煤矿井下监控分站数据采集系统设计软件.docx
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煤矿井下监控分站数据采集系统设计软件
煤矿井下监控分站数据采集系统设计（软件）
摘要
在人类发展的过程中，认识世界与改造世界是两部分最主要的过程。
而监测监控系统对于它所要控制的对象亦是如此，即“测”与“控”的过程。
监测监控系统是现代化生产与管理的有效工具，在整个的国民经济中都有着广泛的应用，例如：
交通、能源、冶金、化工等。
对于监控系统而言，监控分站就是其下位机，有着至关重要的作用。
对煤矿井下监控分站的研究中，主要包括了对四路模拟通道的循环采集并显示它们所代表的物理量的数值。
四路模拟通道兼容电压信号和频率信号，分别代表了瓦斯浓度、CO浓度、温度以及湿度信号。
就功能而言，对于监控分站的设计已经成功完成。
但是它还具有许多可以扩展的地方，如：
遥控远程控制、多功能报警等。
监控分站在整个监控系统起着数据采集的基本功能，对于可以实现基本功能以及一些扩展功能的分站在实际的生产中都具有十分广泛的应用。
关键词：
多路数据采集，MCS-51，AD转换，直接测频，无线键盘
Subject:
Designofdataacquisitionsystemforcoalminemonitoringsubstation（Softwaredesign）
Specialty:
Automation
Name:
MaoZixin（Signature）___________
Instructor:
GuoXiucai（Signature）___________
ABSTRACT
Inthecourseofhumandevelopment,understandingoftheworldandtransformtheworldarethemostimportanttwo-partprocess.Themonitoringandcontrolsystemtocontroltheobjectisalsothesamethat"measured"and"control"process.Monitoringandcontrolsystemisamodernproductionandmanagementoftherationaltoolsthroughoutthenationaleconomyhasawiderangeofapplications,suchas:
transportation,energy,metallurgy,chemicalindustryandsoon.
Formonitoringsystems,monitoringandcontrolstationisitslowerposition,hasavitalrole.Coalminemonitoringandcontrolstationforthestudy,includedacycleoffouranalogchannelscapturesanddisplaysthephysicalquantitytheyrepresentvalue.Fourchannelanalogsignalscompatiblewithvoltageandfrequencyrespectthegasconcentration,COconcentration,temperaturesandhumiditysignals.Intermsoffeatures，thedesignofmonitoringandcontrolstationhasbeencompletedsuccessfully.Butitcanbeextendedwithanumberofplaces,suchas:
remotecontrolremotecontrol,multi-functionalarm.
Standingthewholemonitoringsystem，monitoringandcontrolstationplaysabasicfunctionsofdatacollection.Forsomemonitoringandcontrolstationswhichachievingbasicfunctionandexpandfunctionhaveawidelyusedintheactualproduction.
Keywords:
