基于avr单片机的煤矿传感器设计.pdf

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1、基于AVR单片机的煤矿传感器设计 施泽全 (重庆工程职业技术学院重庆400037) 摘要：单片机在工业控制中的应用面越来越广，但单片机应用的发展却未跟上单片机技术的发展。以KG9701为例， 全面分析目前流行的煤矿传感器的结构，并就煤矿传感器中广泛使用的核心单片机89C51与AVR单片机做充分对比后，阐 明运用AVR单片机设计矿用传感器的思路与传感器结构，提出基于AVR单片机设计的煤矿智能设备具有更好的性能和较 低的成本，是煤矿传感嚣设计的首选器件。 关键词：煤矿安全；传感器；AVR；智能设备；瓦斯监测 中图分类号：TP212 文献标识码：B 文章编号：1004373X(2008)141890

2、3 Design of Coal Mine Sensor Based on AVR Single Chip Computer SHI Zequan (Chongqing Vocational Institute Engineering，Chongqing，400037，China) Abstract：Single chip are more and more widely used in industrial control，while the development of application doesfft keep up with their technical development

3、In this essay，KG9701 as an example，the author analyses the popular sensorsstructure used in coal minesAfter full comparison of AVR single chip computer and 89C51，the widely used core sensor single chip，the designing idea and structure of AVR single chip computer used as a coal mine sensor is illustr

4、ated，the AVR microcontroller as the priority as coal mine sensor is offeredbecause of their better performance and lower cost Keywords：safety in coal mines；sensor；AVR；inteligent equipment；gas monitoring 1 引 言 由于近年来煤矿瓦斯事故频发，并且动则死伤矿工 十余人甚至上百人。鉴于此，国家安全生产监督管理总 局在煤矿安全规程中明确规定，“所有矿井必须安装 矿井安全监控系统。”为了满足市场需要，

5、煤矿监控系统 的研发和生产呈越来越旺的趋势。其中，煤矿用传感器 是直接面对矿井具体工作环境的最直接设备。传感器 的工作性能、可靠性、可调节性与可升级性直接影响煤 矿监控系统的正常运行。 迄今为止，我国的矿井瓦斯监测监控系统仍处于开 发阶段，虽然很多产品已投放市场并正式运行，但大部 分产品并没有最后定型。因此，对煤矿传感器的研究与 开发更有利于其发展，并推动煤矿用其他检测控制装置 的研究，使矿用产品越来越成熟。 2现有传感器的设计 综观现有传感器，基本上都以单片机为核心，并辅 以敏感元件作为检测装置，AD转换电路将检测到的 数据转换为单片机可识别的数字信号并送至单片机中 收穰日期：2008一01

6、10 处理，同时配备E2PROM作为数据或程序的存储。本 文以煤炭科学研究总院重庆分院研制开发的KG9701 智能低浓度甲烷传感器为例进行分析。 图1 为KG9701基本原理框图 KG9701可检测煤矿井下0400CH沼气浓 度，并连续自动地将井下沼气浓度转换成标准电信号输 送给关联设备，并具有就地显示瓦斯浓度值，超限声光 报警等功能。性能稳定、测量精确、响应速度快、结构坚 固、易使用易维护等特点，并具备遥控调校、断电控制、 故障自校自检等新功能。 KG9701于2000年研制成功并投放市场，目前已 广泛应用于全国大、中、小型煤矿，在国内市场占有率超 】89 万方数据 过60。该传感器设计寿命

7、为3年，目前已进入更新 换代时间。 本电路主要由以下几个主要部份组成： (1)单片机电路 整机电路以89C51作为核心，E2PROM采用 AT24C02，可存储256 B数据，防止传感器掉电后检测 数据丢失。看门狗电路由MAX813组成，防止单片机 程序跑飞，并在程序跑飞后重启单片机以使单片机正常 运行。 (2)电源电路 传感器接受分站送入的824 V直流电压，由 MC34063构成的开关电源及LM358构成的二次稳压 电路构成的本安电源转换成系统所需要的电压，为整机 供电。正负电源转换由ICL7660构成并输出一5 V电 压供AD转换电路使用。 (3)采样电路 采样电路由AD转换与敏感元件2

