0Hyrmm煤矿监控分站毕业设计论文.docx
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毕业设计（论文）
摘要
在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。
在工业生产的很多领域中，都需要对压力进行检测。
而井下压力的检测对矿井安全更是尤其重要。
为了获取井下待测地层的压力，提出了一种利用传感器将压力转化为电信号，把脉冲数据信号与直流能量叠加，以电流形式馈入电缆，实现能量/数据的耦合传输。
该测量方法能够满足井下远距离传输的要求，可与电子压力计配合实现地面直读测量，精确度较高。
采用单片机对压力进行检测不仅具有检测方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被测压力的精确度。
因此，单片机对压力的检测问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。
单片机是一种集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统等部分于一体的器件，只需要外加电源和晶振就可实现对数字信息的处理和控制。
因此，单片机广泛用于现代工业控制中。
本论文侧重介绍“单片机压力检测系统”的软件设计及相关内容。
论文的主要内容包括：
采样、滤波、键盘、LED显示和报警系统，单片机AT89S52的开发以及系统应用软件开发等。
作为控制系统中的一个典型实验设计，单片机压力检测系统综合运用了微机原理、自动控制原理、模拟电子技术、数字控制技术、键盘显示技术等诸多方面的知识，是对所学知识的一次综合测试关键词：
压力测量；AT89S52；CAN总线；安全检测系统
I
毕业设计（论文）
ABSTRACT
Withscientificconstantprogress,inindustrialproduction,electriccurrent,voltage,temperature,pressurearemainlycommonlyused.especiallyintheundergroundmineindustry,theaccuratetestofpressureisveryimportant.Toobtainpressuresoftheformationsinwelltelltesting,adownholewirelineremotetelemetrymethodisdevelopedbyusingtimedivisionfrequencytransmissiontechnologyinthemode.Italsoenablestosupplypowertothedownholetoolonasingle-corewered-armoredcamoredcable.Thecodedpulsedataaremodulatedonpowersignals.Thenthesurfaceprocessorusesdoublecounteredsynchronismmethodtomeasurethepressurefrequencies.AdoptSingle-ChipMicrocomputerisitcontrolconvenient,simple,flexibilityadvantagesuchasbeingheavytohavenotmerelytocontroltogoontopressuretocome,andcanraisebytechnicalindicatornottoaccuseofpressurebyalargemargin,thuscanbigimprovementqualityandthequantityofproducts.SothecontrolproblemtothepressureofSingle-ChipMicrocomputeristhecontrolproblemconstantlybeabletoencounterintheindustrymanufacture.Thisthesisintroducesthedesignanddebuggingof“thepressurecontrolsystembymicrocomputer”.Asatypicalexperimentaldesignincontrolsystem,itusesmuchcontrolknowledgeandcomprehensivelytestsstudent’sabilityincontrolsystem.Thecontentofthisthesismainlyincludes:
introduces,filteringware,keyboard,man-computerdialoguesupportedbyLEDindication,heatcontrolmethod,thedevelopmentofmicro-computerMCS-51andsystemicappliedsoftware.Keywords：
pressurecontrol；AT89S52；CANbus;Safetymonitoringsystem.
