【文章內(nèi)容簡介】 (3) 開關(guān)量輸出信號 高電平空載時不低于 10V，負(fù)載拉出電流 2mA時不低于 5V；低電平不大于 。 自動斷電 10 分站接入的模擬量輸入信號可以控制分站的開關(guān)量信號輸出； 顯示 (1) 顯示方式 液晶顯示漢字和字符； (2) 顯示模式： ① 、顯示本分站的名稱地址； ② 、依次顯示分站所接傳感器的名稱和當(dāng)前測量值； ③ 、通過按鍵實(shí)現(xiàn)濃度和頻率的切換。 瓦斯閉鎖 實(shí)現(xiàn)對采煤工作面的瓦斯閉鎖功能，設(shè)定甲烷濃度大于 %，分站發(fā)出報警信號，大于 %時，分站控制 其工作面范圍斷電。當(dāng)甲烷濃度持續(xù) 1 分站小于 %后回復(fù)其供電。 井下監(jiān)控分站硬件模塊設(shè)計 我所設(shè)計的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)井下監(jiān)控分站以 STC89C52 單片機(jī)為核心，構(gòu)成微型計算機(jī)系統(tǒng)，本監(jiān)控分站采用一片 STC89C52 單片機(jī)控制。硬件電路包括過主控電路、電源電路、壓頻轉(zhuǎn)換電路、信號輸入輸出電路、地址開關(guān)電路、報警電路和顯示電路等組成。 主控制電路 （ 1）主控芯片的選擇 本設(shè)計采用宏晶科技的 STC89C52 單片機(jī)， STC89C52RC 單片機(jī)是可靠、高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，同時它也有便于擴(kuò)展、控制功能強(qiáng)、實(shí)用性好等特點(diǎn)。其指令代碼完全兼容 8051 芯片，同時可以選擇 12 時鐘 /機(jī)器周期和 6 時鐘 /機(jī)器周期。 擁有高 頻率 的 8 位 CPU 和 可在系統(tǒng)編程 的 Flash 等特點(diǎn)，它使得 STC89C52 單片機(jī)在控制應(yīng)用中變的使用更加靈活、效率更高。 STC89C52 單片機(jī)主要特性如下： ? 工作電壓： ～ （ ～ ： 3V 單片機(jī)）； ? 工作頻率范圍： 0～ 40MHz； ? 用 戶應(yīng)用程序空間為 8K 字節(jié)； ? 片上集成 512 字節(jié) RAM； ? 通用 I/O，共 32 個，當(dāng)它復(fù)位后為： P P P P4 是 準(zhǔn)雙向口 /弱上 拉 ； 11 ? ISP/IAP，無需專用編程器，不需要專 用 仿真器，可通 過 串口（ R XD/, TXD/）直接下載用戶程序； ? 具有 EEPROM 功能； ? 具有 看門狗 功能； ? 共 3 個 16 位定時器 /計數(shù)器。即定時器 T0、 T T2； ? 4 路外部中斷，下降沿中斷或者低電平觸發(fā)電路，其 Power Down 模式可以由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒； ? 通用異步串行口 （ UART），還可用通過定時器軟件實(shí) 現(xiàn)多個 UART； ? 工作溫度范圍： 40～ +85℃ （工業(yè)用） /0～ 75℃ （商業(yè)用）。 （ 2） STC89C52RC 的 工作模式 ? 掉電模式：典型功耗 ,可由外部中斷喚醒，中斷返回后，繼續(xù)執(zhí)行原程序； ? 空閑模式：典型功耗 2mA； ? 正常工作模式：典型功耗 4Ma～ 7mA； （ 3） STC89C52 主要功能部件 圖 31 所示為 STC89C52 的主要功能部件。 