【正文】 第 36 頁(yè) 5 瓦斯傳感器軟件設(shè)計(jì)
。 4．信號(hào)電纜方面 (1)采用雙屏蔽電纜 (在一般條件下亦可采用單屏蔽電纜 )，外屏蔽兩端接 第 35 頁(yè) 地，以抑制差模干擾； （ 2)電纜放入電纜溝內(nèi)時(shí)盡量遠(yuǎn)離大功率電纜，以減小其周?chē)膹?qiáng)電磁場(chǎng)對(duì)電纜芯線產(chǎn)生的電磁感應(yīng)； (3)提高傳感器的輸出電壓，提高信噪比。使被隔離的各個(gè)部分具有獨(dú)立的隔離電源進(jìn)行供電，以切斷通過(guò)電源串入的各種干擾。 4． 硬件抗干擾采取的措施 本系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、元件選擇、制作等各環(huán)節(jié)充分考慮了抗干擾問(wèn)題，采用了各種硬件抗干擾的方法，主要措施有： 1．元器件方面 (1)為了使半導(dǎo)體器件滿(mǎn) 足系統(tǒng)性能要求，深入了解了元器件的電器參數(shù)，根據(jù)電器參數(shù)選擇合理器件以滿(mǎn)足系統(tǒng)性能要求； (2)減少焊點(diǎn)數(shù)量可降低接觸不良故障，因此，盡量選用集成度高的電路，減少使用分立源器件；為使半導(dǎo)體器件滿(mǎn)足系統(tǒng)可靠性要求，選擇溫漂小、穩(wěn)定性好的元器件； 2．電源方面 (1)采用電源濾波器?？垢蓴_的措施主要是切斷來(lái)自傳輸通道的干擾。過(guò)壓干擾大多是由電源與單片機(jī)系統(tǒng)“共地”而傳遞的，過(guò)壓干擾是最為 惡劣的一種干擾，它往往使系統(tǒng)程序“彈飛”，造成“死機(jī)”現(xiàn)象。上述干擾源是通過(guò)系統(tǒng)自身的電路而影響系統(tǒng)的，其結(jié)果使系統(tǒng)的測(cè)量精度下降。 2．傳感器自身的干擾源 這是由于設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)對(duì) 某些問(wèn)題考慮不全面、元器件布局不合理、電路工作不可靠、元器件質(zhì)量差等原因造成的，主要表現(xiàn)為電阻熱噪聲干擾、半導(dǎo)體散粒噪聲干擾和接觸噪聲干擾。電磁干擾源的能量是通過(guò)電場(chǎng)或磁場(chǎng)形式傳遞給監(jiān)控系統(tǒng)的。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中， 除了能完成指定的功能外，可靠性也是一個(gè)至關(guān)重要的指標(biāo) ， 而可靠性指標(biāo)需要抗干擾來(lái)保證。干擾是瓦斯測(cè)量中的破壞因素，必須加以消除。 下圖就是遙控器的電路原理圖： C2C3455KC1R2D2IN4148D1IN4148G11815G21015K1K2K3K4D3TLX105BAT21514131211109R1161K76543218GNDX1X2VCC100100TC1948PU1 圖 416 瓦斯傳感器遙控器電路原理圖 4． 16 瓦斯傳感器抗干擾設(shè)計(jì) 干擾是一種無(wú)處不在、隨時(shí)可能產(chǎn)生的客觀的物理現(xiàn)象，是妨礙某一事件正常運(yùn)行的各種因素的總稱(chēng)。此智能遙控瓦斯傳感器專(zhuān)門(mén)配置了遙控器，來(lái)調(diào)整傳感頭上的瓦斯?jié)舛葏?shù)，傳感頭檢測(cè)瓦斯?jié)舛鹊姆较虻取? 4． 15 瓦斯傳感器的遙控器 第 33 頁(yè) 智能遙控瓦斯傳感器其中一個(gè)顯著的特點(diǎn)是遙控操作。 串行口工作在方式 3，其波特率由定時(shí)器／計(jì)數(shù)器 Tl的溢出率與 SMOD位共同控制，其波特率可表示為 ）2（12322 nos cSM OD 波特率 xf ?? （ 46） 式中， oscf AT89C52的晶振頻率 n—— 定時(shí)器位數(shù) SMOD— 波特率選擇位，可為 0或 l。 通信規(guī)定：雙方波特率為 9600b／ s， 1位起始位， 8位數(shù)據(jù)位， 1位數(shù)據(jù)／地址位， l位停止位。