煤矿安全生产监控系统及安全管理课件

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1、2010.6煤矿安全生产监控系统煤矿安全生产监控系统及安全管理及安全管理1煤矿安全生产监控系统及安全管理煤矿安全生产监控系统与安全管理煤矿安全生产监控系统与安全管理煤矿安全生产监控系统简介1煤矿安全监控系统2矿井安全监控系统安全管理32煤矿安全生产监控系统及安全管理第一节第一节 煤矿安全生产监控系统简介煤矿安全生产监控系统简介v煤矿安全生产监控系统是指具有模拟量、开关量、累计量采集、传输、存储、处理、显示、打印、声光报警、控制等功能，用于煤矿通风安全及生产环节监控的系统，包括煤矿安全监控系统、煤矿瓦斯抽采（放）监控系统、煤矿轨道运输监控系统、煤矿胶带运输监控系统、煤矿供电监控系统那个、煤矿排水

2、监控系统、煤矿火灾监控系统、矿山压力监控系统、煤与瓦斯突出监控系统、人员位置监测系统等。3煤矿安全生产监控系统及安全管理第一节第一节 煤矿安全生产监控系统简介煤矿安全生产监控系统简介一、矿井安全监控技术发展概况一、矿井安全监控技术发展概况v矿井安全监控技术是伴随煤炭工业发展而逐步发展起来的。1815年，英国发明了世界上第一种瓦斯检测仪器瓦斯检定灯，利用火焰的高度来测量瓦斯浓度。20世纪30年代日本发明了光干涉瓦斯检定器，一直延用至今。40年代，美国研制了检测瓦斯气体的敏感元件铂丝催化元件。1954年，英国采矿安全研究所（SMRE）制成了最早的载体催化元件。60年代以后，主要产煤国家都把发展载体

3、催化元件作为瓦斯检测仪器的主攻方向。电子技术的进步推动了瓦斯监测装置的进一步发展，首先是研制小型化个人携带式仪器，以后是矿井监控系统，如70年代后期法国研制的CTT63/40矿井监控系统、英国的MINOS系统、美国的SCADA系统等。4煤矿安全生产监控系统及安全管理第一节第一节 煤矿安全生产监控系统简介煤矿安全生产监控系统简介v我国矿井安全监控技术经历了从简单到复杂、从低水平到高技术的发展过程。从建国初期到70年代，煤矿下井人员主要使用光学瓦斯检定器、瓦斯检定灯、检知管、风表等携带式仪器检测井下环境参数。60年代初期，我国开始研制载体催化元件，1964年煤炭部组织有关研究所、制造厂攻关，研制了

4、第一种达到使用水平的载体催化元件；接着，抚顺煤矿安全仪器厂研制出以该元件为传感器的AQR-1型瓦斯测量仪。随着敏感元件制造水平的提高和电子技术的发展，特别是大规模集成电路、微型计算机的广泛应用，使监控技术进入了新的发展时期。v70年代瓦斯断电仪问世，装备在采掘工作面、回风巷道等井下固定地点，实现了对瓦斯的自动连续监测及超限时自动切断被控设备的电源；随后，陆续研制了便携式瓦斯检测报警仪、瓦斯报警矿灯。5煤矿安全生产监控系统及安全管理第一节第一节 煤矿安全生产监控系统简介煤矿安全生产监控系统简介v80年代初期，从欧美国家先后引进了数十套矿井监控系统，如法国的CTT63/40系统、波兰的CMC-1系

5、统、CMM-20系统、英国的MINOS系统、西德的TF200系统、美国的DAN6400系统及配套的传感器和便携式仪器装备矿井，并相应地引进了部分监控系统、传感器和敏感元件的制造技术，由此推动了我国矿井安全监控技术的发展进程。v1983年以后，国内有多种型号矿井监控系统通过了技术鉴定，逐步实现了对矿井安全、生产方面多种参数的连续监测、监控、数据储存和数据处理。目前，我国已有数十家科研、制造单位生产矿井监控系统、各种传感器、瓦斯报警断电仪、瓦斯遥测报警断电仪、风电瓦斯闭锁装置、自动排瓦斯装置、便携式瓦斯检测报警仪、智能式瓦斯检测报警记录仪、瓦斯氧气双参数检测报警仪、多参数检测仪、瓦斯报警矿灯等数百

6、种监控产品。v 6煤矿安全生产监控系统及安全管理第一节第一节 煤矿安全生产监控系统简介煤矿安全生产监控系统简介v90年代以后，随着电子技术的发展，特别是计算机和控制技术的发展，特别是总线传输技术的发展，煤矿安全生产监控技术已经发展成为一个综合、复杂的多功能系统。如KJ90煤矿安全综合监控系统，KJ126煤矿安全监控系统，KJ95安全监控系统，KJF2000安全监控系统等，涉及到传感器、电工技术、电子技术、电力电子技术、计算机、通讯、自动控制、化学等多门学科，与矿山的采、掘、机、运、通等生产环节紧密相关，功能复杂，技术难度高，要求监控技术人员具有较高的技术素质。7煤矿安全生产监控系统及安全管理第

7、一节第一节 煤矿安全生产监控系统简介煤矿安全生产监控系统简介二、煤矿安全生产监控系统的分类二、煤矿安全生产监控系统的分类煤矿安全生产监控系统可按照监控目的、信号传输方式、网络结构等来进行分类，如按传输信号复用方式分为：时分制系统、频分制系统、码分制系统、复合复用方式（同时采用频分制、时分制、码分制中两种或两种以上的系统）；按系统网络结构可分为：树形、环形、星形、总线形等；按传输信号的调制方式可分为：基带、调幅、调频、调相等；按工作方式可分为：主从方式、多主方式等。8煤矿安全生产监控系统及安全管理第一节第一节 煤矿安全生产监控系统简介煤矿安全生产监控系统简介v按监控目的分类：按监控目的分类：（1

8、）煤矿安全监控系统）煤矿安全监控系统（2）煤矿瓦斯抽采（放）监控系统）煤矿瓦斯抽采（放）监控系统（3）煤矿轨道运输监控系统）煤矿轨道运输监控系统 （4）煤矿胶带运输监控系统）煤矿胶带运输监控系统（5）提升运输监控系统）提升运输监控系统（6）煤矿供电监控系统）煤矿供电监控系统（7）煤矿排水监控系统）煤矿排水监控系统（8）煤矿火灾监控系统）煤矿火灾监控系统（9）矿山压力监控系统）矿山压力监控系统（10）煤与瓦斯突出监控系统）煤与瓦斯突出监控系统（11）人员位置监测系统）人员位置监测系统（12）综合监控系统）综合监控系统9煤矿安全生产监控系统及安全管理第二节第二节 煤矿安全监控系统煤矿安全监控系统v

9、煤矿安全监控的主要内容包括：对井下CH4、CO、O2、CO2等气体浓度的检测；对风速、风量、气压、温度、粉尘浓度、水位等环境参数的检测；对生产设备运行状态的监测、监控等。v煤矿安全监控系统一般由传感器、井下分站、传输线路、地面中心站、监控软件组成，如下图所示：10煤矿安全生产监控系统及安全管理安全监控系统安全监控系统11煤矿安全生产监控系统及安全管理图图1 1 煤矿安全监控系统煤矿安全监控系统12煤矿安全生产监控系统及安全管理第二节第二节 煤矿安全监控系统煤矿安全监控系统一、煤矿安全生产监控系统基本构成1.传感器传感器2.井下监控分站井下监控分站井下监控分站是一种以嵌入式芯片为核心的微机计算机

10、系统，可挂接多种传感器，能对井下多种环境参数诸如瓦斯、风速、一氧化碳、负压、设备开停状态等进行连续监测，具有多通道，多制式的信号采集功能和通讯功能，通过工业以太网或总线方式能及时将监测到的各种环境参数、设备状态传送到地面中心站，并执行中心站发出的及时发出报警和断电控制信号。3.信号传输网络信号传输网络将监测到的信号传送到地面中心站的信号通道。如无线传输信道、电缆、光纤等。4.地面中心站地面中心站13煤矿安全生产监控系统及安全管理二、煤矿安全生产监控设备二、煤矿安全生产监控设备（一）传感器v1.高低浓度甲烷传感器v2.一氧化碳传感器v3.矿用氧气传感器v4.温度传感器v5.风速传感器v6.烟雾传

