煤矿瓦斯检测报警系统设计.docx
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煤矿瓦斯检测报警系统设计
控制系统综合设计实施方案
1、目的与任务
本课程设计是自动化专业教学中的一项重要专业实践环节，为了使学生对在以后的就业中可能接触到的生产现场、生产过程和测控系统的设计有较为深刻的认识，本次课程设计重点是要求学生能够设计完成一个实际的应用系统。
通过设计应用系统，使学生对所学的传感器、微机原理、计算机网络、组态软件等方面的知识有更进一步的深刻的认识和掌握，培养学生综合应用所学专业知识和技能分析解决实际问题的能力，熟悉技术设计工作的一般程序和方法。
它对帮助学生全面深入地掌握测控类课程教学内容、培养学生的实践和实际动手能力、提高学生全面素质具有很重要的意义。
该课程以现场总线技术为主线，综合运用所学的工业数据通讯与控制网络、现代测控技术、计算机网络、计算机语言等方面的知识，通过课程设计，学生能掌握现场总线分布式控制系统的技术、体系结构、总线节点开发和设计方法。
目的是经课堂教学与实验，综合运用现场总线技术知识进行工业分布控制系统的构建及应用。
2、课程设计要求
通过设计，要求学生在指导老师的指导下，独立完成所分担的课题设计内容。
包括：
正确选择方案。
正确进行器件的选择，软硬件设计及调试；根据课题设计要求进行必要的实验、调试；绘制相应的原理图；编制软件程序，实现相应的功能；编写设计说明书；参加答辩。
设计要求包括：
（1）初步掌握测控系统的分析、设计的基本方法。
完成测控系统结构原理图的绘制，完成一份课程设计说明书。
（2）掌握工业以太网和现场总线分布控制系统的基本概念、特性、体系结构、互连协议、工业现场实现等理论；
（3）掌握工业控制总线、现场节点设备软、硬件平台，即CAN控制局域网总线、以太网总线等各种总线的总线标准，完成基于不同总线的现场节点结构和系统设计；要求能初步应用各类编程软件开发工具进行总线和节点的开发。
3、课程设计题目
煤矿瓦斯检测报警系统设计
1．系统模型
综合运用气体传感器、单片机及其他外围设备设计一个针对瓦斯气体的检测与报警系统，当煤矿中瓦斯气体的浓度达到一定值时发出报警信息。
以工业以太网教学实验开发平台为基础，利用组态软件编制一上位机软件，模拟实现以现场总线为基础的煤矿瓦斯检测报警系统设计。
其中瓦斯检测采用气体传感器实现，采用以太网模块对气体传感器信号进行检测，实时显示、报警。
2．综合设计实现的基本功能
检测瓦斯浓度，通过组态界面显示，当达到一定浓度时实时报警，切断开关。
3．综合设计的具体要求
（1）构建控制报警系统硬件框架，给出硬件系统的电路原理图。
（2）根据系统设计要求实现的功能利用组态软件进行系统性能设计。
二、硬件电路设计
2.1总体构建
本系统采用以太网作为远传网络系统框图如图一所示。
它主要由三部分组成。
1、监控中心。
这部份由管理计算机和管理软件组成；管理计算机作为客户端通过Internet访问个控制器，读取控矿井瓦斯浓度或者发出控制指令（如切断电源，发出警报）。
2、由以太网交换机、集线器等网络设施组成
控制系统。
这部份现场传感器将采集到的瓦斯浓度装变为电信号，并将其送到A/D转换器中，经A/D转换器将其输入的模拟信号变为数字将信号，送到单片机内。
图2-1总系统框图
工作原理：
在这里我们用甲烷传感器MQ-4来对煤矿瓦斯浓度进行检测，由于其检测所得数据模拟电压量而单片机只能对数字信号进行处理，所以在送入单片机中进行处理之前需先送入模数转换器ICL7109中进行模数转换，然后才能将转换所得数据送入单片机AT89S51中处理，这里的处理主要是指将输入进来的数据与我们设置的瓦斯爆炸预警值进行比较，在这里我们的预警值可通过键盘进行设置，显示其瓦斯浓度值。
2.2单片机的I/O口扩展器件
由于单片机本身只有4个8位并行输入输出I/O接口，1个串行I/O接口，非常有限，所以当I/O口不能满足设计需求时则需要我们进行I/O口的扩展。
