【文章內(nèi)容簡介】 5)其中：ΔP—皮托管式風(fēng)速傳感器的輸出壓差，Pa； K—皮托管式風(fēng)速傳感器放大系數(shù)，K值最大為3，一般K≤2； V—測點處氣流的速度，m/s； ρ—流體密度，kg/m3； 皮托管式風(fēng)速傳感器由銅管或不銹鋼管制成，其外徑越小對氣流干擾越小，測量精度越高。一般來說，全壓測孔的總面積應(yīng)小于測壓管總面積的3%。為了保證傳感器具有足夠的剛度，，[12, 13]。皮托管式風(fēng)速傳感器應(yīng)具有抗堵塞性、抗偏流性和抗破壞性的能力。本系統(tǒng)采用的風(fēng)速傳感器為WD4110型號，該型號風(fēng)速變送器是專為測量管道風(fēng)速進(jìn)行研發(fā)，分為測量管道平均風(fēng)速的笛形皮托管風(fēng)速變送器和熱線式風(fēng)速變送器，WD4110在低風(fēng)速下仍能保證高精度測量，具有抗污染能力強，安裝簡便，性價比高，維護(hù)成本低等優(yōu)點。 傳感器電路模塊 因為風(fēng)速模塊安裝地點與系統(tǒng)的距離遠(yuǎn)，所以本系統(tǒng)采用的風(fēng)速模塊為電流模擬量輸出，對應(yīng)0～20m/s對應(yīng)輸出4～20mA電流。在系統(tǒng)電路板上將電流通過一阻值為100Ω的電阻，則電流信號變換為電壓信號，對應(yīng)0～20m/～2V電壓，此電壓接入MCU的A/D端口[2]。電路連接如圖38所示。圖38 風(fēng)速傳感器電路連接 此電路的100Ω電阻在PCB布局的時候要注意位置，一定要離單片機的A/D端口近，～2V的電壓會因為地電壓漂移而降低。 粉塵的測量控制 粉塵濃度測量原理 （）定律：當(dāng)光波通過線性物質(zhì)時，會與物質(zhì)發(fā)生相互作用。光波一部分被介質(zhì)吸收，轉(zhuǎn)化為熱能；一部分被介質(zhì)散射，偏離了原來的傳播方向，剩下的部分仍按原來的傳播方向通過介質(zhì)。透過部分的光強與入射光強之間符合朗伯比爾定律。透射式光學(xué)測塵儀就是以朗伯比爾定律為基礎(chǔ)，通過測量入射光強與出射光強，經(jīng)過計算得到粉塵濃度[17]。原理圖如圖39所示。圖39 透射式光學(xué)測塵儀原理圖 （36）： (36) 式中：α—介質(zhì)對光的吸收系數(shù)，它是個與光強無關(guān)的量。通過實驗發(fā)現(xiàn)，光的吸收系數(shù)與粉塵濃度成正比。（37）： (37) 這里c表示物質(zhì)的濃度，為物質(zhì)單位濃度的消光系數(shù)，該系數(shù)只與粉塵顆粒的性質(zhì)（如塵粒的直徑、塵粒物質(zhì)的折射率）有關(guān)，而與粉塵濃度無關(guān)。式中I0對應(yīng)于L=0位置處的光強；I對應(yīng)于位置為L處的光強；L表示光深入介質(zhì)的厚度（m），即光程。 ，入射光強隨著它深入介質(zhì)的厚度L做指數(shù)衰減。若L一定，則介質(zhì)單位濃度的消光系數(shù)一定，那么入射光強將隨介質(zhì)的濃度c的變化而呈指數(shù)衰減。這就是透射式光學(xué)粉塵濃度監(jiān)測的依據(jù)。 實際測量過程中應(yīng)用的關(guān)系是通過式（38）變換得到： (38) 式中入射光強與出射光強通過測量得到，光程L一般為固定值，而消光系數(shù)則需通過事先標(biāo)定確定。 探測器：接收器也即是光電探測器，本光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的原始信號是光信號，為了將它轉(zhuǎn)換成電信號便于觀察或進(jìn)行實時處理，選擇合適的光電探測器件是十分必要的?？梢哉f，它是接收系統(tǒng)中的核心部件，接收系統(tǒng)的探測能力及探測精度，在很大程度上依賴于光電探測器的性能。衡量光電探測器主要性能的參數(shù)有兩個：一個是響應(yīng)時間，一個是暗電流。響應(yīng)時間越短，說明探測器能測量的頻率越高，暗電流越小，噪聲也就越小，則探測器的性能越好。最常見的光電轉(zhuǎn)換器件有半導(dǎo)體光電二極管、光電三極管、光電池和光電倍增管等。