煤炭監(jiān)控系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）</p><p>　　PIC單片機(jī)的煤炭監(jiān)控系統(tǒng)</p><p>　　PIC MCU coal monitoring system</p><p>　　學(xué) 院 名 稱(chēng)： </p><p>　　專(zhuān) 業(yè) 班 級(jí)： 2010級(jí)機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè) </p><p>　　學(xué)

2、 生 姓 名： </p><p>　　指導(dǎo)教師姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師職稱(chēng)： 教 授 </p><p>　　函 授 站： </p><p><b>　　2012年 5月</b

3、></p><p>　　PIC單片機(jī)的煤炭監(jiān)控系統(tǒng)</p><p>　　摘要 現(xiàn)階段煤礦安全問(wèn)題已經(jīng)成為全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，成為關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)，甚至影響建立和諧社會(huì)的重大問(wèn)題。研發(fā)出高質(zhì)量、高性能、高可靠性、低成本的煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)疑對(duì)解決這一重大問(wèn)題有很大幫助。本文提出了一種瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的整體解決方案，該系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集，分析處理狀態(tài)下工作。瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)主要有兩部分構(gòu)成，瓦斯檢

4、測(cè)系統(tǒng)和監(jiān)控分站，且都以PIC單片機(jī)為核心構(gòu)成。瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)采用新型載體催化元件作為檢測(cè)傳感器，具有高精，控制及數(shù)據(jù)通訊等功能于一體，能有效地對(duì)瓦斯抽放狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)調(diào)控，使之在最佳度，高可靠性，功能強(qiáng)大，功耗低的特點(diǎn)。監(jiān)控分站既可以采集各種現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，進(jìn)行判斷處理，又可將數(shù)據(jù)傳送至地面的監(jiān)控主機(jī)，由地面的監(jiān)控主機(jī)也進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象的“雙重控制”，增加了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。</p><p>　　關(guān)鍵詞

5、：瓦斯監(jiān)控；新型載體催化元件；監(jiān)控分站；PIC單片機(jī) </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The security problem of coal mines has been a focus that all the society is looking for it now. It has been an importan

6、t problem relating to the property and life of people even influencing building harmonious society. So the research on the Monitor and Control System of Gas with high quality ,high capability, high reliability and low co

7、st will help to resolve this important problem deeply.In this paper, a gas monitoring system of the overall solution is raised. This design scheme includes colle</p><p>　　Key words: gas monitor and control;

8、new carrier catalytic components; the monitor and control unit;mcu of pic.</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 緒論III</p><p>　　1.1 問(wèn)題的提出及研究意義III</p><p>　　1.2

9、 論文主要內(nèi)容III</p><p>　　1.2.1 基于pic單片機(jī)的瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)III</p><p>　　1.2.2 監(jiān)控分站III</p><p>　　第二章 方案設(shè)計(jì)和基本工作原理V</p><p>　　2.1 方案設(shè)計(jì)V</p><p>　　2.1.1 主要功能V</p><

10、;p>　　2.1.2 技術(shù)指標(biāo)V</p><p>　　2.1.3 系統(tǒng)組成V</p><p>　　2.2 基本原理V</p><p>　　第三章 基于PIC單片機(jī)的瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)VI</p><p>　　3.1 硬件電路的設(shè)計(jì)VI</p><p>　　3.1.1 單片機(jī)的選型VI</p&g

11、t;<p>　　3.1.2 硬件總體結(jié)構(gòu)IX</p><p>　　3.1.3 檢測(cè)系統(tǒng)輸出信號(hào)類(lèi)型的選擇IX</p><p>　　3.1.4 傳感元件X</p><p>　　3.1.5 輸入量采集處理XII</p><p>　　3.1.6 LED顯示及接口XIII</p><p>　　3.2 程

12、序模塊XV</p><p>　　3.2.1 A/D轉(zhuǎn)換子程序XV</p><p>　　3.2.2 LED顯示子程序XVII</p><p>　　3.2.3 頻率信號(hào)輸出子程序XVIII</p><p>　　第四章 監(jiān)控分站的設(shè)計(jì)XIX</p><p>　　4.1 分站硬件設(shè)計(jì)XIX</p>&

13、lt;p>　　4.1.1 總體結(jié)構(gòu)XIX</p><p>　　4.1.2 頻率及開(kāi)關(guān)信號(hào)接口單元XX</p><p>　　4.1.3 串行通訊單元XX</p><p>　　4.2 程序模塊XXV</p><p>　　4.2.1 分站主程序流程圖XXV</p><p>　　4.2.2 數(shù)據(jù)采集與處理子程序

14、XXVII</p><p>　　4.2.3 監(jiān)控分站與主機(jī)通訊子程序XXVIII</p><p>　　結(jié)束語(yǔ)XXVIII</p><p><b>　　致謝XXX</b></p><p>　　參考文獻(xiàn)XXXI </p><p>　　第一章 緒 論</p><

15、;p>　　1.1 問(wèn)題的提出及研究意義</p><p>　　煤炭是我國(guó)的基礎(chǔ)能源，在能源生產(chǎn)消費(fèi)中占主導(dǎo)地位，目前我國(guó)煤炭可供利用的儲(chǔ)量約占世界煤炭?jī)?chǔ)量的11.67%，位居世界第三。但煤炭安全問(wèn)題一直困擾著我國(guó)煤炭行業(yè)， 頻發(fā)的煤炭事故對(duì)從業(yè)人員的安全一直存在著很大的威脅。國(guó)家一直很重視煤炭安全問(wèn)題，投入了大量的人力、物力、財(cái)力來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，但安全風(fēng)險(xiǎn)仍未得到有效控制。全國(guó)煤炭事故死亡人數(shù)2007年、20

16、06年分別為4746和3786人。煤炭事故有各種各樣的原因，瓦斯爆炸、坑頂坍塌是煤炭死亡事故最主要的原因，占所有事故的75%，因此對(duì)瓦斯參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控并對(duì)其抽放進(jìn)行智能控制已勢(shì)在必行。采用瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，能有效地對(duì)瓦斯抽放狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)調(diào)控，使之在最佳狀態(tài)下工作，改變了過(guò)去瓦斯抽放只靠人工單一控制的局面，保證了安全抽放。高精度和高靈敏度瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)保證了瓦斯監(jiān)控的效果，能確保瓦斯?jié)舛鹊挠行Э刂疲岣呙禾可a(chǎn)的安全系數(shù)。監(jiān)控分站能

17、實(shí)時(shí)顯示瓦斯?jié)舛炔⒛軐?shù)據(jù)傳送至監(jiān)控主機(jī)，確保了瓦斯?jié)舛鹊膶?shí)時(shí)控制。</p><p>　　1.2 論文主要內(nèi)容</p><p>　　1.2.1 基于pic單片機(jī)的瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)</p><p>　　礦井瓦斯是多種易燃易爆氣體的總稱(chēng)，其主要成分是甲烷CH4，它與空氣混合，當(dāng)其體積百分比為3.5%--16%時(shí)，遇明火就會(huì)發(fā)生爆炸。因此，對(duì)瓦斯進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控顯得非常重要，要實(shí)

18、現(xiàn)瓦斯監(jiān)控的自動(dòng)化、智能化，高性能的檢測(cè)系統(tǒng)是必不可少的。</p><p>　　瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)由傳感頭，傳感頭供電電源，儀表供電電源，檢測(cè)電橋，直流放大器，單片機(jī)以及顯示電路和輸出電路等部分組成。</p><p>　　圖1.1 瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)框圖</p><p>　　1.2.2 監(jiān)控分站</p><p>　　接受來(lái)自檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)，分析處理并將數(shù)

19、據(jù)傳送至監(jiān)控主機(jī)。各分站通過(guò)RS485與監(jiān)控主機(jī)通訊。</p><p>　　圖1.2監(jiān)控分站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　第二章 方案設(shè)計(jì)和基本工作原理</p><p><b>　　2.1 方案設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.1.1 主要功能</p><p>　　檢測(cè)瓦斯?jié)舛?，風(fēng)速，負(fù)