其扩展方法为根据需要在串行口上外接1个或多个移位寄存器。
由电路原理图我们可以看到此次我们单片机89S51的I/O口分配如下：
P0口：
A/D转换器ICL7109转换后的数据的输入接口
P1口：
其中P1.0接+5V的直流蜂鸣器当P1.0=0时蜂鸣器蜂鸣
P1.1接发光二极管LED,当P1.1=1时发光二极管发光，其和蜂鸣器结合就是我们所要实现的声光报警。
P1.2接排风扇的继电器部分
P1.3～P1.6作为数码管显示部分的位选
P1.7作为7109的片选
P2口我们仅用了P2.6和P2.7作为7109的数据选通端
P3：
P3.0（RXD）和P3.1（TXD）用于I/O口的扩展
所以很显然我们要对单片机进行扩展I/O口，下图所示为用串行口扩展I/O口的电路：
图2-2I/O口扩展电路
其中芯片74LS164为带清零端的串行输入/并行输出移位寄存器（8位），其管脚图和功能表如下
图2-374LS164的管脚图
表2-274LS164功能表
输入
输出
CLK
A
B
—
L
Ⅹ
Ⅹ
Ⅹ
L
L
L
H
L
Ⅹ
Ⅹ
QA0
QB0
QH0
H
↑
H
H
H
QAn
QGn
H
↑
L
Ⅹ
L
QAn
QGn
H
↑
Ⅹ
L
L
QAn
QGn
H=高电平L=低电平Ⅹ=任意↑=电平上升
在使用时将A,B并接作为数据的串行输人端,CLK作为时钟端。
串行输入时，先将数据在A,B端准备好，在CLK端产一上升沿，则一位数据移至最低位QA;再将下一位数据准备好后，在CLK端产生下一上升沿，则下一位数据移至次低位QB,其余位顺次从低位到高位移动，这种时序符合串行器件特性，即把164当成一典型串行外设，可以用普通I/O口模拟其时序将数据移入。
2.3A/D转换器
A/D转换部分电路是由A/D转换器ICL7109构成的，其主要作用是将气体传感器MQ-4所得到的模拟电压信号转换成数字量（该模拟电压信号与瓦斯气体的体积分数相对应），便于输入到单片机中进行数据处理。
图2-4A/D转换电路
前面我们已经分析过气体传感器MQ-4完全符合此次设计的要求，所以在这里MQ-4的作用就是将气体瓦斯的浓度转换成与之相对应的模拟电压信号。
我们需要将该模拟信号转换成数字量，只有这样才能经过单片机进行处理。
在这里我们经过A/D转换器ICL7109将其进行转换。
ICL7109为12位的模数转换器，数据可分为低8位和高4位分时传送给单片机，由我们的电路图我们可以看出工作方式选择端MODE我们直接接地了，也就是说现在转换器的工作方式为直接输出方式，在该工作方式下我们可以在片选和字节使能的控制下直接读取数据。
而且工作状态输出端STATUS与单片机的INT1直接相连，这样完成一次转换便能向单片机发出一个中断信号，表明数据转换已完成，单片机此时可以接收数据。
具体的数据传输过程是由7109的片选
及低8位数据输出选通端
（低电平有效）和高4位数据输出选通端
（也是低电平有效）配合来完成，同时
也兼作极性位、溢出位选通端（主要用于判断传输数据的正误），我们将
，
分别接至单片机的P2.6和P2.7，同时将7109的片选端接至P1.7容易得知当P1.7为低（也就是说此时7109被选中可以进行数据的传输）且P2.6为低时低8位数据进行传输，而当P2.7为低时高4位数据进行传输。
2.4单片机最小系统
图2.589c51单片机
单片机系统上电后，首先要对系统进行初始化，初始化程序包括内存空间的分配、初始变量的设置、设定堆栈指针等。
正常初始化后开放定时器中断，外部中断和串行口中断，然后启动定时器定时。
每隔一段时间对瓦斯的浓度采集一次，将采集到的模拟量浓度数据存到寄存器中，当系统在取数据进行显示的过程中要产生中断，调用中断处理子程序，在中断处理子程序中进行数据转换及显示浓度。
主程序编好后编制各从属的程序和子程序，最后完成整个系统的软件设计。
系统软件设计中要实现的功能有：
用户机的单片机系统要完成定时地对瓦斯浓度的进行检测，将瓦斯浓度值的进行A/D转换，动态地显示采集到的瓦斯浓度值，声光报警。
