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温度测量在工业、民用、军事等领域占有重要的地位。
用于测试和确定电工、电子及其他产品及材料进行高温、低温、交变温度或恒定试验的温度环境的变化,判断当检测目标的温度值达到警示条件时发出警告信号。
随着煤炭工业的发展,安全问题日益成为迫切需要解决的首要问题。
由于煤矿井下生产过程复杂,环境条件恶劣,自然灾害多,所以经常会存在安全事故隐患。
在并下安全事故中,煤与瓦斯突出、透水与火灾是矿井的三大自然灾害,其中因瓦斯引起的事故尤为突出,据煤炭行业有关专家分析,瓦斯突出与矿井温度有着密切的关系,近年来有人探讨参考矿井中煤层温度的变化来预测瓦斯的突出:
而且,环境温度还对煤矿工人的健康有直接影响,所以对矿井中重要场所的温度进行监控在瓦斯灾害性事故预测、保障劳动环境等方面具有重要意义。
温度是表征物体冷热程度的物理量。
在工农业生产和日常生活中,对温度的测量及控制始终占据着重要位置。
温度传感器应用范围之广,使用数量之大,也高居各类传感器之首。
目前,温度传感器正向着单片集成化、智能化、网络化和单片系统化的方向发展。
由于煤矿井下工作环境的复杂性与特殊性,需检测的参数较多,加之《煤矿安全规程(2005)》新标准的实施,这就需要采用新技术、新工艺,研究设计符合新标准的矿用温度传感器。
第2章系统总体方案设计
2.1系统设计的整体原则
在设计一个矿用温度传感器测量系统时,首先要进行系统的总体方案设计,在设计中一般应考虑以下几点
1.遵循从整体到局部的设计原则。
在硬件和软件设计过程中,应遵循从整体到局部的设计原则,把复杂难处理的问题分为若干较简单的、容易处理的问题,分别加以解决。
2.可靠性要求。
所谓可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。
可靠性指标除了可用完成功能的概率表示外,还可用平均无故障时间、故障率、失效率或平均寿命等来衡量。
3.操作和维护要求。
在矿用温度传感器测量系统的硬件和软件设计时,不仅要考虑满足功能要求,还应考虑产品的应用环境,留有一定的设计余量,以满足可靠性要求。
对软件来说,应尽可能预防可能发生的故障,采用模块化设计方案,以利于程序的编制和调试,减少故障率,提高软件的可靠性。
对于本课题所要研制的传感器系统而言,其基本出发点就是利用现有工艺条件,采用微型计算机处理技术,提高传感器精度等级和工作稳定性,拓展其功能,并赋予其智能化特征,使传感器不仅能够实时准确地测量矿井环境温度,同时尽可能减少不必要的人工操作,提高工作效率。
因此,整个传感器系统总体设计方案的确定,要围绕优化系统设计这个原则,尽量减少硬件电路的复杂程度,发挥计算机处理功能强大的优势,提高系统工作的可靠性。
2.2传感器的功能及使用要求
根据《通用技术条件》第3节技术要求,矿用温度传感器设计应符合以下的技术条件:
1.传感器应采用本质安全型防爆结构,并应符合国标GB3836.4—2000关于本质安全型电路和电气设备“i”的规定
2.传感器就在下列条件下正常工作
(1)环境温度:
O~40℃;
(2)相对湿度:
<
l00%(3)大气压力:
86~106Kpa
3.传感器应优先选用数字式显示器
4.传感器电气元件的允许最高表面温度应不大于+150℃
5.传感器在供电电压为24,18,15,12V(d.c)的条件下应能工作正常
6.传感器的最大工作电流应不大于200fllA(d.c)
7.传感器到分站和电源箱的传输距离不得小于1km
8.传感器频率信号制式:
200~1000Hz(正负脉冲宽度不得小于O.3ms)优选
根据以上煤矿行业标准、通用技术条件,以及借鉴国内现有的几家生产矿用温度传感器的主要技术指标,本系统确定如下的主要设计功能:
(1)硬件技术指标要求
(1)适用于煤矿井下采掘工作面、机电硐室等环境温度进行连续实时测量
(2)显示功能:
LED数码显示(℃)
(3)测温范围:
O~50℃
(4)测量误差:
≤±
O.5℃
(5)工作电压:
12~24V
(6)工作电流:
200mA
(7)输出信号:
脉冲频率200~1000Hz
