【正文】 緊密結合，制作出的小巧型紅外氣體傳感器。另外， STC89C52可降至 0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持 兩 種軟件可選擇節(jié)電模式。 主要運用單片機各接口的連接，將單片機芯片作為橋梁把礦井下的瓦斯氣體濃度采集與地面上的監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)系起來，將各個元件 組成一個系統(tǒng)。 設計 的主要工作是 運用 AT89C52 單片機 作 為主控制 單元及數(shù)據(jù)處理單元 ，控制 瓦斯 傳感器檢測 環(huán)境瓦斯信號及 A/D 轉換，數(shù)據(jù)處理， 發(fā)出控制信號 對 蜂鳴器 進行 控制 ，達到自動 報警 的目的。軍事領域方面 ： UC Berkeley 的 Smart Mote 的應用背景就是戰(zhàn)場偵察系統(tǒng)，在未來無線傳感器網(wǎng)絡將會成 為進的高科技技術，為未來的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭設計一個集命令、控制、通信、計算、智能、監(jiān)視、偵察和定位于一體的戰(zhàn)場指揮系統(tǒng) ； C4ISRT 系統(tǒng)是利用先 如美國的 DARPA(美國國防部高級研究計劃局 )和 NSF(National Science Foundation)投入了資金支持高校和科研機構研究無線傳感器網(wǎng)絡 。這樣不僅大大節(jié)省井下的各種電纜鋪設，降低硬件投入成本，而且可以 有效的避免礦難的發(fā)生。面對現(xiàn)階段煤礦安全生產(chǎn)的嚴峻形勢，用高新技術和先進實用技術改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，增加科技含量，促進產(chǎn)品更新?lián)Q代，提高產(chǎn)品質量和經(jīng)濟效益，是走新型煤炭工業(yè)化道路的必然選擇。硬件設計主要包括瓦斯傳感器、無線傳輸模 塊的設計和能量供應模塊的 設計 ： 其中 詳細說明了一種帶有現(xiàn)場報警功能的新型 瓦斯 傳感器的設計過程，它能夠實 現(xiàn)對礦井瓦斯?jié)舛鹊牟杉蛨缶刂?，以及信號濾波、零點漂移的抑制 。軟件設計包括瓦斯 氣 體濃度的采集，節(jié)點間的通信等。 為了有效地監(jiān)控和管理煤礦的安全狀態(tài)，采取科學、系統(tǒng)、完整的措施改變我國煤礦安全現(xiàn)狀及落后面貌，加強礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控技術及其方法的研究，是目前煤炭工業(yè)需要解決的迫切問題，建立信息智能化煤礦管理體系勢在必行。 發(fā)展歷史與研究現(xiàn)狀 國外研制礦井監(jiān)控系統(tǒng)起步較早，大約開始于 20 世紀 60 年代。 uAMPS 是 MIT 的關于無線傳感器網(wǎng)絡的一個研究，低功耗的無線傳感器系統(tǒng)取得了在商業(yè)和軍事領域非常重要的應用，從安全設備、醫(yī)療監(jiān)控到機器診斷和生化檢測，傳感器網(wǎng)絡極大地改進了對環(huán)境的監(jiān)控。 本系統(tǒng)設計主要包括以下幾個方面的工作： （一）、總體框圖設計 。 （五） 、實現(xiàn)實時報警監(jiān)控 邏輯控制器的中處理單元 。其 P3口各引腳的第二功能如表 : 5 表 21 P3 口各引腳的第二功能定義 接口線 引腳 第二功能 10 RXD (串行輸入口 ) 11 TXD (串行輸出口 ) 12 INT0 (外部中斷 0) 13 INT1 (外部中斷 1) 14 T0 (定時器 0外部輸入 ) 15 T1 (定時器 1外部輸入 ) 16 WR (外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖 ) 17 RD (外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖 ) 在多數(shù)電子設計當中，基于性價比的考慮， 8 位單片機仍是首選。可廣泛應用于火災探測，爆炸性氣體檢測等。 7 圖 22 網(wǎng)格型無線傳感網(wǎng)絡結構 對于應用于環(huán)境檢測、工業(yè)控制等領域 的無線傳感器網(wǎng)絡來說，系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小，傳輸速率低，通信終端設備通常為電池供電，因此要求傳輸設一備必須具有成本低、功耗小的特點。 本系統(tǒng)中以 瓦斯 傳感器作為 瓦斯 信號 的 采集與轉換單元； AT89C52 單片機作為數(shù)據(jù)處理和控制單元；蜂鳴器作為 超瓦斯?jié)舛葓缶瘑卧? 圖 34 傳感器 節(jié) 點硬件結構示意圖 串口通信：串口通信的主要功能是完成單片機與 傳感器以及與蜂鳴器之間 的通信，便于進行 瓦斯超標報警系統(tǒng)設 計 ， 為將來系統(tǒng)功能的擴展做好基礎工作。該傳感器可以有效的監(jiān)測井下低濃及高濃瓦斯，試用范圍非常廣泛。 