如果下位機(jī)沒(méi)有發(fā)送，主機(jī)應(yīng)重發(fā)命令。本協(xié)議的查錯(cuò)機(jī)制采用將發(fā)送的各個(gè)數(shù)據(jù)相加取和是否相等即采用校驗(yàn)和的方式，便可方便的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸正確與否，此方法簡(jiǎn)便快捷。 由于井下工作惡劣，傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)仍然可能會(huì)出錯(cuò)，錯(cuò)誤類(lèi)型包括位出錯(cuò)、幀丟失、幀重復(fù)、硬件工作紊亂等等。首先發(fā)送從地址，各從機(jī)收到地址信息后，判斷地址是否是本從機(jī)。下位機(jī)從不主動(dòng)申請(qǐng)，下位機(jī)只能和主機(jī)進(jìn) 行通訊，下位機(jī)之間不能相互通訊。 (b)主機(jī)采用查詢(xún)方式接收／發(fā)送數(shù)據(jù)，下位機(jī)采用中斷方式接收／發(fā)送數(shù)據(jù)。 表 43 SP485R 引腳說(shuō)明 管腳 名稱(chēng) 描述 1 0R 接收器輸出 2 RE 接收器輸出使能（低電平有效） 3 DE 發(fā)送器輸出使能（高電平有效） 4 DI 發(fā)送器輸入 5 GND 接地線 6 A 發(fā)送器輸出 /接收器輸入反相 7 B 發(fā)送器輸出 /接收器輸入反相 8 CCV 正電源電壓（ CCV ） 第 32 頁(yè) RS485 標(biāo)準(zhǔn)只是一個(gè)物理的通信接口標(biāo)準(zhǔn)，要實(shí)現(xiàn)總線監(jiān)控還要在此基礎(chǔ)上建立自己的高層通信協(xié)議。 415 RS485通信電路 圖中， SP485R 芯片是由業(yè)內(nèi)專(zhuān)業(yè)的通訊接口器件廠商 Sipex 公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的 ESD 保護(hù)增強(qiáng)型 RS485 收發(fā)器，能夠直接替換通用的 RS485 收發(fā)器。當(dāng)置 ，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器打開(kāi)，接收器關(guān)閉，可以向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)。收發(fā)器的發(fā)送使能端 (DE)和接收使能端 (RE)短接 在一起，然后接到單片機(jī)的一個(gè)輸入輸出端口。 每臺(tái)瓦斯傳感器都通過(guò)一個(gè) RS485總線收發(fā)器芯片連接到總線上，本系統(tǒng)中 RS485通信接口芯片選用的是 Sipex公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的 RS485收發(fā)器 SP485R，它能夠替換通用的 RS485收發(fā)器，并在許多方面有所增強(qiáng)。 413 電橋自動(dòng)斷電保護(hù)電路 4． 14 RS485通信電路設(shè)計(jì) 414 RS485網(wǎng)絡(luò) 原理圖 第 31 頁(yè) 瓦斯傳感器要將檢測(cè)到的瓦斯?jié)舛葴?zhǔn)確地傳給井下分站，本設(shè)計(jì)采用的是RS485總線傳輸。控制繼電器將瓦斯電橋檢測(cè)電路斷開(kāi)，保護(hù)瓦斯傳感元件。如圖413所示。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到瓦斯?jié)舛仍?4％時(shí)，控制繼電器將瓦斯檢測(cè)電橋電路斷開(kāi)，關(guān)閉電源供電，從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)斷電保護(hù)功能。需要電路具有自保護(hù)功能，自動(dòng)斷電關(guān)閉測(cè)量電橋電路 。