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1、平顶山工业职业技术学院 单片机原理及应用任务一煤矿安全监测系统及其单片机结构认识地面中心站 井下分站 智能传感器 通 信通 信平顶山工业职业技术学院 任务一煤矿安全监测系统及其单片机结构认识矿山监控系统是煤炭高产、高效、安全生产的重要保证。世界 各主要产煤国对此都十分重视，推广使用了环境安全、轨道运输、 胶带运输、提升运输、供电、排水、矿山压力、火灾、水灾、煤与 瓦斯突出、大型机电设备健康状况等监控系统，提高了生产率和设 备利用率，增强了矿山安全。由于煤矿井下是一个特殊的工作环境 ，有瓦斯(主要成份是甲烷)等易燃、易爆性气体，有硫化氢等腐蚀 性气体，有淋水、环境潮湿、空间狭小、矿尘大，电磁干扰
2、严重、 电网电压波动大、工作场所分散且距离远。因此，矿山监控系统不 同于一般工业监控系统。这主要体现在电气防爆、传输距离远、网 络结构宜采用树形结构、监控对象变化缓慢、电网电压波动适应能 力强、抗干扰能力强、抗故障能力强，不宜采用中继器、传感器宜 采用远程供电、设备外壳防护性能要求高等方面。采用监控系统后 ，保障煤炭高产、高效安全生产，具有重大的实用价值。前言2平顶山工业职业技术学院 任务一煤矿安全监测系统及其单片机结构认识一、任务描述二、任务分析三、相关知识四、任务布置3平顶山工业职业技术学院 任务一煤矿安全监测系统及其单片机结构认识单片机在矿山监控系统的应用十分广泛，而单片机的使用方法是掌
3、握单片机系统的前提。因此，只有真正掌握了单片机的内部结构及系统组成，才能够根据其内部结构特点选择合适的指令编制程序，设计外围电路，才能确保单片机系统的构成。单片机技术发展十分迅速，产品种类琳琅满目。为满足工业控制的要求，选择合适型号的单片机进行系统设计是每一个单片机使用者必须掌握的技能。因此，只有通过了解单片机的发展过程及产品近况，掌握当前市场主流单片机型号、种类及其特点才能设计出满足工作要求的单片机系统。一、任务描述返回4平顶山工业职业技术学院 任务一煤矿安全监测系统及其单片机结构认识二、任务分析单片机的元件识别主要包括认识单片机实物，掌握单片机内部结构特点，了解单片机扩展芯片，了解单片机电
4、路系统构成等。为能正确地编制程序并设计外围电路，实现单片机系统，首先必须先认识单片机实物并掌握单片机内部结构特点等相关知识。单片机的发展分类主要包括单片机的发展过程及产品近况，了解当前市场主流单片机型号及种类，了解单片机的特点及应用领域等。通过了解主流单片机型号及种类，并能通过查找资料确定单片机的主要性能，进而选择合适型号的单片机进行系统设计。返回5平顶山工业职业技术学院 任务一煤矿安全监测系统及其单片机结构认识三、相关知识（一）早期的矿山监控系统 矿山监控系统是由瓦斯遥测系统发展而来的，如图11所示。遥测仪记录仪断电仪断电仪 甲烷传感器甲烷传感器被控开关交流电图1-1 早期的矿井监控系统 返
5、回6平顶山工业职业技术学院 任务一煤矿安全监测系统及其单片机结构认识瓦斯遥测系统是用来监控井下环境中甲烷浓度的监控系统，并具有瓦斯超限声光报警和断电功能。瓦斯遥测系统一般由甲烷传感器、 断电仪、遥测仪和记录仪组成。 甲烷传感器将被测甲烷浓度转换为电信号送断电仪，并具有甲烷浓度显示和甲烷度超过报警门限后声光报警功能。 断电仪对甲烷传感器送来的甲烷浓度信号进行调制，将调制后的信号经2芯矿信号电缆远距离传送至位于地面的遥测仪。 遥测仪对接收到的调制信号解调后显示，并进行报警判别，当甲烷浓度超过报警限时，发出声光报警信号。记录仪将甲烷浓度实时记录下 来 。7平顶山工业职业技术学院 任务一煤矿安全监测系
