煤矿安全监控系统井下监控分站的设计

煤矿安全监控系统井下监控分站的设计内容摘要：

(3) 开关量输出信号 高电平空载时不低于 10V，负载拉出电流 2mA时不低于 5V；低电平不大于。 自动断电 10 分站接入的模拟量输入信号可以控制分站的开关量信号输出； 显示 (1) 显示方式 液晶显示汉字和字符； (2) 显示模式： ① 、显示本分站的名称地址； ② 、依次显示分站所接传感器的名称和当前测量值； ③ 、通过按键实现浓度和频率的切换。 瓦斯闭锁 实现对采煤工作面的瓦斯闭锁功能，设定甲烷浓度大于 %，分站发出报警信号，大于 %时，分站控制 其工作面范围断电。 当甲烷浓度持续 1 分站小于 %后回复其供电。 井下监控分站硬件模块设计 我所设计的煤矿安全监控系统井下监控分站以 STC89C52 单片机为核心，构成微型计算机系统，本监控分站采用一片 STC89C52 单片机控制。 硬件电路包括过主控电路、电源电路、压频转换电路、信号输入输出电路、地址开关电路、报警电路和显示电路等组成。 主控制电路 （ 1）主控芯片的选择 本设计采用宏晶科技的 STC89C52 单片机， STC89C52RC 单片机是可靠、高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，同时它也有便于扩展、控制功能强、实用性好等特点。 其指令代码完全兼容 8051 芯片，同时可以选择 12 时钟 /机器周期和 6 时钟 /机器周期。 拥有高 频率 的 8 位 CPU 和 可在系统编程 的 Flash 等特点，它使得 STC89C52 单片机在控制应用中变的使用更加灵活、效率更高。 STC89C52 单片机主要特性如下：  工作电压： ～ （ ～ ： 3V 单片机）；  工作频率范围： 0～ 40MHz；  用 户应用程序空间为 8K 字节；  片上集成 512 字节 RAM；  通用 I/O，共 32 个，当它复位后为： P P P P4 是 准双向口 /弱上 拉 ； 11  ISP/IAP，无需专用编程器，不需要专 用 仿真器，可通 过 串口（ R XD/, TXD/）直接下载用户程序；  具有 EEPROM 功能；  具有 看门狗 功能；  共 3 个 16 位定时器 /计数器。 即定时器 T0、 T T2；  4 路外部中断，下降沿中断或者低电平触发电路，其 Power Down 模式可以由外部中断低电平触发中断方式唤醒；  通用异步串行口 （ UART），还可用通过定时器软件实 现多个 UART；  工作温度范围： 40～ +85℃ （工业用） /0～ 75℃ （商业用）。 （ 2） STC89C52RC 的 工作模式  掉电模式：典型功耗 ,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序；  空闲模式：典型功耗 2mA；  正常工作模式：典型功耗 4Ma～ 7mA； （ 3） STC89C52 主要功能部件 图 31 所示为 STC89C52 的主要功能部件。 图 31 STC89C52 主要功能部件结构图 CPUROM中断系统并行 I / O 口定时 / 计数器RAM串行端口时钟源TO T 2T 1P 0 P 1 P 2 P 3 TXD RXDINT 0 INT 1 12 12345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE30EA/VPP313233343536373839VCC40STC89C5230pF1212M30pF123456789105VVCC5V1234567891110104104ResetReset12345678910K5VC1+1VDD2C13C2+4C25VEE6T2OUT7R2IN8R2OUT9T2IN10T1IN11R1OUT12R1IN13T1OUT14GND15VCC16MAX232CPE1041045V（ 4）主控制电路的设计 主控制电路完成控制并协调各个外围设备工作的功能，最终所设计的电源模块、压频转换模块、信号输入输出模块、地址开关模块、声音报警模块和液晶显示模块等通过主控制电路构成一个硬件系统，然后通过软件编程，为这个系统添加各种功能， 主控制电路图如图 32 所示。 其主要是通过软件编程，按需要从外设获取信号并处理信号，最终实现控制作用。 图 32 分站的主控电路图 电源模块 图 33 稳压直流电源前端电路原理图。 电源作为电路工作的使能元件，所以电源的稳定性对于设计电路的正常工作是非常重要的。 本设计所使用的有两种电压形式： STC89C52 单片机主控制电路的供电电压为+5V，模拟信号的压频转换模块采用的是双电源供电，需要 177。 12V 电压。 两部分工作电压不同所以需要分别制作各自的电源管理模块。 要得到上述两路直流电压，首先需要将市电 220V 交流电通过降压变压器降压，再通过整流滤波稳压等处理通道后得到 +5V、 177。 12V三路直流电压，然后分别供两部分电路模块使用。 如图 33 所示 本模块包括：变压器、整流滤波和稳压电路。 