【正文】 過程中，協(xié)調(diào)器要完成網(wǎng)絡節(jié)點信息的更新等工作。系統(tǒng)的正常工作需要電壓穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，所以初始化完成后，立即對電源能量進行檢測，如果電源能量不足，則發(fā)出低壓警報。 設計思路、流程圖 根據(jù)礦井安全監(jiān)測及定位系統(tǒng)中節(jié)點的不同功能，可以分為網(wǎng) 關(guān)節(jié)點、環(huán) 境監(jiān)測節(jié)點。 %，該芯片還具有熱保護和電流限制功能。由于 CC2430 工作電壓的范圍是~，最大工作電流時 27mA； MCJ4/ 工作電壓為 177。由無線傳感器網(wǎng)絡的特點可知，供電模塊是上述 幾 種模塊中更換最為頻繁的模塊，可供選擇 的范圍比較廣泛，如普通干電池、蓄電池或穩(wěn)壓電源等，可滿足不同的應用要求。無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的應用電路框圖見圖 311(a)和圖311(b)。運行一個 RFD 僅需要 4KB 左右的系統(tǒng)資源。運行一個 FFD 需要約 30KB 系統(tǒng)資源。 ZigBee 技 術(shù)中有兩種類型的物理設備 ： 全功能設備 (FullFuionalDeviee，F(xiàn)FD)和精簡功能設備 (RedueedFuionDeviee， RFD)。應用層主要為 ZigBee 技術(shù)的實際應用提供一些應用框架模型等，以便對 ZigBee技術(shù)進行開發(fā)和應用。 MAC 層也提供了 兩種類型的服務，即 MAC 層管理服務和數(shù)據(jù)服務。915MHz 是美國的 ISM 頻段，共有 10 個信道，傳輸速率為 40kb/s。 ， 4 定義了兩個物理層標準，分別是 物理層 和 868/915MHz物理層。物理層提供了兩種類型的服務 :即通過物理層管理實體接口 (PLME)對物理層數(shù)據(jù)和物理層管理提供服務。 本次設計的無線收發(fā)模塊電路包括 CC2430 芯片及其相關(guān)外圍電路，該芯片只需要配合少數(shù)的外圍元器件就能實現(xiàn)信號的收發(fā)功能．為了實現(xiàn) 節(jié)點模塊與計算機的通信，設計了 RS232 電平轉(zhuǎn)換電路，這里采用了電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX232 15 來實現(xiàn)串口連接．同時，選用了 AH805 升壓穩(wěn)壓器，這樣就可以將于電池提供的 3V 電壓變壓至 5V，滿足 MAX232 電路的供電．而 3V 電壓為 CC2430 模塊和JTAG 模塊提供穩(wěn)定電壓．此外，這里還設計了一個復位電路，通過復位開關(guān)可以進行手動復位，復位電路與 CC2430 的引腳 10 連接，且低電平有效 。適合于井下工作。當該電路檢測到空氣中有可燃氣體的時候，檢測元件 D 上就會有無氧燃燒，產(chǎn)生的熱量改變檢測元件的電阻，使得電橋的輸出電壓與可燃氣體的濃度成正比。 表 31 MJC4/ 技術(shù)參數(shù) 工作電壓（ V） 177。 單 片 機存 儲 器數(shù) 據(jù) 顯 示紅 外 遙 控信 號 輸 出電 壓 比 較 器瓦 斯 檢 測 電 路脈 寬 控 制 電 路鋸 齒 波 發(fā) 生 器信 號 適 配 通 道穩(wěn) 幅 電 路聲 光 報 警圖 36 原理框圖 瓦斯傳感器采用的是中船重工第七一八研究所研制的 MJC4/ 載體催化元件。 瓦斯傳感器 設計 瓦斯傳感器的原理： 瓦斯傳感器是為了在地下采礦區(qū)檢測瓦斯氣體的濃度而設計的，其主要工作原理是利用介于電橋橋臂之間的熱催化元件 (黑白元件 )在瓦斯氣體的作用下發(fā)生無煙燃燒，引起元件溫度升高，阻值增大，使原來平衡的電橋失衡，導致橋路輸出電壓變化，該電壓與瓦斯氣體濃度成正比，通過測量此電壓可以達到測量瓦斯氣體濃度的目的。在 RS232C標準中，收發(fā)信號中的“ 0”為＋ 3V～＋ 15V，“ 1”為－ 3V～－ 15V，但單片機采用的是正邏輯的 TTL 電平，所以需要通過 專用芯片 MAX232C 實現(xiàn) EIA 電平與 TTL 電平轉(zhuǎn)換。所謂最小系統(tǒng)，是指一個真正可用的單片機最小配置系統(tǒng)，對于片內(nèi)帶有程序存儲器的單片機，只要在芯片外接時鐘電路和復位電路就是一個小系統(tǒng)了。 本系統(tǒng)由瓦斯信號采集與 A/D 轉(zhuǎn)換、無線傳輸、控制執(zhí)行單元、蜂鳴器五部分組成，功能模塊具體實現(xiàn)所用的器件的不同，將直接影響整個系統(tǒng)的性能及成本，為了達到高效、實用的目的，在系統(tǒng)設計之前的方案論證是十分重要的，該 系統(tǒng) 可以有效的監(jiān)測井下低濃 度 及高濃 度 瓦斯，試用范圍非常廣泛。 