基于单片机的矿井数据无线采集系统.docx

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基于单片机的矿井数据无线采集系统

论文题目：

基于单片机的矿井数据无线采集系统（硬件）

专业：

电气工程及其自动化

学生：

王百立（签名）

指导教师：

王建（签名）

摘要

采用AT89C51单片机为核心利用DS18B20温度传感器，MQ2气体传感器，LCD1602，数码管显示器，基于nRF905的无线收发电路完成了对矿井数据的采集，显示，和传输。

首先介绍了温度数据采集，瓦斯数据采集和无线传输的背景和发展现状。

并对系统进行了设计，主要包括各个部分电路的设计，各个芯片的选择介绍，简单的软件设计，并制成目标板。

根据系统的特点，将系统分为采集发送端和接收端。

系统设计完成后在实验室进行了调试和测试，测试结果表明：

系统硬件设计完全符合矿井数据采集和无线传输的要求，可以投入使用。

关键词：

AT89C51，温度，瓦斯，无线传输，LCD1602，上位机

Subject：

Wirelessdataacquisitionsystembasedonmicrocontroller

mine（Hardware）

Specialty：

ElectricalEngineeringandAutomation

Name：

WangBaiLi（Signature）

Instructor：

WangJian（Signature）

ABSTRACT

AT89C51microcontrollerasthecoreofthetemperaturesensorDS18B20,MQ2gassensor,LCD1602,digitaltubedisplay,wirelesstransceivercircuitbasedonnRF905finishedtocollectthedataofmine,display,andtransmission.Firstintroducedthetemperaturedataacquisition,dataacquisitionandgaswirelesstransmissionofbackgroundanddevelopmentpresentsituation.Andonthesystemdesign,includingtheeachpartofthecircuitdesign,thechoiceofeachchipisintroduced,thesimplicityofthedesignofthesoftware,andmadeintotargetboard.Accordingtothecharacteristicsofthesystem,thesystemisdividedintocollectionthesenderandthereceiver.AfterthecompletionofthesystemdesignintheLABSofthecommissioningandtesting,testingresultsshowthat:

thesystemhardwaredesignmeettheminedataacquisitionandwirelesstransmissionrequirements,canputintouse.

Keywords:

