用于矿井领域的智能传感器的设计Word格式.docx
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有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
1.2温度传感器发展的新趋势
进入21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、网络化等高技术的方向迅速发展，主要体现在下面几点：
（1）提高测温精度和分辨率
在20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨率只能达到1℃。
目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨率的智能温度传感器，如由美国Dallas半导体公司新研制的DS18B20单线总线传感器，有9~12位A/D转换器设置，分辨率一般可达0.5~0.0625℃。
（2）增加测试功能
新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。
例如，Dallas半导体公司的DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟（RTC），使其功能更加完善。
（3）总线技术的标准化与规范化
（4）可靠性及安全性设计
传统的A/D转换器多采用积分式或逐次比较式转换技术，其噪声容限低，抑制混叠噪声及量化噪声的能力比较差。
（5）网络温度传感器
网络温度传感器是包含数字传感器、网络接口和处理单元的新一代智能传感器。
1.3温度传感器的智能化发展
传感器是获取信息的工具，是信息技术（包括传感与控制技术、通讯技术和计算机技术）的三大支柱之一，它位于信息系统的最前端，其特性的好坏、输出信息的可靠性对整个系统质量至关重要。
智能化的传感器具有如下一些特点：
（1）高精度和高性能/价格比
系统采用了更高性能微处理器来处理数据，如：
采用了高性能的Σ－△式A/D转换器，它能以很高的采样速率和很低的采样分辨率将模拟信号转换成数字信号，再利用过采样、噪声整形和数字滤波技术，从而提高测量精度，提高性能/价格比。
（2）高可靠性与高稳定性
实时自动进行系统的故障自检，并做出异常情况的应急处理，避免因传感器系统本身故障而引起整个测控系统出错，大大提高可靠性。
（3）高信噪比与高分辨率
通过软件对传感元件采集到的信息进行有效处理，去除输入信号中夹杂的噪声，将有用信号提取出来，还可以消除多参数状态下交叉对灵敏度的影响，保证在多参数影响情况下对目标参数测量的分辨力，获得高信噪比和高分辨率。
（4）较强的适应能力
依靠其自身具备的智能功能及系统组态能力，可灵活适应多种不同的应用场合与使用要求。
2系统总体方案设计
2.1系统设计的整体原则
在设计一个智能化测量系统时，首先要进行系统的总体方案设计，在设计中一般应考虑以下几点
（1）遵循从整体到局部的设计原则。
在硬件和软件设计过程中，应遵循从整体到局部的设计原则，把复杂难处理的问题分为若干较简单的、容易处理的问题，分别加以解决。
（2）可靠性要求。
所谓可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。
可靠性指标除了可用完成功能的概率表示外，还可用平均无故障时间、故障率、失效率或平均寿命等来衡量。
（3）操作和维护要求。
在智能化测量系统的硬件和软件设计时，不仅要考虑满足功能要求，还应考虑产品的应用环境，留有一定的设计余量，以满足可靠性要求。
对软件来说，应尽可能预防可能发生的故障，采用模块化设计方案，以利于程序的编制和调试，减少故障率，提高软件的可靠性。
2.2总体方案的选定
对于本课题所要研制的传感器系统而言，其基本出发点就是利用现有工艺条件，采用微型计算机处理技术，提高传感器精度等级和工作稳定性，拓展其功能，并赋予其智能化特征，使传感器不仅能够实时准确地测量环境温度，同时尽可能减少不必要的人工操作，提高工作效率。
因此，整个传感器系统总体设计方案的确定，要围绕优化系统设计这个原则，尽量减少硬件电路的复杂程度，发挥计算机处理功能强大的优势，提高系统工作的可靠性。