单片机最小控制系统是整个系统能够顺利工作的核心环节，是真个系统的关键所在。
随着电子市场迅速发展，单片机种类繁多，在这里我选用了Atmel公司的89C51单片机，AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。
1、AT89C51单片机的主要特性
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程FLASH存储器
·寿命：
1000写/擦循环
·数据保留时间：
10年
·全静态工作：
0Hz-24MHz
·三级程序存储器锁定
·128×8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
2、引脚说明
AT89C51器件管脚图如图八所示；个引脚说明如下：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
图2-6最小系统原理图
3、基于51单片机的最小系统设计
最小系统电路设计原理图如图九所示，主要由2部分组成，分别是复位电路，和震荡电路。
复位电路功能：
当程序运行出现错误时，及时进行手动复位，回到入口程序处。
震荡电路功能：
提供单片机工作所需的时钟脉冲。
2.5控制报警电路设计
2-7报警电路
当声光报警开启后，当达到提醒人们离开的目的后，我们需要解除声光报警，解除报警有两种途径，一种是手动解除，一种是系统自动解除，若没有手动解除报警，则系统可通过调用20s的延时时间来自动解除报警。
图2-8声光报警流程图
2-6单片机以太网通讯模块
主要特性
（1）符号EthernetII与IEEE802.3（10Base5、10Base2、10BaseT）标准；
（2）全双工，收发可同时达到10Mbps的速率。
（3）内置16KB的SRAM，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度要求；
（4）支持8/16位数据总线，8个中断申请线以及16个I/O基地址选择；
（5）支持UTP、AUI、BNC自动检测，还支持对10BaseT拓扑结构的自动极性修正；（6）允许4个诊断LED引脚可编程输出；
（7）100脚的PQFP封装，缩小了PCB尺寸。
图2-9通讯模块
2.7电源模块硬件设计电路图
单片机的工作电压是12V，而传感器的工作电压是3V这里就需要提供不同的电压装换。
在单片机供电电路上我选用集成的稳压电路，电子产品中，常见的三端稳压集成电路很多，这里选用三端稳压集成电路7805它由三条引脚输出，分别是输出端、接地端、和输出端。
电源稳压输出硬件电路图如图所示。
传感器供电电路设计：
传感器供电的稳定性直接影响检测桥路输出的准确度，为提高该装置的精度，设计了由基准电压、运算放大器和晶体管组成的恒压源供电系统选用LM385BZ-1.2作为基准电源。
设计电路如图
检波电路如图
三软件设计
主程序：
ORG0000H
AJMPMAIN
ORG00013H
AJMPINT1
ORG0030H
MAIN：
MOVSP,#60H；设定堆栈指针
CLRP1.1
MOV40H,#07H；40H存放个位显示八段码
MOV41H,#07H；41H存放十位显示八段码初始化时显全8
MOV42H,#07H；42H存放百位显示八段码
MOV43H,#07H；43H存放千位显示八段码
MOV44H,#00H；44H～47H分别存放个十百千位的设定真实值
MOV45H,#00H；
MOV46H,#00H；
MOV47H,#00H；
CLRP2.5；初始化时默认处于确定状态
SETBEA；开中断
SETBEX1；允许外中断1开中断
SETBPX0；外中断1定为高优先级
SETBIT1；边沿触发
S1：
MOVA,P2.0
JZA,KEY1
RET
KEY1：
LCALLDELAY
JBP2.0,S2
ACALLK1
S2:
：
MOVA,P2.1
