM（读ROM）、MatchROM（匹配ROM）、SearchROM（搜索ROM）、SkipROM（跳过ROM）、AlarmSearch（告警搜索）。这些命令对每一器件的64位激光ROM部分进行操作。如果在单线上有许多器件，那么可以挑选出一个特定的器件，并给总线上的主机指示存在多少器件及其类型。在成功地执行了ROM操作序列之后，可使用存贮器和控制操作，然后主机可以提供六种存贮器和控制操作命令。一个控制操作命令会指示DS18B20完成温度测量。该测量的结果将放入DS18B20的高速暂存（便笺式）存贮器（ScratchpadMemory），通过发出读暂存存储器内容的存储器操作命令就可以读出此结果。每一温度告警触发器TH和TL构成一个字节的EEPR0M。如果不对DS18B20施加告警搜索命令，这些寄存器可用作通用用户存储器。使用存储器操作命令可以写TH和TL。对这些寄存器的读访问通过便笺存储器。所有数据均以最低有效位在前的方式读写。供电方式DS18B20的电源供电方式有两种：外部供电方式和寄生电源方式。工作于寄生电源方式时，VDD和GND均接地，它在需要远程温度探测和空间受限的场合特别有用，原理是当1-Wire总的信号线DQ为高电平时，窃取信号能量给DS18B20供电，同时一部分能量给内部电容充电，当DQ为低电平时释放能量为DS18B20供电。但寄生电源方式需要强上拉电路，软件控制变得复杂（特别是在完成温度转换和拷贝数据到EEPROM时），同时芯片的性能也有所降低。因此，在条件允许的场合，尽量采用外供电方式。图3.4描述了外部供电方式的硬件连接关系。图3.4外部供电方式硬件连接图当I/O或VDD引脚为高电平时，这个电路便“取”得电源。只要符合指定的定时和电压要求，I/O将提供足够的功率。寄生电源的优点有：①利用此引脚，远程温度检测无需本地电源；②缺少正常电源条件下也可以读ROM。为了使DS18B20能完成准确的温度变换，当温度变换发生时，I/O线上必须提供足够的功率。因为DS18B20的工作电流高达lma,5K的上拉电阻将使I/O线没有足够的驱动能力。如果几个DS18B20在同一条I/O线上而且企图同时变换，那么这一问题将变得特别尖锐。有两种方法确保DS18B20在其有效变换期内得到足够的电源电流。第一种方法是发生温度变换时，在I/O线上提供一强的上拉。强上拉在温度变换期内向DS18B20供电如图3.5所示。当使用寄生电源方式时，VDD引脚必须连接到地。向DS18B20供电的另一种方法是通过使用连接到VDD引脚的外部电源，这种方法的优点是在I/O线上不要求强的上拉。这就允许在变换时间内其它数据在单线上传送。此外，在单线总线上可以放置任何数目的DS18B20,而且如果他们都使用外部电+5V图3.5强上拉在温度变换期内向DS18B20供电源，那么通过发出跳过（SkipROM）命令和接着发出变换（Convert）命令,可以同时完成温度变换。注意只要外部电源处于工作状态，GND（地）引脚不可悬空。在总线上主机不知道总线DS18B20是寄生电源供电还是外部VDD供电的情况下，在DS18B20内采取了措施来通知采用的供电方案。总线上主机通过发出跳过（skip）ROM的操作约定，然后发出读电源命令，可以决定是否有需要强上拉德DS18B2在总线上。在此命令发出后，主机接着发出读时间片。如果是寄生供电，DS18B2将在单线总线上送回“0”；如果VDD引脚供电它将送回“1”。如果主机接受到一个“0”，它知道它必须在温度变换期间在I/O线上供一强的上拉。DS18B20通过门开通期间内的温度系数震荡器经历的时钟周期个数计数来测量温度，而门开通期由高温度系数震荡器决定。计数器予置对应-55°C的基数，如果在门开通期结束前计数器达到零，那么温度寄存器也被予置至U-55C的数值将增量，指示温度高于-55°C。同时，计数器用斜率累加器电路所决定的值进行予置。