礦井風(fēng)向檢測裝置的畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　確保礦井通風(fēng)是煤礦安全生產(chǎn)的首要任務(wù)。然而，礦井通風(fēng)風(fēng)向檢測裝置能直接確定有毒氣體和瓦斯氣體的去向，能夠?yàn)榈V井安全生產(chǎn)提供保障。煤礦通風(fēng)是一個(gè)需要長期探索的課題，設(shè)計(jì)一款符合要求的礦井風(fēng)向檢測裝置能保證檢測數(shù)據(jù)的可靠性。另外，該裝置可用于多種惡劣環(huán)境下的煤礦生產(chǎn)基地，能快速、準(zhǔn)確地檢測出實(shí)時(shí)風(fēng)向。</p><

2、p>　　本設(shè)計(jì)給出了符合設(shè)計(jì)要求的裝置結(jié)構(gòu)框圖，軟硬件均采用模塊化思維。設(shè)計(jì)最初了解了常用測風(fēng)向傳感器的工作原理，通過學(xué)習(xí)各測風(fēng)傳感器的特性，綜合考慮確定選用數(shù)字式傳感器作為數(shù)據(jù)采集器件；其次，硬件電路設(shè)計(jì)以高性能的MSP430單片機(jī)為核心搭建硬件平臺，具有數(shù)據(jù)采集、處理、通信、顯示和報(bào)警功能；最后，軟件設(shè)計(jì)闡述了該裝置各模塊的設(shè)計(jì)思想和主要的流程。</p><p>　　關(guān)鍵詞：礦井通風(fēng)；風(fēng)向；檢測裝置；傳

3、感器；單片機(jī) </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　To ensure the mine ventilation is the top priority of the coal mine safety production However, mine ventilation direction detection device c

4、an directly determine the toxic gases and gas, can provide safeguard for the mine safety production of coal mine ventilation is a need long-term exploration project, design a meet the requirements of the mine direction d

5、etection device can ensure the reliability of the testing data In addition, the device can be used in a variety of harsh environments of coa</p><p>　　This design meet the design requirements of device struct

6、ure diagram are given, the hardware and software adopts modular design thinking originally common understand the working principle of the wind sensor, by studying the characteristics of the wind sensor, considering the s

7、election of digital sensor as the data acquisition device; Secondly, the hardware circuit design with high performance MSP430 single chip microcomputer as the core to build hardware platform, with data collection and com

8、mun</p><p>　　Key words:Mine ventilation; The direction of the wind; Detection device; The sensor; microcontroller</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　引言1</b><

9、/p><p><b>　　1 緒論2</b></p><p>　　1.1 研究目的、意義2</p><p>　　1.2 研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.3 研究內(nèi)容4</p><p>　　1.4 研究目標(biāo)4</p><p>　　2 裝置設(shè)計(jì)總方案5</p&

10、gt;<p>　　2.1 風(fēng)向參數(shù)5</p><p>　　2.2 裝置結(jié)構(gòu)框圖及工作原理 5</p><p>　　2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求6</p><p>　　2.3.1風(fēng)向檢測參數(shù)的要求6</p><p>　　2.3.2傳感器特性要求7</p><p>　　3 風(fēng)向采集傳感器8</p&g

11、t;<p>　　3.1 傳感器的特點(diǎn)和選型8</p><p>　　3.2 風(fēng)向采集模塊9</p><p>　　4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)12</p><p>　　4.1 MSP430的介紹12</p><p>　　4.1.1 MSP430的選型12</p><p>　　4.1.2 MSP430F149

12、及其外圍電路13</p><p>　　4.2 信號調(diào)理模塊16</p><p>　　4.3 鍵盤輸入模塊17</p><p>　　4.4 報(bào)警模塊18</p><p>　　4.5 顯示模塊19</p><p>　　4.6 串口通信模塊21</p><p>　　4.7 系統(tǒng)電源模塊2

13、2</p><p>　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)24</p><p>　　5.1 風(fēng)向采集模塊24</p><p>　　5.2 鍵盤輸入模塊27</p><p>　　5.3 報(bào)警模塊35</p><p>　　5.4 顯示模塊36</p><p>　　5.5 串口通信模塊37</p>

14、;<p>　　5.6 主處理模塊39</p><p>　　5.6.1 主處理模塊流程圖39</p><p>　　5.6.2 主程序40</p><p>　　6 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析41</p><p><b>　　7 結(jié)論42</b></p><p><b>　　致謝4

15、3</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)44</b></p><p>　　附錄A 主流程圖45</p><p>　　附錄B 主程序46</p><p>　　附錄C 外文翻譯52</p><p>　　附錄D 外文文獻(xiàn)56</p><p><

16、b>　　引言</b></p><p>　　煤礦井下風(fēng)向的確定能保障工作人員的生命安全，對礦井風(fēng)向進(jìn)行檢測可以及時(shí)了解井下有毒氣體、瓦斯氣體的去向，避免安全事故的發(fā)生。傳統(tǒng)的風(fēng)向檢測多采用機(jī)械式傳感器，采集速度和精度不高，而且井下巷道復(fù)雜，布線施工難度大，不易于維修，實(shí)際應(yīng)用效果不理想。本設(shè)計(jì)提出運(yùn)用絕對式光電編碼器基于MSP430F149單片機(jī)的風(fēng)向檢測裝置，一方面將采集到的實(shí)時(shí)風(fēng)向數(shù)據(jù)通過串口

17、通信傳輸至上位機(jī)；另一方面利用MSP430強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理能力，將數(shù)字傳感器采集的數(shù)字信號處理和運(yùn)算，并通過鍵盤輸入設(shè)置門限值，實(shí)現(xiàn)不正常情況下的告警或者正常情況下的LCD顯示，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性檢測。</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 研究目的、意義</p><p>　　礦井通風(fēng)是指礦井持續(xù)輸送新鮮的空氣，

18、供給井下人員呼吸，稀釋并排出有害有害氣體和粉塵，改善礦井井下氣候條件和救災(zāi)時(shí)控制風(fēng)流的工作[1]。礦井通風(fēng)是煤礦生產(chǎn)的緊要環(huán)節(jié)。礦井通風(fēng)與礦井安全密切相關(guān)。煤礦挖掘存在瓦斯及其他有毒氣體、粉塵、煤炭自燃物的嚴(yán)重威脅，搞好煤礦“一通三防”的工作，是煤礦安全生產(chǎn)的重要工作，也是為了防止重大災(zāi)害事故、實(shí)現(xiàn)煤礦安全情況最根本改善的關(guān)鍵。為了確保良好的煤礦作業(yè)環(huán)境，對瓦斯氣體、煤塵顆粒和煤炭火災(zāi)事故提出切實(shí)可行的預(yù)防性措施，提高礦井的抗災(zāi)救災(zāi)能力

19、，最經(jīng)濟(jì)、最合理的解決方法就是搞好礦井通風(fēng)工作。</p><p>　　考察我國適合高產(chǎn)高效煤礦生產(chǎn)集中化所需要的通風(fēng)方式、通風(fēng)裝置、輔助通風(fēng)技巧與經(jīng)驗(yàn)及局部瓦斯氣體處理方法等，是我們面臨的主要任務(wù)。現(xiàn)代化的科技技術(shù)為礦井通風(fēng)體系實(shí)現(xiàn)高度智能化提供了先決性條件。</p><p>　　監(jiān)控、處理、調(diào)控一體化的智能通風(fēng)系統(tǒng)是煤礦通風(fēng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。我們可以利用風(fēng)向與風(fēng)速傳感器、風(fēng)壓傳感器、甲