(8)响应时间:
10秒
(9)工作条件:
环境温度:
O~100℃
1.相对湿度;
≤95%2.大气压力:
80~106Kpa
(1O)报警设置:
26℃,可根据实际情况设置
(11)红外线遥控:
遥控距离>
6m,传感器零点调整、报警值的设定等
(2)软件功能要求
(1)矿用温度传感器的数据采集与控制;
(2)软件进行传感器频率输出信号;
(3)温度超限声光报警;
(4)配合遥控器设定报警温度;
(5)完成系统的集成控制。
2.3开发平台的选择
开发一个单片机应用系统,系统程序的编写效率在很大程度上决定了目标系统的研制成效。
早期在研制单片机应用系统时,大多以汇编语言作为软件工具,汇编程序能够直接操作机器硬件,指令的执行速度快。
当然,汇编语言有它的缺点,如不是一种结构化的程序设计语言,可读性和可移植性较差,程序较难编写和调试,程序本身的编写效率较低。
在现代编程中,用汇编语言来实现程序代码的不多,但是在特定的场合,如我们开发的矿用温度传感器,用汇编来写程序有其它高级语言不能替代的优势。
另一方面要找到最优的定时数值,使程序具有最强的容错性,此时,选用汇编语言来编写测温程序,比选用其它高级语言更为方便。
所以,本论文全部采用汇编语言来编写程序代码。
本系统采用德国Keil公司的嵌入式C51编译器作为开发工具。
KeilC51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境,兼容汇编语言,可以实现编写、调试、仿真于一体,是目前最有效、灵活的8051开发平台之一。
2.4单片机的选型
随着电子技术、微电子技术的飞速发展,微型计算机发展很快,单片机作为计算机的一个独特的分支,它是在一块芯片上集成了多种功能部件所构成的一台完整的、具有一定功能的单片微型计算机。
它打破了典型微型计算机技逻辑功能划分芯片结构的传统概念,以其体积小、功能强、性能价格比高等优点广泛应用于诸多领域,如工业控制系统、智能化仪表、数据采集系统等,单片机技术的开发和应用水平已逐渐成为一个国家工业发展水平的标志之一。
目前,单片机的生产公司都在努力单片机的性能,如不断地提高时钟频率,可提高CPU执行速度;
精简指令、多级流水线操作方式可提高指令的执行速度、扩大寻址能力;
不断地扩大数据存储器容量,EEPROM和闪存容量可达64Kbytes。
在结构上细致化、智能化、密切化,增加片内功能,尽量减少外部接口芯片,提供与主机的接口,降低单片机的功耗,提高宽电源的适应能力,增加高噪声容限,并具有更好的电磁兼容性。
面向应用对象的多功能多品种的增强型单片机将大大增加。
2.5系统硬件电路设计
硬件和软件设计是单片机系统的两个重要方面。
本章主要论述该系统的硬件电路设计。
本系统在硬件电路设计时,主要从以下原则出发:
1.硬件电路设计与软件设计相结合优化硬件电路。
2.可靠性及抗干扰设计。
根据可靠性设计理论,系统所用芯片数量越少,系统的平均无故障时间越长,而且所用芯片数量越少,地址数据总线在电路板上受干扰的可能性就越少,因此单片机基本系统的设计思想是在满足功能的情况下力争使用较少数量的芯片及线路。
3.灵活的功能升级及系统扩展。
一次设计往往不能完全考虑到系统的各个方面,系统需要不断完善,需要进行功能升级;
并且,在设计时应考虑到系统在以后应用中扩展的方便性。
根据系统要求及上面矿用温度传感器系统框图,确定系统硬件原理图。
系统以单片微机AT89C51为中央处理单元,由温度传感元件、A/D转换电路、数字显示、声光报警、等单元电路组成。
2.6系统框图
本设计系统的框图如图2-1所示。
声光报警
图2—1矿用温度传感器系统框图
矿用温度传感器经过热电偶将测得的温度值通过信号转换输入到控制器(单片机)中,微控制器将采集到的温度值处理,获得高精度的测量结果,送LED数码管显示,同时计算出对应的频率信号,输出给监控系统的工作站,上传给监控主机。
2.7总体方案的选定
就硬件而言,系统选用的设计电路和应用器件,不仅要考虑满足功能要求,还应考虑产品的应用环境,留有一定的设计余量,以满足可靠性要求。
本文详细论述了近年来我国煤矿安全生产监测监控系统中主要的温度传感器的原理、特点及软件设计。
