矿用便携式巡检仪的设计.docx
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矿用便携式巡检仪的设计
学位论文
矿用便携式巡检仪的设计
作者姓名：
张强
学科专业：
测控技术与仪器
学号：
102028129
指导教师：
吕玉良（讲师）
完成日期：
2014-6-15
太原工业学院
TaiyuanInstituteofTechnology
诚信声明
本人申明：
本人所提交的毕业论文《矿用便携式巡检仪的设计》的所有材料是本人在指导教师指导下独立研究、写作、完成的成果，论文中所引用他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果，均在论文中加以说明；有关教师、同学和其他人员对我的论文的写作、修订提出过并为我在论文中加以采纳的意见、建议，均已在我的致谢辞中加以说明并深致谢意。
本论文和资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。
特此申明。
本人签名：
2014年06月15日
毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目：
矿用便携式巡检仪的设计
系部：
电子工程系专业：
测控技术与仪器学号：
102028129
学生：
张强指导教师（含职称）：
吕玉良（讲师）
1．课题意义及目标
用巡检仪来代替手工报表录入方式，实现对巡检信息的存储、添加、更改和传输等功能。
同时实现人员巡检的电子信息化。
本设计有助于实现信号维护规范化、高效化；可以降低巡检人员的劳动强度；可
以大幅度减少记录信息的保存空间和开支；增强数据的安全性与可利用性。
2．主要任务
（1）对各功能模块数据传输进行分析。
（2）分析便携式巡检仪的主要功能，对便携式电气设备巡检仪进行系统设计。
（3）研制具体的硬件电路，绘制软件功能流程图，设计界面友好、操作方便、简单易行、功能全面的操作系统软件。
（4）对整个系统进行全面测试，按照既定的设计目标检验其是否满足电气设备巡检仪的全部功能要求。
3．主要参考资料
[1]林丽.便携式温度巡检仪及其监测系统的研制与开发[D].东北大学硕士学位论文，2008.6-1
[2]付华.基于ARM11的矿用智能便携式监控系统的研制[D].辽宁工程技术大学，2009.
[3]陈燕.基于ARM的矿用便携式多气体检测仪的研制[D].西安科技大学，2011（03）：
11-13
[4]宋杰.基于DSP的便携式智能巡检仪的研究与开发[D].北京化工大学硕士学位论文,2010.5-27
4．进度安排
设计（论文）各阶段名称
起止日期
1
完成毕业设计开题报告
3月03日~3月13日
2
收集资料
3月14日~3月30日
3
结合所收集的各种资料，设计巡检仪
3月31日~4月30日
4
巡检仪设计好后，进行软件仿真，修改问题
5月01日~5月18日
5
撰写论文，完成毕业设计论文答辩
5月19日~6月22日
矿用便携式巡检仪的设计
摘要
当今社会，我国经济持续快速增长，人们对矿井安全的的各个方面提出了严格要求。
提高信息检测效率、保障矿井下环境安全，使环境检测设备的发展方向定格在实现信息化和信息化管理这一方面。
矿井下环境复杂，对各种环境参数检测要求严格。
目前，依靠管理人员主动监督管理而达到巡检巡更目的是常用的方法，而这会造成对某些地方因为人为因素而缺检的问题。
本文研制了一种基于单片机开发的便携式电气设备数字巡检仪，该巡检仪主要应用于矿井安全巡检，也可应用于饭店、金店等智能建筑的巡检巡更，以及医院的病例记录等等。
不仅能够为巡检人员带来方便，而且还能为相关部门节省资金，有力地提高了矿井检测部门的信息化水平。
本巡检仪的主要功能是通过操作者对检测数据进行记录，同时记录操作者姓名、巡检时间来实现基础数据的收集，然后将相关的信息以数据格式进行存储，省去了人工输入，避免了人为因素而带来的误差，也为巡更的管理带来了方便。
关键词：
信息化，管理，便携式，巡检，巡更
Minedesignportabledataloggingdevices
Abstract
Intoday’ssociety,withthesustainedandrapideconomicgrowthinChina,peopelhaveraisedastrictlyclaimaboutthesafetyofminefromallaspects.Improvingtheeffectoftheinformationdetection,insuringthesaftyinthemine,makingsurethatthedevelopmentoftheenvironmentaltestingequipmentgoalongthederectionofrealizinginformatizationandinfoematizationmanagement.Theenvironmentunderthemineiscomplex,soitisstrictintherequirementoftheenvironmentalparametersdetection,Nowadays,relyingonmanagerstosupeviseactivelyisthecommonmethodtoreachthepurposeofroutinginsprctin.Butthismethodwillmakeaproblemoflakinginspectioninsomeplacebecauseofthehumanfactors.