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn) 系統(tǒng)總體設計 本部分詳細介紹了基于 AT89C52 單片機的 礦山瓦斯無線傳感網(wǎng)絡控制系 統(tǒng)的硬件設計。因此，需要選擇一種具備上述特點的網(wǎng)絡協(xié)議，以保障煤礦瓦斯無線監(jiān)測系統(tǒng)的正常監(jiān)測工作。節(jié)點的功能越強，相應的功耗也就越大。 2 %VOL 工作電壓 ~ V 工作電流 100 mA 工作范圍 20～ +60 ℃ 貯存溫度 40～ +85 ℃ 濕度范圍 95 %RH 壓力范圍 90～ 110 KPa 預期使用壽命 5 年 ZigBee 協(xié)議 及串行通信 構(gòu)建煤礦瓦斯監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡可有多種形式，如分簇式鏈狀煤礦瓦斯監(jiān)測無線傳感器網(wǎng) 絡結(jié)構(gòu)，即層次型結(jié)構(gòu)。 表 22 CTZ2GJ4 主要技術(shù)參數(shù) 測量范圍 04%CH4 基本誤差 04% ≤%CH4 輸出信號 2001000Hz， 頻率 15mA 報警點設置 %CH4 可任意設置 報警強度 大于 85db 斷電輸出 05mA 電流脈沖 工作電壓 本安 DC918V 工作電流 ＜ 50mA 方案二： MH740A 傳感器是一個通用型、小型傳感器，利用非色散 紅外（ NDIR）原理對空氣中存在的 CH4 進行探測，具有很好的選擇性，無氧氣依賴性，性能穩(wěn)定、壽命長。在 8 位單片機中又以 MCS－ 51 系列單片機及其兼容機所占的份額最大。 STC89C52微處理器引腳結(jié)構(gòu)圖如圖 ： 圖 21 STC89C52 引腳圖 STC89C52具有以下標準功能： 8K字節(jié) Flash， 256字節(jié) RAM， 32個 I/O口，看門狗定時器， 2個數(shù)據(jù)指針，三個 16位定時器 /計數(shù)器，一個 6向量 2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。 第 2 章 相關(guān)基礎(chǔ)知識 STC89C52 單片機 STC89C52是一種低功耗、高性能 CMOS 8位微控制器，具有 8k可編程 Flash存儲器。 （四）、 8051 單片機的基本應用。 （二）、 瓦斯傳感器模塊的設計和使用。 本課題主要研究內(nèi)容 本課題 是 礦山瓦斯無線傳感網(wǎng)絡控制系統(tǒng) 設計 ， 其 利用單片機作為系統(tǒng)的主要 控制器， 通過 瓦斯 傳感器檢測 礦山 環(huán)境 中瓦斯信號， 再 經(jīng) A/D 轉(zhuǎn) 換后， 將數(shù)字信號， 送入 到 單片機中進行 數(shù)據(jù) 處理，經(jīng)過一定的 控制 算法后， 通過 單片機的輸出 I/O 口 ，經(jīng)過 Zigbee 無線模塊將信號從礦山下接收，再發(fā)送到地面上的單片機中，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，按照 預先設定 的瓦斯?jié)舛韧ㄟ^蜂鳴器產(chǎn)生報警，從而完成整個系統(tǒng)的功能。這些傳感器的測量值通過分布的無線傳感器網(wǎng)絡聚集，并需要傳送到基站以供進一步的分析和保存。 很多國家的政府機構(gòu)都非常重視這 方面 的研究， 該領(lǐng)域是無線傳感器網(wǎng)絡產(chǎn)生的主要推動力量 。 近年來由于煤礦事 故 的安全問題引起了政府的高度重視 ， 我國的技術(shù)人員結(jié)合我國煤礦復雜的特殊情況相結(jié)合，先后研制出一系列監(jiān)控 方法。 該系統(tǒng) 通過傳感器采集數(shù)據(jù)，再通過 ZigBee 無線技術(shù)可以將 數(shù)據(jù)返回到地面進行處理 ，為各種現(xiàn)場傳感器提供無線透明傳輸通道，直接或者間接將礦井內(nèi)各種安全指標信息傳送至 ZigBee 協(xié)調(diào)器 ,再由 ZigBee 協(xié)調(diào)器經(jīng) AT89C52 單片機進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，當超出設定的濃度，通過蜂鳴器報警， 以保證 礦井 生產(chǎn) 的安全與管理。當事故發(fā)生時，營救人員也 可 以根據(jù)本系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)和圖形，迅速了解有關(guān)人員的位置情況，及時采取應的營救措施，提高救援工作的效率。 參考文獻 ............................................................................................................. 