11、感器v7.开停传感器14煤矿安全生产监控系统及安全管理二、煤矿安全生产监控设备二、煤矿安全生产监控设备（二）、便携式气体检测报警仪（三）、甲烷报警矿灯（四）、井下分站（五）、安全监控系统15煤矿安全生产监控系统及安全管理传感器传感器v煤矿安全监测主要通过检测仪器来实现。一个简单的检测仪器通常由传感器、信号变换电路及电源等部分构成。 借助于敏感元件，对被测物理量进行检测和信号变换，输出模拟量信号或开关量信号的装置，称为传感器。传感器主要由敏感元件、转换器件、测量及变换电路和电源等组成，如图所示。被测量敏感元件转换元件电源测量电路16煤矿安全生产监控系统及安全管理地面中心站地面中心站v煤矿监控系统

12、中心站是煤矿环境安全和生产工况监控系统的地面数据处理中心，用于完成煤矿监控系统的信息采集、处理、储存、显示和打印功能，必要时还可对局部生产环节或设备发出控制指令和信号，中心炸一般由主控计算机及其外围设备和监控软件组成，通常设置在煤矿监控中心或生产调度室中。17煤矿安全生产监控系统及安全管理高低浓度甲烷传感器高低浓度甲烷传感器v主要用于监测高瓦斯煤矿井下环境气体中的瓦斯浓度，可以连续自动地将井下沼气浓度转换成标准电信号输送给关联设备，并具有就地显示沼气浓度值，超限声光报警等功能。还可与各类型监测系统及断电仪、风电瓦斯闭锁装置配套，适宜在煤矿采掘工作面、回风巷道等地点固定使用。采用热催化原理与热导

13、原理相结合来测量沼气浓度，克服了单一元件测量过程中的不稳定现象，具有性能稳定、测量精确、响应速度快，结构坚固、易使用易维护等特点。并具有遥控调校、断电控制、故障自校自检等新功能。18煤矿安全生产监控系统及安全管理井下分站井下分站v KJ90-F8/KJ90-F16型井下监控分站（以下简称分站）是一种以嵌入式芯片为核心的微机计算机系统，可挂接多种传感器，能对井下多种环境参数诸如瓦斯、风速、一氧化碳、负压、设备开停状态等进行连续监测，具有多通道，多制式的信号采集功能和通讯功能，通过工业以太网或总线方式能及时将监测道德各种环境参数、设备状态传送到地面并执行中心站发出的各种命令，及时发出报警和断电控制

14、信号。19煤矿安全生产监控系统及安全管理第三节第三节 矿井安全监控系统安全管理矿井安全监控系统安全管理v一、矿井安全监控系统一般规定一、矿井安全监控系统一般规定v1.煤矿企业应建立安全仪表计量检验制度。v2.高瓦斯矿井、煤（岩）与瓦斯突出矿井，必须装备矿井安全监控系统。没有装备矿井安全监控系统的矿井的煤巷、半煤岩巷和有瓦斯涌出的岩巷的掘进工作面，必须装备甲烷风电闭锁装置或甲烷断电仪和风电闭锁装置。没有装备矿井安全监控系统的无瓦斯涌出的岩巷掘进工作面，必须装备风电闭锁装置。没有装备矿井安全监控系统的矿井的采煤工作面，必须装备甲烷断电仪。v3.采区设计、采掘作业规程和安全技术措施，必须对安全监控设

15、备的种类、数量和位置，信号电缆和电源电缆的敷设，控制区域等做出明确规定，并绘制布置图。v4.煤矿安全监控设备之间必须使用专用阻燃电缆或光缆连20煤矿安全生产监控系统及安全管理第三节第三节 矿井安全监控系统安全管理矿井安全监控系统安全管理v接，严禁与调度电话电缆或动力电缆等共用。防爆型煤矿安全监控设备之间的输入、输出信号必须为本质安全型信号。 安全监控设备必须具有故障闭锁功能：当与闭锁控制有关的设备未投入正常运行或故障时，必须切断该监控设备所监控区域的全部非本质安全型电气设备的电源并闭锁；当与闭锁控制有关的设备工作正常并稳定运行后，自动解锁。 矿井安全监控系统必须具备甲烷断电仪和甲烷风电闭锁装置

16、的全部功能；当主机或系统电缆发生故障时，系统必须保证甲烷断电仪和甲烷风电闭锁装置的全部功能；当电网停电后，系统必须保证正常工作时间不小于2h；系统必须具有防雷电保护；系统必须具有断电状态和馈电状态监测、报警、显示、存储和打印报表功能；中心站主机应不少于2台，1台备用。21煤矿安全生产监控系统及安全管理二、安装、使用和维护的安全管理二、安装、使用和维护的安全管理v1.安装断电控制系统时，必须根据断电范围要求，提供断电条件，并接通井下电源及控制线。安全监控设备的供电电源必须取自被控制开关的电源侧，严禁接在被控开关的负荷侧。拆除或改变与安全监控设备关联的电气设备的电源线及控制线、检修与安全监控设备关

17、联的电气设备、需要安全监控设备停止运行时，须报告矿调度室，并制定安全措施后方可进行。v2.安全监控设备必须定期进行调试、校正，每月至少1次。甲烷传感器、便携式甲烷检测报警仪等采用载体催化元件的甲烷检测设备，每7天必须使用校准气样和空气样调校1次。每7天必须对甲烷超限断电功能进行测试。安全监控设备发生故障时，必须及时处理，在故障期间必须有安全措施。22煤矿安全生产监控系统及安全管理二、安装、使用和维护的安全管理二、安装、使用和维护的安全管理v3.必须每天检查安全监控设备及电缆是否正常，使用便携式甲烷检测报警仪或便携式光学甲烷检测仪与甲烷传感器进行对照，并将记录和检查结果报监测值班员；当两者读数误

18、差大于允许误差时，先以读数较大者为依据，采取安全措施并必须在8h内对2种设备调校完毕。v4.矿井安全监控系统中心站必须实时监控全部采掘工作面瓦斯浓度变化及被控设备的通、断电状态。矿井安全监控系统的监测日报表必须报矿长和技术负责人审阅。v5.必须设专职人员负责便携式甲烷检测报警仪的充电、收发及维护。每班要清理隔爆罩上的煤尘，发放前必须检查便携式甲烷检测报警仪的零点和电压或电源欠压值，不符合要求的严禁发放使用。23煤矿安全生产监控系统及安全管理二、安装、使用和维护的安全管理二、安装、使用和维护的安全管理v6.配制甲烷校准气样的装置和方法必须符合国家有关标准，相对误差必须小于5%。制备所用的原料气应

19、选用浓度不低于99.9%的高纯度甲烷气体。v7.安全监控设备布置图和接线图应标明传感器、声光报警器、断电器、分站、电源、中心站等设备的位置、接线、断电范围、传输电缆等，并根据实际布置及时修改。24煤矿安全生产监控系统及安全管理三、甲烷传感器和其他传感器的设置的安全规定三、甲烷传感器和其他传感器的设置的安全规定v1.甲烷传感器报警浓度、断电浓度、复电浓度和断电范围必须符合表3规定。v2.低瓦斯矿井的煤巷、半煤岩巷和有瓦斯涌出的岩巷掘进工作面，必须在工作面设置甲烷传感器。v3.在回风流中的机电设备硐室的进风侧必须设置甲烷传感器。v4.高瓦斯矿井进风的主要运输巷道内使用架线电机车时，装煤点、瓦斯涌出

20、巷道的下风流中必须设置甲烷传感器。v5.在煤（岩）与瓦斯突出矿井和瓦斯喷出区域中，进风的主要运输巷道和回风巷道内使用矿用防爆特殊型蓄电池电机车或矿用防爆型柴油机车时，蓄电池电机车必须设置车载式甲烷断电仪或便携式甲烷检测报警仪，柴油机车必须设置便携式甲烷检测报警仪。当瓦斯浓度超过0.5%时，必须停止机车运行。25煤矿安全生产监控系统及安全管理三、甲烷传感器和其他传感器的设置的安全规定三、甲烷传感器和其他传感器的设置的安全规定v6.瓦斯抽放泵站必须设置甲烷传感器，抽放泵输入管路中必须设置甲烷传感器。利用瓦斯时，还应在输出管路中设置甲烷传感器。v7.装备矿井安全监控系统的矿井，每一个采区、一翼回风巷

21、及总回风巷的测风站应设置风速传感器，主要通风机的风硐应设置压力传感器；瓦斯抽放泵站的抽放泵吸入管路中应设置流量传感器、温度传感器和压力传感器，利用瓦斯时，还应在输出管路中设置流量传感器、温度传感器和压力传感器。v装备矿井安全监控系统的开采容易自燃、自燃煤层的矿井，应设置一氧化碳传感器和温度传感器。v装备矿井安全监控系统的矿井，主要通风机、局部通风机应设置设备开停传感器，主要风门应设置风门开关传感器，被控设备开关的负荷侧应设置馈电状态传感器。26煤矿安全生产监控系统及安全管理第四第四节 矿山山监控系控系统的的单片机控制片机控制 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

