基于zigbee技術的煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)設計方案

1、<p>　　基于Zigbee技術的煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)設計方案 </p><p><b>　　第1章 引 言</b></p><p>　　1.1課題研究背景及意義</p><p>　　煤礦安全生產這個老問題，如何在開采煤炭、持續(xù)供應稀缺能源的同時，保證寶貴的生命不受礦難的吞噬是我們不得不面臨的共同課題？煤炭產業(yè)，作為我國能源工業(yè)的支柱，

2、其地位將是長期的、穩(wěn)定的，但是煤炭工業(yè)的安全生產狀況卻不容樂觀，中小型煤礦的情況尤為嚴重，已經直接威脅到整個煤炭工業(yè)的穩(wěn)定生產，給國家財產和人民生命造成了很大的損失，作為“萬惡之首”的甲烷爆炸事故更是居重大事故發(fā)生率之首。在去年又接連發(fā)生了多起甲烷爆炸事故，事故的結果觸目驚心，因此通過強化甲烷管理，提高通風甲烷檢測監(jiān)控水平，已成為中小型煤礦甲烷檢測監(jiān)控的最迫切的任務之一。隨著采礦技術的不斷發(fā)展，井下作業(yè)的安全越來越有保障，但是仍然有許多

3、采礦企業(yè)的機械化程度低，因此對現(xiàn)場采礦的工作人員的生命安全造成潛在的威脅，特別是針對瓦斯氣體的檢測和報警仍舊存在隱患，每年由于瓦斯泄露造成的特大事故依然很多。據《中國煤炭報》統(tǒng)計，全國共有大小煤礦60000多個，從業(yè)礦工800多萬。【2】根據煤礦三班作業(yè)的實際情況，目前至少需要300萬個瓦斯報警器，可見其市場非常廣闊。但由于某些技術上的不足，導致一些關鍵問題至今沒有能夠解決。由于瓦斯氣體本身的危險性和對</p><p

4、>　　國外的監(jiān)控系統(tǒng)技術水平理論上講高于國內發(fā)展水平，但應用于國內煤礦尚有一定的局限性，如煤礦管理模式生產方式的不同，價格過高不適于國內煤礦現(xiàn)有條件，除在傳感器技術方面可供借鑒外，其它僅具一定參考價值。80年代初，世界各產煤國檢測裝置的缺點是：1）測量范圍小2）易受高濃度瓦斯和硫化物的中毒以及存在零點漂移和靈敏度漂移問題，存在檢測不準確及井下校準困難等弊端（每7天校準一次）。由于檢測裝置向更迅速更快捷發(fā)展，方便攜帶等要求發(fā)展。傳統(tǒng)

5、的機械檢測儀一般靈敏度和準確度也比較低或者檢測方法難，同時單片機既有通用計算機的基本部件，又不同于計算機。體積小，能實時快速的對外部事件作出響應，迅速采集大量數(shù)據，做出邏輯判斷與推理后實現(xiàn)被控對象的參數(shù)調整與控制，且能滿足檢測儀的設計要求，所以基于單片機的智能瓦斯檢測系統(tǒng)設計的開發(fā)有很大意義。因此各國都采用智能煤礦瓦斯檢測系統(tǒng)裝置，運營單片機工作原理，它能提高煤礦瓦斯檢測技術水平和檢測的實時性，更能有效預防煤礦瓦斯事故的發(fā)生。電子技術的

6、迅猛發(fā)展一方面帶動了煤礦瓦斯檢測系統(tǒng)技術的發(fā)展，一方面也對煤礦瓦斯檢測產品提出了越來越高的要求。智能煤礦瓦斯檢測主要是依據單片機為核</p><p>　　1.2課題的主要研究內容與要求</p><p>　　這次畢業(yè)設計的主要內容與要求是：設計一個瓦斯氣體安全監(jiān)控裝置，在氣休濃度一定的范圍內進行安全檢測，并能在礦內瓦斯?jié)舛冗_到報警上限限時進行聲光報警，通知礦內工作人員及時撤離減少人員傷亡和財

7、產損失。假設這個單片機氣體安全監(jiān)控系統(tǒng)要實現(xiàn)以下的功能：氣體測試，超過設定的門限值后自動報警裝置。以單片機為主機，氣敏傳感器通過一根口線與單片機相連接，再加上濃度控制部分和人機對話部分來共同實現(xiàn)瓦斯安全監(jiān)測與控制。通過顯示器顯示礦內瓦斯?jié)舛戎挡⒛芡ㄟ^上位機下位機實現(xiàn)與PC機之間的信息通信，及時準確地顯示井下瓦斯和氧氣超限的實際情況，使安全局主要負責人對礦主、安檢員、某些礦的負責人進行監(jiān)管，督促他們認真貫徹煤礦安全規(guī)程，實現(xiàn)自動監(jiān)管功能。

8、</p><p>　　第2章 系統(tǒng)功能介紹及方案選擇</p><p>　　2.1 系統(tǒng)性能描述</p><p>　　一個易燃易爆氣體監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時的發(fā)現(xiàn)易燃易爆氣體并報警，肯定能提高人民的生活水平和加快我們的現(xiàn)代化建設，減少不必要的人員跟財產損失，有利于整個社會穩(wěn)定?；谶@個思路，我們研究設計了瓦斯監(jiān)測報警系統(tǒng)。能較為準確科學的檢測并顯示礦內瓦斯?jié)舛?，并且當?/p>

9、體的濃度超出某一設定范圍后會產生報警，從而達到實時安全監(jiān)控作用。</p><p>　　2.2 zigbee無線通訊協(xié)議介紹</p><p>　　Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協(xié)議。根據這個協(xié)議規(guī)定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息

10、，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網絡。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網通訊技術。</p><p>　　在802.15.4標準中指定了兩個物理頻段和的直接擴頻序列物理層頻段:868/915MHz和2.4GHz的直接序列擴頻(DSSS)物理層頻段。2.4GHz的