10 靈敏度（ mV） 1%甲烷 20~40 1%丁烷 30~50 1%氫氣 25~45 線形度（ %） ≤ 5 測量范圍（ %LEL） 0~100 響應時間（ 90%） 小于 10 秒 恢復時間（ 90%） 小于 30 秒 使用環(huán)境 40~+70℃低于 95%RH 儲存環(huán)境 20~+70 ℃低于95%RH 外形尺寸（ mm） MJC4/: 14 19 MJC4/ 載體催化元件是由一個檢測元件（黑元件）與一個補償元件（白元件） 組成。 ZigBee 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的硬件設計框圖如圖 39 所示．為了實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的硬件基礎架構，將硬件設計分為四部分：無線收發(fā)電路、電源電路、 JTAG 電路和串口轉換電路．在這里，設計了串口轉換電路，可以實現(xiàn) RS232 串口數(shù)據(jù)轉換．因此，可以實現(xiàn)無線模塊與 PC 機之間的串口數(shù)據(jù)通信．無線收發(fā)電路是本次硬件設計的核心，而 JTAG 電路主要實現(xiàn)對 CC2430 的編程和測試． 圖 39 硬件工作原理圖 本次設計的無線通信模塊采用射頻芯片 CL39。物理層的特征是啟動和關閉無線收發(fā)器，能量檢測，鏈路質量，信道選擇，清除信道評估 (CCA)，以及通過物理媒體對數(shù)據(jù)包進行發(fā)送和接收。在 頻段總共有 16 個不同的信道為全球統(tǒng)一的無需申請的 ISM 頻段，可提供 250kb/s 的傳輸速率。 圖 310 ZigBee 協(xié)議組成 協(xié)議規(guī)定，每一個 ZigBee 網(wǎng)絡都有一個 16 位網(wǎng)絡 ID，用于標示這個網(wǎng)絡。通過附帶有限的功能來控制 17 成本和復雜性，在網(wǎng)絡中通常用作終端設備?？紤]到不同的模塊對電源有不同的要求，可采用兩種供電模塊分別進行供電的方式。考慮到每個有源器件的工作需要，電源模塊采用的是 LDO 穩(wěn)壓芯片 REG1133，該芯片可以生成 3V電壓。環(huán)境監(jiān)測節(jié)點為全功能設備，構成無線傳感器網(wǎng)絡的主干，具有通信路由的功能，主要負責環(huán)境參數(shù)的檢測。 這里的串口發(fā)送子程序首先是判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢，沒有發(fā)完才繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)時先把數(shù)據(jù)送入串口0 的數(shù)據(jù)收發(fā)緩沖器 (UOI)BUF)， CL2430 模塊的串口通信是只要你不停放數(shù)據(jù)到UODBUF 就行，當然事先要沒置好你所需要的串口，具體的數(shù)據(jù)發(fā)送是由硬件完成，編程的時候不需要考慮這些．因為 CC2430 的內(nèi)核是一個 51 核，所以每次的傳輸都是一個字節(jié)一個字節(jié)的，也就是說每次只能一個字母一個字母的發(fā)送數(shù)據(jù)．在這里，發(fā)送函數(shù)做了個等待中 斷標志的處理，也就是送一個字節(jié)到緩沖器，需要等待中斷的產(chǎn)生，當中斷產(chǎn)生了，說明 UODBUF 里的數(shù)據(jù)已經(jīng)被發(fā)送出去了，這時才可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，同時在繼續(xù)發(fā)送前還得把中斷標志清零．需要指出的是，如果是需要一組數(shù)據(jù)一組數(shù)據(jù)的接收或者傳送的話，就必須不停的調(diào)用函數(shù)，直到把整個數(shù)組中的數(shù)據(jù)都傳送完之后再停止．在這個發(fā)送主程序里，先是調(diào)用發(fā)送函數(shù)發(fā)送了一個字符串，之后清除已發(fā)送數(shù)據(jù)，再發(fā)送一個字符串，之后進行延時處理，再循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)．串口發(fā)送程序的流程圖如圖 43 所示： 圖 43 發(fā)送子程序和發(fā)送主程序的流程圖 雖然 硬件設計是建立信號收發(fā)的基礎，但是數(shù)據(jù)能夠正確收發(fā)必須靠軟件來實現(xiàn)。本程序中設計延時 1OOms，之后設置 TRxCE 為低電平， nRF905 結束數(shù)據(jù)發(fā)送并回到待機模式。首先設置 ADC 控制寄存器 ADCCON3 為0x38，即采用 參考電壓，以 14 位的精度，對 AIN0AIN1 上的差分電壓進行采樣。 CC2430 的 ADC 模塊不僅可以采樣 P0 端口引腳上的輸入電壓，而且可以采樣 AVDD_SOC 引腳上電壓的 1/3，即采樣出的電壓值是電源引腳上電壓值的 1/3。其中由 DATA[0? 