其中硅光電池是目前用得最廣泛的一種器件。它是由本征硅材料摻入濃度約為1016~1019個/cm3雜質(zhì)原子制成的。其特點是結(jié)構(gòu)簡單、光敏面積較大，易于實現(xiàn)光路，并且光電池已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于光電測量儀器中，所以本設(shè)計采用光電池作為光電探測器件。圖310是電路原理流程圖。圖310 電路原理流程圖由于是光采集得到是模擬信號，而機器運行是靠電信號，所以要進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。光電轉(zhuǎn)換的基本原理是利用光電轉(zhuǎn)換器件，當(dāng)被測光照射到光探測器上時，產(chǎn)生相應(yīng)的光電流，將光信號轉(zhuǎn)化成電信號。本文選用硅光電池來進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換[14, 15]。 模擬信號處理 模擬信號處理承接光電轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換這兩部分，要將光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的微弱信號處理成適合A/D轉(zhuǎn)換器的信號，所以該處理系統(tǒng)包括信號放大器、減法器和采樣/保持電路。1) 放大器由于光電轉(zhuǎn)換后得到的是電流信號，并且為了保證微弱信號不被環(huán)境和固有噪聲所淹沒，所以在模擬信號處理中需要使用運算放大器將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，并且實現(xiàn)對信號的斬波、檢相、放大、濾波等處理。由于是微弱信號的放大信號很容易被噪聲等淹沒，因此盡量將最大放大增益放在第一級，即轉(zhuǎn)換級。所以，級間安排是：第一級（轉(zhuǎn)換級）106；第二級（增益調(diào)整級）2~256。 前面已經(jīng)介紹過，因為被測對象是微弱電流信號，放大容易引起電壓和電流的失調(diào)，以及零點漂移、自激干擾，所以第一級的電壓電流轉(zhuǎn)換放大選用自穩(wěn)零斬波運算放大器ICL7650。ICL7650是MAXIM生產(chǎn)的自穩(wěn)零斬波運算放大器，能自動穩(wěn)零，性能穩(wěn)定，體積小，是一種儀用IC，是便攜式和其它用電池供電系統(tǒng)的理想器件。其連接電路如圖311。圖311 第一級放大電路對于第二級由于輸入電壓相對來說較大，，它具有極高的時間穩(wěn)定性，電路如圖312所示：圖312 第二級放大電路2) 減法器 為了使控制系統(tǒng)得到兩個光電信號的差分信號，需要將這兩個從放大器中輸出的信號輸入到減法器中，該減法器使用課本中常見的減法電路，如圖313所示。圖313 減法器3) 采樣/保持電路 在A/D轉(zhuǎn)換器對模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換的過程中，需要有一定的穩(wěn)定時間，這就是說，為了保持A/D轉(zhuǎn)換的精度，在轉(zhuǎn)換時間內(nèi)信號應(yīng)保持在采樣時的幅度值不變。因此，在A/D轉(zhuǎn)換器的前端應(yīng)加入采樣/保持電路。本文采用由LF398及LM3805構(gòu)成的采樣/保持電路，如圖314所示，它具有采樣速度快，保持電壓下降速度慢以及精度高等特點。圖314 采樣/保持電路由模擬信號處理系統(tǒng)輸出的信號是模擬量，而微處理器能接受并處理的是數(shù)字量，因此被測模擬量必須先通過430內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，才能被計算機處理。 本章小結(jié) 本章講述了系統(tǒng)各個模塊的電路原理和實際的電路連接。本系統(tǒng)的組成可以分為幾個大部分：一氧化碳測量部分、風(fēng)速測量部分、溫度測量部分、粉塵檢測部分及各小部分。