20、烷濃度傳感器等，對通風(fēng)相關(guān)的狀態(tài)參數(shù)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離自動監(jiān)測，然后通過監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合性的分析，最后由頂端控制系統(tǒng)和指令系統(tǒng)統(tǒng)一發(fā)出操作指令，自動控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)行及風(fēng)門等風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)量的最優(yōu)分配的目的。一旦采煤工作面的瓦斯?jié)舛瘸薨踩C(jī)時(shí)，該系統(tǒng)會通過指令系統(tǒng)發(fā)出相關(guān)的操作指令，通過空氣流量自動化調(diào)節(jié)裝置來控制空氣供給量，或者驅(qū)動局部風(fēng)扇加強(qiáng)通風(fēng)效果，以達(dá)到快速稀釋和徹底排除瓦斯氣體，保障煤礦安全生產(chǎn)。</p

21、><p>　　總之，確保礦井通風(fēng)是煤礦安全作業(yè)的首要任務(wù)。然而，礦井通風(fēng)風(fēng)向檢測裝置能直接確定有毒氣體和瓦斯氣體的去向。[2]近年來，我國多起煤礦事故發(fā)生，因此，一些預(yù)防性安全生產(chǎn)技術(shù)得到迅速發(fā)展，一些礦井通風(fēng)風(fēng)向檢測裝置應(yīng)運(yùn)而生。該裝置利用流體力學(xué)的基本原理，使傳感器的碼盤產(chǎn)生不同的角位移，該位移所對應(yīng)的格雷碼通過單片機(jī)處理并顯示在顯示器件上，并通過設(shè)置安全閾值，實(shí)現(xiàn)超限時(shí)的告警。</p><p

22、>　　風(fēng)向檢測裝置能夠直接有效地檢測風(fēng)向，而且能對風(fēng)向進(jìn)行實(shí)時(shí)性監(jiān)控，對突發(fā)事件做到及時(shí)性估測和調(diào)控，從而提高煤礦抗災(zāi)能力，供給井下充足的新鮮空氣，清除、稀釋井下有毒有害的氣體，改善井下采煤的氣候條件，創(chuàng)造良好的作業(yè)環(huán)境，提高對煤礦安全生產(chǎn)的能力[3]。</p><p><b>　　1.2 研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　礦井風(fēng)向檢測裝置的發(fā)展主要集中在傳

23、感器和控制芯片的研究上。</p><p>　　在傳感器的研究方面，就目前來看，測量風(fēng)向的傳感器很多，其優(yōu)缺點(diǎn)各不相同，針對測風(fēng)條件和測風(fēng)參數(shù)的要求不同選用不同的風(fēng)向傳感器。最具有代表的有皮托管式的傳感器、熱膜式的傳感器、機(jī)械式的傳感器和超聲波測風(fēng)傳感器[3]。國外最有代表性的是由芬蘭維薩拉公司設(shè)計(jì)的一款超聲波風(fēng)向傳感器，該系列的傳感器利用超聲波探測水平風(fēng)向。其測風(fēng)量原理基于超聲傳輸所用的時(shí)間，超聲波從一個(gè)探頭傳達(dá)

24、到另一個(gè)探頭所用的時(shí)間是與風(fēng)速和超聲通道存在一定的關(guān)系，雙向測量其傳輸所用時(shí)間，零風(fēng)速發(fā)送與返回的傳輸時(shí)間是相等的。超聲通道之間的風(fēng)是頂風(fēng)傳輸時(shí)間遞增，而順風(fēng)傳速時(shí)間遞減[4]。通過對這兩種傳輸時(shí)間的測量，425N型控制器計(jì)算通路間的風(fēng)速風(fēng)向。計(jì)算出的風(fēng)向風(fēng)速不受高度、溫度和濕度的影響，能夠在惡劣環(huán)境中進(jìn)行測量。</p><p>　　國內(nèi)在風(fēng)向的研究起步的比較晚，最比較有代表性的風(fēng)向傳感器有風(fēng)杯測量儀，帶有測量風(fēng)

25、向的重錘，其原理是風(fēng)向傳感器的變換器即為格雷碼盤和光電組件，當(dāng)風(fēng)向標(biāo)隨風(fēng)向變化隨即轉(zhuǎn)動時(shí)，通過其轉(zhuǎn)軸帶動格雷碼盤在光電組件縫隙中轉(zhuǎn)動，所產(chǎn)生的光電信號記錄對應(yīng)當(dāng)時(shí)的風(fēng)向的格雷碼輸出。測風(fēng)傳感器的變換器可采用精密的導(dǎo)電塑料電位器，因而在電位器的活動的以端輸出變化的電流信號或電壓信號。目前絕大數(shù)風(fēng)向檢測系統(tǒng)均采用該類傳感器作為信號檢測的感應(yīng)器件。當(dāng)然，國內(nèi)超聲波傳感器也有所發(fā)展，但目前技術(shù)還存在些許不成熟，有待于研究和發(fā)展。</p&g

26、t;<p>　　在控制芯片的研究方面，風(fēng)向檢測裝置根據(jù)所控制的芯片不同，大致歸為兩大類：（1）一類是以8位或16位的單片機(jī)作為控制芯片的硬件控制中心，這類芯片的特點(diǎn)是低功耗，功能簡單單一，主要負(fù)責(zé)風(fēng)向的原始信號的采集和存儲，部分風(fēng)向檢測系統(tǒng)帶有相關(guān)的顯示控制電路，數(shù)據(jù)處理與分析主要通過借助上位機(jī)完成。例如：由河北工業(yè)大學(xué)的許世霞等人設(shè)計(jì)的以AT89S52單片機(jī)為主控單元的風(fēng)向無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特點(diǎn)是建立在以微機(jī)為上位機(jī)、

27、單片機(jī)為下位機(jī)的無線風(fēng)向采集系統(tǒng)[5]；上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院的張僖等設(shè)計(jì)的基于C8051型單片機(jī)的車載移動的風(fēng)向儀設(shè)計(jì)[6]，這類測試系統(tǒng)由于存在控制芯片功能的缺陷，需要利用有線或者無線的通信方式與上位機(jī)取得聯(lián)系，使用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的記錄、存儲和發(fā)送；（2）另一類是DSP、ARM為控制芯片的測試系統(tǒng)，DSP即數(shù)字信號處理器，是一種專用于實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理的處理器，ARM是一微處理器行業(yè)的有名企業(yè)，設(shè)計(jì)了大批高性能、廉價(jià)、低功耗的精簡指

28、令集的處理器。DSP和ARM處理器因其自身具有強(qiáng)大的處理、控制功能，在采集系統(tǒng)可以發(fā)揮重大的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)上位機(jī)才能完成的功能。例如：內(nèi)蒙古科技大學(xué)的</p><p><b>　　1.3 研究內(nèi)容</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)相關(guān)的主要的工作就是設(shè)計(jì)一款擁有風(fēng)向數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸、顯示或報(bào)警功能的礦井風(fēng)向檢測裝置。</p><p>　　

