毕业设计论文关于矿井下环境监测的论文.docx

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毕业设计论文关于矿井下环境监测的论文

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摘要

随着煤炭技术的发展，煤炭开采量的不断增加，保证矿井下工作人员的安全是不可忽视的。

那么，对矿井下各种环境条件进行监测，就能有效预防矿井事故的发生。

在信息时代，人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理，而传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段。

矿井环境的监测主要包括气体浓度（O2、CO等）、温度等，可以使用气体浓度传感器和温度传感器采集相关信息。

论文首先介绍了选题的目的与意义、国内外的发展现状、课题的内容；之后完成系统模块各器件的选型，包括核心芯片的介绍、电源核心芯片TPS63031的介绍、KE-25氧气传感器的介绍；然后说明了系统的硬件构成和软件设计，包括CC2430单片机外围电路设计、时钟部分设计、系统电源设计、氧气浓度监测；最后对系统的软件部分进行了设计，包括氧气浓度监测模块的实现、温度监测模块的实现、模数转换的过程和无线数据传输模块的实现。

论文同时还对设计的整个过程进行了总结。

关键词：

CC2430；氧气传感器；温度传感器；无线数据传输

ABSTRACT

Withthedevelopmentofcoaltechnologies,increasingtheamountofcoalmining,toensurethesafetyofstaffoftheminecannotbeignored.So,fortheminetomonitorvariousenvironmentalconditionscaneffectivelypreventtheoccurrenceofmineaccidents.Intheinformationage,people'ssocialactivitieswillmainlyrelyontheinformationresourcesdevelopmentandacquisition,transmissionandprocessing,andthesensoristoobtaininformationinthefieldofmajornaturalwaysandmeans.Theprincipalenvironmentalmonitoringminegasconcentration（O2,CO,etc.）,temperature,etc.,maybeusedgasconcentrationsensorandatemperaturesensortocollectinformation.

Firstly,introducesthepurposeandsignificanceofthetopic,developmentstatusathomeandabroad,thesubjectofthecontent;afterthecompletionoftheselectionsystemmoduleseachdevice,includingwhointroducedcorechip,chipTPS63031'spowercore,KE-25oxygensensorintroduction,PT100temperaturesensorintroduced;thenexplainshardwareconfigurationandsoftwaredesignofthesystem,includingCC2430single-chipperipheralcircuitdesign,theclockpartofthedesign,thesystempowersupplydesign,oxygenconcentrationmonitoring;andfinallythesoftwarepartofthesystemhasbeendesigned,includingoxygenachieveconcentrationmonitoringmodulefortemperaturemonitoringmodule,toachieveanalogtodigitalconversionprocess,andwirelessdatatransmissionmodule.

Paperbutalsoontheentiredesignprocessaresummarized.

Keywords:

CC2430;oxygensensor;temperaturesensor;wirelessdatatransmission

1绪论

1.1选题的目的与意义

煤炭是我国的主要能源，在一次性能源中，所占比例在70%以上。

我国煤田遍布全国，但煤层的赋存条件和地质情况差异很大，很多矿井自然环境恶劣，受到水、火、瓦斯、粉尘、顶板事故等自然灾害的威胁。

在这些自然灾害所造成的事故中，瓦斯事故死亡人数占总死亡人数的30%～40%。

特别是瓦斯煤尘爆炸事故，危害更为严重。

因此，预防事故是煤矿安全工作的重点。

要保证井下工作的安全，井下温度、氧气浓度、二氧化碳浓度的检测也是非常重要的。

因为井工开采是地下作业，井下作业场所的新鲜空气是依靠通风不断地供给的，并不断地把污浊空气排出至地面，以保持作业场所有良好的作业环境。

《煤矿安全规程》第一百条规定的氧气最低浓度、二氧化碳和其他有害气体的最高允许浓度主要是针对井下工作地点空气的质量提出的环保要求[]。

人呼吸所需要的氧气取决于人的体质、劳动强度和精神紧张程度，当静止状态时约需0.25L／min，工作时为1～3L／min，劳动强度大则需3L／min以上，呼吸所能吸人的氧量取决于空气中氧气的浓度（或氧气的分压力）。

