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1、-摘要本文主要论述了一种煤矿井下水位监测系统的设计与实现。系统主要由控制电路和液晶显示器组成，控制柜安装在井下水仓附近，外接多个传感器测量各项参数，控制电路以 AT89C52 单片机为核心，完成对被测信号的采集和处理等操作，当被测量超过允许值时，能够产生声光报警。电路板上配有键盘电路，当传感器初装或零点发生漂移时，可以通过按键调节零点，同时也可以设置每个被测量的报警值。液晶显示器实时显示现场模拟状态图，包括各个被测量的大小，并根据水位的上下有动态变化。系统采集的信号主要包括水泵电机的电流值、开停状态和轴承温度值，以及水仓水位值。其中，采用 WB 系列电量隔离传感器来测量电流 ;采用 KGT9矿
2、用机电设备开停传感器来测量水泵电机的开停状态;采用数字温度传感器MA*6577 测量水泵电机的温度;水位传感器为自行设计，探头采用 MPM281 压力传感器，根据压力与水位的关系，确定水位高度。系统采用彩色液晶显示器显示所有被测信息，如有报警可通过改变显示颜色予以提示。软件局部采用 C 语言进展编程，对系统的各项功能进展了实验室调试和现场实验验证。整个系统对保证平安生产和提高生产效率起到了重要作用。.z.-关键词:井下水位，实时监测，单片机，传感器，液晶显示器.z.-AbstractThe essay mainly discusses a kind of design and reality
3、of the water-bunkerlevelmonitoring system underground coal mine. The system is comprised by a controlcircuit andLCD. The controller is installed in the vicinity of the water-bunker, whichlinked a number ofsensors to measure variousparameters.of the signalThe control circuitis in the core of AT89C52.
4、 Itcompletes the measurementgathering and processing. When the inde* is beyondthe limit, it will produce theacoustics-optics alarm. The PCB has the key circuit. When thesensors are installed at thefirst time or the zero value is changed, we can set the zero by thekey, also we can set thealarm value
5、by the key. LCD display real time simulation of the scenestate graphincluding the size of all measurement, which has dynamic change in accordancewith thewater level.The signals that the system collects include the current, on-off state and thebearingtemperature of the pump engine and the water-bunke
6、r level. Among it, themeasurement ofcurrent adopts WB series electric quantity isolation sensor. Themeasurement of on-off stateadopts KGT9 on-off sensor. The collecting of temperature.z.-is realized by the digitaltemperature sensor MA*6577. The water level sensor is designedby us with the MPM281pres
7、sing sensor as the probe to measure the water levelaccording to the relationship betweenthe pressure and the water level. The systemdisplays all the signals with color Liquid CrystalDisplay (LCD). If warning, the color ofthe display will be changed to tell the operator.The software part is programme
8、d using the C language and its everyfunction istested inthe laboratory and in the spot respectively. The whole system has run well sincebeen installedin the datun coal mine. Both social and economic benefits are moreobvious. It plays animportant role in ensure safety in production and improveproduct
9、ion efficiency.Keywords:Water-bunkerlevel,Realtimemonitoring,Singlechipmicrocomputer,Sensor, LCD (Liquid Crystal Display).z.-目录.z.-第1章 绪论1.1 课题背景煤矿生产过程中，经常可以见到地下水流入巷道和工作面，这就是矿井水。矿井水的来源主要有大气降水、地表水、断层水、含水层水和采空区水l 。在煤矿地下开采的过程中，由于地层中含水的涌出，雨水和江河中水的渗透，水砂充填和水力采煤矿井的井下供水，将要有大量的水昼夜不停地聚集于井下。矿井涌水与采区的水文地质及当地的气象条
10、件有关系，涌水量在不同的季节也呈现不同。在一些大水矿井，矿井涌水量可到达每秒 17 立方米，甚至超过每秒 20 立方米。另外，在煤炭开采过程中，由于地层构造被破坏，岩层断裂，使采区与储水层连通，发生突水事故，涌水量会突然增加。如果不能及时将这些积水排送到井上，井下生产就可能受到阻碍，井下平安就会得不到保障，严重者会造成重大事故，给人民的生命、国家的财产都带来了极大威胁。因此，井下排水就显得尤为重要。井下排水系统的任务就是及时把流入井下煤矿巷道中的矿井积水排送至地表，确保煤矿的平安生产。根据统计，每开采 1 吨煤就要排出 2-7 吨矿井水，有时甚至要排出 30-40 吨矿.z.-井水。井下排水设
11、备所配备电机的功率，小的几千瓦到几十千瓦，大的几百千瓦到上千千瓦、在我国煤炭行业中，井下排水用电量占原煤生产总耗电量的18%-41，一般为 20%左右。矿井排水方式一般分为两种:自流法排水和扬水法排水。前者是利用倾斜坑道将水排至露天的水沟;后者则利用排水设备扬至地面。排水设备一般由水仓、吸水井、多台水泵带电机及其吸水管充水装置、多趟排水管路、闸阀等组成。井下排水系统是煤矿生产中四大系统之一，担负着井下积水排除的重要任务。然而，目前国内许多矿井井下主排水系统还采用人工控制，水泵的开停及选择切换均由人工完成，完全依赖于工人的责任心，也预测不了水位的增长速度，做不到根据水位和其他参数的实时显示，这种
12、检测控制方法效率低，工人劳动强度大，且由于井下环境恶劣，故障率较高，严重阻碍了矿井排水泵的管理水平和经济效益。因此，能准确地获取水仓水位的高度信息以及排水泵的各项参数从而确定排水泵的开停，并且在水位超限等情况下产生报警，对于合理安排电机运转、保障排水具有重要的现实意义。在许多兴旺国家里，矿井水资源管理己进入了系统化管理阶段，集中了标准化、统计化、实时化和运筹化管理水资源质量及水环境的优点，运用系统.z.-论、信息论、控制论和计算机技术，建立起了水资源管理信息系统。他们在采区工作面水文地质探测，地下水动态观测，水害预测，应急堵截水方面和矿井水综合治理方面均有成熟的技术可以让我们借鉴。虽然这些国家