11、物理層支持空氣中250kb/s的速率，而868/915MHz的物理層支持空氣中20kb/s和40kb/s的傳輸速率。由于數(shù)據包開銷和處理延遲，實際的數(shù)據吞吐量會小于規(guī)定的比特率。作為支持低速率、低功耗、短距離無線通信的協(xié)議標準，802.15.4在無線電頻率和數(shù)據率、數(shù)據傳輸模型、設備類型、網絡工作方式、安全等方面都做出了說明。并且將協(xié)議模型劃分為物理層和媒體接入控制層兩個子層進行實現(xiàn)。</p><p>　　Zig

12、Bee協(xié)議是由ZigBee聯(lián)盟制定的無線通信標準，該聯(lián)盟成立于2001年8月。2002年下半年，英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導體公司共同宣布加入ZigBee聯(lián)盟，研發(fā)名為“ZigBee”的下一代無線通信標準，這一事件成為該技術發(fā)展過程中的里程碑。ZigBee聯(lián)盟現(xiàn)有的理事公司包括BM Group，Ember公司，飛思卡爾半導體，Honeywell，三菱電機，摩托羅拉，飛利浦，三星電子，西門

13、子，及德州儀器。ZigBee聯(lián)盟的目的是為了在全球統(tǒng)一標準上實現(xiàn)簡單可靠、價格低廉、功耗低、無線連接的監(jiān)測和控制產品進行合作，并于2004年12月發(fā)布了第一個正式標準。</p><p>　　隨著國內經濟的高速發(fā)展，城市的規(guī)模在不斷擴大，尤其是各種交通工具的增長更迅速，從而使城市交通需求與供給的矛盾日益突出，而單靠擴大道路交通基礎設施來緩解矛盾的做法已難以為繼。在這種情況下，智能公交系統(tǒng)(AdvancedPubli

14、cTransportationSystems，APTS)也就應運而生，并且成為國內研究的熱點。在智能公交系統(tǒng)所涉及的各種技術中，無線通信技術尤為引人注目。而ZigBee作為一種新興的短距離、低速率的無線通信技術，更是得到了越來越廣泛的關注和應用。市場上也出現(xiàn)了大量與ZigBee相關的各種產品，根據中國物聯(lián)網校企聯(lián)盟的統(tǒng)計分析表明：zigbee雖然廣受推崇，但是在數(shù)據中，推出zigbee相關產品的中小型企業(yè)在2012年的發(fā)展并不可觀。&l

15、t;/p><p>　　2.3 系統(tǒng)方案的選擇</p><p>　　2.3.1 系統(tǒng)設計方案</p><p>　　針對此課題要求，需要以下兩個模塊，檢測模塊和主機模塊。</p><p>　　圖2.1 zigbee模塊方案</p><p><b>　　圖2.2 主機方案</b></p>

16、<p>　　方案總體框圖如圖2.1所示。本系統(tǒng)是以CC2530為檢測模塊進行現(xiàn)場檢測，信號處理經由zigbee無線傳輸?shù)街鳈C中，主機以stm32為核心,具有信號的監(jiān)控處理和報警顯示，同時可以利用USB進行上位機開發(fā)，使用低成本單片機stm32進行書記處理和顯示，可擴展性好，開發(fā)靈活，具有很高的實際開發(fā)價值。</p><p>　　2.3.2 傳感器的選擇</p><p>　　甲烷

17、濃度檢測儀器按其工作原理不同，有下列幾種:</p><p><b>　　1.光干涉式</b></p><p>　　光干涉式是利用光波對空氣和甲烷折射率不同所產生的光程差,引起干涉條紋移動來實現(xiàn)對不同甲烷濃度的測定。其優(yōu)點是準確度高，堅固耐用，校正容易，高低濃度均可測量，還可測量二氧化碳濃度;其缺點是濃度指示不直觀，受氣壓溫度影響嚴重，特別是空氣中氧氣不足或氮、氧的比例

18、不正常時,要產生誤差;光學零件加工復雜，成本較高和實現(xiàn)自動檢測較困難。</p><p><b>　　2.熱催化式</b></p><p>　　熱催化式是利用甲烷在催化元件上的氧化生熱引起電阻的變化來測定甲烷濃度。其優(yōu)點是元件和儀器的生產成本低,輸出信號大，對于1%氣樣，電橋輸出可達15mV以上，處理和顯示都比較方便，所以儀器的結構簡單，受背景氣體和溫度變化的影響小，容

19、易實現(xiàn)自動檢測。其缺點是探測元件壽命較短，不能測高濃度甲烷，硫化氫及硅蒸汽會引起元件中毒而失效。目前國內外檢測甲烷的儀器廣泛采用這一原理。</p><p><b>　　3.熱導式</b></p><p>　　熱導式是利用甲烷與空氣熱導率之差來實現(xiàn)甲烷濃度的測定。其優(yōu)點是熱導元件和儀器設計制作比較簡單，成本低,量程大，可連續(xù)檢測，有利于實現(xiàn)自動遙測，被測氣體不發(fā)生物理化

20、學變化，讀數(shù)穩(wěn)定，元件壽命長。其缺點是測量低濃度甲烷時輸出信號小，受氣溫及背景氣體的影響較大。</p><p><b>　　4.紅外線式</b></p><p>　　紅外線式是利用甲烷分子能吸收特定波長的紅外線來測定甲烷濃度。其優(yōu)點是采用這一原理的儀器精度高，選擇性好,不受其它氣體影響，測量范圍寬，可連續(xù)檢測;其缺點是由于有光電轉換精密結構，使制造和保養(yǎng)產生困難，而且

21、體積大，成本高，耗電多，因此推廣使用受到一定限制。</p><p><b>　　5.氣敏半導體式</b></p><p>　　氣敏半導體的種類較多，如氧化錫、氧化鋅等燒結型金屬氧化物。這一原理是利用氣敏半導體被加熱到200℃時，其表面能夠吸附甲烷而改變其電阻值來檢測甲烷濃度。其優(yōu)點是對微量甲烷比較敏感、結構簡單、成本低。但當濃度大于1 %CH4時，其反應遲鈍，選擇性和