AT89C51，Temperature，Gas，WirelessTransmission，LCD1602，PC

目录

第一章绪论1

1.1矿井无线数据采集的意义1

1.2无线通信技术的发展现状1

1.3本系统设计内容2

1.4本章小结2

第二章系统硬件设计方案的论证3

2.1系统设计功能要求及结构组成3

2.2主要芯片的选择4

2.2.1微处理器芯片的选择4

2.2.2无线射频芯片的选择6

2.2.3温度传感器的选择7

2.2.4瓦斯传感器的选择8

2.2.5模数转换芯片的选择10

2.3本章小结11

第三章无线数据采集系统的硬件电路设计12

3.1系统的供电电源和单片机最小系统12

3.3.1系统供电电源12

3.3.2单片机最小系统12

3.2温度数据采集13

3.3瓦斯数据采集14

3.4无线收发14

3.5本章小结15

第四章系统响应与上位机16

4.1显示电路16

4.1.1LED数码管电路及工作原理16

4.1.2数码管显示电路17

4.1.3LED显示驱动PNP8550介绍17

4.1.4LCD1602显示18

4.2报警电路：

19

4.2.1瓦斯浓度报警电路19

4.2.2温度报警指示电路19

4.3上位机（PC机）：

19

4.3本章小结21

第五章系统的软件设计22

5.1系统软件主流程图设计22

5.1.1数据发送端流程22

5.1.2数据接收端流程23

5.2系统的编程软件24

5.3本章小结24

第六章系统调试25

6.1硬件分部调试25

6.1.1硬件电路检测25

6.1.2排除元器件失效25

6.1.3排除电源故障25

6.1.4显示部分调试25

6.2基于Proteus仿真调试25

6.3软硬统一调试26

6.4软硬件调试过程所遇到的问题26

6.5本章小结27

结论与心得28

致谢29

参考文献30

附录31

第一章绪论

1.1矿井无线数据采集的意义

在矿井环境监测中通常需要对矿井矿尘、瓦斯，一氧化碳、温度、湿度、氧气、硫化氢和二氧化碳等参数进行检测。

现有的监控检测系统需要在矿井内设通信线路,传递监测信息。

国内大部分煤矿属于瓦斯矿井,且绝大多数需井下开采,使得瓦斯爆炸成为煤矿重大事故之一,给煤矿企业带来灾难性的破坏和人员伤亡。

矿井安全已成为影响矿业生产，保持矿井持续，健康发展的重大问题。

因此,做好煤矿瓦斯爆炸事故的预警防范工作,可以降低矿难的发生。

当前对瓦斯的检测存在许多问题,例如检测元件的性能较差,如果检测元件损坏而,就会导致检测失效,可能造成重大的事故。

此外探测系统容易受到煤矿井下不良环境因素的影响,导致传感器的工作性能不稳定。

因此在本次系统的设计中,对这些问题进行了深入的研究并想出解决办法。

在这次系统硬件设计中全面考虑了单片机的处理技术,极大地提高了传感器的精确度和系统工作的稳定性。

为防止煤矿灾害发生，实时监测矿井温度条件对工人健康和劳动生产率有着直接的影响。

矿井温度检测主要用于检测现行采区和采空区中的煤炭自燃过程的发展情况，以及检测棚顶和准备巷道支护空间中的温度。

矿井瓦斯和温度监测的新方案,系统可以实现对瓦斯和温度进行监测，采用mcs-51单片机实现数据的采集、处理、存储、显示和上位机实时通信.系统由数据监测模块、单片机通信模块、PC与单片机通信模块组成.系统测量精确,简单实用维护方便,满足矿井瓦斯和温度监测的实际要求。

本课题将数据采集与无线传输相结合，发挥无线传输的优势，并且解决硬件、软件及通信协议优化等问题。

大四的我工作已经签约到了国有煤矿，通过此次的毕业设计，可以使我了解科学研究的过程，掌握如何收集、整理和利用材料；如何利用图书馆和网络数据库，检索文献资料；如何操作仪器和运用绘图软件等方法。

同时也是学习如何进行科学研究的一个极好的机会。

而且直接参与和亲身体验了科学研究工作的全过程及其各环节，是一次系统的、全面的实践机会。

1.2无线通信技术的发展现状

随着网络和通信技术的迅速发展，无处不在的网络终端、以人为本、个性化、智能化的移动计算以及方便快捷的无线接入、无线互联等新概念和新的产品，已经逐渐融入人们的日常生活和工作领域。

无线射频收发一体型芯片技术是最近几年来来发展起来的一种新型无线通讯技术。

最近几年来短距离无线数据传输，一直是国内外电子通讯领域发展的重点；在军用领域中、民用通讯领域以及家电领域中得到了广泛的应用。

传统的无线射频收发装置结构比较复杂，也不容易调试，其安全性以及可靠性都不是很优良，不能满足对环境和安全性要求比较高的场合，因此国外各大公司纷纷推出了无线射频收发集中一体型芯片。

1.3本系统设计内容

本次设计的目的是设计一个体积小、功耗低、数据传输稳定可靠且对煤矿数据传输速率要求不高的温度数据和瓦斯浓度数据无线采集电路，可用于煤矿井下的无法布线环境下的进行数据无线采集。

为达到这个目标，需要对硬件整个系统进行整体的规划。

本章针对系统的需求和特点，对主要元件进行选择，在设计电路总体结构的基础上，主要介绍了数据采集电路、无线射频收发电路、数据显示电路，并且给出了无线数据采集系统各个部分的电路原理图。

1.4本章小结

本章阐述了矿井数据采集和射频无线传输的概况，分析了短距离无线数据采集的国内外现状，指出了本文的研究目的、研究内容和范围、研究方法及研究意义，阐述了本文的设计方案和预期结果。

第二章系统硬件设计方案的论证

2.1系统设计功能要求及结构组成

本论文提出的矿井数据采集与无线传输系统，由数据发送端和接收端两部分组成，两端通过无线方式通信。

数据发送端由温度传感器、微处理器和无线发送模块组成，微处理器将传感器采集到的数据送给无线收发模块打包发出。

数据接收端接收到采集端的数据后，按相应的通信协议取出有效数据，发送给微处理器，微处理器程序对数据进行分析和处理。

根据煤矿井下采集电路的功能和应用范围，本文设计的无线数据采集系统需要具有如下特点：

1.由采集模块和接收模块组成，采集模块主要功能是数据采集，将采集到的数据处理，本地实时显示，同时也要将处理过的数据发送给接收模块，接收模块将接收的数据送上位机显示和数据记录。

