【正文】 the extraction rooms are ?lled and a new level further down along the decline is bored. All equipment have to be moved and recon?gured in the new level. Hence mining is like a mobile process industry. Obviously there is a clear economic bene?t in fast remissioning of the ventilation control system. In this context, the idea of having wireless access to the sensors as well as fan control inputs is quite natural. Moreover, wiring is unfeasible in the extraction rooms because of blasting and drilling operations.III. CONTROL OBJECTIVES AND PROPOSED WIRELESSCONTROL ARCHITECTURECurrently, the ventilation is achiev。祝恩師身體健康，家庭幸福！感謝論文中引文的原作者，他們都是學(xué)術(shù)界的名師大家，大師風(fēng)范，高山仰止。同時(shí)也要謝謝在一起愉快的度過畢業(yè)論文小組的同學(xué)們，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個(gè)一個(gè)的困難和疑惑，直至本文的順利完成。施老師不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，同時(shí)還在思想、生活上給我以無微不至的關(guān)懷，在此謹(jǐn)向施老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。本研究及學(xué)位論文是在我的導(dǎo)師施云波老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。如果在控制算法上再做出進(jìn)一步研究，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)會(huì)更具有意義。 2. 基于MSP430內(nèi)核的處理器功能強(qiáng)大，還可以在現(xiàn)有基礎(chǔ)上加入其它功能，使數(shù)據(jù)采集，人機(jī)接口，風(fēng)機(jī)控制，數(shù)據(jù)通信等多任務(wù)并行處理，增強(qiáng)處理器工作的實(shí)時(shí)性，使得系統(tǒng)工作效率更高。針對(duì)本文的研究結(jié)果，今后有條件時(shí)可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行全面的測(cè)量，這樣可以對(duì)這些理論成果加以補(bǔ)充完善，以便更好的在實(shí)際系統(tǒng)中運(yùn)行。從總體上說，將基于單片機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用在通風(fēng)系統(tǒng)中建立智能控制系統(tǒng)是可行的，具有自動(dòng)化水平高、節(jié)約能耗等特點(diǎn)，有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，為以后礦山通風(fēng)自動(dòng)化的發(fā)展提供了理論上的依據(jù)。分別研究了一氧化碳測(cè)量、風(fēng)速測(cè)量、溫度測(cè)量、粉塵檢測(cè)及聲光報(bào)警、電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在硬件設(shè)計(jì)過程中，主控制器選用性能較好的16位MSP430微控制器，外圍電路設(shè)計(jì)均采用目前較為成熟、廣泛的電路，使系統(tǒng)控制性能大大提高。 完成的主要工作有：1. 本課題主要應(yīng)用單片機(jī)控制技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)，控制礦山井下污染物濃度。 56 結(jié)論本課題主要了研究礦山通風(fēng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，其中給出了CO、風(fēng)速、溫度、粉塵傳感器的設(shè)計(jì)，通過單片機(jī)的命令將結(jié)果通過顯示器及報(bào)警傳送給管理人員進(jìn)行操作。千萬(wàn)不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印。聲光報(bào)警的程序也由主程序和通訊中斷程序兩部分組成，主程序根據(jù)主控系統(tǒng)傳送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并按規(guī)定格式顯示、循環(huán)掃描并轉(zhuǎn)到相應(yīng)的處理程序，通過中斷程序則完成與主控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換功能。主控系統(tǒng)的程序由主程序和中斷服務(wù)程序組成，主程序控制MSP430微機(jī)控制器的主要工作流程，完成實(shí)現(xiàn)模擬量的采集和相應(yīng)數(shù)據(jù)處理，控制計(jì)算，控制命令的發(fā)出以及限制、保護(hù)等功能。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊完成特定的功能，由單片機(jī)以命令的形式統(tǒng)一調(diào)用。 軟件設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)軟件有以下四個(gè)主要部分：主程序、串口接收中斷服務(wù)程序、外中斷服務(wù)程序、A/D中斷服務(wù)程序、定時(shí)器中斷服務(wù)程序。Aout和Bout于電機(jī)相連。由于UC3717A包含1個(gè)H橋，因此使用兩個(gè)UC3717A就能構(gòu)成完整的驅(qū)動(dòng)電路，如圖410所示：圖410 驅(qū)動(dòng)電路圖410所示是驅(qū)動(dòng)電路的一部分，因?yàn)閁C3717A芯片只有一個(gè)H橋，因此完成整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路需要兩個(gè)圖中的電路。 