【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 期執(zhí)行復(fù)位。單片機(jī)常見的復(fù)位電路如圖 317（ a）和（ b）所示 : 圖 317 復(fù)位 電路 圖（ a）為上電復(fù)位電路，它是利用電容充電來實(shí)現(xiàn)的。在接電瞬間， RST端的電位與 VCC相同，隨著充電電流的減少， RST的電位逐漸下降。只要保證 RST為高電平的時(shí)間大于 2個(gè)機(jī)器周期，便能正常復(fù)位。圖（ b）為按鍵復(fù)位電路。該電路除具有上電復(fù)位功能外，若要復(fù)位，只需按圖中的 RESET鍵，此時(shí)電源 VCC經(jīng)電阻 R R2分壓，在 RST端產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位高電平。 3． 4． 5 本系統(tǒng)所用單片機(jī)簡(jiǎn)介 本系統(tǒng)使用的單片機(jī) AT89S52是 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89系列單片機(jī)的高檔型 S系列的增強(qiáng)型單片機(jī)。 AT89S51系列針 對(duì) AT89C51系列的明顯的幾個(gè)升級(jí)如下： (1)程序存儲(chǔ)器寫入方式：二者的寫入程序的方式不同， AT89C51 只支持并行寫入，同時(shí)需要 VPP 燒寫高壓。 AT89S51則支持 ISP在線可編程寫入技術(shù)！串行寫入、速度更快、穩(wěn)定性更好，燒寫電壓也僅僅需要 4～ 5V即可。 (2)電源范圍： AT89S51 電源范圍寬達(dá) 4～ ，而 AT89C51系列在低于 V和高于 。 (3)工作頻率：目前 AT89S51的性能遠(yuǎn)高于 AT89C51,AT89S51系列支持最高高達(dá) 33MHZ的工作頻率，而 AT89C51工作頻率范圍最高只支持到 24M。 (4)市場(chǎng)價(jià)格：由于 AT89C51 已經(jīng)全面停產(chǎn) ,所以在市場(chǎng)價(jià)格方面，庫存的 AT89C51的批發(fā)價(jià)格要比 AT89S51貴將近一倍！ (5)兼容性： AT89S51 向下兼容 AT89C51，就是說用 AT89S51可以替代 AT89C51使用，同樣的程序，運(yùn)行結(jié)果相同。 (6)加密功能： AT89S51系列全新的加密算法，這使得對(duì)于 AT89S51 的解密變?yōu)椴豢赡?，程序的保密性大大加?qiáng)，這樣就可以有效的保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)不被侵犯。 (7)抗干擾性：內(nèi)部集成看門狗計(jì)時(shí)器，不再需要像 AT89C51那樣外接看門狗計(jì)時(shí)器單元電路。 (8)燒寫壽命更長(zhǎng)： AT89S51標(biāo)稱的 1000 次，實(shí)際最少是 1000 次～ 10000次，這樣更有利初學(xué)者反復(fù)燒寫，減低學(xué)習(xí)成本。 而 AT89S52是 S系列的增強(qiáng)型，它的存儲(chǔ)器容量擴(kuò)大了一倍，增加了 2個(gè)中斷源， 16位定時(shí) /計(jì)數(shù)器增加了一個(gè)功能極強(qiáng)的定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2等。 由于在 ATMEL的 AT89S51系列比 AT89C51 系列增加了一個(gè)看門狗功能，所以本系統(tǒng)選用的 AT89S52 無需使用外部看門狗芯片?？撮T狗具體使用方法如下： 在程序初始化中向看門狗寄存器（ WDTRST地址是 0A6H）中先寫入 01EH，再寫入 0E1H。即可激活看門狗。但是在 C語言中要增加一個(gè)聲明語句：在 AT89X5（或者 ）聲明文件中增加一行 ： sfr WDTRST = 0xA6。 