22、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

23、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。27煤矿安全生产监控系统及安全管理第四第四节 矿山山监控系控系统的的单片机控制片机控制一、一、单片机概述片机概述 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

24、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。28煤矿安全生产监控系统及安全管理二、二、单片机系片机系统分析分析v 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。29煤矿安全生产监控系统及安全

25、管理（三）矿山综合监控系统三）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30煤矿安全生产监控系统及安全管理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

26、传感器31煤矿安全生产监控系统及安全管理 （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32煤矿安全生产监控系统及安全管理 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阻为26 nKm，其供

27、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。 33煤矿安全生产监控系统及安全管理（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

28、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 34煤矿安全生产监控系统及安全管理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)

29、是连接智能现场设备和自动化系统的多节点、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。 35煤矿安全生产监控系统及安全管理（四）（四）5151系列单片机概述系列单片机概述MCS-51单片机是Int

30、el公司20世纪80年代初推出的高性能8位单片机，其典型产品有8031、8051和8751，8031无片内ROM，8051内部有4KB掩膜ROM，8751内部有4KB EPROM，除此之外，三者的内部结构及引脚完全相同。 （五）单片机的结构（五）单片机的结构1、中央处理器（CPU） 2、数据存储器（内部RAM）3、程序存储器（内部ROM） 4、定时/计数器5、并行输入/输出(I/O)口6、串行口7、时钟电路8、中断系统36煤矿安全生产监控系统及安全管理（六）单片机工作条件（六）单片机工作条件 1、时钟电路 要给单片机CPU提供时钟信号，就需要相关的硬件电路，即振荡器和时钟电路。51系列单片机内

31、部有一个高增益反相放大器，这个反相放大器的作用就是构成振荡器，但要形成时钟，外部还需要加一些附加电路。 一种是内部时钟方式：这种方式需在18脚和19脚外接晶体振荡器(或陶瓷谐振器)和电容，如图1-8所示。图1-8 内部时钟37煤矿安全生产监控系统及安全管理 另外一种是外部时钟方式：对HMOS型单片机XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入，如图1-9所示；对CHMOS型单片机外部时钟信号从XTAL1脚输入，XTAL2悬空，如图1-10所示 。图1-10 CHMOS型单片机外部时钟图1-9 HMOS型单片机外部时钟38煤矿安全生产监控系统及安全管理2、复位电路 复位是单片机的初始化操作，其

32、作用是使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。当5l系列单片机的复位引脚RST出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式，即上电复位(见图1-11a)和按键复位(见图1-11b)。a、上电复位电路 b、按键复位电路 图1-11 复位电路接法39煤矿安全生产监控系统及安全管理根据以上分析可得图1-12所示的以89C51为例的单片机工作条件接线图。 图1-12 单片机工作条件接线图40煤矿安全生产监控系统及安全管理（七）单片机输入（七）单片机输入/ /输出端口结构输出端口结构 在51系列单片机中有4个双向并行I/O

33、口P0P3，每个端口都由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器组成。单片机与外部设备交换信息时，都是通过端口进行的。 在进行写端口操作时，CPU将内部总线的数据经锁存器和输出驱动器送到端口引脚；在进行读端口操作时，将端口锁存器或引脚数据经输入缓冲器传送至内部数据总线。4个I/O端口都可作输入/输出口使用，其中P0口和P2口还可用于对外部存储器或外部扩展设备的访问。 在扩展外部存储器或外部设备时，把P0口作为地址/数据总线口使用，分时输出外部存储器或外部设备的低8位地址和8位数据。当扩展的外部存储器或外部设备的地址为16位时，把P2口用作地址总线口，输出高8位地址。P3口除作通用I/O口外，其各位还可作

34、为第二功能使用。41煤矿安全生产监控系统及安全管理 1、P0口 作用：通用I/O口 访问片外扩展存储器时，复用为低8位地址线和数据线。 如图1-13所示为P0口的位结构图。 图1-13 P0口的位结构图42煤矿安全生产监控系统及安全管理 2、P1口 作用：通用I/O口 如图1-14所示为P1口的位结构图。图1-14 P1口的位结构图43煤矿安全生产监控系统及安全管理3、P2口作用：通用I/O口；高8位地址线。如图1-15所示为P2口的位结构图。图1-15 P2口的位结构图 44煤矿安全生产监控系统及安全管理4、P3口作用：通用I/O口。如图1-16所示为P3口的位结构图。图1-16 P3口的位

35、结构图。45煤矿安全生产监控系统及安全管理引脚转义引脚功能说明P3.0RXD串行数据接收端P3.1TXD串行数据发送端P3.2INT0外部中断0请求P3.3INT1外部中断1请求P3.4T0计数器0外部输入P3.5T1计数器1外部输入P3.6WR外部数据存储器写P3.7RD外部数据存储器读P3口第二功能如表1-1： 表1-1 P3口第二功能46煤矿安全生产监控系统及安全管理（八）（八）MCS-51MCS-51内部数据存储器内部数据存储器 MCS-51单片机的芯片内部有RAM和ROM两类存储器，即所谓的内部RAM和内部ROM，首先分析内部RAM。 1、内部数据存储器低128单元 8051的内部R

36、AM共有256个单元，通常把这256个单元按其功能划分为两部分：低128单元（单元地址00H7FH）和高128单元（单元地址80HFFH）。如图1-17所示为低128单元的配置图。30H 7FH数据缓冲区20H 2FH位寻址区（00H 7FH）18H 1FH工作寄存器3区（R7 R0）10H 17H工作寄存器2区（R7 R0）08H 0FH工作寄存器1区（R7 R0）00H 07H工作寄存器0区（R7 R0）图1-17内部数据存储器低128单元配置图47煤矿安全生产监控系统及安全管理 低128单元是单片机的真正RAM存储器，按其用途划分为三个区域：（1）寄存器区 共有四组寄存器，每组8个寄存单

37、元（各为8位），各组都以R0R7作寄存单元编号。寄存器常用于存放操作数及中间结果等，由于它们的功能及使用不作预先规定，因此称之为通用寄存器，有时也叫工作寄存器。在任一时刻，CPU只能使用其中的一组寄存器，并且把正在使用的那组寄存器称之为当前寄存器组。到底是哪一组，由程序状态字寄存器PSW中RS1、RS0位的状态组合来决定。（2）位寻址区 内部RAM的20H2FH单元，既可作为一般RAM单元使用，进行字节操作，也可以对单元中每一位进行位操作，因此把该区称之为位寻址区。位寻址区共有16个RAM单元，计128位，位地址为00H7FH。如下图48煤矿安全生产监控系统及安全管理表1-2为片内RAM位寻址

38、区的位地址。单元地址MSB 位地址 LSB 2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H27H26H25H24H23H22H21H20H7F776F675F574F473F372F271F170F077E766E665E564E463E362E261E160E067D756D655D554D453D352D251D150D057C746C645C544C443C342C241C140C047B736B635B534B433B332B231B130B037A726A625A524A423A322A221A120A0279716961595149413931292119110901787068

39、60585048403830282018100800表1-2 片内RAM位寻址区的位地址。49煤矿安全生产监控系统及安全管理 （3）用户RAM区 在内部RAM低128单元中，通用寄存器占去32个单元，位寻址区占去16个单元，剩下80个单元，这就是供用户使用的一般RAM区，其单元地址为30H7FH。对用户RAM区的使用没有任何规定或限制。但在一般应用中常把堆栈开辟在此区中。 2、内部数据存储器高128单元 内部RAM的高128单元是供给专用寄存器使用的，其单元地址为80HFFH。因这些寄存器的功能已作专门规定，故而称之为专用寄存器（Special Function Register），也可称为特

40、殊功能寄存器。50煤矿安全生产监控系统及安全管理（1）程序计数器（PCProgram Counter）（2）累加器（ACCAccumulator）（3）B寄存器（4）程序状态字（PSWProgram Status Word）专用寄存器（SFR）简介D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0H CY ACF0RS1RS0OVF1PPSW各位定义如表1-35、数据指针（DPTR）6、堆栈指针（SP-Stack Pointer）表1-3 PSW各位定义51煤矿安全生产监控系统及安全管理SFR MSB 位地址/位定义 LSB字节地址 BF7 F6F5F4F3F2 F1 F0 F0H ACCE7E6