驅(qū)動(dòng)電路：電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路主要由驅(qū)動(dòng)芯片組成，有前面的可知：本系統(tǒng)使用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片是UC3717A。 由圖48可以看到，該電源電路很簡(jiǎn)單，只需要簡(jiǎn)單的外圍器件。區(qū)別于其他電機(jī)的最大特點(diǎn)是：它通過輸入脈沖信號(hào)來控制，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖頻率決定[18]。步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角度，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合單片機(jī)的控制。圖48 電源及控制電路 電機(jī)驅(qū)動(dòng)在控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)使用非常廣泛。 電路元件：電路中V1采用LM321，V2為10106，V3為NE556，V4為1011。 抗干擾：為避免電源開機(jī)和清潔階段的誤動(dòng)作，特設(shè)計(jì)抗干擾電路，如圖45，圖48中的T4，T5和R9，C3等元件，其中T4和T5主要消除CO傳感器輸出的微弱誤差，R9和C3主要清除剛開機(jī)時(shí)的誤動(dòng)作。瞬時(shí)高濃度極限報(bào)警電路比較器由V1b構(gòu)成，R11，R12，R13構(gòu)成的分壓器給定基準(zhǔn)電壓，當(dāng)放大器U送來的信號(hào)超過此基準(zhǔn)電壓時(shí)，V1b動(dòng)作，一路送至顯示電路，一路送至報(bào)警和控制電路，使它們動(dòng)作。傳感器及高濃度極限報(bào)警信號(hào)處理電路圖：圖45中CO傳感器Q和U組成檢測(cè)及放大電路，其中R7/R5確定了放大器的增益，R1*R4作為補(bǔ)償氣敏元件的溫度變化元件可使電路適應(yīng)不同的環(huán)境溫度。當(dāng)空氣中CO濃度維持在此報(bào)警限上達(dá)到一定時(shí)間后，啟動(dòng)聲光報(bào)警電路并使驅(qū)動(dòng)電路工作帶動(dòng)排氣風(fēng)扇工作，或使其他空氣交換設(shè)備工作，及時(shí)稀釋排除污濁空氣。器件的電流隨著被測(cè)氣體濃度而變化，從而在負(fù)載電阻上取得正比于被測(cè)環(huán)境中的CO含量的信號(hào)電壓Vt，經(jīng)放大和處理后的信號(hào)分別送到比較器1和比較器2與設(shè)定的報(bào)警限進(jìn)行比較。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(cè)。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(bào)警本裝置中通過對(duì)礦井空氣中的CO含量的測(cè)定和時(shí)間的測(cè)定，可實(shí)現(xiàn)對(duì)高濃度下的急性CO中毒進(jìn)行瞬時(shí)報(bào)警和對(duì)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(bào)警。正常工作界面的第一行顯示已設(shè)置的報(bào)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。 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(diǎn)陣數(shù)為128*64，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置國(guó)標(biāo)GB2312碼簡(jiǎn)體中文庫(kù)（16*16點(diǎn)陣）8192個(gè)漢字、128個(gè)字符（8*16點(diǎn)陣）及64*256點(diǎn)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(gè)管腳，管腳功能及定義如表41：表41 12864引腳說明引腳序號(hào)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(dòng)電壓的輸入端4RS(CS)H/L并行方式時(shí)為指令/數(shù)據(jù)選擇信號(hào) 5R/W(SID)H/L并行時(shí)為讀寫選擇信號(hào)；串行時(shí)為數(shù)據(jù)口6E(CLK)H/L并行的使能信號(hào)；串行的同步時(shí)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。430單片機(jī)整個(gè)管腳十分簡(jiǎn)單，如圖41所示。而430單片機(jī)因?yàn)橐M(jìn)了flash和JTAG技術(shù)，使其可以在線調(diào)試，而且430單片機(jī)的JTAG制作相對(duì)來說是最簡(jiǎn)單的，價(jià)格最低的，只需通過電腦的并口利用一個(gè)芯片和幾個(gè)電阻、電容就可以實(shí)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]。調(diào)試器的作用是調(diào)試代碼運(yùn)行的效果，下載器的作用是將編譯好的代碼下載到單片機(jī)芯片內(nèi)部的ROM。第三個(gè)原因是開發(fā)工具簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。在單片機(jī)程序中常會(huì)用到延時(shí)函數(shù)，結(jié)果單片機(jī)的大部分時(shí)間都浪費(fèi)在了延時(shí)功能上，一段好的程序應(yīng)該是多用中斷、少用延時(shí)。430的單片機(jī)有多種中斷源供選擇，而且各個(gè)中斷可以實(shí)現(xiàn)任意嵌套，430單片機(jī)從低功耗模式到被中斷喚醒只需要6us。而且其內(nèi)部的ROM和RAM很大，分別為60KB和2KB。被廣泛應(yīng)該的第二個(gè)原因是芯片內(nèi)部功能模塊齊全。在1MHz的時(shí)鐘下運(yùn)行時(shí)芯片的電流約為200～400uA，；而51系列單片機(jī)在處理相同任務(wù)量時(shí)的電流要24mA，待機(jī)狀態(tài)下仍為3mA，耗電量是430單片機(jī)的30000倍。