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1、煤矿粉尘检测系统题 目：煤矿井下粉尘浓度的监测系统设计专 业：电子信息工程班 级：08级一班姓 名：陈建宁学 号：1665080104指导教师：樊晓宇日 期：2021.5.28目 录引言11绪论11.1单片机技术的现状及进展前景错误！未定义书签。1.2单片机的应用41.3课题的内容42粉尘浓度操纵系统的总体方案设计53系统硬件设计63.1单片机最小系统的设计73.1.1 电源83.1.2 复位电路93.1.3 振荡电路103.2液晶显示电路103.3语音模块123.4传感电路133.5操纵电路14 3.6 键位路. 154系统软件设计164.1 设计环境164.2系统程序框图174.3硬件调试

2、184.4软件调试195结论18致谢21参考文献22 煤矿井下粉尘浓度的监测系统设计摘要：基于单片机的井下安全系统的操纵是进展迅速的一项技术，它是微机硬件系统结合软件编程和自动操纵技术相结合的产物。本论文是利用单片机及其外扩设备设计出一种简单的井下报警系统。硬件部分采纳AT89C51单片机作为操纵器，外围电路要紧包括传感电路、操纵电路、语音提示和液晶显示。通过单片机的硬件和软件操纵，完成对井下可燃气体浓度的监测及报警，以提高井下作业的安全性，从而保证了井下工作人员的生命安全。关键字：单片机 光纤粉尘浓度传感器 液晶1602 语音提示引言随着石油、天然气工业以及煤炭工业的进展，煤矿安全、环境污染

3、等一系列问题正成为人们关注的重点，专门井下粉尘浓度高，对井下工作人员的的身心健康造成了极大的威逼。据介绍，中国煤矿约95是井工矿，开采条件复杂，而且随着采掘深度增加，煤矿瓦斯、水患、冲击地压等灾难越来越严峻。井工开采矿井具有灾难因素集中、人员活动量大，矿粉不容易及时排除多种致灾因素共存井下的特点，也容易引发大的灾难。对煤矿生产、工业生产和日常生活中产生的有害气体进行高灵敏度检测变得十分重要。光谱吸取型光纤浓度传感器因具有灵敏度高、响应速度快、辨论力高，抗电磁干扰、适用于易燃易爆的危险场合等优点，倍受国内外学者关注，从而具有重大的研究意义。单片机的应用到现在差不多有了近30年的历史了。微型运算机

4、的迅速进展，促进微型运算机测量和操纵技术的迅速进展和广泛应用，单片机的应用差不多广泛渗透到社会公共建设、军事、医疗、通信等各种领域，专门在粉尘测量中的应用，更是得到了人们的认可。单片机是一种集成在电路芯片，是采纳超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机储存器 RAM、只读储存器、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计时器。因此用一块芯片就能够代替一台运算机，来操纵对粉尘浓度的监量及操纵，是一个专门大的突破。1绪论目前大多井下作业安全系数较低，没有较完善预警系统，专门对粉尘浓度的监测及操纵，国内一直都没有一个比较完善的系统，因此开发

5、井下粉尘浓度监测系统势在必行，不仅具有良好的市场前景，而且还具备灵敏度高，抗干扰能力强，生产成本低等特点。单片机是在一块芯片上集成了一台微型运算机所需的CPU、储备器、输入、输出等部分。单片机自问世以来，性能不断提高和完善，体积小、速度快、功耗低的特点使得它的应用领域日益广泛。工业操纵系统的工作环境恶劣，干扰强，故要求操纵系统的工作稳固、抗干扰能力强。单片机能满足这些要求，因此单片机在操纵领域得到了广泛的应用，利用单片机操纵井下粉尘浓度检测系统是专门好的选择。单片运算机即单片微型运算机,是集CPU、RAM、ROM 、定时、计数和多种接口于一体的微操纵器。它体积小、成本低、功能强、广泛应用于智能

6、产业和工业自动化中。51系列单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。这次毕业设计通过对它的学习与应用，从而达到学习设计开发软、硬件的能力。1.1单片机技术的现状及进展前景单片机是一个单芯片形状、面向操纵对象的嵌入式应用运算机系统。它的显现及进展使运算机从通用型数值运算领域进入到智能化的操纵领域。从此，运算机在两个重要领域通用运算机领域和嵌入式运算机领域都得到了极其重要的进展，并正在深深地改变着我们的生活。它具有一个完整运算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至能够将声音

7、、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。单片机也被称为微操纵器，是因为它最早被用在工业操纵领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器进展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使运算机系统更小，更容易集成进复杂的而对提及要求严格的操纵设备。单片机作为运算机进展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。依照目前进展情形，从不同角度单片机大致能够分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型：1 通用型/专用型 这是按单片机适用范畴来区分的。例如，80C51是通用型单片机，它不是为某种专用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为