为了对遵循抛物线规律的震荡器温度特性进行补偿，这种电路是必需的。时钟再次使计数器计值至它达到零。如果门开通时间仍未结束，那么此过程再次重复。斜率累加器用于补偿震荡器温度特性的非线性，以产生高分辨率的温度测量。通过改变温度每升高一度，计数器必须经历的计数个数来实行补偿。因此为了获得所需的分辨率，计数器的数值以及在给定温度处每一摄氏度的计数个数（斜率累加器的值）二者都必须知道。计算在DS18B20内部完成以提供0.5°C的分辨率。温度读数以16位、符号扩展的二进制补码读数形式提供。数据在单线接口上串行发送DS18B20可以以0.5的增量值、在0.5°C到+125C的范围内测量温度。对于应用华氏温度的场合，必须使用查找表或变换系数。温度数据关系如表3.2所示。

表3.2温度数据关系温度数字输出（二进制）安息字输出（十六进制）+125C000000001111101000FAh+25C00000000001100100032h+1/2C00000000000000010001h+0C00000000000000000000h-1/2C1111111111111111FFFFh-25C1111111111001110FFCEh-55C1111111110010010FF92h在DS18B20中温度是以1/2°CLSB（最低有效位）形式表示时，产生温度的9位格式如图3.6所示。MSB（最咼有效位）1MSB（最咼有效位）11001110（最低有效位）LSB图3.6温度的九位格式最高有效（符号）位被复制到存储器内两字节的温度寄存器中较咼MSB的所有位，这种“符号扩展”产生了16位的温度读数。以下的过程可以获得较高的分辨率。首先读温度，并从读得的值截去0.5C位（最低有效位）。这个值便是TEMP_READ。然后读留在计数器内的值。此值是门开通期停止后计数剩余。用户可以使用下式计算实际温度：TEMPRATURE（温度）=TEMP_READ-0.25+（C0UNT_PER_C-C0UNT_REMAIN）/C0UNT_PER_CDS18B20设计中应注意的几个问题DS18B20具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用接口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在DS18B20的有关资料中均未提及1-Wire上所挂DS18B20数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS18B20，在实际应用中并非如此。当1-Wire上所挂DS18B20超过8个时，就需要考虑微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50米时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通信距离可达150米。这主要是由于总线布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用DS18B20进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。实际应用中，测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。3.3压力传感器JYB-DW压力传感器是实现煤矿压力自动监测必不可少的组成部件。压力传感器的性能好坏会对系统性能产生直接影响。压力传感器一般分为表压式和绝压式由于本系统要测量的风压是在0—3000Pa之间，因此只能采用测量绝对压力的绝压式传感器。经过对传感器性能和价格的比较，本系统采用了昆仑海岸生产的型压JYB-DW压力传感器。