基于单片机的煤矿瓦斯检测系统

基于单片机的煤矿瓦斯检测系统内容摘要：

链路管理单元主要负责基带连接的设定及管理、基带数据的分段及重组 和 多路复用等；软件单元主要为各种应用提供应用软件所需的通信协议与应用程序接口。 随着无线通信技术的发展，特别是数字通信技术的进步，无线产品性能和造价的 性价比更趋 合理。 所以，利用无线技术进行监控、跟踪、定位成为现实，特别是蓝牙 (Bluetooth)技术的出现，为无线蓝牙技术的推广应用奠定了坚实的基础。 利用这种技术的产品，具有技术先进、体积小、功耗低、造价低等特点，而且不限制被监控设备的具体位置，允许其在一定空间范围内移动。 在蓝牙技术之前实现的无线监控技术，从稳定性、可控对象数目、成本、功耗等方面有着诸多不可逾越的障碍。 可以说，蓝牙技术为无线监控技术提供了 前所未有的技术基础，实现了 全天候 、全空间 (具有一定安全移动范围 )、针对性强的监控目标。 实验证明，地下无 线传输频率高到 300 MHz，无线电波在矿井中的传播反而能取得上佳效果。 目前学者们用两种理论来解释这一点： 1． 基于波导理论。 矿井巷道的半封闭空间结构以及煤的电介质特性使得矿井在频率较高的情况下类似于波导。 波导是一个高通滤波器，因而较高频率无线电信号可以在其中较为有效地直接传输。 2． 基于无线电传输的光学射线理论也可以解释这一现象。 当无线电的波长远远小于限定空间的几何尺寸时，无线电的传播可以看成是光在限定空间中直射、反射、绕射的综合结果。 在 UHF频段传输比 VHF以及 哈尔滨理工大学学士学位论文 6 更低频段更加有效。 蓝牙工作在 GHz，对于这一频率在矿井中的传输，许多学者已经进行了多次实验。 在西山宫地矿以及邢台矿务局显得旺矿综采工作面采用专用的工作在 GHz的扩频电话通信的实验表明， 100 dBm的功率可以有效地传输 100 m。 在矿井中采用 UHF无线电通信的另外一个优越性是空间电磁波对通信的干扰很小，曾经在矿井直巷道中实验了电机车通过时电弓发出的电火花对 UHF通信的干扰效应，结果表明客观上没有影响通信质量。 硬件结构：监控中心系统硬件结构由单片机 AT89LV5蓝牙 模块 组成，作为被监控设备，硬件结构是由 蓝牙模块 组成的一个简单 的电路，在周围环境等外界条件发生变化时，触发 蓝牙模块 进行无线报警。 基于蓝牙无线传感系统简介 中央处理器 (CPU) 微处理芯片采用的是 AT89LV51单片机，同时具有高集成度、宽环境温度范围、高精度 A/D转换等技术性能，拥有串行通信接口、硬件乘法器、 LCD液晶 驱动 电路及高抗干扰能力等技术特点，因此，特别适合应用在智能仪表等产 品中。 因为在监控设计中， 一方面监控系统要与被监控设备进行指令信息、报警信息的发送及接收 ； 另一方面需要将接收到的报警信息报告给有关管理部门或者警卫室。 蓝牙模块 蓝牙信号的收发采用蓝牙模块 BRF6100 实现。 BRF6100 是 TI 公司最近推出的遵循蓝牙 标准的无线信号收发芯片，其升级型号 BRF6150 支持 标准， BRF6100 的主要特性有：具有片内数字无线处理器 DRP（ DigitalRadioProcessor）、数控振荡器，片内射频收发开关切换，内置嵌入式处理器 等。 BRF6100 结构如图 23 所示。 图 23 BRF6100 结构 图 BRF6100 接收信号时，收发开关置为收状态，射频信号从天线接收后，经收发 模块 蓝 牙 收 发 器 蓝牙基带信号处理 片内外设 RAM ROM ARM7 时钟和电源管理模块 Balun 主机接口 编码 接口 时钟 哈尔滨理工大学学士学位论文 7 过蓝牙收发器直接传输到基带信号处理器。 基带信号处理包括下变频和采样，BRF6100 采用零中频结构。 数字信号存储在 RAM（容量为 32KB）中，供 嵌入式处理器 调用和处理， 后 将处理后的数据从编码接口输出到其他设备，信号发过程是信号收的逆过程，此外， BRF6100 还包括时钟和电源管理模块以及多个通用 I/O 口，供不同的外设使用。 BRF6100 的主机接口可以提供双工的通用串口，可以方便地和 PC 机的 RS232 通信，也可以和 单片机 的缓冲串口通信。 CPU 与蓝牙模块的连接 AT89LV51 和 BRF6100 的通信使用异步串口实现。 为了保证双方通信的可靠和实时， 采用 异步串口实现。 