在核心板處理部分單片機是整個系統(tǒng)的重點，單片機負(fù)責(zé)對整個系統(tǒng)的控制，對數(shù)據(jù)處理。第4章 硬件電路的設(shè)計及固件編程 單片機系統(tǒng) 單片機簡介單片機的英文縮寫是MCU，既Micro Controller Unit，實際的意思是微控制器。在單片機沒有出現(xiàn)以前，電路的計算功能十分有限，可能一個很簡單的邏輯判斷需要用好幾片74系列的數(shù)字芯片才能實現(xiàn)。但是單片機出現(xiàn)以后，電路的控制變的智能化，而且具有高可靠性和高效率。我們生活中常用的電腦由CPU、主板、內(nèi)存、硬盤等組成，其功能強大，運算速度快。但是其體積大、價格昂貴，而且在工業(yè)領(lǐng)域、測控領(lǐng)域不需要如此強大，最主要的是受體積的限制。單片機就是將電腦的各個模塊縮小封裝到一個很小的芯片里所形成的電路。單片機的RAM就相當(dāng)于電腦的內(nèi)存，單片機的ROM就相當(dāng)于電腦的硬盤[16]。 美國的TI（德州儀器）公司于1996年開始推出一種16位的超低功耗的混合信號處理器MSP430單片機，MSP的意思是Mixed Signal Processor。430單片機的推出是跨時代的產(chǎn)品。其性能強大、功耗低是其他單片機所無法比擬的。 MSP430單片機是基于精簡指令集結(jié)構(gòu)的。430單片機具有豐富的尋址方式：7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址；具有較高的處理速度，例如MSP430F1XX系列單片機在8MHz的晶體振蕩器驅(qū)動下，其指令周期僅為125ns。MSP430單片機被廣泛應(yīng)用的原因最主要的在于其低功耗。，在1MHz的時鐘下運行時芯片的電流約為200～400uA，；而51系列單片機在處理相同任務(wù)量時的電流要24mA，待機狀態(tài)下仍為3mA，耗電量是430單片機的30000倍。有關(guān)實驗顯示：利用一節(jié)普通的AA電池可以給以430單片機系統(tǒng)供電長達(dá)10年之久，足見其卓越的低功耗性能。被廣泛應(yīng)該的第二個原因是芯片內(nèi)部功能模塊齊全。本系統(tǒng)中使用的MSP430F149系列單片機內(nèi)部有定時器（包括看門狗定時器、定時器A、定時器B）、串口（包括串口0、串口1），具有中斷的P0和P1口，還有SPI、PWM、模擬比較等模塊。而且其內(nèi)部的ROM和RAM很大，分別為60KB和2KB。430的A/D轉(zhuǎn)換有8路外部輸入，一路芯片內(nèi)部溫度傳感器，還可以監(jiān)測供電電壓，可以選擇片內(nèi)或者片外基準(zhǔn)電壓，、。430的單片機有多種中斷源供選擇，而且各個中斷可以實現(xiàn)任意嵌套，430單片機從低功耗模式到被中斷喚醒只需要6us。單片機的中斷可以讓其處理突發(fā)事件，例如在主程序執(zhí)行時，突然有串口收到數(shù)據(jù)，此時就可以通過串口中斷服務(wù)程序來處理。在單片機程序中常會用到延時函數(shù)，結(jié)果單片機的大部分時間都浪費在了延時功能上，一段好的程序應(yīng)該是多用中斷、少用延時。在編程的時候也需要注意：雖然單片機的速度快，但是我們不能將所有任務(wù)都交給單片機處理，應(yīng)該盡量簡化，例如一個數(shù)需要放大16倍，也許可能會想到直接乘以16就可以，但是如果采用左移4位來實現(xiàn)則單片機的工作量就會減小很多。第三個原因是開發(fā)工具簡單、價格低廉。單片機開發(fā)的工具包括：電腦、編程軟件、調(diào)試器、下載器，支持430單片機的編程軟件很多，常用的是IAR公司出品的IAR Embedded Workbench for MSP430。調(diào)試器的作用是調(diào)試代碼運行的效果，下載器的作用是將編譯好的代碼下載到單片機芯片內(nèi)部的ROM。目前51單片機在線調(diào)試還很困難，下載器由于使用的人數(shù)多，使用的時間長，相對來說已經(jīng)很容易。