当氧气浓度下降至17％时，工作时会出现喘息和呼吸困难，下降到15％时，就会失去劳动能力；10％～12％时会丧失理智，时间稍长就有死亡危险。

因此世界主要采矿国家对井下空气中的氧气浓度均作了规定。

国际劳工局（InternationalLabourOrganization）制定的《煤矿安全与健康实用规程》（1985年5月，日内瓦）规定了“任何地点空气中的氧气成分低于19％，二氧化碳和瓦斯浓度超过国家法规的规定，都不适于人员作业和通过。

”（9.1.2条）；俄罗斯、德国等国家规定了进风流的氧气浓度不得低于20％；美国、日本等国规定了人员通过的巷道中氧气浓度不得低于19％。

井下二氧化碳的来源主要是煤和有机物的氧化、人员呼吸以及爆破等。

二氧化碳对人体的呼吸有刺激作用，刺激人体的中枢神经，使呼吸加速，加剧身体疲劳。

当浓度达到1％～2％并持续作用，会破坏人体电解质的平衡，影响身体健康；当浓度达到5％时，就会出现耳鸣呼吸困难等症状。

为此我国根据保障矿工的身体健康和劳动安全，规定了“采掘工作面的进风流中，氧气浓度不得低于20％，二氧化碳的浓度不得超过0.5％”[]。

位于进风井口之下的空气温度（干球温度，下同）必须在2℃以上。

生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26℃；当空气温度超过时，必须缩短超温地点工作人员的工作时间，并给予高温保健待遇。

采掘工作面的空气温度超过30℃、机电设备硐室的空气温度超过34℃时，必须停止作业。

井下温度、二氧化碳浓度、氧气浓度监测对于现代煤矿生产是非常重要有意义的工作。

之前煤矿采用的很多氧气浓度传感器是模拟式的，技术和设备等因素的限制，造成仪器精度不高，且没有数字显示,所以本课题研究的是由CC2430为核心芯片的氧气传感器系统，目标是实现氧气浓度数据的及时采集，准确可靠的无线传输，可以集中或分散显示控制。

传统的有线传输方式在煤矿井下这种特殊环境中，实现起来困难非常大，不便于布线。

无线传输方式给我们煤矿井下的远距离数据传输带来了很多便利。

在这种特殊的环境中，无线传输方式比传统的有线传输方式更加适用，更加灵活。

1.2国内外现状与发展

21世纪社会发展的三大支柱之首的是信息技术。

信息技术的基础包括传感器、通信、计算机等技术。

传感器是信息采集尤为必不可少的重要工具。

国外传感器市场规模，全世界现在有很多国家将近5000余家企业单位从事传感器的研制、生产工作，研发、生产。

其中美国、欧洲、俄罗斯和日本占居大部分市场。

日本传感器产品达20000多种。

美国约有17000种传感器产品。

传感器是一个非常有潜力和未来的行业，由于很多因素，往往最新的传感器的生产和研发都是在国外进行的。

最新传感器技术大多首先在国外发展起来，但是我国国内有很多需要应用的地方，所以，中国是各种传感器应用的集散地，也正是这样的现状，在国内传感器的研究和发展迫切需要技术和人员的支持和跟进。

在我们生活中中，每年几乎都会发生很多起触目惊心的矿井安全事故，事故往往会造成很多人员伤亡以及重大财产的损失，因此通过现代的科学技术，实现井下气体浓度检测监控，做好安全工作，已成为中小型煤矿检测监控的最迫切的任务之一。

为了保障矿工生命健康和安全，设计研发出一套可靠的煤矿生产安全监控系统是非常必要的，煤矿生产安全监控系统不仅可以提高煤矿的生产率，而且还可以促进企业生产自动化程度，这些都是现代化水平管理的体现。