41、E5E4E3 E2E1E0 E0H PSWD7D6D5D4D3D2D1D0 D0HCYACF0RS1RS0OVF1PIPBFBEBDBCBBBAB9B8 B8H/PSPT1PX1PT0PX0 P3B7B6B5B4B3B2B1B0 B0HP3.7P3.6P3.5P3.4P3.3P3.2P3.1P3.0 BF7 F6F5F4F3F2 F1 F0 F0H IEAFAEADACABAAA9A8A8HEA/ESET1EX1ET0EX0 P2A7A6A5A4A3A2A1A0A0HP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0 SBUF(99H) SCON9F9E9D9C9B9A99989

42、8HSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI P19796959493929190 90HP1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0 TH1 (8DH)TH0 (8CH) TL1 (8BH) TL0 (8AH) TMODGATC/TM1M0GATC/TM1M0 (89H) TCON8F8E8D8C8B8A8988 88HTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0PCONSMO/ (87H)DPH (83H) DPL (82H) SP (81H) P08786858483828180 80HP0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0表1-4

43、MCS-51专用寄存器地址表52煤矿安全生产监控系统及安全管理对专用寄存器的字节寻址问题作如下几点说明： 21个可字节寻址的专用寄存器是不连续地分散在内部RAM高128单元之中，尽管还余有许多空闲地址，但用户并不能使用。 程序计数器PC不占据RAM单元，它在物理上是独立的，因此是不可寻址的寄存器。 对专用寄存器只能使用直接寻址方式，书写时既可使用寄存器符号，也可使用寄存器单元地址。 表中凡字节地址不带括号的寄存器都是可进行位寻址的寄存器，而带括号的是不可位寻址的寄存器，如表所列。全部专用寄存器可寻址的位共83位，这些位都具有专门的定义和用途。这样加上位寻址区的128位，在MCS-51的内部RA

44、M中共有128+83=211个可寻址位 。53煤矿安全生产监控系统及安全管理（九）（九）MCS-51MCS-51内部程序存储器内部程序存储器 MCS-51的程序存储器用于存放编好的程序和表格常数。8051片内有4KB的ROM, 8751片内有4KB的EPROM，8031 片内无程序存储器。 MCS-51 的片外最多能扩展64K字节程序存储器，片内外的ROM是统一编址的。 如端保持高电平, 8051 的程序计数器PC在0000H0FFFH地址范围内 (即前4KB地址) 是执行片内ROM中的程序，PC1000HFFFFH地址范围时, 自动执行片外程序存储器中的程序，当当保持低电平时，只能寻址外部程

45、序存储器, 片外存储器可以从0000H开始编址。 有一组特殊单元是0003H002AH。共40个单元，这40个单元被均匀地分为五段，作为五个中断源的中断地址区。其中：0003H000AH 外部中断0中断地址区000BH0012H 定时器/计数器0中断地址区0013H001AH 外部中断1中断地址区001BH0022H 定时器/计数器1中断地址区0023H002AH 串行中断地址区54煤矿安全生产监控系统及安全管理 中断响应后，按中断种类，自动转到各中断区的首地址去执行程序。因此在中断地址区中理应存放中断服务程序。但通常情况下，8个单元难以存下一个完整的中断服务程序，因此通常也是从中断地址区首地

46、址开始存放一条无条件转移指令，以便中断响应后，通过中断地址区，再转到中断服务程序的实际入口地址去。返回55煤矿安全生产监控系统及安全管理 （十）节电工作 MCS5l系列单片机有HMOS和CHMOS两种工艺芯片，其中CHMOS芯片具有功耗小的优点。为进一步降低单片机应用系统的功耗，CHMOS单片机还可通过对特殊功能寄存器PCON的PD位和IDL位的选择，使其工作在等待工作方式和掉电工作方式，特殊功能寄存器PCON每位定义如图1-22所示。如果同时将PD位和IDL位置1，则优先执行掉电工作方式。HMOS单片机的特殊功能寄存器PCON只有SMOD位有定义，其余4位仅CHMOS单片机才有定义。因此，在

47、使用时应注意二者的区别，避免对没有定义位操作。56煤矿安全生产监控系统及安全管理图1-22 特殊功能寄存器PCON位定义57煤矿安全生产监控系统及安全管理 1、等待工作方式 当特殊功能寄存器PCON的IDL=1 时，CHMOS单片机便工作在等待工作方式。CHMOS单片机工作在等待工作方式时，CPU无时钟，但振荡器继续工作，中断、串行口和定时器模块继续工作，栈指针、程序计数器、程序状态字、累加器和所有其他寄存器的内容保持不变。在等待工作方式期间，ALE和PSEN保持高电平，口的引脚保持进入等待工作方式时的状态。58煤矿安全生产监控系统及安全管理 2、掉电工作方式 当特殊功能寄存器PCON的PD=

48、l时，CHMOS单片机便工作在掉电工作方式。CHMOS单片工作在掉电工作方式时，片内振荡器停止工作，单片机停止一切操作，但片内RAM和特殊寄寻存器的内容保持不变。在掉电工作方式期间，口的引脚输出各自SFR的内容。ALE和PSEN输出为低电平。在掉电工作方式期间，电源Vcc能降至2V，但要保证在掉电工作方式开始前电源Vcc不低于正常值，并且在结束掉电工作方式前使电源Vcc恢复到正常值。59煤矿安全生产监控系统及安全管理 退出掉电工作方式的唯一办法是硬件复位。由于在掉电工作方式期问时钟振荡器停止工作，因此，复位脉冲必须保持足够的宽度，以确保时钟振荡器重新启动并达到稳定的工作状态。复位脉冲的持续时间

49、一般不小于10ms。60煤矿安全生产监控系统及安全管理 （十一）爆炸性（十一）爆炸性环境用境用单片机片机应用系用系统的的设计 爆炸性环境用单片机应用系统的设计一般包括技术性能指标的确定、电气防爆型式的选择、软硬件功能的划分、芯片的选择、抗干扰设计、电气防爆设计等内容。61煤矿安全生产监控系统及安全管理 1、系统设计与防爆设计 （1）技术性能指标的确定 技术性能指标是单片机应用系统的设计依据和最终目标，它贯穿着整个设计工作。在确定技术性能及指标时，要根据用户对系统的使用要求，并参考现有国内外类似系统的技术性能指标、综合考虑技术先进性、易操作维护性、系统可靠性、生产工艺的复杂性和经济效益等因素，提

50、出比较合理的技术性能指标，并查阅有关技术标准，使之标准化、规范化。当然，技术性能指标在系统的研制过程还将进一步完善和修改，使系统具有较高的性能价格比。62煤矿安全生产监控系统及安全管理 （2）防爆设计 单片机应用系统的防爆型式主要以本质安全型为主，这是由于本质安全型电气设备与其他类型的防爆电气设备相比，具有体积小、重量轻、制造工艺简单、成本低等优点，特别是本质安全电路无论在正常工作状态，还是在规定的故障状态下都是安全的。本质安全防爆的原理是：通过合理选择电气设备的电路和电路参数，使电路在正常工作和规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不致引起周围可燃性气体的燃烧或爆炸。因此，本质安全型防爆单片

51、机应用系统应是低电压、小电流和小功率系统。对于难以满足这些条件的系统电源和大功率路一般采用本质安全型和隔爆型或本质安全型与浇封型的复合防爆型式，如：隔爆兼本质安全型电源等。63煤矿安全生产监控系统及安全管理 在设计本质安全型电路时，首先应设计好本质安全型电源。当输出端发生短路等故障时，应具有保护功能，并当故障排除后，应能自动恢复正常。对于输出电流较大、电压较高、功率较大的电源，还应采用快速切断或保护措施。在设计本质安全电源的负载时，应考虑尽量减少负载中的储能元件和容量，尽量不采用电感、电容等元件。必须使用时，应尽量减小其电感量或电容量。同时，应尽量减小负载的工作电压、工作电流和功率。对于参数变

52、化后或故障后将影响电路本质安全防爆性能的电阻、电容、电感、变压器、晶体管等元件，在正常工作和规定的故障状态下的电流、电压和功率应不大于其额定值的三分之二。64煤矿安全生产监控系统及安全管理 （3）功能划分 软、硬件功能的划分就是根据所确定的技术性能指标确定哪些功能由单片机来完成，哪些功能由外部接口电路来完成，哪些功能由外围数字电路或模拟电路来完成，哪些功能由传感器和执行机构来完成，哪些功能由软件来完成。在功能的划分上，为了简化硬件结构，减小功耗，便于本质安全防爆，降低成本，凡能够用软件、单片机及其少量外部电路完成的功能，应尽量由它们完成，但也要考虑软件开发的工作量。 在芯片的选择上，除应选择功