而430單片機因為引進(jìn)了flash和JTAG技術(shù)，使其可以在線調(diào)試，而且430單片機的JTAG制作相對來說是最簡單的，價格最低的，只需通過電腦的并口利用一個芯片和幾個電阻、電容就可以實現(xiàn)；而且在芯片的熔絲位燒斷后還可以通過bootloader下載程序[16, 17]。 單片機管腳圖41 單片機管腳單片機主要是完成賦予它的任務(wù)的過程，也就是單片機執(zhí)行程序的過程，即一條條執(zhí)行的指令的過程，所謂指令就是把要求單片機執(zhí)行的各種操作用的命令的形式寫下來，這是在設(shè)計人員賦予它的指令系統(tǒng)所決定的，一條指令對應(yīng)著一種基本操作，而運行的程序執(zhí)行需要單片機的管腳和外圍電路進(jìn)行連接，所以說單片機的的管腳也有必要介紹一下。430單片機整個管腳十分簡單，如圖41所示。為了減小電源的管腳干擾，利用電容進(jìn)行了濾波處理。 液晶顯示器本系統(tǒng)采用的液晶為JHD12864，其主要技術(shù)參數(shù)及特性如下：(1) 點陣數(shù)為128*64，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置國標(biāo)GB2312碼簡體中文庫（16*16點陣）8192個漢字、128個字符（8*16點陣）及64*256點陣顯示RAM（GDRAM）； (2) 可與CPU直接接口，提供兩種方式來連接微處理器； (3) 8位并行及串行兩種連接方式，具有多種功能； (4) 光標(biāo)顯示、畫面移位、睡眠模式等；12864模塊有20個管腳，管腳功能及定義如表41：表41 12864引腳說明引腳序號引腳名稱狀態(tài)引腳功能1VSS液晶模塊的電源地 2VDD液晶模塊的電源正3V0液晶驅(qū)動電壓的輸入端4RS(CS)H/L并行方式時為指令/數(shù)據(jù)選擇信號 5R/W(SID)H/L并行時為讀寫選擇信號；串行時為數(shù)據(jù)口6E(CLK)H/L并行的使能信號；串行的同步時鐘714DB0DB7H/L并行狀態(tài)下的數(shù)據(jù) 0～數(shù)據(jù) 715PSBH/L并/串行接口選擇：H并行；L串行16﹑18空腳17/RETH/L復(fù)位引腳，低電平有效 19LED_A背光源正極（LED+5V）20LED_K背光源負(fù)極（） 液晶的并行與串行區(qū)別在于：并行需要8根數(shù)據(jù)線，而串行只需要一根數(shù)據(jù)線，但是并行的速度要遠(yuǎn)大于串行，在I/O端口夠用的前提下應(yīng)盡量選用并行方式。電路連接如圖42所示： 圖42 液晶12864控制電路 液晶12864正常工作的界面顯示如圖43所示。正常工作界面的第一行顯示已設(shè)置的報警值，第二行是風(fēng)速值，第三行是溫度值，第四行是一氧化碳的濃度值，第五行是粉塵濃度值。 圖43 液晶12864初始化顯示畫面 因為MSP430單片機默認(rèn)上電后，看門狗是開著的，所以程序的第一步必須進(jìn)行關(guān)閉看門狗；其次，因為此次設(shè)計是在MSP430開發(fā)板上進(jìn)行的，所以開始要對開發(fā)板上的相應(yīng)部分做初始化；再次，是對單片機及液晶的初始化。 聲光報警本裝置中通過對礦井空氣中的CO含量的測定和時間的測定，可實現(xiàn)對高濃度下的急性CO中毒進(jìn)行瞬時報警和對低濃度下由于累積效應(yīng)而產(chǎn)生的慢性CO中毒進(jìn)行累積報警。通過對中毒機理的分析，103mol/m3（相當(dāng)于100ppm），103 mol/ m3，累積報警的時間濃度積設(shè)定在3103h*mol/m3。在元件的供電方面采用周期性供電方式，以保證器件在工作中始終處于最佳狀態(tài)。聲光報警電路原理如圖44所示：圖44 聲光報警原理圖報警儀的電路框圖如圖44所示。元件上加有按一定周期變化的+5V或+3V的加熱電源，期中+5V用于清洗，+3V用于檢測。通道的工作電壓采用+10V電源。器件的電流隨著被測氣體濃度而變化，從而在負(fù)載電阻上取得正比于被測環(huán)境中的CO含量的信號電壓Vt，經(jīng)放大和處理后的信號分別送到比較器1和比較器2與設(shè)