13、没有将排水设备的自动化单独进展研究，但他们将这一方面的内容列入了矿山整体水资源管理的规划之中，将所有的控制信息包括水泵的运行都集中给中心控制室，进展统一控制，如俄罗斯针对矿山设备的研制，提出了采用以微处理技术为根底的自动控制和故障诊断系统以及保护和平安操作系统。国内在优化排水方案、改造排水设备及巷道合理布置等方面也做了大量的研究。还有一些研究人员把智能控制理论用于煤矿井下排水系统当中，将规则控制、模糊控制、神经网络方法、专家系统等智能型的控制方法用于排水系统的控制，能够实现实时控制、自动监测排水系统的运行状况，自动进展数据采集、自动记录、故障报警、事故分析、多台水泵软启动的自动切换及控制断电等
14、，所得到的动态资料准确性高，控制的可靠性局。在煤矿井下水位的检测技术方面，目前国内还处于摸索阶段，检测手段比拟落后，可靠性差，检测系统不完善，检测煤泥水的传感器还没有好的产品。虽然现在也有一些传统的水位传感器，如压力式、浮子式等水位传感器用于煤.z.-泥水水位的测量，但是由于煤矿井下环境恶劣，这些传感器均因淤泥或煤泥堵塞受到影响，致使整个系统难以准确可靠地采集前端信号。过去对煤矿井下水的检测监控自动化要求不高，但是随着近年来煤矿事故的频繁发生，煤矿平安问题日益引起了人们的广泛关注。现在，所有矿用产品都进展防爆送检和煤安认证，煤矿的平安要求越来越高，因此对煤矿井下水的监控要求也随之提高，具有高准
15、确性、高可靠性的检测煤泥水的新型传感器也急迫需要研制。目前国外的井下水仓静态水监测系统的前端信号采集传感器技术仍然为传统的压力式和浮子式，没有什么新的进展。水是经济建立和人类赖以生存必不可少的自然资源。我国国土面积占世界第 3 位，但人均占有的淡水资源却仅为世界的第84 位，而且水资源分布极不均衡，西北地区及相当一局部地区水资源十分贫乏。我国的煤炭绝大局部蕴藏在北方缺水地区，尤其是西北干旱地区。目前储量较大的神府煤田、古交煤田就处在黄土高原的内蒙古、山西一带。干旱缺水大大地阻碍了煤炭能源基地的建立和开展。我国是一个煤炭生产大国，随着国民经济的高速开展，对煤炭的需求量将进一步增长。煤炭是我国的主
16、要能源，在一次能源构成中一直占70%以上，预计.z.-这个局面在今后二、三十年内不会有根本性的改变。目前，全国约75%的工业燃料和动力、85%的化工原料和绝大多数的民用燃料依靠煤炭。目前我国煤炭产量己突破 12 亿吨，居世界首位，而同时每生产1 吨原煤将从地下抽排出2-4M3 的地下水，即矿井水，平均每年将有2040 亿 m3 的地下水抽排到地面，占全国地下水年开采量的 5%，是我国城市年生活用水量的 40%，这些地下水绝大局部被排放掉，煤矿利用率仅为10%。煤矿生产抽排的地下水，初始流入井筒均未受污染，而是在煤炭开采过程中，才被污染，呈现灰黑色。矿井水中主要污染物为采煤过程中悬浮煤粉和岩石粉
17、渗入水中形成较高浓度的悬浮物(SS)、可溶性的无机盐类、井下使用的乳化液对矿井水的污染以及少量的有机污染物，所以水质较好，如果对其进展适当处理，完全可以到达工业和生活用水标准。比方，我国东北、华北矿区的矿井水水质特征根本为中性，矿化度低，不含有毒有害物质，经混凝、沉淀、别离和杀菌消毒工艺后，完全能够到达生活用水的指标。另一方面，我国地域辽阔，人口己逾 13 亿，人均占有水资源量远远低于世界的平均水平，仅为全世界人均水平的四分之一，是世界上严重缺水的国家。随着经济的飞速开展，人口的大量增加和人民生活水平的提高，用水量也在急剧增.z.-长，水资源也变的越来越紧张。尤其在我国的主要产煤区缺水更加严重
18、，全国75%的矿区面临缺水，其中 40%的矿区已到达严重缺水程度，缺水的状况有增无减，严重影响了煤炭生产和矿区人民的生活。全国矿区每年缺水量己达5 亿m3，形成了地下水大量地浪费性排放与矿区生活生产用水严重缺乏的矛盾。过去很多煤矿对矿井排水没有充分加以利用，通常未经任何处理就直接排入江河、山沟、洼地中，造成严重的环境污染 ;有的矿区一方面用电力把矿井水排到地面污染地表水系，另一方面又在缺乏水源的情况下耗资打井取水或远距离输水，这是对能源的极大浪费。如果将矿井涌出水进展合理排放处理，使水质到达工业与生活用水标准，则为水资源紧缺的煤矿开辟出第二水资源，这将带来巨大的社会经济效益。近几年，我国北方大
19、型煤矿区都开场了程度不同的矿井水开发利用工作，意识到矿井水资源化是一项开源增流的有效措施，作为水资源的一种补充来源，可以在*种程度上解决当地严重缺水这一经济开展的瓶预问题。但是，更值得注意的一点是，现阶段我国煤矿矿难频繁发生，因之造成的人员伤亡和设备财产损失的数字是十分惊人的，煤矿平安问题也日益受到人们的关注。造成煤矿事故的原因是多方面的，比方顶板、运输、火药放炮、火灾等，.z.-但是以瓦斯爆炸和水灾害最为频繁，最为严重。如果矿井水排放不畅，如此多的矿井涌出水在井下放任自流，将势必造成水灾，更严重的造成设备财产损失、人员伤亡、矿井坍塌等灾难性的后果。矿井水害一直是制约煤矿平安生产的重大矿井灾害
20、之一。煤矿水害事故的发生，不仅造成生产损失和人员伤亡，导致多种环境负效应，而且还威胁着大量煤炭资源不能开采，对矿井平安生产构成重大影响。综上所述，不管是从矿井水的合理排放再利用方面，还是从矿井水的放任自流对煤矿开采的极大危害方面考虑，都需要把矿井水及时有效地排出矿井。因此，设计一套行之有效的煤矿井下水仓水位监测系统是不可或缺的。本课题主要是对煤矿井下水位进展实时监测，为到达以上目的，本课题主要做以下几个方面的工作 :.设计水位传感器，实时测量井下水位。 . 测量每个水泵电机的电流、开停状态和轴承温度。 . 通过液晶显示器实时显示水仓水位、电机开停、电机电流和电机轴承温度等状态值。 . 当水位超
21、限(包括高限和低限)，电机电流超限(包括过流和欠流)，轴承温度.z.-超温时进展报警。2 系统设计方案本系统安装在煤矿井下水仓附近，对水仓水位及排水泵电机的各项参数进展实时监测并显示，因此，本监控装置设计为长方形翻盖式壳体，上盖内侧为液晶显示器，壳体内部为监控报警系统的控制线路板，壳体外侧是多个 M16 喇叭口，分别用于连接各个传感器以及电源输入。本系统为每个水泵电机配备有两个温度传感器、一个电流传感器和一个开停传感器，分别用于测量电机左右轴温度、电机工作电流和电机开停状态。另外还有水位传感器用于测量水仓当前水位。系统构造配置图如图 2.1所示。本课题需要解决两个方面的关键问题 :一是各种被测
22、信号的采集和处理，二是对各种信息的实时显示。系统将要对多种信号进展采集，包括水泵电机的电流值、开停状态和轴承温度值，以及水仓水位值。这些信号的类型比拟多，需要用到多种传感器采集并进展信号放大等处理。同时，系统需要将采集到的各种信息在液晶显示器上实时显示出来，并伴有动态模拟，因此如何实现微处理器与液晶显示器之间的通信，并通过命令操作进展动.z.-态显示是要解决的一个关键问题。基于以上问题，主控制柜设计为以微处理器为核心的控制电路和液晶显示器组成。微处理器(单片机)的选型本系统中，对单片机的速度要求不是很高，而且显示器选用液晶显示器，因此，输出电平也不需要很大的驱动能力。从软件上讲，编程需要进展大
23、量的数据运算，这对于编程复杂的PIC 系列单片机和存放器资源有限的 AVR 系列单片机也都不是很适宜。此外，考虑到个人的熟练掌握程度和单片机的价格，本系统选用了当今最流行的八位单片机51 系列的典型产品AT89C52。AT89C52 是 ATMEL 公司生产的一种低功耗、低电压、高性能的 8 位单片机，片内带有一个8KB 的 FLASH可编程可擦除只读存储器 ( EPROM)。它采用了CMOS 工艺和 ATMEL 公司的高密度非易失性存储器 (NURAM)技术，而且其输出引脚和指令系统都与MSC-51 兼容。片内的FLASH 存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程，操作
24、十分方便。目前，又很多的单片机都与AT89C52的管脚和功能兼容，可以在许多场合进展替换。显示器的选型.z.-对于采集数据的就地显示主要有两种方式:发光二极管显示器(LED)显示和液晶显示器(LCD)显示。LED显示与LCD 显示相比，LED在亮度、可视角度和刷新速率等方面，都更具优势。但是，本系统中需要显示的数据量较大，假设使用LED 来显示，硬件电路会相当复杂，系统的功耗也会很大，而且显示的数据观看起来不直观，认数据所代表的含义。寿命长、超薄、防振、液晶显示器作为现代高新技术产品，它体积小、功耗低、不容易辨无辐射、防爆，能够提供可视的人机对话界面，显示器所无法比拟的优点。为了显示的直观性以
25、及容易识别，器。具有LED显示器、CRT 本系统选用彩色液晶显示温度传感器温度是单片机应用系统中常见的一个测控参数，根据温度传感器的不同，其测控系统亦有较大差异。在满足应用场合需求的前提下，选择适宜的温度传感器，同时兼顾测量温度误差小、电路简洁可靠是本设计考虑的主要内容。本系统需要实时监测水泵电机的温度，以确定其是否超限。温度的测量控制一般采用各式各样的温度传感器，常用的温度传感器及其测温范围 ()为:热电偶(-184230)，热电阻(-200850)，热敏电阻(-55300)，半导体(-55150)。根据温度传感器输出方式及接口方式的不同，大体可以分为模拟温度传感器和数字温度传感器。模拟温度
