綜合課程設(shè)計報告----基于單片機的瓦斯監(jiān)測儀的設(shè)計

1、<p>　　綜 合 課 程 設(shè) 計</p><p><b>　　設(shè)計說明書</b></p><p><b>　　電氣工程學(xué)院</b></p><p>　　2011年12 月28 日綜合課程設(shè)計成績評定表</p><p><b>　　目　　 次</b></p&g

2、t;<p><b>　　引　　言1</b></p><p><b>　　1 文獻(xiàn)綜述3</b></p><p>　　1.1 關(guān)于瓦斯3</p><p>　　1.1.1 礦井瓦斯監(jiān)控技術(shù)3</p><p>　　1.2 系統(tǒng)原理介紹4</p><p>　

3、　2 總體設(shè)計方案5</p><p>　　2.1 硬件電路介紹5</p><p>　　2.1.1 恒溫控制信號取樣電路6</p><p>　　2.1.2 鋸齒波發(fā)生電路7</p><p>　　2.1.3 電壓比較電路9</p><p>　　2.1.4 脈沖電壓穩(wěn)幅電路9</p><p&

4、gt;　　2.1.5 聲光報警電路10</p><p>　　3 具體實施方案12</p><p>　　3.1 CPU模塊設(shè)計- AT89S8252 單片機的結(jié)構(gòu)及原理簡介12</p><p>　　3.2 智能瓦斯傳感器的設(shè)計12</p><p>　　3.3智能監(jiān)控系統(tǒng)下位機的軟件框架14</p><p>　

5、　3.4 LCD顯示器18</p><p>　　3.5 PID控制20</p><p>　　PID控制實現(xiàn)21</p><p>　　3.6 軟件流程圖24</p><p><b>　　總結(jié)26</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)26</b></

6、p><p><b>　　引　　言</b></p><p>　　在我國煤礦安全事故中, 瓦斯爆炸造成的傷亡人數(shù)占所有重大事故傷亡人數(shù)的70 % 以上, 成為實現(xiàn)安全生產(chǎn)的最大障礙, 及時準(zhǔn)確地檢測瓦斯含量, 在安全生產(chǎn)中具有重要意義。為了適應(yīng)現(xiàn)代社會煤礦安全的要求, 針對我國中小型煤礦特別是小型煤礦存在的隱患問題, 現(xiàn)代化的、小型的、價格低廉的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)的研制勢在必行

7、, 它的研制在煤礦安全方面具有舉足輕重的作用, 所以設(shè)計一種低成本煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)是適應(yīng)我國許多中小型煤礦需求的。</p><p>　　煤礦瓦斯是指礦井中主要由煤層氣構(gòu)成的以甲烷為主的有害氣體的總稱。有時也單獨指甲烷。瓦斯在空氣的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到一定的程度（5%～12%）時，在一定條件下可與空氣中的氧氣發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)而形成瓦斯爆炸，對煤礦安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。</p><p>　　傳統(tǒng)的煤礦瓦

8、斯監(jiān)控系統(tǒng)大體可以分為兩大部分：井下部分和井上部分。井下部分主要通過各種檢測設(shè)備（各種傳感器，如風(fēng)量傳感器、負(fù)壓（壓力）傳感器、一氧化碳傳感器和礦用設(shè)備開停傳感器等）來采集井下各種氣體的濃度與含量、井下空氣狀況、設(shè)備的運轉(zhuǎn)情況等數(shù)據(jù)，然后通過現(xiàn)場總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄稀Ｔ诰?，井下傳上來的?shù)據(jù)通過專線與煤礦安全管理辦公室服務(wù)器和更高一級安全主管部門服務(wù)器連接。服務(wù)器上面運行的是監(jiān)控軟件。上面有井下每一個傳感器的標(biāo)簽，所顯示的數(shù)據(jù)通過上傳數(shù)

9、據(jù)的改變而不斷刷新。同時，監(jiān)控軟件還可以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、處理、分析和存檔，可以作為相關(guān)負(fù)責(zé)人員決策的重要依據(jù)。并且監(jiān)控軟件具有超標(biāo)自動報警功能，用來提示工作人員對設(shè)備的故障或現(xiàn)場瓦斯?jié)舛惹闆r，以及時采取措施，避免重大事件的發(fā)生。</p><p>　　煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)的意義不言而喻。以山西省為例，近幾年，特別是2006年以來，山西省煤炭系統(tǒng)在黨和各級政府及安全部門的重視下，全省煤礦信息化工作有了新發(fā)展，取得

10、了新成績。特別是由瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)所形成的全省煤礦四級信息網(wǎng)絡(luò)平臺，是計算機網(wǎng)絡(luò)及信息技術(shù)用于瓦斯安全治理的一項創(chuàng)舉，極大的促進(jìn)了山西煤炭信息化工作。山西省地方煤礦現(xiàn)有2806座礦井全部安裝了瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，已連網(wǎng)運行2671座。這些系統(tǒng)的運用，極大的降低了煤礦瓦斯事故。</p><p>　　我設(shè)計的是基于單片機的井下瓦斯?jié)舛戎悄軅鞲衅?，該系統(tǒng)以單片機AT87C552為核心，包含甲烷濃度采樣器、把220V的