它是表面安装的硅压力传感器，采用硅一硅熔接技术和高稳定性的超小压阻芯片封存，采用集成电路的引脚结构，适于安装在空间狭小的场合，广泛应用于高干扰，体积小、重量轻、成木低，适应自动化装置的应用领域。传感器特点•长期稳定性好•防浪涌电压，极性反向保护•抗干扰设计，适合恶劣使用环境•功耗低、迟滞误差小，可靠稳定•灵敏度高，温漂小•可配各种ICD、IED现场显示技术参数量程-5〜+5Kpa 最小量程：500Pa介质温度TO〜60°C环境温度0〜50C供电电压12〜32VDC（通常24VDC）输出信号 0〜10mA/4〜20mA/0〜5VDC负载特性电流输出型W600Q，250Q（带显示）电压输出型23KQ绝缘电阻＞100MQ准确度±1％F.S非线性V±0.2%F.S迟滞性与可重复性W±0.2%F.S长期稳定性W±0.2%F.S/年热力零点漂移W±0.04%F.S/°C响应时间V30mS最大工作压力2倍量程电气连接电缆连接过程连接M8*l外螺纹/外径为C8倒刺外部零件的材料铝合金壳体材料ABS测量介质干燥气体及其他与316不锈钢兼容气体TLC1543数模转换器一般说明TLC1543是CMOS、10位开关电容逐次逼近模数转换器。这些器件有三个输入端和一个3态输出端，片选（CS）、输入/输出时钟（I/OCLOCK）、地址输入（ADDRESS）和数据输出（DATAOUT），这样就和主处理器的串行口有一个直接的4线接口。这些器件可以从主机高速传输数据。除了高速的转换器和通用的控制能力外，这些器件有一个片内的14通道多路器可以选择11个输入中的任何一个或3个内部自测试（self-test）电压中的一个。采样-保持是自动的。在转换结束时，“转换结束”（EOC）输出端变高以指示转换的完成。这些器件中的转换器结合外部输入的差分高阻抗的基准电压，具有简化比率转换、刻度以及模拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离的特点。开关电容的设计可以使在整个温度范围内有较小的转换误差。特点（1） 10位分辨率A/D转换器（2） 11个模拟输入通道

（3） 3路内置自测试方式（4） 固有的采样、保持（5） 总的不可调整误差士1LSBMax（6） 片内系统时钟（7） 转换结束（End-of-Conversion,EOC）输出（8）采用CMOS技术引脚排列及说明161EOC161116TLC1543161EOC161116]WOCLOCK]ADDRESSJMTAOUTICTJREA-reeGNDtA10UA9GNDt图3.7引脚排列中国矿业大学（北京）2002级本科生毕业设计（论文）TLC1413引脚说明见表3.3。表3.3引脚说明引脚号無称I/O说明1.11，12AC〜A10I棋拟输入瑞.fell个模拟们号输入山内部蚩路器选择-驱动源的阻抗必烦小「或等丁lkQ15CSI片选端.在页端的一个由高至低变化将复位内部计数器井控制和使能DATAOUT、ADDRESS-flI/OCLOCK.一个E：l低至髙D勺变化將在一个设置时间内焼ll：ADDRESS[\I/OCLOCK17ADDRESSI串f丁数据输入瑞.一个4位的串厅地址选择卜一个即将被转换的所需的揆拟输入或测试电小串疔数据UMSB如丽导并在I/OCLOCK的削4个1：卄沿被移入-在斗个地址位被读入地址寄存器后"这个输入端对后续的信号无效16DATAOUT0用LA/D转换皓果输出的3态出行输出瑞.DATAOUTSC?如高时处•「高阻抗狀态，1讪迪匚$为低时处F激活状卷cs-ei,7效.捲照丽一次转换皓果的MSB值稼DATAOU丁城高阻抗状态转变戍相向的逻mill'■■-■ I/OCLOCK的卜-个卜-陆沿将根据MSB的卜一位穆DATAOU丁驱动成相吨的逻输电彩剩下的各位依枚移i-1-li'ULSB在I/OCLOCK的第九牛卜降沿皿现。