Thispaperdevelopedaporabledigitalelectricalequipmentinspectiondetectivewhichisdevelopedonthebasisofsinglechip.Thiskindofinspectiondetectiveismainlyusedinroutinginspectioninmine.Italsocanbeusedinrestaurant,hardwarestoreandotherintelligentbuidingforroutinginspectionandcanbeusedinmedicalrecordsinhospital.Itcannotonlybringconvenenceforinspectersbutalsosavemoneyforrelevantdepartmentsandeffectivelyimprovetheinformationallevelofminedetectiondepartment.Themainfunctionofthisinspectiondetectiveistorealizethecollectionofbasicdatabythewayofrecordinginspectivedata,thenameofhandlersandroutinginspectionbyhandlers.Andthen,memoryingtherelevantinformationintheformofdata.Inthisway,itcaninsteadmanualinputandavoidtheerrorfromhumanandbringconenienceforpatrol.
Keywords：
Informationtechnology,management,portable,patrol
1绪论
1.1课题背景及研究的意义和目的
1.1.1背景技术
随着我国经济的持续快速发展，社会对矿井下信息的采集和安全监测越来越重视，提高矿井下信息的传递和安全监测水平，保障矿井下的安全变得尤为重要。
过去矿井下检测多采用的是人工报表的方式，检测人员手工记录，对信息的传递和对矿井下信息的了解受到很大限制。
矿井下各种环境参数要求十分严格，检测人员必须严格地进行实时巡检，不能出现漏检和缺检现象。
1.1.2研究的目的
用巡检仪来代替手工报表录入方式，实现对巡检信息的存储、添加、更改和传输等功能。
同时实现人员巡检的电子信息化。
1.1.3研究的意义
本设计有助于实现信号维护规范化、高效化；可以降低巡检人员的劳动强度；可以大减少记录信息的保存空间和开支；增强数据的安全性与可利用性。
本设计所记录的巡检信息能及时查出不同的安全隐患，从而确保了矿井的安全，大大地提高了生产效率。
该系统还便于对巡检人员的巡检情况进行监督。
巡检人员巡检时，需按指定的路线和时间，依次到达各个巡检点进行巡检，检查完成后就可通过本巡检仪将巡检信息记录在案，同时需要将个人姓名和巡检时间等信息写入到各个巡检点的固定磁卡上，这样下次巡检人员巡检时便可将这些信息一并读出并保存到巡检仪上的外扩存储器内。
当管理人员需要查看巡检人的执勤情况时只要查看外扩存储器内的内容即可，这可以有效地管理和督促巡检人员认真执勤，使责任分析有据可查。
1.2便携式巡检仪的特征及作用
1.2.1巡检仪的优点
1.小型化。
由于本设计仅仅为一个手持编码器，其体积小，便于携带，减轻了巡检人员的劳动强度。
2.简单化。
由于本设计用外扩SD卡作为存储器，与电脑连接只需一个读卡器即可实现，操作简单，减少了二次输入，避免了二次输入出错的可能。
3.环境依赖性低。
由于越来越多掌上操作系统的应用和开发，使得对工作场地的要求变的更低，便携式巡检仪能代替一般的记录方法，足以满足传统记录的环境要求，对矿井电气设备的巡检及巡更智能化有推动作用。
4.信息化水平高。
现在数据的传输和分析已经基本数字化，采集终端利用便携式巡检巡更记录设备采取数据，达到了数据的处理真正的完全数字化能最大程度地满足了信息化的需要，避免了各种误差的影响。
1.2.2便携式巡检仪的应用
1.可应用于设备巡检、5S巡检、质量巡检、安全巡检等制造业车间和巡检管理中。