11、交流電轉(zhuǎn)換成5V的直流電源、紅外遙控系統(tǒng)、存儲器的擴展、LCD顯示器和報警裝置等組成。該傳感器可以有效的監(jiān)測井下低濃及高濃瓦斯，試用范圍非常廣泛。監(jiān)測到的信息傳輸?shù)絾纹瑱C，經(jīng)單片機處理后發(fā)出指令，如果瓦斯超過規(guī)定值，該系統(tǒng)可以立即發(fā)出聲光報警并自動發(fā)出執(zhí)行指令以降低瓦斯?jié)舛取?lt;/p><p><b>　　1 文獻(xiàn)綜述</b></p><p><b>　　1

12、.1 關(guān)于瓦斯</b></p><p>　　1.1.1 礦井瓦斯監(jiān)控技術(shù)</p><p>　　礦井瓦斯監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)是伴隨著煤炭工業(yè)發(fā)展而逐步發(fā)展起來的。1815年，英國發(fā)明的世界上第一種瓦斯監(jiān)測儀器——瓦斯檢定燈。利用火焰的高度來檢測瓦斯?jié)舛龋?0世紀(jì)30年代，日本發(fā)明了光干涉瓦斯檢定器，一直沿用至今；20世紀(jì)40年代，美國研制了檢測瓦斯?jié)舛鹊拿舾性K絲催化元件；1954年

13、，英國采礦安全所研制了最早的載體催化元件。電子技術(shù)的進(jìn)展推動了瓦斯檢測控制裝置的進(jìn)一步發(fā)展，如20世紀(jì)70年代后期法國研制的CTT63/40U礦井監(jiān)控系統(tǒng)、英國的MINOS系統(tǒng)、美國的SCA—DA系統(tǒng)等。</p><p>　　我國礦井瓦斯監(jiān)控技術(shù)經(jīng)歷了從簡單到復(fù)雜、從低水平到高水平的發(fā)展過程。從新中國成立初期到20世紀(jì)70年代，煤礦下井人員主要使用光學(xué)瓦斯檢定儀、風(fēng)表等攜帶式儀器檢測井下環(huán)境參數(shù)。20世紀(jì)60年代

14、初期，我國開始研制載體催化元件，隨著敏感元件制造水平的提高和電子技術(shù)的發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路、微型計算機的廣泛應(yīng)用，使監(jiān)控技術(shù)進(jìn)入了新的發(fā)展時期。20世紀(jì)70年代瓦斯斷電儀問世，裝備在采掘工作面、回風(fēng)港道等井下固定地點，實現(xiàn)了對瓦斯的自動連續(xù)檢測及超限自動切斷被控制設(shè)備的電源。隨后，陸續(xù)研制了便攜式瓦斯監(jiān)控檢測報警儀、瓦斯報警礦燈。1983年至1985年，從歐美國家先后引進(jìn)了數(shù)十套監(jiān)控系統(tǒng)及配套的傳感器和便攜式儀器裝備煤礦礦井，并相

15、應(yīng)地引進(jìn)了部分監(jiān)控系統(tǒng)、傳感器和敏感元件制造技，由此推動了我國礦井安全監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展。1983年以后，國內(nèi)有多種型號礦井監(jiān)控系統(tǒng)通過了技術(shù)鑒定，逐步實現(xiàn)了對煤礦礦井安全、生產(chǎn)多種參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測、監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理。近幾年，隨著計算機的發(fā)明和應(yīng)用，特別是網(wǎng)絡(luò)和信息化建設(shè)的不斷發(fā)展，給瓦斯治理提供了機遇條件，煤礦瓦斯監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)運而生。這些裝備和系統(tǒng)的推廣與應(yīng)</p><p>　　1.2 系統(tǒng)原理介紹&

16、lt;/p><p><b>　　電路簡介</b></p><p>　　根據(jù)上述的變流瓦斯檢測原理，設(shè)計了如圖所示的變流瓦斯檢測電路，該電路主要由電橋不平衡信號取樣電路、鋸齒波發(fā)生電路、電壓比較器和脈沖穩(wěn)幅電路四個部分組成。</p><p><b>　　2 總體設(shè)計方案</b></p><p>　　2.

