矿用温度传感器设计.docx
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矿用温度传感器设计
矿用温度传感器设计
摘要
矿用温度传感器是为检测煤矿井下环境温度而研制的,它可以连续将井下温度信号转换成标准频率信号传送给上位机,并具有实时显示温度值、超限声光报警、频率信号输出等功能。
适宜于井下需设置温度传感器的场所固定使用。
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。
随着电子技术的不断发展,单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛。
利用单片机设计成的矿用温度传感器够成的温度检测系统较于传统的温度计有着巨大的优势。
在分析当前国内外温度传感器概况的基础上,结合矿用温度传感器通用技术条件的设计要求,提出总体设计方案,并对系统的理论基础、实现方法、硬件和软件设计等做了详细的讨论。
以单片微机AT89C51为中央处理单元,由温度采集电路、数字显示电路、声光报警电路、信号输出电路等单元组成。
软件程序的编写使用汇编语言及KeilC的集成开发环境。
文章还对整个系统的电路图和设计思路进行了详细的说明。
同时,在软硬件设计时均采取了有效的抗干扰措施。
最后,对设计参数进行了安全性计算。
经过试验及测试证明:
该系统具有可靠性高、功能强等特点,有着广阔的开发应用前景。
关键词:
温度传感器;煤矿;红外遥控;单片机;外围芯片
第1章绪论
在现代生活中,温度是人们日常工作和生活中常常需要测量和控制的一个量。
特别是在一些煤矿、高端科研、医疗领域,对温度的测量和控制的要求十分严格。
传统的温度计有反映慢、读数麻烦、测量精度不高、误差大、体积大等缺点,已经无法满足现代化生产的要求。
随着电子技术的不断发展,单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛。
利用单片机设计成的矿用温度传感器够成的温度检测系统较于传统的温度计有着巨大的优势。
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:
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。 热电偶 信号转换 AT89C51单片机 红外遥控电路 电源电路 LED显示 信号输出电路 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。 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。 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 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。 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
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- 关 键 词:
- 温度传感器 设计
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