8、了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC接口等功能的温度测量操纵电路；2 总线型/非总线型 这是按单片机是否提供并行总线来区分的。总线型单片机普遍设置有并行地址总线、 数据总线、操纵总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情形下能够不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机；3 操纵型/家电型 这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。一样而言，工控型寻址范畴大，运算 能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。 明显，上述分类并不是

9、惟一的和严格的。例如，80C51类单片机既是通用型又是总线型，还能够作工控用。能够看出早期的单片机差不多上8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了专门大的好评。此后在8031上进展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业操纵领域要求的提高，开始显现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到专门广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大进展，单片机技术得到了庞大的提高。随着INTEL i960系列专门是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，同时进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也

10、得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频差不多超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而一般的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统差不多不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至能够直截了当使用专用的Windows和Linux操作系统。随着运算机技术的进展和在操纵系统中的广泛应用，以及设备向小型化、智能化进展，作为高新技术之一的单片机以其体积小、功能强、价格低廉、使用灵活等优势，显示出专门强的生命力。它和一样的集成电路相比有较

11、好的抗干扰能力，对环境的温度和湿度都有较好的适应性，能够在工业条件下稳固工作1。单片机也广泛地应用于实时操纵系统中，例如对工业上各种窑炉的温度、酸度、化学成分的测量和操纵。将测量技术、自动操纵技术和单片机技术相结合，充分发挥其数据处理功能和实时操纵功能，使系统工作处于最正确状态，提高系统的生产效率和产品质量。从航空航天、地质石油、冶金采矿、机械电子、轻工纺织等行业的分布系统与智能操纵以及机电一体化设备和产品，到邮电通信、日用设备和器械，单片机都发挥了庞大作用。其应用大致可分为：机电一体化设备的操纵核心。机电一体化是机械设备进展的方向。单片机的显现促进了机电一体化技术的进展，它作为机电产品的操纵

12、器，充分发挥其自身优点，大大强化了机器的功能，提高了机器的自动化、智能化程度。最典型的机电产品机器人，每个关节或动作部位差不多上一个单片机操纵系统。数据采集系统的现场采集单元。大型数据采集系统，要求数据采集的同步性和实时性要好。使用单片机作为系统的前端采集单元，由主控运算机发出采集命令，再将采集到的数据逐一送到主运算机中进行处理。如有些气象部门、油田采油部门以及电厂等均可采纳如此的系统。分布操纵系统的前端操纵器。在直截了当操纵级的运算机分布操纵系统(DCS)中，单片机作为过程操纵中每一分部操作或操纵的操纵器，进行数据采集、反馈运算、操纵输出，并在上位机命令的指挥下进行相应和谐工作。智能化外表的

13、机芯。自动化外表的智能化程度越来越高。采纳单片机的智能化外表可具有自整定、自校正、自动补偿和自适应功能，还可进行数字PID调剂，软件排除电流热噪声等等，解决传统外表所不能解决的难题。单片机的应用使这种性能如虎添翼，如自动计费电度表、燃气表中已有这方面的应用。许多工业外表中的智能流量计，气体分析仪、成分分析仪等也采纳了这项技术。甚至有的保健治疗仪中也采纳了单片机操纵。消费类电子产品操纵。该应用要紧反映在家电领域，如洗衣机、空调器、保安系统、VCD视盘机、电子秤、IC卡、手机、BP机等。这些设备中使用了单片机机芯后，大大提高了其操纵功能和性能，并实现了智能化、最优化操纵。终端及外围设备操纵。运算机

14、网络终端设备，如银行终端、商业POS自动收款机以及运算机外围设备如打印机、通信终端和智能化UPS等。在这些设备中使用单片机，使其具有运算、储备、显示、输入等功能，具有和运算机连接的接口，使运算机的能力及应用范畴大大提高。总之，随着信息时代的到来，传统单片机固有的结构缺陷，使其出现出诸多弊端。其速度、规模、性能等指标越来越难以满足用户需求、因此单片机芯片的开发，升级面临着新的挑战2。纵观单片机的进展过程，能够预示单片机的进展趋势，大致有：1低功耗CMOS化 MCS-51系列的80C51推出时的功耗达120mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制

15、造商差不多都采纳了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。CMOS尽管功耗较低，但由于其物理特点决定其工作速度不够高，而CHMOS那么具备了高速和低功耗的特点，更适合于在要求低功耗像电池供电的应用场合。因此这种工艺将是今后一段时期单片机进展的要紧途径；2微型单片化常规的单片机普遍差不多上将中央处理器(CPU)、随机存取数据储备(RAM)、只读程序储备器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，如此单片机包含的单元电路就更多