17、1 硬件電路介紹</p><p>　　根據(jù)上節(jié)所述的變流瓦斯檢測原理，設(shè)計了如圖所示的變流瓦斯檢測電路，該電路主要由電橋不平衡信號取樣電路、鋸齒波發(fā)生電路、電壓比較器和脈沖穩(wěn)幅電路四個部分組成。</p><p>　　智能瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)總電路圖</p><p>　　2.1.1 恒溫控制信號取樣電路</p><p>　　與催化元件反應(yīng)時產(chǎn)生的不平衡

18、電壓，而是用運放集成塊組成運算電路，對電壓信號進(jìn)行處理，這樣做的好處是抑制共模信號的能力增強了，同時由于黑元件上催化燃燒產(chǎn)生的電壓只有毫伏級，不能直接與鋸齒波信號進(jìn)行比較，在Uo1的后面加入了同相比例運算電路，對前面輸出的電壓進(jìn)行放大，以使其能與鋸齒波電壓進(jìn)行比較從而輸出所需的脈沖電壓。當(dāng)有瓦斯氣體時，在黑元件上發(fā)生催化燃燒，黑元件溫度上升，其阻值也隨之上升，它上面的電壓升高，不難推出：</p><p>　　式中

19、、為無瓦斯時的阻值，、為電流流經(jīng)元件時溫度上升產(chǎn)生的阻值，為瓦斯氣體在元件上燃燒時溫度上升產(chǎn)生的阻值，前面已經(jīng)提及，所謂的恒溫是指溫度在一個很小的范圍內(nèi)波動近似看成的，因此、、的值都是非常小的，故ΔU也很小，需要經(jīng)過放大才能與鋸齒波進(jìn)行比較。</p><p>　　則 </p><p>　　適當(dāng)選取電阻值，使m=1，n=2，這樣便可獲得瓦斯在黑元件上燃燒產(chǎn)生

20、的電壓。</p><p>　　這里在實驗室用QJ23單臂直流電橋?qū)︺K絲繞制的黑白元件的阻值進(jìn)行了測定，當(dāng)環(huán)境溫度為16℃～19℃時，測得的黑白元件的阻值分別為8.236Ω和8.227Ω（實際上這時黑白元件的溫度已經(jīng)大于400℃，達(dá)到了工作狀態(tài)）。在檢測瓦斯時需要將催化元件加熱到500℃左右，給黑白元件提供3V的恒定電壓，發(fā)生催化燃燒時，假設(shè)溫度上升10℃，這時候黑元件阻值變?yōu)?0Ω左右，電流大概是150mA，則黑

21、元件上產(chǎn)生的電壓大概為0.265V。</p><p>　　取為14左右，則可將瓦斯催化燃燒產(chǎn)生的電壓放大到合適的幅值與鋸齒波電壓進(jìn)行比較。</p><p>　　2.1.2 鋸齒波發(fā)生電路</p><p>　　555定時器是一種應(yīng)用極為廣泛的中規(guī)模集成電路。該芯片使用靈活方便，只需外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成單穩(wěn)、多諧和施密特觸發(fā)器，因而廣泛用于信號的產(chǎn)生、變換、控制

22、與檢測。圖9為NE555和R2，R3，C1組成的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器：</p><p>　　振蕩器的輸出頻率為：</p><p>　　由此可算得輸出頻率為1kHz，C2起正反饋作用，即在Q1射級跟隨器輸出鋸齒波的同時，正反饋至R2的上端，故在C1充電期間，R2上的壓降保持不變，即C1的充電速率不變，因而極大地保證了鋸齒波的線性。其非線性可控制在1%以下，且溫度穩(wěn)定性好。圖中在555的電壓控制端

23、5腳外接了一個可調(diào)的控制電壓，用以改變555內(nèi)部比較器的基準(zhǔn)電壓值，即比較電平，由此可改變鋸齒波的振幅，這里通過調(diào)節(jié)Rp1使輸出鋸齒波的最大值為4V。</p><p>　　2.1.3 電壓比較電路</p><p>　　電壓比較器可將模擬信號轉(zhuǎn)換成二值信號，即只有高電平和低電平兩種狀態(tài)的離散信號。因此可用電壓比較器來產(chǎn)生脈沖方波電壓信號。電路如圖10所示： </p><p

24、>　　這里選用的電壓比較器的型號為AD790，它有同相和反相兩個輸入端，同相端接鋸齒波電壓信號，反相端接瓦斯檢測電路的輸出電壓，也就是脈沖電壓寬度的控制信號。比較器采用單電源供電，引腳8接邏輯電平，其取值決定于負(fù)載所需高電平，這里接+5V，此時比較器輸出高電平為4.3V。引腳5為鎖存控制端，當(dāng)它為低電平時，鎖存輸出信號。圖10中C4、C5均為去耦電容，用于濾去比較器輸出產(chǎn)生變化時電源電壓的波動，R8是輸出高電平時的上拉電阻。<

25、;/p><p>　　2.1.4 脈沖電壓穩(wěn)幅電路</p><p>　　電路中選用TL431芯片對比較器輸出的脈沖電壓進(jìn)行穩(wěn)幅</p><p>　　TL431是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源, 它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref（2.5V）到36V的任何值，工作電流范圍為1mA～100mA，K、A腳兩端輸出電壓為：</p><

26、;p>　　改變Rp2的阻值，就可以改變輸出基準(zhǔn)電壓大小，這里通過調(diào)節(jié)Rp2使輸出的脈沖電壓的幅值穩(wěn)定在3V。</p><p>　　2.1.5 聲光報警電路</p><p>　　上述是本設(shè)計瓦斯傳感器的聲光報警電路，有圖可以看出</p><p>　　是以555為核心的電路由555電路組成一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，上電打開開關(guān)S1后，C1兩端電壓為0，555電路的輸出腳輸