圖 31 STC89C52 主要功能部件結(jié)構(gòu)圖 CPUROM中斷系統(tǒng)并行 I / O 口定時 / 計數(shù)器RAM串行端口時鐘源TO T 2T 1P 0 P 1 P 2 P 3 TXD RXDINT 0 INT 1 12 12345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE30EA/VPP313233343536373839VCC40STC89C5230pF1212M30pF123456789105VVCC5V1234567891110104104ResetReset12345678910K5VC1+1VDD2C13C2+4C25VEE6T2OUT7R2IN8R2OUT9T2IN10T1IN11R1OUT12R1IN13T1OUT14GND15VCC16MAX232CPE1041045V（ 4）主控制電路的設(shè)計 主控制電路完成控制并協(xié)調(diào)各個外圍設(shè)備工作的功能，最終所設(shè)計的電源模塊、壓頻轉(zhuǎn)換模塊、信號輸入輸出模塊、地址開關(guān)模塊、聲音報警模塊和液晶顯示模塊等通過主控制電路構(gòu)成一個硬件系統(tǒng)，然后通過軟件編程，為這個系統(tǒng)添加各種功能， 主控制電路圖如圖 32 所示。其主要是通過軟件編程，按需要從外設(shè)獲取信號并處理信號，最終實(shí)現(xiàn)控制作用。 圖 32 分站的主控電路圖 電源模塊 圖 33 穩(wěn)壓直流電源前端電路原理圖。 電源作為電路工作的使能元件，所以電源的穩(wěn)定性對于設(shè)計電路的正常工作是非常重要的。本設(shè)計所使用的有兩種電壓形式： STC89C52 單片機(jī)主控制電路的供電電壓為+5V，模擬信號的壓頻轉(zhuǎn)換模塊采用的是雙電源供電，需要 177。12V 電壓。兩部分工作電壓不同所以需要分別制作各自的電源管理模塊。要得到上述兩路直流電壓，首先需要將市電 220V 交流電通過降壓變壓器降壓，再通過整流濾波穩(wěn)壓等處理通道后得到 +5V、 177。12V三路直流電壓，然后分別供兩部分電路模塊使用 。如圖 33 所示 本模塊包括：變壓器、整流濾波和穩(wěn)壓電路。變壓器選取次級帶中心抽頭的，電橋完成整流， 100pF 電解電容起到濾波作用，選取時容值越大越好。 13 Vin VoutGNDVR17812S1SWDPST100pFC2D31N4007D11N4007100pFC1GND1KR1D2LED0GND+12Vin VoutGNDVR27912S2SWDPST100pFC3D61N4007D41N4007100pFC4GND1KR2D5LED0GND12VCCVCCVin VoutGNDVR37805S3SWDPST100pFC9D111N4007D81N4007100pFC8GND1KR3D9LED0GND+5Vin VoutGNDVR47905S4SWDPST100pFC11D141N4007D121N4007100pFC12GND1KR4D13LED0GND5VCCVCC12P1MHDR1X212P2MHDR1X212P3MHDR1X212P4MHDR1X2 圖 33 穩(wěn)壓直流電源前端電路原理圖 圖 34 穩(wěn)壓電路及高頻濾波電路圖 100pFT1AC2V+1AC4V3D7100pFGND+1515AC2V+1AC4V3D10100pF100pFGND+55 14 U1TLP5211D21N5338BC11KR1D1LED0IN1IN1+U2TLP5212D41N5338BC21KR3D3LED0U3TLP5213D61N5338BC31KR5D5LED0U4TLP5214D81N5338BC41KR7D7LED04K7R24K7R44K7R64K7R8VCCGND12345678910111213141516P174HC151GNDVCCIN2+IN3+IN4+IN2IN3IN4圖 34 為 穩(wěn)壓電路及高頻濾波電路。 前端 104 瓷片電容起到去除高頻干擾的作用，通過 7 79 系列三端穩(wěn)壓芯片將輸出端電壓維持在設(shè)計的電壓內(nèi)， 輸出端接有各路輸出電壓的控制開關(guān)，通過外接發(fā)光二極管來判斷是否有輸出電壓。 傳感器開關(guān)量輸入通道模塊 圖 35 為信號輸入通道電路圖。分站設(shè)計的傳感器信號輸入通道共有 4 路，可擴(kuò)展為 8 路。 