26、传感器输出.z.-的模拟信号，必须经过专门的接口电路转换成数字信号后才能由微处理器进展处理。数字温度传感器输出的数字信号，一般只需少量外部元器件就可直接送至微处理器进展处理。随着计算机及半导体技术的飞速开展，温度传感器尤其是具有数字接口的半导体温度传感器得到了广泛的应用和快速的开展。DS18B20 数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有 LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的 DS18B20 可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，干净室测温，弹药库测温
27、等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。电流传感器水泵电机的电流最大可到达 100A，不能直接进入微处理器测量。本系统将选用WB 系列电量隔离传感器将其转化为 0-5V标准信号，再通过V/F 转换芯片AD654把标准电压信号转化为频率信号进入单片机。该电量隔离传感器采用特制隔离模块，对电网和电路中的交流电流进展实时测量，将其变换为 0-5V 标准信号输出，具有高精度、高隔离、低功耗、低漂移、温度范围宽、抗干扰能力强等特点。.z.-WB 系列电量隔离传感器是根据自动控制和数据采集技术开展的需要而研制成功的新一代高性能的电量检测产品
28、，可以对电力线路中的电流、电压进展高速、高精度的隔离检测和变换，也可以对微弱的电量信号进展高速、高精度的隔离放大和传送，可以响应直流、交流和脉冲电量。 WB 系列电量隔离传感器可分别或同时提供跟踪电压输出、直流电压输出、电流源输出和频率输出，可以直接与各种 A/D 转换器或指示仪表、计算机系统匹配。与传统的电测产品相比，WB系列电量隔离传感器具有原理新颖、精度高、频响宽、体积小、功能全等显著特点，使用该传感器可以解决自动控制及多路数据采集中的隔离、变换、传送和共地、共电源等关键技术问题，能有效抑制共模干扰，提高系统性能，简化系统设计，降低系统本钱。WB 系列传感器功能完整，主要表现在产品的调节
29、功能、输出功能、供电方式和配套电路等方面。所有的WB 电量隔离传感器都只需一组工作电源、自带调节和多种输出方式，除工作电源外，根本无需外接电路，特别是 WB 传感器都内含可灵活变化蝙出变换器，因而能提供不同或一样功能的多路输出形式。开停传感器开停传感器选用 KGT9 矿用机电设备开停传感器。 KGT9 型开停传感器主要.z.-用于监测煤矿井下机电设备 (如采煤机、运输机、提升机、破碎机、局扇、泵站、风机等)的开停状态，并把检测到的设备开停信号转换成各种标准信号传输给矿井监测系统(或其它向地面传送信息的载波设备等 )，可实现由地面对全矿电气设备开停状态进展集中连续自动监测。正常情况下，监控系统对
30、各被测物理量进展不连续巡测。具体工作流程是这样的:首先，各类传感器将被测物理量转化为系统能够承受的电信号。其中，温度值、电流值、水位值均由相应的传感器把测得的数据转化为频率值进入控制电路，并且由模拟多路选择开关控制，由微处理器依次巡检。微控制器对读取的数据进展数据转化，处理，比拟和存储后，送到液晶显示器上显示，当发生报警时能够发出声光报警信号。同时，能够随时接收调零设置按键的信号，对相应电流及水位值进展调零，并且设置各项参数的报警值。3 水位传感器的设计3. 1传感器构造原理本系统监测的一项重要数据就是水仓的水位值，为此专门设计了水位传感器。探头采用MPM281 压力传感器。 MPM281 系
31、列压阻式 OEM 产品是一种带隔.z.-离、并经过精细补偿的高稳定性硅压阻式压力测量元件。其中硅压阻式敏感元件采用高稳定性扩散硅元件，外壳采用外 19mm 的 316L 全不锈钢构造进展封装。被测压力经过316L 隔离膜片和内部介质传递到硅压阻式敏感元件上，实现了压力到电信号的准确转换。该传感器可广泛应用于各种高性能要求的压力测量场合，如工业过程控制、液压测量等。压力传感器外观图如图 3.1所示。图 3. 1压力传感器外观图MPM281 压力传感器是压阻式压力敏感元件，内部核心器件是电桥，该电桥由 4 个等值力变电阻构成，如图3.2 所示。电桥有恒压源供电和恒流源供电两种供电方式。当不受压力作
32、用时，该电桥处于平衡状态，无电压信号输出。传感器置于水中，电桥受液体压强而失去平衡，有电压信号输出，便可测到对应所加压力的电压信号，即水位与探头的输出电压信号有一一对应关系，根据探头的参数便可计算出水深与电压的数量关系式，从而到达测量水位的目的。MPM281压力传感器的电气管脚图如图3.3所示。图 3.3 MPM281压力传感器输出放大电路如图 3.4 所示，该电路是典型的仪表放大电路，由三个运算放大器组成，它具有高差模增益和高共模抑制比，而且输入阻抗高，可.z.-以调整电路的偏置。电路的差模放大主要由OP07-1 完成，OP07-2 用来防止运放的反响电路流入传感器的负端。在零压力时，传感器
33、的 2 脚和 4 脚之间的电压之差为零。OP07-1 的输出电压随压力传感器2 脚和 4 脚的共模电压变化，该电压由OP07-3 完成二次放大，我们可以通过调整电位器Rp 的值来改变电压的发放大倍数，输出电压Vout 与压力传感器2 脚和 4 脚的电压差 (V1-V2)满足公式 :Vout=(1+2R/Rp) (V1-V2)。3.2 V/F转换电路本系统中选用的V/F 转换芯片是AD654，功能框图如图3.5 所示，该芯片是美国模拟器件公司生产的一种低本钱， 8 脚封装的电压频率(V/F)转换器。它由低漂移输入放大器、精细振荡器系统和输出驱动级组成，使用时只需一个 RC 网络，即可构成应用电路
34、。 AD654 既可以使用单电源供电，也可使用双电源供电，且工作电压范围很宽。输出为频率受控于输入电压的方波。可用于信号源、信号调制、解调和A/D 变换等。主要性能参数 :(1)单电源供电电压 :(2)双电源供电电压 :5-18V.z.-(3)输出频率范围:0-500Hz(4)线性误差:0.06% (250KHz时)(5)输入阻抗:250M(6)输入电压范围:单电源O-Vs-4V(7)双电源:-Vs-Vs-4V(8)静态电流:2.OmA (Vs = 30V时)工作原理AD654的典型应用电路如图3.6 所示，模拟输入电压Vin 由放大器的同相端4脚输入，由输入放大器和NPN 管跟随器组成的输入
35、级把模拟输入电压 Vin 转换成一个驱动电流It:It=Vin/R2该驱动电流同时向定时电容 C 充电，多谐振荡器的振荡频率 (输出频率)与这个充电电流成正比。输出频率由 Vin,凡和C 共同确定，其关系为 :Fout=Vi/(10vR2C)图3. 5 AD654功能框图图3. 6 AD654典型应用电路图.z.-NPN 管跟随器的最大驱动电流为2mA，但为获得最正确性能，应使满度输入电压时的驱动电流为1 mA。因此，当满度输入电压为lOV 时，R2应取10K 。如果C=0.OOIF,则满度输出频率为100KHz。应用电路系统中由AD654 构成得 V/F 用转化电路原理图如图3.7 所示。其
36、中，输入电压为Vin，输出频率为Fout。运算放大器OP07构成一个输入加法电路，实现传感器的零点调节。在此电路中，输入电压为 Vin和输出频率Fout满足关系为:Fout=(Vin-Vp)/(10 R2C)图 3. 7 AD654构成得V/F 转化电路原理图4 监控主机的设计控制电路以高性能低功耗的单片机为核心，外围配有传感器信号采集电路、报警电路、显示电路、存储电路、设置电路和复位电路等电路。仪器与传感器之间全部采用接插连接，安装调试方便。控制电路与液晶显示器驱动模板之间通过串口连接。硬件构造如图4.1所示。4.2. AT89G52的优点(1)含 FLASH程序存储器，在系统开发过程中可以
37、十分容易地进展程序修改，.z.-大大缩短了开发的周期。同时，在系统工作的过程中，能有效的保存一些数据，即使外界电源损坏也不影响信息的保存。(2)程序错误也无废品。其可擦写次数可达 1000次，错误之后可以重新编程。(3)可以反复系统试验。每次实验可以写入不同的程序，随用户的需要和开展进展修改，直至到达系统最优。此外，AT89C52 设有静态逻辑，可以在低到零频率下工作，支持两种可选的省电模式。在闲置模式下， CPU 停顿工作，但片内 RAM、定时/计数器、串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM 的内容并冻结振荡器，制止其它片内控制单元功能，直到下一次硬件复位为止。传感器是连接被测对象