27、出高電平，報警器電路工作，進(jìn)入報警狀態(tài)。此時若水銀開關(guān)斷開，電源經(jīng)R2向C1充電，當(dāng)C1兩端的電壓充到高于2/3Vcc時，電路翻轉(zhuǎn)，輸出端變?yōu)榈碗娖捷敵觯瑘缶娐肥щ娡Ｖ构ぷ?。此時報警器便進(jìn)入報警守候狀態(tài)。這時若報警器受到振動，就會使水銀開關(guān)中的水銀一起振動，當(dāng)開關(guān)接通時，555電路的2腳便輸入一個低電平信號，這個低電平信號使得單穩(wěn)電路輸出狀態(tài)改變，輸出端變?yōu)楦唠娖剑瑘缶娐饭ぷ?，另一方面通過7腳將充于電容C1上的電荷放完，這時就算水銀

28、開關(guān)再次斷開，由于C1兩電壓低于2/3Vcc，電路也將保持輸出高電平，使報警電路工作，若一直有振通信號使水銀開關(guān)接通，系統(tǒng)將一直報警，若報警后報警器不再振動，則當(dāng)C1上的電充到大于2/3Vcc時，報警將自動停止，因此每次報警的自動關(guān)斷時間為R2和C1的充電常數(shù)值。。該報警器由直流穩(wěn)壓電源、定時開關(guān)電路和聲控脈沖產(chǎn)生器三部分組成。圖中S為話筒，它將腳步聲或其他聲響轉(zhuǎn)換為電信號，且放大后加至555時基電路的觸發(fā)端②腳。555與R6、C2組成

29、一個單</p><p><b>　　3 具體實施方案</b></p><p>　　3.1 CPU模塊設(shè)計- AT89S8252 單片機的結(jié)構(gòu)及原理簡介</p><p>　　AT89S8252 是一種低功耗、高性能CMOS8 位微控制器,具有8K在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造, 與工業(yè)80C51

30、 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程, 亦適常規(guī)編程器。在單芯片上, 擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash , 使得AT89S8252 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S8252 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能: 8k字節(jié)Flash , 256 字節(jié)RAM , 32 位I/ O 口線, 看門狗定時器, 2 個數(shù)據(jù)指針, 三個16 位定時器/ 計數(shù)器, 一個6 向量2 級中斷結(jié)構(gòu)

31、, 全雙工串行口, 片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外,</p><p>　　AT89S8252 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作, 支持2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下, CPU 停止工作, 允許RAM、定時器/ 計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下, RAM 內(nèi)容被保存, 振蕩器被凍結(jié), 單片機一切工作停止, 直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。</p><p>　　AT89S8252 單片機內(nèi)部

32、原理</p><p>　　3.2 智能瓦斯傳感器的設(shè)計</p><p>　　傳感元件位于傳感器系統(tǒng)之首, 被測瓦斯含量由它轉(zhuǎn)換為電信號才能供給電路處理, 因此它的性能對傳感器系統(tǒng)有著很大的影響。在選用傳感元件時, 一是測量精度高; 二是工作可靠; 三是工作條件能適應(yīng)惡劣環(huán)境的要求, 最重要的是應(yīng)具有防爆功能。通過慎重調(diào)研對比, 最后選用了中國船舶重工集團(tuán)公司生產(chǎn)的LXK- 2 新型載體催化

33、元件, 其優(yōu)于傳統(tǒng)的催化元件, 在響應(yīng)特性、長期儲存特性、溫度特性和長期穩(wěn)定性方</p><p>　　面, 都有了明顯的改進(jìn)。載體催化元件由一個帶催化劑敏感元件(俗稱黑元件) 和一個不帶催化劑的補償元件(俗稱白元件) 構(gòu)成, 兩個元件的結(jié)構(gòu)和尺寸均相同, 催化元件最里層是鉑絲線圈, 外面是載體和催化劑形成的催化外殼。鉑絲線圈用于通電加熱催化外殼維持瓦斯催化燃燒反應(yīng)所需的溫度同時又兼作感溫元件。檢測在催化反應(yīng)中催化

34、外殼溫度的變化。</p><p>　　催化反應(yīng)的方程式為:</p><p>　　CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + 79515KJ</p><p><b>　　傳感器檢測電橋</b></p><p>　　催化反應(yīng)過程中無焰燃燒放出熱量, 增加了敏感元件鉑絲的電阻值, 通過圖3 所示惠斯通電橋測量的電路可以測

35、量其載體催化元件電阻變化量, 圖中RD 是敏感元件, RC 為補償元件, 將RD 和RC 置于同一測量氣室中, 由穩(wěn)壓源或恒流源供電, 在無瓦斯的新鮮空氣中RD = RC 調(diào)整電橋使之平衡, 信號輸出端電壓UAB = 0 。當(dāng)瓦斯進(jìn)入氣室, 在敏感元件RD 表面發(fā)生無焰催化燃燒RD 阻值隨溫度上升而增加為RD +ΔRD , 而補償元件RC 阻值不變從而電橋失去平衡。</p><p>　　當(dāng)采用恒壓源E 供電時,