如果瓦斯?jié)舛雀哂?4％，會(huì)對(duì)瓦斯傳感元件造成很大的沖擊而導(dǎo)致不能正常工作。 聲光報(bào)警電路如圖 412所示。 單片機(jī)通過(guò)管腳 。發(fā)音元件采用壓電蜂鳴器，只需在其兩條引線上加 3V～ 24V的直流電壓，本設(shè)計(jì)采用的是直流 5V的蜂鳴器。只要光耦合器質(zhì)量好，電路參數(shù)設(shè)計(jì)合理，一般故障少見(jiàn)。 實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警的接口電路比較簡(jiǎn)單。本系統(tǒng)的報(bào)警電路包括二極管發(fā)光報(bào)警和鳴音報(bào)警兩種方式。 4． 12 聲光報(bào)警電路 聲光報(bào)警是甲烷傳感器必須有到功能，在測(cè)量瓦斯?jié)舛鹊倪^(guò)程中，當(dāng)檢測(cè)到濃度超過(guò)安全值時(shí)，就要提醒井下人員采取措施了，這時(shí)候就要報(bào)警了。 AT24C16與單片機(jī)的連接如圖 412所示。由于本設(shè)計(jì)采用的單片機(jī)無(wú) CI2 總線接口，所以采用軟件模擬 CI2 總線接口來(lái)訪問(wèn) AT24C16。本設(shè)計(jì)采用了非易失性電可擦 除的存儲(chǔ)器 AT24C16，來(lái)存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)。 411 時(shí)鐘電路 第 28 頁(yè) AT24C16電路 瓦斯安全濃度的設(shè)定是上位機(jī)來(lái)設(shè)定的，必須將安全濃度存儲(chǔ)在非易失的存儲(chǔ)器中，將非線性修正系數(shù)也要進(jìn)行永久存儲(chǔ)，這些數(shù)據(jù)都需要掉電保護(hù)。其振蕩周期為 1／ 12 us，時(shí)鐘周期為 1／ 6 us，機(jī)器周期為 l us。本系統(tǒng)選用內(nèi)部自激振蕩。 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)時(shí)鐘是一切微處理器、微控制器內(nèi)部電路工作的基礎(chǔ)，振蕩周期和時(shí)鐘周期又決定了 CPU的時(shí)序。正常供電電壓偶爾降到復(fù)位門(mén)限以下時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生上電復(fù)位。 按鍵復(fù)位電路如圖 410所示： 第 27 頁(yè) 410 AT89C52 按鍵復(fù)位圖 單片機(jī)的 RST端接在 CH451的 RST端，啟動(dòng)看門(mén)狗復(fù)位。復(fù)位電路包括內(nèi)、外兩部分。 （ 4） I/O端口 P0、 P P2和 P3。 XTAL2（引腳 18）：振蕩器反相放大器的輸出端，振蕩電路的頻率就是晶體振蕩器的固有頻率。 XTAL1（引腳 19）：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 EA/ ppV （引腳 31）：外部程序儲(chǔ)存器地址允許輸入端 /固化編程電壓輸入端。 ALE/ PROG（引腳 30）：地址鎖存允許信號(hào)端。 （ 2） 控制信號(hào)引腳 RST、 ALE/ PROG、 PSEN、 EA/ppV 。 ccV （引腳 40）：電源端，為 +5V。 本次設(shè)計(jì)采用雙列直插式封裝的 AT89C52芯片，給出引腳配置如圖 49所示 。設(shè)計(jì)所用的外圍芯片大都是串行口，占線比較少，數(shù)據(jù)傳輸更安全可靠，抗干擾更強(qiáng)。所以本設(shè)計(jì)不用擴(kuò)展片外存儲(chǔ)器。 2個(gè)外部中斷源。 89C52單片機(jī)由中央處理器（ CPU）、程序存儲(chǔ)器（ ROM）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）、串行接口、并行 I/O接口、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等組成。