II
毕业设计（论文）
目录
摘要……IABSTRACT……错误！
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1绪论……11.1课题分析……1问题的提出……11.1.11.21.31.4
1.1.2问题研究的意义……1国内外发展状况……1问题及发展趋势……2本文研究的内容及实现的功能……3研究内容……3功能……3
1.4.11.4.22
检测系统设计及单片机介绍……42.1检测系统设计……42.1.12.1.22.1.32.2整个煤矿安全检测系统简介……4检测系统硬件设计……4检测系统软件流程图……5
AT89C52单片机基本知识……6看门狗电路……10A/D转换电路……11开关量输入……15开关量输出……16稳压电源电路……18LED显示电路……18地址开关电路……20声光报警电路……20主程序流程图……23中断子程序流程图……24数据采集子程序流程图……25数字滤波子程序流程图……25
3
硬件电路设计……103.13.23.33.43.53.63.73.8
4
系统的软件设计……234.14.24.34.4
4.5压力标度变换流程图……26
III
毕业设计（论文）5总结……28
参考文献……29致谢……错误！
未定义书签。
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未定义书签。
IV
毕业设计（论文）
1
1.11.1.1课题分析问题的提出
绪论
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。
在煤矿中，装备矿井安全监控装置是防止煤矿事故的重要手段，这就要求有更多的煤矿监控系统的研究。
在煤矿监控系统中，井下监控分站担负着非常重要的作用，主要包括对井下甲烷、一氧化碳、氧气、二氧化碳等气体浓度的检测；对风速、风量、气压、温度、粉尘浓度等环境参数的检测；对生产设备运行状态的监测、监控等。
1.1.2问题研究的意义近几年来，信息技术被迅速地应用到了煤矿安全生产领域，并取得了明显的经济和社会效益。
国家对煤矿安全生产的管理力度在不断加强，同业各单位都在进行数字化矿井的建设和改造。
尽管煤矿安全监控技术已得到发展和应用，但由于多数矿井技术基础薄弱，监控装置的装备情况与有关规定相距甚远。
国有重点煤矿中，尚有布部分瓦斯灾害严重的矿井没有装备监控系统，瓦斯断电装置、便携式瓦斯检测仪器的装备数量也不足，国有地方煤矿和乡镇集体煤矿的差距很大。
在已经装备了监控装置的矿井中，设备的使用、维护和进一步更新改造方面尚存在不少问题。
煤矿安全监控是综合性技术，涉及到计算机、电子技术、通讯、物理、化学、电工等多种学科，与矿山采、掘、机、运、通等生产环节密切相关，功能复杂，技术难度高。
因此，在相当长的时期内，对于监控装置的装备、管理和培训任务十分艰巨。
为了从根本上解决煤矿安全问题，需要依靠科技进步手段提高煤矿整体安全技术装备与管理水平。
其中在高瓦斯矿井建立煤矿安全监测监控系统，从而改善煤矿安全环境和建立包括煤矿安全隐患全面查排、实时监督管理、安全保障等内容的安全管理体系是长治久安防止煤矿安全事故的最重要的两个方面。
1.2国内外发展状况井下安全检测系统是矿井安全监控技术的一部分，是随着煤炭工业发展而逐步发展起来的。
1815年，英国发明了世界上第一种瓦斯监测仪器——瓦斯检定灯，利用火焰的高度来测量瓦斯浓度。
20世纪30年代，日本发明了光干涉瓦斯检定器，一直沿用至今。
40年代，美国研制了检测瓦斯气体的敏感元件——铂丝催化元件。
1954年，英国采矿
1
毕业设计（论文）安全研究所（SMRE）制成了最早的载体催化元件。
60年代以后，主要产煤国家都把发展载体催化元件作为瓦斯检测仪器的主攻方向。
电子技术的进步推动了瓦斯监测装置的进一步发展，首先是研制小型化个人携带式仪器，以后是矿井监控系统，如70年代后期法国研制的CTT63/40矿井监控系统、英国的MINOS系统、美国的SCADA系统等。
我国监控分站技术经历了从简单到复杂、从低水平到高技术的发展过程。
从建国初期到70年代，煤矿下井人员主要使用光学瓦斯检定器、瓦斯检定灯、检知管、风表等携带式仪器检测井下环境参数。
60年代初期，我国开始研制载体催化元件，1964年煤炭部组织有关研究所、制造厂攻关，研制了第一种达到使用水平的载体催化元件；接着，抚顺煤矿安全仪器厂研制出以该元件为传感器的AQR-1型瓦斯测量仪。
随着敏感元件制造水平的提高和电子技术的发展，特别是大规模集成电路的、微型计算机的广泛应用，使监控分站技术进入了新的发展阶段。
70年代瓦斯断电仪问世，80年代以后，国内有多种型号的监控分站通过了技术鉴定。
目前，我国已有数十家科研、制造单位生产矿井监控系统、各种传感器、瓦斯报警断电仪、瓦斯遥测报警断电仪、风电瓦斯闭锁装置等，这些装置的推广与应用，改善了煤矿安全技术装备的面貌。
缩小了与国外先进技术水平的差距。