矿用温度传感器系统框图
2.3单片机的选型
随着电子技术、微电子技术的飞速发展，微型计算机发展很快，单片机作为计算机的一个独特的分支，它是在一块芯片上集成了多种功能部件所构成的一台完整的、具有一定功能的单片微型计算机。
它打破了典型微型计算机技逻辑功能划分芯片结构的传统概念，以其体积小、功能强、性能价格比高等优点广泛应用于诸多领域，如工业控制系统、智能化仪表、数据采集系统等，单片机技术的开发和应用水平已逐渐成为一个国家工业发展水平的标志之一。
目前，单片机的生产公司都在努力单片机的性能，如不断地提高时钟频率，可提高CPU执行速度；
精简指令、多级流水线操作方式可提高指令的执行速度、扩大寻址能力；
不断地扩大数据存储器容量，EEPROM和闪存容量可达64Kbytes。
在结构上细致化、智能化、密切化，增加片内功能，尽量减少外部接口芯片，提供与主机的接口，降低单片机的功耗，提高宽电源的适应能力，增加高噪声容限，并具有更好的电磁兼容性。
面向应用对象的多功能多品种的增强型单片机将大大增加。
2.4开发平台的选择
开发一个单片机应用系统，系统程序的编写效率在很大程度上决定了目标系统的研制成效。
早期在研制单片机应用系统时，大多以汇编语言作为软件工具，汇编程序能够直接操作机器硬件，指令的执行速度快。
当然，汇编语言有它的缺点，如不是一种结构化的程序设计语言，可读性和可移植性较差，程序较难编写和调试，程序本身的编写效率较低。
在现代编程中，用汇编语言来实现程序代码的不多，但是在特定的场合，如我们开发的矿用温度传感器，用汇编来写程序有其它高级语言不能替代的优势。
在本论文中，由于DS18B20在操作时对时序要求的严格，要反复的调试延时设置，一方面符合时序的要求，另一方面要找到最优的定时数值，使程序具有最强的容错性，此时，选用汇编语言来编写测温程序，比选用其它高级语言更为方便。
所以，本论文全部采用汇编语言来编写程序代码。
本系统采用德国Keil公司的嵌入式C51编译器作为开发工具。
KeilC51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境，兼容汇编语言，可以实现编写、调试、仿真于一体，是目前最有效、灵活的8051开发平台之一。
2.5传感器输出信号的选择
根据《矿用温度传感器通用技术条件（MT381-1995）》（中华人民共和国煤矿
行业标准）（以下简称《通用技术条件》），关于传感器到数据采集装置之间传输信号的统一规定，传感器输出信号制式必须满足以下要求：
直流模拟量信号：
1～5mA，优选；
4～20mA，只用于地面；
0～5V；
频率模拟量信号：
200～1000Hz，优选。
对于模拟量使用频率信号来传输有许多优势：
（1）提高了模拟量信号的传输精度：
对一般的电压或电流的模拟量来说，在井下用电缆进行远距离传输时（＞1km），都会产生较大的畸变。
频率脉冲信号尽管在长线传输时也会发生较大的畸变，但在一定的长线条件下，每个脉冲的畸变都是一样的，在接受端不管采用哪种方式接收还原时，是不会产生精度损失的。
（2）提高了模拟量信号传输的抗干扰能力：
频率模拟量传输的是脉冲的有无，而电压或电流模拟量传输的是连续变化的电量值，很显然前者的传输抗干扰能力要强得多。
（3）隔离性好：
频率信号传输的是脉冲的有无，那么作为信号接受端的分站就可以采用光耦器件的开关电路进行接收，可方便地实现信号隔离。
对于井下低频电子设备，干扰主要来自地线，这样就可以彻底消除了因地线而引起的干扰。
（4）基于以上考虑，本矿用温度传感器的信号输出选用脉冲频率的形式输出信号，传感器输出频率范围为200～1000Hz。
3系统硬件电路设计
3.1硬件总体结构
硬件和软件设计是单片机系统的两个重要方面。
本章主要论述该系统的硬件电路设计。
本系统在硬件电路设计时，主要从以下原则出发:
1．硬件电路设计与软件设计相结合优化硬件电路。
2．可靠性及抗干扰设计。
根据可靠性设计理论，系统所用芯片数量越少，系统的平均无故障时间越长，而且所用芯片数量越少，地址数据总线在电路板上受干扰的可能性就越少，因此单片机基本系统的设计思想是在满足功能的情况下力争使用较少数量的芯片及线路。
3．灵活的功能升级及系统扩展。
