环境参数自动监控系统的设计.docx

毕业论文（设计）环境参数自动监控系统的设计指导老师： 班 级： 系 （部）： 专 业： 答辩时间： 摘要为满足矿井安全生产要求，介绍了一种以 AT89C51 单片机为主控器，通过对系统软硬件、检测电路以及主程序的设计，由检测电路对环境空气的温度、湿度及有毒易燃气体的浓度等进行检测的监控系统。矿井温度智能控制系统采用温度传感器DS18B20 和湿度传感器HM1500对矿井环境进行高精度检测，采用北京东方吉华科技有限公司的2M007 和 2M002 系列传感器测量气体浓度。利用AT89C51单片机对温度及湿度进行智能控制。该系统配合外围电路能实现对上述环境指标的控制并存储相关数据与上位 PC机通信，它采用硬件抗干扰和软件抗干扰技术，以确保整个系统工作的准确性。关键词单片机；环境参数；矿井；串行通信；AbstractIn order to meet the needs of mine produce safety, a kind of intelligent mine ambient monitoring and control system based on AT89C51 is introduced. Detected by the system hardware, software and circuit design. The system adopt s temperature sensor DS18B20 humidity sensor HM1500 to carry out high accuracy detecting on shaft environment. AT89C51 monolithic machine is used to carry out the intelligent control on the temper adity and humidity. This system can detect the temperature of ambient of mine, the density of poisonous inflammable gas combined external circuit With its function part, this system can change above- mentioned elements.Key wordsMicrocontroller；environmental parameter；shaft；serial communication；目录绪论11.1选题背景11.2基本功能12 方案的设计12.1温度传感器的选择12.2湿度传感器的选择12.3气体传感器的选择13 系统组成及工作原理24 系统整体设计24.1系统硬件设计24.1.1主控模块24.1.2 外围电路24.1.3传感电路34.2检测电路44.2.1温度检测电路44.2.2气体与湿度检测电路54.3 软件设计54.3.1 初始化模块64.3.2 控制模块64.3.3 显示模块65程序设计75.1 主程序设计75.2 RS232 通信子程序85.3 上位PC机软件设计106 抗干扰设计107键盘控制与数据显示11结论12致谢13参考文献14绪论1.1选题背景为防止煤矿灾害发生，矿井内的温湿度和有害气体是防治矿井火灾的重要因素。通常当煤矿井下环境温度达到一定条件时就促进煤的氧化，可能引起煤的自燃或瓦斯燃烧而形成火灾。为了安全生产。因此，需要对矿井温湿度和有害气体浓度进行实时的监测，就目前煤矿系统而言，主要利用传感器对其主要参数进行监测,并将结果送到监测中心。.1.2基本功能（1）实现对矿下温湿度和氧气、 甲烷气等有毒有害气体的浓度参数进行采集处理、 存储、 显示及报警功能。 （2）可与上位机进行串行通讯并能将环境空气的详细历史资料存储在EEPROM中备查。 （3）实现对矿井有人作业环境取排风温度进行连续、 间歇检测; 对无人作业环境下系统自动定时运行、 非正常断电后系统开机等记忆功能。2 方案的设计当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号的输入通道，由计算机拾取必要的输入信息。对于测量系统而言，如何准确获得被测信号是其核心任务；而对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节。传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。