38、和监测系统的接口，给系统提供处理和显示所必需的原始信息，直接决定了系统的功能和准确度。本系统涉及的数据量主要有温度、电流和水位，因此，所选择的传感器的类型比拟多，以下对所用到的传感器的性能特点和工作原理进展一下介绍。温度传感器.1 MA*6577介绍美国 DALLAS 公司最新推出的 DS18B20 单总线数字式温度传感器.z.-DS18B20 是 DS1820 的更新产品，它与传统的热敏电阻温度传感器不同，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现 9-12 位的数字值读数方式，可以分别在 93.75ms 和 750ms 内将温度值转化 9 位和 12 位的数字量. 因此，
39、使用 DS18B20 可使系统构造更简单，可靠性更高 . DS18B20 温度传感器具有如下特点主要性能特点 :1 采用单总线技术，与单片机通信只需一根I/O 线；2 传输串行数据不需要其他外围元件；3 通过比拟系列号可以在一根线上挂接多个DS18B20；4 低压供电，电源范围从35V，也可以直接从数据线上窃取电源；5 测温范围为-55 至+125 度，在-10 到+85 度范围内误差为正负 0.5度；6 数据位可编程 9-12 位，转换 12 位温度时间为 750ms最大；7 用户可自设定预报警上下限温度；8 报警搜索命令可识别和寻址哪个器件的温度超出预定值 .一般体积较小的硬件需要相对复杂
40、的软件进展补偿 ,由于 DS18B20 与单片机间采用串行数据传送,因此,它们之间有严格的时序概念 .单线信号包括复位脉冲,响应脉冲,.z.-写/00,写/10,读/10.所以系统对DS18B20 的各种操作必须按协议进展 ,否则将无法读取测温结果.操作协议为:初始化DS18B20(发复位脉冲)y 发 ROM 功能命令y 发存储器操作命令y 数据处理. DS18B20单总线上所有处理均由初始序列开场 .图 4.3 温度采集系统原理框图电流传感器本系统中需要测量水泵电机的电流，从而判断电机是否处于过流等状态，防止电机电流过大等情况的发生。然而，电机正常工作时电流能够到达几十安培，信号过大不能直接
41、进入监测系统，在此选用了WB 系列电量隔离传感器将大电流转化为标准的0-5V 电压信号进入系统。4. 3. 2. 1 WB 系列电量隔离传感器简介WB 系列电量隔离传感器具有如下特点:(1)多种隔离原理类型:光电隔离型、电磁调制隔离型、霍尔效应型，使得输入、输出及电源之间互相隔离。(2)可靠性强:平均无故障工作时间长，大于 50000 小时。(3)过载能力强:穿心输入传感器 30 倍标称输入可持续 5 秒;接线输入传感器 10 倍标称输入可持续 5 秒。安装方便:DIN 导轨式安装或 PCB 插针式安装。.z.-多种构造类型:A 型、B 型、C 型、D 型、E 型、F 型、S 型、U 型、R
42、型、G型。(6)宽量程:电流:0-1000A，电压 0-1000V (DC, AC).(7)宽频响:特别适合工频至中频的电压电流检测。(8)原边与副边之间高度绝缘，隔离电压2.5KV 。(9)输出信号可选 :电流或电压跟踪输出 :0-20mA DC, 4-20mA DC, 0-5VDC,1-5V DC, 0-I0V DC, RS485 输出，也可选用频率输出:0-5KHz, 0-I0KHz, 1-5KHz 等。另外，本系列产品具有精度高、体积小、功耗低、通频带宽、性价比高等特点。.2 工作原理WB 系列电量隔离传感器主要分为两类，即 WBV 电压隔离传感器和 WBI电流隔离传感器。二者的工作原
43、理，除输入电路略有不同外，其它都一样，原理框图如图 4.4 所示。输入电压 Vin(或电流 Iin)信号送至输入电路，后者将信号转换成*种标准电压，并赋予较强的驱动能力 ;光电隔离电路实现输入信号的线性变换及隔离处理;输出电路将信号进一步放大，同时实现整个传感器的量程调.z.-节，输出是跟踪输入信号、具有较强的驱动能力的标准化电压，方便用户使用。传感器内部还配备了 DC/DC 转换器，从辅助电源+E 提取能量，供输入电路使用。该传感器的输入端与输出端完全隔离，可以解决自动检测及多路数据采集中的隔离、变换、传送和共地、共电源等关键技术问题，有效抑制共模干扰，提高系统精度，简化系统设计，降低系统本
44、钱。.3 应用分析WB 系列电量传感器典型应用如图 4.5 所示。图 4. 5 WB 系列电量传感器典型应用原理图传感器与后续设备靠近，输出端可接至设备的高速 A/D 等电路，信号由单片机等控制采样、处理。传感器典型的传递函数可近似表达为 K=Vg/*，或 Vg=K*o这里*表示输入电量，可以是交流、直流或交直流混合的电流、电压信号。Vg 是有标准输出量程的电压量。一般地，K 是一个与要求有关的正常数，即输出紧紧跟踪输入电量的变化。当输入信号频率高时，K 不可再简化为一个常数，而与输入频率有关。.z.-假设实现公式 Vg=-K *，其中 K 为正常数，即输出量与输入量正好反向，需要将输入信号的
45、两端反接即可。假设实现公式 Vg-K *+A，其中 K, A 为正常数，即输出量为在 K*的根底上再向上平移 A 大小的电压。例如，可将双向直流电量转换成单向直流电压，将交流电量转换成同样波形的直流电压，该变换有利于直接与 A/D 转换器相连。假设实现公式 Vg=-K *+A，其中 K, A 为正常数，即输出量为在一 K*的根底上再向上平移A 大小的电压。例如，需要输入电压 *变化范围是 0- l0V，要求输出对应电压是 5-l0V。由上式得，取 K=0.5 和 A=5V 即可。一般来讲，上述公式中的参数 K, A，出厂前己调校。但如需要临时对 K,A 作一些微调，也可自行翻开传感器进展调整。
46、开停传感器对水泵运行状态，系统采用开停传感器进展实时监测，开停传感器选用KGT9 矿用机电设备开停传感器，该传感器采用磁场感应测试原理实时监测设备运行工况状态，通电导体周围产生磁场，通过感应测试电缆周围磁场的有无来确定电缆有无电流通过，鉴别设备的开停状态。.z.-KGT9 型开停传感器主要用于监测煤矿井下机电设备(如采煤机、运输机、提升机、破碎机、局扇、泵站、风机等)的开停状态，并把检测到的设备开停信号转换成各种标准信号传输给矿井监测系统(或其它向地面传送信息的载波设备等)，可实现由地面对全矿电气设备开停状态进展集中连续自动监测。该传感器是确保矿井平安生产，实时监测矿井生产状况实用可靠的自动化
47、装备，也可作为统计各种机电设备运转好坏、运转时间长短及设备利用率的依据。KGT9 型开停传感器采用新型优化设计，具有构造新颖、安装使用方便、功耗低、适应性强、性能稳定可靠、免维护等特点。输出形式已形成系列，适合与国内外各种监测系统配套。KGT9 型传感器系防爆型式为矿用本质平安型，使用条件及各项参数为:环境温度:-5+400相对湿度:95%(+25 )大气压力:80106KPa工作电压:本安直流 824V工作电流:10mA.z.-被测设备电流载量:5A输出信号传输距离:2KmKGT9 型传感器具有连续工作的方式，直接输出 TTL 电平作为开关量，无电位接点处于常闭或者常开状态。根据现场的工作环
48、境系统采用四线传输 :传感器供电电源与输出信号使用四芯电缆，二芯作本安输入电源线，二芯作输出信号线，输出形式为无电位继电器接点。安装时，将开停传感器直接卡在水泵电机的电缆上，输出相当于开关量，原理示意图如图 4.6 所示，其中，1, 2, 3, 4 为开停传感器的节点，1, 2 分别接电源，3, 4 之间相当于无电位继电器接点，5, 6 为单片机系统的信号端。当电机运行，电缆有电流通过时，会在电缆的周围产生一定的磁场，此时传感器检测到周围的磁场，内部的干簧管会处于闭合状态，输出信号相当于 K 键闭合，即 5,6 短接，6 为高电平，表示电机处于运行状态;反之，当电机停顿，电缆无电流通过时，周围
49、没有磁场，传感器内部的干簧管处于断开状态，输出信号相当于K 键断开，5, 6 断路，6 为低电平，表示电机处于停顿状态。本系统使用开关电源供电，所需电压有+12V 和十 5V 两种。+12V 由外置开关电源模块提供，进入主控板后， +12V 一方面为液晶显示器提供逻辑电源.z.-和背光电源，另一方面，经过三端稳压芯片 LM7805 后，产生+5V 电压。+5V对主控板所有芯片提供电源，电源电路原理图如图 4.7 所示。本系统中监测量比拟多，有多个输入量进入单片机，因此需要对多个输入通道进展选择控制，使得每一时刻只有一个输入量被单片机处理。本系统选择CD4051 和 CD4067 作为多路选择芯