29、開題初期，查閱國內(nèi)外相關(guān)的科技研發(fā)、生產(chǎn)應(yīng)用及理論設(shè)計(jì)方案，確定了風(fēng)向檢測裝置的原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析現(xiàn)有技術(shù)缺點(diǎn)，提出優(yōu)化后的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。在研究初期，對各類測風(fēng)傳感器的原理進(jìn)行查閱和分析，結(jié)合測風(fēng)條件與風(fēng)向測定參數(shù)的要求和成本考慮，選用數(shù)字傳感器作為風(fēng)向檢測的傳感器。此外，使用LCD作為顯示模塊的主要器件。并根據(jù)滿足測試的要求，選取單片機(jī)MSP430F149作為裝置的處理和控制中心。</p><p>　　裝置硬

30、件設(shè)計(jì)是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容，硬件電路設(shè)計(jì)是對系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的具體化實(shí)現(xiàn)。本裝置采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，將裝置根據(jù)其對應(yīng)的功能進(jìn)行具體的劃分。硬件模塊分為信號采集模塊、調(diào)理模塊、串口通信模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊、電源模塊，使用MSP430的實(shí)時(shí)時(shí)鐘、復(fù)位電路和電源電路等外圍設(shè)計(jì)。</p><p>　　系統(tǒng)軟件程序使用C語言，采用模塊思維，植入程序，增強(qiáng)系統(tǒng)的可讀性和穩(wěn)定性，并結(jié)合其他軟件對設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真和誤差分析，使系統(tǒng)滿

31、足設(shè)計(jì)要求。</p><p><b>　　1.4 研究目標(biāo)</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)為礦井風(fēng)向檢測裝置的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)以下兩種預(yù)期的功能：（1）實(shí)現(xiàn)檢測的快速和準(zhǔn)確，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測；（2）當(dāng)實(shí)時(shí)風(fēng)向不在安全風(fēng)向閾值范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)會告警工作人員，以便做到及時(shí)性防危調(diào)控。</p><p><b>　　2 裝置設(shè)計(jì)總方案</b&g

32、t;</p><p><b>　　2.1 風(fēng)向參數(shù)</b></p><p>　　風(fēng)是大氣流體的水平運(yùn)動的結(jié)果，然而，風(fēng)向的變化是氣壓的梯度力、地轉(zhuǎn)的偏向力和摩擦力三者共同作用的結(jié)果。實(shí)際上，風(fēng)是一個(gè)三維空間的矢量，在地面氣象觀測中，所測量的風(fēng)卻是二維空間的矢量[8]。風(fēng)向是指風(fēng)的來向，一般用八、十六位表示，根據(jù)本設(shè)計(jì)要求用十六位表示法，以拉丁文縮寫記錄，如圖2-1所示

33、。</p><p>　　圖2-1風(fēng)向十六方位圖</p><p>　　Figure 21 wind azimuth figure 16</p><p>　　風(fēng)向在空間里的變化具有很多不確定性，尤其是摩擦層的大氣運(yùn)動并不均勻規(guī)則，因而存在各種不同尺寸的蝸旋位移，這些大小不同的蝸旋存在不同的運(yùn)動方向，實(shí)際檢測到的風(fēng)是這些運(yùn)動方向的綜合檢測結(jié)果。</p>&l

34、t;p>　　2.2 裝置結(jié)構(gòu)框圖及工作原理 </p><p>　　風(fēng)向檢測裝置主要由風(fēng)向信號采集模塊、信號調(diào)理模塊、單片機(jī)運(yùn)算和處理模塊、LCD液晶顯示模塊、串行通信模塊、報(bào)警模塊和系統(tǒng)電源模塊組成，如圖2-2所示。</p><p>　　轉(zhuǎn)換至各模塊 轉(zhuǎn)換至各模塊 </p><p>　　圖2-

35、2裝置結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　Figure 2-2 device structure diagram</p><p>　　風(fēng)向采集模塊的研究主要是對風(fēng)向傳感器的研究上。風(fēng)向檢測傳感器的感應(yīng)元件為前端裝有輔助性的單板式風(fēng)向標(biāo)，當(dāng)風(fēng)向變化時(shí)，風(fēng)向標(biāo)尾翼轉(zhuǎn)動帶動其轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，同時(shí)轉(zhuǎn)軸下端的格雷碼盤隨即在光電組件的狹縫中轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生的光電信號經(jīng)放大整形后，輸出對應(yīng)當(dāng)時(shí)風(fēng)向且幅值為5V的四位循環(huán)碼

36、，分辨率為22.5°，測量范圍為0～360°，測量16個(gè)方位，循環(huán)碼不同，方位不同。</p><p>　　信號調(diào)理模塊需要對傳感器采集的信號進(jìn)行進(jìn)一步的處理，風(fēng)向傳感器輸出的為一個(gè)四位循環(huán)碼信號，再經(jīng)過整形和倒相電路的調(diào)理。</p><p>　　采集信號經(jīng)過調(diào)理后，再經(jīng)過MSP430單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將處理好的數(shù)據(jù)傳輸給顯示模塊，并通過串行通信模塊與上位機(jī)通信，在滿足

37、檢測實(shí)時(shí)風(fēng)向不在安全風(fēng)向閾值時(shí)，驅(qū)動報(bào)警模塊。</p><p>　　LCD顯示模塊對實(shí)時(shí)風(fēng)向進(jìn)行顯示；報(bào)警模塊將實(shí)現(xiàn)不安全實(shí)時(shí)風(fēng)向的報(bào)警；串行通信模塊用于系統(tǒng)調(diào)試，而且可以將采集數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)顯示和保存；鍵盤輸入模塊用來輸入門限數(shù)據(jù)，為報(bào)警模塊提供判斷數(shù)據(jù)；該裝置總電源模塊采用12V的鋰電池供電，通過各個(gè)穩(wěn)壓模塊和轉(zhuǎn)換模塊提供各模塊所需的工作電壓源。 <

38、;/p><p>　　2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求</p><p>　　2.3.1 風(fēng)向檢測參數(shù)的要求</p><p>　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是為了礦井風(fēng)向檢測的快速、準(zhǔn)確，系統(tǒng)采用數(shù)字傳感器。風(fēng)向檢測時(shí)，對實(shí)時(shí)風(fēng)向進(jìn)行記錄和顯示。風(fēng)向采用標(biāo)準(zhǔn)的十六方位檢測。風(fēng)向方位、二進(jìn)制碼、循環(huán)碼對應(yīng)關(guān)系如表2-1所示。風(fēng)向顯示符號如表中的記錄符號。</p><p>　　表

39、2-1風(fēng)向方位、二進(jìn)制碼、循環(huán)碼對照表</p><p>　　Table 2-1 wind azimuth Binary code cyclic code table</p><p>　　2.3.2 傳感器特性要求</p><p>　　裝置使用的是數(shù)字式傳感器，能夠直接將采集的非電量轉(zhuǎn)換為能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的數(shù)字量，不但可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度，而且具有抗干擾力強(qiáng)，適宜

40、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，其特性特別能滿足礦井風(fēng)向檢測的要求。其主要特性參數(shù)要求如表2-2所示。</p><p>　　表2-2數(shù)字傳感器主要特性參數(shù)</p><p>　　Table 2-2 digital sensors main characteristic parameters</p><p><b>　　3 風(fēng)向采集傳感器</b></p&g