16、，功能就越强大。甚至单片机厂商还能够依照用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片；(3主流与多品种共存现在尽管单片机的品种繁多，各具特色，但仍以MCS-51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的WinBond系列单片机。以8031为核心的单片机占据了半壁江山，在一定的时期内，这种情形将得以连续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同进展的道路。总之，随着信息时代的到来，传统单片机固有的结构缺陷，使其出现出诸多弊端。其速度、规模、性能等指标越来越难以满足用户需求、因此单片机芯片的开发，升级面

17、临着新的挑战1.2 单片机的应用单片机应用系统的设计包括单片机差不多扩展、外围电路设计和程序设计、单片机应用系统开发环境、系统可靠性设计、电磁兼容性设计等内容。通常开发一个单片机系统的步骤如图1.1所示。 总体方案设计总体方案设计 设计单元路线 制作PCB板 安装调试 编写应用程序 在线调试软硬件 脱机运行 图1.1 开发单片机的步骤单片机具有软硬件的结合，体积小，能够专门容易嵌入到各种应用系统中的优点。因此，以单片机为核心的嵌入式操纵系统在下述的各个领域中得到了广泛的应用。 (1) 通信 在调制解调器、各类手机、 机、程控 交换机、信息网络以及各种通信设备中，单片机也差不多得到广泛应用。 (

18、2) 消费类产电子产品 单片机在家用电器中的应用也差不多十分普及。目前家电产品的一个重要进展趋势是不断提高其智能化程度。例如，洗衣机、电冰箱、空调机、电风扇、电视机、微波炉、加湿机、消毒柜等。在这些设备中嵌入了单片机后，其功能和性能大大提高，并实现了智能化、最优化操纵。(3) 武器装备 在现代化的武器装备中，如飞机、军舰、坦克、导弹、鱼雷制导、智能武器装备、航天飞机导航系统，都有单片机嵌入其中。(4) 仪器外表 目前对仪器外表的自动化和智能化要求越来越高。在智能仪器外表中，单片机应用十分普及。单片机的使用有助于提高仪器外表的精度和准确度，简化结构，减小体积且易于携带和使用，加速仪器外表向数字化

19、、智能化、多功能化进展。(5) 工业检测与操纵 在工业领域，单片机的要紧应用有：工业过程操纵、智能操纵、设备操纵、数据采集和传输、测试、测量、监控等。这种集机械、微电子和运算机技术为一体的综合技术中，单片机发挥着重要作用。1.3 课题的内容本课题是为了学习单片机技术而设计的，用于井下安全系统的监测及报警。本设计的单片机粉尘浓度操纵系统有：传感电路、操纵电路、语音提示系统等模块组成。在此系统中可实现如下功能：当传感电路测得井下粉尘浓度过高时，将此信号传入单片机，单片机做出反应，操纵操纵电路打开或者闭合开关，达到操纵排尘系统打开和关闭的成效，从而达到防止矿井爆炸爱护井下工作人员安全的成效。同时单片

20、机操纵语音提示系统和字符液晶1602LCD显示系统做出语音提示和液晶显示。2 井下粉尘浓度监测系统的总体方案设计 图2.1是粉尘浓度监测系统的结构框图，它是由光纤浓度传感器、AT89C51单片机、开光操纵、LCD液晶显示器、语音提示芯片、操纵排尘电路组成。光纤浓度传感器是由一根刻有布拉格光栅的光纤光栅、激光光源，光电转换器构成的，他的要紧作用是将探测到粉尘浓度值对光纤光栅波长的阻碍转换成电流的变化，方便依照电流的变化来监测粉尘浓度的变化.光纤浓度传感器在整个设计方案中，起到了主导的作用，也是整个系统的核心。AT89C51单片机在那个系统中属于系统的整个大脑，它是用来同意光纤粉尘浓度传感器所探测

21、的粉尘浓度值来操纵液晶显示器、语音提示电路及排尘操纵电路等，他将处理好的信息分别执行到各个电路，已达到一种智能操纵的目的。液晶显示器在那个系统中相当于人的眼睛，它的核心部件确实是1602LCD液晶显示器，单片机把传感器传输过来的数据进行处理过后，全部显示在液晶显示器上，当显现危险状况时，显示器也会发出提示。排尘操纵电路是有一个电机，一个阀门组成，当浓度过高时传感器把数据传给单片机，单片机处理完数据之后操纵排尘操纵电路给电机供电，是阀门打开开始通风，从而保证矿井下空气流通，达到有效地、及时的把粉尘排放出去。工作过程：当光源透过粉尘浓度较高时，光强会消弱专门多，这是通过光纤浓度传感器时，光纤的波长