一次设计往往不能完全考虑到系统的各个方面，系统需要不断完善，需要进行功能升级；
并且，在设计时应考虑到系统在以后应用中扩展的方便性。
根据系统要求及上面几个硬件设计原则，确定系统硬件原理图。
系统以单片微机AT89C52为中央处理单元，由感温元件、数字显示、声光报警、信号输出等单元电路组成。
3.2主CPU电路设计
在主CPU电路设计中，我们选用了AT89C52作为主控芯片。
在设计中选择用AT89C52的P1.0口来输出与温度值对应的频率，以供其上位机接收、处理。
主CPU电路由频率输出电路、温度测量电路、看门狗电路、遥控电路、稳压电源、显示电路、报警电路等几部分组成。
主CPU电路结构图
3.3感温元器件的选择与应用设计
感温元件位于传感器系统之首，被测环境温度被转换为电信号才能供主控电路处理，因此感温元件的性能对传感器系统有着很大的影响。
3.3.1感温元器件的选择
在选用传感器感温元件时，单从测量方面考虑，则要求：
一是测量精度要高，
二是工作可靠性、稳定性要好；
但是，考虑到煤矿应用的环境，要求矿用温度传
感器能适应恶劣环境，符合《煤矿安全规程》的要求，具有防爆功能，可以适应
煤矿井下恶劣的环境。
我们通过比较传统的模拟温度传感器与数字化的温度传感器，考虑煤矿井下
的使用环境，综合各种因素，来选择感温元器件。
单线数字化温度传感器DS18B20是一种性价比好，应用前景看好的传感器，它有以下主要优点：
a）线缆少，单个DS18B20可通过一线数据输入输出端DQ连到单片机；
多个传感器可通过一3芯电缆（包括电源线与地线2芯）连到单片机，这样不仅减化电路设计，也在很大程度上也减少了现场线缆，方便现场布线。
b）精度高，DS18B20在-10～+85℃范围内精度为±
0.5℃，分辨率0.0625。
且由于传感器输出的就是数字信号，传输过程中没有精度的损失，系统精度可以保证。
c）抗干扰性强，现场温度直接以"
一线总线"
的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于煤矿井下恶劣环境的现场温度测量。
d）采用先进的芯片科技、独特概念，以及规模化生产，大大降低了系统成本，提高了可靠性。
3.3.2AT89C52单片机接口配置
AT89C52是美国ATMEL公司生产的一个低电压、高性能8位CMOS单片机，片内含8Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes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，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大，AT89C52单片机适合于许多较为复杂的控制应用场合。
C51系列单片机丰富的资料及AT89C52组成的系统又不需要扩展程序内存，给用户带来很大的方便。
AT89C52提供的8K字节FLASHROM,256字节RAM,32线I/O口，3个16位定/计数器，6向量两级中断，一个全双工串行口，片内振荡器和时钟电路等。
3.3.3时钟电路
系统时钟是一切微处理器、微控制器内部电路工作的基础，振荡周期和时钟周期又决定了μP的时序。
单片机内部有一个自激振荡电路，可以通过内部自激振荡或外部提供振荡这两种方式，驱动内部时钟电路产生系统时钟信号。
本系统选用内部自激振荡。
AT89C52的晶振最高可达24MHz。
ALE输出地址锁存允许脉冲，在不访问外存时，能产生l/6振荡器频率的时钟，可作为外部定时或时钟。
3.3.4DS18B20测温电路设计
由于DS18B20为一线总线器件，在电路设计时只通过一条I/O线（即DQ数据线）与主CPU的某一个端口相连接即可，余下的工作就是根据时序和通讯协议来编程。
所以其电路的设计主要选择电源的供电方式，以达到最佳的测量效果。
DS18B20的供电方式有两种：
外部电源供电方式，寄生电源供电方式。
（1）外部电源供电方式及电路连接
在这种供电方式中，DS18B20直接通过VDD端与外部供电电源相连。
这种供电方式优于寄生电源方式之处是，在温度转换期间，不需要MOSFET的上拉作用，一线总线可以自由地传送别的信息。