multi-channeldataacquisition,MCS-51,ADconversion,directfrequencymeasurement，wirelesskeyboard
1绪论
1.1课题研究的背景
在人类认识和改造世界的过程中，经历了观察、认识世界的第一阶段和改造世界的第二阶段。
而对于煤矿井下的实际控制系统的研究如同人类认识和改造世界的过程，即“测”和“控”的过程。
在煤矿井下的环境中，监测监控系统需要对代表煤矿井下某些参数进行“检测”，从而获得与其相关的信息；另一方面，还需要由检测而来的信息根据一定的策略对这些参数进行“控制”，进而达到预期的控制效果。
监测监控系统是现代化生产以及现代化管理的一种有效的工具，在化工、能源、电力、交通、冶金等国民经济领域有着广泛的应用，此外它是企业综合自动化CIMS系统中的子系统，是计算机网络的节点。
1.2煤矿井下监测监控系统的发展历程
监测监控技术的发展经历了以下过程：
1.手动控制
在20世纪的40年代，由于当时没有大规模的生产，而且检测控制仪器尚且处于发展的初级阶段，当时所采用的仅仅就是安装在生产现场且具备简单测量功能的“基地式气动仪器”，它仅仅是具备自身的测量，不可以将信息传给上位系统，即是封闭的状态，无法与外界进行沟通信息。
因此，当时的控制方式就是操作人员进行的巡视，来进行简单的手动操作。
2.局部自动化
到了20世纪50～60年代初，随着生产规模逐渐扩大，操作人员必须综合掌握现场很多点的运行信息与参数，要求在同一时刻按照多点的参数信息进行控制操作，于是出现了集中控制室，实际生产现场各处的参数信息由统一的模拟信号，传往集中控制室。
操作人员仅仅就可以在集中控制室进行总体观察生产现场的状况，能够将每个单元仪表的信号按要求需要组合成复杂控制系统，从而实现了工厂仪表化以及局部自动化。
3.集中数字控制
在20世纪60～70年代初期，由于模拟信号在传输中比较缓慢，而提高它的速度和精度都需要花费很大的代价，此外模拟信号传输过程中抗干扰的能力比较差，所以人们开始寻求用数字信号来代替以往的模拟信号。
当时的数字计算机计数还比较落后，人们希望用一台计算机来取代控制所有的仪表，这就出现了所谓的集中数字控制。
这种控制在当时并没有得到广泛的应用，原因很简单，就是这个系统太依赖于计算机，以至于一台计算机出现问题就会引起整个系统的瘫痪。
4.集散控制
20世纪80年代初期，随着计算机的可靠性的提升以及价格的大幅下降，出现了可编程控制器（PLC）以及由许多计算机组成的集中、分散相结合的集散控制系统。
这也就是今天在许多企业应用的DCS（DistributedControlSystem）。
可由于当时信息封闭的原因，每个厂家产生的商品都不可以相互联系在一起，从而导致很难实现互换以及互操作，这样就很难组成更大范围的网络系统。
5.分布式网络控制
20世纪90年代至今，新型现场总线控制技术突破了DCS中通信方式由专用网络的所造成的缺陷，把封闭和专用的网络公开、标准化。
从而可以把来自不同厂商遵守不同规定而生产的“智能仪器”通过现场总线网络的方式连接成系统，进而了实现综合自动化的很多功能，同时把DCS的集中和分散相结合进而变成了新型全分布式结构，把控制的功能彻底下放到了现场，依靠现场的智能仪表的自身的测控功能实现基本的测控。
1.3课题研究的意义
煤矿井下安全监测监控系统的中心是微型计算机，即它是以微型计算机为中心的煤矿安全监测监控系统，监测监控系统中的微型计算机控制着监控分站中的通道的选择以及它的运行方式。
监控分站可以对煤矿井下火灾、环境、通风设施状况以及运输安全状况进行全面的检测，将表征其状态的物理量信息传到中心站中来进行相应的处理，进而可以有效地避免各种事故的发生，保证了生产的稳定以及工人的人身安全，在实际的生产现场有着十分重要的意义。
1.4针对研究题目需要做的工作
主要工作：
1.单片机的选择
设计的开始，在明确了设计的主要性能指标以后，首要的工作就是根据要求选择单片机的型号，合适的单片机不仅能使设计在硬件输出I/O端口分配方面更加合理，也可以使软件设计更加简单。
2.传感器输入通道的设计
传感器输入通道设计方面的主要工作就是规定传感器输入通道每一路的信号所代表的意思以及规定每一路输入信号的制式。
在明确了信号制式以及信号代表的物理量以后就可以根据每一部分的核心算法来对每一路信号进行处理。
3.显示部分的设计
显示部分由于设计已经规定了使用LED进行显示，所以这方面的硬件电路设计就比较简单，软件方面的工作是选择LED显示的方式（扫描方式）以及扫描频率，另外还需要定义四位LED数码管中每一位代表的意思。