温度传感器的软件设计采用模块化结构设计,主要包括主程序、子程序和中断服务程序,方便了程序的调试、连接和扩展。
主程序主要完成系统自检、初始化及功能模块子程序调用等功能,而功能模块子程序则对系统各项功能进行具体实现。
系统设计可以扩展为根据矿井具体情况的不同来设置阈值、显示保持时间,并通过特定的设计使此温度传感器能适应于不同的矿井,满足不同安全管理操作方便的需要。
第3章各单元电路元件的设计
3.1温度传感器
人们研究温度测量的历史已经相当久远,所使用的传感器也种类繁多。
近百年来,传感器的发展大致经历了以下三个阶段:
传统的分立式温度传感器(含敏感元件);
模拟集成温度传感器/控制器;
智能温度传感器(即数字式温度传感器)。
1.分立式温度传感器
传统的热电偶、热电阻、热敏电阻及半导体温度传感器,均属于分立式温度传感器,传感器本身就是一个完整的、独立的感温元件。
此类传感器通常要配温度变送器,以获得标准的迷你两(电压或电流)输出信号。
其主要缺点是外围电路比较复杂、测量精确度较低、分辨力不高、需进行温度校准,另外它们的体积较大、使用也不够方便。
2.集成温度传感器
集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的,因此亦称硅传感器或单片集成传感器。
模拟集成温度传感器是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC,它属于最简单的一种集成温度传感器。
其主要特点是功能单一、测量误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗,适合远距离测温,不需要警醒非线性校准。
外围电路简单。
3.智能温度传感器
智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的。
智能温度传感器是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶,它也是集成温度传感器领域中最具活力和发展前途的一种新产品。
智能温度传感器具有以下三个显著特点:
第一。
能输出温度数据及相关的温度控制量,适配各种微控制器(MCU);
第二,能以最简方式构成高性价比、多功能的智能化温度测控系统;
第三、它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的,其智能化程度也取决于软件的开发水平。
智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、存储器(或寄存器)和接口电路。
鉴于文章介绍的主要方向,以下主要说明分立式温度传感器中的热电偶传感器。
3.1.1热电偶的工作原理
当有两种不同的导体和半导体A和B组成一个回路,其两端相互连接时,只要两结点处的温度不同,一端温度为T,称为工作端或热端,另一端温度为T0,称为自由端(也称参考端)或冷端,则回路中就有电流产生,如图3-1所示,即回路中存在的电动势称为热电动势。
这种由于温度不同而产生电动势的现象称为塞贝克效应。
与塞贝克有关的效应有两个:
其一,当有电流流过两个不同导体的连接处时,此处便吸收或放出热量(取决于电流的方向),称为珀尔帖效应;
其二,当有电流流过存在温度梯度的导体时,导体吸收或放出热量(取决于电流相对于温度梯度的方向),称为汤姆逊效应。
两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。
热电偶的热电势EAB(T,T0)是由接触电势和温差电势合成的。
接触电势是指两种不同的导体或半导体在接触处产生的电势,此电势与两种导体或半导体的性质及在接触点的温度有关。
图3-1热电偶工作原理图
温差电势是指同一导体或半导体在温度不同的两端产生的电势,此电势只与导体或半导体的性质和两端的温度有关,而与导体的长度、截面大小、沿其长度方向的温度分布无关。
无论接触电势或温差电势都是由于集中于接触处端点的电子数不同而产生的电势,热电偶测量的热电势是二者的合成。
