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太原理工大学 硕士学位论文 煤矿粉尘监控系统的研制 姓名王华 申请学位级别硕士 专业 指导教师王才 太原理工大学硕士论文 I 煤矿粉尘监控系统的研制 摘 要 煤矿粉尘是煤矿安全生产的重大灾害之一，不但易发生爆炸，长期吸 入还会导致尘肺病。尘肺病已成为我国头号职业病。近些年来，国内煤矿 粉尘监控方面的研究虽快速发展,但也存在许多问题，既不能准确反映煤矿 井下粉尘的污染状况，同时由于采用人工控制也造成了人力及物力的极大 浪费。煤炭行业迫切需要一种集中化、智能化、高可靠性的监控系统。 本文全面地考虑了粉尘浓度监控系统工作环境的特殊性以及单片机和 前端探头的工作特性，提出了以ATmega16为核心的粉尘浓度监控的设计 方案。一方面，利用粉尘浓度传感器对井下环境中的粉尘浓度进行采样, 测 定数据就地显示， 并输出与煤矿粉尘监控系统相适应的频率信号， 送入AVR 单片机进行处理计算，作出超限判断及是否打开喷水阀判断；另外一方面， 将下位机信号通过通信网络送入上位机，传输至上位机后，用VB软件编程 对多组数据进行存储，直观显示，产生报表，最终完成粉尘浓度监控系统 的设计。 该方案集数据采集、分析处理、控制、显示、报警及数据通信于一体， 可以保证系统能高效、稳定的实现设计的所有要求。按照设计要求实现了 信号的采集和判定、处理，控制相应的执行机构,提供必要的声光报警，同 时将所有数据集中显示并上传至上位机。 论文分别从硬件、软件以及上位机三个方面进行了论述。论文主要做 了如下工作。 太原理工大学硕士论文 II 硬件方面提出了一种性能优良、成本较为低廉的煤矿粉尘监控系统 的电路设计方案；设计了 ATMega16 处理器与粉尘浓度传感器、继电器以 及 RS485 等的接口电路；对 RS485 组网作了较为详细的介绍。 软件方面完成了频率信号采集及处理、串口通信等程序设计，进行 数据处理程序的调试，并给出了程序设计流程图。 上位机方面设计开发了基于 VB6.0 上位机操作系统。论文从实用以 及美观两个面对人机交互界面作了设计；建立了系统后台数据库。 论文来原于”十一五”国家科技支撑计划项目2007BA00168-1的课题。 关键词粉尘浓度监控，传感器，ATmega16，串口通信，VB6.0 太原理工大学硕士论文 III STUDY AND DESIGN OF A DUST CONCENTRATION MONITORING AND CONTROLING SYSTEM ABSTRACT In recent years, despite of the the rapid development of domestic coal dust monitoring research, most are relatively backward.We can not accurately reflect the coal mine dust pollution.And meanwhile because of the hand control,it resulted in great human and material waste. In coal industry the need for a centralized, intelligent, highly reliable monitoring system is urgent. This paper has taken a full account of dust concentration monitoring system, as well as the specificity of the working environment and single-chip features the front-end probe. It put forward a kind of dust concentration monitoring program based on ATmega16. On the one hand, dust concentration sensor is used for dust sampling and output the frequency signal which is adapted to dust monitoring system and then into the AVR single chip to do calculations, to judge and determine whether to open water valve;on the other hand, the signal from MCU is sent into the host computer through the communication network. Then VB programming is used for many groups of data storage, visual display and resulting report. Finally the design of dust concentration monitoring system is completed. The scheme integrates the sampling, analysis