1.3问题及发展趋势如前所述，测量瓦斯主要采用载体催化元件，它具有宜于将非电量转化为电量、便于采用电子技术、灵敏度高、响应时间快、测量精度高、不受温度和湿度影响等优点。
其主要缺点是：
工作温度高（500℃以上），只能做成隔爆型；遇H2S气体有“中毒”问题，在有H2S气体的矿井中不能使用；元件稳定性较差，有零点漂移和灵敏度漂移问题。
因此，必须继续开发研制稳定性好、寿命长的新型本质安全型敏感元件。
监控装置的电路设计要向数字化、集成化、智能化的方向发展。
携带式仪器应提高集成度，采用表面安装技术，实现开机自检和运行中自检功能。
程序设计各种参量、报警点，自动校正零点及误差，监视电池状况。
扩大数据存储容量，设置外接计算机接口，开发相应的数据处理软件。
推广自动充电和防过充、过放的电池充电器，开发瓦斯、氧气、一氧化碳三参数及多参数检测仪。
向小型化、多参数、多功能、智能化的方向发展。
为适应不同类型矿井的需要，监控系统应具有灵活的配置方式。
大型矿井可以配置主扇监测、皮带运输、瓦斯抽放等子系统，并实现分站智能化、系统化。
掘进工作面的分站应具有风电瓦斯闭锁功能。
小型矿井因测点较少，只布置分站和智能化传感器就可以满足需要。
要进一步开发传感功能和信息处理功能一体化的智能化传感器，传感器之间的联锁功能由计算机软件判别实现。
丰富传感器的种类，开发氧气传感器及生产监控方面的各类保护性传感器。
2
毕业设计（论文）本文研究的内容及实现的功能研究内容井下安全监控分站是安全监控监测系统的核心，负责采集和处理现场生产环境和设备状态等方面的安全监控数据，并能实时地控制设备。
同时它也是传输系统的关键设施，各种数据都要通过它与地面中心站进行通讯。
图1-1是监控系统的总体框图。
中心站
1.41.4.1
单片机1
单片机2
单片机x
传感器、变频器、电源开关等现场设备图1-1监控系统的总体框图
本文主要介绍煤矿安全监控监测系统的设计思路，研究安全监控分站的硬件和软件结构，并简单介绍频率测量技术以及CAN总线通讯技术。
以微控制器AT89C52为核心,在现有煤矿安全监控分站的基础上设计了新型煤矿安全监控分站。
1.4.2功能
1）可以检测低浓瓦斯、高浓瓦斯、一氧化碳、风速、温度、压力等环境参数，以及风门、风筒等开关参数，并能监测煤仓煤位、水位、电压、电流以及机电设备开/停等生产参数；2）每台分站收中心站控制，执行中心站的各种命令，并将分站的各种监控参数和工作状态传送给中心站；3）适合矿井及地面工厂环境需要。
耐压、耐腐蚀、防潮、密封；4）具有掉电初始化信息不丢失的保护功能；5）分站本身具有死机自动复位功能；6）电源箱提供分站部分及外接传感器的工作电源；7）当交流电源停电时，备用蓄电池自动投入工作；8）通过液晶显示块直接显示传感器实时值、通讯及供电状况；9）可扩展一个RS485通讯接口。
3
毕业设计（论文）
2
2.12.1.1检测系统设计
检测系统设计及单片机介绍
整个煤矿安全检测系统简介整个煤矿安全监控系统设计由地面中心站、网关节点站、分支中继器、井下监控分
站和各种传感器，以及通信介质六部分组成。
其中中心站负责接收、存储和显示从井下监控分站传来的各种井下生产环境安全监控数据，并通过各个井下分站发送各种配置命令和对现场设备的控制命令；网关节点站实现现场总线协议和中心站计算机标准接口协议的相互转换；分支中继器在需要的地方完成通信线路的分支、中继和介质信号的转换；传感器负责收集各种现场环境安全监控数据和设备运行状态数据；通信介质负责安全监控系统各设备的连接和信息的传递。
整个监控系统分三级结构：
中心站—井下分站—传感器。
传输介质根据传输距离不同，可分段采用不同线缆，长距离用光纤不加中继器，或用电缆加中继器，短距离则可只用电缆不加中继器。
如果连接的节点总数大于110个，则也需加中继器。
2.1.2检测系统硬件设计井下安全监控分站是安全监控监测系统的核心，负责采集和处理现场生产环境和设备状态等方面的安全监控数据，并能实时地控制设备。
同时它也是传输系统的关键设施，各种数据都要通过它与地面中心站进行通讯。
图2-1是监控分站的原理图。
关输关输入8路AD
74LS164AT89C52
显示
传感器
入电路
输
转换及光耦
电路电电路图2-1监控分站的原理图
在图2-1中，输入电路和A/D转换电路负责对来自传感器的8路频率信号（200Hz~1000Hz）进行整形，从而得到波形、电平规范的方波信号。
光耦电路则主要负责信号的隔离，消除共模电压的影响并遏制过程通道上的一些脉冲干扰，从而提高系统的
4
器
单片机
74HC373
RAM32KB
分站通讯
毕业设计（论文）
信噪比。
单片机通过多路选择器（8选1开关）定时巡检8路信号，对得到的数字量进行判断和运算，进而用得到的控制量，去自动控制继电器的状态，从而实现对井下设备的控制。
利用74LS164芯片驱动数码管循环显示8路信号的频率、通道号、通道类型以及线路状态等。
CAN总线和RS-232总线把单片机根据主站命令采集的安全监控监测数据传给上位机。
74HC373除了扩展片外RAM，以用来存储历史数据外，还进行了P0口扩展，从而使分站能够根据主站发来的命令允许对继电器的状态进行手动控制。
