煤矿井下安全监控系统.doc

黑龙江工程学院本科生毕业设计

摘 要

随着当前煤炭的旺盛需求，部分煤矿存在突击生产或盲目超产现象，造成近几年矿井安全事故发生率居高不下，一套可靠的煤矿安全监控系统是确保煤矿安全生产的关键。将CAN现场总线技术和微处理器技术应用到传统的煤矿井下安全监控系统，能使其具有数字计算和数字通信能力，成为能独立承担检测、控制和通信任务的网络节点。它具有结构简单、实时性好、可靠性高、灵活性强等显著的优点。
本设计对CAN现场总线技术进行了分析和研究，选择了CAN总线控制器SJA1000和收发器82C250组成CAN通信接口模块，实现上位机与下位机的通信；用煤矿专用的KGJ28A、GT500A、GW50、FW15型传感器进行数据采集，以达到所要求的精度； AT89C51单片机作为微控制器，实现对数据的分析和处理；另外利用单片机驱动LED数码管，来完成监测数据的显示功能。
本监控系统对现场的安全指标进行测量和通信，其软硬件保护功能强，系统布线简单，成本低，可靠性好，精度高、抗干扰能力强等特点。

关键词：安全节点；煤矿监控；CAN总线；AT89C51；LED显示

ABSTRACT

With the strong requirement of coal. Some coal mines become to product blindly, so the productivity of coal mining accident stay at a high level these years. A reliability set of monitoring in coal mines is the key of coal mines safety in production. By using the microcontrollers into security nodes for monitoring in coal mines underground, CAN-bus technology enables those measuring and controlling instruments to get the ability of digital calculation and communication and become the network nodes which can independently accomplish the functions of detecting, controlling and communicating. CAN-bus is a kind of field-bus, It has remarkable advantages such as simple structure, fine real-time quality, high reliability and strong flexibility.
The design analyzes the CAN-bus technology. We adopt CAN bus mastering SJA1000 and transceiver 82C250 to constitute a CAN communication interface module which can accomplish the communication between the host and the slave machine; Using the KGJ28A, GT500A, GW50, FW15 sensor that use for colliery to collect the signals and attain the accuracy; Utilizing AT89C51 as microcontroller to analyze and process the data ,in addition, AT89C52 drive the LED to display the temperature.
This monitoring system can measure and communicate site data and has strongly protective function of hardware and software, this system is simple connection, low-cost, high reliability and precision, strong anti-interference ability.

Keywords：Security Node；Monitoring in Coal Mines；CAN-bus；AT89C51；LED Display

II

目 录

摘要 I
Abstract II
第1章 引言 1
1.1 选题的背景与意义 1
1.2 国内外的发展及现状 2
1.2.1国外煤矿安全监控系统的发展及现状 2
1.2.2我国煤矿安全监控系统的发展及现状 3
1.3 设计的设想及预期结果 4
1.3.1 设计的任务和要求 4
1.3.2 设计的设想和预期结果 4
第2章 整体方案设定 5
2.1 方案的论证和选择 5
2.2 设计方案的确定 6
2.3 本章小结 7
第3章 硬件电路设计 8
3.1 系统的整体硬件设计 8
3.2 CAN总线相关模块的设计 8
3.2.1 CAN控制器的选取 8
3.2.2 CAN总线收发器的选取 9
3.2.3 CAN控制器与总线通信电路的设计 10
3.3 微控制器模块 11
3.3.1 单片机的简介及选用 11
3.3.2 AT89C51介绍 11
3.3.3单片机相关电路的设计 11
3.4 信号测量模块的设计 13
3.4.1 传感器的选取 13
3.4.2 A/D模块设计 17
3.4.3 四分频电路的设计 18
3.4.4 信号测量电路的设计 18
3.5 数码显示模块的设计 18
3.5.1 数码显示的选择 18
3.5.2 LED显示电路的设计 19
3.6 电源电路模块设计 19
3.7 声光报警电路设计 20
3.8 本章小结 21
第4章 软件程序的设计 22
4.1 安全节点程序设计 22
4.1.1 井下安全节点主程序流程图 22
4.1.2 井上安全节点主程序流程图 23
4.2 CAN通信接口程序设计 23
4.2.1 初始化过程 23
4.2.2 自检过程 24
4.2.3 发送程序流程图 24
4.2.4 接收程序流程图 24
4.3 警戒值及报警值的设定 25
4.4 中断显示程序的设计 25
4.5 数据采集程序设计 26
4.6 本章小结 27
结束语 28
参考文献 29
致谢 31
附录A 32
附录B 46
46
47