2.应用于智能建筑管理系统中，当今智能建筑（如智能大厦、智能小区等）已经成为典型的现代建筑。
巡检巡更系统作为智能建筑的一个小系统，不仅可以达到人员防护与技术防护的有力配合，还能增强物业管理能力，对智能建筑周围的安全提供了有力保证。
3.应用于大型饭店的点菜管理系统中。
由于全数字化的记录格式，易于实现数据的远程传输。
便携式电子点菜系统替代了原有的手工方式，采用菜价内置和网络互联的技术，把人为错误能降到最低。
4.应用于医院的病历记录。
使用便携式巡检巡更系统（病历记录设备）可以轻松刷新病人信息，并记录病人情况，提高医疗效率。
1.3本设计的主要研究内容
1.对各功能模块数据传输进行分析。
基于便携式电气设备巡检仪的数据传输方式，剖析数据传输原理，提取适于本设计的原理进行论述并加以应用。
2.分析便携式巡检仪的主要功能，对便携式电气设备巡检仪进行系统设计。
3.研制具体的硬件电路，绘制软件功能流程图，设计界面友好、操作方便、简单易行、功能全面的操作系统软件。
4.对整个系统进行全面测试，按照既定的设计目标检验其是否满足电气设备巡检仪的全部功能要求。
2便携式巡检仪的工作原理和设计方案
目前，国内的矿井信息检测设备特性检测仪器大多比较落后，或者是比较笨重不容易携带，或者是存储容量比较小而不能满足要求，不利于工作人员进行巡检巡更。
因此，本文介绍了一种以C8051F340单片机为主控制器件、用SD卡对巡检巡更信息进行存储的便携式巡检仪。
该巡检仪可以对现场信息进行读取并将其保存在SD卡中，可以通过计算机上的相关软件对收集到的数据信息进行整理、分析，很大程度地方便了工作人员对现场数据进行巡检巡更。
2.1工作原理
本设计所需要巡检的信息内容是通过设备里的非接触式IC卡来采集获取的，非接触式IC卡内部有电感线圈作为它的天线，它可以感应矿井中补偿电容器芯片及其他相关设备中的参数信息，这些信息可以通过便携式电气设备巡检仪来获取。
这种巡检仪的巡检方式是巡检人员手持巡检仪，沿着一定的巡检路线对现场进行巡检，指定的巡检路线上安装有非接触IC卡，工作人员只需要将手持巡检仪靠近非接触IC卡即可，这样就可以读到非接触IC卡的信息，完成了信息采集任务，并且巡检仪将非接触式IC卡的标志码和巡检时间记录下来，这个标志码是唯一的。
巡检仪中采集到的数据还可以通过USB数据通信接口传输到计算机内，管理人员可以方便的查看分析和打印采集数据。
这种巡检仪的主要原理是通过巡检仪内部的M104A独处非接触式IC卡中的内容，然后再由单片机将其显示在液晶屏上，同时将其转存到SD卡内部，即可实现对IC卡内容的读取和存储。
2.2方案设计
便携式巡检仪的硬件设计总体上采用自上而下的模块设计方法。
本设计以单片机C8051F340为控制器，利用了SD卡存储模块、M104A读写模块和FM12232F液晶显示屏等模块。
便携式巡检仪的硬件框图如图2.1所示。
图2.1系统原理图
2.3核心模块C8051F340单片机
单片机，全称单片微型计算机（英语：
Single-ChipMicrocomputer），又称微控制器（Microcontroller）,是把中央处理器、存储器、定时/计数器（Timer/Counter）、各种输入输出接口等都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
与应用在个人电脑中的通用型微处理器相比，它更强调自供应（不用外接硬件）和节约成本。
它的最大优点是体积小，可放在仪表内部，但存储量小，输入输出接口简单，功能较低。
由于其发展非常迅速，旧的单片机的定义已不能满足，所以在很多应用场合被称为范围更广的微控制器；由于单芯片微电脑常用于当控制器故又名singlechipmicrocontroller，但是目前在中国大陆仍多沿用“单片机”的称呼。
2.3.1C8051F340单片机简介
C8051F340单片机是一款高度集成的SOP型控制芯片。
它采用CIP-51内核，具有片内上电重新复位功能、电压监视功能和电压调整功能、片内具有看门狗定时器（Watchdog）和时钟振荡器。
其内部有掉电不丢失的FLASH存储器，有助于当用户需要对某些掉电不丢失的数据需要存储的场合，对使用提供了很多方便。