50、片。CD4051 是八选一模拟开关，相当于一个单刀八掷开关，引脚功能如图 4.8所示。开关接通哪一通道，由 3 位地址码 ABC 来决定，当 A=0,B=0, C=0 时，选通通道 0;当 A=1, B=0,C=0 时，选通通道 1;当 A=0, B=1, C=1 时，图 4.8 CD4051 管脚图选通通道7。 INH是制止端，当 INH -l 时，各通道均不选通。CD4067 是十六选一模拟开关，相当于一个单刀十六掷开关，原理与 CD4051 一样，只不过地址码为 4 位，通过单片机的 1/0 口控制地址码 ABCD 来选通十六个通道。在本系统中，一共有八个温度、四个电流、四个开停和一个水
51、位共十七个点作为输入量进入单片机。用一片 CD4051 和一片 CD4067 组合可以作为二十三路模拟开关进展选择，满足系统要求，如图4.9 所示。八个信号输入至.z.-CD4051, CD4051 的输出做为一路输入同另外九路信号一起再被 CD4067 选通，其中，CD4051 的地址码 ABC 由单片机的 P0.0, POA, P0.2 控制，CD4067 的地址码 ABCD 由单片机的 P0.3, POA, P0.5, P0.6 控制。为了防止系统在执行过程中产生的 死机、程序跑飞等现象，需要设计复位电路使其正常工作。复位电路通常是在有规律的时间间隔中进展更新的硬件，更新一般由单片机来完
52、成，一定间隔内没能更新看门狗，看门狗将产生复位信号，重新复位单片机。更新看门狗的具体形式多是给看门狗芯片相关引脚提供一个电平上升沿或读写它的*个存放器。使用看门狗电路将在单片机发生故障进展死机状态时，重新复位单片机。看门狗电路的工作原理是 :当系统工作正常时，CPU 将每隔一定时间输出一个脉冲给看门狗，即 喂狗，假设程序运行出现问题或硬件出现故障时而无法按时喂狗时，看门狗电路将迫使系统自动复位而重新运行程序。本系统采用 CD4060 分频计来产生复位脉冲，CD4060 是 14 位二进制串行计数器，由一振荡器和 14 级二进制串行计数器位组成，振荡器的构造可以是RC 或晶振电路。RST 为高电
53、平时，计数器清零且振荡器使用无效，所有的计数器位均为主从触发器。在 CP1(和 CPO )的下降沿计数器以二进制进展计数，.z.-在时钟脉冲线上使用施密特触发器对时钟上升和下降时间无限制。微控制器复位电路如图 4.10 所示，系统上电后，AT89C52 的复位引脚将产生 l00ms 的高电平。看门狗复位电路由计数器 CD4060 构成，CD4060 的定时常数由图中 C3 和 R3 决定，经 14 分频后产生一个复位脉冲，因此，复位周期T=2 凡 C3 *罗。如果系统正常工作，在程序的适当出安排复位指令，单片机每隔一定时间给 RST (12 脚)一个脉冲，使 CD4060 复位，则 Q14 (
54、3 脚)不会送出脉冲让单片机复位，如果系统工作不正常，在 T 时间内 CD4060 没能复位，则它将对系统产生复位脉冲。电擦除可编程只读存储器EZPROM 是一种重要的半导体存储器，兼有RAM 和 ROM 二者的优点，既能实现在线改写，又具有掉电数据保存功能，因此在智能化仪器仪表、控制系统、信息处理、系统加密等方面获得了广泛的应用。AT93C46 是 64 * 16(1024) 位串行 CMOS EZPROM;它具有数据在线改写和掉电保存能力，重复擦写次数可达十万次，数据保存期在一百年以上 ;当采用+5V单电源工作时，输入输出电平与 TTL 兼容;片内有定时发生器，擦除和写入操作均由此定时电路
55、自动控制;具有整体编程使能和制止功能，增强了数据的保护能力。.z.-主要性能特点:(1)高速度操作，速率可达 I MHz(2)低功耗工艺(4)存储器可选择 8 位或者 16 位构造(5)写入时自动去除存储器内容(6)硬件和软件写保护(7)慢上电写保护(8) 100 万次写入/擦除周期，100 年数据保存寿命AT93C46 与单片机连接电路原理图如图 4.11 所示。图 4.11 AT93C46 与单片机连接电路原理图AT93 C46 采用的是 3 线制串行总线，3 线串行总线由 CLK, DI, DO 这三条信号线组成，其中 CLK 是串行时钟线，DT 是数据输入线，DO 是数据输出线。在此，
56、所谓的数据输入或输出是对 EZPROM 芯片而言的，而不是对单片机而言的。在实际应用中，要实现对 AT93C46 的数据读写，最关键的有两点:一点是建立恰当的串行数据传送的硬件逻辑接口;另一点是用单片机的程序模拟AT93C46 的数据传送时序。.z.-系统运行长时间之后需要对电流、水位等监测值的零点进展重新调整，并且随着环境以及现场实际情况的变化，各个监测值的报警值也可能发生改变，这时就需要进展报警设置以满足新的要求。本系统采用独立式按键，每个按键开关均采用了上拉电阻，这是为了保证在按键断开时，各 I/O 口有确定的高电平。独立式按键就是个按键相互独立、每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按
57、键是否按下不会影响其他输入线上的工作状态。因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键被按下了。独立式按键电路配置灵活，软件构造简单。调零设置电路由两个按键及编码盘组成，两个按键分别连接单片机的 P3.2,P3.3 引脚，为选择键和确认键。调零设置时，将编码盘上的数值调至 00，按下选择键，则屏幕上电流和水位显示的下方出现测得相应信号的频率值，光标显示在 1 号电机的电流频率处，通过屡次按下选择键将光标移至需要设置的地方，按下确认键，设置即完成。报警设置时，将编码盘的数值调至要设置的大小，按下选择键，则屏幕上温度显示的上方、电流和水位显示的上下方出现数值，光标显示在 1 号电机的温度上
58、限值处，再次按下选择键光标移至下个报警值处，通过屡次按下选择键将光标移至需要设置的报警值处，按下确认键，则.z.-报警值修改为编码盘上的数值。键盘电路如图 4.12 所示，正常状态下，单片机 P3.2, P3.3 口置高，当有键按下时，相应的端口置低，单片机检测到后，根据编码盘上的数值进展设置，从而设置零点值或报警值。图 4. 12 键盘电路原理图本监控报警装置的机体为长方形翻盖式构造，上盖内侧为液晶显示器，壳体内部为监控报警系统的控制线路板，由于单片机系统与液晶屏幕之间的数据传输距离很短，故采用 RS-232 总线通信方式通信，单片机通过 MA*232 芯片将命令传到液晶屏幕，从而实现对画面
59、的操作，进展实时显示。RS-202 总线简介RS-202 是最早的串行接口标准，在短距离(15m)、较低波特率串行通信当中得到了广泛应用。RS-202 接口一般为 9 针的，也有 25 针的，是 1970 年由美国电子工业协会(EIA)联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是 数据终端设备(DTE)和数据通讯设备(DCE)之间串行二进制数据交换接口技术标准。标准中包括了电气和机械方面的规定，该标准规定采用一个 25 个脚的 DB25 连接器，对连接器的每个引.z.-脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。后来随着设备的不断改进，成了目前
60、普遍见到的 9 脚。接口特性:(1)接口的电气特性:在 RS-202C 中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即:逻辑1，-5 -15V;逻辑0， +5+15V。噪声容限为 2V，即要求接收器能识别低至+3V 的信号作为逻辑0，高到3V 的信号作为逻辑1。(2)接口的物理构造:RS-202 接口连接器一般使用型号为 DB25 的 25 芯插头座，通常插头在 DCE 端，插座在 DTE 端。一些设备与 PC 机连接的 RS-202C接口，因为不使用对方的传送控制信号，只需三条接口线，即 发送数据、接收数据和信号地。所以采用 DB-9 的 9 芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。(3)传输电缆长度由
61、RS-202 标准规定在码元畸变小于 4%的情况下，传输电缆长度应为 50 英尺。其实在一般应用中，传输距离小于 50m，最大传输速率为20kbps。应用电路单片机的串口是 TTL 电平，在实际应用时，需要将 TTL 电平转换成 RS-.z.-232 电平。RS-202 的接口芯片很多，我们采用的是 MA*IM 公司的 MA*202，本系统 RS-202 通信电路原理图如图 4.14 所示，微控制器的 R*D, T*D 分别和 MA*232 的 TIIN, RUN 连接，再由 MA*232 的 T10, R10 引出到电路板的外接端子上，通过通讯线跟液晶显示器相连。图 4. 14 通信电路原理