6、统及其单片机结构认识在发展甲烷遥测系统的同时，为了保证轨道运输、提升运输、胶带运输等运翱统的安全、提高生产率和设备利用率，推广应用了模拟盘调度系统。例如，用于轨道运输监控的信、集、闭系统，用于提升运输监控的信号系统和用于胶带运输监控的信号系统等。这些系统均采用集中监控，每路信号使用一对电缆芯线接至总控制台、总控盘使用指示灯显示设备状态，为形象直观、常常将设备图形等制成背景，在被监控的蕾处设置指示灯，如图1-2所示。图12模拟盘调度系统 模拟盘继电器及被控开关继电器及被控开关8平顶山工业职业技术学院 任务一煤矿安全监测系统及其单片机结构认识（二）矿山监控系统现状 早期的瓦斯遥测系统和模拟盘调度系
7、统虽在煤矿安全生产、提高生产率和设备利用率方面起到了重要作用，但由于这些系统监测参数单一，监测容量小，电缆用量大、系统性能价格比低。因此，难以满足煤矿对矿井监控提出的越来越高的要求。 随着传感器技术、电子技术、计算机技术和信息传输技术的发展和在煤矿的应用，为适应机械化采煤的需要，矿井监控系统由早期的单一参数的监测系统，发展为多参数单方面监控系统。 9平顶山工业职业技术学院 任务一煤矿安全监测系统及其单片机结构认识安全监控系统主要用来监测甲烷浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、氧气浓度、硫化氢浓度、风速、负压、湿度、温度、风门状态、风窗状态、风筒状态、局部通风机开停、主通风机开停、工作电压、工作电
8、流等，并实现甲烷超限声光报警、断电和甲烷风电闭锁控制等。 这些系统一般由传感器、执行机构、分站、电源箱(或电控箱)、主站、主机(含显示器)、打印机、模拟盘、多屏幕、UPS电源、远程终端、电缆和接线盒等组成，如图1-3所示。10平顶山工业职业技术学院 任务一煤矿安全监测系统及其单片机结构认识图13矿井监控系统11平顶山工业职业技术学院 任务一煤矿安全监测系统及其单片机结构认识传感器将被测物理量转换为电信号，经3芯或4芯矿用电缆(其中1芯用于地线,1芯用于信号线、l芯用于分站向传感器供电)与分站相连，并具有显示和声光报警功能(有些传感器没有示和声光报警).执行机构(含声光报警及显示设备)将控制信号
9、转换为被控物理量,使用矿用电缆与分站相连。分站接收来自传感器的信号并按预先约定的复用方式(时分制或频分制等：远距离传送给主站(或传输接口)，同时，接收来自主站(或传输接口)多路复用信。分制或频分制等)。分站还具有线性校正、超限判别、逻辑运算等。对传感器输入的信号和主站(或传输接口)传输来的信号进行处理，控制执行机构工作。传感器及执行机构距分站的最大传输距离一般不大于2lKm。12平顶山工业职业技术学院 任务一煤矿安全监测系统及其单片机结构认识现有传感器及执行机构一般需经分站接人系统(除个别外)，这样虽然便于分站实现就地控制，但当个别传感器和执行机构离分站较远，而离系统电缆较近时，就显得十分不合
10、理，既不便于系统维护又增加了系统电缆投资。因此现有矿井监控系统均为主从式传输，如图1-4所示。 现有传感器输出信号为模拟信号(频率型、电流型和电压型)和开关量信号，采用模拟信号和开关量信号，很难实现传感器及执行机构的电缆多路复用。图1-4传感器及执行机构采用星形结构与分站连接分站传感器执行机构13平顶山工业职业技术学院 任务一煤矿安全监测系统及其单片机结构认识（三）矿山综合监控系统 矿山综合监控系统是一种可用于全面综合监控，又可实现某些或某个 方面监控的多参数、多功能系统。全矿井综合监控系统由智能传感器、智 能监控站、调度管理网络等组成。如图1-5所示。图15全矿井综合监控系统14平顶山工业职