当回路断开时,在断开处a,b之间便有一电动势差△V,其极性和大小与回路中的热电势一致,如图2-1(b)所示。
并规定在冷端,当电流由A流向B时,称A为正极,B为负极。
实验表明,当△V很小时,△V与△T成正比关系。
定义△V对△T的微分热电势为热电势率,又称塞贝克系数。
塞贝克系数的符号和大小取决于组成热电偶的两种导体的热电特性和结点的温度差。
目前,国际电工委员会(IEC)推荐了8种类型的热电偶作为标准化热电偶,即为T型、E型、J型、K型、N型、B型、R型和S型。
3.1.2热电偶的使用
1.使用热电偶时,只需考虑两端温度值,而不必顾及其中间段的温度。
2.为稳定冷端温度,通常采用补偿导线将贵金属热电偶的冷端延伸至温度稳定处。
但补偿导线a、b在Tn到T0的温度范围内,应分别与贵金属A、B具有相同的热电特性。
其热电偶使用如图3-2所示。
图3-2热电偶使用图
3.1.3常用热电偶
1.铂铑
—铂热电偶
由直径5mm的纯铂丝和相同直径的铂铑丝制成,用符号LB表示。
铂铑丝为正极,纯铂丝为负极。
这种热电偶可在1300℃一下范围内长期使用,短期可测1600℃高温。
由于容易得到高纯度的铂和铂铑,故LB热电偶的复现精度和测量准确性高,但LB热电偶的材料为贵金属,成本高。
2.镍铬—镍硅热电偶
镍铬为正极,镍硅为负极,热偶丝直径为1.2mm~2.5mm,符号用EU表示。
EU热电偶化学稳定性较高,测量范围为-50—+1312℃。
其复现性好,产生热电动式大,线性好,价格便宜,是工业生产中最常用的一种热电偶。
3.镍铬—锰白铜热电偶
它由镍铬材料与镍、铜合金材料组成,符号为EA。
热偶丝直径为1.2mm~2mm,镍铬为正极,锰白铜为负极。
它适用于还原性或中性介质。
EA热电偶灵敏度高,价格便宜,但测温范围窄而低。
4.钨铼
—钨铼
热电偶
它是非标准化热电偶,钨铼
作正极,钨铼
作负极,一般使用在超高温场合。
国产钨铼
热电偶使用温度范围为300~2000℃精度达±
1%。
可在氢气中连续使用100h,真空中使用8h,性能稳定在±
1%以内。
钨铼系热电偶是一种较好的超高温热电偶,其最高使用温度受绝缘材料的限制,一般可达2400℃,在真空中用裸丝测量时可用到更高的温度。
热电偶误差参数如表3-1所示。
表3—1热电偶误差参数
热电偶的允差(参考端为0℃)
分度号
允差/温度范围(℃)
Ⅰ级
Ⅱ级
S
R
±
1/0~1100
1.5/0~600
[1+0.003(t-1100)]/1100~1600
0.25%t/600~1600
B
-/-
0.25%t/600~1700
K
N
1.5/-40~375
2.5/-40~333
0.4%t/375~1000
0.75%t/333~1200
E
0.4%t/375~800
0.75%t/333~900
J
0.4%t/375~750
0.75%t/333~750
T
0.5/-40~125
1/-40~133
0.4%t/125~250
0.75%t/133~350
WRe
1%t
3.2AT89C51单片机
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
3.2.1AT89C51单片机的主要特性
AT89C51单片机与MCS-51单片内部功能、引脚以及指令系统方面完全兼容。
并且引入了Flash与80C51内核相结合技术。
使AT89C51单片机优良的工作性能、使用的灵活性以及较高的性能价格比,在实际中得到了广泛的应用。
其主要特性为:
1.与MCS-51系列单片机完全兼容;
2.内部含有4K字节的可编程闪烁存储器;
3.可进行1000次写/擦循环,寿命长;
4.数据保留时间为10年;
5.全静态工作时的频率为0Hz~24MHz;
6.三级程序存储器锁定
7.128×
8位内部RAM
8.32可编程I/O线
9.两个16位定时器/计数器
10.5个中断源
11.可编程串行通道
12.低功耗的闲置和掉电模式
13.片内振荡器和时钟电路
3.3A/D转换电路及其芯片
经过温度传感元件放大后的电压信号,此信号为模拟信号,单片机机无法接受,故必须进行A/D转换,转换成数字信号。