第1章 引 言

1.1 选题的背景与意义
在当前煤炭市场需求旺盛的推动下，部分煤矿存在突击生产或盲目超产现象，造成近几年矿井安全事故发生率居高不下。我国煤炭资源丰富，但开采条件复杂，自然灾害严重，47%的矿井属于高瓦斯或瓦斯突出矿井[1]。煤矿井下工作环境非常恶劣，瓦斯爆炸和瓦斯突出事故时有发生[2]。我国煤炭产量占世界的31%，但煤矿死亡人数却占世界煤矿死亡人数的79%[3]。每次事故都造成了不同程度的人员伤亡和财产损失，很多事故的原因主要是因为生产过程中显现出的一系列的信息因素，如瓦斯涌出的检测信息的不及时获得，水灾征兆未及时发现、煤尘超限的忽视、火灾征兆的不及时侦测以及顶板来压征兆的忽视，机械设备运转过程中不正常信息的忽略以及井下信号的正确判断等信息处理错误等因素造成的[4]。
近年来，国家对煤矿企业安全生产要求的不断提高。2006年10月25日国家安全生产监督管理总局发布局长第10号令，对《煤矿安全规程》第158条进行了修改，规定“所有矿井必须装备矿井安全监控系统，矿井安全监控系统的安装、使用和维修必须符合本规程和相关规定的要求”。煤矿安全监控系统的好坏直接影响煤矿安全生产及矿区经济的发展。为保障煤矿的安全生产，关键是建立煤矿井下安全监测监控系统，形成煤矿井上、井下可靠的安全预警机制和管理决策信息通道。因此，通常需要在煤矿井下多个地方设置安全监控节点，对井下的瓦斯浓度、CO浓度、温度、风速等危险指标进行实时的监控，并将这些监控节点连成一个监控系统。
目前，煤矿企业所采用的主要是基于集散控制系统(DCS)的煤矿安全生产监测监控系统。DCS基本思想是分散控制、集中管理。基于DCS的煤矿安全生产监测监控系统采用集散控制，具有控制功能多样、操作维护方便、可靠性高、便于与其他计算机联用等优点。但由于不同生产厂商的DCS通信方式不同，导致DCS与之间、DCS与其上层Intranet/Internet网络之间均难以实现网络互联和信息共享，DCS的这种封闭性大大限制了其发展和应用。此外，DCS监控系统的现场到控制室信号连线过多致使系统复杂、建设与运行维护需要大量资金。
近年来以太网以其简单、高效、低费用的特点受到广泛关注和应用，基于以太网和 TCP / IP的解决方案，也被称为“透明工厂”。以太网大多用于网络数据处理，它更适合于车间级生产信息传输。如果应用于工作环境复杂、外界干扰大的矿井环境中，其在实时性、确定性和可靠性等方面还有诸多需要改进的地方。
随着煤矿现代化管理水平的不断提高，CAN现场总线技术被逐步应用到煤矿安全监控系统中。CAN 总线作为一种现场总线，由它组成的通信网络是个多主总线网络，该网络上的节点不分主从，所有节点在需要的情况下都可以主动要求发送数据，直接通信距离最远可达10 km（速率在5 kbps 时），网络上最多可挂接110个节点。同时，CAN 采用非破坏总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息而出现冲突时，优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点则可不受影响地继续传送数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。因此，将煤矿井下所有安全监控节点设计成CAN 总线智能节点，并与地面中心站一起构成一个CAN 总线网络，以此来实现监控节点与地面中心站的数据交换、实现地面中心站对井下的安全状况进行监控，这无论从实时性、可靠性还是从通信距离上来说，都有其独特的优越性。
本设计基于CAN总线技术，在煤矿井下多个地方设置安全监控节点，并将这些监控节点连成一个监控系统，这对减少煤矿事故的发生具有重大意义，还能对所学知识在社会中的应用有一个深刻的了解和准确的定位，巩固自己所学的知识和对其的运用能力。
1.2 国内外的发展及现状
1.2.1国外煤矿安全监控系统的发展及现状
自20世纪60年代以来，随着信号传输技术的发展，煤矿安全监控技术已经历了四个发展阶段。
第一阶段：煤矿安全监控系统主要采用空分制信号传输方式，典型系统有法国的CTT63/40煤矿监测系统、波兰的CMM - 20、CMC - 1系统。
第二阶段：煤矿安全监控系统主要采用频率区分信道的频分制信号传输方式，大大减少了信号传输电缆的芯数，典型系统有西德的TF200系统。
第三阶段：煤矿安全监控系统主要采用分时区分信道的时分制信号传输方式，其通信规程比较严格、抗干扰能力强、传输电缆与测试点数无关、结构简单、配置灵活。典型系统有英国的MINOS系统、美国的DAN6400系统。
第四阶段：煤矿安全监控系统采用分布式微处理器技术为基础，以开发性、集成性和网络化为特征，信号的传输方式还是属于时分制范畴，典型系统有加拿大参透里昂600 型系统。