2.1温度传感器的选择系统采用DS18B20 数字温度传感器测量井下温度。在温度数据的处理上用的方法可达到0. 4 的温度精确度。2.2湿度传感器的选择系统采用电压输出式集成湿度传感器HM1500测量井下湿度。该传感器采用获得专利的湿敏电容HS1101 设计制造，带防护棒式封1，装有 3 根引线:蓝色线接电源正极，白色线接地，黄色线接输出。其主要参数： 湿度测量范围为 5% 99% (相对湿度) ；相对湿度精度为3% ；工作温度为- 30 60 ；工作湿度范围为 0 100%(相对湿度)。2.3气体传感器的选择系统采用北京东方吉华科技有限公司的2M007 和 2M002 系列传感器测量气体浓度。2M007 对甲烷、 天然气、 液化石油气等有很高的灵敏度,具有良好的重复性和长期的稳定性。2M002对CO有很高的灵敏度, 具有良好的重复性和长期的稳定性,又有很强的抗干扰能力,且功耗低。3 系统组成及工作原理该系统由硬件和软件两大部分。硬件部分主要完成各种传感器信号的采集、 转换、 各种信息的显示等， 软件部分主要完成信号的处理及控制功能等。其工作原理是通过 AT89C51单片机一次查询各传感器的输出信号， 然后对输入信号进行相应处理后, 再通过显示模块输出， 同时还可输出各种报警信号和控制信号。传感器采集到的气体和湿度信号都是电压信号，系统采用TLC2543 A/ D转换器将这些电压信号转换为对应的气体浓度和湿度值。TLC2543 是TI 公司的具有 11 个通道的 12 位逐次逼近串行A/ D转换器,采样速率快,采样和保持由片内采样保持电路自动完成。器件的转换器结合外部输入的差分高阻抗基准电压, TLC2543 具有简化比率转换刻度、 模拟电路、 逻辑电路以及隔离电源噪声的特点。图 1 给出系统原理框图。RS232 接口PC机AT89C51EEPROM8155TLC2534键盘电路报警8279显示光电隔离继电器电机变送器温度传感器湿度传感器气体传感器AD620图 1 系统原理框图4 系统整体设计4.1系统硬件设计4.1.1主控模块系统采用 AT89C51 单片机, 它带有 4 KB 闪速式存储器、 128 B内存, 最大工作频率为 24 MHz。同时具有 32 条输入输出线, 16 位定时/计数器, 5 个中断源, 1 个串行口2。4.1.2 外围电路采用 Atmel 公司的 AT89C51, 该器件具有 128 Kb 的EEPROM, 可写入 10 万次, 保持 40 年数据。该系统扩展了一片 EPROM2754, 接口器件采用一片 8279, 两片 8155; 两片A/D 转换器选用 TLC2543, 在对 12 个通道进行扫描检测时, 还将模拟量转换成数字量。MAX232 是一款带 15 kV静电保护, +5 V 单电源供电的 RS232 收发器。显示模块采用44780 驱动的 LCD, HD44780(KS0062)是用低功耗 CMOS 技术制造的大规模点阵 LCD控制器 (兼带驱动器) 和 4 bit/8bit 微处理器相连, 它能使点阵 LCD显示大小写英文字母、数字和符号等信息, 同时有较强的通用性, 使用方便, 能使用户仅用少量的元件组成一个完整的点阵 LCD系统, 根据送入的相关数据和指令就能实现所需的显示。HD44780 显示模块有 8 条数据线, 3 条控制线, 可与微处理器或微控制器相连, 通过送入数据和指令, 可使模块正常工作。4.1.3传感电路该电路包含 3 个检测电路, 分别用于对温度、湿度、 氨气或甲烷等有毒易燃气体浓度的测量。在测量甲烷时选用 2M007型甲烷传感器作为检测元件，传感器吸附甲烷气体使其阻值发生改变， 即将浓度信号转换为所对应的电阻值。 在测量氨气时， 选用定电位电解式传感器， 即湿式电化学气体传感器,通过测定气体在某个确定电位电解时产生的电流来测量气体浓度。传感器输出标准的 420 mA信号。为满足后续电路需要, 采用两个运算放大器组成 I/V 转换电路, 再将所对应的电阻值转换为相对应的电压值。采用 AD620 作为信号放大电路, 有效抑制输入信号间的共模干扰和串模干扰。图 2 给出了 AD620 与后继放大电路原理图。图 2 AD620 与后继放大电路原理图通过 A/D 转换器由 CPU 处理获得测量结果及控制信号, 执行部分由交流接触器直接控制排风电机, 当某一通道的中间继电器闭合时， 启动排风电机并且报警。当井下瓦斯浓度过高，可能产生爆炸，或者浓度过高，威胁井下操作人员生命安全时，系统将及时报警或预警。报警电路主要是蜂鸣器或警报器等。