程序舉例： main() { WDTRST=0x1E。 WDTRST=0xE1。//初始化看門狗。 While (1) { WDTRST=0x1E。 WDTRST=0xE1。//喂狗指令 } } 注意事項(xiàng)： a． 89S52的看門狗必須由程序激活后才開始工作。所以必須保證 CPU有可靠的上電復(fù)位。否則看門狗也 無法工作。 b． 看門狗使用的是 CPU的晶振。在晶振停振的時(shí)候看門狗也無效。 c． 89S52只有 14位計(jì)數(shù)器。在 16383 個(gè)機(jī)器周期內(nèi)必須至少喂狗一次。而且這個(gè)時(shí)間是固定的，無法更改。當(dāng)晶振為 12M時(shí)每 16個(gè)毫秒需喂狗一次。但是還可以利用定時(shí)器把看門狗的喂狗時(shí)間延長(zhǎng)幾秒甚至幾分鐘。 3． 5 頻 率 發(fā) 送 模 塊 根據(jù)《礦用水位傳感器通用技術(shù)條件（ MT/T8251999）》 (中華人民共和國煤礦行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) )中對(duì)傳感器輸出信號(hào)的相關(guān)規(guī)定，本系統(tǒng)會(huì)將采集到的水位信息轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)傳到上位系統(tǒng)。 具體范圍如下： 200Hz～ 1000Hz(脈沖寬度大于 ) 4ｍ A 常見的信號(hào)傳遞方式可分為基帶傳輸和頻帶（調(diào)制）傳輸?；鶐鬏斒菍⑽唇?jīng)頻帶調(diào)制的信號(hào)直接傳送。如單片機(jī)雙機(jī)通信采用的串口通信方式。而調(diào)制傳輸中常用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ㄓ姓穹I控（ ASK），頻移鍵控（ FSK）和相移鍵控（ PSK）。由于 FSK與 ASK相比較， FSK信噪比較大，誤碼率低，傳輸距離遠(yuǎn)，無需中繼站，而與 PSK相比較，其設(shè)備簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)。所以綜合以上優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)最終采用 FSK模式來傳遞水位信息。 本系統(tǒng) 輸出頻率與水位呈線性變化，如圖 318： 圖 318頻率輸出與水位 輸出頻率值由以下公式求出： fout=(1000200)h/500+200=h*+0xc8 (0h500) (1) 其中 fout表示輸出頻率值，單位 Hz； h表示水位，單位厘米。 系統(tǒng)利用單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器作為波特率發(fā)生器來產(chǎn)生頻率， AT89C51 單片機(jī)可從 50％占空比的方波，這個(gè)功能作為接口信號(hào)輸出控制。而計(jì)數(shù)器輸出頻率 fout=fosc/12。 而系統(tǒng)采用 12M外部晶振（即 fosc=12M），計(jì)數(shù)頻率 fout=1MHz，每 1μ s計(jì)數(shù)值加 1。所以產(chǎn)生 1000Hz的頻率需要計(jì)數(shù)次數(shù)為： N=1000/（ 12/fosc） =1000 (2) 即信號(hào)輸出引腳輸出 50％占空比 頻率為 1000Hz的方波。而 在 12MHz 操作頻率下可輸出頻率為 3MHz的 50％占空比的時(shí)鐘信號(hào) 由此可得計(jì)數(shù)初值為： freq_num=0xffff3MHz/fout+1 (3) 當(dāng)水位 h發(fā)生變化時(shí)，計(jì)數(shù)初值也相應(yīng)改變從而達(dá)到改變頻率的目的。 