在POCLOCK的第卜个卜降沿,DATAOU丁端被驱动旳逻辑低电帕因此釦卜个时钟时串行接口代送的是一些"零”19EOC0转换结束歸-在第卜个I/OCLOCKS输出端从逻辑高电平变列低电T井尿持低直到转换完戊從数据准备祐输1(|GND地.OMD是内部电路的地回路端.除另有说明外.所荷电压测量都相对LGND18I/OCLOCKI输；V输出时钟端.I/OCLOCK接收串行输人并完成U卜四个功能：在I/OCLOCK的前斗个1：汗沿.它将4个输入地址位瑯入地址寄存霽在第4牛1：升沿之后多路器地址肓效在I/OCLOCK的第斗个卜降沿.在选定的雾路器输入瑞上购榄拟谕入屯压开始向电容器充电井继续到I/OCLOCK的第卜个卜降沿它跡前一次转换的数抵的其金9位移门DATAOU丁端I/OCLOCKS第1-个下降沿它将转换的控制伯号传送到内部的状态控制器14REF+I正基准电压端-基准电压的正端〔通常为Vcc）被加到REF+.虽大的输入电用范围取决pin卩本端与加JREF端的屯压13REFI热基准电压端.基准电Fl；.的低瑞（通常对地]被加到REF2(.|Vcc&屯遞瑞4硬件部分的设计经过对所用器件和所设计系统的的原理的分析和研究，我们设计出了系统的硬件电路，从图中可以看出，温度采集部分由九个DS18B20芯片和单片机AT89C51连接构成。DS18B20与单片机的接口设计极其简单，只需将DS18B20的信号线与单片机的一位双向端口相连即可。同时我们可采用两种供电方式为DS18B20提供电源，前已说明，此处不必赘述。本文选用AT89C51的P1.0口与DS18B20的数据线相连，并采用外部电源方式为DS18B20供电。DS18B20与单片机连接图前已交代，此处不赘述。压力传感器JYB-DW输出模拟信号，因此将其输出端接数模转换芯片TLC1543的A0引脚，其将模拟信号转换为数字信号，再通过ADDRESS引脚联接单片机AT89C51的P2.2引脚，单片机从DATAOUT引脚读入数据后进行数据处理。声光报警部分采用发光二极管和蜂鸣器等级报警，当温度超出所设定的第一温度警戒值的时候二极管发光做提示报警，当温度超出报警值时，发光二极管灯亮，同时蜂鸣器响，显示报警状态。系统硬件设计图如图4.1。pT 1OUTvtetES-izVCCEKKTOCLOCK内CKESEA4DAT占ourASREFlREFAZA\ti曲口PI1POQ[A(1JFliF111[如：lFliFUj[A-2：lFl4FiiFlSFU4讪)FlGF11S[AS：IFl?FilCif.-iid)P:iTFii?[A-P：lP5吓:XDiEACFFpiirDtD：iALZ-f-Pir-OPiir^Tu：!円申f-5iriiTi-iF-i-?rMS：IPi耳㈣F-idr.!i1州P55fTI)F-i 1jiP5咿旳F-igI-Il2?rP：o：iF-i缈11)MTAL-iPiirAIli'iXTALIF-ji〔M：iF-juf>!<S'l图4.1系统硬件设计图5软件部分的设计5.1编程语言的选择软件设计与编程语言是密不可分的，在我们熟悉的领域中，存在着各种各样的语言，这就需要我们在编写程序之前，根据自己的需要以及各种语言的特点，来选择适合我们所设计的系统的语言。汇编语言是以助记符表示的指令，每一条指令都是一条语句，助记符指令和机器指令一一对应，所以使用汇编语言编写的程序效率高，占用存储空间小，运行速度快，汇编语言可以编写出最优化的程序；但汇编语言缺乏通用性，不易移植，各种计算机都有自己的汇编语言，不同计算机之间的汇编语言不能通用；汇编语言可以直接访问存储器及接口电路，可以直接管理和控制硬件设备；但汇编语言编程比使用高级语言困难，汇编语言是面向计算机的，要求程序员对计算机硬件有深入了解。本文所设计的是温度采集系统，采用汇编语言来实现，它需要单片机直接对硬件设备进行控制，而且汇编语言的速度快，又不会占用CPU大量时间。温度采集程序设计本系统的温度采集程序采用MCS-51汇编语言编写，在软件编程中，采用模块化设计，包SETUP设置子程序、中断子程序、写命令子程序、传送ROM码子程序等实现具体功能的子程序构成。整个系统的主程序是通过调用子程序来完成一系列的具体功能的，本设计的子程序流程图见图5.1。