62、图系统在发生超限的情况下，能够实现声光报警。光报警在液晶显示器上通过改变显示颜色来实现，声报警由蜂鸣器来实现，蜂鸣器和微控制器的连接电路图如图 4.15 所示。图中两个三极管并联使用作为蜂鸣器的导通开关，这样实现了流经三极管的电流的分流，延长了三极管的寿命，在实际应用中起到了良好的效果。目前电子器材用于各类电子设备和系统仍然以印制电路板为主要装配方式。实践证明，即使电路原理图设计正确，印制电路板设计不当，也会对电子设备的可靠性产生不利影响，例如，如果印制板两条细平行线靠得很近，则会形成信号波形的延迟，在传输线的终端形成反射噪声。因此，在设计印制电路板的时候，应注意采用正确的方法。可靠性设计是一
63、项系统工程，单片机系统的可靠性必须从软件、硬件以及构造设计等方面全面考虑。硬件系统的可靠性.z.-设计是单片机系统可靠性的根本，PCB 设计的好坏对抗干扰能力影响很大，因此，在进展 PCB 设计时，必须遵守 PCB 设计的一般原则，并应符合抗干扰设计的要求。4. 11.1 PCB 的布局首先，要考虑 PCB 尺寸大小。PCB 尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，本钱也增加;过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。确定 PCB 尺寸后，再确定特殊元件的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进展布局。(1)在确定特殊元件的位置时要遵守以下原则:a)尽可能缩短高频元器件之间的
64、连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。b)*些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。带高电压元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。c)重量超过 15g 的元器件，应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件，不宜装在印制板上，而应装在整机的机箱底板上，且.z.-应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。d)对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的构造要求。假设是机内调节，应放在印制板上方便于调节的地方 ;假设是机外调节，其位置要与调节旋
65、钮在机箱面板上的位置相适应。e)应留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。(2)根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进展布局时，要符合以下原则:a)按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。b)以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进展布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在 PCB 上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。c)在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数，一般电路应尽可能使元器件平行排列，这样，不但美观，而且装焊容易，易于批量生产。d)位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。电路板的最正确形状为矩形。长宽
66、比为 3: 2 或 4: 3。电路板面尺寸大于 200 * 150mm 时，.z.-应考虑电路板所受的机械强度。4.11.2 PCB 的布线布线的原则如下:(1)输入输出端用的导线应尽量防止相邻平行。最好加线间地线，以免发生反响耦合。(2)印制摄导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定。当铜箔厚度为 0.05mm、宽度为 1-15时，通过 2A 的电流，温度不会高于 3，因此，导线宽度为 1.5可满足要求。对于集成电路，尤其是数字电路，通常选 0.020.3mm 导线宽度。当然，只要允许，还是尽可能用宽线，尤其是电源线和地线。导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘
67、电阻和击穿电压决定。对于集成电路，尤其是数字电路，只要工艺允许，可使间距小至 5-8mil。(3)印制导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外，应尽量防止使用大面积铜箔，否则，长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时，最好用栅格状。这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。.z.-焊盘焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊。焊盘外径D 一般不小于(d 十 1.2) mm，其中 d 为引线孔径。对高密度的数字电路，焊盘最小直径可取(d+1.0)mm。4.11 .4 电源线设计根据印制线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减
68、少环路电阻。同时，使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。4.11 .5 地线设计(1)数字地与模拟地分开。假设电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开，两者的地线不要相混，分别与电源端地线相连。低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可局部串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而粗，高频元件周围应尽量用栅格状大面积地箔。要尽量加大线性电路的接地面积。(2)地线应尽量加粗。假设接地线用很细的线条，则接地电位随电流的变化而变化，致使电子产品的定时信号电平不稳，抗噪声性能降低，因此应将接地.z.-线尽量加粗，使它能通过三倍于印
69、刷电路板允许电流。如有可能，接地线的宽度应大于 3mm。(3)接地线构成闭环路。设计只由数字电路组成的印刷电路板的地线系统时，将接地线做成闭路可以明显地提高抗噪声能力。其原因在于 :印刷电路板上有很多集成电路元件，尤其遇有耗电多的元件时，因受接线粗细的限制，会在地线上产生较大的电位差，引起抗噪能力下降，假设将接地线构成环路，则会缩小电位差值，提高电子设备的抗噪声能力。4.11 .6 退耦电容配置PCB 设计的常规做法之一是在印制板的各个关键部位配置适当的退藕电容。退耦电容的一般配置原则是:(1)电源输入端跨接 10-100RF 的电解电容器，如有可能，接 100F 以上的电容更好。(2)原则上
70、每个集成电路芯片都应布置一个 0.01pF 的瓷片电容，如遇印制板空隙不够，可每 48 个芯片布置一个 1l0pF 的钽电容。(3)对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件，如 RAM, ROM 存储器件，应在芯片的电源线和地线之间直接接入退祸电容。.z.-(4)电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。此外，在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时，操作它们时均会产生较大火花放电，必须采用 RC 电路来吸收放电电流。一般 R 取 1 -2KD, C 取2.247 口。CMOS 的输入阻抗很高，且易受感应，因此在使用时对不用端要接地或接正电源。4.11.7 PCB 图的绘制过程本卷须知PC
71、B 板的使用可以说己经融入到了我们生活的每一个层面，从每人配带的手机到家庭必不可少的各种家用电器，从孩子玩耍的电动玩具到高尖端技术的航空航天，它处处都发挥着自己强大的力量。学习和掌握 PCB 图绘制更显的格外重要。其最终产品不仅仅要导通顺利，还要求经济美观，便于查线。在绘制过程中我总结一些需要注意的地方:(1)本次设计中的 PCB 板为双面板，所以要尽量将线布在底层，少占用元件面的空间。(2)导线要 45 度角拐弯，切忌直接成 90 度角，否则将会产生尖端电荷积聚效应，轻则影响电路畅通，严重的情况会直接导致电路板的烧毁。(3).要熟悉实际元件的封装特性以及相应焊盘的大小，这点的操作比拟繁.z.