系統(tǒng)采樣時(shí)間為 1s，即：系統(tǒng)輸出頻率根據(jù)水位每 1秒鐘變化一次。此采樣時(shí)間可根據(jù)客戶要求作相應(yīng)調(diào)整，而當(dāng)檢測(cè)水 位超出規(guī)定的范圍時(shí)，無頻率輸出。 3． 6 系統(tǒng)所用元器件安全性介紹 礦用產(chǎn)品電路的設(shè)計(jì)要符合本安特性，所謂本質(zhì)安全型 (本安 )電路，是指在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，正常工作和規(guī)定的故障條件下產(chǎn)生任何電火花或任何熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的電路。 關(guān)于本質(zhì)安全型電氣設(shè)備 i的規(guī)定，是指全部電路為本安電路的電氣設(shè)備。防爆形式，是指為防止電氣設(shè)備引起周圍爆炸性氣體環(huán)境引燃而采取的特定措施。 對(duì)安全等級(jí)的要求：本安型電氣設(shè)備及其關(guān)聯(lián)設(shè)備，按本安電路使用場(chǎng)所和安全程度分為 和 兩個(gè)等級(jí)。 等級(jí)：在正常工作、一個(gè)故障和二個(gè)故障時(shí)均不能點(diǎn)燃爆炸性氣體混合物的電氣設(shè)備。 等級(jí)：在正常工作和一個(gè)故障時(shí)不能點(diǎn)燃爆炸性氣體混合物的電氣設(shè)備。對(duì)于煤礦井下的場(chǎng)所，傳感器要求使用 等級(jí)。故傳感器在正常工作時(shí)，安全系數(shù)為 。 中對(duì)本安型電路的最小點(diǎn)燃電流、電壓都給出了相關(guān)規(guī)定與設(shè)計(jì)曲線，也給出了本安電路中含有鎘、鎂、鋅和鋁材質(zhì)的 I類電氣設(shè)備（煤礦用電氣設(shè)備）的安全設(shè)計(jì)曲線。煤礦井下環(huán)境的惡劣性與特殊性，使我們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中考慮的安全因素，各設(shè)計(jì)參數(shù)符合上述規(guī)定的安全要求。其中某些單元 電路中已經(jīng)涉及到本安參數(shù)的計(jì)算，這里只對(duì)整體的安全參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。 3． 6． 1 電容安全性計(jì)算 設(shè)計(jì)的礦用水位傳感器是與 KJ93型礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)配套使用的，傳感器由 KJ93型礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)工作站配套使用的電源箱 KDW17 礦用隔爆兼本安電源直接供電，完全符合本安設(shè)計(jì)要求。 本計(jì)算根據(jù) — 2022中最小點(diǎn)燃電流、電壓曲線，對(duì)應(yīng)于含有鎘、鎂、鋅和鋁的 I類電氣設(shè)備而計(jì)算。 KDW17礦用電源箱標(biāo)定有三組輸出，分別為：本安輸出電壓 (電流 )： DC12V()、 18V()、 24V()，電壓與電流一一對(duì)應(yīng)。在最壞的情況下，即傳感器電源引入線短路，傳感器電路中各電容器為最大容量，查電容性電路最小點(diǎn)燃電壓曲線，當(dāng)限流電阻 R=0最壞時(shí) (正常選擇使用 )，在 24V時(shí)最大允許使用 15μ F以下的容量；本安型電氣設(shè)備及其關(guān)聯(lián)設(shè)備，在正常工作時(shí)安全系數(shù)為 ；這樣可以計(jì)算出，最大可使用 F電容器，本電路所用電容器，最大值為 F，符合本安設(shè)計(jì)的要求。 