JZA,KEY2
RET
KEY2：
LCALLDELAY
JBP2.1,S3
ACALLK2
S3：
MOVA,P2.2
JZA,KEY3
RET
KEY3：
LCALLDELAY
JBP2.2,S4
ACALLK3
S4：
MOVA,P2.3
JZA,KEY4
RET
KEY4：
LCALLDELAY
JBP2.3,S5
ACALLK4
S5：
MOVA,P2.4
JZA,KEY5
RET
KEY3：
LCALLDELAY
JBP2.4,XSH
ACALLK5
XSH：
MOVA,40H
MOVSBUF,A
X1：
JNBTI,X1
CLRP1.3
ACALLDELAY
SETBP1.3
MOVA,41H
MOVSBUF,A
X2：
JNBTI,X2
CLRP1.4
ACALLDELAY
SETBP1.4
MOVA,42H
MOVSBUF,A
X3：
JNBTI,X3
CLRP1.5
ACALLDELAY
SETBP1.5
MOVA,43H
MOVSBUF,A
X4：
JNBTI,X4
CLRP1.6
ACALLDELAY
SETBP1.6
AJMPS1
数据采集子程序
INT1：
PUSHDPH；保护现场
PUSHDPL
PUSHB
MOVB,R0
MOVR0,#50H；缓存区首地址
MOVDPTR,#8000H；P2.6=0,P2.7=1
MOVXA,@DPTR
MOV@R0,A
INCR0
MOVDPTR,#4000H;P2.6=1,P2.7=0
MOVXA,DPTR
MOV@R0,A
MOVR0,B
POPB
POPDPL
POPDPH
POPACC
RETI
延时子程序：
MOVR2,#64H
LOOP1:
MOVR3,#0C8H
LOOP2:
MOVR4,#0F8H;
NOP
LOOP3:
DJNZR4,LOOP3
DJNZR3,LOOP2
DJNZR2,LOOP1
RET
动态显示子程序：
DISP:
LCALLHTB;将显示数据转换为BCD码
MOVSCON,#00H;置串行口方式0
MOVR0,#50H;显示缓冲区首地址送R0
LD:
MOVDPTR,#TABLE;指向字形码表首地址
MOVA,@R0;取显示数据
MOVCA,@A+DPTR;查表
MOVSBUF,A;字形码送串行口
DISP1:
JNBTI,DISP1;TI=0,等待；TI=1准备发送
CLRTI
CLRP1.3
SETBP1.4
SETBP1.5
AC
ACALLDELLY
DISP2:
JNBTI,DISP2
CLRTI
CLRP1.4
SETBP1.5
SETBP1.6
LCALLDELY
DISP3:
JNBTI,DISP3
CLRTI
CLRP1.5
SETBP1.6
SETBP1.7
LCALLDELAY
TABLE:
DB3FH06H5BH
DB4FH66H6DH
DB7DH07H7FH
DB6FH77H7CH
DB39H5EH79H
DB71H00H73H
四个人小结
通过此次设计使我对单片机与组态控制的知识有了更深理解。
虽然本次设计相当于只是完成了煤矿瓦斯监测监控系统的设计，没有涉及到采集数据传送给上位机的那一部分，但是对我个人来说也是一次相当大的挑战，设计完之后感觉自己的思维方式更加完善，考虑问题的方法也在不知不觉中有了很大的提高。
由于此次设计时间紧，但设计的理论依据是充分的并且硬件的电路原理图也已画出。
在理论设计中也考虑成本了的问题，尽可选用一些性价比高而且价格合理的芯片。
五、参考文献
[1]于洋.《测控系统网络化技术及应用》，机械工业出版社
[2]李正军.《计算机测控系统设计与应用》，机械工业出版社
[3]李江全.《计算机测控系统设计与编程实现》，电子工业出版社
[4]周立功主编.《工业以太网系统教程》
[5]陈益飞主编.《单片机原理及应用技术》
六附录
组态界面
设计界面
运行组态，按start进入报警界面，超标后报警
手动控制解决报警后进入正常安全界面
附组态图，电路原理图
通信模块
升级会员 