22、線性均較差，所以很少用于煤礦井下甲烷濃度的檢測，而多用于可燃氣體的檢漏報警。</p><p><b>　　6.聲速差式</b></p><p>　　在溫度為220℃、氣壓為101325Pa條件下，聲波在甲烷中的傳播速度為432m/s，而在清潔空氣中為332m/s。比較這兩種速度就可測定高濃度甲烷。其優(yōu)點是讀數(shù)不受氣壓影響,其缺點是不適合測量低濃度甲烷，一般只用來檢測礦

23、井抽放甲烷管道中的甲烷濃度，對背景氣體、粉塵及氣溫變化很敏感。</p><p><b>　　7.離子化式</b></p><p>　　氣體在放射性元素的輻射作用下發(fā)生電離，在氣體介質中的兩個電極之間便有電流產生。測量空氣介質和被測甲烷中的電流大小，便可測出甲烷濃度。其優(yōu)點是快速，可以連續(xù)自動檢測，靈敏度高，測量準確，可測二氧化碳濃度。其缺點是測量低濃度甲烷困難，空氣濕

24、度對儀器讀數(shù)有影響，傳感器結構復雜。【11】【12】【13】</p><p>　　要進行—個具體的測量工作，首先要考慮采用何種傳感器，而這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：1)量程的大??；2)被測位置對傳感器體積的要求；3)測量方式為接觸式還是非接觸式；4)信號的引出

25、方法，有線或是非接觸測量；5)傳感器的來源，國產還是進口，還是自行研制，價格能否承受。</p><p>　　熱催化原理又稱催化燃燒原理。利用該原理的甲烷測定器是當前國內測量低濃度甲烷的檢測儀器中采用最廣泛的一種，而且還在不斷的提高和發(fā)展。其基本原理是根據甲烷在一定的溫度條件下氧化燃燒，且在一定的濃度范圍內，不同濃度的甲烷在燃燒過程中要釋放出熱量不同的特性。</p><p>　　根據煤礦瓦斯

26、監(jiān)測系統(tǒng)的基本要求以及對瓦斯爆炸極限濃度的了解，對選用的瓦斯傳感器提出以下要求：</p><p>　?、?檢測范圍：0-4%瓦斯?jié)舛龋直媛什荒艿陀?.01%CH4。</p><p>　?、?報警功能：聲光報警，1m遠處的聲響信號壓級不能小于80db；20m遠處可清晰可見；可以在測量范圍內任意設置報警點，報警顯示值與設定值差值不超過0.05%。</p><p>　　

27、③ 響應速度：不能大于20s。</p><p>　?、?傳輸距離：傳感器使用電纜的單芯截面為1.5mm2時，傳感器與控制主機的傳輸距離不能大于2km。 </p><p>　　根據以上要求選擇深圳鑫賽創(chuàng)電子科技有限公司生產的MJC4/3.0J催化燃燒式氣體傳感器</p><p>　　圖2.2 MJC4/3.0L傳感器</p><p>　　MJC

28、4/3.0L型催化原件根據催化燃燒效應的原理工作，由檢測原件和補償原件配對組成電橋的兩個臂，遇到可燃氣體時檢測原件的電阻升高，橋路輸出電壓變化，該電壓變量隨氣體濃度增大而成正比例增大，補償原件起參必以及溫度補償作用</p><p><b>　　具體參數(shù)如下圖</b></p><p>　　圖2.3 MJC4/3.0L傳感器參數(shù)</p><p>　

29、　瓦斯傳感器 MCJ4/3.0J根據催化燃燒效應的原理工作，由檢測元件和補償元件配對組成電橋的兩個臂，遇可燃性氣體時檢測元件電阻升高，橋路輸出電壓變化，該電壓變量隨氣體濃度增大而成正比例增大。電橋測量電路見圖3-2所示：</p><p>　　圖3-3 電橋測量電路</p><p>　　上圖中Rd為敏感元件，Rc為補償元件。在空氣中，Rd的電阻與Rc相似，調整電橋平衡，此時信號輸出端電壓U

30、AB=0;當空氣中有瓦斯時，在敏感元件Rd表面發(fā)生催化燃燒，Rd的電阻隨著溫度的上升而增加為Rd＋Rd，而補償元件Rc電阻不變，這樣就導致電橋失去平衡。</p><p>　　當采用恒定電壓供電時，電橋輸出的不平衡電壓為：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　假設： （2）<

31、;/p><p>　　此時， （3）</p><p>　　從式子（3）可以看出，電橋輸出電壓與瓦斯?jié)舛瘸烧?，因此，在一定的范圍內電橋輸出電壓與瓦斯?jié)舛瘸示€性關系。</p><p>　　圖3-4 傳感器輸入輸出特性曲線</p><p>　　因為傳感器輸出的電壓信號比較小，需要放大電路將小電壓信號放大，以滿足數(shù)

32、據采集卡采集的要求。這里我選擇了武漢力源信息技術服務有限公司出售的INA128信號放大器，這種信號放大器功耗低、精度高，通用型單通道儀表放大器。</p><p><b>　　其主要特點：</b></p><p>　?、?低偏置電壓：最大50μV</p><p>　?、?低溫度漂移：最大0.5μV／℃</p><p>　　

33、③ 低輸入偏置電流：最大5nA</p><p>　?、?高共模抵制（CMR）：最小120dB</p><p>　?、?輸入保護至±40V</p><p>　?、?寬電源電壓范圍：±2.25至±18V</p><p>　?、?低靜態(tài)電流：700μA</p><p>　　⑧ 8引腳塑料DIP和

34、SO-8封裝</p><p>　　放大電路如圖3-6所示：</p><p><b>　　圖3-6放大電路圖</b></p><p>　　增益設置：， 50K是兩個內部反饋電阻AI和A2的和。本系統(tǒng)中，G=25，則RG=2083，在有噪聲或高阻抗供電電源的應用中，需要在器件的引腳出接去耦電容器。</p><p>　　2.3