同樣地，當(dāng)使用 18V一組的電源，限流電阻 R=0最壞時(shí)，查電容性電路最小點(diǎn)燃電壓曲線，允許使用 60μ F以下的容量；本 安型電氣設(shè)備及其關(guān)聯(lián)設(shè)備，在正常工作時(shí)安全系數(shù)為 ；這樣可以計(jì)算出，最大可使用 30μ F電容器，本電路所用電容器，最大值為 F，符合本安設(shè)計(jì)的要求。 當(dāng)使用 12V一組的電源，限流電阻 R=0 最壞時(shí)，查電容性電路最小點(diǎn)燃電壓曲線，允許使用 4000μ F以下的容量；本安型電氣設(shè)備及其關(guān)聯(lián)設(shè)備，在正常工作時(shí)安全系數(shù)為 ；這樣可以計(jì)算出，最大可使用 2022μ F電容器，本電路所用電容器，最大值為 F，符合本安設(shè)計(jì)的要求。 3． 6． 2 通訊電纜電感量安全性計(jì)算 井下聯(lián)機(jī)使用時(shí)，傳輸信號(hào)電纜為江蘇揚(yáng)州蘇能 電纜廠生產(chǎn)的礦用 4芯電纜，截面積為 ，其參數(shù)為 F/km、 / km、 。根據(jù)《通用技術(shù)條件》的要求，最遠(yuǎn)傳輸距離為 2KM，在最遠(yuǎn)處短路，則電感量為 2 0.8=， 2 2=54Ω，最壞情況 24V 電源串入電纜中，則 24V/54Ω =0.444A，接近電源箱輸出最大電流，查低電壓電感性電路，電感量為 ， 24V時(shí)最小點(diǎn)燃電流為 ，取安全系數(shù)為 2，則 ，實(shí)際最大電流為，符合要求。 經(jīng)過計(jì)算，本系統(tǒng)中所用各元器件的參 數(shù)均符合以上要求。 4 硬件電路設(shè)計(jì) 第三節(jié)從宏觀上分析了礦用水位傳感器的設(shè)計(jì)方案：即以單片機(jī)為控制核心，以 CYX32系列壓力敏感頭為水位檢測(cè)元件的水位檢測(cè)系統(tǒng)?，F(xiàn)在我們從各個(gè)模塊出發(fā)，深入分析各個(gè)模塊的構(gòu)成及功能。 4． 1 系統(tǒng)整體電路 系統(tǒng)整體硬件電路包括：傳感器數(shù)據(jù)采集電路，水位顯示電路，超限報(bào)警調(diào)整電路，看門狗復(fù)位電路，紅外接收電路，頻率輸出電路，單片機(jī)主板電路等。整體電路如圖 41所示 (大圖見附錄 1)： 圖 41 系統(tǒng)整體硬件電路 4． 2 集成穩(wěn)壓電路 系統(tǒng)電源取之自井下礦用 924V隔爆兼本安直流電源，它經(jīng)三端穩(wěn)壓器 LM7805穩(wěn)壓后輸出 +5V，供系統(tǒng)使用。 電源的輸入端串接了一只隔離二級(jí)管 IN4007,主要是起隔離保護(hù)作用，防止用戶使用時(shí)接錯(cuò)極性而導(dǎo)致傳感器損壞。在電路輸入端的電源線與地線之間并接一個(gè) F的直流濾波電容，輸入與輸出端各接有一個(gè) F 高頻濾波去耦電容。高頻濾波去耦電容提供和吸收該集成電路開關(guān)門瞬間的充放電能。其電路圖如圖 42： 圖 42 集成穩(wěn)壓電路 4． 3 傳感器電路 傳感器電路部分由兩部分組成：信號(hào)放大電路和數(shù)模（ A/D）轉(zhuǎn)換電路，下面對(duì)這兩部分 電路分別進(jìn)行分析。 4． 3． 1 信號(hào)放大電路 設(shè)計(jì)采用具有零點(diǎn)漂移小、單電源供電、輸出信號(hào)幅度能達(dá)到儀表專用放大器 AD623輸入信號(hào)要求的檢測(cè)電路 ,確保傳感器在檢測(cè)范圍 0～ 5m的信號(hào)靈敏度、穩(wěn)定性和線性。由于 AD623的共模輸入范圍可以擴(kuò)展到比地電位低 01V，所以在共模信號(hào)分量很低或者為 0的情況可以測(cè)量小的差動(dòng)信號(hào)。 AD623的增益 (G)是用一個(gè)精密電阻 (%~1%精度 )RG設(shè)置的，不管腳 1和腳8之間的阻抗如何。應(yīng)該注意，如果 G=1， RG 不必連接。電阻選擇計(jì)算公式為： RG=100kΩ /(