基于AT89C51的智能礦井環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)

1 引言

　　以監(jiān)測礦井有毒有害氣體為目的，介紹一種通用性很強的智能空氣監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。采用AT89C51單片機作為主控器，可實現(xiàn)對礦下溫度和氧氣、甲烷氣等有毒有害氣體的濃度參數(shù)進行采集處理、存儲、顯示及報警功能；同時可與上位機進行串行通訊：并能將環(huán)境空氣的詳細歷史資料存儲在EEPROM中備查。此外，能實現(xiàn)對礦井有人作業(yè)環(huán)境取排風(fēng)溫度進行連續(xù)、間歇檢測；對無人作業(yè)環(huán)境下系統(tǒng)自動定時運行、非正常斷電后系統(tǒng)開機等記憶功能。詳細闡述了硬件結(jié)構(gòu)和軟件流程，并且指出該系統(tǒng)的特點和優(yōu)勢。

2系統(tǒng)組成及工作原理

　　該系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分。硬件部分主要完成各種傳感器信號的采集、轉(zhuǎn)換、各種信息的顯示等；軟件部分主要完成信號的處理及控制功能等。其工作原理是通過89C51單片機一次查詢各傳感器的輸出信號，然后對輸入信號進行相應(yīng)處理后，再通過顯示模塊輸出，同時還可輸出各種報警信號和控制信號。圖1給出系統(tǒng)原理框圖。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1主控模塊

　　系統(tǒng)采用AT89C51單片機，它帶有4 KB閃速式存儲器、128 B內(nèi)存，最大工作頻率為24 MHz。同時具有32條輸入輸出線，16位定時／計數(shù)器，5個中斷源，1個串行口。

3.2外圍電路

　　采片Atmel公司的AT24C128，該器件具有128 Kb的EEPROM，可寫入10萬次，保持40年數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)擴展了一片EPROM2754，接口器件采用一片8279，兩片8155；兩片A／D轉(zhuǎn)換器選用ADC0809，在對12個通道進行掃描檢測時，還將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。MAX232是一款帶±15 kV靜電保護，+5 V單電源供電的RS232收發(fā)器。顯示模塊采用44780驅(qū)動的LCD，HD44780(KS0062)是用低功耗CMOS技術(shù)制造的大規(guī)模點陣LCD控制器(兼帶驅(qū)動器)和4 bit／8bit微處理器相連，它能使點陣LCD顯示大小寫英文字母、數(shù)字和符號等信息。同時有較強的通用性，使用方便，能使用戶僅用少量的元件組成一個完整的點陣LCD系統(tǒng)，根據(jù)送入的相關(guān)數(shù)據(jù)和指令就能實現(xiàn)所需的顯示。HD44780顯示模塊有8條數(shù)據(jù)線，3條控制線，可與微處理器或微控制器相連，通過送入數(shù)據(jù)和指令，可使模塊正常工作。

3.3傳感電路

　　該電路包含3個檢測電路，分別用于對溫度、氨氣和甲烷等有毒易燃氣體濃度的測量。在測量甲烷時選用WIJ-1B型甲烷傳感器作為檢測元件。傳感器吸附甲烷氣體使其阻值發(fā)生改變，即將濃度信號轉(zhuǎn)換為所對應(yīng)的電阻值；在測量氨氣時，選用定電位電解式傳感器，即濕式電化學(xué)氣體傳感器，通過測定氣體在某個確定電位電解時產(chǎn)生的電流來測量氣體濃度。傳感器輸出標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA信號。為滿足后續(xù)電路需要，采用兩個運算放大器組成I／V轉(zhuǎn)換電路，再將所對應(yīng)的電阻值轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的電壓值。

　　采用AD620作為信號放大電路，有效抑制輸入信號間的共模干擾和串模干擾。圖2給出了AD620與后繼放大電路原理圖。

　　通過A／D轉(zhuǎn)換器由CPU處理獲得測量結(jié)果及控制信號，執(zhí)行部分由交流接觸器直接控制排風(fēng)電機，當(dāng)某一通道的中間繼電器閉合時，啟動排風(fēng)電機并且報警。