2.本系统针对的是数据采集的频率适中，传输速度和距离适中的情况。

3．模块需要具有体积小，成本低，开发周期短的特点。

4．为了后续研究和系统更新，模块必须具有可更新的能力，并且使用方式灵活多样。

本文的系统由数据采集端，无线通信接收端两大部分组成，数据发送端负责数据的采集，处理，显示和发送，数据接收端负责数据的接收，显示并且上传到上位机。

本设计的核心控制芯片采用AT89C51单片机，控制DSl8B20和MQ2传感器温度数据采集，控制nRF905无线收发芯片发送数据，另一片nRF905接收数据给接收端单片机，单片机通过RS232串口把数据送到上位机（PC机），在PC机上实时显示数据并记录数据，实现温度和瓦斯气体连续显示。

以上分析综合，总体方案框图如图2-1所示。

图2-1总体方案框图

2.2主要芯片的选择

微处理器、无线射频芯片和温度传感器瓦斯、传感器是本系统最关键的三个部件，从上面的分析可以看出，本系统所选用的元器件需要满足低功耗、低价格、开发简单、操作简单的特点。

2.2.1微处理器芯片的选择

作为整个系统的核心部件，微处理器的选择对整个系统的性能起着至关重要的作用。

面向工业控制领域的单片处理器，目前广泛应用的单片处理器有51系列的8位单片机，面向大数字信号处理领域的DSP（数字信号处理器），增强型的16位单片机机，以及32位的ARM芯片。

DSP器件在工控领域的应用，有着强大的功能和优越的性能。

它的速度快，运算能力强，，主要用于高端领域，DSP器件功能设计主要应用于有大量数字信息处理的系统，不适合应用在在数据处理量少的小型系统。

而目前其价格特别的高，开发技术对我个人来说难度也特别大。

ARM芯片具有功耗低、体积小、功能广泛和高性能的特点，ARM芯片还可以运行操作系统，不过ARM芯片也同样不适合应用在简单的小型控制系统，并且本人对ARM也不熟，没有系统的学习过ARM。

AT89C51是美国ATMEL公司生产的高性能8位单片机，器件采用ATMEL公司的高密度，存储具有非易失性，可以兼容MCS-51指令系统，器件片内置有通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C51具有强大的控制功能，广泛应用于各种控制领域。

AT89C51具有以下标准功能：

4K字节的Flash（只读程序存储器），128个字节内部RAM（随机存取数据存储器），32个I/O口外部引脚线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个串行口。

空闲模式下CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口及中断系统继续工作。

掉电模式下，RAM内容被保存，不会丢失。

但是振荡器停止工作并且其它所有部件被禁止工作，直到下一个硬件复位为止。

AT89C51引脚图如图2-2所示。

图2.-2AT89C51外部引脚图

P0口为一个8位双向I/O口，作为输出口时每位能驱动8个TTL门电路。

P0口内部没有上拉电阻，使用时需要外接上拉电阻。

P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，每位可以驱动4个TTL逻辑门电路。

如果作为输入口，首先要对P1口写''1''。

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，同P1口如果作为输入口，首先要对P1口写''1''。

P3口除了可以作为一般I/O口线外，它的第二功能更重要，如表2-1所示。

表2-1P3口各位的第二功能

P口

P3口的第二功能

P3.0

RXD（串行口输入端）

P3.1

TXD（串行口输出端）

P3.2

INT0（外部中断0）

P3.3

INT1（外部中断1）

P3.4

TO（定时/计数器0）

P3.5

T1（定时/计数器1计数脉冲输入端）

P3.6

WR（片外数据存储器写选通信号输出端）

P3.7

RD（片外数据存储器读选通信号输出端）

RST:

单片机复位引脚。

PSEN:

片外程序存储器读选通信号，有效电平为低电平。

ALE/PROG:

地址锁存允许信号引脚。

EA/VPP:

片外程序存储器选用端。

2.2.2无线射频芯片的选择

无线射频芯片是整个无线通信单元的核心部件，成功选择芯片可以提高整个无线数据采集电路的性能和缩短开发周期。

基于本此设计模块的实际需求，应该选用低成本、体积小、低功耗、高集成度、有较强的兼容性、抗干扰能力强、方便开发的无线射频收发一体、对于发射具体没有很高要求的芯片。

nRF905是NordicVLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压为3.3～3.6V，工作于433/868/915MHz三个频道。

NRF905由频率合成器、接收解调器、晶体振荡器、功率放大器和调制器组成，自动处理字头和进行CRC（循环冗余码校验），可以使用SPI接口与单片机通信，外围电路特别简单，可方便与单片机连接，配置也非常方便。

nRF905适用于无线无线报警、无线数据监测、无线开锁和玩具等诸多领域。

nRF905有两种工作模式和两种节能模式。

两种工作模式分别是接收模式和发送模式，两种节能模式分别是空闲模式和关机模式。

基于矿井无线传输适用于400MHZ的频率，因此nRF905能满足本次设计的功能要求，因此本次设计选用nRF905芯片作为无线收发设备。

nRF905的详细发送数据流程和接收数据流程如下：

（1）NRF905发送数据流程分以下几步：

A.当单片机有数据要发送时，通过SPI接口，按时序把接收机的地址和要发送的数据送传给NRF905；B.芯片置高TRX_CE和TX_EN，激发nRF905为发送模式；C.射频寄存器自动开启；打包数据（自动加字头和CRC校验码）；发送数据包；当数据发送完成，数据准备好引脚（DR）被置高；D.AUTO_RETRAN被置高，NRF905不断重复发送数据，直到TRX_CE被置低；E.当TRX_CE被置低，NRF905发送过程完成，自动进入空闲模式。

发送工作模式保证，一旦发送数据的过程开始，无论TRX_CN和TX_EN引脚是高还是低，发送过程都会成功完成。

只有在前一个数据包被发送完毕后，nRF905才能接受下一个发送数据包。

（2）NRF905接收数据流程分以下几步：

A.当TRX_CE为高且TX_EN为低时，nRF905进入接收模式；B.650us后，nRF905不断进行监测，等待接收数据；C.当nRF905检测到同一频率的载波信号时，载波检测引脚被置高；D.当接收到一个相同的地址时，地址匹配引脚被置高；E.当一个正确的数据包接收完毕，nRF905会自动移去字头和CRC校验位，然后把数据准备好引脚（DR）置高；F.微控制器把TRX_CE置低，nRF905进入空闲模式；G.微控制器通过SPI口，以一定的速率把数据移到单片机内；H.当所有的数据接收完毕，nRF905把数据准备好引脚和地址匹配引脚置低；I.nRF905此时可以进入接收模式、发送模式或关机模式。

2.2.3温度传感器的选择

数字温度传感器是微电子技术、计算机技术的结晶。

目前，市场上有多种数字温度传感器系列产品。

要在众多的产品中选择出合适的器件需要把握以下几点：

外围电路比较简单，测温的精度、分辨率要合适，占用单片机的I/O引脚数应该较少，因为单片机的系统资源特别宝贵，要节约使用I/O口；与单片机的通信协议要简单，温度测量的软件开发难度尽量小。

DSl8B20是美国Dallas半导体公司开发的新一代数字式温度传感器，它具有强大的单总线接口方式，允许在一条信号线上接多个数字式传感器，克服了模拟式传感器与微机接口时需要的A/D转换器的缺点，而且可以通过总线供电，由它组成的温度监测系统十分方便，而且DS18B20的成本低、体积小、可靠性高。

由于DSl8B20独特的单总线接口方式，占用单片机的I/0引脚数量少，和单片机的通信协议比较简单，成本较低，传输距离远，因此选用DSl8820做为温度测量的传感器。

（1）DS18B20引脚功能说明：

DS18B20具有3引脚小体积封装形式，工作电源支持3V～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生。

其引脚图封装如图2-3所示。

图2-3温度传感器DS18B20引脚图

GND:

接地。

DQ:

数据输入/输出引脚。

VDD:

外接供电电源输入端。

当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。

（2）DS18B20内部结构：

DS18B20内部结构主要由四部分组成：

64位ROM、温度传感器、非易失性温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

A.64位激光ROM。

B.温度灵敏元件。

用于采集温度并转换成电信号。

C.非易失性温度报警触发器TH和TL。

可通过软件写入报警上下限值。

（3）DS18B20的主要特性：

A.适应电压范围：

3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。

B.单线接口方式，DS18B20在与单片机连接时仅需要一条口线即可。

C.可以多点组网工作，多个DS18B20可以并联在唯一的数据线上。

D.全部传感元件及转换电路集成在形如三极管的集成电路内。

E.测温范围－55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃。

F.可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。

G.在12位分辨率时最多在750us内把温度值转换为数字，速度非常快。

H.测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给单片机。

2.2.4瓦斯传感器的选择

可燃气体传感器有多种但每种传感器对不同气体的敏感程度不同，具体的传感器有其针对性检测的气体，比如MQ—7对一氧化碳有较强的敏感性，主要用于监测一氧化碳气体。

MQ—2对瓦斯烷类气体有较好的敏感性，适用于监测矿井瓦斯的浓度，因此，本次设计选用MQ—2气体传感器。

（1）MQ—2可燃气体传感器特点：

在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度、长寿命、低成本、简单的驱动电路即可。

MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的SnO2。

当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。

使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。

MQ-2气体传感器对液化气、丙烷的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。

这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。

（2）灵敏度特性：

图2-4是传感器典型的灵敏度特性曲线,图中纵坐标为传感器的电阻比（Rs/Ro），横坐标为气体浓度，Rs表示传感器在不同浓度气体中的电阻值。

Ro表示传感器在1000ppm氢气中的电阻值。

图2-4MQ-2灵敏度特性

图2-5是传感器的基本测试电路。

该传感器需要施加2个电压：

加热器电压（VH）和测试电压（VC）。

其中VH用于为传感器提供工作温度。

VC则是用于测定与传感器串联的负载电阻（R）上的电压（VR）。

这种传感器具有轻微的极性，VC需用直流电源。

VC和VH可以共用同一个电源电路，本次设计使用系统供电VC=VH=+5V。

为更好利用传感器的性能，选择R的值为10K。

图2-5MQ-2基本测试图

2.2.5模数转换芯片的选择

模数转换芯片有多种，常见的有ADC0808,ADC0809,AD0804,TLC2543。

在大三学期，老师在讲单片机课程中，着重讲解了ADC0809芯片，因此我对此芯片的功能及应用比较熟悉，对于本次设计，对瓦斯气体采样进行A/D转换，ADC0809芯片足以满足设计要求，因此我选择了ADC0809芯片。

（1）ADC0809内部结构：

ADC0809是逐次逼近式A/D转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D/A转换器、逐次逼近。

ADC0809可处理8路模拟量输入，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。

输入输出与TTL兼容。

（2）ADC0809外部特性：

ADC0809芯片有28条引脚，如图2-6所示，采用双列直插式封装，其引脚简介如下：

IN0～IN7：

8路模拟量输入端；ADDA、ADDB、ADDC：

3位地址输入线。

用于选通8路模拟输入中的一路；ALE：

地址锁存允许信号，输入，有效电平为高电平；START：

A/D转换启动信号。

输入，有效电平为高电平；EOC：

A/D转换结束信号。

输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）；OE：

数据输出允许信号。

输入，有效电平为高电平。

当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，输出数字量；CLK：

时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHZ，一般选择时钟频率为500KHZ；REF（+）、REF（-）——为基准参考电压；VCC：

电源＋5V；GND：

地。

图2-6ADC0809外部引脚图

ADC0809的工作过程是：

首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。

此地址经译码选通8路模拟输入通道之一到比较器。

START上升沿将逐次逼近寄存器复位。

下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。

直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作查询信号。

当OE输入高电平时，转换结果的数字量输出到数据总线上。

2.3本章小结

本章主要阐述了主要芯片的选择，主要芯片的工作原理，以及芯片的结构。

选择正确的适合的主要芯片能够提高系统的整体性能，并且为系统的硬件电路设计能起到事半功倍的效果。

本系统所选用的元器件需要满足低功耗、低价格、开发简单、操作简单的特点。

第三章无线数据采集系统的硬件电路设计

3.1系统的供电电源和单片机最小系统

3.3.1系统供电电源

单片机系统工作电压为+5V,nRF905工作电压