（2）寄生电源供电方式及电路连接
在这种供电方式中，DS18B20可以在一线总线为高电平时，通过DQ端获得供电，同时为其内部的寄生电容Cpp充电；
当一线总线为低电平时，可以通过其内部的寄生电容Cpp为其提供充足的工作电流。
从原理上分析，在DS18B20内部执行温度转换或从便笺数据缓冲存储器复制数据到EEPROM时，其工作电流可达到1.5mA，此时寄生电容Cpp不能提供足够的电流，要靠MOSFET直接上拉总线来提供充足的电流，并且必须在发出温度转换命令或复制命令之后最大10μS之内完成上拉的切换，这样才能保证温度转换或复制数据的正常进行。
此外，DS18B20在寄生电源供电方式下，VDD端必须与GND端相连。
DS18B20的测温电路结构框图
（3）DS18B20的电路驱动设计根据定义，单线总线只有一根线，这意味着总线上的每个器件只能分时驱动单线总线，并要求每个器件必须具有漏极开路输出或三态输出的特性，DS18B20的单线接口DQ端属于漏极开路输出。
DS18B20的内部结构图
3.3.5复位及看门狗电路
现在几乎所有的单片机都需要复位电路，对复位电路的基本要求是：
1）在单片机上电时，其内部的全部寄存器、I/O接口等都能可靠复位；
2）在单片机工作时能防止程序乱飞导致EEPROM中的数据被修改；
3）在单片机工作时，由于干扰等各种因素的影响，有可能出现死机现象导致单片机系统无法正常工作，为了克服这一现象，需外加看门狗电路；
时钟电路
采用美国MAXIM公司推出的MAX813L来设计看门狗电路。
MAX813L是一体积小、功耗低、性价比高的带看门狗和电源监控功能的复位芯片；
它所提供的复位信号为高电平，是与AT89C52单片机连接构成复位电路的理想芯片。
看门狗复位电路
3.3.6显示电路
显示输出是智能仪器系统必不可少的输出设备，是控制系统与操作人员之间交互的窗口。
智能仪器必须具有方便的人机交互功能，这样操作人员可以通过系统显示的内容，及时掌握系统的状态、获得所需要的信息。
常用的显示器有LED、LCD、CRT等。
本着经济、实用的原则，系统采用LED显示器。
LED显示器，具有价格低、寿命长、对电压电流的要求低及容易实现多路等优点。
显示电路图
4系统软件设计
软件设计是智能化测量控制仪表设计的主要内容和重点。
我们应该根据系统功能要求，以系统硬件电路为基础进行系统的软件设计。
为了使设计出来的软件功能明确、阅读、调试方便、健壮性、可靠性好，我们一般采用结构化的程序设计方法。
结构化的程序设计包括三方面的工作：
自顶向下的设计、模块化编程和结构化编程。
除此之外，有时还需要加强软件抗干扰设计，以提高程序的可靠性。
4.1软件设计方法
系统软件的设计方法：
模块化设计。
模块化设计就是把软件按照规定的原则划分为一个个较小的、相对独立但又相关的模块。
分解、信息隐藏和模块独立性，是实现模块化设计的重要指导思想。
系统的软件主要包括：
主程序、初始化子程序、DS18B20数字测温子程序（包括DS18B20的初始化、获取DS18B20转换化的温度值、对DS18B20的读、写操作子程序）、信号输出子程序、LED显示子程序、数据处理子程序（包括数字滤波、零点漂移修正、DS18B20数据校验与纠错）、红外遥控译码子程序。
主程序流程图
4.2主程序
系统软件主程序是传感器进行测温的主监控程序，按照软件模块化设计的原则，将系统功能划分为多个子任务，每个子任务由对应的子程序来实现；
再将这些子程序有机地整合在一起，从而实现温度采集等各功能。
这样地设计，一方面可以理清设计者的思路；
再者，模块化的设计，可以方便地编写与调试程序。
DS18B29的初始化
4.3初始化子程序
我们设置了对看门狗路MAX813L的初始化及控制操作，也就是说，在程序正常运行时，每隔一定时间程序AT89C52要对MAX813L发出脉冲信号，使其计数器不断清零，从而判断程序是正常执行的。
如果MAX813L在规定时间内没有收到AT89C52的P1.6引脚发出的脉冲信号，则表明程序出现了异常（如程序"
弹飞"
），MAX813L内部的计数器将会溢出，1.6秒之后MAX813L就会控制其RESET引脚向AT89C52的RESET输出一个复位信号，使系统自动回复到正常运行状态，使程序不致出现"