20、壓、一氧化碳，煙霧，風(fēng)門(mén)開(kāi)關(guān)等環(huán)境參數(shù)，各種機(jī)電設(shè)備開(kāi)停等生產(chǎn)參數(shù)和電壓，電流，功率，電度等電量參數(shù)。</p><p>　　瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)可以測(cè)量瓦斯?jié)舛炔⑵滢D(zhuǎn)換為200-1000Hz的頻率信號(hào)，數(shù)字顯示瓦斯?jié)舛?。監(jiān)控分站接受來(lái)自檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)，分析處理并將數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控主機(jī)，并能液晶顯示所配接的各類(lèi)模擬量和開(kāi)關(guān)狀態(tài)。</p><p>　　2.1.2 技術(shù)指標(biāo) </p>

21、<p>　　系統(tǒng)容量:128臺(tái)分站級(jí)設(shè)備</p><p>　　數(shù)據(jù)傳輸速率:1200/2400bps</p><p>　　通訊方式:RS485</p><p><b>　　電纜芯線(xiàn):2芯</b></p><p>　　中心站到分站之間無(wú)中繼最大傳輸距離:20km</p><p>　　分站

22、到檢測(cè)系統(tǒng)之間的最大傳輸距離:2km</p><p>　　模擬量檢測(cè)系統(tǒng)信號(hào):200-1000Hz及其它標(biāo)準(zhǔn)制式信號(hào)</p><p>　　開(kāi)關(guān)量檢測(cè)系統(tǒng)信號(hào):0，5mA，無(wú)電位節(jié)點(diǎn)</p><p>　　供電:地面中心站為AC220V，井下設(shè)備為AC127V，380V或660V</p><p>　　2.1.3 系統(tǒng)組成</p>&

23、lt;p>　　系統(tǒng)主要有監(jiān)控主機(jī)及其外設(shè)，數(shù)據(jù)傳輸接口，傳輸電纜，分站和各種傳感器組成。主要設(shè)備配置如圖2.1所示。</p><p><b>　　2.2 基本原理</b></p><p>　　如圖2.1所示，監(jiān)控主機(jī)連續(xù)不斷地輪流與各個(gè)分站進(jìn)行通訊，各個(gè)分站接收到主機(jī)的訊問(wèn)后，立即將該分站接受的各測(cè)點(diǎn)的信號(hào)傳給主機(jī)，各分站又不停的對(duì)接受到的各傳感器信號(hào)(開(kāi)關(guān)量，

24、模擬量)進(jìn)行檢測(cè)變換和處理，時(shí)刻等待主機(jī)的詢(xún)問(wèn)，以便把檢測(cè)的參數(shù)送到地面。對(duì)井下設(shè)備進(jìn)行控制是由監(jiān)控主機(jī)和分站共同進(jìn)行，也就是說(shuō)其中有一個(gè)要求井下設(shè)備斷電就必須斷電，這是為了更好的保證安全生產(chǎn)，也是國(guó)家最新規(guī)范所要求的。監(jiān)控主機(jī)將接收到的實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行處理和存盤(pán)，并通過(guò)本機(jī)顯示器，大屏幕，模擬盤(pán)等外設(shè)顯示出來(lái)?？娠@示各種工藝過(guò)程模擬盤(pán)，測(cè)量參數(shù)表，各種參數(shù)的實(shí)時(shí)或歷史曲線(xiàn)，柱狀圖，圓餅圖等，也可以通過(guò)打印機(jī)打印各種報(bào)表，或通過(guò)繪圖儀繪制各

25、種圖表和曲線(xiàn)。</p><p>　　在通訊接口方面，我們采用RS485通訊。該系統(tǒng)要求的通訊距離較長(zhǎng)，又基于成本考慮，采用較低的通訊速率，專(zhuān)用的通訊電纜。采用RS485通訊能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)通訊的要求。</p><p>　　圖2.1 煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)主要設(shè)備配置圖</p><p>　　第三章 基于PIC單片機(jī)的瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>

26、;　　3.1 硬件電路的設(shè)計(jì) </p><p>　　3.1.1 單片機(jī)的選型</p><p>　　當(dāng)今世界上涌現(xiàn)出各種各樣的單片機(jī)，目前應(yīng)用較廣的主要有美國(guó)Intel公司開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的MCS-51，MCS-96系列、臺(tái)灣ICSI公司的8051系列、美國(guó)Motorola公司的MC68系列和美國(guó)Microchip公司的PIC系列等，其中各個(gè)系列的單片機(jī)都有其各自的優(yōu)點(diǎn)，與其它系列相比，美國(guó)Mic

27、rochip公司近幾年推出的系列PIC單片機(jī)，它的最大優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在引腳少、功能強(qiáng)、可直接帶LED負(fù)載；具有低耗能工作方式，較簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)；外圍配置簡(jiǎn)單、明晰、提高了整機(jī)的可靠性；并且具有較強(qiáng)的抗干擾性，大大提高了抵御外界的電磁干擾和本機(jī)控制電路的電磁干擾的能力，從而提高了工業(yè)電腦自動(dòng)控制器的適應(yīng)能力。以下分幾個(gè)方面通過(guò)與其它類(lèi)單片機(jī)的比較來(lái)說(shuō)明它的優(yōu)越之處。</p><p>　　(1) 哈佛總線(xiàn)結(jié)構(gòu)</

28、p><p>　　PIC系列單片機(jī)在架構(gòu)上采用了與眾不同的設(shè)計(jì)手法，PIC系列單片機(jī)不僅采用了哈佛體系結(jié)構(gòu)(也就是兩種存儲(chǔ)器位于不同的邏輯空間里，這種架構(gòu)的微控制器、微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器或者微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，稱(chēng)為哈佛體系結(jié)構(gòu))，而且還采用了哈佛總線(xiàn)結(jié)構(gòu)。在PIC系列單片機(jī)中采用的這種哈佛總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，就是在芯片內(nèi)部將數(shù)據(jù)總線(xiàn)和指令總線(xiàn)分離，并且采用不同的寬度，這樣做的好處是，便于實(shí)現(xiàn)指令提取的“流水作業(yè)”，也就是在執(zhí)行一

29、條指令的同時(shí)對(duì)下一條指令進(jìn)行取指操作；便于實(shí)現(xiàn)全部指令的單字節(jié)化、單周期化，從而有利于提高CPU執(zhí)行指令的速度。在一般的單片機(jī)中，指令總線(xiàn)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)是共用的(即時(shí)分復(fù)用)。MOTOROLA公司開(kāi)發(fā)的MC68HC05/08系列單片機(jī)，其程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址(也就是兩種存儲(chǔ)器位于同一個(gè)邏輯空間里，這種架構(gòu)的微控制器、微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器或者微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，稱(chēng)為普林斯頓體系結(jié)構(gòu))，早期在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上最流行的單片機(jī)產(chǎn)品Intel開(kāi)發(fā)

30、生產(chǎn)的MCS-51系列單片機(jī)，其程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器雖然獨(dú)立編址；但是它們與CPU之間傳遞信息必須共用同一條總線(xiàn)，而仍然擺脫不了瓶頸效應(yīng)的制約，于是影響到</p><p>　　圖2.2 普林斯頓結(jié)構(gòu)與哈佛結(jié)構(gòu)比較</p><p>　　(2) 指令單字節(jié)化</p><p>　　因?yàn)閿?shù)據(jù)總線(xiàn)和指令總線(xiàn)是分離的，并且采用了不同的寬度，所以程序存儲(chǔ)器ROM和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RA

31、M的尋址空間(即地址編碼空間)是互相獨(dú)立的，而且兩種存儲(chǔ)器寬度也不同。這樣設(shè)計(jì)不僅可以確保數(shù)據(jù)的安全性。還能提高運(yùn)行速度和實(shí)現(xiàn)全部指令的單字節(jié)化。在此所說(shuō)的字節(jié)，特指PIC單片機(jī)的指令字節(jié)，而不是常說(shuō)的8位字節(jié)。</p><p>　　(3) 精簡(jiǎn)指令集(RISC)技術(shù)</p><p>　　PIC系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)(就是該單片機(jī)所能識(shí)別的全部指令的集合，叫做指令系統(tǒng)或者指令集)只有35條指