36、輸出不平衡電壓為:</p><p>　　UAB = ( RD + RD) E/ RC + RD + RD - E/ 2</p><p>　　設(shè)RD = RC = R mΔRD 則:</p><p>　　UAB≈ RDE/ 2 R≈K13 RD</p><p>　　顯然, 電橋輸出電壓取決于敏感元件的阻值變化量ΔRD對于鉑絲元件其電阻變化量可用

37、下式表示</p><p>　　ΔRD =α (ΔH/ h) R0 =α ( DCQ/ h) R0</p><p>　　式中, α鉑絲的電阻溫度系數(shù)α= 319485 ×10 - 3 / CΔH 為瓦斯燃燒熱量;h 為敏感元件熱容量;D 為瓦斯擴散系數(shù);C 為被測環(huán)境中的瓦斯?jié)舛?Q 為瓦斯分子燃燒熱;</p><p>　　R0 為鉑絲0 ℃時的阻值。其中a

38、、h、R0 與敏感元件的材料、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、尺寸有</p><p>　　關(guān), 擴散系數(shù)D 和瓦斯的分子燃燒熱Q 都是常數(shù), 可用一個常數(shù)k2 代表這些因素, 因而上式可寫為:</p><p>　　ΔRD = k2* C</p><p>　　則UAB = k1 k2 C</p><p>　　即電橋輸出電壓與瓦斯?jié)舛瘸烧?。系統(tǒng)通過實時監(jiān)測從檢測

39、電路采集來的瓦斯?jié)舛刃畔⒉⒃陲@示電路中顯示相應(yīng)的信息, 當(dāng)瓦斯?jié)舛冗^大時就會發(fā)出警報。瓦斯信息的采集又通過由A/ D 轉(zhuǎn)換電路來傳給單片機,實現(xiàn)實時的監(jiān)控功能。通過單片機控制各部分實現(xiàn)其相應(yīng)的功能。</p><p>　　3.3智能監(jiān)控系統(tǒng)下位機的軟件框架</p><p><b>　　分模塊軟件框架</b></p><p>　　主程序的功能是:

40、開機以后, 首先進(jìn)行初始化, 包括智能芯片有關(guān)變量的初始化, 單片機相關(guān)的寄存器以及I/ O 口初始化等。同時負(fù)責(zé)管理和調(diào)用各個子程序。為保證下位機響應(yīng)上位機呼叫的實時性, 串行通信采用中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送, A/ D 轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取采取查詢方式。設(shè)計主程序流程圖如下：</p><p>　　從圖中可以看到，把ALE信號與START信號接在一起了，這樣連接使得在信號的前沿寫入（鎖存）通道地址，緊接著在其后沿

41、就啟動轉(zhuǎn)換。圖9.19是有關(guān)信號的時間配合示意圖。</p><p>　　啟動A/D轉(zhuǎn)換只需要一條MOVX指令。在此之前，要將P2.0清零并將最低三位與所選擇的通道好像對應(yīng)的口地址送入數(shù)據(jù)指針DPTR中。例如要選擇IN0通道時，可采用如下兩條指令，即可啟動A/D轉(zhuǎn)換：</p><p>　　MOV DPTR , #FE00H ；送入0809的口地址</p><p>　　

42、MOVX @DPTR , A ；啟動A/D轉(zhuǎn)換（IN0）</p><p>　　注意：此處的A與A/D轉(zhuǎn)換無關(guān)，可為任意值。</p><p><b>　　1 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送</b></p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時傳送給單片機進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換的完成，因為只有確認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送。為此可采用下述三

43、種方式。</p><p><b>　　（1）定時傳送方式</b></p><p>　　對于一種A/D轉(zhuǎn)換其來說，轉(zhuǎn)換時間作為一項技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。例如ADC0809轉(zhuǎn)換時間為128μs，相當(dāng)于6MHz的MCS-51單片機共64個機器周期?？蓳?jù)此設(shè)計一個延時子程序，A/D轉(zhuǎn)換啟動后即調(diào)用此子程序，延遲時間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。</

44、p><p><b>　　（2）查詢方式</b></p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換芯片由表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查詢方式，測試EOC的狀態(tài)，即可卻只轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。</p><p><b>　?。?）中斷方式</b></p><p>　　把表明轉(zhuǎn)換完

45、成的狀態(tài)信號（EOC）作為中斷請求信號，以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。不管使用上述那種方式，只要一旦確定轉(zhuǎn)換完成，即可通過指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。首先送出口地址并以信號有效時，OE信號即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，供單片機接受。不管使用上述那種方式，只要一旦確認(rèn)轉(zhuǎn)換結(jié)束，便可通過指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。所用的指令為MOVX 讀指令，仍以圖9-17所示為例，則有</p><p>　　MOV DPTR , #FE00H</p&

