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(cè)礦井有毒有害氣體為目的，介紹一種通用性很強(qiáng)的智能空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。采用AT89C51單片機(jī)作為主控器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)礦下溫度和氧氣、甲烷氣等有毒有害氣體的濃度參數(shù)進(jìn)行采集處理、存儲(chǔ)、顯示及報(bào)警功能；同時(shí)可與上位機(jī)進(jìn)行串行通訊：并能將環(huán)境空氣的詳細(xì)歷史資料存儲(chǔ)在EEPROM中備查。此外，能實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井有人作業(yè)環(huán)境取排風(fēng)溫度進(jìn)行連續(xù)、間歇檢測(cè)；對(duì)無(wú)人作業(yè)環(huán)境下系統(tǒng)自動(dòng)定時(shí)運(yùn)行、非正常斷電后系統(tǒng)開(kāi)機(jī)等記憶功能。詳細(xì)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(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

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(hào)的采集、轉(zhuǎn)換、各種信息的顯示等；軟件部分主要完成信號(hào)的處理及控制功能等。其工作原理是通過(guò)89C51單片機(jī)一次查詢(xún)各傳感器的輸出信號(hào)，然后對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理后，再通過(guò)顯示模塊輸出，同時(shí)還可輸出各種報(bào)警信號(hào)和控制信號(hào)。圖1給出系統(tǒng)原理框圖。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1主控模塊

　　系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)，它帶有4 KB閃速式存儲(chǔ)器、128 B內(nèi)存，最大工作頻率為24 MHz。同時(shí)具有32條輸入輸出線，16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷源，1個(gè)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(xiě)入10萬(wàn)次，保持40年數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)擴(kuò)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(duì)12個(gè)通道進(jìn)行掃描檢測(cè)時(shí)，還將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。MAX232是一款帶±15 kV靜電保護(hù)，+5 V單電源供電的RS232收發(fā)器。顯示模塊采用44780驅(qū)動(dòng)的LCD，HD44780(KS0062)是用低功耗CMOS技術(shù)制造的大規(guī)模點(diǎn)陣LCD控制器(兼帶驅(qū)動(dòng)器)和4 bit／8bit微處理器相連，它能使點(diǎn)陣LCD顯示大小寫(xiě)英文字母、數(shù)字和符號(hào)等信息。同時(shí)有較強(qiáng)的通用性，使用方便，能使用戶(hù)僅用少量的元件組成一個(gè)完整的點(diǎn)陣LCD系統(tǒng)，根據(jù)送入的相關(guān)數(shù)據(jù)和指令就能實(shí)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(guò)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(gè)檢測(cè)電路，分別用于對(duì)溫度、氨氣和甲烷等有毒易燃?xì)怏w濃度的測(cè)量。在測(cè)量甲烷時(shí)選用WIJ-1B型甲烷傳感器作為檢測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換為所對(duì)應(yīng)的電阻值；在測(cè)量氨氣時(shí)，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(guò)測(cè)定氣體在某個(gè)確定電位電解時(shí)產(chǎn)生的電流來(lái)測(cè)量氣體濃度。傳感器輸出標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA信號(hào)。為滿(mǎn)足后續(xù)電路需要，采用兩個(gè)運(yùn)算放大器組成I／V轉(zhuǎn)換電路，再將所對(duì)應(yīng)的電阻值轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的電壓值。

　　采用AD620作為信號(hào)放大電路，有效抑制輸入信號(hào)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(guò)A／D轉(zhuǎn)換器由CPU處理獲得測(cè)量結(jié)果及控制信號(hào)，執(zhí)行部分由交流接觸器直接控制排風(fēng)電機(jī)，當(dāng)某一通道的中間繼電器閉合時(shí)，啟動(dòng)排風(fēng)電機(jī)并且報(bào)警。

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

 
3.4溫度檢測(cè)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(cè)量誤差為1℃?？梢?jiàn)，AD7416測(cè)量精度雖然不是很高．但是已能滿(mǎn)足礦井測(cè)溫的實(shí)際使用要求。表1給出溫度輸出對(duì)應(yīng)值。

4軟件設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)軟件采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，在WAVE6000版本的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)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(duì)時(shí)鐘器件和顯示屏的初始化，同時(shí)可以檢測(cè)單片機(jī)引腳，以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的調(diào)解。

(2)控制模塊

　　完成對(duì)3個(gè)空氣指標(biāo)的檢測(cè)。根據(jù)測(cè)量結(jié)果發(fā)出響應(yīng)的控制信號(hào)或報(bào)警信號(hào)，同時(shí)調(diào)用顯示模塊中的相應(yīng)部分。通過(guò)驅(qū)動(dòng)44780由LCD顯示測(cè)試數(shù)據(jù)及測(cè)試狀態(tài)。

(3)顯示模塊

　　包含各個(gè)顯示部分，在控制模塊中被調(diào)用。

4.1主程序設(shè)計(jì)

　　由于系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求不高。因此軟件部分采用順序執(zhí)行方式，此外，對(duì)各功能的實(shí)現(xiàn)使用模塊化設(shè)計(jì)。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(cè)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(zhuān)為PC間通信設(shè)計(jì)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(yàn)位，而單片機(jī)的串行通信格式是8位，因此不能采用奇偶校驗(yàn)糾錯(cuò)，必須采用查詢(xún)方式糾錯(cuò)。即PC將接收到的數(shù)據(jù)再發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)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(shí)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(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)停止位；傳送方式是PC機(jī)采用查詢(xún)方式收發(fā)數(shù)據(jù)，單片機(jī)采用中斷方式收發(fā)數(shù)據(jù)。

　　AT89C51單片機(jī)采用中斷方式接收PC機(jī)發(fā)過(guò)來(lái)的字符，并回送給主機(jī)。程序清單如下：

　　PC機(jī)的通信程序采用Turbo C編寫(xiě)，程序清單如下：

5抗干擾設(shè)計(jì)

　　為確保整個(gè)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(jìn)線段加入濾波器，以消弱瞬變?cè)肼暩蓴_；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(gè)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(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽的方法。電場(chǎng)屏蔽主要使用低電阻材料。磁場(chǎng)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(jī)系統(tǒng)與各種傳感器和開(kāi)關(guān)隔離開(kāi)。

　　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(hào)中摻雜的隨機(jī)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(shí)，可以用軟件陷阱和看門(mén)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(shí)，通過(guò)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(yùn)行有連續(xù)性，用戶(hù)在使用時(shí)也不易察覺(jué)程序被重新復(fù)位。