and processing of the data, control, display, alarm and data communications in one system, which can ensure the efficiency and stability. It satisfies the designing requirements of the 太原理工大学硕士论文 IV program. It can sample and process data, output alarm signal as well as control relevant cutive part of the system. Meanwhile it is able to transmit all the data to the computer. Thesis from the hardware, software and PC carried out on three aspects. The main thesis is as follows to do the job. Hardware A good perance, relatively cheap cost of coal dust monitoring and control system circuit was designed; the interfaces of ATMega16 processor and the dust concentration sensors, relays, and RS485 circuit, etc. were designed; RS485 network was described detailly. Software the acquisition and processing of frequency signal is completed, serial communications, such as programming, data processing procedures for debugging and programming flow chart is given. PC design and develope the operating system based on VB6.0. This paper designed man-machine interface from both the practical and beautiful aspect; the background system database was set up. This thesis was supported by the “Eleventh Five-Year“ plan to support the National Science and Technology projects issue. KEY WORDS dust concentration monitoring, sensor, ATmega16, serial communication, VB6.0 太原理工大学硕士论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题的提出及研究意义 1.1.1 课题的提出 目前，国内煤炭生产发展迅速，但安全生产问题随之而来。在煤矿开采及挖掘和 运输等生产过程中均会产生大量矿尘，其中采掘过程中所生成的煤尘所占比重最大。 随着煤矿采掘机械化程度的提高，采掘强度的加大，煤尘生成量显著增加，煤尘的存 在给安全生产工作增加了困难。 粉尘的危害是多方面的，一是可以使人体致病，如长期吸入含二氧化硅的粉尘， 能引起矽肺病；铅尘、砷尘、放射性粉尘等进入人体能引起血液中毒,导致恶性疾病发 生；某些粉尘能引起皮肤、眼睛、消化道、呼吸道等的炎症。据调查，煤炭行业尘肺 病患者数量呈上升趋势，截至 2007 年，患者总数已达 26 万左右[1]。 粉尘达到一定浓度时,还会有爆炸的危险。在近年来发生的煤矿重大瓦斯爆炸事故 中，80％以上的事故有煤尘参与了爆炸。l981 年 11 月召开的全国首届煤矿粉尘学术会 议，代表们公认煤矿发生爆炸，一般都是瓦斯和煤尘共同爆炸的结果，个别代表把瓦 斯比做导火线和雷管，把煤尘比做炸药，并认为煤尘的爆炸威力大于瓦斯，煤尘的危 害性大于瓦斯。粉尘爆炸时，除了产生的高温气体和巨大冲击力对人体产生直接伤害 外，被破坏的设备、矿井塌方还会对矿工产生机械伤害[2]；爆炸燃烧将消耗大量的氧 气，产生大量的一氧化碳。另外，粉尘降落在设备或仪器上，会妨碍散热、加速磨损， 从而导致设备或仪器出现故障。 因此，搞好煤尘的监测和防治工作，对改善井下作业环境、防止粉尘爆炸、保证 煤矿安全生产，具有重要意义。 1.1.2 研究的意义 在监测粉尘方面，目前国内煤矿普遍采用的粉尘测定方法是短时大流量测定法， 该方法是通过测定短时间一般为几分钟内的平均粉尘浓度来评价作业场所的粉尘污 太原理工大学硕士论文 2 染情况。然而煤矿井下作业场所粉尘浓度随时间、空间和其他因素的变化而变化，采 用短时大流量测尘法测定的粉尘浓度代表性差，不能真实的反映煤矿井下各尘源每天 对作业环境的污染状况，更不能控制煤矿井下的防尘装备的有效运行，给煤矿的粉尘 防治和粉尘灾害管理造成一定的困难。 