53、耗较低的芯片外，还应兼顾经济合理性，并考虑市场的供货情况。一般地讲，应选择技术先进、销量较大的芯片，这样会获得较高的性能价格比。65煤矿安全生产监控系统及安全管理 2、抗干扰设计 单片机应用系统的抗干扰设计是系统设计的重要内容之一，因为电磁干扰不但会造成较大的系统误差，还会使系统死机无法工作。系统干扰主要有：空间干扰(通过电磁波辐射窜入系统)、通道干扰(通过信号输入输出通道窜入系统)和电源干扰(通过电源窜入系统)。 （1）硬件抗干扰措施 空间干扰一般用屏蔽外壳和外壳接地的方法来解决。66煤矿安全生产监控系统及安全管理 电源干扰通常采用变流稳压器、隔离变压器、低通滤波器、平滑滤波器和板上稳压等办

54、法来解决，如图1-23所示。交流稳压器可以解决交流电源过压与欠压。隔离变压器就是在+之间用接地的屏蔽层隔离，从而减小初、次级之间的分布电容，减少高频干扰。这是因为电源的高频干扰主要是通过初、次级间的分布电容耦合到次级的。低通滤波器通常与隔离变压器次级相连，滤除变压器次级输出的高次谐波，改善电源波形。在高次谐波较严重的情况下，还可在隔离变压器的初级与交流稳压器之间接入低通滤波器。平滑滤波器置于直流整流电源输出，滤除50Hz工频干扰和其他交流成分，降低直流电源的交流纹波电压。为消除负载波动所引起的耦合干扰，系统中的各功能板应采用独立的直流稳压电路，一般由三端稳压器和输入输出电容组成，如图1-24所

55、示。输入输出电容一般选独石电容。各功能板单独稳压不仅可以消除耦合干扰，而且可以降低对总电源输出的要求，便于稳压散热。67煤矿安全生产监控系统及安全管理低通滤波器隔离变压器交流电网整流电路平滑滤波 器稳压电路各功能板图1-23 抗电源干扰原理框图低通滤波器交流稳压器78 X X+-输入0.33F输出 0.1F图1-24板上稳压电路原理图68煤矿安全生产监控系统及安全管理 通道干扰主要用光电隔离的办法来解决，对于信号频率较高、传输距离较远的输入输出通道，还应使用双绞线传输，并注意阻抗匹配。双绞线能使每一扭绞线段之间的电磁感应干抗相互抵消。传输线阻抗匹配就是使负载阻抗等于传输线的传输阻抗。当传输线阻

56、抗匹配时，系统无信号电磁波反射，反之，有反射。传输线的特性阻抗除与本身特性有关外，还与所传输的信号频率有关。若传输线的分布电阻为R，分布电容为C，分布电感为L，分布电导为G，所传输信号的角频率为，则传输线的特性阻抗Zc为： 69煤矿安全生产监控系统及安全管理 传输线的分布电阻R、分布电容C、分布电感L、分布电导G分别是指传输线单位长度上的电阻、电容、电感和电导的大小。 光电隔离能有效地抑制尖峰脉冲及各种高频干扰，并利于本质安全防爆隔离，是减少通道干扰和本质安全防爆隔离的主要措施之一。光电隔离通常使用光电耦合器作隔离元件。光电耦合器具有输入电阻小(一般为1001k之间)、隔离电压高(输入回路与输

57、出回路之间隔离电压一般为15007500V) 、绝缘电阻大(输入回路与输出回路之间绝缘电阻一般为10111012)、耦合电容小(输入回路与输出回路之间分布电容一般为0.52pF) 、电流型输入等优点。因此，使用光电耦合器能实现输入输出通道与单片机系统的隔离，有效地抑制电压幅值较高，而能量较小、高频成分较高的干扰。 70煤矿安全生产监控系统及安全管理 同时，实现了本质安全型防爆电气设备的电气隔离。光电耦合器是非线性器件，因此，对于模拟量信号输入或输出通道，应先将模拟量转换为数字量或频率量(频率型模拟量信号)，再用光电耦合器隔离输入至单片机系统，而输出的数字量或频率量经光电耦合器隔离输出后，再转换

58、成模拟量信号，如图1-25和图1-26所示。在一些对速度要求不高的系统中，通常将模拟量转换为频率量再转换为数字量，或将数字量转换为频率量再转换为模拟量，以减少光电耦合器的用量，降低设备成本和体积。在一些对速度要求较高的系统中，采用上述方案就难以满足高速的要求，通常将模拟量直接转换为数字量，或将数字量直接转换为模拟量，以满足高速的要求。但由于数字量需多路并行传输，因此，使用光电耦合器较多，设备体积较大，成本较高。71煤矿安全生产监控系统及安全管理传 感 器光电耦合器V/F 转 换 器D/F 转 换 器微机系统D/F 转 换 器光电耦合器F/V 转 换 器执行机构模拟量频率量频率量数字量数字量频率

59、量频率量模拟量图1-26 频率输入、输出光电隔离模拟系统图微机系统数字量数字量传 感 器光电耦合器A/D 转 换 器模拟量数字量光电耦合器D/A 转 换 器执行机构数字量模拟量图1-25 数字量输入、输出光电隔离模拟系统图72煤矿安全生产监控系统及安全管理 （2）印制电路板抗干扰设计 印制电路板抗干扰设计是抗干扰主要措施之一。印制板电路抗干扰设计主要包括印制电路板尺寸的选择、元器件布置、地线布置、电源线布置、去稻电容配置等。 印制电路板尺寸大小要适中，尺寸太大，印制线路加长、线路阻抗增大，供电质量难以保证。如果布线不当，将会加大负载波动耦合干扰和印制板电路间信号耦合干扰，并且成本高，印制板电路

60、质量难以保证。尺寸大小，电磁器件对周围器件干扰大，不利于大功率器件散热。如果印制导线过细或过近，还会降低印制板可靠性，加大线间信号耦合干扰。73煤矿安全生产监控系统及安全管理 在器件布置上，应尽量将逻辑相关的元器件布置在一起，按信号流程布置器件。除此之外，还应尽量减小信号线长度和计算机总线长度，将模拟电路与数字电路分开布置，将高频电路与低频电路分开布置，将大功率元器件与小功率元器件分开布置，将电磁元器件单独布置。 地线要尽量加宽，以减少线路压降和负载耦合干扰。信号工作频率不小于1MHz的系统可采用单点接地，如图1-27所示。信号工作频率大于I0MHz的系统应采用多点接地 ，如图1-28所示。对

61、于信号工作频率在ll0MHz之间的系统，应尽量采用多点接地，如果采用一点接地，接地线长度应不大于波长的l16。对于单点接地系统接地线应构成环路，以减小地线上的电位差，提高系统的抗噪声能力，地线布置如图1-29所示。如果系统中既有数字电路，又有模拟电路，应将数字地与模拟地分开布置，以减小相互之间的干扰。74煤矿安全生产监控系统及安全管理图1-28 多点接地示意图图1-27 单点接地示意图双面板或多层板接地面123双面板或多层板接地面123双面板或多层板接地面123(a) 串联系统的公共接地(b) 并联系统的单独接地75煤矿安全生产监控系统及安全管理地线图1-29 单点接地地线的布置76煤矿安全生

62、产监控系统及安全管理 电源线应尽量加宽，双面印制电路板的电源线应尽量与地线布置在对应的那一面，并与地线的走向尽量一致。 在板上稳压电源输出端应并接110uF的钽电解电容。在程序存储器、数据存储器、单片机、接口电路、总线驱动器等耗能较大的芯片的电源端与接地端之间并接00l01 uF的独石电容。每l5个低功耗集成电路使用1个001O1 u F的独石电容。 逻辑电路未使用的输入端，应视逻辑关系接至已使用门的输入端，或接地，或接电源。 有可能产生火花的按钮、开关、继电器和接触器的接点，应并接RC电路吸收，一般R取l2k ，C取2.24.7pF，如图1-30所示。继电器和接触器线圈，应反并续流二极管，如

