环境参数自动监控系统的设计.docx

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环境参数自动监控系统的设计

毕业论文（设计）

环境参数自动监控系统的设计

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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；

Abstract

Inordertomeettheneedsofmineproducesafety,akindofintelligentmineambientmonitoringandcontrolsystembasedonAT89C51isintroduced.Detectedbythesystemhardware,softwareandcircuitdesign.ThesystemadoptstemperaturesensorDS18B20humiditysensorHM1500tocarryouthighaccuracydetectingonshaftenvironment.AT89C51monolithicmachineisusedtocarryouttheintelligentcontrolonthetemperadityandhumidity.Thissystemcandetectthetemperatureofambientofmine,thedensityofpoisonousinflammablegascombinedexternalcircuitWithitsfunctionpart,thissystemcanchangeabove-mentionedelements.

Keywords

Microcontroller；environmentalparameter；shaft；serialcommunication；

目录

绪论1

1.1选题背景1

1.2基本功能1

2方案的设计1

2.1温度传感器的选择1

2.2湿度传感器的选择1

2.3气体传感器的选择1

3系统组成及工作原理2

4系统整体设计2

4.1系统硬件设计2

4.1.1主控模块2

4.1.2外围电路2

4.1.3传感电路3

4.2检测电路4

4.2.1温度检测电路4

4.2.2气体与湿度检测电路5

4.3软件设计5

4.3.1初始化模块6

4.3.2控制模块6

4.3.3显示模块6

5程序设计7

5.1主程序设计7

5.2RS232通信子程序8

5.3上位PC机软件设计10

6抗干扰设计10

7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TLC2543A/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。

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4KB闪速式存储器、128B内存,最大工作频率为24MHz。

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128Kb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±15kV静电保护,+5V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4bit/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4~20mA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2AD620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+D△2ei）

（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TLC2543A/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

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.