YESNO超标循环加取出NUM路18B20序列号入RAM单元中发送RAM单元中64位DS18B20YESNO超标循环加取出NUM路18B20序列号入RAM单元中发送RAM单元中64位DS18B20编码读温度值8位有效位入A发送匹配ROM命令温度检测初始化DE1汨加声光报警子程序初始化DE1汨加发温度转换命令发跳过ROM命令延时0.2S开始图5.1温度采集子程序流程图子程序是为完成一项项具体的功能而编写的，以下为编程中用到的子程序段：DEKEYS：；按键处理子程序DEKEYS：SETDE：；“设定”功能键处理子程序SHOWNOW：;显示当前温度子程序，入口参数NUM,ASHOWING：；显示子程序，入口参数@R0SEND：；HD7279发送子程序，入口参数DATA_0UTRECEIVE：；从7279接收一个字节，高位在前，出口参数DATA_OUTLONG_DELAY：；延时50》sSHORT_DELAY：；延时8》sOUTDATA：；向X25045发送1字节数据，入口为AINDATA：；从X25045读取数据到AWREN_RDI：；写使能锁存器置位WRDI_INST：；写使能锁存器复位WRSR_INST：；写状态寄存器，入口STATUSRDSR_INST：；读状态寄存器WRITE_BYTE：；向X25045存储器写入个字节。入口地址ADDH,ADDLREAD_BYTE：；从存储器中读取个字节。入口地址ADDH，ADDLWD_RESET：；选中x25045，复位看门狗WIP_POLL：；初始化EEPROM操作程序延时值SEND_1BYTE：；向18B20发送个字节的数据，出口参数A中国矿业大学（北京）2002级本科生毕业设计（论文）RD_2BYTE：；DS18B20接收子程序，用TIMER1,TIMER2做计数TO器，；出口为WENDUH,WENDUL，延时用至【」timer3和R7BEGINSET：;DS18B20初始化子程序LINGCL：；声光报警子程序DELINGCL：；取消声光报警子程序ADDLTAL：；ADDL入口地址表温度采集程序见附录1。压力采集程序设计本系统的压力采集程序采用MCS-51汇编语言编写，在软件编程中，采用模块化设计，整个系统的主程序是通过调用子程序来完成一系列的具体功能的，本设计的子程序流程图见图5.2。图5.2压力主程序流程图6结论与展望经过四个多月的紧张而又充实的毕业设计，我的论文终于完成了。我所设计的是主扇轴承温度与风压检测采集装置。回顾这段日子真是感触良深，这次设计不仅仅是对以往所学知识的检验，它更是一个培养个人实际工作能力和团队精神的机会。针对主扇轴承不正常发热和风压过大对煤矿安全的影响，本文设计了这个系统，可以说它的实用性非常强。为了保证系统运行能够达到预先设计的标准，在设计制作的过程中，对各个方面要求的更规范更严谨更贴近实际。设计初期，我翻阅了各类资料，和同组的同学一起讨论主扇轴承温度和风压检测装置的设计任务和思路。对整个系统有了总体把握，掌握了系统的组成原理及实现方法。在兰老师的悉心指导下，我对自己的设计部分有了进一步的了解，熟悉设计思路后，我开始着手进行硬件选型的工作，同时，我深入研究各种温度和压力采集方法以及检测方法及存储原理后，通过查阅大量资料，在综合比较各芯片性能的基础上，我采用了AT89C51作为主控制器，DS18B20作为温度传感器，JYB-DW作为压力传感器之后，我对我要用的各个芯片进行了深入的了解和研究，通过自己的学习和师兄师姐以及同学的帮助，终于完成了硬件电路的设计并编译通过了相应的程序。