63、图1-31所示。 为防止强电磁干扰使系统或部分寄存器错误复位，应在芯片的RESET复位端并接001uF独石电容。77煤矿安全生产监控系统及安全管理78煤矿安全生产监控系统及安全管理（3）系统布线 系统布线除应将本安与非本安导线分开打把外，还应将交流线单独打把，直流稳压电源线单独打把，数字信号线单独打把，模拟信号线单独打把，灯泡、继电器等感性负载驱动线和非稳压的直流电源线单独打把，并尽量减小布线长度和采用双绞线。地线要尽量粗，对于高频系统应采用多点接地，对于低频系统可选用一点接地。有屏蔽层的电缆，屏蔽层要一点接地。（4）系统抗干扰措施系统抗干扰措施就是当干扰使系统出现某种异常后，所采取的一些软件

64、和硬件抗干扰措施。系统抗干扰措施主要包括设置监视定时器(又称看门狗电路)、设置软件陷井及地址拦截、软件冗余设计、系统上电自检、对监测数据软件滤波等。79煤矿安全生产监控系统及安全管理 （5）设置监视定时器 设置监视定时器就是将定时器的定时时间设定成略大于程序正常运行时可能出现的最大循环周期时间，在循环程序中，设置一条使定时器复位或预置的指令，定时器的定时时间到输出端经单稳态触发器接CPU的复位信号端或中断请求输入端。当系统运行正常时，由于每一周期都对定时器复位或重新预置，因此，定时器输出无效电平。当系统运行不正常时，将不能保证对定时器复位和重新预置的周期时间小于定时器定时时间，定时器输出有效电

65、平信号，使系统复位或进入故障处理中断程序。用作监视的定时器可以是单片机本身的定时器，也可以是外部可编程定时器，如：8253、Z80-CTC、8155等接口电路，还可以是不可编程的计数器和单稳态触发器。80煤矿安全生产监控系统及安全管理 （6）设置软件陷井及地址拦截 设置软件陷井就是在未被使用的程序存储器空间内，反复设置跳转指令，跳转至能够重新启动或出错处理的程序段。当干扰使程序计数器出错，进入上述未被使用但反复设置跳转指令的程序存储器空间时，这些跳转指令将会使程序重新启动或进入出错处理程序段。81煤矿安全生产监控系统及安全管理 （7）软件冗余设计 软件冗余设计就是在不影响程序正常运行的情况下，

66、将一次性操作改为循环重复操作，或多次重复操作，主要包括：1)对接口电路的控制命令寄存器，由一次写入改为循环重复写入，当接口电路的控制命令寄存器被干扰后，在下一个软件循环周期内得到修正。2)对跳转、调用子程序、返回、开闭中断等重要指令多次重复(一般重复12次)，当这些指令在执行过程中受到外界干扰，后面重复的指令将会被正确执行。3)将重要环节的一次采样、处理和输出改为循环采样、处理和输出。当一次采样、处理和输出被干扰有误，将会在下一个循环得到修正。4)对重要数据采用多处存储择多判决。例如：将同一个数据存放3个不同的RAM存储单元中，取数时，有两个单元数据一致认为有效。5)对输出的控制数据除通过接口

67、输出外，还在RAM中存储，以便系统故障排除后恢复故障前的输出状态。6)对重要环节的采样、和输出采用多次重复、择多判决或取平均值等。 82煤矿安全生产监控系统及安全管理（8）系统上电自检1) 程序存储器的检测2) 数据存储器的检测3) CPU的检测4) 输入输出接口电路的检测83煤矿安全生产监控系统及安全管理 （9）软件数字滤波 为消除监测数据中的干扰，除在硬件上采用有源或无源滤波外，还可使用软件数字滤波。在单片机应用系统中，由于运算速度、存储容量等因素的限制，一般采用一些简单而又有效的方法。 (1) 算术平均值 (2) 中值法 (3) 择多判决法 (4) 一阶递推数字滤波法 即：84煤矿安全生

68、产监控系统及安全管理第五节第五节 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术 5.1 概述 5.1.1 工业控制计算机的概念与特点 1. 工业控制计算机的概念 一般的把适合于工业环境使用的微型计算机系统称之为工业控制计算机。一般也叫IPCIndustry Personal Computer。严格说来，所谓工业控制计算机，是指那些满足下述条件的计算机系统： 能够提供各种数据采集和控制功能。 能够和工业对象的传感器、执行机构直接接口。 能够在苛刻的工业环境下可靠运行。 机电一体化系统中的计算机软、硬件占着相当重要的地位，它往往代表着系统的先进性和智能特征。因而，把机电一体化系统中的微机软

69、、硬件称之为智能组成要素。一般微型机往往在实验室、办公室或在家庭中使用，而机电一体化系统中的微型机通常在条件不比较恶劣的条件下使用，必须采用工业控制机或按工业环境要求设计的微型机、其要求是可靠性高、抗干扰能力强、环境适应能力好。 85煤矿安全生产监控系统及安全管理工工业控制控制计算机与算机与计算机系算机系统相比相比较，具有以下主要特点：，具有以下主要特点： (1) 具有丰富的具有丰富的过程程输入入/输出出(I/O)功能功能 工业控制计算机是与工业生产控制系统紧密结合，主要面向机电一体化产品和成套装置控制应用的要求，与生产工艺过程和机械设备相匹配的一个有机组成部分。它必须与控制仪表、显示仪表、检

70、测仪表、执行器以及联锁保护系统联用，才能完成对各种设备和工艺装置的控制。 因此，除了计算机的基本部分如CPU、存储器外，还必须有丰富的过程输入输出设备(相对于数据处理机)和完善的外部设备，这些是工业控制机能否投入运行的重要条件。 86煤矿安全生产监控系统及安全管理(2) 实时性高性高v 所谓的“实时”，是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间内完成，亦即“及时”，超出这个时限，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。v 工业控制机具有时间驱动和事件驱动的能力，要能对生产过程工况变化实时地进行监视和控制。当过程参数出现偏差甚至故障时，能迅速响应，予以判断，及时处理。为此，通常需配有实时操作系统

71、，完善的中断系统等，没有这些就无法很好地执行工业控制任务。87煤矿安全生产监控系统及安全管理(3) 具有高可靠性具有高可靠性v 工业生产过程通常是昼夜连续的，一般的生产装置要几个月甚至一年才大修一次，非正常停机往往会造成还很大的损失，这就要求工业控制机可靠性尽可能的高。 因此它要求：v 低故障率；低故障率；一般来说，要求工业控制机的平均故障间隔时间(MTBF)不应低于数千甚至上万小时。v 短的故障修复短的故障修复时间(MTTR)； 可采用冗余技术，更换模板容易，能够热拔插。v 运行效率高；运行效率高；一定时间内(例如一年)，运行时间占整个时间的比率一般要求99以上。 88煤矿安全生产监控系统及

72、安全管理v(4) 环境适境适应性性强 v 工业现场环境恶劣，工业控制计算机必须采取必要的措施，适应高温、高湿、腐蚀、振动冲击、灰尘等环境。例如，工业现场环境下电、磁干扰严重，供电条件不良，工业控制机必须有极高的电磁兼容性，有高抗干扰能力和共模抑制能力。 v(5) 有丰富的有丰富的应用用软件件 v 工业控制软件正向结构化、组态化发展。工业控制计算机一般与PC机兼容，在PC机上运行的软件一般都可以在工业控制计算机上运行。89煤矿安全生产监控系统及安全管理v (6) 技技术综合性要求高合性要求高 v 工业控制计算机应用是系统工程问题。除了要解决计算机的基本部分以外，还需要解决它如何与被测控对象的接口

73、，如何适应复杂的工业环境，如何与工艺过程与企业管理相结合等一系列问题。v以上是工业控制计算机和其它类型计算机相比的区别90煤矿安全生产监控系统及安全管理5.1.2 5.1.2 微型微型计算机系算机系统总线的概念的概念 v总线：微型：微型计算机系算机系统中信号中信号线的集合，是一种的集合，是一种传送送规定定信息的公共通道，有信息的公共通道，有时亦称数据公路，通亦称数据公路，通过它可以把各种它可以把各种数据和命令数据和命令传送到各自要去的地方。送到各自要去的地方。 v在微型在微型计算机系算机系统中广泛采用三中广泛采用三总线的的结构形式构形式v数据数据总线、地址、地址总线和控制和控制总线。 91煤矿

74、安全生产监控系统及安全管理v数据数据总线上上传送的是数据信息送的是数据信息。v 通常通常8位微位微处理器有理器有8位数据位数据总线，16位微位微处理器有理器有16位数据位数据总线，32位的微位的微处理器理器则有有32位数据位数据总线。当。当然，也有例外，如采用复用等然，也有例外，如采用复用等办法。法。 v地址地址总线是是单向的向的。v 微微处理器要用地址确切指定与之通信的外部硬件。每理器要用地址确切指定与之通信的外部硬件。每一个存一个存储单元有一个地址，每一个接口也有一个地址。元有一个地址，每一个接口也有一个地址。 v控制控制总线是用来确定数据是用来确定数据总线上信息流上信息流时间序列的。序列