35、.3 CC2530介紹</p><p>　　CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應用的一個真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節(jié)點。CC2530 結合了領先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051 CPU，系統(tǒng)內可編程閃存，8-KB RAM 和許多其他強大的功能。CC2530 有四種不同的閃存版本：CC253

36、0F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB 的閃存。CC2530 具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能源消耗。</p><p>　　CC2530F256 結合了德州儀器的業(yè)界領先的黃金單元ZigBee 協(xié)議棧（Z-Stack?），提供了一個強大和完整的ZigBee 解決方案。</p><p>　　CC25

37、30F64 結合了德州儀器的黃金單元RemoTI，更好地提供了一個強大和完整的ZigBee RF4CE 遠程控制解決方案。</p><p>　　CC2530實施了IEEE 802.15.4 標準，因此它是一款通用性極強的芯片高級計量與Zigbee智能能源、家庭與適用于包括消費類電子與RF4CE遠程控制、樓宇自動化、照明、工業(yè)控制與監(jiān)控、保健與醫(yī)療等在內的許多市場。 </p>

38、;<p>　　Zigbee業(yè)界最為振奮人心的事情將發(fā)生在自動化讀表領域，Zigbee聯(lián)盟將其稱為智能能源，其中Zigbee技術將被用于電表及煤氣表、恒溫記和智能家電之間的無線通信，以管理能源和節(jié)省費用。</p><p>　　2.3.4 Cortex-M3介紹</p><p>　　STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Corte

39、x-M3內核。按性能分成兩個不同的系列：STM32F103“增強型”系列和STM32F101“基本型”系列。增強型系列時鐘頻率達到72MHz，是同類產品中性能最高的產品；基本型時鐘頻率為36MHz，以16位產品的價格得到比16位產品大幅提升的性能，是16位產品用戶的最佳選擇。兩個系列都內置32K到128K的閃存，不同的是SRAM的最大容量和外設接口的組合。時鐘頻率72MHz時，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗36mA，是32位市場上功耗最

40、低的產品，相當于0.5mA/MHz。</p><p>　　內核：ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作頻率72MHz，1.25DMIPS/MHz。單周期乘法和硬件除法。</p><p>　　存儲器：片上集成32-512KB的Flash存儲器。6-64KB的SRAM存儲器。</p><p>　　時鐘、復位和電源管理：2.0-3.6V的電源供電和I/O接口的驅

41、動電壓。POR、PDR和可編程的電壓探測器（PVD）。4-16MHz的晶振。內嵌出廠前調校的8MHz RC振蕩電路。內部40 kHz的RC振蕩電路。用于CPU時鐘的PLL。帶校準用于RTC的32kHz的晶振。</p><p>　　低功耗：3種低功耗模式：休眠，停止，待機模式。為RTC和備份寄存器供電的VBAT。</p><p>　　調試模式：串行調試（SWD）和JTAG接口。</p&

42、gt;<p>　　DMA：12通道DMA控制器。支持的外設：定時器，ADC，DAC，SPI，IIC和UART。</p><p>　　2個12位的us級的A/D轉換器（16通道）：A/D測量范圍：0-3.6 V。雙采樣和保持能力。片上集成一個溫度傳感器。</p><p>　　2通道12位D/A轉換器：STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE獨有。&

43、lt;/p><p>　　最多高達112個的快速I/O端口：根據型號的不同，有26，37，51，80，和112的I/O端口，所有的端口都可以映射到16個外部中斷向量。除了模擬輸入，所有的都可以接受5V以內的輸入。</p><p>　　最多多達11個定時器：4個16位定時器，每個定時器有4個IC/OC/PWM或者脈沖計數(shù)器。2個16位的6通道高級控制定時器：最多6個通道可用于PWM輸出。2個看門狗

44、定時器（獨立看門狗和窗口看門狗）。Systick定時器：24位倒計數(shù)器。2個16位基本定時器用于驅動DAC。</p><p>　　最多多達13個通信接口：2個IIC接口（SMBus/PMBus）。5個USART接口（ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，調試控制）。3個SPI接口（18 Mbit/s），兩個和IIS復用。CAN接口（2.0B）。USB 2.0全速接口。SDIO接口。</p>&l

45、t;p>　　ECOPACK封裝：STM32F103xx系列微控制器采用ECOPACK封裝形式。</p><p>　　1、集成嵌入式Flash和SRAM存儲器的ARM Cortex-M3內核。和8/16位設備相比，ARM Cortex-M3 32位RISC處理器提供了更高的代碼效率。STM32F103xx微控制器帶有一個嵌入式的ARM核，所以可以兼容所有的ARM工具和軟件。</p><p&

46、gt;　　2、嵌入式Flash存儲器和RAM存儲器：內置多達512KB的嵌入式Flash，可用于存儲程序和數(shù)據。多達64KB的嵌入式SRAM可以以CPU的時鐘速度進行讀寫（不待等待狀態(tài)）。</p><p>　　3、可變靜態(tài)存儲器（FSMC）：FSMC嵌入在STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE中，帶有4個片選，支持四種模式：Flash,RAM,PSRAM,NOR和NAND。3個FS

47、MC中斷線經過OR后連接到NVIC。沒有讀/寫FIFO，除PCCARD之外，代碼都是從外部存儲器執(zhí)行，不支持Boot，目標頻率等于SYSCLK/2，所以當系統(tǒng)時鐘是72MHz時，外部訪問按照36MHz進行。</p><p>　　4、嵌套矢量中斷控制器（NVIC）：可以處理43個可屏蔽中斷通道（不包括Cortex-M3的16根中斷線），提供16個中斷優(yōu)先級。緊密耦合的NVIC實現(xiàn)了更低的中斷處理延遲，直接向內核傳遞

48、中斷入口向量表地址，緊密耦合的NVIC內核接口，允許中斷提前處理，對后到的更高優(yōu)先級的中斷進行處理，支持尾鏈，自動保存處理器狀態(tài)，中斷入口在中斷退出時自動恢復，不需要指令干預。</p><p>　　5、外部中斷/事件控制器（EXTI）：外部中斷/事件控制器由用于19條產生中斷/事件請求的邊沿探測器線組成。每條線可以被單獨配置用于選擇觸發(fā)事件（上升沿，下降沿，或者兩者都可以），也可以被單獨屏蔽。有一個掛起寄存器來維