死锁"
现象。
以下是DS18B20的频率输出子程序，以200～1000Hz的频率输出对应的测量温度值FRE_OUT:
MOVFREQ_L,TEMP_L
MOVFREQ_H,TEMP_H
CLRC；
计算频率值，
TEMP_L，TEMP_H中的值已乘过16
MOVA,FREQ_L；
计算200+（TEMP*16）
ADDA,#0C8H；
实现（200+T）
MOVFREQ_L,A
MOVA,FREQ_H
ADDCA,#00H
MOVFREQ_H,A
MOVR2,#00H；
计算12M/（4*（200+TEMP*16））
MOVR3,#2DH
MOVR4,#0C6H
MOVR5,#0C0H
MOVR6,FREQ_H
MOVR7,FREQ_L
LCALLDIVD；
调用双字节除法子程序
5样机试验与性能测试
5.1传感器试验方法的依据
由于条件的限制，传感器没有进入现场，只能在实验室进行模拟试验，即对两个传感器样机进行稳定性与精度试验。
参阅《通用技术条件》第4条对试验方法与条件的要求如下：
（1）试验条件
1）温度：
15～35℃；
2）输出负载电阻：
500Ω；
3）接通电源30min后才能开始试验。
（2）直流稳压电源
1）可调范围应满足传感器供电电压12～24V（d.c.）的要求；
2）输出电流：
应不小于300mA。
（3）在传感器到电源箱和分站之间接分别接入1km仿真电缆和测量仪器。
（4）传感器的防爆性能按GB3836.1和GB3836.4的规定进行试验。
（5）工作稳定性试验
1）传感器通电时间不少于2d，测量4次，其时间间隔不得大于12h；
2）采用温度渐变的试验方法。
传感器精度对比测试误差曲线
5.2传感器脉冲频率输出试验
根据通用技术条件的要求，传感器在与KJ93型矿井安全生产监控系统配套使用时，传感器要输出对应温度的脉冲频率信号，我们对其输出的频率进行检测试验，我们用1#样机进行了测试。
具体过程如下：
直接将样机传感器的频率输出端接入通用频率计，其它测试条件符合通用技术条件的测试要求，从0～50℃为测试范围，按温度渐变的原则，选择温度升序，按正常间隔随机记录测试过程的频率输出值。
我们每20分钟记录一次数据，保证数据的稳定性，并做好试验记录。
KJ101-42型环境温度传感器的主要技术指标为：
1）测量范围：
0-50℃
2）测量误差：
±
1.0℃
3）工作电压：
18V
4）工作电流：
50mA
5）响应时间：
60秒
6）防爆形式：
矿用防爆兼本安型
根据通用技术条件的要求，具体测试条件为：
1）测试环境温度：
约20℃；
2）直流稳压电源：
输出12～24V（d.c.）的可变直流稳压电源，输出电流1A；
3）仿真线：
传感器通过1km仿真电缆和分站相连；
4）输出负载：
≥500Ω（包括负载与电缆电阻之和）
5）试验仪器：
浙江蓝天DC-6恒温槽，温度范围-6～100℃；
温度波动±
0.05℃。
可提供高精度的，温度均匀的恒定场源。
5.3样机技术指标
由以上实验得出结论，系统的设计基本上是成功的，但有些方面还需完善。
系统达到的主要技术指标如下：
0～50℃
2）显示功能：
实时显示温度值（℃）
3）报警值设定：
初始值设为26℃（可根据现场实际需要定）
4）声光报警：
红色LED闪光，蜂鸣
5）工作电压：
9～20V
6）工作电流：
＜200mA
7）响应时间：
＜10秒
8）输出信号：
200Hz～1000Hz
9）红外线遥控：
遥控距离＞6m
6结束语
这次设计对用于矿井领域的智能温度传感器有了全面的了解，其内容主要反映在以下几方面：
（1）整个系统在优化硬件配置的基础上采用小型化、一体化设计，所有电路芯片如温度采集器件、反相器等器件，采用低价格、小体积、高集成度器件，而电路简化、电路板尺寸很小。
矿用温度传感器主要是窄量程范围使用，具有加工工艺简单，灵敏度高等特点，将有广泛的用途。
（2）软件中设计了较完善的智能算法与数据处理，在采用低价格8位微控制器及要求快速数据处理的情况下，通过优化算法和编程，软件编程中采用了数据巧妙处理等多种方法，使传感器具有了
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