基于AVR單片機的煤礦傳感器設(shè)計
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由于近年來煤礦瓦斯事故頻發(fā)，并且動則死傷礦工十余人甚至上百人。鑒于此，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局在《煤礦安全規(guī)程》中明確規(guī)定，“所有礦井必須安裝礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)?！睘榱藵M足市場需要，煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)和生產(chǎn)呈越來越旺的趨勢。其中，煤礦用傳感器是直接面對礦井具體工作環(huán)境的最直接設(shè)備。傳感器的工作性能、可靠性、可調(diào)節(jié)性與可升級性直接影響煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的正常運行。
迄今為止，我國的礦井瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)仍處于開發(fā)階段，雖然很多產(chǎn)品已投放市場并正式運行，但大部分產(chǎn)品并沒有最后定型。因此，對煤礦傳感器的研究與開發(fā)更有利于其發(fā)展，并推動煤礦用其他檢測控制裝置的研究，使礦用產(chǎn)品越來越成熟。
2 現(xiàn)有傳感器的設(shè)計
綜觀現(xiàn)有傳感器，基本上都以單片機為核心，并輔以敏感元件作為檢測裝置，A／D轉(zhuǎn)換電路將檢測到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為單片機可識別的數(shù)字信號并送至單片機中處理，同時配備E2PROM作為數(shù)據(jù)或程序的存儲。本文以煤炭科學(xué)研究總院重慶分院研制開發(fā)的KG9701智能低濃度甲烷傳感器為例進行分析。
KG9701可檢測煤礦井下0～4.00％CH4沼氣濃度，并連續(xù)自動地將井下沼氣濃度轉(zhuǎn)換成標(biāo)準電信號輸送給關(guān)聯(lián)設(shè)備，并具有就地顯示瓦斯?jié)舛戎?，超限聲光報警等功能。性能穩(wěn)定、測量精確、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)堅固、易使用易維護等特點，并具備遙控調(diào)校、斷電控制、故障自校自檢等新功能。
KG9701于2000年研制成功并投放市場，目前已廣泛應(yīng)用于全國大、中、小型煤礦，在國內(nèi)市場占有率超過60％。該傳感器設(shè)計壽命為3年，目前已進入更新?lián)Q代時間。
本電路主要由以下幾個主要部份組成：
(1)單片機電路
整機電路以89C51作為核心，E2PROM采用AT24C02，可存儲256 B數(shù)據(jù)，防止傳感器掉電后檢測數(shù)據(jù)丟失?？撮T狗電路由MAX813組成，防止單片機程序跑飛，并在程序跑飛后重啟單片機以使單片機正常運行。
(2)電源電路
傳感器接受分站送入的8～24 V直流電壓，由MC34063構(gòu)成的開關(guān)電源及LM358構(gòu)成的二次穩(wěn)壓電路構(gòu)成的本安電源轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需要的電壓，為整機供電。正負電源轉(zhuǎn)換由ICL7660構(gòu)成并輸出-5 V電壓供A／D轉(zhuǎn)換電路使用。
(3)采樣電路
采樣電路由A／D轉(zhuǎn)換與敏感元件2部份構(gòu)成。敏感元件感應(yīng)井下沼氣濃度，并送至A／D轉(zhuǎn)換電路。A／D轉(zhuǎn)換電路由ICL7109組成，以12 b精度進行采樣，并將結(jié)果轉(zhuǎn)換成8位數(shù)字信號，送至89C51處理，同時將數(shù)據(jù)存入E2PROM中保存。
(4)報警及顯示
在井下沼氣濃度超限時，由CD4011驅(qū)動喇叭及發(fā)光二極管報警。74HC373驅(qū)動4位數(shù)碼管顯示沼氣濃度，在調(diào)試傳感器時顯示各調(diào)試值。
(5)紅外接收電路
紅外接收電路接收遙控器傳來的遙控信號，以完成傳感器的調(diào)整與設(shè)置。
3 89系列單片機與AVR單片機的對比
KG9701采用傳統(tǒng)的89C51單片機。由于推出時間長、設(shè)計資料豐富、應(yīng)用面廣，掌握該芯片使用的技術(shù)人員多。但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新型單片機與其相比而言有更多優(yōu)勢。現(xiàn)就2種單片機做一對比。
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