4.无线遥控部分
这部分是我们监控分站的一个扩展功能，主要是用遥控来实现对监控分站的控制，遥控的主要命令有对监控分站的断电操作和传感器通道选择操作，遥控器定义好的命令还需要通过编码以后进行发送，监控分站接收到命令后对命令进行解调并进行相应的动作。
5.主程序的设计
主程序的设计主要综合了以上几个部分，在没有遥控命令的时候，主程序无限地分别对4路传感器输入通道循环扫描，得到数据以后显示在LED数码管上。
当得到遥控器传来的命令以后，单片机就停止以上的循环，而根据命令进行相应的动作。
2煤矿井下监测监控系统介绍
2.1监测监控系统的基本概念
2.1.1监测监控系统的概念
监测监控系统包括了检测被控变量和控制执行机构，这两者融合了计算机技术、通信技术、传感器技术、控制技术、计算机网络技术等综合技术。
监测监控系统在现代工业生产和现代化管理有广泛的应用，包括化工、冶金、交通、能源、纺织等。
它是企业综合自动化CIMS中的子系统，同时也是计算机网络中的节点。
2.1.2监测监控系统的分类
监测监控系统的分类方法有很多种，按照不同的方法有其对应的种类，这里按照监测监控系统的功能可以将其分为控制系统、检测系统和测控系统。
1.控制系统
控制系统就是单纯以控制为目的的系统，它的结构如图2.1所示。
图2.1控制系统
2.检测系统
检测系统就是专门用来检测某个理量，并且获得相应的测量数据，检测系统包括敏感元件环节、变量转换环节、数据传输环节、数据显示环节、数据处理环节。
它的原理结构图如图2.2所示：
图2.2检测系统
3.测控系统
测控系统按其字面意思来讲就是既“测”又“控”。
可以说它是上面两个系统的组合，测控系统可以按照人们预期的结果来使系统执行相应的动作。
2.1.3监测监控系统的组成
大多数监测监控系统都具有相似的结构和很多相同的特点，它们由被控对象、检测单元、控制器和执行机构组成。
基本的原理结构如图2.3所示。
图2.3监测监控系统结构
2.2监测监控系统的主要性能指标
在实际的生产的过程中，生产的成功与否，生产的产品的质量和产量占主导的地位，所以在实际的生产中，对不同类型的产品都必须严格遵循其相应的被控参数。
实际中，在阶跃扰动的信号作用下，人们提出了被控参数稳定性、快速性以及准确性的要求指标。
根据图2.4所示的闭环控制系统对设定值突变的阶跃响应曲线来分别对以上几个性能指标进行说明。
图2.4闭环控制系统对设定值突变的阶跃响应曲线
1.稳定性指标
（1）衰减比
n=
（2）衰减率
φ=1-（
）
如果n>1（0<φ<1）曲线为衰减振荡过程，那么系统就是稳定的；如果n=1曲线为等幅振荡过程，那么系统就是不稳定的。
这样一般希望n=4~10。
稳定性是一个系统最基本的性能指标，是考虑其他参数的前提，只有在系统足够稳定的前提下才可以去确定系统的其他性能指标如：
快速性、准确性。
2.快速性指标
（1）调节时间ts——t0~（±5%或±2%）y（∞）所需时间，ts越小，快速性越好。
（2）振荡周期T——曲线中相邻两波峰（或波谷）之间的时间间隔。
（3）振荡频率
f=
（4）振荡角频率
Ω=
振荡周期T越小则系统的快速性越好。
（5）上升时间tr——t0~t1所需要的时间，在衰减率一定的情况下，上升时间越小，系统的快速性越好。
3.准确性指标
（1）最大动态偏差
A=y（t1）-y[x（t0）]
（2）超调量
σ={
}
100%
以上的都为系统的动态参数，它们都与系统的动态过程息息相关。
4.防爆、本安性能指标
在实际的石油、化工、能源的生产和开采现场，往往在其环境中混杂着各种易燃易爆的固体粉尘、气体和蒸汽等，这些杂质和空气混合以后经过火花的反应可能会产生爆炸或火灾，而仅仅依靠对生产参数进行控制来避免这些事故是远远不够的，这样就必须使监测监控系统要符合防爆、本质安全性指标的要求。
由国家的规定，爆炸环境的电气设备可以分为两类，即有瓦斯爆炸危险的矿井和没有瓦斯有其他爆炸危险的场所所使用的电气设备分别为Ⅰ类和Ⅱ类。
而Ⅱ类设备根据环境的爆炸性气体混合物最大实验安全间隙或最小点燃电流又可分为A、B、C三级，Ⅱ类中的电气设备还可以按照最高表面温度的差异，分为T1~T66组，Ⅱ类电气设备类型标志符号如图2.5所示。
图2.5Ⅱ类电气设备类型及标志符号
表2-1防爆型电气设备的防爆类型及标志符号
增安型
隔爆型
本质安全型
通风充气型
充油型
e
d
iaib
p
o
2.3监测监控系统与监控分站的关系
以煤矿安全监测监控系统为例来说明监测监控系统与监控分站之间的关系。