变压器选取次级带中心抽头的，电桥完成整流， 100pF 电解电容起到滤波作用，选取时容值越大越好。 13 Vin VoutGNDVR17812S1SWDPST100pFC2D31N4007D11N4007100pFC1GND1KR1D2LED0GND+12Vin VoutGNDVR27912S2SWDPST100pFC3D61N4007D41N4007100pFC4GND1KR2D5LED0GND12VCCVCCVin VoutGNDVR37805S3SWDPST100pFC9D111N4007D81N4007100pFC8GND1KR3D9LED0GND+5Vin VoutGNDVR47905S4SWDPST100pFC11D141N4007D121N4007100pFC12GND1KR4D13LED0GND5VCCVCC12P1MHDR1X212P2MHDR1X212P3MHDR1X212P4MHDR1X2 图 33 稳压直流电源前端电路原理图 图 34 稳压电路及高频滤波电路图 100pFT1AC2V+1AC4V3D7100pFGND+1515AC2V+1AC4V3D10100pF100pFGND+55 14 U1TLP5211D21N5338BC11KR1D1LED0IN1IN1+U2TLP5212D41N5338BC21KR3D3LED0U3TLP5213D61N5338BC31KR5D5LED0U4TLP5214D81N5338BC41KR7D7LED04K7R24K7R44K7R64K7R8VCCGND12345678910111213141516P174HC151GNDVCCIN2+IN3+IN4+IN2IN3IN4图 34 为 稳压电路及高频滤波电路。 前端 104 瓷片电容起到去除高频干扰的作用，通过 7 79 系列三端稳压芯片将输出端电压维持在设计的电压内， 输出端接有各路输出电压的控制开关，通过外接发光二极管来判断是否有输出电压。 传感器开关量输入通道模块 图 35 为信号输入通道电路图。 分站设计的传感器信号输入通道共有 4 路，可扩展为 8 路。 4 路中分 2 路开关量信号输入和 2 模拟量信号输入。 图 35 信号输入通道电路图 电路的工作流程是：信号由输入端子接入输入通道，模拟量和开关量通道设计为可混合使用，模拟量通过压频转换模块将电压信号转换成 200 Hz ~1000Hz 的频率信号。 频率信号较电压、电流信号抗干扰能力更强，方便在井下复杂的电磁环境中远距离传输。 考虑到电路保护及抗干扰措施，在输入通道的前端设计了一个 滤波电容用来滤除 15 INNCNCVCCC1NCFout NCNCCinCommon+VCCVout+INVFC328K+1212GND+5VFoutVin高频干扰信号；利用稳压二极管 1N5338B（击穿电压 ）的反向偏置特性设计了一个简单有效的稳压电路，将输入电压限制在 以下。 用 LED 灯显示每路信号传输状态。 模拟量压频转换模块。 图 36 压频转换电路图 图 36 为圧频转换电路图。 圧频转换的作用是把传感器输出的模拟信号转换成频率信号，然后输入单片机。 VFC32 由运算放大器 AMP、电压比较器 COM、单稳态触发器、集电极开路输出晶体管 TQ 和基准 电流源 IRE 构成。 积分运算的精度即保证了良好的转换线性度 ,同时它的积分特性使得 VFC32 在各种干扰环境中都有非常好的抗干扰能力。 集电极 开路频率输出级 可通过选择上拉电压改变输出脉冲幅度，提高了灵活性，使它适用于各种逻辑电路。 通过外接电容和 电阻，可在大范围内调节其输出值 控制输出模块 图 37 为井下 监控分 站 的控制输出 部分 电路图。 本电路通过继电器实现危险参数超限断电或状态切换功能。 继电器的控制端有三极管 Q 来驱动，只要输入端为高电平（ +5V），三极管导通，继电器控制端（ 5）获得电流电磁铁工作，接触段 3 导通。 输入端为低电平时，三极管 Q 截止，控制端没有电流通过，继电器不工作。 实现了低压控制的目的。 此模块模拟实现煤矿井下的瓦斯闭锁功能，根据输出信号的变化，若其达到预设定动作值的上限，则单片机控制继电器动作来模拟分站控制设备的运行与否。 16 图 37 控制输出电路图 拨码地址模块 地址开关用于分站地址的设定。 每一个分站都有一个分站号，即地面监控主机对分站查询时的分站地址。 分站号使用 BCD 码设置。 分站地址开关是个 8 位拨码开关， 8路 DIP 拨码开关通过上拉电阻连接至单片机 IO 口，实现确定分站地址的目的。 所以本系统容量最大可以提供 28，即 256 个分站。 8 位开关的设定必然在 8 路总线上形成高或低（或 “1”或 “0” ）的电平信号。 例如，总线 B0～ B7 对应的地址开关拨成 01010101，即说明该分站地址为 55。 通过对地址的不同设置，可以得到不同的分站号。 图 38 为拨码开关的电路图。 图 38 拨码开关电路图 12345K1RelayQ180504K7R3D31N4148GND+5330R1330R2D1LED0D2LED0VCCGND12345678161514131211109SW DIP8123456789R51GNDVCC。