【正文】 測(cè)系統(tǒng)及其單片機(jī)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí) 10 安全監(jiān)控系統(tǒng)主要用來監(jiān)測(cè)甲烷濃度、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度、氧氣濃度、硫化氫濃度、風(fēng)速、負(fù)壓、濕度、溫度、風(fēng)門狀態(tài)、風(fēng)窗狀態(tài)、風(fēng)筒狀態(tài)、局部通風(fēng)機(jī)開停、主通風(fēng)機(jī)開停、工作電壓、工作電流等，并實(shí)現(xiàn)甲烷超限聲光報(bào)警、斷電和甲烷風(fēng)電閉鎖控制等。因此，難以滿足煤礦對(duì)礦井監(jiān)控提出的越來越高的要求。這些系統(tǒng)均采用集中監(jiān)控，每路信號(hào)使用一對(duì)電纜芯線接至總控制臺(tái)、總控盤使用指示燈顯示設(shè)備狀態(tài)，為形象直觀、常常將設(shè)備圖形等制成背景，在被監(jiān)控的蕾處設(shè)置指示燈，如圖 12所示。 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 任務(wù)一 煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其單片機(jī)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí) 8 在發(fā)展甲烷遙測(cè)系統(tǒng)的同時(shí)，為了保證軌道運(yùn)輸、提升運(yùn)輸、膠帶運(yùn)輸?shù)冗\(yùn)翱統(tǒng)的安全、提高生產(chǎn)率和設(shè)備利用率，推廣應(yīng)用了模擬盤調(diào)度系統(tǒng)。 遙測(cè)儀對(duì)接收到的調(diào)制信號(hào)解調(diào)后顯示，并進(jìn)行報(bào)警判別，當(dāng)甲烷濃度超過報(bào)警限時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。 甲烷傳感器將被測(cè)甲烷濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)送斷電儀，并具有甲烷濃度顯示和甲烷度超過報(bào)警門限后聲光報(bào)警功能。 遙測(cè)儀 記錄儀 斷電儀 斷電儀 甲烷傳感器 甲烷傳感器 被控開關(guān) 交流電 圖 11 早期的礦井監(jiān)控系統(tǒng) 返回 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 任務(wù)一 煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其單片機(jī)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí) 7 瓦斯遙測(cè)系統(tǒng)是用來監(jiān)控井下環(huán)境中甲烷濃度的監(jiān)控系統(tǒng)，并具有瓦斯超限聲光報(bào)警和斷電功能。通過了解主流單片機(jī)型號(hào)及種類，并能通過查找資料確定單片機(jī)的主要性能，進(jìn)而選擇合適型號(hào)的單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì) 。為能正確地編制程序并設(shè)計(jì)外圍電路，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)，首先必須先認(rèn)識(shí)單片機(jī)實(shí)物并掌握單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等相關(guān)知識(shí)。因此，只有通過了解單片機(jī)的發(fā)展過程及產(chǎn)品近況，掌握當(dāng)前市場(chǎng)主流單片機(jī)型號(hào)、種類及其特點(diǎn)才能設(shè)計(jì)出滿足工作要求的單片機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)技術(shù)發(fā)展十分迅速，產(chǎn)品種類琳瑯滿目。 前言 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 任務(wù)一 煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其單片機(jī)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí) 3 一、任務(wù)描述 二、任務(wù)分析 三、相關(guān)知識(shí) 四、任務(wù)布置 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 任務(wù)一 煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其單片機(jī)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí) 4 單片機(jī)在礦山監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用十分廣泛，而單片機(jī)的使用方法是掌握單片機(jī)系統(tǒng)的前提。這主要體現(xiàn)在電氣防爆、傳輸距離遠(yuǎn)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)宜采用樹形結(jié)構(gòu)、監(jiān)控對(duì)象變化緩慢、電網(wǎng)電壓波動(dòng)適應(yīng)能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、抗故障能力強(qiáng)，不宜采用中繼器、傳感器宜采用遠(yuǎn)程供電、設(shè)備外殼防護(hù)性能要求高等方面。由于煤礦井下是一個(gè)特殊的工作環(huán)境，有瓦斯 (主要成份是甲烷 )等易燃、易爆性氣體，有硫化氫等腐蝕性氣體，有淋水、環(huán)境潮濕、空間狹小、礦塵大，電磁干擾嚴(yán)重、電網(wǎng)電壓波動(dòng)大、工作場(chǎng)所分散且距離遠(yuǎn)。平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 單片機(jī)原理及應(yīng)用 任務(wù)一 煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其單片機(jī)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí) 地面中心站 井下分站 智能傳感器 通信 通信 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 任務(wù)一 煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其單片機(jī)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí) 2 礦山監(jiān)控系統(tǒng)是煤炭高產(chǎn)、高效、安全生產(chǎn)的重要保證。