元件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS— 51指令系統(tǒng)及 8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用 8位中央處理器（ CPU）和Flash存儲(chǔ)單元。 AT89C52單片機(jī)是一個(gè)低電壓、高性能 8位 CMOS單片機(jī)，屬于 MCS— 51系列的單片機(jī)。 PIC系列單片機(jī)編譯器價(jià)格比較昂貴 。數(shù)據(jù)處理量不是很大，通用的 8位 5l單片機(jī)即可滿(mǎn)足功能需求。確定好 CPU是關(guān)鍵的部分。單片機(jī)自身的復(fù)位電路、時(shí)鐘電路等也是非常重要的。 其 連接電路如圖 47所示。時(shí)鐘信號(hào)由 ，每產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘脈沖，由，直到經(jīng)過(guò) lO個(gè)時(shí)鐘脈沖，讀取 lO位由高位到低位元的數(shù)據(jù)之后， CS置為低電平。 (3)在 I/O CLOCK的第 3個(gè)下降沿，模擬輸入電壓開(kāi)始對(duì)電容數(shù)組充電并一直充電到 I／ O CLOCK的第 lO個(gè)下降沿，此為取樣保持階段。 I／ O CLOCK的下一個(gè)下降沿把 DATA OUT驅(qū)動(dòng)至與次最高有效位相對(duì)應(yīng)的邏輯電平，其余的位被依次移出， LSB出現(xiàn)在 I/O CLOCK的第九個(gè)下降沿。 TLC1549的工作原理： (1)當(dāng) CS為高電平時(shí)， A／ D轉(zhuǎn)換結(jié)果的串行輸出端 DATA OUT端處于高阻狀態(tài)；當(dāng) CS為低電平時(shí)，此端有效，可以數(shù)據(jù)輸出。 TLC1549有 6種基本的串行口定時(shí)方式可供使用，這些方式由 I/O CLOCK的速度和 CS的操作所決定。 隨著技術(shù)的進(jìn)步，逐次逼近型 A／ D轉(zhuǎn)換器的性能價(jià)格比有了很大的提 高，特別是帶串行控制的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn)，為逐次逼近型 A／ D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用創(chuàng)造了方便條件。 A／ D轉(zhuǎn)換器部分 目前應(yīng)用較廣泛的主要有三種類(lèi)型：逐次逼近式 A／ D轉(zhuǎn)換器、雙積分式 A／D轉(zhuǎn)換器和 V／ F變換式 A／ D轉(zhuǎn)換器。這樣小信號(hào)經(jīng)過(guò)兩極放大器得到了一個(gè) 放大 50倍的一個(gè)電壓信號(hào)。 2R = 1R // 2R ， 0R =lK。 本設(shè)計(jì)采用同相輸入端，接法如圖 46所示： 46 CA3140 放大器連接電路 第 23 頁(yè) 雖然共模電壓存在，但共模抑制比非常高，所以不會(huì)影響差模信號(hào)的放大。 當(dāng)為反相端輸入時(shí)，同相端接地，共模電壓為 0，但輸入電阻不高。可用于采樣／保持電路、有源濾波器、峰值檢測(cè)器、電壓比較器、穩(wěn)壓電源系統(tǒng)、告警電路、電池供電便攜式儀器以及自動(dòng)控制系統(tǒng)器等領(lǐng)域。對(duì)于任意增益值，外加電阻可由以下公式計(jì)算： )1(100 ?? GKRG 本設(shè)計(jì)是通過(guò) AD623 將傳感元件測(cè)量的電壓小信號(hào)放大 25 倍，故 RG=4K。在無(wú)外接電阻條件下， AD623被設(shè)置為單位增益 (G=1)，在接入外接電阻后， AD623可編程設(shè)置增益，其增益最高可達(dá)1000倍。 AD623允許使用單個(gè)增益設(shè)置電阻進(jìn)行增益編程。 45 測(cè)量放大器連接電路 如圖所示，是由 AD623構(gòu)成的放大電路，旁路電容 C1起電源解