46、gt;<p>　　MOVX A , @DPTR</p><p>　　該指令在送出有效口地址的同時，發(fā)出有效信號，使0809的輸出允許信號OE有效，從而打開三態(tài)門輸出，是轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線送入A累加器中。這里需要說明的示，ADC0809的三個地址端A、B、C即可如前所述與地址線相連，也可與數(shù)據(jù)線相連，例如與D0～D2相連。這是啟動A/D轉(zhuǎn)換的指令與上述類似，只不過A的內(nèi)容不能為任意數(shù)，而必須和所

47、選輸入通道號IN0～I(xiàn)N7相一致。例如當(dāng)A、B、C分別與D0、D1、D2相連時，啟動IN7的A/D轉(zhuǎn)換指令如下：</p><p>　　MOV DPTR， #FE00H ；送入0809的口地址 MOV A ，#07H ；D2D1D0=111選擇IN7通道</p><p>　　MOVX @DPTR， A ；啟動A/D轉(zhuǎn)換</p><p><b>　　

48、A/D轉(zhuǎn)換應(yīng)用舉例</b></p><p>　　設(shè)有一個8路模擬量輸入的巡回監(jiān)測系統(tǒng)，采樣數(shù)據(jù)依次存放在外部RAM 0A0H～0A7H單元中,按圖9.10所示的接口電路，ADC0809的8個通道地址為0FEF8H～0FEFFH.其數(shù)據(jù)采樣的初始化程序和中斷服務(wù)程序（假定只采樣一次）如下：</p><p><b>　　初始化程序：</b></p>

49、<p>　　MOV R0, #0A0H ；數(shù)據(jù)存儲區(qū)首地址</p><p>　　MOV R2, #08H ；8路計數(shù)器</p><p>　　SETB IT1 ；邊沿觸發(fā)方式</p><p>　　SETB EA ；中斷允

50、許</p><p>　　SETB EX1 ；允許外部中斷1中斷</p><p>　　MOV DPTR,#0FEF8H ；D/A轉(zhuǎn)換器地址</p><p>　　LOOP: MOVX @DPTR,A ；啟動A/D轉(zhuǎn)換</p><p>　　HERE:

51、 SJMP HERE ；等待中斷</p><p><b>　　中斷服務(wù)程序：</b></p><p>　　DJNZ R2,ADEND</p><p>　　MOVX A,@DPTR ；數(shù)據(jù)采樣</p><p>　　MOVX @R0,A

52、 ；存數(shù)</p><p>　　INC DPTR ；指向下一模擬通道</p><p>　　INC R0 ；指向數(shù)據(jù)存儲器下一單元</p><p>　　MOVX @DPTR,A</p><p>　　ADEND: RETI<

53、;/p><p>　　3.4 LCD顯示器</p><p>　　LED數(shù)碼有共陽和共陰兩種，把這些LED發(fā)光二極管的正極接到一塊（一般是拼成一個8字加一個小數(shù)點）而作為一個引腳，就叫共陽的，相反的，就叫共陰的，那么應(yīng)用時這個腳就分別的接VCC和GND。再把多個這樣的8字裝在一起就成了多位的數(shù)碼管了。 </p><p>　　找公共共陰和公共共陽首先，我們找個電源|穩(wěn)壓器（

54、3到5伏）和1個1K（幾百的也歐的也行）的電阻，　VCC串接個電阻后和GND接在任意2個腳上，組合有很多，但總有一個LED會發(fā)光的找到一個就夠了，，然后用GND不動，VCC（串電阻）逐個碰剩下的腳，如果有多個LED（一般是8個），那它就是共陰的了。</p><p>　　相反用VCC不動，GND逐個碰剩下的腳，如果有多個LED（一般是8個），那它就是共陽的了。</p><p>　　為了使LE

55、D顯示器顯示不同的符號或數(shù)字，就要把不同段的發(fā)光二極管點亮，這樣就有為LED顯示器提供代碼，因為這些代碼可使LED相應(yīng)的段發(fā)光，從而顯示不同字型，因此該代碼稱之為段碼（或稱為字型碼）</p><p>　　3.5 PID控制</p><p>　　在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)

56、簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出

57、控制量進(jìn)行控制的。</p><p>　　PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)

58、的試驗中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)

59、，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。</p><p><b>　　PID控制實現(xiàn)</b></p><p>　　1 ． PID 的反饋邏輯 </p><p>　　各種變頻器的反饋邏輯稱謂各不相同，甚至有類似的稱謂而含義相反的情形。系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)以所選

60、用變頻器的說明書介紹為準(zhǔn)。所謂反饋邏輯，是指被控物理量經(jīng)傳感器檢測到的反饋信號對變頻器輸出頻率的控制極性。例如中央空調(diào)系統(tǒng)中，用回水溫度控制調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率和水泵電機的轉(zhuǎn)速。冬天制熱時，如果回水溫度偏低，反饋信號減小，說明房間溫度低，要求提高變頻器輸出頻率和電機轉(zhuǎn)速，加大熱水的流量；而夏天制冷時，如果回水溫度偏低，反饋信號減小，說明房間溫度過低，可以降低變頻器的輸出頻率和電機轉(zhuǎn)速．減少冷水的流量。由上可見，同樣是溫度偏低，反饋信號減