煤矿安全监测监控系统的总体结构如图2.6所示。
图2.6煤矿安全监测监控系统总体结构图
由图可以知道一个监测监控系统大致可以分为两个部分，其一是中心站。
中心站是整个系统的核心部分，它监视并控制着监控分站，可对监控分站采集回来的数据进预期的分析以后进行报警、存储、显示等功能。
其二就是监控分站，监控分站主要的功能是对井下环境的数据进行采集并且显示，它接受着中心站的控制命令，来进行要求的动作，当然也可以根据预期的设定来循环工作。
由上所述可知，监控分站的存在对于一个监测监控系统有着至关重要的作用。
3监控分站总体结构设计
3.1监控分站的主要技术指标
本设计——煤矿井下监控分站数据采集系统的主要技术指标具体如下：
（1）工作电源：
本质安全（本安）型电源DC12V。
（2）工作电流：
<300mA。
（3）传感器输入通道：
4路，兼容电压信号和频率信号。
（4）电压输入信号制式：
0~5V的电压信号。
（5）频率输入信号制式：
200~1000Hz的频率信号。
（6）键盘控制：
用无线键盘来实现通道选择与分站断电。
（7）显示方式：
LED数码管显示。
（8）防爆制式：
本质安全型。
3.2分站总体结构设计
3.2.1单片机的选择
煤矿井下监控分站数据采集系统这个设计在选择单片机的时候，主要考虑了其处理能力，输入/输出引脚数量以及电路设计是否简洁等因素，通过反复比较，我们最终决定选择AT89S51单片机，首先这款单片机的最小系统我们在过去课程设计中接触并焊接过，我们对它比较熟悉，其次这款单片机的输入/输出引脚数量也可以满足我们的设计要求。
其引脚图如图3.1所示。
图3.1AT89S51引脚图
3.2.2传感器输入通道的设计
传感器输入通道的设计如图3.2所示，分站的传感器输入通道共4路，每路兼容电压信号和频率信号。
图3.2传感器输入通道
每一路通道都对应着不同的井下环境物理量，根据09版《煤矿安全章程》具体地分别为：
传感器通道1→200~1000Hz的频率信号→0%~4%的瓦斯浓度信号；
传感器通道2→0~5V的电压信号→-5℃~65℃的温度信号；
传感器通道3→200~1000Hz的频率信号→0~20PPm的CO浓度信号；
传感器通道4→0~5V的电压信号→0~100%的湿度信号。
但是本设计由于实际实验条件和时间有限，为实现上述功能，对上述数据进行了修改，具体的为：
传感器通道1→200~1000Hz的频率信号→0%~4%的瓦斯浓度信号；
传感器通道2→0~5V的电压信号→18℃~28℃的温度信号；
传感器通道3→200~1000Hz的频率信号→0~20PPm的CO浓度信号；
传感器通道4→0~5V的电压信号→40%~70%的湿度信号。
对于图3.2所示的电路，它的工作流程是：
单片机进行控制多路开关，进而选择每一路的通道的通断，由于我们提前规定了每一路信号的制式，所以就省去了判断信号制式的部分。
这里，当得到通道1或者通道3开通的时候，则一定为频率信号，单片机控制信号直接传入到单片机的定时器对信号进行处理；当单片机判断，得到通道2或者通道4开通的时候，则一定为电压信号，单片机控制信号直接传入到A/D转换单元对数据进行处理。
3.2.3显示电路的设计
分站的显示是非常重要的人机接口，对现场维护工作有着很重要的意义。
煤矿井下监控分站数据采集系统可以采用LED数码管方式，也可以采用LCD点阵液晶显示的方式。
我们在这里采用了前者，即LED数码管显示的方式。
LED分为共阴和共阳两种，我们设计的监控分站采用的是共阳LED数码管，其内部电路图如图3.3所示。
图3.3数码管内部电路图
在图3.3中，如果a口连接8051输出端口中的的最低位，dp连接8051输出端口中的最高位，当希望小数点不亮的时候，那么0至9驱动信号如下表3-1所示。
表3-1
数字
（dp）gfedcba
16进位
显示
0
11000000
0xc0
0
1
11111001
0xf9
1
2
10100100
0xa4
2
3
10110000
0xb0
3
4
10011001
0x99
4
5
10010010
0x92
5
6
10000011
0x83
6
7
11111000
0xf8
7
8
10000000
0x80
8
9
10011000
0x98
9
我们设计的监控分站中，显示部分的硬件连接图如图3.4所示。
图3.4显示电路硬件连接图
在这部分的软件设计中，规定数码管的第一位为通道数，后三位为具体的数值。
3.2.4无线键盘电路的设计