20世纪末以来，随着计算机技术、通信技术和微电子技术的发展，先进采煤国家应用机电一体化和自动化技术，实现了煤矿生产过程自动化和集约化生产，开发了全矿井综合自动化监控系统，集语言、数据、图像于一体，融监测、控制、通信功能、无线接入技术于一网，兼容各种专用监控系统功能，覆盖全矿井各生产和生产辅助环节，实现了对综采工作面和矿井运输、通风、排水、供电等设备工况参数以及矿井瓦斯浓度等环境参数的自动化监测和控制。其中具有代表性的产品是美国MSA公司生产的DAN6400系统，德国BEBRO公司的PROMOS系统。
1.2.2我国煤矿安全监控系统的发展及现状
我国煤矿在上世纪70年代开始引进波兰、英国的煤矿安全监测系统，最早在阳泉矿务局安装使用过英国的监测系统。在上世纪70年代末重庆安仪厂引进了德国的TF200监测系统，开始在国内大型煤矿安装使用，传输方式为频分制式，进入上世纪80年代以来，国内先后有20多家科研院所及厂家开始研制生产煤矿安全监测系统，其产品技术、特点、功能各有所长。其系统均由地面主站、井上下分站、传感器、电缆等组成，而系统技术水平仍停留在上世纪90年代初的水平[5]。没有较大的突破和发展。目前我国煤矿安全监控产品与国际上安全监控产品相比有两代差距，除传输系统和总线制的差距外。在传感器元件及工作原理方面还存在一些缺陷和不足之处。
目前国内主要的煤矿安全应用系统有[6]：
(1) 镇江中煤电子KJl01系统。由我国第一代时分制监控系统创始人—贾柏青研制，贾在84年曾用Z80单板机在ABD-21断电仪上制造出我国第一套时分制监控系统（A-l系统）。
(2) 重庆煤科KJ90。KJ90系统的创始人是重庆煤科院机电所所长谷守禄．因1990年通过技术鉴定，由此得名KJ90系统。KJ90的各型分站本安电源全部采用关断式保护。主要技术难关是浪涌冲击和瞬变脉冲群。
(3) 北京长城瑞赛KJ4-2000。国内生产监控系统最早的厂家之一。始创于1984年，煤炭部与航天部联合引进美国FEIM.CO系统。经一年多消化吸收后诞生的中国自主知识产权产品，拥有很多大型煤矿用户群。瑞赛没有建立自己知识产权的传感器生产线，依靠其他厂家配套完成系统集成。
(4) 常州自动化所KJ95。常州煤科院的KJ95系统是在它的前身Ⅺ2系统的基础上发展而来的，创始人陈林，系统1996年通过技术鉴定。KJ95系统除能了生产部分传感器外，其他方面与北京长城瑞赛经营状况十分相似。
(5) 常州三恒KJ70。2000年之后成立的民营企业，三恒在众多的民营企业里是一支新兴的技术力量。其发展速度迅猛，传感器门类齐全，技术类力量也较雄厚。三恒的分站电源也是采用触发式关断保护，并且关断速度非常之快，与其配套的传感器输入启动电流偏大都会导致保护。
(6) 湖南煤矿安全仪器厂KJ122。KJ122型煤矿安全监控系统是湖南煤矿安全仪器厂和中国矿业大学联合开发的新一代高性能煤矿安全监控系统。基于现场总线技术，与之前的煤矿安全监控系统相比，具有功能齐全、结构灵活、分布及传输距离远、传输速度快速等特点。
此外比较著名的煤矿安全监控系统还有：江西煤研KJ65、北京仙岛KJ66、上海嘉利KJ92、长春东高Ⅺ19、抚顺安仪Ⅺ80和抚顺分院KJ2000等系统[7]。
1.3 设计的设想及预期结果
1.3.1 设计的任务和要求
本设计的主要任务将是如何实现现场安全监控节点与控制主机的网络连接和各项检测信号的处理。设计工作将主要围绕硬件设计和软件编写来进行。
硬件系统部分将主要由控制模块、数据采集模块、显示模块、电源模块组成。现场各安全检测节点的实时数据信息传送给上位机，下位机可对各节点的数据进行分析、比较、处理，然后将信息传给上位机，通过微处理器分析、处理、显示。硬件设计着重考虑了系统的硬件结构及其优化、抗干扰设计，充分利用微控制器的软件资源，发挥软件的作用。
根据设计的硬件，软件编写的目的是要确定控制算法、合适的软件结构和程序设计方法，绘制程序流程图，并采用汇编语言进行程序编制，最后将编制好的程序送入开发系统进行调试和脱机运行调试。软件主要由现场微控制器数据采集、处理、显示、智能节点与上位机的通信等部分组成。软件编制采用模块化设计，因此编程任务主要针对总线接口通信模块和信号的采集、处理和显示模块。
1.3.2 设计的设想和预期结果
本设计利用CAN总线技术，设计一个多点的数据采集监控系统，使其能够煤矿井下的多个位置进行监控，监控点80个以上，能同时对瓦斯浓度、CO浓度、风速和温度等各项数据进行采集和监测，地面中心站具有根据测得数据进行分析和判断功能，若检测数据超出规定范围，即发出报警，并实时对各种配置发出控制指令，从而完成设计任务，确保煤矿的安全生产。
本设计预期的工作过程和结果为：现场传感器检测到监控数据，通过调理放大、A/D转换，转换成数字信号，传递给微控制器，利用微控制器进行分析、处理，与上位机进行数据的交换，如果测得数据超过设定值则发出报警并启动通风装置，最后再通过单片机接口驱动LED数码管，显示所监测的数据。