世界各主要產(chǎn)煤國(guó)對(duì)此都十分重視，推廣使用了環(huán)境安全、軌道運(yùn)輸、膠帶運(yùn)輸、提升運(yùn)輸、供電、排水、礦山壓力、火災(zāi)、水災(zāi)、煤與瓦斯突出、大型機(jī)電設(shè)備健康狀況等監(jiān)控系統(tǒng)，提高了生產(chǎn)率和設(shè)備利用率，增強(qiáng)了礦山安全。因此，礦山監(jiān)控系統(tǒng)不同于一般工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。采用監(jiān)控系統(tǒng)后，保障煤炭高產(chǎn)、高效安全生產(chǎn)，具有重大的實(shí)用價(jià)值。因此，只有真正掌握了單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)組成，才能夠根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇合適的指令編制程序，設(shè)計(jì)外圍電路，才能確保單片機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成。為滿足工業(yè)控制的要求，選擇合適型號(hào)的單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)是每一個(gè)單片機(jī)使用者必須掌握的技能。 一、任務(wù)描述 返回 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 任務(wù)一 煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其單片機(jī)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí) 5 二、任務(wù)分析 單片機(jī)的元件識(shí)別主要包括認(rèn)識(shí)單片機(jī)實(shí)物，掌握單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，了解單片機(jī)擴(kuò)展芯片，了解單片機(jī)電路系統(tǒng)構(gòu)成等。單片機(jī)的發(fā)展分類主要包括單片機(jī)的發(fā)展過程及產(chǎn)品近況，了解當(dāng)前市場(chǎng)主流單片機(jī)型號(hào)及種類，了解單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域等。 返回 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 任務(wù)一 煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其單片機(jī)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí) 6 三、相關(guān)知識(shí) （一）早期的礦山監(jiān)控系統(tǒng) 礦山監(jiān)控系統(tǒng)是由瓦斯遙測(cè)系統(tǒng)發(fā)展而來的，如圖 1— 1所示。瓦斯遙測(cè)系統(tǒng)一般由甲烷傳感器、斷電儀、遙測(cè)儀和記錄儀組成。 斷電儀對(duì)甲烷傳感器送來的甲烷濃度信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，將調(diào)制后的信號(hào)經(jīng) 2芯礦信號(hào)電纜遠(yuǎn)距離傳送至位于地面的遙測(cè)儀。記錄儀將甲烷濃度實(shí)時(shí)記錄下來 。例如，用于軌道運(yùn)輸監(jiān)控的信、集、閉系統(tǒng)，用于提升運(yùn)輸監(jiān)控的信號(hào)系統(tǒng)和用于膠帶運(yùn)輸監(jiān)控的信號(hào)系統(tǒng)等。 圖 1— 2模擬盤調(diào)度系統(tǒng) 模擬盤 繼電器及被控開關(guān) 繼電器及被控開關(guān) 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 任務(wù)一 煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其單片機(jī)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí) 9 （二）礦山監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀 早期的瓦斯遙測(cè)系統(tǒng)和模擬盤調(diào)度系統(tǒng)雖在煤礦安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)率和設(shè)備利用率方面起到了重要作用，但由于這些系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)單一，監(jiān)測(cè)容量小，電纜用量大、系統(tǒng)性能價(jià)格比低。 隨著傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息傳輸技術(shù)的發(fā)展和在煤礦的應(yīng)用，為適應(yīng)機(jī)械化采煤的需要，礦井監(jiān)控系統(tǒng)由早期的單一參數(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，發(fā)展為多參數(shù)單方面監(jiān)控系統(tǒng)。 這些系統(tǒng)一般由傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、分站、電源箱 (或電控箱 )、主站、主機(jī) (含顯示器 )、打印機(jī)、模擬盤、多屏幕、 UPS電源、遠(yuǎn)程終端、電纜和接線盒等組成，如圖 13所示。分站接收來自傳感器的信號(hào)．并按預(yù)先約定的復(fù)用方式(時(shí)分制或頻分制等：遠(yuǎn)距離傳送給主站 (或傳輸接口 )，同時(shí)，接收來自主站 (或傳輸接口 )多路復(fù)用信。分站還具有線性校正、超限判別、邏輯運(yùn)算等。傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)距分站的最大傳輸距離一般不大于 2lKm。因此 現(xiàn)有礦井監(jiān)控系統(tǒng)均為主從式傳輸，如圖 14所示。 