72、-琐，但是相当重要。本设计中的散热片 LM7805 和晶振就出现了这样的问题，这给实际电路的成形带来了很多麻烦。(4)布局要美观。电路板在尽量小的根底上要注意合理分布各个器件的位置，尽量充分利用起来有限的空间。5 液晶显示界面的设计显示器是单片机系统常用的输出装置，常用的显示器有发光二极管显示器(LED),液晶显示器(LCD)和荧光显示器。发光二极管显示器(LED)显示块是由发光二极管显示字段组成的显示器，有 7 段和米字段两种，常常用来显示数据和英文字母，无法显示汉字和图形，因此有很大的局限性。液晶显示器 (LCD)是一种极低功耗的显示器，加之其体积小，字体美观等诸多特点，在单片机应用领域得
73、到了非常广泛的应用。LCD 显示器有三种不同的显示方式:七段数码显示、点阵式显示和图文式点阵液晶显示。七段数码显示构造只能用于显示数字，显示的位数一般在 12 位以上;点阵式显示字符，每个显示字符可采用 5*7 或 5*8 等点阵形式显示，可以显示所有的 ASCII 符号，显示的位数一般也较多;图文式点阵液晶显示器，整个显示屏由均匀的点阵组成，可显示数字、字母、图形等各种符号、点阵式液晶.z.-显示器通过液晶点阵的组合，能显示大量的字符，曲线及图形，所以它提供的显示信息量非常大，但它的接口及控制电路相当复杂。因此要利用LCD 显示器，必须有相应的 LCD 控制器，以及一定空间的 ROM 和 R
74、AM.现在人们已经将 LCD 控制器、RAM, ROM 和 LCD 显示器用 PCB 连接到一起，称为液晶显示模块 LCM。使用者只要向 LCM 送入相应的命令和数据就可以实现所需要的显示，这种模块与 CPU 能很容易地接口，使用起来特别灵活方便。目前点阵式液晶模块分为两类 :一类是字符型液晶显示模块，另一类为字符、曲线、图形液晶显示模块。图形点阵液晶显示器的显示面积较大，点阵数较多。它不仅可以显示字符，而且可以显示曲线和图形，同时图形和字符还可以实现与、或、异或等逻辑操作后混合显示。本系统选用的彩色液晶显示器与大多数的单色液晶显示器相比，虽然其价格稍高，但是显示的效果良好，而且作为智能显示器
75、的一项最突出特点，防止了烦琐的点阵操作，只需使用简单的命令，就可显示出汉字、字符和一些规则图形，编程相当方便。在此选用北京迪文科技生产的 M600 人机界面(HMI )驱动模组彩色液晶显示器。M600 的 LCD 接口是标准的 TTL 接口，最简单的连接仅需要 3 根信号线:电源 VCC、地 GND,串口接收 R*D。彩色液晶显示器可进展.z.-图片的存储操作，显示稳定可靠，抗强电磁干扰，可用于机电，冶金，船舶，航空，铁路，电力，通讯导航等领域的系统设备和智能仪表，也可用于高档民用电器。主要特点M600 是高可靠性、低本钱、高效人机界面(HMI )嵌入式模组解决方案，具有体积小、对液晶屏兼容性
76、好、工艺简单、可靠性高、低功耗、本钱低廉等优点。主要特点包括: 简 单 的 串 行 接 口 ， 最 小 系 统 与 用 户 的 连 线 只 需 要3 根 线(VCCGNDR*D) ;统一的指令集和硬件接口，用户升级换代或者兼容设计非常容易;完整的 TFT 面板接口信号，可以支持所有数字(TTLCMOS) RGB 接口面板;65K 色，最大支持 800 * 600 分辨率，支持最新的 DE 模式和传统的SYNC 模式;通过外扩总线模组，支持触摸屏和键盘操作;.z.-支持触摸屏校准和触摸按键识别，更加简化触摸屏人机交互软件设计;压接式 FCC 电缆 LCD 接口，防止传统电缆的错线问题;不同的面板
77、通过更换电缆线即可轻松兼容;精简的指令集编程简单、方便 ，;32MB 字库空间，多种字体和语言选择，包括GBK, Unicode 编码以及日、 、俄等多国文字支持 ;开放式字库平台，特殊文字需求可以通过自行设计和下载字库实现;最大%MB 图片存储空间，海量的用户界面，极大简化了用户界面开发，提高了开发效能;最大 32MB 用户数据库，方便了测控系统的数据存储应用;控制算法协处理器，包括计算器、数字滤波、 ADPCM 数据压缩等，方便自动化应用;低功耗:3.3V, 115mA;高可靠性:3.3V 内核，接口 2KV ESD 保护，-400C-85工作温度范围，金属屏蔽罩封装;体积小巧:60*37
78、.5*5mm(不含插针);.z.-软件应用接口描述串口格式:N、8、 1，波特率可以设置为 1200115200bps;帧构造:0*AA(帧头)+指令码(1 字节)+数据(最多 249 字节)+帧完毕符;说明:a.所有指令均为十六进制(HE*)格式;b. *.Y 均为 2 字节坐标，所有数据的传送均采用 MSB(高字节在前)方式传送;比方*坐标 10 (0*000A )，传送的循序是 0*00 0*0A 。6 系统软件设计本监控系统软件设计采用 c 语言编程，主要包括数据采集程序、数据处理程序、数据存储程序、按键扫描程序和显示通信程序等几个方面。6.1 8051 的编程语言c 语言是一种使用非
79、常方便的高级语言，在单片机的开发应用中，除了使用汇编语言外，也逐渐引入了 C 语言，早在 1985 年便出现了 80C51 单片机的 c语言，简称 C510 作为一种构造化的程序设计语言，C 语言的特点就是可以使编.z.-程人员尽量少地对硬件进展操作，具有很强的功能性、构造性和可移植性，常常被优选作为单片机系统的编程语言。单片机 c 语言除了遵循一般 C 语言的规则外，还有其自身的特点。例如，增加了位变量数据类型(如 bit, sbit )、中断效劳函数(interrupt n )，对 80C51 单片机特殊功能存放器的定义是 C51 所特有的，是对标准 C 语言的扩展。C 语言编程的优点使用
80、 c 语言与使用汇编语言相比，具有如下优点:对单片机的指令系统不要求了解，仅要求对 8051 的存储器构造有初步了解;存放器的分配、不同存储器的寻址及数据类型等细节可由编译器管理;程序有标准的构造，可分为不同的函数，这种方式可使程序构造化;具有将可变的选择与特殊操作组合在一起的能力，改善了程序的可读性;关键字及运算函数可用近似人的思维过程方式使用;编程及程序调试时间显著缩短，从而提高效率;提供的库包含许多标准子程序，具有较强的数据处理能力;已编好的程序可容易地植入新程序，因为 c 语言具有方便的模块化编程.z.-技术。C 语言作为一种非常方便的语言而得到广泛的支持，C 语言程序本身并不依赖于机
81、器硬件系统，根本上不作修改就可根据单片机的不同较快地移植过来。单片机 C 语言主要特点用 C 编写程序比汇编更符合人们的思考习惯，开发者可以摆脱与硬件无必要的接触，更专心的考虑功能和算法而不是考虑一些细节问题，这样就减少了开发和调试的时间。C 语言具有良好的程序构造，适用于模块化程序设计，因此采用 C 语言设计单片机应用系统程序时，首先要尽可能地采用构造化的程序设计方法，将功能模块化，由不同的模块完成不同的功能，这样可使整个应用系统程序构造清晰，易于调试和维护。不同的功能模块，分别指定相应的入口参数和出口参数，对于一些要重复调用的程序一般把其编成函数，这样可以减少程序代码的长度，又便于整个程序
82、的管理，还可增强可读性和移植性。在实际单片机程序设计中，程序构造一般均采用如下构造:#include/*头文件说明部份*/unsigned char *1，*2;/*全局变量声明部份*/.z.- Function 1(. ) /*功能函数定义部份*/main()int i, j;/*整型变量声明部份*/Function 1(. ) ;/*功能函数说明部份*/6.1 .3 KEIL 编译器简介KEIL 公司的 C 语言编译器，可以支持 C 语言和汇编语言混合编程，用于单片机程序编写。KEIL 编译器可以用于编译 C 源程序、汇编源程序，链接和定位目标文件和库，创立 HE*文件以及调试目标程序。