41、t;<p>　　風(fēng)向測量已經(jīng)廣泛應(yīng)用于氣象監(jiān)測、科學(xué)研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，特別在煤礦生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對目前經(jīng)常使用的五種測風(fēng)傳感器進(jìn)行了了解，它們分別有皮托管式、熱式、機(jī)械式、超聲波式和數(shù)字式，分析了各自的工作原理，并歸納了各傳感器的特性，根據(jù)現(xiàn)場工作條件和設(shè)計(jì)參數(shù)要求選定合適的傳感器。</p><p>　　3.1 傳感器的特點(diǎn)和選型</p><p>　

42、　角編碼器又稱之為碼盤，是一種旋轉(zhuǎn)式的位置傳感器，它的轉(zhuǎn)軸與被測軸是連接的，跟隨被檢測軸一起轉(zhuǎn)動。它能將被檢測軸在碼盤的角位移轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼或一串脈沖。角編碼器有兩種基本的類型：絕對式編碼器和增量式編碼器。本次研究對風(fēng)向檢測的精度要求不高，可采用四位二進(jìn)制編碼器，結(jié)合增量式編碼器和絕對式編碼器特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用四位絕對式光電編碼器作為風(fēng)向傳感器。</p><p>　　對于n位的二進(jìn)制碼盤，是有n圈碼道，且圓周均分個(gè)

43、數(shù)據(jù)來分別表示其被測位置的不同，因此可推出其分辨角α和分辨率β[9]；</p><p><b>　　（3—1）</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)選用的編碼器分辨率為22.5°。在實(shí)際應(yīng)用中，對光電碼盤和電刷的要求相當(dāng)嚴(yán)格，不然就會產(chǎn)生一定的非單值性誤差。為了去除這種非線性值的誤差，可使用循環(huán)碼盤（格雷碼盤）。如圖3-1-(1)所示為一個(gè)四位得格雷碼盤，與圖

44、3-1-(2)所示的BCD碼盤相比，格雷碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，任意相鄰兩個(gè)數(shù)碼之間只存在一位的變化，因此通過每次變化只換一位數(shù)，可把誤差控制在最小單位內(nèi)[10]。 </p><p>　　(1) 四位二進(jìn)制碼盤 (2) 四位格雷碼盤</p><p>　　圖3-1光電式四位碼盤</p><p>　　Figure 3-1four photoelect

45、ric encoder</p><p>　　由于徑向各碼道的透光和不透光，使各光敏元件中，受光的輸出“1”，不受光部分輸出“0”，由此組成n位二進(jìn)制碼。</p><p>　　光電碼盤的特征是不存在接觸性磨損，碼盤壽命比較長，其許可的轉(zhuǎn)速較高。就光電碼盤質(zhì)料而言，使用不銹鋼薄板所制成的碼盤要比玻璃碼盤的抗振性能要好，且耐不潔腐蝕性能好。</p><p>　　本設(shè)計(jì)具體

46、選用的風(fēng)向傳感器是依據(jù)EC9-1傳感器做成4位風(fēng)向傳感器，其參數(shù)符合表2-2，它使用的四位格雷碼盤。該風(fēng)向檢測傳感器的感應(yīng)器件為前端帶有輔助標(biāo)板的單板式風(fēng)向標(biāo)。當(dāng)風(fēng)標(biāo)隨風(fēng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過其轉(zhuǎn)軸帶動碼盤旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)動22.5°時(shí)，位于碼盤上下兩側(cè)的四組發(fā)光與接收光光電組件就會產(chǎn)生一組幅值為5V新的四位格雷碼信號，該信號經(jīng)過整形、倒相后串行輸出。VCC工作電壓為5V，GND是連接地線的接頭，DO是串行輸出接口。它采用二進(jìn)制計(jì)數(shù)模式，讀出

47、來的不是風(fēng)向，而是四位串行的格雷碼，而且該裝置配有防爆裝置，其供電指標(biāo)要求小于防爆裝置規(guī)定電壓（本安型），適用于化工，易燃，易爆環(huán)境中。其原理圖如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 EC9-1原理圖</p><p>　　Figure 3-2 EC9 1 schematic diagram</p><p>　　3.2 風(fēng)向采集模塊</p>&l

48、t;p>　　風(fēng)向的采集即為一個(gè)圓周內(nèi)（0～360°）循環(huán)碼確定的指向。（1）由于光電編碼器的四位格雷碼具有唯一性，當(dāng)風(fēng)向短暫發(fā)生變化時(shí)，碼盤的位置也隨即發(fā)生變化，風(fēng)向確定時(shí)，各光敏元件依據(jù)是否受光轉(zhuǎn)換出相對應(yīng)的四位電平信號，因此不予考慮正反風(fēng)向；（2）風(fēng)向是一個(gè)三維空間矢量，風(fēng)向標(biāo)尾翼受的氣壓梯度力不均勻分布，即使風(fēng)向與風(fēng)向標(biāo)尾翼的受力面平行，可能二者方向相反，但因?yàn)闅鈮禾荻攘κ冀K會使風(fēng)向標(biāo)尾翼方向趨于風(fēng)的去向，最終二者

49、方向一致。因此不需要考慮風(fēng)向與風(fēng)向標(biāo)的受力面平行的情況。風(fēng)向檢測傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-3所示。</p><p>　　3-3風(fēng)向檢測結(jié)構(gòu)內(nèi)部圖</p><p>　　Figure3-6 Wind direction detection of internal structure diagram</p><p>　　風(fēng)向標(biāo)受力作用時(shí)會帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，同時(shí)碼盤隨之轉(zhuǎn)動，風(fēng)向

50、標(biāo)穩(wěn)定時(shí)，碼盤所轉(zhuǎn)角度一定，此刻角度的絕對值位置的四位光電耦合回路導(dǎo)通，采集的信號即為此刻所對應(yīng)的循環(huán)碼，然后通過NPN型集電極開路串行輸出。其中四位光電耦合回路如圖3-4所示，放大整形部分設(shè)計(jì)在后面調(diào)理電路中研究。</p><p>　　圖3-4四位光電耦合回路</p><p>　　Figure 3-4 four photoelectric coupling circuit</p&g

51、t;<p>　　如上圖所示，左側(cè)為四個(gè)發(fā)光二極管，右側(cè)為四個(gè)光敏三極管，光敏受光時(shí)輸出電位“1”，不受光時(shí)輸出電位“0”，其虛影部分為不透光區(qū)，空白地區(qū)為透光區(qū)，可讀出輸出的四位電平為“0101”，其串行輸出波形如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5串行輸出“0101”波形圖</p><p>　　Figure 3-5 serial output waveform fi

52、gure of 0101</p><p>　　在某一特定的角度方位內(nèi)，四個(gè)光電耦合回路輸出指定的四位格雷碼，輸出的該信號為風(fēng)向的去向循環(huán)碼，由表3-1可知再經(jīng)過信號幅值變換、倒相整形為風(fēng)的來向循環(huán)碼。又由表2-1所知，當(dāng)前來向循環(huán)碼經(jīng)過單片機(jī)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，通過當(dāng)前位置的二進(jìn)制判斷風(fēng)向。角度范圍、來向和去向循環(huán)碼對應(yīng)表如表3-1所示。</p><p>　　表3-1角度范圍、