它可以通过软件设计来实现对外设的控制，如关闭不需要的外设以减小功耗，它的指令系统完全与MCS-51指令兼容。
片内SiliconLabs二线开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在线系统调试。
调制逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。
在使用C2进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。
两个C2接口引脚可以与用户功能共享，使系统调试功能不占用封装引脚。
每种器件都可在工业温度范围（﹣45℃到﹢85℃）内用2.7V﹣5.25V的电压工作。
电源电压大于3.6V时，必须使用内部稳压器。
对于USB通信，电源电压最小值为3.0V，端口I/O和/RST引脚都用徐5V的输入信号电压，C8051F340采用48脚TQFP封装或32脚LQFP封装。
2.3.2C8051F340的原理图及其主要特性
1.C8051F340器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU。
下面列出了一些主要特性。
（1）高速、流水线结构的8051兼容的微控制器内核（可达48MIPS）
（2）全速、非侵入式的在线系统调试接口（片内）
（3）具有通串线（USB:
UniversalSerialBUS）功能控制寄存器，有8个引脚通道，内部集成许多模块
（4）具有电源稳压器
（5）具有10位200ksps的单端/差分模数转换器（ADC）
（6）具有温度传感器
（7）具有片内电压参考标准和和2个片内电压比较器
（8）具有准确的12兆赫兹内部振荡器
（9）多达64KB的片内FLASH存储器
（10）多达4352字节片内RAM（256+4KB）
（11）具有多个定时器（16位）
（12）具有4倍内部时钟乘法器（其它单片机一般只具有加法器）
（13）具有5个捕捉模块和5个比较模块、看门狗定时器功能的可编程计数器
（14）具有片内上电复位功能、VDD电压监视器和时钟丢失检测器
（15）40个端口I/O（容许5V输入）
2.原理图
图2.2C8051F340原理图
2.4SD卡存储模块
根据主功能的划分，考虑到单片机的最大寻址能力为64K，它的的存储量已经能满足本巡检仪的数据存储模块需要存储的信息量较大的需求，所以应该采用外围存储器芯片进行数据存储，进行扩展存储器芯片是最好使用串行方式进行数据传输。
要求存储的信息在掉电以后还能继续保存，因此不能使用单片机本身或者外接的RAM和EPROM，在选择外接的FLASH存储芯片时，考虑到现FLASH存储芯片对信息量的存储单位成本较低，因而可选用容量大一些的存储器，也利于将来的扩展。
2.4.1SD卡简介
SD卡（SecureDigitalMemoryCard）中文翻译为安全数码卡，是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，它被广泛地于便携式装置上使用，例如数码相机、个人数码助理（PDA）和多媒体播放器等。
SD卡由日本松下、东芝及美国SanDisk公司于1999年8月共同开发研制，大小犹如一张邮票的SD记忆卡，重量只有2克，但却拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性。
2.4.2SD卡的通讯模式介绍
SD卡有两个可选的通讯协议：
SD模式和SPI模式（见表2.1）。
SD模式是SD卡标准的读写方式，但是在选用SD模式时，往往需要选择带有SD卡控制器接口的MCU，或者必须加入额外的SD卡控制单元以支持SD卡的读写。
在SD卡数据读写时间要求不是很严格的情况下，选用SPI模式可以说是一种最佳的解决方案。
因为在SPI模式下，通过四条线就可以完成所有的数据交换，并且目前市场上很多MCU都集成有现成的SPI接口电路，采用SPI模式对SD卡进行读写操作可大大简化硬件电路的设计。
C8051F340是采用48脚TQFP封装，完全集成的混合信号SOC型控制器件，本文中，研究了以C8051F340处理器为基础的SPI接口，来实现对SD卡的写入/读取，完成对数据的存储任务。