第2章 整体方案设定

2.1 方案的论证和选择
方案一：基于ARM与CAN总线的煤矿井下安全监控系统的设计[8]
如图2.1，本方案采用基于ARM 7TDM I-S内核的ARM处理器S3C44B0X，该处理器具有：低功耗、高性能、高性价比的优点，同时具有丰富的内置部件，大大减少了系统电路中除处理器以外的元器件配置，大大降低了成本并减少了系统的复杂度。为了实现监控分站工作的稳定性、软件的可移植性便于日后升级，32位ARM处理器采用嵌入式操作系统是非常必要的。采用源代码公开的UC/OS-II操作系统，UC/OS-II具有内核小、结构简单、可移植性和可裁剪性好等优点。但是ARM与CAN总线控制器的兼容上存在问题。

图2.1 基于ARM与CAN总线的煤矿井下安全监控系统

方案二：基于单片机与CAN总线的煤矿安全监控设计[9]
如图2.2所示，本系统在实际工作时，测量部分把相应的参量分别转换为电压信号、数字信号、电流信号传送给单片机核心处理部分，核心处理部分把电流信号转换成电压信号，再通过A/D转换为数字信号进行采集，对采集到的数据进行处理同时显示出来，在单片机的flash中存储着用户设定好的CO浓度报警值，当测量的CO浓度超过报警值时则单片机进行声光报警，以此提醒用户采取措施，声光报警为蜂鸣器和红色LED小灯的同节奏鸣响和闪烁。如果用户想改变报警值则可以通过键盘进行设置，设置完成后报警值会被重新保存到flash中，其值不会因为掉电而丢失。