8、部份构成。敏 感元件感应井下沼气浓度，并送至AD转换电路。 AD转换电路由ICL7109组成，以12 b精度进行采样， 并将结果转换成8位数字信号，送至89C51处理，同时 将数据存入E2PRoM中保存。 (4)报警及显示 在井下沼气浓度超限时，由CD4011驱动喇叭及发 光二极管报警。74HC373驱动4位数码管显示沼气浓 度，在调试传感器时显示各调试值。 (5)红外接收电路 红外接收电路接收遥控器传来的遥控信号，以完成 传感器的调整与设置。 3 89系列单片机与AVR单片机的对比 KG9701采用传统的89C51单片机。由于推出时 间长、设计资料丰富、应用面广，掌握该芯片使用的技术 人员多

9、。但随着科学技术的发展，新型单片机与其相比 而言有更多优势。现就2种单片机做一对比。 31 89系列单片机的弊端 89系列单片机采用CISC(复杂指令系统)结构。 复杂指令计算机系统设计目的是要用最少的机器语言 指令来完成所需的计算任务。但这种架构造成CPU 结构的复杂性和对CPU工艺的要求。 由于89系列单片机的结构的复杂性，使其集成度 相对较低，如片内集成FLASH ROM较少、无 E2PROM、无看门狗电路等，导致开发产品可能存在以 下问题： (1)运行速度降低 89系列单片机采用复杂指令系统，使其程序的运 1 90 行效率降低，同时程序的复杂也导致存储程序的 FLASHRAM加大，甚至

10、可能采用扩充存储器。 (2)故障率加大 89系列单片机需增加的外围电路，使电路的复杂 性增加，故障率加大。 (3)升级不方便 通常89系列单片机程序的写入需要专用的编程 器，升级程序不方便。 32 AVR单片机的优点 由于89系列单片机的固有缺点，所以采用RISC (精简指令系统)的单片机越来越受到青睐，并大有取代 89系列单片机的趋势。目前采用精简指令系统的单片 机主要有Atmel公司的AVR系列单片机与MICR0一 CHIP公司的PIC系列单片机。Atmel公司的AVR单 片机是1997年由Atmel公司研发的基于RISC技术的 高速8位单片机，其主要优点如下： (1)高性能 AVR单片机

11、采用HARVARD结构，指令为16位， 执行指令与取指令同时进行，每1个时钟周期可执行1 条指令，其运行速度是复杂指令计算机系统 的1520倍。 (2)内置FLASH存储器 AVR单片机内置的FALSH存储器从1128 kB 都有，可根据需要选择不同的芯片并可以扩充。 FALSH可写次数达10 000次以上。 (3)内置多种外围电路 AVR单片机内置独立的看门狗、AD转换、 E2PROM、PWM输出、上电自动复位等电路，应用 AVR单片机大大简化了外围电路，提高了电路的可 靠性。 (4)具有SPI编程功能 SPI编程功能使更新AVR程序仅仅需要几根线即 可，省去了拨下芯片的麻烦，避免了更新程序

12、时损坏单 片机的可能性。 由以上对比可以看出，使用AVR单片机设计煤矿 传感器，将大大降低其外围电路的复杂性，并提高电路 可靠性，使其成为煤矿传感器升级换代的首选。 4使用AVR单片机设计的矿用传感器 AVR单片机共分为Tiny，At90s，Atmega三个档 次。根据需求，此处决定采用Atmega8L作为主芯片。 Atmega8L最高8 MHz工作频率，工作电压27 55 V，有8 kB的Flashrom，l kB的RAM，512 kB的 E2PROM，8路10位AD转换，能满足应用需要，其电 路原理框图如图2所示。 万方数据 传感器核心控制单元采用Atmega8L一8AU单片 机，PB口的