53、來向和去向循環(huán)碼對照表</p><p>　　Table 3-1 the wind range and to cyclic code corresponding to the table</p><p><b>　　4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　風(fēng)向檢測傳感器的功用是實(shí)現(xiàn)信號的變換，而裝置的硬件電路則主要用來完成信號的輸入和輸出操

54、作，是各種功能設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)。該裝置使用模塊化的設(shè)計(jì)理念，方便于裝置的調(diào)試、移動和擴(kuò)展。根據(jù)裝置的設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)對硬件電路提出了針對如下功能的分步設(shè)計(jì)要求：</p><p>　　(1)為測試系統(tǒng)選定一款高性能、低功耗的控芯片，優(yōu)越的片內(nèi)外設(shè)能簡化系統(tǒng)外圍電路，另外豐富的接口便于系統(tǒng)功能擴(kuò)展。</p><p>　　(2)能夠?qū)︼L(fēng)向信號實(shí)施實(shí)時(shí)采集，風(fēng)向信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，則該檢測裝置需要設(shè)

55、計(jì)符合控制芯片處理的信號調(diào)理電路，將采集信號轉(zhuǎn)換為控制芯片能夠處理的形式。</p><p>　　(3)系統(tǒng)使用MSP430文件系統(tǒng)進(jìn)行管理，存儲數(shù)據(jù)可以直接被上位機(jī)讀取。</p><p>　　(4)LCD1602液晶顯示模實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)風(fēng)向的顯示，同時(shí)解決了上位機(jī)體積大、不利于移動的問題。</p><p>　　(5)設(shè)計(jì)串行通信接口，便于傳感器與單片機(jī)的通信，同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)

56、單片機(jī)與上位機(jī)通信。</p><p>　　(6)設(shè)計(jì)鍵盤電路，用于人機(jī)交互。</p><p>　　(7)設(shè)計(jì)報(bào)警電路，用于不安全風(fēng)向時(shí)的告警，實(shí)現(xiàn)礦井的安全通風(fēng)。</p><p>　　4.1 MSP430的介紹</p><p>　　MSP430系列的單片機(jī)是由美國的德州儀器（TI）公司在1996年上市的一種超低功耗的16位MSP430單片機(jī)[

57、11]。它是一款具備功耗小、采用精簡指令集（RISC）的混合信號處理器。被稱為混合信號處理器，由于該單片機(jī)針對實(shí)際應(yīng)用需要，因此將各個(gè)不同功用的數(shù)字電路、模擬電路模塊和微處理器模塊集成在一個(gè)芯片上，該類型的單片機(jī)大多使用于需要電池供電的便攜式儀器裝置中。</p><p>　　4.1.1 MSP430的選型</p><p>　　MSP430F149單片機(jī)作為一款發(fā)展迅速而成熟的單片機(jī)，本設(shè)計(jì)

58、選用MSP430F149作為核心硬件[12]。</p><p>　　1）MSP430F149的組成</p><p>　　基礎(chǔ)時(shí)鐘模塊，其中包含一個(gè)數(shù)控振蕩器(DCO)、一個(gè)高速的晶體振蕩器和一個(gè)低速的晶體振蕩器。</p><p>　　看門狗定時(shí)器：Watch Timer，可設(shè)置成通用定時(shí)器。</p><p>　　帶有3個(gè)捕獲/比較寄存器16位

59、定時(shí)器：Timer_A3。</p><p>　　帶有7個(gè)捕獲/比較寄存器16位定時(shí)器：Timer_B7。</p><p>　　兩個(gè)含有中斷功能的8位并行端口：P1和P2。</p><p>　　四個(gè)8位并行端口：P3、P4、P5與P6。</p><p>　　一個(gè)模擬比較器：compator_A。</p><p>　　片內(nèi)

60、12位的A/D轉(zhuǎn)換模塊：ADC12，自帶采樣保持。</p><p>　　雙通道串行通信接口，可使用于異步或同步通信：USART0和USA1T1。</p><p><b>　　一個(gè)硬件乘法器。</b></p><p>　　2）MSP430F149的特點(diǎn)</p><p>　　工作于低電壓（電壓適用范圍是1.8V～3.6V）。

61、</p><p>　　超低功耗。在休眠條件下上作電流只有0.8μA；該條件下(2.2V、1MHz)工作電流僅有280μA。</p><p>　　能采用中斷請求將CPU從低耗模式下喚醒，而且只需要6μs。</p><p>　　快速的指令執(zhí)行時(shí)間。MSP430F149為16位RISC結(jié)構(gòu)，指令周期為150ns。</p><p>　　片內(nèi)有12位A

62、/D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)提供參考電壓。A/D轉(zhuǎn)換器具有采樣保持和自動掃描特點(diǎn)。</p><p>　　具有靈活的時(shí)鐘設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　方便的調(diào)試功能。</b></p><p>　　該系列的單片機(jī)屬于FLASH型的，能夠?qū)崿F(xiàn)擦寫，而且該單片機(jī)提供JTAG口，可以很好的實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試和仿真功能。利用集成的IDE開發(fā)環(huán)境，能夠使用戶很容易實(shí)現(xiàn)調(diào)

63、試程序。</p><p>　　單片機(jī)內(nèi)提供較多集成的模擬信號比較器和儲存器。</p><p>　　串口通信模塊，USART0 USART1。</p><p>　　提供外部Pl.0～P6.0六個(gè)I/O端口，可為用戶提供更多的處理功能外接端口。</p><p>　　安全熔絲的程序代碼保護(hù)。</p><p>　　4.1.2

64、MSP430F149及其外圍電路</p><p>　　MSP430F149單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1最小系統(tǒng)電路圖</p><p>　　Figure 4-1 minimum system circuit diagram</p><p>　　MSPF430F149單片機(jī)電路作為整個(gè)裝置的控制中心，主要實(shí)現(xiàn)

65、與其他模塊電路接口的聯(lián)結(jié)，然后將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將處理的數(shù)據(jù)表現(xiàn)出來，比如液晶顯示或報(bào)警。</p><p>　　從MSP30F149最小系統(tǒng)電路可以看出，該單片機(jī)外部接口電路相當(dāng)簡單，均采用單片機(jī)外部一般I/O口與其他模塊電路的聯(lián)結(jié)，與其他單片機(jī)相比，該單片機(jī)在時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)上存在以下差異，該單片機(jī)擁用兩個(gè)時(shí)鐘的輸入，一個(gè)32kHz和一個(gè)8MHz的時(shí)鐘信號。該單片機(jī)的時(shí)鐘均采用晶體振蕩器來實(shí)現(xiàn)?？紤]到電源的輸入

66、紋波，因此在電源的管理腳增加一個(gè)0.1μF的濾波電容，用來減小對輸入端的干擾。另外考慮到模擬電源輸入端的干擾問題，在該裝置中的干擾比較小，因此需要模擬地和數(shù)字地共地，模擬電源輸入端需增加一個(gè)濾波電容用來減少干擾。</p><p><b>　　1）電源電路 </b></p><p>　　由于MSP430F149單片機(jī)的工作電壓一般是1.8～3.6V，并且功率極低。為了