图2.2 基于单片机与CAN总线的煤矿井下安全监控系统

方案三：基于LabView与CAN总线的煤矿安全监控系统设计[10]
美国国家仪器公司于上世纪 80年代初提出虚拟仪器概念，用户可在通用计算机平台上根据需要定义和设计仪器的测试功能。与传统仪器相比，它具有灵活方便等优点。1986 年，NI公司推出的虚拟仪器编程环境 LabView，集成了满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡的通讯功能，内置应用于TCP/IP、ActiveX 等软件标准的库函数，标志着虚拟仪器设计软件平台基本形成
利用 LabView 对煤矿安全监控系统上位机数据处理、管理软件及数据通信软件进行开发，实现对环境数据及设备运行状态的监控和管理。其特点是在监控台工作时比较便捷，可以在PC机上显示和记录监控数据，其总体结构图如图2.3所示。

图2.3 基于LabView与CAN总线的煤矿井下安全监控系统

2.2 设计方案的确定
根据对以上各种方案的比较，以方案二为主，并同时做以下相应具体措施：
(1) 方案二采用带有CAN总线接口的微处理器，软件编程复杂，成本高。本设计拟采用智能型节点，由独立的CAN控制器和单片机组成微处理器，这样可以采用通用的单片机仿真器，设计时更为灵活方便，使用也更加方便。通过此网络节点，进行数据的传输和控制显示等。
(2) 本次设计通过传感器采集到的模拟信号，须进行复杂的信号放大、A/D转换、查表线性化等处理，这些处理要求复杂的电路和较高的抗干扰能力，因此本设计采用煤矿专用的传感器，大大简化了传感器在嵌入式领域的应用硬件设计。
(3) 对所测的监控数据进行显示，给操作控制仪表的操作人员以直观的概念，本设计拟采用性价比高，结构简单，设计方便的LED显示所测的监控数据。
2.3 本章小结
本章主要是阐述了各种煤矿井下安全监控节点的设计方案，这些煤矿井下安全监控节点的方案主要有基于ARM和CAN的煤矿安全监控系统、基于单片机和CAN总线控制的设计、基于虚拟仪器LabView和CAN的设计。经过分析各种方案的特点，最后根据方案二确立了本次设计的整体方案，同时融入相应的改进措施，利用独立的CAN控制器和单片机组成网络节点对现场的数据进行测量及显示。

第3章 硬件电路设计

3.1 系统的整体硬件设计
基于CAN总线的煤矿井下安全监控系统的硬件结构主要由微控制器模块、数据检测与调理模块、CAN总线通讯接口模块、显示模块、电源模块五部分组成。其模块原理图如图3.1所示。其硬件总体电路原理图见附录B。