国内很多煤矿企业对于煤矿生产安全监控系统的应用并不是十分重视，这就造成了安全监控系统的效果并不好，不能有效提早及时的保证矿工的生命安全和企业的财产安全。

中小型煤矿在资金和技术方面都会相对处于弱势地位，现在市面上的生产安全监控系统真正完全适用于中小型煤矿使用的并不多，现在摆在我们面前的有很多问题有待解决和完善。

比如：

1.造价昂贵，系统基本配置庞大，巨额的运行费用。

2.复杂的系统安装和维护，操作不便，不友好的人机界面。

3.传感器测量稳定性较差，调校过于频繁，寿命相对短。

4.较差的系统设备可靠性。

5.需要专业的维护人员，对技术水平要求较高。

目前，国际上新型温度传感器正从模拟式想数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展。

氧气传感器的现状：

1、氧气传感器新特性：

检测范围宽，灵敏度高，数据可靠性准确性高，以及响应速度快互换性能好的器件。

2、较长的使用寿命：

抗干扰能力强，在比较特殊的恶劣的环境中依然可以准确有效的采集数据，并且使用年限较长。

3、氧气传感器微型化：

无论是氧气传感器还是温度传感器还是二氧化硫传感器，随着时代的不断进步发展，大规模集成，微小化是时代的必然[]。

国内生产和使用的传感器主要是固体电解质式、钛酸钡复合氧化物电容式、电导变化型厚膜式等，这些传感器存在很多不足之处：

对气体选择性差、容易出现误报，并且系统需要频繁校准，使用寿命短等缺点。

红外气体测量技术在我国无论是在用新技术改造传统产业，还是在替代进口各方面都有明显的优势，应用范围广泛，具有明显的经济和社会效益[][][]。

温度测量领域十分广泛，在工业领域、民用领域和军用领域，温度的测量与控制随处可见。

本设计主要针对温度检测在工业自动化领域及民用领域的应用，在工业领域中，如电机轴温，胶带滚筒的表面温度，工业冷却的循环水温，加热设备炉温各种化工原料在化学反应时的控制温度等等；在民用领域，如超市食品架内的温度，人们生活环境的温度，空调控制温度，人体体温检测，粮食部门的粮仓温度测量等均属于温度的测控范围。

当然，不同的场合，对测温范围的要求是不一样的，即使是相同的测温范围，测量的对象不同，其测量的精度要求也不尽相同。

譬如，人体的体温测量，测量的精度应该要求比较高，达0.1℃左右，但在测量电机的轴温时，测量的允差可能达1℃以上。

我们做任何一件物品，都是在满足要求的前提下，越简单越好，成本越低越好，对于工业、民用等领域的测量，这个原则也不例外，但对于人类对客观事物的认识，从测量角度、误差概念、真值理解来看，我们应该在一定条件下尽量将测量的精度提高[]。

温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类：

一类是接触式温度传感器，一类是非接触式温度传感器。

接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡。

这种测温方法精度比较高，并可测量物体内部的温度分布。

但对于运动的、热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差。

非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。

常用的是辐射热交换原理。

此种测稳方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测量温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。

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、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。

1.3课题主要研究内容

本课题通过对超低功耗CC2430，KE-25氧气浓度传感器、PT100温度传感器等的介绍，达到熟练掌握了解器件的性能、功能及使用方法，使用C语言编程，实现氧气浓度、温度采集模块，并通过无线传输的方式把所测得的数据输出。

课题中注意的方面：

（1）对于芯片的选用，应考虑功耗，稳定性好和外接电路少等问题；

（2）对于氧气传感器、温度传感器的选用，应考虑数据的采集精准度，真确性，抗干扰能力，信号易于处理、传送，便于多路测量，安装方便，维护简单等方面；

（3）对于硬件电路和软件的设计，一定要增加抗干扰措施，提高系统的抗干扰能力，保证系统的稳定性。

（4）软件设计要有完善的思路，考虑时序问题，争取做到较为简单软件编写，方便的调试与维护。

2系统模块各器件选型

根据本次课题设计的目的，通过学习，对核心芯片，氧气传感器、温度传感器及传输系统所需的元器件进行比较和选型。

2.1核心芯片的介绍

2.1.1CC2430简介

CC2430是一款挪威Chipcon公司生产的系统单芯片，与其他芯片不同的是CC2430是该公司设计的首款符合ZigBee技术的2.4GHz射频系统单芯片。

CC2430包含了一个8051控制器和一个高性能2.4GHzDSSS（直接序列扩频）射频收发器核心。

CC2430是一个符合ZigBee技术的2.4GHz射频系统单芯片。

CC2430在提高了性能的同时，还满足了以ZigBee为基础的2.4GHzISM波段应用，低成本，低功耗的优点使其更加受到大众的欢迎[]。

CC2430拥有8Kbyte的RAM和强大的外围模块，三个版本的CC2430，C2430-F32/64/128分别对应32/64/128KB的不同的闪存。

CC2430是一个真正的片上系统（SoC）解决方案，是针对IEEE802.15.4和ZigBee的应用。

CC2430在CC2420架构的基础上，结合了业界标准的增强8051MCU，8KB的RAM等其他强大的功能。

ZigBee采用IEEE802.15.4标准，在全球共用的公共频率2.4GHz（在我国国内采用2．4G频段是免申请和免使用费的频率）下，监视、控制网络，因为是借用全球公共频率，所以使其具有低成本、低耗电、网络节点多、传输距离远诸多优势，现在正一步步成为替代有线监视和控制网络领域最有前景的技术之一。