75、的。v微型微型计算机系算机系统总线是影响是影响计算机性能的瓶算机性能的瓶颈。 92煤矿安全生产监控系统及安全管理5.1.3 5.1.3 常用的工常用的工业控制控制计算机算机总线 v1. IBM PC总线和AT总线v IBM PC总线是IBM PCXT个人计算机采用的微型机总线，它是针对 Intel 8088微处理器设计的，它有62条信号线，以适应8088的8位数据线和20位地址线。这种总线是用户在 IBM PCXT机的大母板上扩展 IO模板的 IO总线。 v 为了和 Intel 80286等高性能16位微处理器兼容，IBM公司在 PC总线基础上增加了一个36个引脚的AT扩展插座而形成16位的A

76、T总线，IBMAT及其兼容机机箱中，通常在母板上分别设置几个AT插槽和PC插槽，这种结构也称之为IBM公司的ISA (Industrial Standard Architecture)结构，即工业标准结构。93煤矿安全生产监控系统及安全管理工业标准结构 ISA94煤矿安全生产监控系统及安全管理v 2. PC 104总线 PC/104是一种是一种专门为嵌入式控制而定嵌入式控制而定义的工的工业控制控制总线,近年来在国近年来在国际上广泛流行，被上广泛流行，被IEEE协会定会定义为IEEE-P996.1。我。我们知道，知道， IEEE-P996是是PC和和PC/AT工工业总线规范，而从范，而从PC/1

77、04被定被定义为IEEE-P996.1 就可以看出，就可以看出，PC/104实质上是一种上是一种紧凑型，小型化的凑型，小型化的IEEE-P996. 其型其型号定号定义和和PC/AT基本一致，但基本一致，但电气和机械气和机械规范却完全不同，范却完全不同，是一种是一种优化的，小型堆化的，小型堆栈式式结构的嵌入式控制系构的嵌入式控制系统。vPC/104模模块本本质上就是尺寸上就是尺寸缩小小为3.8 X 3.9 的的ISA总线板卡。板卡。 95煤矿安全生产监控系统及安全管理PC 104 PC 104 模模块96煤矿安全生产监控系统及安全管理PC 104PC 104总线工工业控制控制计算机的算机的应用用

78、v 标准结构的IPC机有许多局限性，主要问题是体积和功耗太大，在许多嵌入式应用中(例如航空航天航空航天产品，智能品，智能仪器器仪表，表，医医疗设备，通信，通信设备，机，机电一体化一体化产品等品等)无法胜任，因而在在80年代末产生了采用基于模块化设计方法的嵌入式工业PC系统。v PC/104总线模块系统已成为嵌入式PC机的标准。大量应用于工业设备，仪器，医疗设备，通信设备等嵌入式应用场合，而这些应用场合，既需要PC机的软硬件环境，又需要模块化、标准化、小型化和低功耗的设计，这就需要建立嵌入式PC机的标准，以便缩短产品的开发周期，降低开发成本，减少设备投资，从而降低产品或系统的价格。v 虽然PC/

79、104总线工控机的功耗低，但其驱动能力差(4mA)，其扩展能力和维护性也受到限制，使其在工业过程控制和自动化领域 的应用 范围受 到 一 定 的 局 限 。 97煤矿安全生产监控系统及安全管理PC 104 PC 104 模模块98煤矿安全生产监控系统及安全管理v3. STD总线vSTD总线是一种面向工是一种面向工业控制的控制的总线, STD总线是由是由Pro-Log公司作公司作为工工业标准准发明的，明的，1987年，年，STD总线被批准被批准为IEEE961标准。准。vSTD总线是是56条信号条信号线的并行底板的并行底板总线，它，它实际上是由四上是由四条小条小总线组成的，成的，这些小些小总线是

80、：是：8根双向数据根双向数据线，16根根地址地址线，22根控制根控制总线和和10根根电源及地源及地线。 STD总线的特点：(1) 小板结构小板结构(165*114)，高度的模块化，高度的模块化“轻、薄、短、小轻、薄、短、小”。 (2) 严格的标准化，广泛的兼容性；严格的标准化，广泛的兼容性；STD总线模板设计有严格总线模板设计有严格的标准化要求的标准化要求。 (3) 面向面向I/O的设计，非常适合工业控制应用，的设计，非常适合工业控制应用， (4) 高可靠性高可靠性 99煤矿安全生产监控系统及安全管理vSTD90486 v80486DX4-100或5X86-133CPU板（4MB64MB）DR

81、AM,实时时钟,硬件看门狗，两串一并，两硬两软，打印机接口，复位按扭，与PC/AT全兼容。 100煤矿安全生产监控系统及安全管理v4. PCI总线 vPCI总线由由INTEL公司在公司在1991年首先提出，并在同年年首先提出，并在同年联合世界上合世界上多家公司成立了多家公司成立了 PCISIG，致力于促，致力于促进 PCI局部局部总线工工业标准的建准的建立和立和发展展 1992年，年，PCISIG发布了布了PCI局部局部总线规范范1.0，经修修改后，于改后，于93年年发布了布了规范范2.0，95年年发布了布了规范范2.1，并于，并于95年年6月月1日开始生效日开始生效 vPCI总线是一种高性能

82、的是一种高性能的32/64位位总线。它具有以下几个特点：。它具有以下几个特点：v(1) 高性能高性能v 数据数据传送速率可高达送速率可高达132MB/s, 远远超超过标准准ISA总线8MB/s的速率。的速率。101煤矿安全生产监控系统及安全管理（2）低成本）低成本v 优化了芯片内部化了芯片内部连接。采用多路复用接。采用多路复用结构减少了引脚构减少了引脚数，数，对目目标设备仅47根信号根信号线，对主主设备仅49根信号根信号线。 (3) PCI的开放性的开放性 PCI是一种标准的，开放式总线标准，是一种标准的，开放式总线标准，PCI互配置空间规范互配置空间规范能保证全系统的自动配置，实现即插即用能

83、保证全系统的自动配置，实现即插即用PnP，这极大地增加，这极大地增加了系统的易用性了系统的易用性 102煤矿安全生产监控系统及安全管理5.2 5.2 工工业控制控制计算机算机产品的种品的种类及其及其选择v5.2.1 工工业控制控制计算机广泛算机广泛应用的主要原因用的主要原因v (1) 工业控制计算机与PCAT软件兼容，使原PC机上的庞大软件资源，原则上不加修改就能移到工业控制计算机上运行，节省了用户大量的开发时间，减少了培训费用，使工业控制计算机一上市后就拥有大量的新老用户v (2) 由于开放性结构和软硬件标准公开，既使制造厂商乐于合作或向其靠拢、也便于用户自行开发，从而使其应用范围不断地扩大

84、，促使产品种类更加丰富。103煤矿安全生产监控系统及安全管理v(3) 各类高性能IO模板作为成熟的工业化产品与工业控制计算机配套使用，性能价格比不断提高，使用户可在短时间内很快构成所需的应用控制系统，投入实际运行，创造了很好的效益。v(4) 由于电子技术的不断进步，使工业控制计算机本身的性能指标不断得以提高，使工业控制计算机的可靠性远远高于一般的PC机，现已能适应工业环境的基本要求。v(5) 通信、网络技术的引入，特别是实时工业网络产品的面市，使采用工业控制计算机作为节点机，再经联网组合，构成高性能集散控制系统(DCS)的方案成为可能。通过网络形式，将多台工业控制计算机相连，能完成较复杂的控制

85、任务，同时通过网络连接，组成模块化的多级系统体系，具有可靠性高、灵活性强的持点，更便于构成“管控一体化”的体系，具有很强的实用价值。104煤矿安全生产监控系统及安全管理5.2.2工业控制计算机的种类1. 加固型工加固型工业控制控制计算机算机 目前流行的一般工业控制计算机多采用全钢标准机架机箱，基本配置与一般PC机相同，芯片采用工业级芯片，采用无源母板和ALLINONE主板，留有多个槽口供插入各类IO模扳作扩展之用，选用工业级抗干扰电源，机箱带防震夹，采用半导体虚拟存储器磁盘卡和加保护膜的键盘。这些结构上的改造提高了工业控制计算机对工业现场环境的适应性。但就其本质而言还只是一般PC机的改良型，还

