煤矿瓦斯微机监测系统设计.ppt

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1、煤矿瓦斯微机监测系统设计煤矿瓦斯微机监测系统设计指导老师：专 业：机械电子工程姓 名：学 号：本课题的研究意义降低重大事故发生率，保障矿工安全系统总体结构设计瓦斯信号检测电路放大电路模数转换单片机显示浓度信号输出蜂鸣器报警稳压电源220V总体方案的确定一、煤矿瓦斯微机监测系统实现的功能：n实时测量瓦斯浓度，精度为0.01%n对瓦斯浓度进行显示n瓦斯超浓度报警n瓦斯浓度可上传上位机进行监控二、浓度测定程序流程图 开始初始化启动A/D转化滤波零点修正浓度超限LED显示返回蜂鸣器报警三、上位机方案的确定1.上位机功能n任意时刻选定下位机查看浓度n将查看到的浓度进行保存2.上位机软件界面 确认获取浓度

2、值保存浓度查看数据退出下位机选择打开串口关闭串口CH4浓度100ppm四、通讯协议的确定 1.物理层选定 由于要进行远距离传输，所以选择RS-485构建下位机网络 2.通讯协议的选定 定义：网络间必须遵循的规则和约定 约束：单片机的串行通讯已经约定 确定：上位机查询时发送地址帧，下位机对接收到得地址帧进行核对，信息匹 配则发送数据帧，然后上位机查收；下位机串口通信采用中断方式。五、下位机操作界面设定 当前值 LED显示屏复位power零点数据电源指示灯报警灯下位机硬件设计一、控制核心单片机1.单片机选择 选择范围：PIC、AVR、51系列 选择因素：A/D驱动、两个中断使用、零点修正、LED八

3、位段码管显示 选择尺度：在满足性能的情况下，选择最经济的单片机 选择结果：AT89S522.AT89S52基本性能n与 MCS-51 单片机兼容n8K 字节在系统可编程Flash存储器n1000 次擦写周期n全静态操作：0Hz33MHzn三级加密程序存储器n32 个可编程 IO 口线n3个 16 位定时计数器n6个中断源n全双工 UART 串行通道n低功耗空闲和掉电模式n掉电后中断可唤醒n看门狗定时器二、瓦斯检测模块1.传感器选择（1）常用类别：n 催化燃烧式甲烷传感器n 红外原理甲烷传感器n 光干涉式甲烷传感器n 光纤气体甲烷传感器n 半导体式甲烷传感器（2）选择结果：MJC4/3.0L催化

4、燃烧式（3）选择原因：桥路输出电压呈线性避免 复杂的线性修正2.瓦斯检测电路（1）电路选择结果：半桥电路（2）选择原因：MJC4/3.0L传感器规定选择（3）全桥电路优点：灵敏度高，成本比全桥电路低（4）电路图：3.放大电路（1）采用放大电路原因：如图所示，当浓度高于2%时，电路输出45mv，为了满足A/D输入范围，必须采用放大电路对模拟信号进行放大。（2）放大器的选择：INA114（3）选择原因：成本低应用广泛，外接一个普通电阻就可以得到任意增益。（4）INA114基本放大电路：（5）放大电路Rg计算：n已知条件：VCC=3V，R0=2000，Umax=75mV=0.075Vn设定条件：G=

5、66n公式：Rg=50ku/(G-1)n结果：Rg=770三、A/D模块电路1.A/D转换器的选择（1）转换原理：计数式、双积分式、逐次逼近式及并行式A/D转换器（2）主流A/D转换器：1）双积分式A/D转换器 优点：转换精度高、抗干扰性能好、价格便宜 缺点：转换速度较慢 2）逐次逼近式 优点：速度较快、精度较高 缺点：精度和抗干扰性较差（3）选择因素：因为LED要对浓度进行即时显示，所以转换速度要快。（4）选择结果：选用逐次逼近式的PCF8591。2.PCF8591：（1）芯片通信原理：I2C总线（2）I2C总线简介：它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通

6、信速率较高等优点，可以只用两个管脚进行通信，最大程度的利用单片机管脚。四、显示模块1.模块选择：共阳极数码管2.共阳极数码管的字型代码表：字型dpgfedcba段码0110000000C0H1111110010F9H2101001000A4H3101100000B0H41001100199H51001001092H61000001082H7111110000F8H81000000080H91011000090H3.LED数码管和单片机连接电路图五、通信模块 1.数据传输方式选择：RS485只能半双工 2.通信方式选择：串口异步通信工作方式方式1 3.通信规定：双方波特率为4800bs，1位起始

7、位，8位数据位，无奇偶校验位，l位停止位，一帧信息为10位 4.计算定时器初值：X=256(SMOD+1)fosc(波特率384)X=256-211.0592106(3844800)X=233=F4H 5.串行接口电路设计：六、蜂鸣器报警电路 1.蜂鸣器选择：有源蜂鸣器，高电平接通会发声 2.电路设计：因为单片机管脚电压不足以驱动蜂鸣器，所以另结5V电压，设置三极管开关第四章 系统软件设计一、概述1.语言选择：C语言2.优点：移植性、模块性强3.变量分配：4.总程序模块分配：系统初始化、启动A/D转换、滤波、零点修正、浓度超限判断、LED显示瓦斯浓度、向上位机串口输出信号变量或数组名注释rec

8、eivebuf0用于存放纯净空气中的瓦斯浓度值。receivebuf1用于存放实时的瓦斯浓度值。output用于存放经过滤波和零点修正后的瓦斯浓度值。get_ad12用于存放实时的瓦斯浓度值，然后进行滤波处理。二、A/D转化子程序1.I2C总线控制方式（1）起始停止 起始：SCL 线是高电平时，SDA 线从高电平向低电平切换 停止：SCL 线是高电平时，SDA 线由低电平向高电平切换 （2）应答信号 每一个字节传输都必须有一个应答信号。（3）应答位检查 应答位检查用于检测接收的是否为正常的应答信号。SCLSDA2.程序流程图初始化开始发送寻址字节（写）0X90check_ACK发送通道控制字0

9、X01check_ACK开始发送寻址字节(读)check_ACK空采样一次check_ACKIN1通道采样结束返回A/D转换check_ACKSDA=1SCL=1应答标志位F0=0SDA=1?F0=1SCL=0返回三、滤波程序1.滤波原因：每次测得的瓦斯浓度值未必准确2.滤波方法：连续测试12组数据，然后在这12组数据中取平均值四、LED显示程序1.LED显示思路：将处理后的数据，从高位到低位转化为共阳极代码。2.LED显示算法：(1)每一次计算都要减去上一次的运算和；(2)然后将差除以最高位的基本单位即可得到该位的大小（例如200的最高位基本单位为100）；五、下位机通信程序设置特殊功能寄存器定义波特率开启串行中断启动定时器RI=1?从SBUF读取数据地址相同？发送地址RI=0NYNY六、上位机通信程序1.语言选择：VB2.插件选择：MSComm3.MSComm特点：类似于单片机中断事件，串口接收到数据则启动MSComm事件。4.上位机串口程序流程图：开始输入原始数据发送原始数据中的地址接收数据？显示到文本框内结束YN仿真与调试结果一、下位机程序调试结果二、下位机系统部分仿真三、上位机程序仿真结果感谢恩师祝愿老师们工作顺利，身体健康！祝愿同学们前程似锦，一帆风顺！