49、護中斷請求的狀態(tài)。當外部線上出現(xiàn)長度超過內部APB2時鐘周期的脈沖時，EXTI能夠探測到。多達112個GPIO連接到16個外部中斷線。</p><p>　　6、時鐘和啟動：在啟動的時候還是要進行系統(tǒng)時鐘選擇，但復位的時候內部8MHz的晶振被選用作CPU時鐘。可以選擇一個外部的4-16MHz的時鐘，并且會被監(jiān)視來判定是否成功。在這期間，控制器被禁止并且軟件中斷管理也隨后被禁止。同時，如果有需要（例如碰到一個間接使用

50、的晶振失?。?，PLL時鐘的中斷管理完全可用。多個預比較器可以用于配置AHB頻率，包括高速APB(PB2)和低速APB（APB1），高速APB最高的頻率為72MHz，低速APB最高的頻率為36MHz。</p><p>　　7、Boot模式：在啟動的時候，Boot引腳被用來在3種Boot選項種選擇一種：從用戶Flash導入，從系統(tǒng)存儲器導入，從SRAM導入。Boot導入程序位于系統(tǒng)存儲器，用于通過USART1重新對F

51、lash存儲器編程。</p><p>　　8、電源供電方案：VDD ，電壓范圍為2.0V-3.6V，外部電源通過VDD引腳提供，用于I/O和內部調壓器。VSSA和VDDA，電壓范圍為2.0-3.6V，外部模擬電壓輸入，用于ADC，復位模塊，RC和PLL，在VDD范圍之內（ADC被限制在2.4V），VSSA和VDDA必須相應連接到VSS和VDD。VBAT，電壓范圍為1.8-3.6V，當VDD無效時為RTC，外部32

52、KHz晶振和備份寄存器供電（通過電源切換實現(xiàn)）。</p><p>　　9、電源管理：設備有一個完整的上電復位（POR）和掉電復位（PDR）電路。這條電路一直有效，用于確保從2V啟動或者掉到2V的時候進行一些必要的操作。當VDD低于一個特定的下限VPOR/PDR時，不需要外部復位電路，設備也可以保持在復位模式。設備特有一個嵌入的可編程電壓探測器（PVD），PVD用于檢測VDD，并且和VPVD限值比較，當VDD低于V

53、PVD或者VDD大于VPVD時會產生一個中斷。中斷服務程序可以產生一個警告信息或者將MCU置為一個安全狀態(tài)。PVD由軟件使能。</p><p>　　10、電壓調節(jié)：調壓器有3種運行模式：主（MR），低功耗（LPR）和掉電。MR用在傳統(tǒng)意義上的調節(jié)模式（運行模式），LPR用在停止模式，掉電用在待機模式：調壓器輸出為高阻，核心電路掉電，包括零消耗（寄存器和SRAM的內容不會丟失）。</p><p&

54、gt;　　11、低功耗模式：STM32F103xx支持3種低功耗模式，從而在低功耗，短啟動時間和可用喚醒源之間達到一個最好的平衡點。休眠模式：只有CPU停止工作，所有外設繼續(xù)運行，在中斷/事件發(fā)生時喚醒CPU；停止模式：允許以最小的功耗來保持SRAM和寄存器的內容。1.8V區(qū)域的時鐘都停止，PLL，HSI和HSE RC振蕩器被禁能，調壓器也被置為正常或者低功耗模式。設備可以通過外部中斷線從停止模式喚醒。外部中斷源可以使16個外部中斷線之

55、一，PVD輸出或者TRC警告。待機模式：追求最少的功耗，內部調壓器被關閉，這樣1.8V區(qū)域斷電。PLL,HSI和HSE RC振蕩器也被關閉。在進入待機模式之后，除了備份寄存器和待機電路，SRAM和寄存器的內容也會丟失。當外部復位（NRST引腳），IWDG復位，WKUP引腳出現(xiàn)上升沿或者TRC警告發(fā)生時，設備退出待機模式。進入停止模式或者待機模式時，TRC,IWDG和相關的時鐘源不會停止</p><p><b

56、>　　2.4 本章小結</b></p><p>　　因為傳感器輸出電壓較小，需要進行放大采集，措意我們采用INA128信號放大器進行電壓信號放大后采集。 </p><p>　　選擇一個比較簡易實用經濟的方案，對整個項目的進行有著極其重要的意義。同時重要元器件的選擇也是前期準備工作要必須做好的。電壓范圍為o-5v所以再設計電壓信，并且無需外加AD轉換器，可以直接利用CC2

57、530進行AD檢測與傳輸，方便使用。</p><p>　　在CC2530片內存儲器中，80H-FFH共128個字節(jié)為特殊功能寄存器（SFE）。并非所有的地址都被定義,從80H-FFH共128個字節(jié)只有一部分被定義,還有相當一部分沒有定義,對沒有定義的單元讀寫將是無效的,讀出的數(shù)值將不確定，而寫入的數(shù)據也將丟失。</p><p>　　第3章 硬件系統(tǒng)設計</p><p&

58、gt;　　3.1 硬件系統(tǒng)功能設計</p><p>　　儀器由甲烷氣體敏感元件、A/D轉換電路、顯示電路及報警開關控制電路等組成。</p><p>　　儀器將電源設備送來的穩(wěn)定5v電壓源，供整機電路使用。甲烷氣體敏感元件是采用熱催化原理探頭，加熱器電壓（VH）和測試電壓（VC）。其中VH用于為傳感器提供特定的工作溫度。VC是用于測定與傳感器串聯(lián)的負載電阻（RL）上的電壓（VRL）。這種

59、傳感器具有輕微的極性，VC 需用直流電源。在滿足傳感器電性能要求的前提下，VC 和VH 可共用同一個電源電路，測量電橋輸出與甲烷濃度成比例的信號電壓。</p><p>　　系統(tǒng)以ARM為控制中心，集成了數(shù)據采集、分析、報警的功能。系統(tǒng)主要由以下兩個部分構成：</p><p>　　1)、甲烷氣體檢測傳感器及數(shù)據收發(fā)模塊。</p><p>　　2)、ARM控制終端。&l