在我们分站的设计中，无线键盘电路的主要作用就是用来实现无线操作控制，具体地讲就是我们可以通过无线键盘来实现对分站四路模拟通道的选择，进而来观测其数据，这个作用在现场有着十分重要的意义，另外我们还可以通过无线键盘电路来实现在比较远的距离对监控分站的进行断电控制。
无线键盘的发送与接收电路如图3.5以及图3.6所示。
图3.5发射电路
图3.6接收电路
4监控分站关键技术
4.1监控分站中的MCS-51单片机
4.1.18051单片机系列介绍
单片机的种类繁多，“8051”是源自Intel公司的MCS-51系列的芯片，但是目前市面上使用的8051并不再是仅仅局限于Intel公司所产生的芯片，而是以其他厂商发行的兼容芯片为主，例如Atmel公司发行的89C51/89S51系列，它们的价格便宜，质量比较稳定，开发工具也非常齐全，它们对于早期的单片机芯片的主要技术特点是：
（1）扩大了片内存储器以及外部的寻址空间；
（2）增强了并行口、增设了全双工串行口I/O；
（3）增加了定时器/计数器的个数并扩展了长度；
（4）增强了中断系统，它设置了2及中断优先级，可以接收5个中断源的中断请求，中断优先级可以由用户自己定义；
（5）具备很强的指令寻址和运算等功能，有111条指令，可以分4大类，使用了7种寻址方式；
（6）设定了布尔处理机，即在指令系统中设有位操作的指令，可用于位寻址空间，这些位操作指令与位寻址空间一起构成了布尔处理机。
8051单片机的结构如图4.1所示。
图4.18051结构图
4.1.28051的工作方式
AT89S51单片机有复位、程序执行、单步执行，低功耗和掉电保护等工作方式。
1.复位方式
复位就是单片机的一个初始化的过程，复位以后，单片机恢复到初试的状态，并且从这个状态开始继续工作。
另外，当单片机出现“死机”的状态以后，需要对单片机进行复位操作，来实现重启单片机。
复位以后单片机中各个特殊功能寄存器的状态如下表4-1所示。
表4-1单片机复位后特殊功能寄存器的状态表
名称
内容
名称
内容
PC
0000H
TCON
00H
A
00H
TL0
00H
PSW
00H
TH0
00H
SP
07H
TL1
00H
DPTR
0000H
TH1
00H
P0~P3
0FFH
SCON
00H
IP
XX000000B
SBUF
不定
IE
0X000000B
PCON
0XXX0000B
TMOD
00H
2.程序执行方式
程序执行方式就是单片机执行用户编制好并且放到存储器中的程序，它是单片机的最基本的工作方式。
由于单片机复位以后PC的值是0000H，因此程序执行的开始总是从地址0000H开始，但一般情况下，程序不是从0000H开始一直执行的，而是在开始的时候加入一条无条件的跳转指令，以便转到实际程序的入口去执行。
3.单步执行方式
单步执行方式其实就是单片机通过脉冲的控制来执行程序，每收到一个脉冲程序就运行一步。
4.低功耗方式
为了达到电源功耗要求较低环境的标准，CHMOS型的MCS-51单片机芯片设置了低功耗的工作方式。
此外，在掉电保护的情况下，会有备用的电源为单片机供电来使单片机进行低功耗运行，因此掉电保护方式实际也是一种低功耗的运行方式。
所以可以说低功耗运行方式可以分为两种，即空闲方式和掉电保护方式。
5.掉电保护方式
系统运行的过程中，如过发生掉电情况，单片机将丢失RAM中和寄存器中的数据，其后果有的时候也是十分严重的。
因此，MCS-51单片机还设置了掉电保护措施来进行掉电保护的处理。
其具体的做法就是先将有用的信息进行转存，而后再启动备用电源维持供电。
4.1.1数据存储器
MCS-51的数据存储器的结构是相对比较复杂的，它与程序存储器是两个分开的部分，所以当系统在访问程序存储器的时候，一定不会影响到数据存储器，反之亦然。
数据存储器的结构图如图4.2所示。
图4.2数据存储器结构
8051中的数据存储器除了有内部数据存储器以外，还可扩展外部数据存储器。
对于内部存储器而言，从0000H到007FH内的128B范围是可直接寻址或间接寻址的存储器。
在这个范围中，数据存储器又可以为成三个部分：
1.寄存器组区：
0000H到001FH为寄存器组0，0008H到000FH为寄存器组1，0010H到0017H为寄存器组2，0018H到001FH为寄存器组3.
2.可位寻址区：
0020H到002FH为可位寻址区
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