61、小，但要求變頻器的頻率變化方向卻是相反的。這就是引入反饋邏輯的原由。幾種變頻器反饋邏輯的功能選擇見表 1 。 </p><p>　　2 ．打開 PID 功能 </p><p>　　要實現(xiàn)閉環(huán)的 PID 控制功能，首先應(yīng)將 PID 功能預(yù)置為有效。具體方法有兩種：一是通過變頻器的功能參數(shù)碼預(yù)置，例如，康沃 CVF-G2 系列變頻器，將參數(shù) H-48 設(shè)為 O 時，則無 PID 功能；設(shè)為 1

62、 時為普通 PID 控制；設(shè)為 2 時為恒壓供水 PID 。二是由變頻器的外接多功能端子的狀態(tài)決定。例如安川 CIMR-G 7A 系列變頻器，如圖 1 所示，在多功能輸入端子 Sl-S10 中任選一個，將功能碼 H1-01 ～ H1-10( 與端子 S1-S10 相對應(yīng) ) 預(yù)置為 19 ，則該端子即具有決定 PI[) 控制是否有效的功能，該端子與公共端子 SC “ ON ”時無效，“ OFF ”時有效。應(yīng)注意的是．大部分變頻器兼有上述

63、兩種預(yù)置方式，但有少數(shù)品牌的變頻器只有其中的一種方式。 </p><p>　　在一些控制要求不十分嚴(yán)格的系統(tǒng)中，有時僅使用 PI 控制功能、不啟動 D 功能就能滿足需要，這樣的系統(tǒng)調(diào)試過程比較簡單。 </p><p>　　3 ．目標(biāo)信號與反饋信號 </p><p>　　欲使變頻系統(tǒng)中的某一個物理量穩(wěn)定在預(yù)期的目標(biāo)值上，變頻器的 PID 功能電路將反饋信號與目標(biāo)信號不

64、斷地進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果來實時地調(diào)整輸出頻率和電動機的轉(zhuǎn)速。所以，變頻器的 PID 控制至少需要兩種控制信號：目標(biāo)信號和反饋信號。這里所說的目標(biāo)信號是某物理量預(yù)期穩(wěn)定值所對應(yīng)的電信號，亦稱目標(biāo)值或給定值；而該物理量通過傳感器測量到的實際值對應(yīng)的電信號稱為反饋信號，亦稱反饋量或當(dāng)前值。 PID 控制的功能示意圖見圖 2 。圖中有一個 PID 開關(guān)。可通過變頻器的功能參數(shù)設(shè)置使 PID 功能有效或無效。 PID 功能有效時，由 PID

65、電路決定運行頻率； PID 功能無效時，由頻率設(shè)定信號決定運行頻率。 PID 開關(guān)、動作選擇開關(guān)和反饋信號切換開關(guān)均由功能參數(shù)的設(shè)置決定其工作狀態(tài)。 </p><p><b>　　4 ．目標(biāo)值給定 </b></p><p>　　如何將目標(biāo)值 ( 目標(biāo)信號 ) 的命令信息傳送給變頻器，各種變頻器選擇了不同的方法，而歸結(jié)起來大體上有如下兩種方案：一是自動轉(zhuǎn)換法，即變頻器預(yù)

66、置 PID 功能有效時，其開環(huán)運行時的頻率給定功能自動轉(zhuǎn)為目標(biāo)值給定．如表 2 中的安川 CIMR-G 7A 與富士 P11S 變頻器。二是通道選擇法，如表 2 中的康沃 CVF-G2 、森蘭 SB12 和普傳 P17000 系列變頻器。 </p><p>　　以上介紹了目標(biāo)信號的輸入通道，接著要確定目標(biāo)值的大小。由于目標(biāo)信號和反饋信號通常不是同一種物理量。難以進(jìn)行直接比較，所以，大多數(shù)變頻器的目標(biāo)信號都用傳感器

67、量程的百分?jǐn)?shù)來表示。例如，某儲氣罐的空氣壓力要求穩(wěn)定在 1 ． 2MPa ，壓力傳感器的量程為 2MPa ，則與 1 ． 2MPa 對應(yīng)的百分?jǐn)?shù)為 60 ％，目標(biāo)值就是 60 ％。而有的變頻器的參數(shù)列表中，有與傳感器量程上下限值對應(yīng)的參數(shù)，例如富士 P11S 變頻器，將參數(shù) E40( 顯示系數(shù) A) 設(shè)為 2 ，即壓力傳感器的量程上限 2MPa ：參數(shù) E41( 顯示系數(shù) B) 設(shè)為 0 ，即量程下限為 0 ，則目標(biāo)值為 1 ． 2 。

68、即壓力穩(wěn)定值為 1 ． 2 MPa 。目標(biāo)值即是預(yù)期穩(wěn)定值的絕對值。 </p><p>　　5 ．反饋信號的連接 </p><p>　　各種變頻器都有若干個頻率給定輸入端，在這些輸入端子中，如果已經(jīng)確定一個為目標(biāo)信號的輸入通道，則其他輸入端子均可作為反饋信號的輸入端?？赏ㄟ^相應(yīng)的功能參數(shù)碼選擇其中的一個使用。比較典型的幾種變頻器反饋信號通道選擇見表 3 。 </p><