在本设计中，硬件结构简单、灵敏度高。 蓝牙 模块 的无线通信本身在安全性、隐蔽性问题上就起了自然而然的作用，同时蓝牙 模块 间的信息传输只要在天线发射功率允许的范围内就可以，不受空间位置的约束限制。 可以说，随着蓝牙技术的不断广泛应用， 蓝牙模块 价格成本的下降，蓝牙在社会各个领域的应用，特别是在监控领域的应用，将会不断地普及。 主要芯片简介 根据使用环境对产品设计的便携型要求，控制电路的核心元件 采用了AT89LV51低电压单片机，传感器采用 MQ5 气体传感器 ， 为减少单片机端口的占用和进一步扩展其它功能 A/D 转换部分采用 TI 公司的 TLC1543， LCD 液晶 ， A/D 转换和 LCD 液晶 都是通过串行方式与单片机相连接，报警器电路使用的是蜂鸣器进行报警，这种设计可以满足不同场合的应用，测试结果稳定可靠， 10 位 TLC1543 的 A/D 转换芯片能够 满足系统测量的精度要求。 AT89LV51单片机芯片简介 AT89LV51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器 (PEROM)和 128 bytes 的随机存取数据存储器 CRAM 器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器 (CPU)和 Flash 存储单元，功能强大 AT89LV51 单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域，特别适合于便携式、袖珍式及电池供电的仪器仪表、各种方式体积小的设备中应用环境中 AT89LV51 可在 电源电压下工作。 引脚接线图如 24 所示。 其 主要性能参数 ： 1． 与 MCS51 产品指令系统完全兼容 2． 4k 字节可重 新 擦写 Flash 闪速存储器 3． 1000 次擦写周期 4． 2. 的工作电压范围 5． 全静态操作 ： 0Hz12MHz 6． 三级加密程序存储器 哈尔滨理工大学学士学位论文 8 7． 128*8 字节内 部 RAM 8． 32 个 可 编程 I/O 接 线 口 9． 2 个 16 位定时 /计数器 10． 6 个中断源 11． 可编程串行 DART 通道 12． 低功耗空闲和掉电模式 图 24 AT89LV51 引脚接线图 其 功能特性概述 ： AT89LV51 提供以下标准功能 ： 4k 字节 Flash 闪速存储器， 128 字节内部RAM， 两个 16 位定时 /计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信片内振荡器及时钟电路， AT89LV51 可降至 静态逻辑操作，并支持两种软 件可选的节电工作模式空闲方式 停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时 /计数器，串行通信及中断系统继续工作。 掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器 停止 工作并禁 止 其它所有部件工作 直 到下一个硬件复位。 MQ5 传感器 简介 本设计中，由于瓦斯气体的主要成分是甲烷，所以气体传感器采用的是MQ5，它适用于家庭或工业上对液化气，甲烷 （天然气），煤气的监测装置。 它具有优良的抗乙醇，烟雾干扰能力， 有对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度；对乙醇，烟雾几乎不响应；快速的响应恢复特性；长期的使用寿命和可靠的稳定性；简单的测试电路等 优点。 表 21， 22 所示。 哈尔滨理工大学学士学位论文 9 表 21 标准工作条件 符号 参数名称 技术条件 备注 Vc 回路电压 ≤ 15V AC or DC VH 加热电压 177。 AC or DC RL 负载电阻 可调 RH 加热电阻 31Ω177。 3Ω 室温 PH 加热功耗 ≤ 900mW 表 22 MQ5 灵敏度特性表 符号 参数名称 技术参数 备注 Rs 敏感体电阻 10KΩ 60KΩ (1000ppm 甲烷 ) 探测范围： 3005000ppm 液化气，天然气，煤气。 α (1000ppm/ 5000ppm CH4) 浓度斜率 ≤ 标准工作条件 温度： 20℃177。 