83、Vision2 for Windows:是一个集成开发环境。它将工程管理、源代码编辑和程序调试等组合在一个功能强大的环境中。C*51 国际标准优化 C 穿插编译器:从 C 源代码产生可重定位的目标模块。A*51 宏汇编器:从 8051 汇编源代码产生可重定位的目标模块。BL51 链接器/定位器:组合由 C*5l 和 A*5l 产生的可重定位的目标模块，.z.-生成绝对目标模块。LIB51 库管理器:从目标模块生成链接器可以使用的库文件。OH51 目标文件至 HE*格式的转换器:从绝对目标模块生成 Intel HE*文件。RT*-51 实时操作系统:简化了复杂的实时应用软件工程的设计。KEIL
84、软件公司提供的 KEIL-C51 开发工具可以绑定到不同的套件或工具包中。在 KEIL 环境中对单片机特殊功能存放器的定义MCS-51 单片机内有 21 个特殊功能存放器，分散在片内 RAM 区的高 128字节中，地址为80H-OFFH。对这些通用存放器的操作，只能用直接寻址方式。除了程序计数器 PC 和 4 组通用存放器组之外，其他所有的存放器，均称为 SFR. SFR 中有 11 个存放器具有位寻址能力，这些存放器的字节地址都能被8 整除，即字节地址是以 8 或 0 为位数的。为了能直接访问这些特殊功能存放器 SFR, KEILC*51 提供了一种自主形式的定义方法。这种定义方法与标准 C
85、 语言不兼容，只适用于对 MCS-51 单片机进展编程。.z.-这种定义的方法是引入关键字sfr，语法如下:Sfr sfr name=int constant;如:sfr SCON=O*98;/*串口控制存放器地址 98H*/sfr TMOD=0*89;/*定时器/计数器方式控制存放器地址 89H*/除了对 SFR 的访问，有时候需要访问 SFR 中的位，KEIL C*51 提供了扩大功能，特殊位(Sbit)的定义，使用关键字sbit可以访问位寻址对象。语法如下:Sfr name int constant;Int constant int constant;Int constant;如:Sfr
86、 PSW=0*D0;/*定义 PSW 存放器地址为 0*D0*/Sbit OV=PSW2;/*定义 OV 位位 PSW.2，地址为 0*D2*/通过这种定义，在 C 语言环境编程下，可以很方便的对 MCS-51 单片机的特殊存放器和特殊存放器中的位进展访问。将所有特殊存放器及其位的定义编.z.-辑后放入一个头文件中，可以方便程序编写。主程序的设计思想是按照数据的传输方向顺序设计程序，微处理器循环采集多路电流及温度的频率值，根据采集通道号来判断数据的含义，并使用不同的数据处理方法处理，处理后的数据首先判断是否报警，然后送显示器显示。对按键的响应，采用查询法，每巡检一个周期，扫描一次键盘。主程序流
87、程图如图 6.1 所示。图 6. 1 主程序流程图数据的采集主要为温度、电流、水位值的采集，分别由相应的传感器转化为频率信号进入单片机，使用定时器 TO 和 T1 的中断程序实现，TO 设定为计数功能，记录被测信号的假设干个周期，T1 设定为定时功能，测量被测信号的假设干个周期所使用的时间，然后根据该时间计算出频率值。频率采集程序流程图如图 6.2 所示。对于采集到的传感器的频率值要根据通道号分别处理，其中，18 号通道对应 8 路温度传感器的温度值， 912 号通道对应四个水泵电机的电流值，1316 号通道对应四个水泵电机的开停状态，17 号通道对应水仓的水位值。对于温度值，由于采集到的频率
88、值与绝对温度为 1: 1 的关系，故将该值减.z.-去 273.15 即为实际温度的摄氏度值。对于电流及水位值。需先将读取值减去零点值，然后乘以相应的系数，并且注意小数点位置即可算出。数据的存储根据 AT93 C46 的操作时序要求，利用软件模拟出存储器的操作时序，进展数据的读 /写。数据读/写时，先执行初始读 /写命令，然后把目的地址送入存储器，接下来在数据输出线 /和数据输入线上进展承受/发送的目的数据。各个数据的时序一样，每一位数据都是上升沿有效 47。数据存储子程序流程图如图 6.3 所示。由于所选用的液晶显示器带有汉字二级字库，所以软件编程相当方便。只需选择液晶显示器的硬件地址，然后
89、向该地址送入命令码、英文 ASCII 和汉字内码即可。送数时山东科技大学硕士学位论文系统软件设计通过改变命令码来改变数据的格式、大小和颜色以及显示的坐标。对于固定显示的内容可将显示的数据建成表格形式，通过查表进展显示。所有送显数据均通过显示发送程序来完成。液晶显示器还支持图片的操作，在有动画显示的时候可以连续地调用多幅图片的相关局部，或者对画面的区域做填充或去除等操作，从而产生动态效果。通信程序由串口中断程序来实现，在主程序中需要对串行口进展初始化，.z.-初始化的具体步骤为:a)编程 TMOD 存放器设定定时器 1 的工作方式;b)编程 TH1 和 TLl 装载定时器 1 的初值，设定串行的
90、波特率;c)编程 SCON 确定串行口的控制方式;d)启动定时器 1;e)编程 IE 存放器，翻开中断。微处理器 AT89C52 其内部的运算器、控制器和控制存放器容易受到干扰。当电磁干扰信号窜入时，CPU 将错误的执行指令，引起误动作或者错误的运算结果;而控制存放器中的信息如果被噪声修改，将导致初始化错误、寻址失败乃至系统的瘫痪。试验说明，干扰信号大多数由总线导入微处理器内，其中与外界联系最频繁，因而最容易受到干扰的是程序指针 PC，这种干扰往往引发致命错误，属于重点防范和重点纠正的对象。软件系统的可靠性设计起到抑制外来干扰的重要手段之一，其功能主要是消除模拟输入信号的嗓声 (如数字滤波技术
91、)，并使程序运行混乱时使程序重入正轨。软件系统的可靠性设计的主要方法有 :开机自检、软件陷阱(进展程序跑飞检测)、设置程序运行状态标记、输出端口刷新、输入屡次采样、软件 看.z.-门狗等。软件陷阱是在程序运行到 ROM 的非法区域时检测程序出错的方法。而看门狗是根据程序在运行指定时间间隔内未进展相应的操作，即未按时复位看门狗定时器，来判断程序运行出错的。假设失控的程序进入死循环，通常采用看门狗技术使程序脱离 死循环。通过不断检测程序循环运行时间，假设发现程序循环时间超过最大循环运行时间，则认为系统陷入死循环，需进展出错处理。软件看门狗技术一般采用环形中断监视系统。用定时器 T0 监视定时器T1
92、，定时器 T1 监视主程序，主程序监视定时器 T0。采用这种环形构造的软件看门狗具有良好的抗干扰性能，大大提高了系统可靠性。对于需经常使用 TI定时器进展串口通讯的测控系统，则定时器 T1 不能进展中断，可改由串口中断进展监控(如果用的是 MCS-52 系列单片机，也可用 T2 代替 T1 进展监视)。这种软件看门狗监视原理是:在主程序、T0 中断效劳程序、T1 中断效劳程序中各设一运行观测变量，假设为 MWatch,T0 Watch, T 1 Watch，主程序每循环一次，MWatch 加 1，同样 T0, T1 中断效劳程序执行一次，T0Watch, T1 Watch 加1。在 T0 中断效劳程序中通过检测 T 1 Watch 的变化情况判定 T1 运行是否正.z.-常，在 T1 中断效劳程序中检测 MWatch 的变化情况判定主程序是否正常运行，在主程序中通过检测 T0 Watch 的变化情况判别 T0 是否正常工作。假设检测到*观测变量变化不正常，比方应当加 1 而未加 1，则转到出错处理程序作排除故障处理。当然，对主程序最大循环周期、定时器 T0 和 T1 定时周期应予以全盘合理考虑。通过软件系统的可靠性设计，到达最大限度地降低干扰对系统工作的影响，确保单片机及时发现因干扰导致程序出现的错误，并使系统恢复到正常工作状态或及时报警的目的。.z.