11、业技术学院 任务一煤矿安全监测系统及其单片机结构认识1、智能传感器（1）智能传感器使用一种通用电路，便于维护人员集中精力，深入细致地掌握电路原理，达到每一位具有一定电路基础的维护人员均能及时处理故障的要求。以保证系统正常运行。同时由于电路统一备用组件种类少，也便于备件的准备。 传 感 元 件放大电路 小信号检测A/D 转 换 器单 片 机 最 小 系 统显 示 电 路声 光 报 警 电 路信 号 输 出 电 路图1-6智能传感器15平顶山工业职业技术学院 任务一煤矿安全监测系统及其单片机结构认识（2）数字信号传输与多路复用 智能传感器采用数字信号传输，多台传感器共享一根多芯电缆接成树形结构与智
12、能监控站相连。当传感器远离智能监控站而靠近系统传输电缆时。智能传感器可直接接系统电缆，如图1-7所示。图1-7智能传感器直接接系统电缆16平顶山工业职业技术学院 任务一煤矿安全监测系统及其单片机结构认识现有传感器没有采用数字信号输出和多路复用，主要是因为现有传感器采用单片机的较少，实现时分多路复用困难。另一个原因是早期传感器耗能大，一对芯线只能为一台传感器供电。例如：早期甲烷传感器工作电流为300mA、传感器输入电压为724V。若由24V本安电源供电供电电缆环路电阴为26 nKm，其供电距离为(247)(0 3261_218Km。若向2台传感器供电，则供电距离仅为109Kin，不满足2Km输距
13、离的要求。而目前传感器的工作电流一般不大于100mA，特别是一些温度、开关量等传感器工作电流不大于10mA，从而解决了一对芯线为多台传感器远距离供电问题。因此，传感器电缆复用路数，并不取决于监测周期、传输速率和地址编码，而取决于传感器的供电电流，这就给传感组件降低消耗提出了新的要求。 17平顶山工业职业技术学院 任务一煤矿安全监测系统及其单片机结构认识（3）就地控制 智能传感器传输的串行数字信号除数据(模拟量传感器)或状态(开关量传感器)外，还有报警、断电等控制信号。接在同一条总线上的执行机构(如声光报警和断电设备)根据收到的控制信号(如：报警和断电信号)执行相应的操作(如：发出声：警和断电控
14、制)。传感器直接控制执行机构，较经分站控制执行机构具有执行速度可靠性高等优点，当分站发生故障时，仍可执行基本的控制。 2、智能监控站智能监控站是全矿井综合监控系统智能现场设备，其功能类似于现有系统分站，有信号采集、控制、与主站(或上级智能控制站)双向数据传输等功能 18平顶山工业职业技术学院 任务一煤矿安全监测系统及其单片机结构认识3、调度管理网络调度和管理人员是通过调度管理网络与系统进行信息交换的，其 功能类似于现有系统的中心站和远程终端，具有系统初始化、显示、 打印、存储、控制干预等功能。 4、现场总线与组态软件技术 现场总线(Field Bus)是连接智能现场设备和自动化系统的多节点、
15、数字式、双向传输的通信网络；是计算机技术、通信技术、控制技术飞 速发展并在工业监控领域有机结合的产物。现场总线采用开放式互连网 络，公开所有技术和标准，提高了设备的互换性。现场总线监控系统中 的传感器及执行机构等具有检测、变换、补偿、运算和控制等多种功能 ，控制权力进一步下放，既提高系统可靠性和实时性，又降低了系统成 本。现场总线控制系统的传感器和执行机构均采用多路复用双向数字传 输，大大节省了传输电缆、降低了设备成本、提高了系统可靠性、便于 用户使用与维护。 19平顶山工业职业技术学院 任务一煤矿安全监测系统及其单片机结构认识（四）矿井监控系统的分类矿井监控系统可按监控目的、使用环境、复用方式、网络结构、信 号、信号的传输方向、同步方式、调制方式等进行分类。按监控目的不 同可分为环境安全、轨道运输、胶带运输、提升运输、供电、排水、矿 山压力、火灾、水灾、煤与瓦斯突出、大型机电设备健康状况等监控系 统。按使用环境不同可分为防爆型(本质安全型、隔爆兼本质安全型、 隔爆型等)、