13、PB3，PB4配置为SPI下载线接口，并与外 壳上的接口相连，用于程序更改与升级。PB口PBl配 置为声光报警输出，以用于检测值超过设定值后报警。 PC口的PC0配置为AD转换输入口。由于输入信号 幅度较小，故在电路中加入1级由LM358构成的放大 电路。PC口的PC2配置为红外线接收口，用于接收遥 控板送来的信息。PD口用于4位数码显示。 图2煤矿传感器改进型原理框图 特别注意的是，在硬件设计上，为降低AD转换噪 声，需要在AVCC引脚连接AD转换专用电源。并且 由于AVR芯片内部的AD转换参考电压不够稳定， 故在其Aref引脚配置由精密稳压集成电路TL431构 成的参考电压，以保证AD转换

14、的准确性。目前正在 应用的煤矿传感器的软件系统经过几年的使用与改进， 软件系统已渐趋成熟，加之AVR单片机支持C语言， 所以不需要重新开发新的软件系统，仅对原有的煤矿传 感器的软件系统作简单的改变即可移植到以AVR为 核心的传感器上，改进成本低，转变容易。 使用AVR设计煤矿传感器外围元件少、结构简 单、工作效率高、成本低(每片Atmega8单片机售价不 足10元)。同时AVR芯片在设计时即考虑了其安全 性，只需简单配置即可达到保密的作用，无需在软加密 上多下功夫，有效地保护了自己的知识产权。所以 AVR单片机是设计矿用传感器部件的首选。 参考文献 1李冠群KG9701型智能低浓瓦斯传感器的分

15、析口煤炭科 学技术，2004(11)：3739 2马潮Atmega 8原理与应用M北京：清华大学出版社， 2003 。33丁成根AVR单片机应用设计M北京：北京航空航天大 学出版社，2005 4张军AVR单片机应用系统开发M北京：中国电力出版 社，2005 53 AtmelATmega Data BookEBOLhttp：wwwatmel corn 6煤矿安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局煤矿安 全规程M北京：煤炭工业出版社，2006 7孙运旺传感器技术与应用M杭州：浙江大学出版 社，2006 8孙继平矿井安全监控系统M北京：煤炭工业出版杜， 2006 9Philips 89C5189c

16、5289c5489C58 DatasheetEDOL http lwwwphilipscorn 10目爱青，王玉华煤矿瓦斯传感器性能评价与改进新方案 J电脑开发与应用，2005(2)：2123 作者简介施泽金男，1970年出生，汉族，重庆工程职业技术学院计算机系讲师。主要研究方向为网络技术、控制工程与控制理论。 巾国有条件成为至璃外包基地 当前全球的服务业正在加速转移，中国有条件 列政策措施的颁布和贯彻落实，对软件产业的发 成为全球重要的软件和信息服务外包基地。 展，起到了积极的推动作用。 软件是企业发展的灵魂，是人才密集的高技术 近几年，我国软件产业规模迅速扩大，技术水 产业，当前全球信息产

17、业的价值重心，正在转变，软 平明显提高。骨干企业不断成长，产业体系初步建 件和信息服务业的比重在日益提高。软件及信息 立，中国软件产业在2007年的规模已经达到了5 服务业的创新，已经成为信息产业发展的重要推动8343亿元，软件产业的发展环境在不断优化，在国 力，并日益渗透到经济社会发展的方方面面，深刻 家认定的11个国家软件产业基地和6个软件出口 影响着产业的格局，软件产业成为世界各国鼓励发 基地，已经初步形成了较为完善的公共服务支撑体 展的战略性产业。中国政府高度重视软件产业的 系，培育了一批各具特色的软件产业集群。当前全 发展，专门制定了鼓励软件产业和集成电路产业发 球的服务业正在加速转