67、簡化裝置，本裝置使用電池供電，單片機(jī)電源系統(tǒng)采用3.3V供電，因此選用TPS76033芯片直接提供單片機(jī)3.3V的電源。</p><p>　　考慮到該最小系統(tǒng)對電源要求穩(wěn)定可靠和紋波小等特性，并且根據(jù)最小系統(tǒng)的低耗特點(diǎn)，故該最小系統(tǒng)的電源電路采用美國德州儀器公司的TPS76033芯片來實(shí)現(xiàn)，該芯片能很好的滿足該硬件的設(shè)計(jì)要求。為了滿足輸出的電源紋波小，在輸出端使用一個(gè)2.2μF和0.1μF的電容，而且在該芯片輸入

68、端也安置一個(gè)0.1μF的濾波電容，可以減少對輸入端的干擾。電源電路具體如圖4-2所示。</p><p><b>　　圖4-2電源電路圖</b></p><p>　　Figure 4-2 power supply circuit diagram</p><p><b>　　2）復(fù)位電路</b></p><

69、p>　　在單片機(jī)系統(tǒng)里，單片機(jī)需要復(fù)位電路，復(fù)位電路可以使用簡單的RC復(fù)位電路，也可以采用可靠性較高的復(fù)位芯片，RC復(fù)位電路雖然具有較好的經(jīng)濟(jì)性，但其可靠性不高，然而使用復(fù)位芯片就能保障復(fù)位電路的可靠性，所以該最小系統(tǒng)選用MAX809芯片作為復(fù)位電路的芯片。</p><p>　　為了減小電源對最小系統(tǒng)的干擾，需要在復(fù)位芯片的電源輸入端增用一個(gè)0.1μF的濾波電容，用來減少對輸入端的干擾。復(fù)位電路如圖4-3所

70、示。</p><p><b>　　圖4-3復(fù)位電路圖</b></p><p>　　Figure 4-3 reset circuit diagram</p><p><b>　　3）時(shí)鐘電路</b></p><p>　　對于起振時(shí)間要求不高的最小系統(tǒng)，如圖4-1所示就可保障最小系統(tǒng)可靠起振并能夠穩(wěn)定運(yùn)

71、行。MSP430F149單片機(jī)擁有兩個(gè)時(shí)鐘輸入。考慮到低功耗的要求時(shí)，采用的時(shí)一個(gè)32kHz的時(shí)鐘信號；考慮到串口通信速率時(shí)，需要使用一個(gè)8MHz的時(shí)鐘信號。該系統(tǒng)的時(shí)鐘部分都是采用晶體振蕩器實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)時(shí)鐘電路如圖4-1所示可知。</p><p>　　4.2 信號調(diào)理模塊</p><p>　　風(fēng)向傳感器輸出高電平5V、低電平0V的方波信號。需要通過脈沖信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的3.3V方波

72、信號才能輸入到MSP430F149引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 ，而且輸出的四位格雷碼是風(fēng)的去向碼，需要經(jīng)過反向施密特觸發(fā)器的倒相整形成風(fēng)的來向碼。如圖4-5所示。采用連接器J2，2接口為串口通信接收端，它將傳感器輸出的5V電壓信號傳輸給調(diào)理電路，1接口為保護(hù)接地端。圖中前端0.1μF電容用于隔直通交，1kΩ電阻用于限流。調(diào)理電路使用了3.3V的穩(wěn)壓管和74HCl4反相施密特觸發(fā)器，分別用于信號穩(wěn)壓、倒相整形。</p><p&g

73、t;　　圖4-4信號調(diào)理電路</p><p>　　Figure 4-4 signal conditioning circuit</p><p><b>　　1）穩(wěn)壓電路</b></p><p>　　本穩(wěn)壓電路采用型號為IN5226的精密穩(wěn)壓管，該穩(wěn)壓管功耗為0.5W，穩(wěn)壓值為3.3V，是一種由特殊工藝制成的面接觸型低功耗硅二極管，與普通的二極管

74、相比，其正向特性類似，反向特性比較陡峭，工作區(qū)域分布在反向擊穿區(qū)。</p><p><b>　　2）倒相整形電路</b></p><p>　　信號的倒相整形需要經(jīng)過74HCl4實(shí)現(xiàn)，它是由CMOS門組成的六反相施密特觸發(fā)器，用于信號整形。當(dāng)輸入的信號受到干擾產(chǎn)生畸變時(shí)，通過使用施密特觸發(fā)器的回差特性，將信號整形成標(biāo)準(zhǔn)的矩形波。74HCl4通過正向、反向輸入閾值電壓來控

75、制輸出信號的狀態(tài)是維持穩(wěn)定還是翻轉(zhuǎn)，從而輸出邊沿陡峭的矩形脈沖。74HC14的極限參數(shù)如表4-1所示。</p><p>　　表4-1 74HC14的極限參數(shù)</p><p>　　Table 4-1 74 hc14 limit parameters</p><p>　　4.3 鍵盤輸入模塊</p><p>　　鍵盤輸入電路主要是用來完成對數(shù)據(jù)的

76、輸入，已達(dá)到人機(jī)交互的效果，本設(shè)計(jì)該模塊用來為報(bào)警模塊提供判斷比較數(shù)值。該系統(tǒng)的鍵盤設(shè)計(jì)是采用掃描方式實(shí)現(xiàn)的矩陣鍵盤。該系統(tǒng)的鍵盤電路圖如圖4-5所示。</p><p>　　該矩陣掃描鍵盤由行線與列線組成，P1.2、P1.3、P1.4、P1.5和P1.6構(gòu)成鍵盤的行線，Pl.0和Pl.1構(gòu)成鍵盤的列線。鍵盤的行線作為鍵盤的控制輸出端，鍵盤的列線作為鍵盤的輸入端。本設(shè)計(jì)模塊的鍵盤列線采用Pl.0和Pl.1，可以使用

77、該管腳的中斷功能。當(dāng)沒有按鍵按下時(shí)，Pl.0和Pl.1管腳的電平均為高電平，若有按鍵按下情況下，則其對應(yīng)的列線管腳為低電平，通過依次設(shè)置P1.2、P1.3、P1.4、P1.5和P1.6為低電平觸發(fā)中斷方式，低電平觸發(fā)中斷進(jìn)入中斷服務(wù)程序，從而獲得輸入的數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　圖4-5鍵盤電路圖</b></p><p>　　Figure 4-5 keyboa

78、rd circuit diagram</p><p>　　該鍵盤的具體工作原理：首先將P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6.設(shè)置為輸出方向，將P1.0和P1.1設(shè)置為輸入方向，并將P1.0和P1.1設(shè)置為低電平觸發(fā)中斷方式；將P1.6設(shè)置為低電平，如果該行上有按鍵按下時(shí)，則P1.0或者P1.1上為低電平，就會觸發(fā)中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，從而獲得輸入的數(shù)據(jù)。如果沒有按鍵按下的話，則P1.0和P1.1上為

79、高電平，不會進(jìn)入中斷服務(wù)程序。依次將P1.5、P1.4、P1.3、P1.2設(shè)置為低電平來判斷該行是否有輸入，如果沒有輸入時(shí)，P1.0和P1.1均為高電平，如果有輸入的話，P1.0或者P1.1上為低電平，就會觸發(fā)中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，便可獲得輸入數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　4.4 報(bào)警模塊</b></p><p>　　該模塊主要用來是驅(qū)動一個(gè)蜂鳴器，需要將蜂鳴