该系统采用增量式 PID算法, 当实测值与系统给定值之差大于零时启动排风电机, 从而控制有害气体浓度。其算法公式为:Ui=Ui- Ui- 1=P(ei+Iei+D2ei) (1)式中: P 为比例系数; I 为积分积分系数; D为微分系数。ei=本次实测值-给定值：ei=ei- ei- 1;2ei=( ei- ei- 1) - ( ei- 1- ei- 2)。输出控制变量表达式为:Ui=Ui- 1-U1 (2) 4.2检测电路4.2.1温度检测电路在组网以前,必须先对单个DS18B20 进行读系列号操作, 每个不同的 DS18B20 都有唯一的 64 位系列号。将读出的系列号保存在一个二维数组内,测量温度时,把所有读取了编码的DS18B20 挂在总线上3。具体的电路如图3 所示。图 3 温度测量电路图4.2.2气体与湿度检测电路传感器采集到的气体和湿度信号都是电压信号,系统采用 TLC2543 A/ D转换器将这些电压信号转换为对应的气体浓度和湿度值。TLC2543 是TI 公司的具有 11 个通道的 12 位逐次逼近串行A/ D转换器,采样速率快,采样和保持由片内采样保持电路自动完成。器件的转换器结合外部输入的差分高阻抗基准电压, TLC2543 具有简化比率转换刻度、模拟电路、逻辑电路以及隔离电源噪声的特点。气体与湿度测量电路如图4 所示, 图中TLC2543 的数据与控制线接到单片机的P1 口。图4 气体与湿度检测电路4.3 软件设计该系统软件采用汇编语言编写, 在 WAVE6000 版本的集成开发环境下进行编译连接。图 5 给出系统的软件结构。器件初始化系统主程序初始化模块控制模块显示模块设定时间欢迎界面显示温度检测湿度检测气体检测数据存储模块RS232串口通信报警模块及排气通风时间显示温度显示湿度显示气体浓度显示数据存储状态显示图 5系统软件结构4.3.1 初始化模块主要用于对时钟器件和显示屏的初始化, 同时可以检测单片机引脚, 以实现时钟的调解。4.3.2 控制模块完成对 3 个空气指标的检测。根据测量结果发出响应的控制信号或报警信号, 同时调用显示模块中的相应部分, 通过驱动 44780 由 LCD显示测试数据及测试状态。4.3.3 显示模块包含各个显示部分，在控制模块中被调用。5程序设计5.1 主程序设计由于系统对实时性的要求不高, 因此软件部分采用顺序执行方式, 此外, 对各功能的实现使用模块化设计。图 6 给出主程序系统流程图, 用以完成硬件初始化和子程序调用等功能。图 6 主程序流程图5.2 RS232 通信子程序PC 通信是准确采集测试数据的关键，二者 间 的 通 信 采 用RS232C接口， 该接口是专为 PC 间通信设计的， 其连接电路如图7 所示。PC 间通信采用 ASCII 码， 前 7 位是数据，第 8 位是奇偶校验位，而单片机的串行通信格式是 8位 ， 因此不能采用奇偶校验纠错， 必须采用查询方式纠错。即 PC将接收到的数据再发送给单片机， 单片机若比较接收数据和发送数据。 若相同则不再发送该组数据，等待发送下组数据; 若不同, 则再重发原数据，直到 PC接收正确为止。 实现通信双方约定: 波特率为 2 400 bit /s，帧格式为 10 位一帧， 包括 1 个起始位， 8 个数据位和 1 个停止位， 传送方式是 PC机采用查询方式收发数据， 单片机采用中断方式收发数据4。图 7 连接电路AT89C51 单片机采用中断方式接收 PC 机发过来的字符， 并回送给主机。程序清单如下:ORG 0000HLJMP MAINORG 2300HLJMP SERVEMAIN: MOV TMOD, #20H ; 初始化 TIMOV TH1, #0F3HMOV TL1, #0F3HMOV SCON, #50H ; 串行口为方式 1, REN=1MOV PCON, #80H; SMOD=1SETB TR1SETB EASETB ESHERE: SJMP HERESERVE: CLR EA ; 中断服务程序CLR R1PUSH PSW; 保护现场SETB RS0CLR RS1PUSH ACCMOV A, SBUF ; 接收 PC机发来的程序MOV SBUF, A ; 将字符回送给 PC机WAIT: JNB T1, WAIT ; 等待发送完毕CLR TIPOP ACC ; 恢复现场POP PSWSETB EARETIENDPC机的通信程序采用 Turbo C编写, 程序清单如下:#include “ studio.h”Main( ) Char cl, c2;Int coms;outportb(0x3fb, Ox80); /* 