18、移，软件和信息服务外包日 展的各项政策，促进软件开发、信息技术服务等信 益活跃。中国有条件成为全球重要的软件和信息 息服务业的发展，推动经济结构优化调整，这一系 服务外包基地。 (摘自中国电-t-报) 191 万方数据 基于AVR单片机的煤矿传感器设计 作者： 施泽全， SHI Zequan 作者单位： 重庆工程职业技术学院,重庆,400037 刊名： 现代电子技术 英文刊名： MODERN ELECTRONICS TECHNIQUE 年，卷(期)： 2008，31(14) 引用次数： 0次 参考文献(10条) 1.李冠群 KG9701型智能低浓瓦斯传感器的分析期刊论文-煤炭科学技术 2004

19、(11) 2.马潮 Atmega 8原理与应用 2003 3.丁成根 AVR单片机应用设计 2005 4.张军 AVR单片机应用系统开发 2005 5.Atmel ATmega Data Book 6.煤矿安全生产监督管理总局.国家煤矿安全监察局 煤矿安全规程 2006 7.孙运旺 传感器技术与应用 2006 8.孙继平 矿井安全监控系统 2006 9.Philips 89C51/89C52/89C54/89C58 Datasheet 10.闫爱青.王玉华 煤矿瓦斯传感器性能评价与改进新方案期刊论文-电脑开发与应用 2005(2) 相似文献(10条) 1.期刊论文 孙继平 2001年版煤矿安全

20、规程关于矿用传感器的修订情况 -工矿自动化2002(4) 介绍了2001年版关于矿用甲烷传感器、风速 传感器、一氧化碳传感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器、设备开停传感器、 风门开关传感器、馈电状态传感器的设置修订情况. 2.期刊论文 付华.高婷.刘洋.FU Hua.GAO Ting.LIU Yang 多传感器模糊信息融合在煤矿安全中的应用 -传感器与 微系统2008,27(5) 我国在矿井安全监测系统中,常采用单只传感器来实现对井下工作环境安全性的监测.为了克服单只传感器无法准确判断是否有危险发生,基于模糊集 系统理论,提出一种应用多传感器模糊信息融合的监测方法,将监测设备的多只传感器

21、所获得的信息模糊化,再将其融合,从而获取设备精确的状态估计.该 方法充分利用了传感器提供的多种信息,提高了系统的识别率.实验结果表明:多传感器信息融合的识别准确率高于单传感器.因而,多传感器模糊信息融合 是一种有潜力的新方法. 3.学位论文 王小将 基于MSP430的甲烷浓度无线采集系统的设计 2009 一直以来，煤矿安全都是国家安全生产关注的重点。煤矿特大事故，几乎全部是由瓦斯爆炸引起的。“瓦斯不治，矿无宁日。”实时检查瓦斯中甲 烷浓度是防止瓦斯事故的一项重要措施。如果采用人员现场采集的方法，人生安全难以保证，且存在着数据滞后性、不能够及时的通知矿下作业人员等 缺陷。本文设计的基于MSP43

22、0甲烷浓度无线采集系统能够很好地解决这个问题。 系统硬件部分：红外甲烷传感器取代传统的催化元件，更安全、 准确。新型单片机MSP430，功耗低，集成度高，方便系统的设计。ZigBee无线模块CC2420集成度高，通信协议简单，组网简单方便。因此只需要很少的 外围设备就能满足系统设计的需求。 系统软件部分：利用430C语言编写功能软件，包括A/D转换程序，系统主程序，以及与PC机通讯程序。采用中 断唤醒技术，实现了MSP430的低功耗工作模式(LPM3)的设计。利用MSP430自带的硬件乘法器设计数字滤波，实现了数据的精确的采集及处理。采用 Delphi编写上位机界面，简单、直观。 本装置采用的