32、令。PIC系列單片機(jī)不僅全部指令均為單字節(jié)指令，而且絕大多數(shù)指令為單周期指令，以利于提高執(zhí)行速度。這給指令的學(xué)習(xí)、記憶、理解帶來(lái)很大的好處，也給程序的編寫(xiě)、閱讀、調(diào)試、修改、交流都帶來(lái)極大的便利。</p><p>　　(4) 尋址方式簡(jiǎn)單</p><p>　　尋址方式就是尋找操作數(shù)的方法。PIC系列單片機(jī)只有4種尋址方式(即寄存器間接尋址、立即數(shù)尋址、直接尋址和位尋址)，容易掌握，而MCS

33、-51單片機(jī)則有7種尋址方式，68HC05單片機(jī)有6種尋址方式。</p><p>　　(5) 代碼壓縮率高</p><p>　　1KB的存儲(chǔ)器空間，對(duì)于PIC系列單片機(jī)則能夠存放的指令條數(shù)可達(dá)1024條。對(duì)于像MCS-51這樣的單片機(jī)，大約只能存放600條指令，而與幾種典型的單片機(jī)相比，PIC系列單片機(jī)是一種最節(jié)省程序存儲(chǔ)器空間的單片機(jī)。</p><p>　　(6)

34、 尋址空間設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔</p><p>　　PIC系列單片機(jī)的程序、堆棧、數(shù)據(jù)三者各自采用互相獨(dú)立的尋址(或地址編碼)空間，而且前兩者的地址安排不需要用戶(hù)操心，這會(huì)受到大家的歡迎。而MC68HCO5和MC68HCII單片機(jī)的尋址空間只有一個(gè)，編程時(shí)需要用戶(hù)對(duì)程序區(qū)、堆棧區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)和I/0端口所占用的地址空間作精心安排，這樣會(huì)給開(kāi)發(fā)人員在設(shè)計(jì)上帶來(lái)很大的麻煩。</p><p>　　(7) 外接電

35、路簡(jiǎn)潔</p><p>　　與MCS-51系列及其它單片機(jī)相比，PIC單片機(jī)內(nèi)集成了上電復(fù)位電路、1/0引腳上拉電路、看門(mén)狗定時(shí)器尤其是集成了ADC模塊和CCP模塊(輸入捕捉/輸出比較/脈寬調(diào)制)，可以最大程度的減少和免用外接器件，以便實(shí)現(xiàn)“純單片”化，這樣，不僅便于開(kāi)發(fā)，而且還可以節(jié)省電路板空間和制造成本。</p><p>　　(8) 存儲(chǔ)器容量大</p><p>

36、;　　PIC16F877系列單片機(jī)具有多達(dá)368X8字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，多達(dá)256X8字節(jié)的EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，另外還有多達(dá)8K X 14字節(jié)的可多次重復(fù)寫(xiě)入的閃速FLASH程序存儲(chǔ)器。而MCS-51單片機(jī)只有4K字節(jié)的EEPROM。 128字節(jié)RAM以及64K的外部數(shù)據(jù)、程序存儲(chǔ)器空間，無(wú)FLASH程序存儲(chǔ)器。</p><p>　　(9) 定時(shí)器數(shù)目多、功能全</p><p>

37、;　　PIC系列單片機(jī)具有3個(gè)定時(shí)器:帶有8位預(yù)分頻器的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器Timer0；帶有預(yù)分頻器的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器Timerl，并且在休眠期間經(jīng)外部晶振/時(shí)鐘可以工作；以及帶有8位周期寄存器、預(yù)分頻器和后分頻器的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器Timer2。而MCS-51只有兩個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。</p><p>　　(10) 獨(dú)特具有的功能</p><p>　　PIC系列單片機(jī)具有兩個(gè)捕

38、獲(Capture)、比較(Compare)、脈寬調(diào)制(PWM)模式、多通道10位A/D轉(zhuǎn)換器、帶有SPI和TIC的同步串行端口SSP、帶有9位地址檢測(cè)的同步異步接收發(fā)送器USART (USART/SCI)。 8位寬并行從屬端口(PSP)、有節(jié)電鎖定復(fù)位的節(jié)電檢測(cè)電路等；而MCS-51系列單片機(jī)沒(méi)有。</p><p>　　3.1.2 硬件總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　本系統(tǒng)在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)

39、主要從以下原則出發(fā):</p><p>　　1. 硬件電路設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)相結(jié)合優(yōu)化硬件電路</p><p>　　一些由硬件實(shí)現(xiàn)的功能可用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，反過(guò)來(lái)一些由軟件實(shí)現(xiàn)的功能也可用硬件來(lái)完成。用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件的功能時(shí)，其響應(yīng)時(shí)間比用硬件實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)，還要占用CPU時(shí)間。但是用軟件實(shí)現(xiàn)硬件的功能可以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)，提高硬件電路的可靠性，還可降低成本。因此在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，在滿(mǎn)足可行性和實(shí)時(shí)性的前提

40、下盡可能地將硬件功能用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　2. 可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)</p><p>　　根據(jù)可靠性設(shè)計(jì)理論，系統(tǒng)所用芯片數(shù)量越少，系統(tǒng)的平均無(wú)故障時(shí)間越長(zhǎng)，而且所用芯片數(shù)量越少，地址數(shù)據(jù)總線(xiàn)在電路板上受干擾的可能性就越少，因此單片機(jī)基本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是在滿(mǎn)足功能的情況下力爭(zhēng)使用較少數(shù)量的片。</p><p>　　3. 靈活的功能擴(kuò)展</p>

41、<p>　　一次設(shè)計(jì)往往不能完全考慮到系統(tǒng)的各個(gè)方面，系統(tǒng)需要不斷完善，需要進(jìn)行功能升級(jí)。功能擴(kuò)展時(shí)系統(tǒng)應(yīng)該在原有設(shè)計(jì)不需要很大改變的情況下，修改軟件和少量硬件甚至不修改硬件就能完成。功能擴(kuò)展是否靈活是衡量一個(gè)系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)要求及上面幾個(gè)硬件設(shè)計(jì)原則，系統(tǒng)以單片機(jī)PIC16F877為中央處理單元，由傳感元件，測(cè)量電橋，放大電路，數(shù)字顯示，信號(hào)輸出等單元電路組成。下

42、面對(duì)主要的電路設(shè)計(jì)做詳細(xì)介紹。</p><p>　　3.1.3 檢測(cè)系統(tǒng)輸出信號(hào)類(lèi)型的選擇</p><p>　　根據(jù)《煤礦用低濃度載體催化式甲烷傳感器技術(shù)條件》，礦用傳感器輸出信號(hào)必須滿(mǎn)足以下要求：</p><p>　　直流模擬量信號(hào):1--5mA (優(yōu)先使用)</p><p>　　直流模擬量信號(hào):4--20mA (現(xiàn)用于地面)</p&

43、gt;<p>　　頻率模擬量信號(hào):200--1000Hz(優(yōu)先使用)</p><p>　　頻率模擬量信號(hào):5--15Hz</p><p>　　開(kāi)關(guān)量信號(hào):1--5mA</p><p>　　對(duì)于模擬量使用頻率信號(hào)有許多優(yōu)勢(shì):</p><p>　　1. 提高了模擬量信號(hào)的傳輸精度</p><p>　　對(duì)一般的