图3.1 总体方案图
3.2 CAN总线相关模块的设计
3.2.1 CAN控制器的选取
1. 常用的CAN控制器
(1) SJA1000
SJA1000是一种独立的CAN控制器，主要用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制。它是Philips半导体公司PCA82C200CAN控制器(BasicCAN)的替代产品，而且还曾加了一种新的操作模式—PeliCAN，这种模式支持具有很多新特性的CAN2.0B协议。
(2) MCP2515
MCP2515是一款独立CAN控制器，是为简化连接CAN总线的应用而开发的。
(3) P8xC591
P8xC591是一个单片8位高性能带有CAN控制器的微控制器，具有片内CAN控制器。它从MCS-51微控制器家族派生而来，采用强大的80C51指令集并成功地包括了Philips半导体SJA1000CAN控制器的PeliCAN功能。权静态内核提供了扩展的节电方式。振荡器可停止和恢复而不会丢失数据。改进的1：1内部时分频器在12MHz外部始终频率时实现500ns指令周期。
2. CAN控制器的选取
出于煤矿井下的恶劣环境和对传输速率的要求，MCP2515采用串口传输模式，而SJA1000采用并口传输，SJA1000在数据传输速率上优于MCP2515。此外SJA1000还具有多主通信，高可靠性，高传输率，连接方便等优点。故本设计选用SJA1000芯片作为CAN控制器[11]。
SJA1000在电路中是一个总线接口芯片，通过它实现上位机与现场微控制器之间的数据通信，该电路的主要功能是通过CAN总线接收来自上位机的数据进行分析组态，然后下传给下位机的控制电路实现控制功能，当CAN总线接口接收到下位机的上传数据，SJA1000就产生一个中断，引发微处理器产生中断，通过中断处理程序接收每一帧信息并通过CAN总线上传给上位机进行分析[12]。
SJA1000的主要新功能如下[13] [14]：
(1) 标准结构和扩展结构报文的接收和发送；
(2) 64字节的接收FIFO；
(3) 标准和扩展帧格式都具有单/双接收滤波器（含接收屏蔽和接收码寄存器）；
(4) 可进行读/写访问的错误计数器；
(5) 可编程的错误报警限制；
(6) 最近一次的错误代码寄存器；
(7) 每一个CAN总线错误都可以产生错误中断；
(8) 具有丢失仲裁定位功能的丢失仲裁中断；
(9) 单发方式（当发生错误或丢失仲裁时不重发）；
(10)只听方式（监听CAN总线，无应答，无错误标志）；
(11)支持热插拔（无干扰软件驱动位速率检测）；
(12)硬件禁止CLKOUT输出。
3.2.2 CAN总线收发器的选取
常用的CAN总线收发器有82C250、82C251、TJA1050、TJA1040，本设计采用传统且稳定性较好的82C250作为CAN总线的收发器[15]。
82C250是CAN控制器与物理总线之间的接口，它最初是为汽车中的高速应用（达1Mbps）而设计的，器件可以提供对总线的差动发送和接收功能。82C250驱动电路内部具有限流电路，可防止发送输出级对电源、地或负载短路。虽然短路出现时功耗增加，但不致于使输出级损坏[16]。若结温超过大约160摄氏度，则两个发送器输出端极限电流将减小。由于发送器是功耗的主要部分，因而限制了芯片的温升，器件的所有其他部分将继续工作。
82C250的主要特性如下[17]：
(1) 与ISO11898标准完全兼容；
(2) 高速率（最高可达1Mbps）；
(3) 具有瞬间抗干扰及保护总线能力；
(4) 采用斜率控制，降低射频干扰；
(5) 过热保护；
(6) 总线与电源及地之间的短路保护；
(7) 低电流待机模式；
(8) 总线至少可连接110个节点。
3.2.3 CAN控制器与总线通信电路的设计
为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，SJA1000的TX0和RX0并不直接与82C250的TXD和RXD相连，而是通过高速光耦6N137后与82C250相连，这样就很好的实现了总线上各CAN节点间的电气隔离。不过，应该说明的一点是，光耦部分电路所采用的两个电源VCC和VDD必须完全隔离，否则采用光耦也就失去了意义。电源的完全隔离可采用小功率电源隔离模块或带多5V隔离输出的开关电源模块实现。这些部分虽然增加了接口电路的复杂性，但是却提高了节点的稳定性和安全性。
82C250与CAN总线的接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施。82C250的CANH和CANL引脚各自通过一个5欧的电阻与CAN总线相连，电阻可以起到一定的限流作用，保护82C250免受过流的冲击。CANH和CANL与地之间并联了两个30pF的小电容，可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。82C250的Rs引脚上接有一个斜率电阻，电阻的大小可根据总线通信速度适当调整，一般在16~140千欧之间。
CAN总线控制器SJA1000和收发器82C250的连接电路图如图3.2所示。