初始化 8250*outportb(0x3f8, 0x30):outportb(Ox3f9, 0xO0);outportb(0x3fb, 0x03); /*8 位数据, 1 位停止位 * /outportb(0x3fc, 0x03);cl=getchar( );do/* 查询发送缓冲器是否为空 * /comsinportb(0x3fd)&0x20;while(coms! =0x20);outportb(0x3f8, c1);waitok: /* 查询接收数据是否为有效 * /coms=inportb(0x3fd);if(coms&0x01)=0)gotowaitok;c2=inportb(0x3f8);printf(Thereturncharis: );putchar(2); 5.3 上位PC机软件设计上位PC机的软件采用VC 6. 0 设计,主要完成被测环境参量数据的分析、 处理。软件流程如图8所示。初始化COM测试串口通信读取数据加载数据并显示参数调整保存数据退出曲线显示数字显示部分文本保存全部文本保存Acess报表图 8 上位机软件流程图 6 抗干扰设计为确保整个系统的可能性和安全性， 采用了由硬件和软件相结合的抗干扰措施。硬件的抗干扰措施是: ( 一)滤波技术。将电源变压器的进线段加入滤波器， 以消弱瞬变噪声干扰， 在直流电源线和地线之间接滤波电容以抑制电源噪声。 ( 二)去耦电路。 在印刷电路板的各个集成电路的电源线端与地线端之间配置去耦电容。( 三)屏蔽技术。采用电场屏蔽和电磁场屏蔽的方法。电场屏蔽主要使用低电阻材料。磁场屏蔽使用高导磁率的材料。(四)光电隔离。在 I/O通道上接光电隔离器, 将单片机系统与各种传感器和开关隔离开。软件的抗干扰措施是: ( 1)数字滤波技术。采用数字滤波技术除去输入信号中掺杂的随机干扰。 ( 2)软件陷阱技术。 当系统受到干扰, PC 值发生变化, 程序出现“ 乱飞” 等情况时,可以用软件陷阱和看门狗将程序拉回到复位状态。具体的讲, 可以在 RAM中埋一些标志, 在每次程序复位时, 通过这些标志, 可以判断复位原因并根据不同的标志直接跳到相应的程序。这样可以使程序运行有连续性, 用户在使用时也不易察觉程序被重新复位5。7键盘控制与数据显示系统中测量的数据类型比较多，为了更好地对系统进行操作，采用1 个小键盘来控制系统的工作。键盘采用定制小键盘， 上面标注各键盘功能,操作简单。为了节省单片机的I/ O 口资源， 键盘接口采用国产ZLG7290。这是一款专用的键盘与 LED显示控制器， 键盘按键最可以达到 64 个，可以检测按键连击次数， 自带按键去抖功能。由于它采用的是I2C总线，与单片机连接方便，也可节省软件开支。为了显示键盘的菜单以及显示测量到的温湿度、气体浓度等，系统配置了液晶显示屏SMC1602A。该显示屏可以显示 16 2 个字符,，内带字库。结论该系统由硬件和软件两大部分。硬件部分主要完成各种传感器信号的采集、 转换、 各种信息的显示等， 软件部分主要完成信号的处理及控制功能等。其工作原理是通过 AT89C51单片机一次查询各传感器的输出信号， 然后对输入信号进行相应处理后, 再通过显示模块输出， 同时还可输出各种报警信号和控制信号。传感器采集到的气体和湿度信号都是电压信号，系统采用 T LC2543 A/ D转换器将这些电压信号转换为对应的气体浓度和湿度值。还可以智能监控矿井的温度和湿度.其单片机资源的利用率比较高, 通过 AT89C51单片机一次查询各传感器的输出信号， 然后对输入信号进行相应处理后, 再通过显示模块输出， 同时还可输出各种报警信号和控制信号。3 个开关实现的功能比较多，再加上硬件以及软件抗干扰措施，使操作人员操作方便.在温度数据的处理上用的方法可达到0. 4 的温度精确度和+ 1%的湿度精度，有了键盘和数据显示使得温度、湿度以及有害气体浓度更容易控制，可以满足矿井特殊场合的用途.。 参考文献 1 高美珍. 基于 PIC16 单片机和 HM1500 的湿度测量 J . 电子工程师, 2004( 10) : 22 23.2 赵长德.MCS- 51/98 单片机原理与应用M.北京: 机械工业出版社, 1997.3 肖 忠, 陈 怡. DS18B20 组建小型测温网络研究 J . 广州大学学报, 2005, 4( 2) : 149 151.4 汪德彪.MCS- 51 单片机原理及接口技术M. 北京: 电子工业出版社, 2007.5 徐爱钧, 彭秀华. 单片机高级语言 C51 WINDOWS环境编程与应用M.北京: 电子工业出版社, 2001.