86、必须在可靠性，抗干扰能力及模板设计等方面采取新的措施。 105煤矿安全生产监控系统及安全管理v典型产品为研华公司的6xx系列产品 IPC-610 全钢结构的机箱满足EIA RS-310C 19”架装标准。它能安装多款14槽ISA或PCI总线无源底板和多款工业电源,构成多款IPC系统。 突出的特点是防尘、抗震、抗冲击，并能适应工业环境下很宽的温度变化要求。机箱前面板上带防尘网的风扇向箱体内吹风，使箱体内产生正压用以防尘。机箱的前门带锁,可防止电源开关、复位开关等被误操作，增加了安全性。 106煤矿安全生产监控系统及安全管理6xx6xx系列系列产品外形品外形107煤矿安全生产监控系统及安全管理10

87、8煤矿安全生产监控系统及安全管理冷却系冷却系统109煤矿安全生产监控系统及安全管理内部内部结构构 110煤矿安全生产监控系统及安全管理驱动器安装架器安装架111煤矿安全生产监控系统及安全管理外形尺寸外形尺寸112煤矿安全生产监控系统及安全管理ISAISA总线无源底板无源底板 113煤矿安全生产监控系统及安全管理ISA+PCIISA+PCI总线无源底板无源底板114煤矿安全生产监控系统及安全管理CPUCPU卡卡115煤矿安全生产监控系统及安全管理116煤矿安全生产监控系统及安全管理2. 2. 面板式工面板式工业控制机控制机(Panel Computer)(Panel Computer) v v

88、这是一种紧凑型的工业控制机。它是一种将主机、显示器(触模式屏幕，可代替键盘)、电源、软盘驱动器和串行接口集中在一起的一体化工业控制机，具有体积小巧、重量轻的特点。显示器为超薄型显示器。彩色显示器有TFT型及STN型。单色显示器有LCD和EL型之分。这种紧凑型工业控制机非常适合于应用在对计算机系统体积要求比较高的机电一体化系统中。117煤矿安全生产监控系统及安全管理118煤矿安全生产监控系统及安全管理3. 3. 工工业工作站工作站 v 这是一种将IPC主机、显示器、操作面板集为一体的IPC机。主机采用主流CPU。显示器可采用一般的14英寸-20英寸彩色CRT显示器，也可采用LCD显示器。操作面板

89、为操作式键盘。采用l 9英寸架装结构，工业工作站具有很强的信息处理能力和大量的I/O扩展槽。可以作为中小型控制系统的工作站或主机。 119煤矿安全生产监控系统及安全管理120煤矿安全生产监控系统及安全管理121煤矿安全生产监控系统及安全管理4 CompactPCI 4 CompactPCI 工工业控制控制计算机算机vCompactPCI是compact peripheral component interconnect 的英文缩写，意思是“坚实的PCI”。简单地说，CompactPCI是PCI总线的电气和软件标准加欧式卡的工业组装标准，它是当今最新的一种工业计算机标准。 122煤矿安全生产监控

90、系统及安全管理123煤矿安全生产监控系统及安全管理124煤矿安全生产监控系统及安全管理125煤矿安全生产监控系统及安全管理126煤矿安全生产监控系统及安全管理127煤矿安全生产监控系统及安全管理CompactPCICompactPCI与与传统工工业PCPC相相对比，具有以下几个特性：比，具有以下几个特性： v维护性：v 从传统工业PC系统上更换一块板卡常常是相当耗时的；用户需松开并移去机箱盖，从板卡上断开所有连接，换卡，重新连线，重新上机箱盖。由于板卡与外围设备之间可能会有一些内部连接电缆。而换卡时必须将这些连线断开，因此这一过程是很容易出错的。所以在维护性方面，传统工业PC系统无法做到像Co

91、mpactPCI系统这样简洁而高效。v 另一方面，CompactPCI设计为可以从前面板拔插板卡。更换CompactPCI板卡非常简单，无需拆下机箱盖。此外，如果I/O接线都是通过后面板时，前面CompactPCI板卡上没有任何连线，更换板卡非常快捷简便，维护时间将会大大缩短。v CompactPCI支持热插拔技术, 就是说不用关闭计算机系统电源来插拔或更换计算机配件，支持热切换。 128煤矿安全生产监控系统及安全管理v抗震性：抗震性：v 传统工业PC不能对系统中的外围设备板上提供可靠而安全的支持，插于其中的板卡只固定于一点。卡的顶端和底部也没有导轨支持，因此卡与槽的连接处也容易在震动中接触不

92、良。v CompactPCI卡牢牢地固定在机箱上，顶端和底部均有导轨支持。前面板紧固装置将前面板与周围的机架安全地固定在一起。卡与槽的连接部分通过针孔连接器紧密地连接。由于卡的四面均将其牢牢地固定地其位置上，因此即使在剧烈的冲击和振动场合也能保证持久连接而不会接触不良。129煤矿安全生产监控系统及安全管理v通通风性：性：v 传统的工业PC机箱内空气流动不畅，不能有效散热，空气流通为无源底板，板卡支架和磁盘驱动器所阻塞。冷空气不能在所有板卡间循环流动，热空气也不能立刻排出机箱外。电子设备和电路板可能会因这些冷却问题而损坏，导致电路板变形，断线以及元件寿命缩短等。CompactPCI系统为系统中所

93、有的发热板卡提供了顺畅的散热路径。冷空气可以随意在板卡间流动，并将热量带走。集成在板卡底部的风扇系统也加速了散热过程。由于良好的机械设计带来通畅的散热路径，CompactPCI系统极少出现散热方面的问题。 130煤矿安全生产监控系统及安全管理5.2.3 5.2.3 工工业控制控制计算机的算机的选择v1 选择合适的主机档次合适的主机档次(CPU档次档次) v2 根据不同的根据不同的应用用场合合选择合适的型号合适的型号v3 内存、外存配置内存、外存配置131煤矿安全生产监控系统及安全管理5.3 5.3 工工业控制机接口模板及控制机接口模板及应用用v5.3.1 概述概述v 应用工业控制计算机对设备进

94、行控制时，首先要把各种测量参数送入计算机中。计算机对这些采样数据进行一系列计算处理后将结果数据输出。计算机的输出结果是以数字量的形式输出的，通常还必须转换成可对过程进行控制的模拟量。因此，构成一个工业控制系统，除了工业控制计算机主机之外，还需要配备各种用途的I/O接口产品。 v 在采用工业控制计算机作为控制系统核心时，通常是选用专业厂家生产的I/O接口模板。132煤矿安全生产监控系统及安全管理常用的各常用的各类接口模板接口模板输入输出信息来源及用途信息种类相配套的接口模板产品温度、压力、物移、转速、流量等来自现场设备运行状态的模拟电信号模拟量输入信息模拟量输入模板限位开关状态、数字装置的输出数

95、码、接点断通状态、“0”“1”电平变化数字量输入信息数字量输入模板执行机构的控制执行、记录等(模拟电流/电压)模拟量输出信息模拟量输出模板执行机构的驱动执行、报警显示蜂呜器等其它数字量数字量输出信息数字量输出模板流量计算、电功率计算、转速、长度测量等脉冲形式输入信号脉冲量输入信息脉冲计数/处理模板操作中断、事故中断、报警中断及其它需要中断的输入信号中断输入信息多通道中断控制模板驱动机构(步进电机)的驱动控制信号输出脉冲信号输出步进电机控制模板133煤矿安全生产监控系统及安全管理5.3.2 5.3.2 模模拟量量输入入/ /输出模板出模板 v1. HY-6020系列模板系列模板 HY-6020模

96、板的性能模板的性能134煤矿安全生产监控系统及安全管理HY-6020系列模板外形135煤矿安全生产监控系统及安全管理2. 2. 组成成vHY6020系列板原理框图 136煤矿安全生产监控系统及安全管理3. 3. 工作原理概述工作原理概述 vHY-6020系列板的A/D转换触发工作方式，采用软件触发，而数据的传输方式有两种，查询方式和中断方式。模拟电压信号通过输入/输出插座分别接到模拟输入多路开关上，在软件操作下选通某一输入通道该通道模拟输入信号被送至放大器及A/D转换器。v通过编程向HY-6020/HY-6022的D/A电路分别写入低八位和高四位数据后该板将输出与之相对应的模拟电压信号，当开机或复位计算机时D/A电路自动清零 。137煤矿安全生产监控系统及安全管理4. 4. 信号信号输入插座定入插座定义 138煤矿安全生产监控系统及安全管理贵州大学贵州大学 机电工程系机电工程系 Thank You !139煤矿安全生产监控系统及安全管理