图3.2 SJA1000与82C250的连接电路图
3.3 微控制器模块
3.3.1 单片机的简介及选用
在国内，目前单片机年应用量约6亿片左右，而且还在不断地增长。单片机是量大面广的高附加值产品，其常规用的1µm左右工艺已较为成熟。因此国家在1998年正式把“控制器(MCU)系列产品开发及应用”作为国家重点科技攻关项目[18]。
尽管单片机的品种很多，但是在国内使用较多的是Intel公司的MCS-51系列单片机。MCS-51系列是在MCS-48系列的基础上于20世纪80年代初发展起来的，虽然它仍然是8位单片机，但它有品种全、兼容性强、性能价格比高等特点，而且软硬件应用设计数据丰富。已为广大工程技术人员所熟悉，并得到了广泛的应用。
由于MCS-51系列单片机功能强、性能价格比高以及对MCS-51系列单片机的一些了解故选用MCS-51系列中的AT89C51单片机作为本设计的核心控制部件。
3.3.2 AT89C51介绍
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8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(RAM)，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MCS-51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AT89C51单片机可用于许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
AT89C51具有如下特性[19]：
(1) 与MCS-51产品指令系统完全兼容；
(2) 4k字节可重擦写Flash闪速存储器；
(3) 1000次擦写周期；
(4) 全静态操作：0Hz-24MHz；
(5) 三级加密程序存储器；
(6) 128×8字节内部RAM；
(7) 32个可编程I/O口线；
(8) 2个16位定时、计数器；
(9) 6个中断源；
(10) 可编程串行UART通道；
(11) 低功耗空闲和掉电模式。
3.3.3单片机相关电路的设计
1. 时钟电路的设计
MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，构成一个稳定的自激振荡器。
本设计微调电容选用经典值30pF，石英晶体的振荡频率选择12MHz以使单片机达到快速的运行速度。单片机时钟电路如图3.3所示。
图3.3 单片机时钟电路

2. 单片机复位电路设计
单片机复位电路通常采用上电自动复位或者按钮复位两种。本设计采用按钮复位中的电平复位来实现复位功能。通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现， 时钟频率选用12MHz，电容C选用10uF，电阻选用1K。单片机复位电路如图3.4所示。
图3.4 单片机复位电路

3. CAN控制器与单片机的接口电路的设计
微处理器AT89C51负责SJA1000的初始化，通过控制SJA1000实现数据的接收和发送任务等通信任务。SJA1000的AD0~AD7连接到AT89C51的P0口，同时用单片机p2.7口与SJA1000连接，CPU通过p2.7口的输出可对SJA1000执行相应的读/写操作。SJA1000的、、分别与AT89C52的对应引脚相连，接AT89C52的，AT89C51也可通过中断方式访问SJA1000。单片机与CAN总线的接口电路如图3.5所示。

图3.5 单片机与CAN总线接口电路的原理图
3.4 信号测量模块的设计
3.4.1 传感器的选取
1. KGJ28A型低浓度甲烷传感器
KGJ28A型低浓度甲烷传感器能用于煤矿井下或其他有甲烷气体的场所，监测环境甲烷浓度，并连续自动地将甲烷浓度值转换成标准电信号传送给关联设备[19]。其电缆接线定义如表3.1所示。

表3.1 KGJ28A型低浓度甲烷传感器引脚功能表
引脚
功能描述
1
电源正极
2
电源负极
3
信号输出
4
断电信号输出

该传感器可与国内各类型监测系统及断电仪、风电瓦斯闭锁装置等配套，适宜在煤矿采掘工作面、机电硐室，回风巷道等地点固定使用。传感器结构设计充分考虑了恶劣的环境条件，在结构强度和防水性能方面都采取了有效的措施，同时还特别加大了接口连接器的尺寸，保证传感器能稳定可靠地工作。其主要特点有：
(1) 采用新型单片微机和高集成数字化电路，使电路结构简单，性能可靠，便于维修与调试；
(2) 用新型敏感元件，使仪器性能更加稳定，调校周期大大延长；
(3) 实现了红外遥控调校零点、灵敏度、报警点等功能，使调校方便简单；
(4) 增加了传感器断电控制功能，并可任意设定断电点，实现了一机多用；
(5) 采用新型开关电源，降低了整机功耗，增加了仪器传输距离；
(6) 增加了故障自检功能，便于使用与维护；
(7) 设计了新型高强度外壳结构，增强了仪器抗冲击能力。
KGJ28A型低浓度甲烷传感器技术指标其技术指标如表3.2所示。