　　該系統(tǒng)采用增量式PID算法，當(dāng)實測值與系統(tǒng)給定值之差大于零時啟動排風(fēng)電機，從而控制有害氣體濃度。其算法公式為：

 
3.4溫度檢測電路

　　采用ADI公司生產(chǎn)的AD7416數(shù)字溫度傳感器，具有10位數(shù)字輸出，其測量誤差為1℃。可見，AD7416測量精度雖然不是很高．但是已能滿足礦井測溫的實際使用要求。表1給出溫度輸出對應(yīng)值。

4軟件設(shè)計

　　該系統(tǒng)軟件采用匯編語言編寫，在WAVE6000版本的集成開發(fā)環(huán)境下進行編譯連接。圖3給出系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)。

(1)初始化模塊

　　主要用于對時鐘器件和顯示屏的初始化，同時可以檢測單片機引腳，以實現(xiàn)時鐘的調(diào)解。

(2)控制模塊

　　完成對3個空氣指標(biāo)的檢測。根據(jù)測量結(jié)果發(fā)出響應(yīng)的控制信號或報警信號，同時調(diào)用顯示模塊中的相應(yīng)部分。通過驅(qū)動44780由LCD顯示測試數(shù)據(jù)及測試狀態(tài)。

(3)顯示模塊

　　包含各個顯示部分，在控制模塊中被調(diào)用。

4.1主程序設(shè)計

　　由于系統(tǒng)對實時性的要求不高。因此軟件部分采用順序執(zhí)行方式，此外，對各功能的實現(xiàn)使用模塊化設(shè)計。圖4給出主程序系統(tǒng)流程圖，用以完成硬件初始化和子程序調(diào)用等功能。

4.2 RS232通信子程序

　　PC通信是準(zhǔn)確采集測試數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，二者間的通信采用RS232C接口，該接口是專為PC間通信設(shè)計的，其連接電路如圖5所示。PC間通信采用ASCII碼，前7位是數(shù)據(jù)，第8位是奇偶校驗位，而單片機的串行通信格式是8位，因此不能采用奇偶校驗糾錯，必須采用查詢方式糾錯。即PC將接收到的數(shù)據(jù)再發(fā)送給單片機，單片機若比較接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)，若相同，則不再發(fā)送該組數(shù)據(jù)，等待發(fā)送下組數(shù)據(jù)；若不同，則再重發(fā)原數(shù)據(jù)，直到PC接收正確為止。實現(xiàn)通信雙方約定：波特率為2 400 bit／s；幀格式為10位一幀，包括1個起始位，8個數(shù)據(jù)位和1個停止位；傳送方式是PC機采用查詢方式收發(fā)數(shù)據(jù)，單片機采用中斷方式收發(fā)數(shù)據(jù)。

　　AT89C51單片機采用中斷方式接收PC機發(fā)過來的字符，并回送給主機。程序清單如下：

　　PC機的通信程序采用Turbo C編寫，程序清單如下：

5抗干擾設(shè)計

　　為確保整個系統(tǒng)的可能性和安全性，采用了由硬件和軟件相結(jié)合的抗十?dāng)_措施。

　　硬件的抗干擾措施是：(1)濾波技術(shù)。將電源變壓器的進線段加入濾波器，以消弱瞬變噪聲干擾；存直流電源線和地線之間接濾波電容以抑制電源噪聲。(2)去耦電路。在印刷電路板的各個集成電路的電源線端與地線端之間配置去耦電容。(3)屏蔽技術(shù)。采用電場屏蔽和電磁場屏蔽的方法。電場屏蔽主要使用低電阻材料。磁場屏蔽使用高導(dǎo)磁率的材料。(4)光電隔離。在I／O通道上接光電隔離器，將單片機系統(tǒng)與各種傳感器和開關(guān)隔離開。

　　軟件的抗干擾措施是：(1)數(shù)字濾波技術(shù)。采用數(shù)字濾波技術(shù)除去輸入信號中摻雜的隨機干擾。(2)軟件陷阱技術(shù)。當(dāng)系統(tǒng)受到干擾，PC值發(fā)生變化，程序出現(xiàn)"亂飛"等情況時，可以用軟件陷阱和看門狗將程序拉回到復(fù)位狀態(tài)。具體的講，可以在RAM中埋一些標(biāo)志，在每次程序復(fù)位時，通過這些標(biāo)志，可以判斷復(fù)位原因并根據(jù)不同的標(biāo)志直接跳到相應(yīng)的程序。這樣可以使程序運行有連續(xù)性，用戶在使用時也不易察覺程序被重新復(fù)位。