基于AVR單片機(jī)的煤礦傳感器設(shè)計(jì)
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由于近年來煤礦瓦斯事故頻發(fā)，并且動(dòng)則死傷礦工十余人甚至上百人。鑒于此，國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局在《煤礦安全規(guī)程》中明確規(guī)定，“所有礦井必須安裝礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)。”為了滿足市場(chǎng)需要，煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)和生產(chǎn)呈越來越旺的趨勢(shì)。其中，煤礦用傳感器是直接面對(duì)礦井具體工作環(huán)境的最直接設(shè)備。傳感器的工作性能、可靠性、可調(diào)節(jié)性與可升級(jí)性直接影響煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
迄今為止，我國(guó)的礦井瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)仍處于開發(fā)階段，雖然很多產(chǎn)品已投放市場(chǎng)并正式運(yùn)行，但大部分產(chǎn)品并沒有最后定型。因此，對(duì)煤礦傳感器的研究與開發(fā)更有利于其發(fā)展，并推動(dòng)煤礦用其他檢測(cè)控制裝置的研究，使礦用產(chǎn)品越來越成熟。
2 現(xiàn)有傳感器的設(shè)計(jì)
綜觀現(xiàn)有傳感器，基本上都以單片機(jī)為核心，并輔以敏感元件作為檢測(cè)裝置，A／D轉(zhuǎn)換電路將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)并送至單片機(jī)中處理，同時(shí)配備E2PROM作為數(shù)據(jù)或程序的存儲(chǔ)。本文以煤炭科學(xué)研究總院重慶分院研制開發(fā)的KG9701智能低濃度甲烷傳感器為例進(jìn)行分析。
KG9701可檢測(cè)煤礦井下0～4.00％CH4沼氣濃度，并連續(xù)自動(dòng)地將井下沼氣濃度轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸送給關(guān)聯(lián)設(shè)備，并具有就地顯示瓦斯?jié)舛戎?，超限聲光?bào)警等功能。性能穩(wěn)定、測(cè)量精確、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、易使用易維護(hù)等特點(diǎn)，并具備遙控調(diào)校、斷電控制、故障自校自檢等新功能。
KG9701于2000年研制成功并投放市場(chǎng)，目前已廣泛應(yīng)用于全國(guó)大、中、小型煤礦，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率超過60％。該傳感器設(shè)計(jì)壽命為3年，目前已進(jìn)入更新?lián)Q代時(shí)間。
本電路主要由以下幾個(gè)主要部份組成：
(1)單片機(jī)電路
整機(jī)電路以89C51作為核心，E2PROM采用AT24C02，可存儲(chǔ)256 B數(shù)據(jù)，防止傳感器掉電后檢測(cè)數(shù)據(jù)丟失?？撮T狗電路由MAX813組成，防止單片機(jī)程序跑飛，并在程序跑飛后重啟單片機(jī)以使單片機(jī)正常運(yùn)行。
(2)電源電路
傳感器接受分站送入的8～24 V直流電壓，由MC34063構(gòu)成的開關(guān)電源及LM358構(gòu)成的二次穩(wěn)壓電路構(gòu)成的本安電源轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需要的電壓，為整機(jī)供電。正負(fù)電源轉(zhuǎn)換由ICL7660構(gòu)成并輸出-5 V電壓供A／D轉(zhuǎn)換電路使用。
(3)采樣電路
采樣電路由A／D轉(zhuǎn)換與敏感元件2部份構(gòu)成。敏感元件感應(yīng)井下沼氣濃度，并送至A／D轉(zhuǎn)換電路。A／D轉(zhuǎn)換電路由ICL7109組成，以12 b精度進(jìn)行采樣，并將結(jié)果轉(zhuǎn)換成8位數(shù)字信號(hào)，送至89C51處理，同時(shí)將數(shù)據(jù)存入E2PROM中保存。
(4)報(bào)警及顯示
在井下沼氣濃度超限時(shí)，由CD4011驅(qū)動(dòng)喇叭及發(fā)光二極管報(bào)警。74HC373驅(qū)動(dòng)4位數(shù)碼管顯示沼氣濃度，在調(diào)試傳感器時(shí)顯示各調(diào)試值。
(5)紅外接收電路
紅外接收電路接收遙控器傳來的遙控信號(hào)，以完成傳感器的調(diào)整與設(shè)置。
3 89系列單片機(jī)與AVR單片機(jī)的對(duì)比
KG9701采用傳統(tǒng)的89C51單片機(jī)。由于推出時(shí)間長(zhǎng)、設(shè)計(jì)資料豐富、應(yīng)用面廣，掌握該芯片使用的技術(shù)人員多。但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新型單片機(jī)與其相比而言有更多優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)就2種單片機(jī)做一對(duì)比。
評(píng)論