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基于MSP430F135单片机与DSl8820芯片设计煤矿瓦斯浓度无线监测系统

2020年01月10日 16:31 次阅读

引言

煤炭作为一种重要的能源,在工业生产等许多方面发挥着举足轻重的作用,关系着国民经济的命脉。煤炭开采中的安全问题一直是受到极大重视的。如果一旦出现安全问题,不仅会造成巨大的经济损失,而且直接威胁到煤炭工人的生命安全。近年来,我国煤炭开采的安全问题形势不容乐观,各地矿难时有发生,特别是一些小煤矿更存在着严重的安全隐患。所以,采取现代安全监测措施势在必行。

随着科学技术的不断进步,煤炭开采中安全监测的现代化步伐也在不断前进。煤矿安全监测的参数有很多,其中瓦斯浓度是个很重要的参数.如果浓度过大,容易造成爆炸危险,后果不堪设想,同样温度也是一个很重要的参数。

很多系统采用有线传输的方式,但存在着布线困难,价格昂贵的缺点。基于以上,本文设计了一种煤矿温度和瓦斯浓度无线监测系统。

1 、系统组成及工作原理

整个系统由主控室PC机、上位机、下位机组成,通信采用无线通信方式,系统整体框图如图1所示。

基于MSP430F135单片机与DSl8820芯片设计煤矿瓦斯浓度无线监测系统

整个系统包括240个下位机、一个上位机和一台PC机。本系统采用无线通信方式,上位机发同步信号,下位机依次在各自时隙向上位机发送数据,每隔15分钟发送一次。瓦斯传感器将瓦斯浓度转化为电信号,输出的电压幅值和浓度成正比,温度传感器使用数字温度传感器。下位机由单片机和无线收发模块组成,用于现场监测,对采集到的数据进行打包,并通过无线收发模块将数据传给上位机。上位机也是由单片机和无线收发模块组成,主要作用是负责整个系统的同步和接收下位机发送来的数据,并转发给PC机。

本系统采用TI公司生产的MSP430F135单片机,它具有以下特点:功耗低,工作电流是微安级;速度快,最快指令周期达到125 ns,外围部件丰富,拥有A/D转换器,比较器,两个16位定时器,6个8位并行端口等。无线通信采用CHIPCON公司生产的CCl000无线收发芯片,它工作在300 MHz~1 000 MHz范围内的ISM频段,通常应用于低功耗无线通信。温度传感器使用DALLAS公司的DSl8820。瓦斯传感器使用我国自己生产的MJC4/3.0L。

2、 数据的采集

DSl8820采用单总线通信方式,与单片机连接时只需要外接一个5.1 kΩ左右的上拉电阻,选用外部电源供电,外围电路简单明了。测温的范围是一55℃~+125℃。转换结果为9~12位,当结果为12位时,最小分辨率可以达到O.062 5℃。在本系统中,在初始化阶段将转换结果设置为9位,相应的分辨率为O.5℃,并且完成一次转换只需要93.75 ms,远远小于12位转换时所需的750 ms。由于在数据帧中用一个字节表示温度,所以要进行一次右移,结果为整数。

每次数据发送之前进行10次温度数据的采集,然后取平均值,以保证数据更加可靠、准确。

MJC4/3.0L型催化元件根据催化燃烧效应的原理工作,由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂,遇可燃性气体时检测元件电阻升高,桥路输出电压变化,该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大,补偿元件起到温湿度补偿作用。它具有以下特点:桥路输出电压呈线性,响应速度快,元件工作稳定,能够抗H2S中毒。被广泛应用于工业现场的天然气、液化气、煤气、烷类等可燃性气体及汽油、醇、酮、苯等有机溶剂蒸汽的浓度检测。

在本系统中MJC4/3.OL后接放大电路,瓦斯浓度是一个变化的量,相应的输出电压也就跟着变化,在实际中,工作人员希望得到的是比较准确的峰值,所以本系统采用了峰值检测电路,如图2所示。

基于MSP430F135单片机与DSl8820芯片设计煤矿瓦斯浓度无线监测系统

每次瓦斯浓度测量之前,断开开关K,延时50 ms,以采集峰值。用50 ms进行A/D转换并且将数据存储,定时到时合上开关K,放电。同样。每回发送数据之前进行10次数据采集并取平均。如果得到的结果大于设定的电压,下位机报警,现场发光二极管闪烁。

3 、系统工作流程

本系统是无线监测系统,下位机电路采用锂电池供电,要求连续工作1年以上,因此在设计系统流程时首先要考虑能耗问题。由于瓦斯和温度的变化是一个比较缓慢的过程,只要15分钟进行一次数据收发即可,因此可让传感器电路在绝大多数时间内处于睡眠状态,以节约能耗。无线收发芯片CCl000的工作电流约为10 mA,而在睡眠状态下仅有1μA;射频功放在发送数据时耗电约为70 mA。

MSP430F135单片机的工作电流为300μA,在睡眠状态下不到2μA。

为了节约能耗,将15分钟分成90个时隙。上位机每隔lO s发一次时隙代码Tc,Tc=0x00~0x59,每次发完后转到接收状态。上位机发送的数据帧包括4个字节的前导码,1个字节的开始界定符0xF3,1个字节时隙代码TC,并加上一个字节的CRC校验码提高无线传输的可靠性,因此一个数据帧共有7个字节,约需要12 ms。(CCl000的传信率设置为4.8 kbps)

下位机要发送的数据包括4个字节的前导码,1个字节的开始界定符0xF2,1个字节的地址码,1个字节的温度值数据。1个字节的瓦斯浓度数据,加上1个字节的CRC校验码。因此一个数据帧共有9个字节。这样发送数据需要15 ms。

在此基础上,设计了无线监测系统流程,给每台下位机分配20 ms的发送时间,240台下位机(序号从0x01到0xF0)完成一次通信共需要4.8 s。

下位机流程如下:

(1)下位机初始化后转到接收状态;收到时隙代码Tc后计算睡眠时间t,进入睡眠。t=lO×(90一Tc)一1.5 s.

同时将定时器t2清零并开始定时。

(2)定时器t2结束时,t2清零,开始执行信号采集子程序。

(3)当t2=1 s时,断开信号采集电路,并转到接收状态。

(4)当t2=1.5 s时,接收同步信号0x00,并根据本机地址码n计算发送数据的时刻

t1=(n一1)×20 ms.

同时将定时器t1、t2清零,开始定时,下位机进入睡眠状态。

(5)第n个下位机在tl=(n一1)×20 ms时被唤醒并发送数据,发送完后再次进入睡眠状态,转到步骤(2)。上位机的流程较为简单,下面只给出下位机工作的流程图,如图3所示。

基于MSP430F135单片机与DSl8820芯片设计煤矿瓦斯浓度无线监测系统

4 、结束语

本系统有效地采集了煤矿井下多个测点的温度和瓦斯浓度;低功耗工作延长了系统的工作寿命;无线传输降低了系统的复杂度和布线费用。系统具有很高的可靠性和性价比。

责任编辑:gt

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