60、t;/p><p>　　3）、CDMA入網模塊。</p><p>　　聲光報警電路由蜂鳴器，發(fā)光二極管和驅動電路構成。當甲烷濃度超過設定的報警點時，儀器會發(fā)出聲光報警信號。</p><p>　　圖3.1硬件系統(tǒng)連接圖</p><p>　　3.2 各模塊仿真原理圖及工作原理</p><p>　　3.2.1 信號采集電路&l

61、t;/p><p>　　圖3.2 信號采集電路圖</p><p>　　信號的采集是整個實驗至關重要的一步，信號采集處理的準確與否直接關系到整個實驗的成功與否，耗兒導致信號不準確，所以在實際排版的時候盡量減少分壓采集電路與CC2530的距離，傳感器經采集電壓信號號，經放大器放大，AD轉換，無線傳輸。</p><p>　　3.2.2 單片機最小系統(tǒng)電路</p>

62、<p>　　圖3.4單片機最小系統(tǒng)電路</p><p>　　Stm32控制芯片進行所有zigbee子模塊信號的接收，匯總，數(shù)據處理，圖形界面顯示，報警燈，所以采用32位處理器更為合適。</p><p>　　3.2.3 液晶顯示電路</p><p>　　3.2.4 串口通信以及電源電路</p><p><b>　　3.

63、3 本章小結</b></p><p>　　儀器由甲烷氣體敏感元件、A/D轉換電路、顯示電路及報警開關控制電路等組成。</p><p>　　在滿足傳感器電性能要求的前提下，VC 和VH 可以共用同一個電源電路，測量電橋輸出與甲烷濃度成比例的信號電壓。</p><p>　　電壓信號經過A/D轉換后，變成數(shù)字信號，經CC2530處理后，通過zibnee無線通

64、訊協(xié)議發(fā)送到主機的zigbee接受，并經USB通信串口實現(xiàn)與上位機的信息通信。</p><p>　　由單片機兩個I/0口控制聲報警方式和光報警方式，實際應用時，可以通過軟件設置選擇其中一種報警方式，也可以兩種都選擇</p><p><b>　　。</b></p><p><b>　　第4章 軟件設計</b></p&

65、gt;<p>　　4.1 軟件設計流程圖</p><p>　　如下圖，系統(tǒng)啟動前，從機先進行各模塊的初始化，啟動信息采集、處理與無線傳輸，等待主機接收。</p><p>　　系統(tǒng)啟動后主機進行各部分初始化，等待數(shù)據到來，接收到數(shù)據后，進行處理顯示到圖形界面，并控制繼電器電路。</p><p><b>　　各部分軟件設計</b>&

66、lt;/p><p><b>　　軟件設計思路如下：</b></p><p>　　現(xiàn)以建立在協(xié)調器節(jié)點上及路由節(jié)點上的協(xié)議棧為例來介紹平臺上實現(xiàn)</p><p>　　ZigBee協(xié)議的一些主要的源程序文件。</p><p>　　IEEE802.15.4MAC層程序（zMAC.c）是處理ZigBee網絡的MAC層協(xié)議。</

67、p><p><b>　　{ </b></p><p><b>　　…… </b></p><p>　　void MACEnable(void) </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　PHYEnable();</p>&

68、lt;p>　　while( !PHYInit() ); </p><p>　　MACUpdateAddressInfo(); </p><p>　　PHYSetChannel(PHYGetChannel()); </p><p>　　macState.bits.bIsEnabled = TRUE; </p><p><b>　

69、　} </b></p><p><b>　　…… </b></p><p><b>　　} </b></p><p>　　2 CC2420的特定的PHY程序</p><p>　　CC2420的源程序文件（zPHYCC2420.c）是針對CC2420收發(fā)器的PHY數(shù)據</p>

70、<p><b>　　收發(fā)的處理。</b></p><p><b>　　{ </b></p><p><b>　　…… </b></p><p>　　void PHYSetTRXState(PHY_TRX_STATE state) </p><p><b>

71、;　　{ </b></p><p>　　PHYBegin(); </p><p>　　if ( state == PHY_TRX_RX_ON ) </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　PHYPut(STROBE_SRXON); </p><p><

72、b>　　} </b></p><p>　　else if ( state == PHY_TRX_OFF || state == PHY_TRX_FORCE_OFF ) </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　PHYPut(STROBE_SRFOFF); </p><p><

73、b>　　} </b></p><p>　　else if ( state == PHY_TRX_TX_ON ) { </p><p>　　PHYPut(STROBE_STXON); </p><p><b>　　} </b></p><p>　　PHYEnd(); </p><

74、p><b>　　} </b></p><p><b>　　…… </b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　4.2.1 信號采集軟件設計</p><p><b>　　系統(tǒng)初始化代碼</b></p><p

75、>　　Void Init（void）</p><p><b>　　{</b></p><p>　　Stm32_Clock_Init(15);</p><p>　　delay_init(120);</p><p>　　uart_init(120,9600); <

76、/p><p>　　KEY_Init();</p><p>　　LED_Init(); </p><p>　　LCD_Init(0);</p><p><b>　　While(1)</b></p><p><b>　　{<

77、;/b></p><p>　　MAIN_task();</p><p><b>　　……</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void MAIN_task(void *pdat

78、a)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　u8 res,t;</b></p><p><b>　　RETURN:</b></p><p>　　ICO_Cheak();</p><p>　　LCD

79、_Clear(WHITE);</p><p>　　LCD_DisplayOff();</p><p>　　Windows(0,0,320,480,"ºǫ́³ÌÐò:",32);</p><p>　　for(res=0;res<16;res++)</p

80、><p><b>　　{</b></p><p>　　ShowMainUi(res,WHITE,(u8*)names[res]);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　LCD_ShowString(100,0,80,16,16,1," - -",0