23、核心技术同样也适用于其他气体的检测，以及油田压力检测、气象参数检测等其他远程采集 设备，具有很好的经济性和实用性。 4.期刊论文 刘志存.鲁百佐.LIU Zhi-cun.LU Bai-zuo 基于催化剂表面修饰改善催化传感器性能 -传感器与微系统 2007,26(1) 研究了催化剂载体孔径、比表面积与催化传感器工作性能关系和催化剂表面的酸性或碱性修饰对催化传感器工作性能的影响.得出了经高温焙烧的载 体以及对载体预先进行表面的酸性或碱性处理有利于催化传感器性能提高的结论. 5.期刊论文 蒋磊.刘芳华.JIANG Lei.LIU Fang-hua 催化燃烧型甲烷传感器恒温检测桥路的研究 -工矿自动

24、化 2006(6) 催化燃烧型甲烷传感器的激活是传感器使用的关键问题.文章验证了催化燃烧原理,并分析了甲烷传感器的二值性问题.针对激活和二值性问题,设计 了基于脉冲式恒温供电技术和闭环反馈系统的恒温检测桥路.通过实验取得了良好的效果. 6.期刊论文 翟波 单片机在煤矿安全仪表中的应用 -煤矿安全2004,35(1) 文章以一氧化碳传感器的工作原理为例,从一氧化碳传感的硬件设计和软件设计两方面论述了单片机技术在煤矿安全仪表中的应用. 7.学位论文 于震 催化瓦斯传感器稳定性及提高检测可靠性的方法与实验研究 2008 载体催化瓦斯传感器以其灵敏度高、测量浓度范围宽、体积小、价格低廉等优点，在我国煤

25、矿矿井中被广泛地应用。然而，由于受传感器结构、材 料、催化剂活性衰减等因素的影响，该类瓦斯传感器存在稳定性差，易产生误报漏报等问题。 提高载体催化瓦斯传感器检测的稳定性，一方面需 不断改善敏感材料的稳定性，另一方面，需要从其敏感特性漂移的机理和漂移规律以及环境响应特性出发，并辅以适当的检测方法，以提高检测精度 ，延长传感器使用过程中的标定周期。基于后者，研究其漂移规律和特性补偿方法是必要的。 本文在阐述载体催化瓦斯传感器敏感机理的基础上 ，分析了其特性漂移的原理，并通过大量的实测数据的分析，建立了载体催化瓦斯传感器零点、灵敏度、温湿度等特性漂移模型，在此基础上给出了具 体的特性补偿方法。以瓦斯

26、恒温检测方法为基础，对特性补偿的效果进行了验证，实验证明，经过特性补偿的载体催化瓦斯传感器，其检测误差大大降 低，可满足180天在线连续检测的需要。 8.期刊论文 侯宇刚.涂晓军.赵端.阎静杰.HOU Yu-gang.TU Xiao-jun.ZHAO Duan.YAN Jing-jie 井下多媒体传感器 网络通信频率路由协议研究 -传感器与微系统2008,27(9) 为了解决煤矿井下安全生产问题,提高矿井监测监控能力,提出了一种基于MPEG-4标准的井下多媒体传感器网络(UMSN).UMSN基本功能是收集并返回多 媒体传感器节点在井下监测区域捕获的视频和音频信息,实验结果表明:井下平直巷道中最佳无线通信频率为2.4GHz.大巷的应用中,拉扩散比较合适;人难 以达到的场合,则推扩散比较合适;已知地理位置信息,则位置和能量感知路由是一种更好的选择. 9.期刊论文 尚延廷.张清山 红外温度检测技术在煤矿安全生产中的研究及应用 -科技信息2008(24) 本文阐述了红外温度检测技术在煤矿安全生产中的研究及应用,对皮带机的安全运行和煤矿安全生产具有积极的指导意义和现实意义. 10.期刊论文 于东波 红外甲烷传感器在煤矿安全中的作用 -劳动保护2008(3) 本文链接：http:/ 下载时间：2010年1月6日