69、p>　　6 ． P 、 I 、 D 參數(shù)的預(yù)置與調(diào)整 </p><p>　　(1) 比例增益 P </p><p>　　變頻器的 PID 功能是利用目標(biāo)信號和反饋信號的差值來調(diào)節(jié)輸出頻率的，一方面，我們希望目標(biāo)信號和反饋信號無限接近，即差值很小，從而滿足調(diào)節(jié)的精度：另一方面，我們又希望調(diào)節(jié)信號具有一定的幅度，以保證調(diào)節(jié)的靈敏度。解決這一矛盾的方法就是事先將差值信號進(jìn)行放大。比例增益

70、P 就是用來設(shè)置差值信號的放大系數(shù)的。任何一種變頻器的參數(shù) P 都給出一個可設(shè)置的數(shù)值范圍，一般在初次調(diào)試時， P 可按中間偏大值預(yù)置．或者暫時默認(rèn)出廠值，待設(shè)備運轉(zhuǎn)時再按實際情況細(xì)調(diào)。 </p><p><b>　　(2) 積分時間 </b></p><p>　　如上所述．比例增益 P 越大，調(diào)節(jié)靈敏度越高，但由于傳動系統(tǒng)和控制電路都有慣性，調(diào)節(jié)結(jié)果達(dá)到最佳值時不能

71、立即停止，導(dǎo)致“超調(diào)”，然后反過來調(diào)整，再次超調(diào)，形成振蕩。為此引入積分環(huán)節(jié) I ，其效果是，使經(jīng)過比例增益 P 放大后的差值信號在積分時間內(nèi)逐漸增大 ( 或減小 ) ，從而減緩其變化速度，防止振蕩。但積分時間 I 太長，又會當(dāng)反饋信號急劇變化時，被控物理量難以迅速恢復(fù)。因此， I 的取值與拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)：拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較小時，積分時間應(yīng)短些；拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較大時，積分時間應(yīng)長些。 </p><p&g

72、t;　　(3) 微分時間 D </p><p>　　微分時間 D 是根據(jù)差值信號變化的速率，提前給出一個相應(yīng)的調(diào)節(jié)動作，從而縮短了調(diào)節(jié)時間，克服因積分時間過長而使恢復(fù)滯后的缺陷。 D 的取值也與拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)：拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較小時，微分時間應(yīng)短些；反之，拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較大時， 微分時間應(yīng)長些。 </p><p>　　(4)P 、 I 、 D 參數(shù)的調(diào)整原則 </p&g

73、t;<p>　　P 、 I 、 D 參數(shù)的預(yù)置是相輔相成的，運行現(xiàn)場應(yīng)根據(jù)實際情況進(jìn)行如下細(xì)調(diào)：被控物理量在目標(biāo)值附近振蕩，首先加大積分時間 I ，如仍有振蕩，可適當(dāng)減小比例增益 P 。被控物理量在發(fā)生變化后難以恢復(fù)，首先加大比例增益 P ，如果恢復(fù)仍較緩慢，可適當(dāng)減小積分時間 I ，還可加大微分時間 D </p><p>　　在該系統(tǒng)中，通過將輸出信號反饋給輸入端，經(jīng)過PID控制器比較判斷，決定輸

74、出值是否超過設(shè)定值，如果如果輸出值超過設(shè)定值，則PID控制器通過控制閥門開閉的大小來控制輸出量，使其降低到設(shè)定值；如果輸出值低于設(shè)定值，則PID控制器通過控制閥門開閉的大小來控制輸出量，使其升高到設(shè)定值。</p><p><b>　　3.6 軟件流程圖</b></p><p>　　系統(tǒng)流程圖如下圖所示</p><p><b>　　總結(jié)

75、</b></p><p>　　本設(shè)計主要大量研究目前煤礦監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上, 提出了適合中小型煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案, 在此基礎(chǔ)上, 設(shè)計并實現(xiàn)了該系統(tǒng)。在設(shè)計完成之后, 進(jìn)行了系統(tǒng)中主要功能的實驗驗證, 證明智能數(shù)據(jù)采集終端可以正確采集開關(guān)量和模擬量,可以在模擬量超限時報警和斷電; 智能瓦斯傳感器可以在瓦斯超限時報警和斷電; 作為上位機的PC 機可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、曲線繪制和報警的功能。實驗證明,

76、該系統(tǒng)在監(jiān)控準(zhǔn)確性及可實用性方面都有較大的優(yōu)勢。</p><p>　　通過這次設(shè)計，我對以前所學(xué)的知識有了更深刻的理解，而且在實踐過程中，我通過不斷地學(xué)習(xí)新的知識，彌補了自己知識結(jié)構(gòu)的偏差，使我認(rèn)識到，學(xué)習(xí)不僅要學(xué)習(xí)書本上的知識，更應(yīng)該把知識應(yīng)用到實際生活中去，這樣才是學(xué)習(xí)的目的。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>

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