44、電壓或電流的模擬量來(lái)說(shuō)在井下用電纜進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)(>lkm)，都會(huì)產(chǎn)生較大的畸變。頻率脈沖信號(hào)盡管在長(zhǎng)線(xiàn)傳輸時(shí)也會(huì)發(fā)生較大的畸變，但在一定的長(zhǎng)線(xiàn)條件下，每個(gè)脈沖的畸變都是一樣的，在接受端不管采用哪種方式接受還原時(shí)，是不會(huì)產(chǎn)生精度損失的。</p><p>　　2. 提高了模擬量信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力</p><p>　　頻率模擬量傳輸?shù)氖敲}沖的有無(wú)，而電壓或電流模擬量傳輸?shù)氖沁B續(xù)變化的

45、電量值，很顯然前者的抗干擾能力要強(qiáng)得多。</p><p><b>　　3. 隔離性好</b></p><p>　　頻率信號(hào)傳輸?shù)氖敲}沖的有無(wú)，那么作為信號(hào)接受端的分站就可以采用光耦器件的開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行接收，可方便地實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離。對(duì)于井下低頻電子設(shè)備，干擾主要來(lái)自地線(xiàn)，這樣就可以徹底消除了因地線(xiàn)而引起的干擾。不僅如此，傳感器與分站之間沒(méi)有電和磁的聯(lián)系，從而使傳感器與分站各

46、自的本安系統(tǒng)完全隔離，特別適合于煤礦使用，而電壓或電流模擬量實(shí)現(xiàn)這一隔離就困難多了。</p><p>　　4. 模擬量的采集成本低</p><p>　　對(duì)電壓或電流模擬量的采集一般都要采用A/D轉(zhuǎn)換器之類(lèi)的較昂貴的芯片，超過(guò)8位的A/D轉(zhuǎn)換器芯片的價(jià)格與一般單片機(jī)的價(jià)格相當(dāng)，且印刷電路板的制作工藝也較高。而對(duì)于頻率模擬量的采集，用定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，和少量的開(kāi)關(guān)電路即可，可其成本低的多。<

47、;/p><p>　　基于以上考慮，本系統(tǒng)的模擬量信號(hào)選用頻率信號(hào)，選用的檢測(cè)系統(tǒng)輸出頻率范圍為200--1000Hz。</p><p>　　3.1.4 傳感元件</p><p>　　傳感元件的性能對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)有著很大的影響，在選用傳感元件時(shí)一是測(cè)量精度要高，二是工作可靠，三是工作條件能適應(yīng)惡劣環(huán)境的要求。礦用傳感元件最重要的是應(yīng)具有防爆功能。通過(guò)慎重調(diào)查對(duì)比最后選用了鄭州

48、煒盛電子科技有限公司生產(chǎn)的新型載體催化元件，其優(yōu)于傳統(tǒng)的催化元件，在響應(yīng)特性，長(zhǎng)期儲(chǔ)存特性，溫度特性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面都有了明顯的改進(jìn)。載體催化元件由一個(gè)帶催化劑傳感元件(俗稱(chēng)黑元件)和一個(gè)不帶催化劑的補(bǔ)償元件(俗稱(chēng)白元件)組成，白元件與黑元件的結(jié)構(gòu)和尺寸完全相同。但白元件表面沒(méi)有催化劑，僅起環(huán)境溫度補(bǔ)償作用。黑元件由鉑絲線(xiàn)圈，Al2O3，載體和表面的催化劑組成。其中鉑絲線(xiàn)圈用來(lái)給元件加溫，提供甲烷催化燃燒所需要的溫度，同時(shí)，甲烷燃燒放出

49、的熱量使其升溫，通過(guò)測(cè)量其電阻變化，就可以測(cè)得空氣中的甲烷濃度。Al2O3載體用來(lái)固定鉑絲線(xiàn)圈，增強(qiáng)元件的機(jī)械強(qiáng)度。涂在元件表面的鉑(Pt)和把(Pb)等重金屬催化劑，使吸附在元件表面的甲烷無(wú)焰燃燒。其反應(yīng)方程式為:</p><p>　　甲烷無(wú)焰燃燒放出的熱量，使黑元件升溫，從而使鉑絲線(xiàn)圈的電阻增大，通過(guò)電橋，就可測(cè)得由于甲烷無(wú)焰燃燒使鉑絲線(xiàn)圈電阻增大的值。當(dāng)然，由于環(huán)境溫度的變化也會(huì)使鉑絲線(xiàn)圈的電阻發(fā)生變化。為

50、克服環(huán)境溫度變化對(duì)甲烷溫度測(cè)量的影響，在電橋中引入了與黑元件結(jié)構(gòu)尺寸完全相同的白元件，如圖3.1所示。由于白元件表面沒(méi)有催化劑，因此甲烷不會(huì)在白元件表面燃燒，白元件鉑絲線(xiàn)圈的電阻變化僅與環(huán)境溫度有關(guān)，由于黑元件R1與白元件R2處于電橋的同一側(cè)，通過(guò)的電流相等(不考慮電壓測(cè)量電路的漏電流)。因此，在甲烷(可燃性氣體)濃度為零的新鮮空氣中，其電阻相等(不考慮由于制造過(guò)程中的結(jié)構(gòu)差異)。即R1=R2，這時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，輸出電壓Uab為零

51、。若環(huán)境溫度發(fā)生變化或通過(guò)黑白原件的電流發(fā)生變化，使黑白元件電阻發(fā)生變化，但由于變化后的黑白元件電阻仍相等，不會(huì)使電橋失衡。因此，白元件具有環(huán)境溫度補(bǔ)償作用。</p><p>　　圖3.1 傳感器檢測(cè)電橋</p><p>　　當(dāng)空氣中甲烷濃度不為零，吸附在黑元件表面的甲烷在黑元件表面催化燃燒，燃燒放出的熱量與甲烷濃度成正比(在濃度<9.5% 的低濃度情況下)，在燃燒熱量的作用下，黑元

52、件溫度升高，黑元件鉑絲電阻也隨之增大，因此，通過(guò)測(cè)量的變化，就可測(cè)得空氣中的甲烷濃度(低濃度情況下)。在圖3.1所示電橋中，若用E表示向電橋供電的恒電源，用Uab表示電橋輸出電壓，則有：</p><p>　　∵R1=R2 R3=R4 R1﹥﹥</p><p><b>　　∴</b></p><p>　　不難看出，由于E，R1設(shè)計(jì)為常數(shù)，可由

53、常數(shù)K1表示。因此，電橋輸出電壓Uab正比于黑元件電阻變化，即Uab=K1*。若用表示鉑絲電阻溫度系數(shù)，表示甲烷燃燒熱量，h表示黑元件熱容量，D表示甲烷擴(kuò)散系數(shù)，C表示被測(cè)環(huán)境中的甲烷濃度，Q表示甲烷分子燃燒熱，RO表示鉑絲0℃時(shí)的阻值，則有:</p><p>　　由于，h，RO 與黑元件材料，性質(zhì)，結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，元件出廠后為一常數(shù)。因此，可用常數(shù)K2表示，即:</p><p>　　=K2

54、*C Uab=K1*K2*C</p><p>　　不難看出，在低濃度下，電橋輸出電壓與空氣中的甲烷濃度成正比。</p><p>　　3.1.5 輸入量采集處理</p><p>　　由于電橋輸出的電壓Uab為毫伏級(jí)的，所以要首先進(jìn)行放大處理，本系統(tǒng)采用了TLC279MJ運(yùn)算放大器作放大器件。由于在一定的電壓范圍內(nèi)，可以通過(guò)壓縮Vref+和Vref-之間的電壓差值，來(lái)提

55、高轉(zhuǎn)換器的分辨率。所以將放大器的輸出電壓調(diào)整在0-3.5v 的范圍內(nèi)(對(duì)應(yīng)0%-4%的瓦斯?jié)舛?。其輸出接至單片機(jī)的模擬量輸入端口RAO。單片機(jī)PIC16F877的A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓采用外部輸入，這就需要在單片機(jī)外部電路中增加一個(gè)精度高，溫度漂移小的電壓基準(zhǔn)專(zhuān)用芯片。本系統(tǒng)選用了LM2671開(kāi)關(guān)電源以及LM358AN運(yùn)算放大器構(gòu)成參考電壓電路。</p><p>　　PIC16F877芯片具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力，