81、); </p><p>　　LCD_ShowString(254,0,254,16,16,1," : :",0);</p><p>　　LCD_DisplayOn();</p><p>　　while(1)</p><p><b>　　{</b></p><p>

82、　　RTC_TimeShow();</p><p>　　LED1=!LED1;</p><p><b>　　t=0;</b></p><p>　　t=TOUCH_Scan();</p><p><b>　　if(t!=0)</b></p><p><b>　　{

83、</b></p><p>　　GUI_HuaKuangKuang(t,BLUE);</p><p>　　delay_ms(300);</p><p>　　RecdiveData();</p><p><b>　　switch(t)</b></p><p><b>　　

84、{</b></p><p>　　case 1:GetClum();MAIN_task(pdata);goto RETURN;</p><p>　　case 2:dipslay_remain();MAIN_task(pdata);goto RETURN;</p><p>　　case 3:AI_LoadPicFile("0

85、:/PICTURE/TIMO.BMP",0,0,320,480);break;case 4:UI_ShowHelp(20,20);</p><p>　　MAIN_task(pdata);</p><p>　　goto RETURN;</p><p>　　case 5:Temp_Show();break;</p><

86、;p>　　case 6: break;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　delay_ms(50);</p><p><b>　　}</b></p><p><b&

87、gt;　　}</b></p><p>　　4.2.1 串口通訊軟件設計</p><p>　　u8 usmart_sys_cmd_exe(u8 *str)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　u8 i;</b></p><p>　　

88、u8 sfname[MAX_FNAME_LEN];</p><p><b>　　u8 pnum;</b></p><p><b>　　u8 rval;</b></p><p><b>　　u32 res;</b></p><p>　　res=usmart_get_cmdname

89、(str,sfname,&i,MAX_FNAME_LEN);</p><p>　　if(res)return USMART_FUNCERR; </p><p>　　str+=i; </p><p>　　for(i=0;i<8;i++)</p><p><b>　　{</b></

90、p><p>　　if(usmart_strcmp(sfname,sys_cmd_tab[i])==0)break;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　switch(i)</b></p><p><b>　　{ </b></p&g

91、t;<p><b>　　case 0:</b></p><p><b>　　case 1:</b></p><p>　　printf("\r\n");</p><p>　　#if USMART_USE_HELP</p><p><b>　　#else<

92、;/b></p><p><b>　　#endif</b></p><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　case 2:</b></p><p>　　printf("\r\n");</p><p>

93、;　　for(i=0;i<usmart_dev.fnum;i++)printf("%s\r\n",usmart_dev.funs[i].name);</p><p>　　printf("\r\n");</p><p><b>　　break; </b></p><p>　　case 3://

94、78;éѯID</p><p>　　printf("\r\n");</p><p>　　for(i=0;i<usmart_dev.fnum;i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　usmart_get_fname((u8*)usmar

95、t_dev.funs[i].name,sfname,&pnum,&rval); </p><p>　　printf("%s id is:\r\n0X%08X\r\n",sfname,usmart_dev.funs[i].func); //</p><p><b>　　}</b></p><p>　　print

96、f("\r\n");</p><p><b>　　break;</b></p><p>　　case 4://hexÖ¸Áî</p><p>　　printf("\r\n");</p><p>　　usmart_get_aparm(str,s

97、fname,&i);</p><p>　　if(i==0)//²ÎÊýÕý³£</p><p><b>　　{</b></p><p>　　i=usmart_str2num(sfname,&res); </p><p&g

98、t;　　if(i==0) </p><p><b>　　{</b></p><p>　　printf("HEX:0X%X\r\n",res); </p><p>　　}else if(i!=4)return USMART_PARMERR;</p><p>　　else

99、 </p><p><b>　　{</b></p><p>　　printf("16½øÖƲÎÊýÏÔʾ!\r\n");</p><p>　　usmart_dev.sptype=SP_TYP

100、E_HEX; </p><p><b>　　}</b></p><p>　　}else return USMART_PARMERR;</p><p>　　printf("\r\n"); </p><p><b>　　break;</b></p><p&

101、gt;<b>　　case 5:</b></p><p>　　printf("\r\n");</p><p>　　usmart_get_aparm(str,sfname,&i);</p><p><b>　　if(i==0)</b></p><p><b>　　

102、{</b></p><p>　　i=usmart_str2num(sfname,&res); </p><p>　　if(i==0) </p><p><b>　　{</b></p><p>　　printf("DEC:%lu\r\n",res);

103、</p><p>　　}else if(i!=4)return USMART_PARMERR;</p><p>　　else </p><p><b>　　{</b></p><p>　　printf("10½øÖƲÎÊ

104、;ýÏÔʾ!\r\n");</p><p>　　usmart_dev.sptype=SP_TYPE_DEC; </p><p><b>　　}</b></p><p>　　}else return USMART_PARMERR; </p><p>　　

105、printf("\r\n"); </p><p><b>　　break; </b></p><p><b>　　case 6:</b></p><p>　　printf("\r\n");</p><p>　　usmart_get_aparm(str,sfn

106、ame,&i);</p><p><b>　　if(i==0)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　i=usmart_str2num(sfname,&res); </p><p>　　if(i==0) </p>

107、<p><b>　　{</b></p><p>　　if(usmart_dev.sptype==SP_TYPE_HEX)printf("*(0X%X)=0X%X\r\n",res,*(u32*)res);</p><p>　　else printf("*(%d)=%d\r\n",res,*(u32*)res);

108、</p><p>　　}else return USMART_PARMERR; </p><p>　　}else return USMART_PARMERR; </p><p>　　printf("\r\n"); </p><p>　　break; </p><p><

109、;b>　　default:</b></p><p>　　return USMART_FUNCERR;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　return 0;</b></p><p><b>　　}</b></p>