CC2430的低耗能特点，非常适合对电池使用寿命要求很长的应用，因为CC2430只需要很短的时间从休眠模式就可以转换到主动模式。

CC2430包含了一个8051控制器和一个高性能2.4GHzDSSS（直接序列扩频）射频收发器核心。

CC2430在提高了性能的同时，也满足以ZigBee为基础的2.4GHzISM波段应用，适用对象为各种ZigBee或类似ZigBee的无线网络节点。

适用于各种ZigBee或类似ZigBee的无线网络节点，包括调谐器、路由器和终端设备。

三个版本的CC2430，CC2430-F32/64/128分别对应32/64/128KB的不同的闪存。

CC2430是一个真正的片上系统（SoC）解决方案，是针对IEEE802.15.4和ZigBee的应用。

CC2430在CC2420架构的基础上，结合了业界标准的增强8051MCU，8KB的RAM等其他强大的功能。

拥有的这些强大功能让CC2430在ZigBee解决方案中占有举足轻重的地位。

在实现数字基带处理器，RF、模拟电路和系统存储器与一身的同时，还具有很多优点，低成本，低耗能，网络节点多、传输距离远等优势使其更多的应用于监视、控制网络。

CC2430芯片还有一大优点就是在少量外围部件情况下，就能实现信号的无线传输功能。

CC2430工作时的功耗高低，是根据不同的功率要求来切换不同的模式，由于几种模式的切换时间很短，成就了CC2430低耗的优良特点。

CC2430芯片的主要功能：

图2.1引脚分配顶视图

注意：

外露的芯片安装衬垫必须连接到一个固定的接地层，芯片通过该处接地。

内嵌8051微控制器内核，具有高性能、低功耗的特点；适应2.4GHzIEEE802.15.4的RF收发器；34、64或128KB的系统闪存；8KBSRAM,具备在各种供电方式下的数据保持力；

数字化的RSSI/LQI支持和强大的DAM功能；外接元器件极少；组网简单；低耗，电流消耗小；掉电方式下，电流消耗只有0.9uA,外部中断或者RTC能唤醒系统；挂起方式下，电流消耗＜0.6uA，外部中断可以唤醒系统；平均功耗小，模式（低功耗模式到活动模式）转换时间很少；硬件支持CSMA/CA功能；较宽范围的电源电压（2.0V～3.6V）；抗干扰力强，无线接收灵敏度高；14位模数转换的ADC;具有电池和温度的传感器；AES安全协处理器；可编程的看门狗；1个IEEE802.5.4媒体存取控制器（MAC）定时器；支持硬件调试；21个通用I/O引脚，其中2个具有20mA的电流吸收或电压供给能力；强大灵活的开发工具；小尺寸QLP48封装，7mm×7mm;　

CC2430芯片采用7mm×7mmQLP封装,共有48个引脚。

48个引脚可分为三类,分别是I/O端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚。

I/O引脚功能

　　21个可编程的I/O口引脚中P0、P1口是完全的8位口，P2口只有5个可使用的位。

当我们需要引脚作为通常的I/O口或作为连接ADC、计时器或USART部件的外围设备I/O口使用时，可以通过软件编程设定（SFR寄存器的位和字节）。

　　I/O口特性：

　　可设置为通常的或者外围I/O口均可。

　　有上拉和下拉能力（在输入时）。

　　可以响应外部的中断。

当需要外部设备时，可通过软件编程的方法对I/O口引脚产生中断，同时外部的中断事件也可以来唤醒休眠模式。

　　1～6脚（P1_2～P1_7）：

具有4mA输出驱动能力。

8，9脚（P1_0，P1_1）：

具有20mA的驱动能力。

11～18脚（P0_0～P0_7）：

具有4mA输出驱动能力。

43，44，45，46，48脚（P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，P2_0）：

具有4mA输出驱动能力。

电源线引脚功能

　　7脚（DVDD）：

为I/O提供工作电压（2.0～3.6V）。

20脚（AVDD_SOC）：

为模拟电路连接2.0～3.6V的电压。

23脚（AVDD_RREG）：

为模拟电路连接2.0～3.6V的电压。

24脚（RREG_OUT）：

为引脚端口提供1.8V的稳定电压（25，27～31，35～40脚）。

25脚（AVDD_IF1）：

为接收器波段滤波器、模拟测试模块和VGA的第一部分电路提供1.8V电压。

27脚（AVDD_CHP）：

为环状滤波器的第一部分电路和充电泵提供1.8V电压。

28脚（VCO_GUARD）：

VCO屏蔽电路的报警连接端口。

29脚（AVDD_VCO）:

为VCO和PLL环滤波器最后部分电路提供1.8V电压。

30脚（AVDD_PRE）:

为预定标器、Div2和LO缓冲器提供1.8V的电压。

31脚（AVDD_RF1）:

为LNA、前置偏置电路和PA提供1.8V的电压。

33脚（TXRX_SWITCH）:

为PA提供调整电压。

35脚（AVDD_SW）:

为LNA/PA交换电路提供1.8V电压。

36脚（AVDD_RF2）:

为接收和发射混频器提供1.8V电压。

37脚（AVDD_IF2）:

为低通滤波器和VGA的最后部分电路提供1.8V电压。

38脚（AVDD_ADC）:

为ADC和DAC的模拟电路部分提供1.8V电压。

39脚（DVDD_ADC）:

为ADC的数字电路部分提供1.8V电压。

40脚（AVDD_DGUARD）:

为隔离数字噪声电路连接电压。

41脚（AVDD_DREG）:

向电压调节器核心提供2.0～3.6V电压。

42脚（DCOUPL）:

提供1.8V的去耦电压，外电路不使用此端口提供的电压。

47脚（DVDD）:

为I/O端口提供电压（2.0～3.6V）。

控制线引脚功能

　　10脚（RESET_N）:

复位引脚，低电平有效。

19脚（XOSC_Q2）:

32MHz的晶振引脚2。

21脚（XOSC_Q1）:

32MHz的晶振引脚1，或外部时钟输入引脚。

22脚（RBIAS1）:

为参考电流提供精确的偏置电阻。

26脚（RBIAS2）:

提供精确电阻，43kΩ，±1%。

32脚（RF_P）:

在RX期间向LNA输入正向射频信号；在TX期间接收来自PA的输入正向射频信号。

34脚（RF_N）:

在RX期间向LNA输入负向射频信号；在TX期间接收来自PA的输入负向射频信号。

43脚（P2_4/XOSC_Q2）:

32.768kHzXOSC的2.3端口。

44脚（P2_3/XOSC_Q1）:

32.768kHzXOSC的2.4端口。

2.1.2ZigBee技术简介

.Zigbee网络技术，通过网络节点之间信息的相互互传，来将一个信息从一个节点传输到远处的另外一个节点。

大量的节点组成无线传感器网络，这些节点具有路由和感知的功能，大量传感器节点组成无线传感网络，正常工作的节点是需要供电的，电池就是这些大量节点的供电源，电池的储电量是一定的，因此低功耗是设计时迫切需要解决的问题之一。

由于无线传感器网络需要大量的节点，而这些节点分布广泛，一点点的采集需要大量的工作，这就需要节点具有通过无线网络更新的能力。

UWB（无载波通信技术）可以利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输大量数据，数据传输速度快，消耗电能小，保密性好，带宽极宽，抗干扰性能强等优点，但是传输数据的范围小，网络容量小，成本高，只适用于短距离无线通信，用于煤矿井下安全监测系统不能充分发挥其优势。

针对这些特点和要求，ZigBee技术就可以满足此类情况。

ZigBee技术是一种双向无线通信技术，具有近距离、低成本、低功耗、低速率，网络容量大的特点。

可以在传感器之间相互协调实现高效无线通信[]。

Zigbee协议框架（物理层、媒体接入层、网络层和应用层）以下是Zigbee协议框架图。

图2.2Zigbee协议框架

Zigbee使用了3个频段（868MHz，915MHz，2.4GHz），定义了27个物理信道，其中868MHz频段定义了1个信道；915MHz频段附近定义了10个信道，信道间隔为2MHz；2.4GHz频段定义了16个信道，信道间隔为5MHz。

表2.1信道分配

信道编号

中心频率/MHz

信道间/MHz

频率上/MHz

频率下/MHz

k=0

868.3

868.6

868.0

k=1,2,3…10

906+2（k-1）

2

928.0

902.0

k=11