9]的均值Average 計算實際電壓的代碼如下： ? Voltage=((Average*15)9)。 接通輸入電源，此時發(fā)光二極管會發(fā)光。 圖 51 瓦斯?jié)舛葯z測裝置框圖 在無線模塊中，抗干擾的是最重要的。 在無線軟件測試時開始了短距離可以檢測到信號，相隔太遠就沒有信號了，經(jīng)過測試與查詢，檢測到電源帶了干擾。本系統(tǒng)所選的催化元件具有功耗小、成本低、靈敏穩(wěn)定、壽命長等優(yōu)點 。 圖 53 瓦斯?jié)舛葯z測模塊試驗結果圖 由圖 53 可以看出， CC2430 采集的差分電壓值 Vd(mV)與甲烷濃度值 (Vol%)存在基本線性的關系，可表示為： Vd=在軟件設計關于無線網(wǎng)絡知識可以加強。整個設計與調(diào)試過程是一個讓人興奮與激動的過程 ，也是一個不斷解決問題、學習提高的過程。//采樣 完成后將狀態(tài)置為“采樣完成” } break。//并將狀態(tài)設為 :“正在讀取” break。HTS_DATA_DIO_MASK)==0) //判斷是否讀取結束 { s Gas concentration E_STATE_READ_ Gas _concentration _COMPLETE。//調(diào)用讀取函數(shù)，將讀取的數(shù)據(jù)存 儲到變量 u16AdeReading /*Input range is 0 to has full scale range of a 1 Bit change represents a voltage of aPProx 586uV*/ =((uini32)((uini32)(u16AdcReading* 586)+((uint32)(u16AdcReading*586)l)))/1000 //將 ul6AdcReading 中的二進制表示為實際電壓值 = E_STATE_READ_BATT_VOLTS_READY。在工作中要學會與人合作的態(tài)度，認真聽取別人的意見，這樣做起事情來就可以事倍功半。這次設計也暴露了我許多的缺點，比如一些具體的基本操作能力不 夠 熟練，相關的知識也不夠全面，動手操作能力 缺乏鍛煉 ，需要不斷的磨練。試驗結果表明，瓦斯?jié)舛炔杉K能夠正常工作。 LXK3 的技術指標如下 : (l)電源 :直流電源 士 ， 90 士 smA。 在無線傳輸時，抗干擾是非常重要的，常用抗干擾措施，是在硬件電路中采用電源濾波、電源穩(wěn)壓、數(shù)字地與模擬地隔離。在設計中，除采用上述方法外，還根據(jù)干擾信號與有效信號波形特征異同點，采用軟件識別干擾信號和有效信號，從而實現(xiàn)“抗干擾”目的。 電源檢測：包括電壓與電流檢測，電源輸入電壓為 220V 交流，輸出直流 36V。 圖 45 電池能量檢測模塊軟件流程圖 25 第 5 章 系統(tǒng)測試 本系統(tǒng)測試主要包括硬件測試與軟件測試。 里。采樣結果保存在寄存器 ADCH和 ADCL 中，其中 ADCH 中保存高 8 位， ADCL 中的高 6 位保存采樣結果的低6 位。在本設計中， CPU 在設定的 55 內(nèi)一直判斷 nRF905 的 DR 引腳是否變?yōu)楦唠娖?，若為高電平，則證明接收到了有效數(shù)據(jù)，可以退出接收模式，若一直沒有接收到有效數(shù)據(jù)，待時間到后也退出接收模式，退出后在待機模式下，CPU 通過 SPI 總 線把 nRF905 內(nèi)部接收數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)讀出，即為接收到的有效數(shù)據(jù)。 (1)初始化配置 首先，對 MJC4/ 的 SPI 接口進行設置， MJC4/ 異步串行接口和 SPI接口用同一個 USART 模塊，這里需要用軟件配置 SPI 的功能，本設計中 SPI 配置為主機模塊 。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。 %，該芯片還具有熱保護和電流限制功能。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。運行一個 RFD 僅需要 4KB 左右的系統(tǒng)資源。 ZigBee 技 術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)。 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。 ， 4 定義了兩個物理層標準，分別是 物理層 和 868/915MHz物理層。 本次設計的無線收發(fā)模塊電路包括 CC2430 芯片及其相關外圍電路，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 電平轉換電路，這里采用了電平轉換芯片 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 。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。 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 3