56、當(dāng)其輸入量為模擬量時(shí)，可以通過(guò)內(nèi)部自帶的10位精度的A/D轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換，無(wú)需另外擴(kuò)展A/D轉(zhuǎn)換器，這樣可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，降低成本。ADC模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含4個(gè)組成部分:8選1選擇開(kāi)關(guān)，雙刀雙擲切換開(kāi)關(guān)，A/D轉(zhuǎn)換電路，采樣/保持電路。如圖3.2所示：</p><p>　　圖3.2 ADC模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　該圖中的“模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC”方框中，實(shí)際包含采樣/保持電路和

57、A/D轉(zhuǎn)換電路兩個(gè)部分，下面來(lái)分析一下各個(gè)部分的功能和組成關(guān)系：</p><p>　　1) 8選1選擇開(kāi)關(guān)——由控制寄存器ADCONO中的CHS2—CHSO位控制，用于在引腳ANO—AN7中選定將要進(jìn)行轉(zhuǎn)換的輸入模擬通道，選中者與內(nèi)部采樣/保持電路接通。</p><p>　　2) 雙刀雙擲切換開(kāi)關(guān)——由控制寄存器ADCONI中的PCFG3—PCFGO位控制，用于選擇A/D轉(zhuǎn)換器所需要的參考

58、電壓源的獲取途徑。該參考電壓有正，負(fù)兩個(gè)接入端Vref+和Vref-。正端既可選擇片內(nèi)的正電源VDD，也可以選擇從引腳RA3/AN3/Vref+接入的外部基準(zhǔn)電壓；負(fù)端既可以選擇片內(nèi)的負(fù)電源VSS，也可以選擇從引腳RA2/AN2/Vref-接入的外部基準(zhǔn)電壓。當(dāng)選擇外接參考電壓方式時(shí)，就需要在單片機(jī)外部電路中增加一個(gè)精度高，溫度漂移小的電壓基準(zhǔn)專(zhuān)用芯片。本系統(tǒng)使用的芯片為L(zhǎng)M2671。</p><p>　　3)

59、A /D轉(zhuǎn)換電路——其工作原理教材上有（不再論述），用來(lái)實(shí)現(xiàn)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。</p><p>　　4)采樣保持電路——電路結(jié)構(gòu)如圖3.6所示，用于對(duì)輸入模擬信號(hào)電平進(jìn)行抽樣，并且為后續(xù)A/D轉(zhuǎn)換電路保持一個(gè)平穩(wěn)的電壓樣值。電路中的核心元件是一只采樣開(kāi)關(guān)RSS和一只120pF的電荷保持電容Chold；兩個(gè)反向偏置的二極管，起電壓鉗位保護(hù)作用，防止高壓侵入芯片內(nèi)部；如果開(kāi)關(guān)RSS閉合，VA信號(hào)源的模擬電壓就

60、會(huì)通過(guò)其信號(hào)源自身的內(nèi)阻Rs，芯片內(nèi)部連線(xiàn)等效電阻Ric和采樣開(kāi)關(guān)SS向電荷保持電容Chold充電。隨看充電時(shí)間的增加，電容的端電壓也隨之上升，并最終趨近于信號(hào)源的開(kāi)路電壓。</p><p>　　圖3.3 采樣保持電路結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3.1.6 LED顯示及接口</p><p><b>　　1. LED介紹</b></p>

61、;<p>　　LED即發(fā)光二極管，它是一種由某些特殊的半導(dǎo)體材料制作成的PN結(jié)，由于摻雜濃度很高，當(dāng)正向偏置時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的電子—空穴復(fù)合，把多余的能釋放變?yōu)楣饽?。LED顯示器具有工作電壓低、體積小、壽命長(zhǎng)(約十萬(wàn)小時(shí))、響應(yīng)速度快，顏色豐富等特點(diǎn)。LED的正向電壓降一般在1.2—2.6V ，發(fā)光工作電流在5mA-20mA。七段LED顯示器由數(shù)個(gè)LED組成一個(gè)陣列，并封裝于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的外殼中。為適用于不同的驅(qū)動(dòng)電路，有共陽(yáng)極

62、和共陰極兩種結(jié)構(gòu)。本文采用的是共陰極結(jié)構(gòu)。為了顯示某個(gè)數(shù)或字符，就要點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的段，這就需要譯碼。譯碼有硬件譯碼和軟件譯碼。硬件譯碼電路的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算機(jī)時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)比較小，但硬件開(kāi)支大。軟件譯碼與硬件電路相比，省去了硬件譯碼器。其BCD碼轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的段碼由軟件來(lái)完成。表3.1顯示的是共陽(yáng)極情況下段碼與數(shù)字、字母的關(guān)系：</p><p>　　表3.1 共陽(yáng)極情況下段碼與數(shù)字、字母的對(duì)應(yīng)關(guān)系</p><p

63、>　　2. 七段LED的顯示接口</p><p>　　1) 顯示方式的選擇</p><p>　　按照顯示的方式，七段LED數(shù)碼管顯示有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示之分。在靜態(tài)顯示系統(tǒng)中，每位顯示器都應(yīng)有各自的鎖存器、譯碼器與驅(qū)動(dòng)器。用以鎖存各自待顯示數(shù)字的BCD碼或反碼。因此靜態(tài)顯示系統(tǒng)在每一次顯示輸出后能夠保持顯示不變，僅在待顯示數(shù)字需要改變時(shí)，才更新其數(shù)字顯示器中鎖存的內(nèi)容。這種顯示占用機(jī)

64、時(shí)少，顯示穩(wěn)定可靠。缺點(diǎn)是，當(dāng)顯示的位數(shù)較多時(shí)，占用的器件也較多。在采用動(dòng)態(tài)顯示的系統(tǒng)中，微處理器或控制器應(yīng)定時(shí)地對(duì)各個(gè)顯示器進(jìn)行掃描，顯示器件分時(shí)輪流工作，每次只能使一個(gè)器件顯示，但由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象，仍感覺(jué)所有的器件都在同時(shí)顯示。此種顯示的優(yōu)點(diǎn)是使用硬件少，占用I/O口少。缺點(diǎn)是占用機(jī)時(shí)長(zhǎng)，只要不執(zhí)行顯示程序，就會(huì)立即停止顯示。本文采用了動(dòng)態(tài)顯示模式。</p><p><b>　　2）引腳功能設(shè)定

65、</b></p><p>　　本文要求顯示接口電路完成四位十進(jìn)制數(shù)字的顯示。由于PIC單片機(jī)可以直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，所以節(jié)省了外圍電路。將PIC16F877單片機(jī)的PORTD端口的RDO—RD7作為顯示器的數(shù)據(jù)BCD碼傳送端口，如圖3.2所示。PORTB端口的RB5、RB3、RB2、RB1作為的地址線(xiàn)，分別選中不同的LED數(shù)碼管。數(shù)據(jù)顯示的過(guò)程是首先由RB5，RB3，RB2與RB1確定當(dāng)前該選中的數(shù)碼管，

66、然后PORTD將相應(yīng)位要顯示的數(shù)字送入對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管顯示。</p><p>　　圖3.2 單片機(jī)與LED接口電路圖</p><p><b>　　3.2 程序模塊</b></p><p>　　3.2.1 A/D轉(zhuǎn)換子程序</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換子程序依照以下步驟進(jìn)行:</p><p>　　(1

67、)設(shè)置ADC模塊；</p><p>　　(2)開(kāi)放A/D中斷功能，開(kāi)放相應(yīng)的中斷使能位；</p><p>　　(3)等待所需要的采樣時(shí)間；</p><p>　　(4)將控制位兼狀態(tài)位置1，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程；</p><p>　　(5)等待A/D轉(zhuǎn)換完成；</p><p>　　(6)讀取相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器送入指

68、定地址進(jìn)行處理。</p><p>　　詳細(xì)見(jiàn)圖3.1所示流程圖及程序。</p><p>　　圖3.1 A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖</p><p><b>　　程序片斷:</b></p><p>　　BSF STATUS， RPO ；選擇RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)體</p><p>　　BCF STATUS，