110、<p>　　采用流行的嵌入式實時操作系統(tǒng)uC/OS-II。uC/OS-II是一種基于優(yōu)先級的可搶先的硬實時內核。自從92年發(fā)布以來，在世界各地都獲得了廣泛的應用，它是一種專門為嵌入式設備設計的內核，目前已經被移植到40多種不同結構的CPU上，運行在從8位到64位的各種系統(tǒng)之上。尤其值得一提的是，該系統(tǒng)自從2.51版本之后，就通過了美國FAA認證，可以運行在諸如航天器等對安全要求極為苛刻的系統(tǒng)之上。鑒于uC/OS-II可以免費獲

111、得代碼，對于嵌入式RTOS而言，選擇uC/OS無疑是最經濟的選擇。 軟件設計中采用操作系統(tǒng)會使工作進行的非常安全穩(wěn)定。uC/OS-II有具有很大的優(yōu)勢，占用內存也很小，所以選擇它作為操作系統(tǒng)。uC/OS-II 采用的是可剝奪型實時多任務內核?？蓜儕Z型的實時內核在任何時候都運行就緒了的最高優(yōu)先級的任務。uC/os-II的任務調度是完全基于任務優(yōu)先級的搶占式調度，也就是最高優(yōu)先級的任務一旦處于就緒狀態(tài)，則立即搶占正在運行的低優(yōu)先級任務的處理

112、器資源。為了簡化系統(tǒng)設計，uC/OS-II規(guī)定所有任務的優(yōu)先級不同，因為任務的優(yōu)先級也同時唯一標志了該任務本身。對于作品中所有的功能可以分成幾</p><p>　　為了方便用戶操作及合理利用資源減少消耗，根據微處理器提供的各種模式，可以在特定的時間和場合將微處理器設定為不同的狀態(tài)。</p><p>　　根據作平的功能需求及其他方面的安全性考慮，操作系統(tǒng)任務調度中可以劃分為以下幾個任務：&l

113、t;/p><p><b>　　1.開關機及復位</b></p><p>　　2.數(shù)據采集分析處理</p><p>　　3.甲烷氣體濃度超標報警控制</p><p>　　4.鍵盤檢測及LCD顯示</p><p>　　各任務具有不同的優(yōu)先級，這里需要說明任務3的優(yōu)先級是最高的，任務2其次。其他任務的優(yōu)先級

114、低。</p><p><b>　　4.3 本章小結</b></p><p>　　本章詳細地介紹了ZigBee網絡系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺Cortex-M3，簡單介紹了Cortex-M3內核結構及其內核機制和通信機制的研究，詳述了相關的程序設計。</p><p><b>　　總結 </b></p><p&g

115、t;　　我國是世界上最大的煤炭生產和消費國，也是世界上少數(shù)幾個以煤為核心能源的國家之一。據不完全統(tǒng)計，2003年中國煤炭產量占世界產量的35%，可事故傷亡人數(shù)卻占到80%。 2004年中國有6009名煤礦工人死于各種礦難。在這些事故中，瓦斯爆炸又占據絕大多數(shù)，瓦斯災害己成為煤礦安全生產頭號敵人。</p><p>　　本次設計是以stm32單片CPU為核心，采用高精度敏感元件，CC2530自帶AD轉換器，并采用RS

116、232串口通信協(xié)議實現(xiàn)與上位機的通信交流，是一種電路設計新穎，參數(shù)測量準確，操作方便的甲烷濃度報警監(jiān)控儀。</p><p>　　該設計還具有顯示報警參數(shù)和動態(tài)顯示節(jié)能功能，并能方便地觀測瓦斯含量。它是一種新型的煤礦安全監(jiān)控報警設備。以下對它的組成結構和工作原理進行介紹、并對其電路進行分析?？梢允箞缶鼫蚀_、更及時，從而促使煤炭企業(yè)加大安全投入，有效遏止礦難事故發(fā)生，有效地保護煤炭資源，又降低了整個行業(yè)的風險程度，

117、加大了煤炭企業(yè)安全生產的壓力，也可以保證良好的經濟效益，保護了從業(yè)人員的安全與利益，也大大減輕了以往煤礦事故發(fā)生后各級政府進行的大量事后工作，使政府從煩亂的事故處理中解脫出來，提高工作效率。從更大的方面說，可以在保證安全生產的前提下，提高安全投入水平的同時，使安全投入所帶來的效益超過安全投入所發(fā)生的成本，樹立一種科學的安全發(fā)展觀。</p><p><b>　　本文所做的工作有：</b><

118、;/p><p>　　(1) 完成了瓦斯?jié)舛葯z測報警設備的整體構思和設計。</p><p>　　(2) 各部分元器件的選擇。使用單片機AT89C52作為控制芯片，利用甲烷氣體傳感器、信號調理電路、A/D轉換器、無線收發(fā)模塊、顯示電路、報警電路構成系統(tǒng)，在各部分的元器件的選擇中本著高性能、低成本的原則，按照設計要求做出選擇。</p><p>　　(3) 各個子系統(tǒng)的電路設計

119、。該設計的子系統(tǒng)包括：數(shù)據處理單元、報警單元、顯示單元等。各子系統(tǒng)采用AT89C52單片機來作為控制部件，協(xié)調各部分完成規(guī)定的任務，按照各部分的要求設計好電路圖，最后將各部分連在一起形成一個整體。</p><p>　　(4) 對整個系統(tǒng)進行論證。一個系統(tǒng)的設計，論證過程的必不可少的部分。首先對各系統(tǒng)的電路圖連接方式和元器件的選擇進行論證，看能否實現(xiàn)其相對應的功能，有不妥當?shù)牡胤郊右孕薷模酝晟圃撛O計。其次是軟件部

120、分的程序流程圖的論證，看是否正確，是否可行，不正確要予以更正。</p><p>　　通過這次畢業(yè)設計，學會了如何運用已學的知識來完完整整地設計一個系統(tǒng)，使我對單片機的原理及應用有了更深的理解。到此我的畢業(yè)設計也快要接近尾聲了，雖然本次設計相當于只是完成了煤礦瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分的設計，但是對我個人來說也是一次相當大的挑戰(zhàn)，設計完之后感覺自己的思維方式更加完善，考慮問題的方法也在不知不覺中有了很大的提高。<