SD卡的外部形状和引脚布局见图2.3和2.4。
图2.3SD卡的形状与接口图2.4SD卡的内部结构
表2.1两种模式中SD卡的引脚说明
引脚
SD模式
SPI模式
名称
类型
描述
名称
类型
描述
1
CD/DATA3
I/O/PP
卡的检测/数据线位3
CS
I
片选（低电平有效）
2
CMD
P
命令/响应
DI
I
数据输入
3
Vss1
S
电源地
Vss1
S
电源地
4
VDD
S
电源
VDD
S
电源
5
CLK
I
时钟
SCLK
I
时钟
6
Vss2
S
电源地
Vss2
S
电源地
7
DATA0
I/O/PP
数据线位0
DO
O/PP
数据输入
8
DATA1
I/O/PP
数据线位1
RSV
-
-
9
DATA2
I/O/PP
数据线位2
RSV
-
-
在单片机和SD卡的通信中，任何时刻单片机只能使用一种通信模式来通信。
对于主控制器采取何种通信模式不是唯一的，当SD卡与主控制器相连时，SD卡会自动根据通信命令来确定到底采取哪种通信模式，如果通信模式被确定下来，则主控制器与SD卡选择的这种通信模式将不会改变，除非系统断电。
在SD模式情况下，单片机则会主动对SD卡进行读写操作。
但是，通常的大多数单片机具有SPI总线而没有SD总线，针对单片机这一特点，我们研究的便携式电气巡检仪采用SPI总线模式来实现对SD卡操作。
在使用SPI总线模式进行数据通信过程中，CS是单片机向SD卡发送的片S使能信号,可以实现允许/禁止对SD卡的功能，SD卡通过接受单片机发送的SCLK信号作为自己的时钟信号。
单片机通过DI数据线来向SD卡传输数据，而DO为单片机接受SD卡传输数据的数据线。
如图2.3，为SD卡的内部结构框图，它内部由许多模块组成，拥有大量的存储单元（存储内核），卡接口控制器、电源检测模块、寄存器、存储器内核接口及两种模式的对外接口。
单片机通过卡的接口控制器来间接访问SD卡内的内部存储器，以实现数据的存储、读取和擦除工作。
如果主控制器想要对卡内存储器进行各种操作（读取数据、写入数据、擦除数据），则只需向卡接口控制器发送相应的命令，卡接口控制器则会主动完成这些工作，而对于卡内是如何读取数据、写入数据、擦除数据，则单片机根本没有必要了解，这样就减少了单片机对存储器的操作工作量，也为程序人员进行程序设计带来了方便。
SD卡内部有很多寄存器，它们具有很多关键作用，这里不再介绍。
2.5M104A读写模块
2.5.1M104A简介
M104A系列读写模块采用IIC总线接口，采用高度集成的读/写卡芯片，内嵌MFRC522射频基站。
用户不用去了解射频基站是如何进行操作的，而只需了解如何通过IIC接口发送命令即可，这样就可以方便实现对卡片完全的操作。
该系列射频读写模块还支持MifareOneS50，S70及其兼容卡片。
1.产品型号见表2.2
表2.2产品型号
型号
描述
M104A
IIC接口，2.7V～3.6V电源供电
2.功能特点：
（1）支持MifareoneS50，S70及其兼容卡片
（2）天线一体，也可天线分体
（3）超小体积,不含天线：
25mm×15.6mm，含天线尺寸：
43.5mm×35.5mm
（4）具有超低功耗，待机情况下电流只有10uA，对卡进行操作情况下电流只有36mA
（5）操作简单，控制器只需要对其发送相应的指令集便可以实现对射频卡的各种操作
（6）可使用C51函数库（例程）来进行第二次开发
（7）基于很强的模块扩展功能，可以根据用户的要求来修改软件，定制比较个性化的模块，而不需要改变电路板
（8）默认为自动寻卡方式，当射频卡和读写模块距离小到一定程度后，卡便会自动被唤醒，进行通信
（9）可以寻卡指令来读取卡片的序列号
（10）自带看门狗
2.5.2M104A主要特性及其硬件结构
1.电气特性:
典型工作电源：
2.7V～3.6V
待机电流：
10uA
反应快：
从低功耗进入到正常工作状态只需要23ms
读卡电流：
3.3V/36mA
工作温度：
-25℃～+85℃
2.M104A内部结构:
如图2.5所示。
图2.5M104A的硬件图
3.管脚功能说明，如表2.3。
表2.3M104A管脚功能说明
管脚名称功能
1.5Tx2天线2，在分体使用
升级会员 