69、RPl</p><p>　　CLRF ADCONI ；選定全部引腳為模擬輸出通道</p><p>　　BSF PIEI， ADIE ；開(kāi)放ADC模塊中斷</p><p>　　BCF STAUS， RPO</p><p>　　MOVLW B'01001001'</p><p>　　MO

70、VWF ADCONO ；選擇通道并確定鐘時(shí)鐘源為FOSC/8，允許ADC工作</p><p>　　CALL Delay20</p><p>　　BSF ADCONO，GO ；開(kāi)始A/D轉(zhuǎn)換</p><p>　　BTFSS PIRI， ADIF ；等待轉(zhuǎn)換完成</p><p><b>　　GOTO $-1<

71、/b></p><p>　　BCF PIRI，ADIF ；清除ADC模塊中斷標(biāo)志位</p><p>　　MOVF ADRESH，W ；將轉(zhuǎn)換結(jié)果送出</p><p>　　3.2.2 LED顯示子程序</p><p>　　對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，零點(diǎn)補(bǔ)償，非線(xiàn)性補(bǔ)償后，經(jīng)過(guò)數(shù)制轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為BCD碼后，通過(guò)RB口的RB1，RB2

72、，RB3，RB5端口打開(kāi)相應(yīng)的位，并將轉(zhuǎn)換來(lái)的數(shù)據(jù)調(diào)用相應(yīng)的段碼送去顯示。其流程圖如圖3.2 所示:</p><p>　　圖3.2 LED顯示流程圖</p><p>　　MOVLW OOOH ；先熄滅數(shù)碼管以免閃爍</p><p>　　MOVWF PORTD</p><p>　　MOVLW 002H

73、 ；先顯示低位，置RB1=1</p><p>　　MOVWF PORTB</p><p>　　MOVF HBCD_L，W ；計(jì)數(shù)值存入W后調(diào)用轉(zhuǎn)換表子程序 </p><p>　　CALL H_CONVERT</p><p>　　MOVWF PORTD ；送RD口顯示</p>&

74、lt;p>　　CALL H_DELAY ；延遲4.7ms </p><p>　　MOVLW 004H ；同樣方法顯示十位，RB2=1</p><p>　　MOVWF PORTB</p><p>　　MOVF H_BCD_T，W </p><p>　　CALL H_CONVERT &l

75、t;/p><p>　　MOVWF PORTD ；送RD口顯示</p><p>　　CALL H_DELAY </p><p>　　CLRF PORTB </p><p>　　MOVLW 010H ；同樣方法顯示百位，RB4=1</p><p>　　MOVWF PORT

76、B</p><p>　　MOVF H_BCD_M，W</p><p>　　ADDLWOOAH </p><p>　　CALL H_CONVERT</p><p>　　MOVWF PORTD</p><p>　　CALL H_DELAY</p><p>　　CLRF P

77、ORTD</p><p><b>　　……</b></p><p>　　3.2.3 頻率信號(hào)輸出子程序</p><p>　　頻率信號(hào)的輸出可以采用對(duì)普通I/O端口實(shí)行電平翻轉(zhuǎn)的辦法實(shí)現(xiàn)，濃度0%--4%對(duì)應(yīng)頻率輸出為200--1OOOHz，根據(jù)濃度可計(jì)算出相應(yīng)的頻率值，隨之計(jì)算出相應(yīng)的周期值，周期值的一半即為定時(shí)器的定時(shí)值，每當(dāng)定時(shí)器溢出時(shí)將輸

78、出口的電平進(jìn)行翻轉(zhuǎn)即可。</p><p>　　BANKSEL C_DENSITYL</p><p>　　MOVF C_D ENSITYH，W</p><p>　　MOVWF WZY_TEMP</p><p>　　MOVF C_DENSITYL，W</p><p><b>　　ADDLW 100</b&g

79、t;</p><p>　　BTFSC STATUS，C</p><p>　　INCF WZY_TEMP</p><p>　　MOVWF SUBTRHEND_L</p><p>　　MOVF WZY_TEMP，W</p><p>　　MOVWF SUBTRHEND_H</p><p>　　MOVL

80、W OXDO</p><p>　　MOVWF SUB_RESULT_L</p><p>　　MOVWW 0X12</p><p>　　MOVWF SUB_RESULT_M</p><p>　　MOVLW 0X13</p><p>　　MOVWF SUB_RESULT_H</p><p>　　CA

81、LL DIVIDE</p><p>　　MOVF DIV_R ESULT_L，W</p><p>　　SUBLW OXFF</p><p>　　MOVWF WCPL</p><p>　　MOVF DIV_RESULT_M ，W</p><p>　　SUBLW OXFF</p><p>　　MOV

82、WF WCPH</p><p><b>　　……</b></p><p>　　第四章 監(jiān)控分站的設(shè)計(jì) </p><p>　　4.1 分站硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1.1 總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　監(jiān)控分站的主板由頻率及開(kāi)關(guān)信號(hào)接口單元，485通訊單元，同步串行通訊單元，開(kāi)關(guān)量輸出單元等

83、組成。如圖4.2所示，其工作過(guò)程是，由單片機(jī)的RAO—RA3給出被測(cè)變量的通道號(hào)，有兩個(gè)八選一開(kāi)關(guān)74HC151來(lái)譯碼將所選擇的通道和單片機(jī)的RC1口接通。單片機(jī)根據(jù)監(jiān)控主機(jī)給出的通道定義是頻率量或是開(kāi)關(guān)量，來(lái)決定對(duì)這個(gè)通道采用什么樣的測(cè)量方法。測(cè)完所有的通道后，將測(cè)得的數(shù)值進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)換、存貯，然后將數(shù)據(jù)傳送給顯示板和監(jiān)控主機(jī)顯示、記錄、存儲(chǔ)。</p><p>　　圖4.1 監(jiān)控分站結(jié)構(gòu)框圖</p>

84、<p>　　4.1.2 頻率及開(kāi)關(guān)信號(hào)接口單元</p><p>　　如圖4.2所示，分站接收的檢測(cè)系統(tǒng)信號(hào)為200--1000Hz的頻率信號(hào)或電平信號(hào)，由單片機(jī)的RAO-RA3位給出選通通道的地址，兩個(gè)八選一選通開(kāi)關(guān)選擇接通16路信號(hào)輸入中的一路，送入單片機(jī)的RC1口，單片機(jī)根據(jù)上位機(jī)對(duì)這一通道的定義，來(lái)決定采用什么方法測(cè)量。本電路開(kāi)關(guān)量與模擬量采用了統(tǒng)一電路，使電路簡(jiǎn)單，提高了設(shè)備的可靠性。<

85、;/p><p>　　圖4.2 信號(hào)采集電路</p><p>　　4.1.3 串行通訊單元</p><p><b>　　一．串行通信</b></p><p>　　1. 串行通信協(xié)議介紹</p><p>　　兩個(gè)設(shè)備之間交換信息時(shí)，必須有條線(xiàn)路(或是多條線(xiàn)路)將兩者連接，而通過(guò)線(xiàn)上電壓的改變來(lái)達(dá)到交換數(shù)據(jù)

86、的目的。串行通信指的是兩個(gè)欲交換信息者的信息流動(dòng)，而且其信息流動(dòng)的方式是一個(gè)位接著一個(gè)位，有順序地由一個(gè)方向向另一個(gè)方向流動(dòng)。這種通信方式傳送信息己經(jīng)有一段久遠(yuǎn)的歷史，而且是一種使用相當(dāng)廣泛的通信方式，其速度雖然沒(méi)有并行通信那樣快，可是由于配線(xiàn)數(shù)少，實(shí)現(xiàn)容易，所以長(zhǎng)久以來(lái)大家一直樂(lè)于采用；另一方面，速度上的改進(jìn)也是廠商一直的努力方向。常用的串行通信標(biāo)準(zhǔn)有RS232，RS422，RS485，USB，IEEE-1394，它們的區(qū)別主要在傳輸