80、器的一端接地，另一端與單片機(jī)進(jìn)行聯(lián)結(jié)。然而驅(qū)動該蜂鳴器需要適用于功率放大的器件，本模塊采用LM386功率放大器。</p><p>　　LM386是一種音頻集成功放，它具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓工作范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛適用于錄音機(jī)和收音機(jī)[13]。</p><p>　　LM386的內(nèi)部電路原理圖如圖4-6所示。其內(nèi)部電路原理與通用型集成運(yùn)放相似，它具有三

81、級放大電路。</p><p>　　圖4-6 LM386內(nèi)部電路原理圖</p><p>　　Figure 4-6 LM386 internal circuit principle diagram</p><p>　　如圖4-6所示,引腳2為反相輸入端，3為同相輸入端；引腳5為輸出端；引腳6和4分別為電源端和接地端；引腳1和8為電壓增益設(shè)定端；使用時(shí)在引腳7和地之間接旁

82、路電容，通常取10μF。 </p><p>　　查LM386 相關(guān)數(shù)據(jù)[14]，靜態(tài)消耗電流為4mA；電源電壓為4～12V或5～18V；電壓增益為20～200dB；當(dāng)1、8腳開路時(shí)，帶寬為300KHz；輸入阻抗為50K；音頻功率0.5W。 盡管LM386的應(yīng)用非常簡單，但稍不注意，特別是器件上電、斷電瞬間，甚至工作穩(wěn)定后，當(dāng)插拔音頻插頭或旋音量調(diào)節(jié)鈕等時(shí)都會帶來瞬態(tài)的沖擊，會在喇叭里產(chǎn)生煩躁的噪聲。</p&

83、gt;<p>　　如圖4-7，將LM386的IN+口與MSP430F149的P2.5端口通過一個(gè)100Ω的電阻相連接，來實(shí)現(xiàn)報(bào)警驅(qū)動。</p><p><b>　　圖4-7報(bào)警電路圖</b></p><p>　　Figure 4-7 alarm circuit diagram</p><p><b>　　4.5 顯示模塊

84、</b></p><p>　　裝置的顯示電路采用LCD液晶顯示器顯示，該顯示器能滿足設(shè)計(jì)的要求，也很容易實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用LCD1602來顯示風(fēng)向方位所對應(yīng)的漢字（如“東北”），LCD1602是一款用來專門顯示字母、數(shù)字、符號等信息的點(diǎn)陣型液晶模塊[15]。其主要參數(shù)如表4-2。</p><p>　　表4-2 LCD1602主要技術(shù)參數(shù)</p><p>　

85、　Table 4-2 LCD1602 main technical parameters</p><p>　　1602LCD采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，本設(shè)計(jì)采用14腳接口，各引腳接口說明如表4-3所示:</p><p>　　表4-3 LCD1602引腳說明表</p><p>　　Table 4-3 LCD1602 pin descriptio

86、n table</p><p>　　LCD1602液晶顯示模塊的讀寫操作、屏幕與光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實(shí)現(xiàn)的，表4-4為LCD1602的控制命令，表中給出了11條指令，這些指令包括清顯示、光標(biāo)返回、置輸入模式和顯示開/控制等等，其中‘1’為高電平，‘0’為低電平。</p><p>　　表4-4 LCD1602控制命令表</p><p>　　Table 4-4

87、LCD1602 control command table</p><p>　　如圖4-8顯示電路，該電路直接可與單片機(jī)的數(shù)據(jù)I/O口進(jìn)行連接，其中VSS為電源地，VDD為電源正極，接5V電源，RS為數(shù)據(jù)命令選擇，RW為讀寫命令選擇，D0～D7用來接收數(shù)據(jù)，由于MSP430F149具有豐富的I/O口資源，故本設(shè)計(jì)采用并行的接口方式，提高引腳的利用率，同時(shí)可增加裝置的可靠性。P4.0～4.7是用來顯示數(shù)據(jù)，分別與對

88、應(yīng)LCD1602的D0～D7相連接，P2.2、P2.3和P2.4是用來控制液晶顯示器的選通狀態(tài)。P2.2與LCD1602的RS端相連接，用來控制數(shù)據(jù)命令，P2.3與RW相連接，用來控制讀/寫操作，P2.4與使能端E相連接。</p><p><b>　　圖4-8顯示電路圖</b></p><p>　　Figure 4-8 display circuit diagram&

89、lt;/p><p>　　4.6 串口通信模塊</p><p>　　該模塊主要用來完成單片機(jī)與上位機(jī)的通信，單片機(jī)系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)送到上位機(jī)進(jìn)行累計(jì)分析處理，從而減輕單片機(jī)系統(tǒng)的處理負(fù)擔(dān)，提高裝置的可靠性。然而單片機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行通信時(shí)接口電平存在差異，需要進(jìn)行相應(yīng)的接口轉(zhuǎn)換，這里采用MAX485驅(qū)動芯片搭建接口電路。</p><p>　　常見的異步串行通信的接口標(biāo)準(zhǔn)有R

90、S-485、RS-232、RS-422和RS-423等，一般采用簡單易行、應(yīng)用廣泛的RS-485或RS-232，又因?yàn)樯衔粰C(jī)位于井上工作，考慮到傳輸距離的要求，因此本設(shè)計(jì)采用RS-485通信標(biāo)準(zhǔn)。RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口是單片機(jī)系統(tǒng)常用的一種串行總線之一。與RS-232比較，其性能有許多改進(jìn)。其細(xì)節(jié)差異見表4-5。</p><p>　　表4-5 接口標(biāo)準(zhǔn)RS-232與RS-485的細(xì)節(jié)差異表</p>&

91、lt;p>　　Table 4-5 interface standard RS - 232 and RS - 485 details difference table</p><p>　　RS-485接口可連接成半雙工和全雙工兩種通信方式[16]。本設(shè)計(jì)采用的MAX485是常見的半雙工通信芯片。它采用的封裝由DIP、SO和u MAX三種，本設(shè)計(jì)采用DIP封裝。其端口功能說明如表4-6。</p>

92、<p>　　表4-6 RS-485端口說明</p><p>　　Table 4-6 RS - 485 port</p><p>　　由MAX485芯片搭接串行通信接口電路如圖4-9所示，其中Rp1和Rp2為平衡電阻，通常取值100～300Ω。圖中U2的DI和RO分別接P3.6與P3.7口，U1的、DE端與單片機(jī)的P5.5口直接連接，U2的、DE端通過一個(gè)非門再與P5.5口連接。當(dāng)

93、U2發(fā)送，U1接收時(shí)，P5.5輸出低電平；當(dāng)U1發(fā)送，U2接收時(shí)P5.5輸出高電平。</p><p>　　圖4-9串口通信電路</p><p>　　Figure 4-9a serial port communication circuit</p><p>　　4.7 系統(tǒng)電源模塊</p><p>　　本次設(shè)計(jì)中，風(fēng)向傳感器EC9-1、功率放大

94、器LM386、液晶顯示器LCD1602、串行通信模塊MAX202E的工作電源和單片機(jī)MSP430F149的外部電源為5V，其中單片機(jī)內(nèi)部電源電路由TPS76033芯片實(shí)現(xiàn)3.3V電壓的轉(zhuǎn)換。由于鋰電池在使用的過程，隨著電量的減少會產(chǎn)生壓降。如果系統(tǒng)直接用5V的鋰電池供電，則會隨著使用時(shí)間的增加，電壓值出現(xiàn)明顯的下降，使各芯片無法正常工作，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了能讓系統(tǒng)得到穩(wěn)定的電源電壓，整個(gè)系統(tǒng)采用12V的鋰電池作為外部電源，并采用MC