22、发生变化，通过光电转化模块，电流值会随着光纤波长的变化而变化，如此与正常空气浓度值的光的波长产生的电流作比较，当浓度超过一定范畴时，液晶显示器显示浓度超标值，单片机操纵井下排尘操纵电路进行排尘，当浓度过高时，语音提示系统发出报警信号，提示人们尽快离开。光纤浓度传感器单片机AT89C51排尘操纵电路开关操纵语音提示电路液晶显示电路 图2.1 粉尘浓度监测结构框图3 系统硬件设计依照系统方框以及论文要求，用PTOTEL99画出了实现开发板设计的整体硬件原理图，原理图包括复位电路、振荡电路、语音提示电路、液晶显示电路、传感电路和操纵电路，如图3.1所示。图3.1 系统硬件原理图3.1单片机系统设计A

23、T89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含4KB的可反复擦写的程序储备器和128B的随机存取数据储备器RAM,器件采纳Atmel公司的高密度、非易失性储备技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器CPU和Flash储备单元，功能强大的AT89C51单片机可灵活应用于各种操纵领域【3】。AT89C51提供以下标准功能：4KB的Flash闪速储备器，128B内部RAM,32个I/O接口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种

24、软件可选的节电工作模式。闲暇方式停止CPU的工作，但承诺RAM、定时/计数器、串行通信口及中断系统连续工作。掉电方式储存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位如图3.2所示AT89C51芯片引脚图，包括：1P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸取8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据储备器，它能够被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，现在P0外部必须被拉高；2P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器

25、能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平常，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收；3 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写1时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序储备器或16位地址外部数据储备器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址1时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据储备器进行读写时，P2口输出其专门

26、功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和操纵信号；3P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入1后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流ILL这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些专门功能口：P3.0 RXD串行输入口、P3.1 TXD串行输出口P3.2 /INT0外部中断0P3.3 /INT1外部中断1P3.4 T0记时器0外部输入P3.5 T1记时器1外部输入P3.6 /WR外部数据储备器写选通P3.7 /RD外部数据储备器读选通P3口同时为闪耀编

27、程和编程校验接收一些操纵信号。图3.2 AT89C51芯片引脚图RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平常刻。ALE/PROG：当访问外部储备器时，地址锁存承诺的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平常，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据储备器时，将跃过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。现在， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。假如微处

28、理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序储备器的选通信号。在由外部程序储备器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据储备器时，这两次有效的/PSEN信号将不显现。EA/VPP：当/EA保持低电平常，那么在此期间外部程序储备器0000H-FFFFH，不管是否有内部程序储备器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平常，此间内部程序储备器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源VPP。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.1.1 电源电源用的是1015V的直流电

29、压。稳压电源把直流电压通过电源插座导入开发板，左边是两个12伏的电源滤波电容，一样大电容旁边并联一个小电容的目的是降低高频内阻，因为大的电解电容一样采纳卷绕工艺制造，因此等效电感比较大，小电容可提供一个小内阻的高频通道，降低电源全频带内阻。 电源为两部分，一部分是直截了当提供给继电器的12V直流电源，另一部分通过三端稳压芯片7805稳压成5伏直流电源提供给单片机系统使用，右边两个电容是5伏电源的滤波电容，电阻和LED组成5伏电源的共组指示电路，只要电源部分正常，LED就会点亮。我们能够依照那个LED来判定整个电源部分是否正常工作。电源电路如图3.3所示。图3.3 电源电路3.1.2 复位电路单

30、片机AT89C51作为主控芯片，操纵整个电路的运行。单片机外围需要一个复位电路，复位电路的功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳固后，撤消复位信号。为可靠起见，电源稳固后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而阻碍复位。该设计采纳的复位电路能够有效的解决电源毛刺和电源缓慢下降电池电压不足等引起的问题，在电源电压瞬时下降时能够使电容迅速放电，一定宽度的电源毛刺也可令系统可靠复位。复位电路的设计图如图3.4所示。图3.4单片机复位图按键手动复位的原理是：当按键被按下时，在通电瞬时，电容C通过电阻R充电，现在电容C相当于短路，RESET端显现正脉冲，单片

31、机复位，等充电终止时那个时刻专门短暂，电容相当于断开，这时差不多完成了复位动作。3.1.3 振荡电路如图3.5所示在单片机19引脚X1、18引脚X2上接入由晶振、电容、接地电源构成的振荡电路。它提供的连续脉冲信号给单片机，比如说用几个振荡脉冲时刻完成某个指令，没有振荡做指导是会乱套的8 。图3.5晶振电路图3.2 LCD液晶显示系统采纳1602液晶显示器显示开灯的数目。在日常生活中，我们对液晶显示器并不生疏。液晶显示模块已作为专门多电子产品的通过器件，如在运算器、万用表、电子表及专门多家用电子产品中都能够看到，显示的要紧是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面中，一样的输出方式有以下几种：发光管、LED数码管、液晶显示器。 在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：1显示质量高，由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器CRT那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且可不能闪耀；2数字式接口，液晶显示器差不多上数字式的，和单片