87、距離和穩(wěn)定性等方面。</p><p>　　2. 串行通信的兩種基本方式</p><p>　　串行通訊又分為異步傳送和同步傳送兩種基本方式。</p><p><b>　　(1)異步傳送方式</b></p><p>　　在線(xiàn)路上，異步傳送的數(shù)據(jù)是以“字符”為單位來(lái)傳送的(即面向字符的)。各個(gè)字符之間可以是連續(xù)的，也可以是斷續(xù)

88、的。異步傳送時(shí)，其同步作用的時(shí)鐘脈沖并不傳送到對(duì)方。從物理線(xiàn)路的連接來(lái)看，進(jìn)行異步通信的雙方之間的連線(xiàn)，只有信息傳輸線(xiàn)，而沒(méi)有時(shí)鐘傳輸線(xiàn)。</p><p>　　串行異步通信方式下有位同步、幀同步、數(shù)據(jù)包同步三種同步機(jī)制，這樣才能保證兩個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)之間的正確通訊。在異步通信方式下，位的同步是依靠相同的波特率，幀的同步是依靠預(yù)定的起始位、數(shù)據(jù)有效位、奇偶校驗(yàn)位、可編程的第9位和停止位等組成，數(shù)據(jù)包的同步是依靠特定的

89、標(biāo)識(shí)和預(yù)定的數(shù)據(jù)內(nèi)容來(lái)完成。</p><p>　　(2) 同步傳送方式</p><p>　　在異步傳送中，由于每一個(gè)字符都要用到起始位和停止位作為字符開(kāi)始和結(jié)束的標(biāo)志位，因而增加了額外開(kāi)銷(xiāo)，降低了傳送效率。不僅如此，還需要通信雙方必須預(yù)先約定通信的信息格式(即幀結(jié)構(gòu))、通信的速率等內(nèi)容。這樣既給通信雙方的硬件增加了復(fù)雜程度和制造成本；也給通信雙方的軟件設(shè)計(jì)增加了負(fù)擔(dān)；而且還降低了處理器對(duì)不

90、同通信對(duì)象的廣泛適應(yīng)性和靈活性。因此，在單片機(jī)與外圍芯片之間的近距離通信中，同步傳送方式得到了廣泛的應(yīng)用。例如SPI，MicroWire， I2C等，均屬于同步傳送方式。</p><p>　　從物理線(xiàn)路的連接上看，進(jìn)行同步通信雙方之間的連線(xiàn)，不僅有信息傳輸線(xiàn)，而且也有時(shí)鐘傳輸線(xiàn)。同步時(shí)鐘由主控方負(fù)責(zé)提供。由此可見(jiàn)，同步傳送方式比異步傳送方式增加了雙方之間的連接線(xiàn)路，但通信的傳輸效率提高了。</p>

91、<p>　　二． PIC單片機(jī)的串行接口</p><p>　　1. 通用同步/異步收發(fā)器USART</p><p>　　USART也叫串行通信接口即SCI，可以設(shè)定以下幾種工作方式:</p><p>　　(1) 全雙工異步方式；</p><p>　　(2) 半雙工同步主控方式；</p><p>　　(3) 半

92、雙工同步從動(dòng)方式。</p><p>　　本文選擇全雙工異步方式。</p><p>　　USART的異步工作方式：</p><p>　　在異步工作方式下，串行通信接口USART將采用標(biāo)準(zhǔn)的不歸零(NZ)格式(即1位起始位、9位數(shù)據(jù)位和1位停止位)。片內(nèi)提供的8位波特率發(fā)生器BRG，用來(lái)自振蕩器的時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的波特率頻率。USART發(fā)送和接收順序都是從低位開(kāi)始。US

93、ART的異步工作方式，由以下一些重要的部件組成:波特率發(fā)生器BRG；采樣電路；異步發(fā)送器；異步接收器。</p><p>　　圖4 .1是USART異步發(fā)送器的結(jié)構(gòu)示意圖，發(fā)送器核心是發(fā)送移位寄存器(TSR)，發(fā)送移位寄存器從發(fā)送緩沖器TXREG獲得要發(fā)送的數(shù)據(jù)。TXREG是由用戶(hù)用軟件裝入數(shù)據(jù)，前次裝入的停止位P發(fā)送出去之后，寄存器TXREG中的數(shù)據(jù)就被裝入TSRD一旦把TXREG中的數(shù)據(jù)送入TSR(在一個(gè)Tcv

94、周期里)，則TXREG就空狀態(tài)，同時(shí)，發(fā)送中斷標(biāo)志位TXIF被置1，這個(gè)中斷是否被CPU響應(yīng)，可通過(guò)設(shè)置發(fā)送中斷使能位TXTE來(lái)決定。不管TXIE的狀態(tài)如何，中斷標(biāo)志位TXIF都被置1，并且TXIF位不能用軟件清零，只有當(dāng)新發(fā)送的數(shù)據(jù)送入TXREG寄存器后，TXIF位刁能被硬件復(fù)位。用TXIF表示TXREG的狀態(tài)，而用另1位TRMT表示TSR的狀態(tài)。TRMT是一個(gè)只讀位，當(dāng)TSR寄存器為空時(shí)，TRMT位被置1。</p>&

95、lt;p>　　將TXEN位置I就可以使能發(fā)送，但是只有在TXREG寄存器裝入數(shù)據(jù)和波特率發(fā)生器(BRG)產(chǎn)生移位時(shí)鐘之后，才發(fā)生實(shí)際的數(shù)據(jù)發(fā)送。在發(fā)送過(guò)程中將TXEN位清零會(huì)引起發(fā)送被終止或者對(duì)發(fā)送器復(fù)位，RC6引腳就會(huì)回到高阻狀態(tài)。</p><p>　　圖4.1 USART異步發(fā)送器結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　為了選擇9位發(fā)送方式，則應(yīng)當(dāng)將發(fā)送位TX9(TXSTA寄存器的第9位

96、)數(shù)據(jù)寫(xiě)到TX9D位，且必須在將8位數(shù)據(jù)寫(xiě)入TXREG寄存器之前，把第9位數(shù)據(jù)寫(xiě)入TX9D位。在設(shè)置異步發(fā)送時(shí)，按照以下步驟:</p><p>　　① 選擇合適的波特率，對(duì)SPBRG進(jìn)行初始化；</p><p>　?、?置SYNC=O和SPEN=1，使其工作在異步串行口工作方式；</p><p>　　③ 若需要中斷，置TXIE=1；</p><p

97、>　　④ 若需要傳送第9位數(shù)據(jù)，置TX9=1；</p><p>　?、?置TXEN=1，使USART工作在發(fā)送方式，這也會(huì)使TXIF被置1；</p><p>　?、?若選擇發(fā)送9位數(shù)據(jù)，第9位數(shù)據(jù)應(yīng)該寫(xiě)入TX9D；</p><p>　　⑦ 把數(shù)據(jù)送入TXREG緩沖器(啟動(dòng)發(fā)送)；</p><p>　　⑧ 如果使用中斷方式，務(wù)必確保GIE

98、和PEIE位被置1。</p><p>　　圖4.2為USART異步接收器的結(jié)構(gòu)原理框圖。從RC7引腳接收串行信號(hào)并送入數(shù)據(jù)接收器。這個(gè)數(shù)據(jù)接收器實(shí)際和是1個(gè)以16倍波特率工作的高速移位寄存器，而主接收器的串行移位操作是以時(shí)鐘頻率Fosc的速率工作的。一旦選擇異步方式之后，將CREN位置1就使能異步接收。接收器的核心是一個(gè)接收(串行)移位寄存器(RSR)。在采樣到STOP位之后，RSR中的數(shù)據(jù)被送到RCREG寄存器