95、7805作為穩(wěn)壓模塊。</p><p>　　MC7805是三端固定輸出正電壓調(diào)節(jié)器[17]，TO-220封裝，這種集成式的穩(wěn)壓器使用了內(nèi)部過流、過熱和過載保護(hù)電路。帶散熱片時(shí)，輸出電流可達(dá)1A。芯片輸入電壓的典型值是大于輸出電壓值2V，穩(wěn)定輸出5V，如果鋰電池到MC7805的傳輸距離可見時(shí)，需要放置Cin，Cout放置的目的是改善電路的瞬時(shí)反應(yīng)特性，MC7805極限參數(shù)如表4-7所示，具體電路圖如圖4-10所示。

96、</p><p>　　表4-7MC7805極限參數(shù)表</p><p>　　Table 4-7MC7805 limit parameter table</p><p>　　圖4-10 MC7805穩(wěn)壓電路</p><p>　　Figure 4-10 MC7805 regulating circuit</p><p>　　

97、根據(jù)本設(shè)計(jì)各模塊的研究，畫出了符合設(shè)計(jì)的硬件原理圖，具體硬件原理圖見硬件設(shè)計(jì)圖紙。</p><p><b>　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本章重點(diǎn)介紹裝置的軟件設(shè)計(jì)，包括風(fēng)向采集模塊、鍵盤輸入模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊、串口通信模塊和主處理模塊。</p><p>　　5.1 風(fēng)向采集模塊</p><p>

98、;　　風(fēng)向采集即為數(shù)字量的采集，數(shù)字量采集主要是單片機(jī)通過一般的I/O口與調(diào)理電路連接，單片機(jī)通過一般的I/O口來讀取所采集的狀態(tài)信號，判斷是高電平還是低電平，本次采集量為一個(gè)四位的循環(huán)碼數(shù)字信號，直接一次讀取輸入管腳寄存器的值就可以了，這里的這種應(yīng)用是與硬件的設(shè)計(jì)有關(guān)的風(fēng)向數(shù)據(jù)的采集間隔由定時(shí)器A來完成，當(dāng)定時(shí)器A中斷到來時(shí)便可啟動風(fēng)向信號采集，延時(shí)一段時(shí)間間隔后讀取內(nèi)容，然后停止風(fēng)向信號采集，繼續(xù)等待下一次中斷的到來，這里風(fēng)向采集的

99、控制是通過單片機(jī)的一個(gè)I/O管腳進(jìn)行控制的。在獲得數(shù)據(jù)后，設(shè)置一個(gè)標(biāo)志位用來通知主程序，告示主程序已獲得新數(shù)據(jù)。整個(gè)模塊采用的是中斷服務(wù)程序的結(jié)構(gòu)完成。圖5-1為該模塊的程序流程圖。</p><p>　　圖5-1風(fēng)向采集模塊流程圖</p><p>　　Figure 5-1 wind acquisition module flow chart</p><p>　　該模

100、塊主要涉及到MSP430F149的一般I/O口操作和定時(shí)器A的操作。下面分析該模塊的程序設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　初始化部分</b></p><p>　　該部分主要完成一般I/O口和定時(shí)器的初始化功能。下面為初始化部分代碼程序。</p><p>　　void Int_Port(void)</p><p><

101、;b>　　{</b></p><p>　　//將P2管腳在初始化的時(shí)候設(shè)置為輸入方式</p><p>　　P2DIR = 0;</p><p>　　//將P2口設(shè)置為一般I/O口</p><p>　　P2SEL = 0;</p><p>　　//將P2.6口設(shè)置為輸入方向</p><

102、;p>　　P2DIR &= ~ (BIT6);</p><p>　　//將P2.7口設(shè)置為輸出方向</p><p>　　P2DIR |= BIT7;</p><p><b>　　return;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　

103、void In it_Timer A(void) </p><p><b>　　{</b></p><p>　　TACTL = TASSEL1+TACLR; //選擇SMCLK，清除TAR</p><p>　　TACTL += ID1; </p><p>　　TA

104、CTL += ID0; // 1/8 分頻</p><p>　　CCTL0 = CCIE; //CCR0 中斷允許</p><p>　　CCR0 = 4000; //時(shí)間間隔為250Hz</p><p>　　TACTL |= MC0;

105、 //增記數(shù)模式</p><p><b>　　}</b></p><p>　　由以上代碼可以看出，通過設(shè)置CCR0就可設(shè)置定時(shí)器A的中斷頻率，達(dá)到實(shí)現(xiàn)采樣時(shí)間間隔的控制。</p><p>　　定時(shí)器A處理和風(fēng)向數(shù)字量采集部分</p><p>　　該部分主要完成對P2.7口的控制來實(shí)現(xiàn)采集的開

106、啟和停止，當(dāng)P2.7口采集打開，P2.6口開始對四位循環(huán)碼數(shù)字量采集；當(dāng)P2.7口采集關(guān)閉，則P2.6口停止對四位循環(huán)碼數(shù)字量的采集。并且利用定時(shí)器A來實(shí)現(xiàn)對采集頻率的控制，此外通過設(shè)置一個(gè)標(biāo)志來告知主程序已接收到新數(shù)據(jù)，使用全局變量與主處理程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。這部分程序采用中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)，在定時(shí)器A里使能數(shù)字量采集，延時(shí)一段時(shí)間后讀取數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)后關(guān)閉數(shù)字量采集，然后在等待下一次中斷的到來。下面為定時(shí)器A處理和數(shù)字里采集的代碼程序

107、。</p><p>　　///////////////////////////////////////////////////////////////////////</p><p>　　//用于定時(shí)器B中斷，完成數(shù)字量的采集</p><p>　　Interrupt [TIMERA0_VECTOR] void Timer A_ISR(void)</p>

108、<p><b>　　{</b></p><p><b>　　Int i;</b></p><p>　　P2OUT |= BIT7; //打開采集</p><p>　　Delay_us(100); //延遲一點(diǎn)時(shí)間</p>

109、<p>　　D_BUF[nD_Count] = P2IN; //讀出采集結(jié)果</p><p>　　nD_Cont += 1;</p><p>　　If (nD_count == 10)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　nD_Flag = 1;

110、 //設(shè)置標(biāo)志</p><p>　　nD_Count = 0;</p><p>　　//將數(shù)據(jù)倒向數(shù)據(jù)緩沖區(qū)</p><p>　　for (i = 0;i <1 0;i++) D_BUF_Temp[i] = D_BUF[i];</p><p><b>　　}</b></p><p

111、>　　P2OUT &= ~ (BIT7); //關(guān)閉采集</p><p><b>　　}</b></p><p>　　在上面的程序中，通過讀取P2IN寄存器讀出一個(gè)四位的數(shù)字量，當(dāng)采集到數(shù)據(jù)后通過全局緩沖量D_BUF_Temp[]和全局標(biāo)志變量nD_Flag實(shí)現(xiàn)與主程序的數(shù)據(jù)交互。其中延時(shí)程序代碼如下：</p&g