毕业设计是对大学四年所学知识的一个总结和考察，同时也给自己一个自我检验自我提高的机会，因此我很认真地对待了这次毕业设计。令我欣慰的是，我的毕业设计获得了圆满成功！我相信它是我生命中的一朵美丽的浪花。参考文献胡汉才编著.单片机原理及其接口技术.北京：清华大学出版社，1995王幸之编著.8051/8098单片机原理及接口设计.北京：兵器工业出版社，1998朱定华，刘玉编著.单片机原理及接口技术学习辅导.电子工业出版社，2001何立民编著.MCS-51系列单片机应用系统设计（系统配置与接口技术）.北京:北京航空航天大学出版社，1990何立民主编.单片机中级教程.北京:北京航空航天大学出版社，2000何立民主编.单片机高级教程.北京:北京航空航天大学出版社，2000陈书开等.单片计算机的硬件软件及应用.长沙:中南工业大学出版社，1994康华光编著.电子技术基础（模拟部分）.高等教育出版社，1998周成刚等编著.AD590集成电路温度传感器特性测量与应用.大学物理实验，1998金伟正编著.单线数字温度传感器的原理与应用.电子技术应用，2000（6）:66〜68陈光东编著.单片微型计算机原理与接口技术.华中理工大学出版社.1998许兴在编著.传感器近代应用技术.同济大学出版社.1994金伟正编著，《单线数字温度传感器的原理及应用》施仁，刘文江编著.自动化仪表与过程控制.电子工业出版社，1991.3曲波，肖圣冰等编著.工业常用传感器选型指南.清华大学出版社.2002/6/17刘广玉编著.新型传感器技术及应用.北京:北京航空航天大学出版社1995DALLAS公司半导体手册.1996DS1820One-wireDigitalThermometer.DallasSemiconductorCorporation.PrintedinU.S.A.1993范逸之.VisualBasic与分布式监控系统——RS-232/485串行通信.北京：清华大学出版社，2002郑阿奇.VisualC++实用教程.北京：电子工业出版社，2000致谢本论文是在兰西柱老师的悉心指导下完成的，在这短短的四个月期间，兰老师在学术上给予了悉心指导，他严谨的治学态度、勤奋的工作作风、助人成才的高尚品质以及忘我的奉献精神给我们留下了深刻的印象。尽管工作很忙他仍以不断进取、精益求精的工作作风抽出时间来悉心指导学生的论文，从选题、制作电路板到电路板的测试及发送程序的测试修改等各个方面给予了精心安排和具体的指导。在即将毕业之际，谨向兰老师致以崇高的敬意和衷心的感谢！感谢论文中所引用的参考文献的作者！四年的学习生活，是人生中值得纪念的重要一节。生活和学习在老师身边，深受新一代学者兢兢业业，孜孜不倦，不断进取的敬业精神所鼓舞本人深深感到，一个人的成长，离不开前辈，老师，领导，亲人，同学的导，关心，帮助和鼓励。感谢母校的培养，还有党，政，团的领导和干部对我的教诲和帮助。并向本02-1班全体同学以及班主任张丽老师表示衷心的感谢和美好的祝愿！感谢父母亲对我的支持和鼓励！感谢在百忙中评审本论文的各位专家和学者！本人再次感谢上文中提到的以及限于篇幅未能提到的所有帮助，关心和支持过自己的人，并衷心地祝愿他们工作顺利，学术进步，身体健康，万事如意！

附录DS18B20温度采集程序TEMP_LOOP：LCALLRESETTEMP_LOOP：LCALLRESETMOVA,#0CCH令LCALLSEND_1BYTE;跳过ROM操作RAM,发忽略命BIT_COUNTEQU07FHHUDEQU07EHTENEQU07DHTIMER1EQU07CHTIMER2EQU07BHTIMER3EQU07AHTIMEREQU079HDS9EQU069HDS8EQU068HDS7EQU067HDS6EQU066HDS5EQU065HDS4EQU064HDS3EQU063HD