基于A(yíng)T89C51的智能礦井環(huán)境質(zhì)量監控系統

1 引言

　　以監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測系統的設計與實(shí)現。采用AT89C51單片機作為主控器，可實(shí)現對礦下溫度和氧氣、甲烷氣等有毒有害氣體的濃度參數進(jìn)行采集處理、存儲、顯示及報警功能；同時(shí)可與上位機進(jìn)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(shí)現對礦井有人作業(yè)環(huán)境取排風(fēng)溫度進(jìn)行連續、間歇檢測；對無(wú)人作業(yè)環(huán)境下系統自動(dòng)定時(shí)運行、非正常斷電后系統開(kāi)機等記憶功能。詳細闡述了硬件結構和軟件流程，并且指出該系統的特點(diǎn)和優(yōu)勢。

2系統組成及工作原理

　　該系統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(guò)89C51單片機一次查詢(xún)各傳感器的輸出信號，然后對輸入信號進(jìn)行相應處理后，再通過(guò)顯示模塊輸出，同時(shí)還可輸出各種報警信號和控制信號。圖1給出系統原理框圖。

3系統硬件設計

3.1主控模塊

　　系統采用AT89C51單片機，它帶有4 KB閃速式存儲器、128 B內存，最大工作頻率為24 MHz。同時(shí)具有32條輸入輸出線(xiàn)，16位定時(shí)／計數器，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年數據。該系統擴展了一片EPROM2754，接口器件采用一片8279，兩片8155；兩片A／D轉換器選用ADC0809，在對12個(gè)通道進(jìn)行掃描檢測時(shí)，還將模擬量轉換成數字量。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驅動(dòng)的LCD，HD44780(KS0062)是用低功耗CMOS技術(shù)制造的大規模點(diǎn)陣LCD控制器(兼帶驅動(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、數字和符號等信息。同時(shí)有較強的通用性，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，根據送入的相關(guān)數據和指令就能實(shí)現所需的顯示。HD44780顯示模塊有8條數據線(xiàn)，3條控制線(xiàn)，可與微處理器或微控制器相連，通過(guò)送入數據和指令，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(shí)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，即將濃度信號轉換為所對應的電阻值；在測量氨氣時(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)測定氣體在某個(gè)確定電位電解時(shí)產(chǎn)生的電流來(lái)測量氣體濃度。傳感器輸出標準的4～20 mA信號。為滿(mǎn)足后續電路需要，采用兩個(gè)運算放大器組成I／V轉換電路，再將所對應的電阻值轉換為相對應的電壓值。

　　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(guò)A／D轉換器由CPU處理獲得測量結果及控制信號，執行部分由交流接觸器直接控制排風(fēng)電機，當某一通道的中間繼電器閉合時(shí)，啟動(dòng)排風(fēng)電機并且報警。

　　該系統采用增量式PID算法，當實(shí)測值與系統給定值之差大于零時(shí)啟動(dòng)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數字溫度傳感器，具有10位數字輸出，其測量誤差為1℃?？梢?jiàn)，AD7416測量精度雖然不是很高．但是已能滿(mǎn)足礦井測溫的實(shí)際使用要求。表1給出溫度輸出對應值。

4軟件設計

　　該系統軟件采用匯編語(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給出系統的軟件結構。

(1)初始化模塊

　　主要用于對時(shí)鐘器件和顯示屏的初始化，同時(shí)可以檢測單片機引腳，以實(shí)現時(shí)鐘的調解。

(2)控制模塊

　　完成對3個(gè)空氣指標的檢測。根據測量結果發(fā)出響應的控制信號或報警信號，同時(shí)調用顯示模塊中的相應部分。通過(guò)驅動(dòng)44780由LCD顯示測試數據及測試狀態(tài)。

(3)顯示模塊

　　包含各個(gè)顯示部分，在控制模塊中被調用。

4.1主程序設計

　　由于系統對實(shí)時(shí)性的要求不高。因此軟件部分采用順序執行方式，此外，對各功能的實(shí)現使用模塊化設計。圖4給出主程序系統流程圖，用以完成硬件初始化和子程序調用等功能。

4.2 RS232通信子程序

　　PC通信是準確采集測試數據的關(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位是數據，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(xún)方式糾錯。即PC將接收到的數據再發(fā)送給單片機，單片機若比較接收數據和發(fā)送數據，若相同，則不再發(fā)送該組數據，等待發(fā)送下組數據；若不同，則再重發(fā)原數據，直到PC接收正確為止。實(shí)現通信雙方約定：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)數據位和1個(gè)停止位；傳送方式是PC機采用查詢(xún)方式收發(fā)數據，單片機采用中斷方式收發(fā)數據。

　　AT89C51單片機采用中斷方式接收PC機發(fā)過(guò)來(lái)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(xiě)，程序清單如下：

5抗干擾設計

　　為確保整個(gè)系統的可能性和安全性，采用了由硬件和軟件相結合的抗十擾措施。

　　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(xiàn)段加入濾波器，以消弱瞬變噪聲干擾；存直流電源線(xiàn)和地線(xiàn)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(xiàn)端與地線(xiàn)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)數字濾波技術(shù)。采用數字濾波技術(shù)除去輸入信號中摻雜的隨機干擾。(2)軟件陷阱技術(shù)。當系統受到干擾，PC值發(fā)生變化，程序出現"亂飛"等情況時(shí)，可以用軟件陷阱和看門(mén)狗將程序拉回到復位狀態(tài)。具體的講，可以在RAM中埋一些標志，在每次程序復位時(shí)，通過(guò)這些標志，可以判斷復位原因并根據不同的標志直接跳到相應的程序。這樣可以使程序運行有連續性，用戶(hù)在使用時(shí)也不易察覺(jué)程序被重新復位。