430單片機(jī)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(jī)在8MHz的晶體振蕩器驅(qū)動(dòng)下，其指令周期僅為125ns。其性能強(qiáng)大、功耗低是其他單片機(jī)所無法比擬的。 美國(guó)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(hào)處理器MSP430單片機(jī)，MSP的意思是Mixed Signal Processor。單片機(jī)就是將電腦的各個(gè)模塊縮小封裝到一個(gè)很小的芯片里所形成的電路。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(qiáng)大，運(yùn)算速度快。在單片機(jī)沒有出現(xiàn)以前，電路的計(jì)算功能十分有限，可能一個(gè)很簡(jiǎn)單的邏輯判斷需要用好幾片74系列的數(shù)字芯片才能實(shí)現(xiàn)。在核心板處理部分單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的重點(diǎn)，單片機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制，對(duì)數(shù)據(jù)處理。 本章小結(jié) 本章講述了系統(tǒng)各個(gè)模塊的電路原理和實(shí)際的電路連接。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(diǎn)。圖313 減法器3) 采樣/保持電路 在A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的過程中，需要有一定的穩(wěn)定時(shí)間，這就是說，為了保持A/D轉(zhuǎn)換的精度，在轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)信號(hào)應(yīng)保持在采樣時(shí)的幅度值不變。其連接電路如圖311。 前面已經(jīng)介紹過，因?yàn)楸粶y(cè)對(duì)象是微弱電流信號(hào)，放大容易引起電壓和電流的失調(diào)，以及零點(diǎn)漂移、自激干擾，所以第一級(jí)的電壓電流轉(zhuǎn)換放大選用自穩(wěn)零斬波運(yùn)算放大器ICL7650。由于是微弱信號(hào)的放大信號(hào)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(jí)，即轉(zhuǎn)換級(jí)。 模擬信號(hào)處理 模擬信號(hào)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(hào)處理成適合A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)，所以該處理系統(tǒng)包括信號(hào)放大器、減法器和采樣/保持電路。光電轉(zhuǎn)換的基本原理是利用光電轉(zhuǎn)換器件，當(dāng)被測(cè)光照射到光探測(cè)器上時(shí)，產(chǎn)生相應(yīng)的光電流，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。圖310是電路原理流程圖。它是由本征硅材料摻入濃度約為1016~1019個(gè)/cm3雜質(zhì)原子制成的。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。衡量光電探測(cè)器主要性能的參數(shù)有兩個(gè)：一個(gè)是響應(yīng)時(shí)間，一個(gè)是暗電流。 探測(cè)器：接收器也即是光電探測(cè)器，本光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的原始信號(hào)是光信號(hào)，為了將它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)便于觀察或進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，選擇合適的光電探測(cè)器件是十分必要的。這就是透射式光學(xué)粉塵濃度監(jiān)測(cè)的依據(jù)。 ，入射光強(qiáng)隨著它深入介質(zhì)的厚度L做指數(shù)衰減。（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)。圖39 透射式光學(xué)測(cè)塵儀原理圖 （36）： (36) 式中：α—介質(zhì)對(duì)光的吸收系數(shù)，它是個(gè)與光強(qiáng)無關(guān)的量。透射式光學(xué)測(cè)塵儀就是以朗伯比爾定律為基礎(chǔ)，通過測(cè)量入射光強(qiáng)與出射光強(qiáng)，經(jīng)過計(jì)算得到粉塵濃度[17]。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)。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(shí)候要注意位置，一定要離單片機(jī)的A/D端口近，～2V的電壓會(huì)因?yàn)榈仉妷浩贫档?。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(hào)變換為電壓信號(hào)，對(duì)應(yīng)0～20m/～2V電壓，此電壓接入MCU的A/D端口[2]。本系統(tǒng)采用的風(fēng)速傳感器為WD4110型號(hào)，該型號(hào)風(fēng)速變送器是專為測(cè)量管道風(fēng)速進(jìn)行研發(fā)，分為測(cè)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(cè)量，具有抗污染能力強(qiáng)，安裝簡(jiǎn)便，性價(jià)比高，維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。為了保證傳感器具有足夠的剛度，[12, 13]。用皮托管式風(fēng)速傳感器測(cè)出的壓差信號(hào)與空氣流速呈二次曲線關(guān)系，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(35)： ΔP=(Kρ/2)V2 (35)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(cè)點(diǎn)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(duì)氣流干擾越小，測(cè)量精度越高。％FS。不怕污染，耐腐蝕，