2.1.3检测系统软件流程图系统总体软件结构如图2-2所示。
在整个软件流程中，系统根据中心站的命令定期采样传感器的信号，供单片机识别，并对其做出控制。
图2-2
系统总体软件结构
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毕业设计（论文）
2.2AT89C52单片机基本知识ATMEL89系列单片机（简称89系列单片机）是ATMEL公司的8位FLASH单片机系列。
这个系列单片机的最大特点就是在片内含有FLASH存储器，因此，有着十分广泛的用途，特别是在便携式、省电和特殊的仪器和系统中显得更为有用。
AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，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控制应用场合。
AT89C52提供以下标准功能:
8k字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM,32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
AT89C52主要性能参数：
·与MCS-51产品指令和引脚完全兼容·8k字节可重擦写Flash闪速存储器·1000次擦写周期·全静态操作：
OHz-24MHz·三级加密程序存储器·256×8字节内部RAM·32个可编程I/O口线·3个16位定时/计数器·8个中断源·可编程串行UART通道·低功耗空闲和掉电模式AT89C52有双列直插式封装和方形封装两种形式。
下图就是其双列直插式封装的引脚图其具体引脚排列如图2-3所示：
6
毕业设计（论文）
图2-3
AT89C52引脚排列
引脚功能说明：
·Vcc：
电源电压·GND：
地·RST：
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
·ALE/PROG：
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。
该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。
·PSEN：
程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。
在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。
·EA/VPP：
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH）,EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
7
毕业设计（论文）
·XTAL1：
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
·XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
·P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向工I/0口，也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“时，“1可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
·P1口：
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）,参见表2-1。
Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。
引脚号P1.0P1.1表2-1P1.0和P1.1的第二功能功能特性T（定时/计数器2外部计数脉冲输入），时钟输出T2EC（定时/计数2捕获/重装载触发和方向控制）
·P2口：
是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，的输出缓冲级可驱动（吸P2P2收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。
·P3口：
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1"时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。
P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表2-2所示：
引脚P3.0P3.1P3.2表2-2P3口替代功能替代功能说明RX
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