圖 14傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用星形結(jié)構(gòu)與分站連接 分站 傳感器 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 任務(wù)一 煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其單片機(jī)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí) 14 （ 三）礦山綜合監(jiān)控系統(tǒng) 礦山綜合監(jiān)控系統(tǒng)是一種可用于全面綜合監(jiān)控，又可實(shí)現(xiàn)某些或某個(gè)方面監(jiān)控的多參數(shù)、多功能系統(tǒng)。如圖 15所示。以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。 傳感 元件 放大電路 小信號(hào)檢測(cè) A/D 轉(zhuǎn)換 器 單片機(jī) 最 小系統(tǒng) 顯示電路 聲光 報(bào)警電路 信號(hào)輸出 電路 圖 16智能傳感器 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 任務(wù)一 煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其單片機(jī)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí) 16 （ 2）數(shù)字信號(hào)傳輸與多路復(fù)用 智能傳感器采用數(shù)字信號(hào)傳輸，多臺(tái)傳感器共享一根多芯電纜接成樹形結(jié)構(gòu)與智能監(jiān)控站相連。智能傳感器可直接接系統(tǒng)電纜，如圖 17所示。另一個(gè)原因是早期傳感器耗能大，一對(duì)芯線只能為一臺(tái)傳感器供電。若由 24V本安電源供電．供電電纜環(huán)路電陰為 26 n／ Km，其供電距離為 (24— 7)／ (0 3 261_2． 18Km。而目前傳感器的工作電流一般不大于 100mA，特別是一些溫度、開關(guān)量等傳感器工作電流不大于 10mA，從而解決了一對(duì)芯線為多臺(tái)傳感器遠(yuǎn)距離供電問題。 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 任務(wù)一 煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其單片機(jī)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí) 18 （ 3）就地控制 智能傳感器傳輸?shù)拇袛?shù)字信號(hào)除數(shù)據(jù) (模擬量傳感器 )或狀態(tài)(開關(guān)量傳感器 )外，還有報(bào)警、斷電等控制信號(hào)。傳感器直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，較經(jīng)分站控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有執(zhí)行速度可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)分站發(fā)生故障時(shí)，仍可執(zhí)行基本的控制。 現(xiàn)場(chǎng)總線與組態(tài)軟件技術(shù) 現(xiàn)場(chǎng)總線 (Field Bus)是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的多節(jié)點(diǎn)、數(shù)字式、雙向傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)；是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)飛速發(fā)展并在工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。現(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)控系統(tǒng)中的傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等具有檢測(cè)、變換、補(bǔ)償、運(yùn)算和控制等多種功能，控制權(quán)力進(jìn)一步下放，既提高系統(tǒng)可靠性和實(shí)時(shí)性，又降低了系統(tǒng)成本。 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 任務(wù)一 煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其單片機(jī)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí) 20 （四）礦井監(jiān)控系統(tǒng)的分類 礦井監(jiān)控系統(tǒng)可按監(jiān)控目的、使用環(huán)境、復(fù)用方式、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、信號(hào)、信號(hào)的傳輸方向、同步方式、調(diào)制方式等進(jìn)行分類。按使用環(huán)境不同可分為防爆型 (本質(zhì)安全型、隔爆兼本質(zhì)安全型、隔爆型等 )、礦用一般型、地面普通型和復(fù)合型 (由防爆型、礦用一般型和地面普通型中兩種或兩種以上構(gòu)成 )系統(tǒng)。按采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同可分為星形、環(huán)形、樹形、總線形和復(fù)合形 (同時(shí)采用星形、環(huán)形、樹形、總線形中兩種或兩種以上 )系統(tǒng)。按調(diào)制方式不同可分為基帶、調(diào)幅、凋頻和調(diào)相等系統(tǒng)。 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 任務(wù)一 煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其單片機(jī)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí) 21 （五） 51系列單片機(jī)概述 MCS51單片機(jī)是 Intel公司 20世紀(jì) 80年代初推出的高性能 8位單片機(jī)，其典型產(chǎn)品有 803 8051和 8751， 8031無片內(nèi) ROM， 8051內(nèi)部有 4KB掩膜 ROM， 8751內(nèi)部有 4KB EPROM，除此之外，三者的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳完全相同。 51系列單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，這個(gè)反相放大器的作用就是構(gòu)成振蕩器，但要形成時(shí)鐘，外部還需要加一些附加電路。 圖 18 內(nèi)部時(shí)鐘 平頂山