99、(如果RCREG寄存器為空)，在數(shù)據(jù)傳送完之后，標(biāo)志位RCIF (PIR1寄存器的bit5位)被置1?？梢酝ㄟ^(guò)將RCIE位置1(或清零)來(lái)使能(或解蔽)接收中斷標(biāo)志位RCIF是1個(gè)只讀位，它是在RCREG寄存器被讀之后，或者是RCREG寄存器為空時(shí)被硬件清零。由于RCREG寄存器是1個(gè)兩級(jí)的緩沖寄存器，因此，可以在兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)接收到并傳送給RCREG之后，第3個(gè)字節(jié)再移位到RSR寄存器。在檢測(cè)到第3個(gè)字節(jié)的STOP位之后，如果RCRE

100、G的FIFO仍是滿(mǎn)的，則數(shù)據(jù)傳送越位(OVERRUN)標(biāo)志位OERR就會(huì)被置1， RSR寄存器中的數(shù)據(jù)就會(huì)被丟失?？梢詫?duì)RCREG寄存器連續(xù)讀兩次以找回FIFO中的兩個(gè)字節(jié)。但標(biāo)志位OE</p><p>　　設(shè)計(jì)按照以下步驟來(lái)接收從計(jì)算機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù):</p><p>　?、龠x擇合適的波特率，對(duì)SPBRG進(jìn)行初始化；</p><p>　　②置SYNC=O和SPEN=1

101、，使其工作在異步串行口工作方式；若需要中斷，置RCIE=1；</p><p>　　③若需要接收第9位數(shù)據(jù)，置RX9=1；</p><p>　?、苤肅REN=1，使USART工作在接收方式；</p><p>　?、莓?dāng)接收完成后，中斷標(biāo)志位RCIF被置1，如果RCIE=1，便產(chǎn)生中斷；</p><p>　?、拮xRCSTA寄存器獲取第9位數(shù)據(jù)(如果

102、使能接收9位數(shù)據(jù))，并判斷在接收操作中是否發(fā)生錯(cuò)誤；</p><p>　?、咦xRCREG中收到的8位數(shù)據(jù)；</p><p>　?、嗳绻l(fā)生某種錯(cuò)誤，通過(guò)把CREN位清零以清除錯(cuò)誤；</p><p>　?、崛绻褂弥袛喾绞剑瑒?wù)必確保GIE和PEIE位被置1。</p><p>　　圖4.2 USART異步接收器結(jié)構(gòu)示意圖</p>&

103、lt;p>　　三．分站與監(jiān)控主機(jī)的通訊（RS485通訊）</p><p>　　RS485接口芯片已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、儀器、儀表、多媒體網(wǎng)絡(luò)、機(jī)電一體化產(chǎn)品等諸多領(lǐng)域。RS485是一種多發(fā)送器的電路標(biāo)準(zhǔn)，其接口采用一對(duì)平衡差分信號(hào)線(xiàn)。允許雙導(dǎo)線(xiàn)上一個(gè)發(fā)送器驅(qū)動(dòng)32個(gè)負(fù)載設(shè)備，負(fù)載設(shè)備可以是被動(dòng)發(fā)送器、接收器或收</p><p>　　發(fā)器。由于RS485比RS232傳輸信號(hào)距離長(zhǎng)、速度

104、快，且可帶多個(gè)負(fù)載設(shè)備，因此在各種智能化儀器儀表中具有非常重要的作用。</p><p>　　1. RS-485的電氣特性:邏輯“1”以?xún)删€(xiàn)間的電壓差為+(2-6)V 表示；邏輯“0”以?xún)删€(xiàn)間的電壓差為-(2-6)V表示。接口信號(hào)電平比RS232降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。</p><p>　　2. RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為1O

105、Mbps。</p><p>　　3. RS-485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。</p><p>　　4. RS-485接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為4000英尺，實(shí)際上可達(dá)3000米，另外RS232接口在總線(xiàn)上只允許連接1個(gè)收發(fā)器，即單站能力。而RS485接口在總線(xiàn)上是允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器，具有多站能力，這樣用戶(hù)可以利用單一的RS485接口

106、方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　在由單片機(jī)構(gòu)成的多機(jī)串行通信系統(tǒng)中，一般采用主從式結(jié)構(gòu): 從機(jī)不主動(dòng)發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，一切都由主機(jī)控制。并且在一個(gè)多機(jī)通信系統(tǒng)中，只有一臺(tái)單機(jī)作為主機(jī)，各臺(tái)從機(jī)之間不能相互通訊，即使有信息交換也必須通過(guò)主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)。系統(tǒng)總體方框圖4.3如下，系統(tǒng)中所有下位機(jī)掛接于同一條數(shù)據(jù)通信總線(xiàn)，總線(xiàn)為各現(xiàn)場(chǎng)單元共享，為避免總線(xiàn)通信的競(jìng)爭(zhēng)與沖突，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信采用主從通信控制方法，即系統(tǒng)中每

107、個(gè)下位機(jī)被賦予唯一的本機(jī)地址，采用上位機(jī)輪詢(xún)，下位機(jī)應(yīng)答的通信方式。</p><p>　　RS485接口可連接成半雙工和全雙工兩種通信方式，半雙工通信的芯片有SN75176、SN75276、SN75LBC184、MAX485、MAX1487、MAX3082、MAX1483 等。全雙工通信的芯片有SN75179、SN75180、MAX488、MAX491、MAX1482 等。本論文的RS485通信采用了MAX148

108、0作為RS485通信的發(fā)射器和接收器，MAX1480是由美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的單片隔離RS485數(shù)據(jù)通訊接口芯片。該產(chǎn)品將光電藕合器、變壓器、DC-DC轉(zhuǎn)換器和二極管等器件封裝為28引腳器件，構(gòu)成一個(gè)完整的RS485收發(fā)器，是專(zhuān)為半雙工串行通訊模式設(shè)計(jì)的。</p><p>　　圖4.3 分站與監(jiān)控主機(jī)（RS485）的通訊</p><p><b>　　4.2 程序模塊</b

109、></p><p>　　液晶顯示子程序上面已經(jīng)論述，在此不再描述。</p><p>　　4.2.1 分站主程序流程圖</p><p>　　系統(tǒng)上電后，開(kāi)始初始化過(guò)程。初始化過(guò)程包括對(duì)單片機(jī)內(nèi)部寄存器的初始化、中斷初始化、定時(shí)器的初始化、串口的初始化以及系統(tǒng)自檢。完成初始化后，單片機(jī)進(jìn)入主程序執(zhí)行階段。首先采集現(xiàn)場(chǎng)16路數(shù)據(jù)并做相應(yīng)的處理，然后根據(jù)上位機(jī)設(shè)置的參

110、數(shù)做出控制決策。之后調(diào)用顯示子程序顯示各項(xiàng)指標(biāo)。在主程序執(zhí)行的整個(gè)過(guò)程中隨時(shí)檢測(cè)有沒(méi)有與PC機(jī)的串行通信中斷，如有則執(zhí)行串行通訊中斷程序，與PC機(jī)進(jìn)行通信。主程序的流程圖如圖4.4所示：</p><p>　　圖4.4 監(jiān)控分站主程序流程圖</p><p>　　4.2.2 數(shù)據(jù)采集與處理子程序</p><p>　　圖4.5 數(shù)據(jù)采集子程序流程圖</p>

111、<p>　　如圖4.5所示，數(shù)據(jù)采集與處理子程序的執(zhí)行過(guò)程為，首先給出要采集數(shù)據(jù)的通道號(hào)，根據(jù)PC機(jī)給出的參數(shù)，確定這一通道是頻率信號(hào)還是開(kāi)關(guān)量信號(hào)。如果是開(kāi)關(guān)量信號(hào)，則直接測(cè)得輸入口是“1"還是“0"即可，如果是頻率信號(hào)，則需要用定時(shí)器測(cè)得其周期值，然后對(duì)其進(jìn)行斷線(xiàn)、欠量程和超量程判斷。若計(jì)數(shù)值在正常范圍內(nèi)，則對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式為:</p><p>　　其中f0為定時(shí)器計(jì)數(shù)器的