31 附錄 ..................................................................................................................... 32 附錄 A：瓦斯無線傳感網(wǎng)絡控制系統(tǒng)硬件設計電路圖 .............................. 32 附錄 B：瓦斯無線傳感網(wǎng)絡控制系統(tǒng)源程序 .............................................. 33 1 第 1 章 緒論 研究背景與意義 目前我國的煤炭產(chǎn)量居世界第一位，我國 95%的煤礦開采是地下開采作業(yè)，而地下開采的危險性較之露天開采要 大的多。 關(guān)鍵詞：瓦斯傳感器；無線傳感網(wǎng)； AT89C52； Zigbee。 本文闡述了無線傳感器網(wǎng)絡的關(guān)鍵技術(shù)，重點介紹了一種對煤礦井下瓦 斯氣體濃度監(jiān)測的全新的無線傳感器網(wǎng)絡的 設計及節(jié)點的硬件和軟件設計及實現(xiàn)。對重點技術(shù)的實現(xiàn)原理進行詳述；然后對系統(tǒng)設計的詳細描述；最后進行系統(tǒng)測試并分析測試結(jié)果，進而對本課題的工作進行總結(jié)，對系統(tǒng)的進一步完善提出設想。此外，本文實現(xiàn)了基 ， 本設計 能 實現(xiàn)了煤礦井下瓦斯氣體濃度的采集和傳輸，完成了無線傳感器網(wǎng)絡在安 全 生產(chǎn)中的應用，達到了煤礦安全監(jiān)測的目標。 Brushless DC Motor III 目 錄 第 1 章 緒論 ..................................................................................................... 1 研究背景與意義 ........................................................................................ 1 發(fā)展歷史與研究現(xiàn)狀 ................................................................................ 1 本課題主要研究內(nèi)容 ................................................................................ 3 第 2 章 相關(guān)基礎(chǔ)知識 ......................................................................................... 4 STC89C52 單片機 ....................................................................................... 4 瓦斯采集與傳感器 .................................................................................... 5 ZIGBEE協(xié)議及串行通信 ............................................................................. 6 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn) ....................................................................... 8 系統(tǒng)總體設計 ............................................................................................ 8 各單元功能介紹 ........................................................................................ 9 瓦斯傳感器設計 ...................................................................................... 11 無線傳輸模塊的設計 .............................................................................. 13 能量供應模塊和報警模塊 ...................................................................... 17 第 4 章 系統(tǒng)軟件程序的設計 .................