实际电路中,选用ICL7109芯片。
3.3.1ICL7109主要有如下特性
1.高精度(精确到1/212=1/4096);
2.低噪声(典型值为15μVP-P);
3.低漂移(<
1μV/℃);
4.高输入阻抗(典型值1012Ω);
5.低功耗(<
20mW);
6.转换速度最快达30次/秒,当采用3.58MHz晶振作振源时,速度为7.5次/秒;
7.片内带有振荡器,外部可接晶振或RC电路以组成不同频率的时钟电路;
8.12位二进制输出,同时还有一位极性位和一位溢出位输出;
9.输出与TTL兼容,以字节方式(分高低字节)三态输出,并且具有VART挂钩方式,可以用简单的并行或串行口接到微处理系统;
10.可用RVNHOLD(运行/保持)和STATUS(状态)信号监视和控制转换定时;
11.所有输入端都有抗静电保护电路。
3.3.2ICL7109内部构成
ICL7109内部有一个14位(12位数据和一位极性、一位溢出)的锁存器和一个14位的三态输出寄存器,同时可以很方便地与各种微处理器直接连接,而无需外部加额外的锁存器。
ICL7109有两种接口方式,一种是直接接口,另一种是挂钩接口。
在直接接口方式中,当ICL7109转换结束时,由STATUS发出转换结束指令到单片机,单片机对转换后的数据分高位字节和低位字节进行读数。
在挂钩接口方式时,ICL7109提供工业标准的数据交换模式,适用于远距离的数据采集系统。
3.4LED数码管与显示驱动芯片
目前广泛应用的显示设备有发光数码管显示器(LED)和液晶显示器,液晶显示技术适用于显示信息较多的情况,对环境要求也比较高。
本设计采用数码管显示。
3.4.1采用LED数码管显示有以下几个优点
1.价格低廉;
2.显示信息清晰醒目;
3.对仪器仪表系统资源占用相对较少。
虽然采用LED耗电较高,但由于显示信息清晰,适合于井下光线较弱的环境。
3.4.2数码管显示电路的组成通常有两种方式
1.采用专用的显示芯片或键盘显示接口芯片如MAX7219或HD7279等。
这些专用芯片一般功能较强,可以驱动多个数码管,且属于动态显示,但芯片价格较高,增加了仪器的生产成本。
2.采用通用逻辑电路芯片如74HC373、CD4051等构成,此种方法的成本较低,外围电路也比较简单,控制方便,便于仪器的编程调试。
综合考虑各种方式的性能、价格、编程的方便性,本设计采用74HC373驱动数码管。
图3-3数码管
3.4.374HC373显示驱动芯片
74HC373是管理键盘和LED显示器的专用智能控制芯片,74HC373是一片具有串行接口的可同时驱动8位共阴式数码管(或64只独立的LED)的智能显示的驱动的芯片,该芯片同时还可以连接多达64键的键盘矩阵,单片可以完成LED显示、键盘显示的功能。
该芯片采用串行接口方式,具有自动消除键抖动并识别按键代码的功能,从而可以提高CPU的工作效率,同时其串行接口方式又可大简化CPU接口电路的设计,减少软硬件资源的占用。
74HC373内部含有译码器,可以直接接收BCD码或是16进制码,并且同时具有两种译码的方式,此外,还具有多种控制的指令如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等功能。
74HC373具有片选信号,可以方便的实现多于8位的典型的或多于64键的键盘的接口。
第4章各单元电路设计与工作原理
本章主要介绍了电源电路、单片机的主要控制电路、驱动显示电路、A/D转换电路与热电偶测温电路,声光报警电路及红外线遥控与接收电路的设计和工作原理
4.1电源电路
电源电路图如图4-1所示。
图4-1电源电路图
电源模块主要采用的是DC/DC转换,在矿井下,矿用温度传感器的电源接电源箱提供的+21V电源,通过单片机的内部电源模块转化成电路各种使用电压,供给各个电路模块。
降压式DC/DC转换器的基本工作原理是V2开关管在控制电路的控制下工作在开关状态。
开关管导通时,经过N1,储能电感L1和电容C6,C7构成回路,充电电流不但在C6,C7两端建立直流电压
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