2℃ Vc： 177。 相对湿度： 65%177。 5% Vh： 177。 预热时间 不少于 24小时 MQ5 气敏元件由微型 AL2O3 陶瓷管、 SnO2 敏感层 ， 测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏 元件提供了必要的工作条件。 封装好的气敏元件有 6 只针状管脚，其中 4 个用于信号取出， 2个用于提供加热电流。 MQ5 的 结构以及设计 接线如图 25 所示 ，在实际的测量中，可以按照其等效电路来计算相应的校正数值， Ro 表示的是测量气体在腔体内的等效电阻，RL 是外接负载电阻，用来调整输出的模拟量电压范围，具体数值应根据 A/D转换器的输入范围来确定，在 TLC1543 的输入范围是 0～ 5V，这样 RL 可调整至该范围，保证测量的量程足够用。 图 25 MQ5 的 结构及 测试 电路 哈尔滨理工大学学士学位论文 10 TLC1543 芯片简介 TLC1543 是 CMOS 10 位开关电容逐次逼近 模数转换器。 这些器件有三个输入端和一个 3 态输出端片选 择。 输入 /输出时钟 (DO CLOCK)、地址输入(ADDRESS)和数据输出 (DATA OUT)。 这样就和主处理器的串行日有一个自接的4 线接。 这些器件可以从主机高速传输数据。 除了高速的转换器和通用的控制能力外，这些器件有一个片内的 14 通道多路器可以选择 11 个输入中的一个或 3个内部自测试 (selftest)电压中的一个。 采样 与 保持是自动的。 在 转换结束时，“转换结束 ”。 (EOC)输出端变高以指示转换的完成。 这些器件中的转换器结介外部输入的差分高阻抗的基准电压，具有简化比率转换、刻度以及模拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离的特点。 开关电容的设计可以使在整个温度范围内有较小的转换误差。 其 特点 有 ： 1． l0 位分辨率 的 A/D 转换器 2． 11 个模拟输入通道 3． 3 路内置自测试方式 4． 固有的采样与保持 5． 总的 可调整误差士 1LSB Max 6． 片内系统时钟 7． 转换结束 (EndofConversion， EOC)输出 8． 采用 CMOS 技术 典型封装形式的引脚图如 图 26 所示。 图 26 TLC1543 引脚接线图 各引脚功能说明见 表 23。 哈尔滨理工大学学士学位论文 11 表 23 TLC1543 引脚说明 引脚号 名称 I/O 说明 19， 11， 12 A0A10 I 模拟输入端。 这 11 个模拟信号输入山内部多路器选择。 驱动源的阻抗必须小于或等于 1kΩ 15 CS I 片选端。 在 CS 端的个由高至低变化将复位内部计数器并控制和使能 DATA OUT ， ADDRESS 和 1/O CLOCK。 一个由低至高的变化将在个设置时间内禁止 ADDRESS 和 1/O CLOCK 17 ADDRESS I 串行数据输入端。 一个 4 位的串行地址选择下一个即将被转换的所需的模拟输入或测试电压。 串行数据以 MSB 为前导并在 1/O CLOCK 的前 4 个上升沿被移入。 在 4 个地址位被读入地址寄存器后，这个输入端对后续的信号无效 16 DATA OUT O 用于 A/D 转换结果输出的 3 态串行输出端。 DATA OUT 在CS 为高时处于高阻抗状态，而当 CS 为低时处于激活状态。 CS 一旦有 效，按照前一次转换结果的 MSB 值将 DATA OUT从高阻 l 抗状态转变成相应的逻辑电电平。 I/O CLOCK 的下一个下降沿将根据 MSB 的下一位将 DATA OUT 驱动成相应的逻辑电平 ， 剩下的各位依次移出，而 LSB 在 I/O CLOCK的第九个下降沿出现。 在 1/O CLOCK的第十个下降沿， DATA OUT 端被驱动为逻辑低电平 ， 因此多于十个时钟时串行接口传送的是一些 “零 ” 19 EOC O 转换结束端。 在第十个 I/O CLOCK该输出端从逻辑高电平变为低电平并保持低直到转换完成及数据准备传输 10 GND 地。 GND 是内部电路的地回路端。 除另有说明外，所有电压测量都相对于 GND 18 I/O CLOCK I 输入 /输出时钟端。