4 路中分 2 路開關(guān)量信號輸入和 2 模擬量信號輸入。 圖 35 信號輸入通道電路圖 電路的工作流程是：信號由輸入端子接入輸入通道，模擬量和開關(guān)量通道設(shè)計為可混合使用，模擬量通過壓頻轉(zhuǎn)換模塊將電壓信號轉(zhuǎn)換成 200 Hz ~1000Hz 的頻率信號。頻率信號較電壓、電流信號抗干擾能力更強(qiáng)，方便在井下復(fù)雜的電磁環(huán)境中遠(yuǎn)距離傳輸。考慮到電路保護(hù)及抗干擾措施，在輸入通道的前端設(shè)計了一個 濾波電容用來濾除 15 INNCNCVCCC1NCFout NCNCCinCommon+VCCVout+INVFC328K+1212GND+5VFoutVin高頻干擾信號；利用穩(wěn)壓二極管 1N5338B（擊穿電壓 ）的反向偏置特性設(shè)計了一個簡單有效的穩(wěn)壓電路，將輸入電壓限制在 以下。用 LED 燈顯示每路信號傳輸狀態(tài)。 模擬量壓頻轉(zhuǎn)換模塊 。 圖 36 壓頻轉(zhuǎn)換電路圖 圖 36 為圧頻轉(zhuǎn)換電路圖。圧頻轉(zhuǎn)換的作用是把傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成頻率信號，然后輸入單片機(jī)。 VFC32 由運(yùn)算放大器 AMP、電壓比較器 COM、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、集電極開路輸出晶體管 TQ 和基準(zhǔn) 電流源 IRE 構(gòu)成。積分運(yùn)算的精度即保證了良好的轉(zhuǎn)換線性度 ,同時它的積分特性使得 VFC32 在各種干擾環(huán)境中都有非常好的抗干擾能力。集電極 開路頻率輸出級 可通過選擇上拉電壓改變輸出脈沖幅度，提高了靈活性，使它適用于各種邏輯電路。通過外接電容和 電阻，可在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)其輸出值 控制輸出模塊 圖 37 為井下 監(jiān)控分 站 的控制輸出 部分 電路圖。 本電路通過繼電器實(shí)現(xiàn)危險參數(shù)超限斷電或狀態(tài)切換功能。繼電器的控制端有三極管 Q 來驅(qū)動，只要輸入端為高電平（ +5V），三極管導(dǎo)通，繼電器控制端（ 5）獲得電流電磁鐵工作，接觸段 3 導(dǎo)通。輸入端為低電平時，三極管 Q 截止，控制端沒有電流通過，繼電器不工作。實(shí)現(xiàn)了低壓控制的目的。此模塊模擬實(shí)現(xiàn)煤礦井下的瓦斯閉鎖功能，根據(jù)輸出信號的變化，若其達(dá)到預(yù)設(shè)定動作值的上限，則單片機(jī)控制繼電器動作來模擬分站控制設(shè)備的運(yùn)行與否。 16 圖 37 控制輸出電路圖 撥碼地址模塊 地址開關(guān)用于分站地址的設(shè)定。每一個分站都有一個分站號，即地面監(jiān)控主機(jī)對分站查詢時的分站地址。分站號使用 BCD 碼設(shè)置。分站地址開關(guān)是個 8 位撥碼開關(guān)， 8路 DIP 撥碼開關(guān)通過上拉電阻連接至單片機(jī) IO 口，實(shí)現(xiàn)確定分站地址的目的。所以本系統(tǒng)容量最大可以提供 28，即 256 個分站。 8 位開關(guān)的設(shè)定必然在 8 路總線上形成高或低（或 “1”或 “0” ）的電平信號。例如，總線 B0～ B7 對應(yīng)的地址開關(guān)撥成 01010101，即說明該分站地址為 55。通過對地址的不同設(shè)置，可以得到不同的分站號。圖 38 為撥碼開關(guān)的電路圖。 圖 38 撥碼開關(guān)電路圖 12345K1RelayQ180504K7R3D31N4148GND+5330R1330R2D1LED0D2LED0VCCGND12345678161514131211109SW DIP8123456789R51GNDVCC