表3.2 KGJ28A型低浓度甲烷传感器技术指标表
测量范围
0.00%CH4～4.0%CH4
基本测量误差
0.00%CH4～1.00%CH4 ≤±0.10%CH4
1.00%CH4～2.00%CH4 ≤±0.20%CH4
2.00%CH4～4.00%CH4 ≤±0.30%CH4
信号输出
频率：200Hz～1000Hz（脉冲宽度大于0.3ms）（优选）；
电流：1mA.DC～5mA.DC ；
元件检测反应速度
≤30S
热催化元件寿命
一年以上
工作电流
≤80mA（18V. DC）
工作电压
9V ～ 24V.DC
防爆等级
ExibI矿用本质安全兼隔爆型
传感器到分站的最大传输距离
2.0 km

2. GT500A型一氧化碳传感器
GT500A型一氧化碳传感器主要用于煤矿井下监测一氧化碳气体浓度。它可以连续自动地将井下一氧化碳浓度转换成标准电信号输送给关联设备，并具有就地显示浓度值，超限声光报警等功能。该传感器经国家防爆检验机关进行联机检验后，可与国内各类型监测系统配套，适用于有自燃倾向的采掘工作面、回风巷、采空区等地点固定使用。其电缆接线定义如表3.3所示。

表3.3 GT500A型一氧化碳传感器引脚功能表
引脚
功能描述
1
电源正极
2
电源负极
3
信号输出
4
断电信号输出

该传感器经国家防爆检验机关进行联机检验后，可与国内各类型监测系统配套，适用于有自燃倾向的采掘工作面、回风巷、采空区等地点固定使用。其特点有：
(1) 采用新型进口敏感元件，使用寿命长，仪器性能更加稳定；
(2) 采用新型单片微机和高集成数字化电路，使电路结构简单，性能可靠，便于维修与调试；
(3) 采用非易失性储存芯片，传感器具备了24小时现场数据存储和查询功能（即监测数据“黑匣子”功能）；
(4) 采用红外遥控调校零点、灵敏度、报警点等功能，调校简便；
(5) 外壳采用不锈钢材料设计，增强了传感器的抗冲击和抗腐蚀能力。
GT500A型一氧化碳传感器技术指标其技术指标如表3.4所示。

表3.4 GT500A型一氧化碳传感器技术指标表
测量范围
0ppm～500ppm
基本测量误差
0.00ppm～19.0ppm ≤±2ppm
20.0ppm～99.0ppm ≤±4ppm
100ppm～500ppm ≤±5.0%
信号输出
0～500ppm线性对应200Hz～1000Hz或（1mA-5mA）
信号带负载能力
0～500Ω
报警方式
间歇式声光报警
声强
≥85dB
光强
能见度>20m
报警点范围
008ppm～499ppm连续可调
元件检测反应速度
≤30s
寿命
一年以上
整机工作电压
9 V.DC～24V.DC
整机工作电流
≤55mA（18V.DC）
防爆等级
ExibI矿用本质安全型

3. GW50型温度传感器
GW50型温度传感器是用于监测煤矿井下环境温度或抽放管道内气体温度的传感器，能就地数字显示温度测量值并输出信号至分站。传感器电路采用单片机设计，能就地显示检测温度值，同时输出多种信号，供远程采集；能遥控调校零点和灵敏度，并具备故障自检功能，给使用和维护带来很大的方便。传感器的电源电路采用开关电源，使整机功耗更低，有利于提高分站和传感器之间的传输距离。其电缆接线定义如表3.5所示。

表3.5 GW50型温度传感器引脚功能表
引脚
功能描述
1
电源正极
2
电源负极
3
信号输出
4
断电信号输出

传感器的电源电路采用开关电源，使整机功耗更低，有利于提高分站和传感器之间的传输距离。其技术指标如表3.6所示。

表3.6 GW50型温度传感器技术指标表
测量范围
0.0℃～100.0℃
基本测量误差
≤±1.0℃
信号输出
0.0℃～100.0℃(或-25.0℃～+125.0℃)线性对200Hz～1000Hz (或1mA～5mA)
信号带负载能力
0Ω～400Ω
检测速度
≤30s
寿命
一年以上
整机工作电压
9 V.DC～24V.DC
整机工作电流
≤50mA (8V.DC)
防爆等级
ExibI 矿用本质安全型

4. GFW15型风速传感器
GFW15型风速传感器是适用于煤矿井下通风巷道，风口，扇风机井口等巷