在降尘方面，国内矿井流行的做法是采用井下钻孔静压供水进行防尘；在综采、 综放工作面，采用二次负压引射降低采煤机割煤时的粉尘浓度；采用液压支架自动喷 雾技术降低移架时的粉尘浓度；转载点则采用喷雾降尘措施。采用上述综合防尘措施 对粉尘浓度有一定的控制，但还远不能满足国家标准的要求。由于缺少对粉尘浓度的 实时测量，煤矿使用的二次负压引射降尘和转载点喷雾降尘装置均需要人工控制，造 成各装置长期喷雾或者不喷雾，不光影响生产，而且造成严重的水资源浪费，给生产 和粉尘灾害管理带来很多不便。 因此，实现对粉尘的实时在线监控成为目前国内粉尘监控的一个重要研究方向 [3][4]。本系统将 GCG1000 型粉尘浓度传感器与单片机连接作为下位机系统，将 PC 机 作为上位机，构成实时在线监控系统，从而实现了对粉尘浓度的长时间，动态，有效 的监控，成功地解决了上述问题，利于井下作业，还大大的节省了人力，同时也减少 了水资源的浪费。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国内外粉尘传感器技术的现状 目前世界各国使用的测尘仪表主要分为3类粉尘采样器、测尘仪以及粉尘浓度传 感器。国内目前测量粉尘浓度的方法大致有两种①使用采样器采样，通过称重和计 算得出粉尘浓度值；②用快速测尘仪，通过校正,直读粉尘浓度。国内有代表性的生产 粉尘采样器的厂家主要有煤炭科学研究总院重庆分院、常熟企光有限责任公司、常熟 矿山机电设备厂、常熟电子仪器厂、太原辐射防护研究院、承德普兰德电子仪器厂和 北京地质仪器厂等7家企业,其技术参数均能达到以下要求 1 采样流量 20Lpmin 2 采样流量误差 ≤2.5 3 采样流量稳定性 ≤5 太原理工大学硕士论文 3 4 负载能力 ≥1000Pa 5 采样准确度 ≤10 粉尘采样器虽然测量的准确度高，但由于用它测尘需要称重、烘干、采样再烘干、 再称重及计算等一系列繁琐的过程，因此存在不能及时反映现场环境的粉尘污染状况 的缺点。鉴于这些原因，开发和生产快速测尘仪就成为迫切需要开展的工作。直读式 快速测尘仪应用于我国煤矿井下监测作业场所的粉尘浓度始于20世纪80年代，这种仪 器的优点是快速、直读，能及时反映出作业场所的粉尘污染状况，但由于受当时技术 条件的限制，测量结果误差大于25，使该类仪器无法推广应用。 国外发达国家在20世纪80年代初就采用不同原理，开发研制了各种快速测尘仪， 如德国的丁达尔、英国的西姆斯林、美国的粉尘雷达、日本柴田的LV-5E型光散射测尘 仪及西德的TM型红外线快速测尘仪等，这些测尘仪的测量误差都小于10，取代了采 样器的部分应用领域，使测尘人员的劳动强度大大降低[5][6]。快速测尘仪采用的测量方 法大致有光电转换法、β射线衰减法及压电晶体频率变化法等3大类。国内生产厂家采 取这3个原理先后开发出了各种有代表性的快速测尘仪。 粉尘浓度传感器及监测系统主要是英国RotheroeMitchell公司在Simslin测尘仪的 基础上发展成的OSIRIS粉尘浓度计算机监测系统,实现粉尘浓度的连续自动监测。国内 只有煤炭科学院究总院重庆分院在国家“十五”攻关过程中开发出了粉尘浓度传感器, 该传感器可以与目前煤矿井下的监测系统联网使用,实现煤矿井下粉尘浓度的连续监测 [10]。 1.2.2 国内外粉尘监测技术 国外发达国家对粉尘的监测都是以长周期呼吸性粉尘监测为重点，有些国家如英 国、德国等还配置了粉尘浓度传感器，对工人作业场所的粉尘污染状况进行连续实时 监测[7]。 我国对粉尘的监测主要以短时间间断性测尘为主， 测出的粉尘浓度有时偏大 （在 粉尘浓度较大时监测），有时偏小（在不生产时监测），根本不能准确地反映煤矿井 下的粉尘污染状况。国外采用连续监测，可以准确把握工人在一个工作班之内的所接 触的平均粉尘浓度，能对尘肺病的预防起到积极的指导作用[8]。我国虽然已研制出长周 期呼吸性粉尘采样器（主要指由煤炭科学研究点院重庆分院在“九五”期间研制出的 AZF-01型呼吸性粉尘采样器） ，但由于没有制订相应的法规和规程及标准,而没有普 遍推广。 太原理工大学硕士论文 4 国内粉尘浓度监测技术的发展可以概括如下一是短时间采样测尘与长时间一般 为8h 连续监测并重,并逐步向连续监测发展。短时间采样测尘是定时定点采集空气中 的粉尘，测量速度快，在中国使用最广泛，但不及长时间连续监测数据的准确和可靠。 二是向多点连续监测发展。多点连续监测比单点监测效果更好，特别是粉尘浓度排放 超标的企业更需多点监测，因为某一点或某一生产环节超标，尚不能构成很大的危险， 但多点的粉尘浓度过高，则说明生产出了故障。三是向远距离大面积连续监测发展[9]。 1.3 课题的主要工作内容 本课题在参阅了大量文献后，针对煤矿粉尘造成的危害，设计了基于 ATmega16 的粉尘浓度在线监控系统。 1粉尘传感器的选用及实验 2单片机的选用 3下位机硬件电路的设计 4下位机软件的设计 5串口通讯方式及通讯协议设计 6上位机数据采集及显示软件的设计 7系统测试 太原理工大学硕士论文 5 第二章第二章 煤矿粉尘监控系统总体设计煤矿粉尘监控系统总体设计 2.1 系统方案设计 2.1.1 基本步骤 设计任何一个工业系统都应该有一定的步骤，以利于整个工程的有序进行。本系 统设计的基本步骤如下 1总体设计 在设计该系统时，首先对系统的任务、控制对象、硬件资源和工作环境做了认真的 调查研究。在此基础上拟研制出完整的设计任务书。在总体方案的确定过程中，还对 所选各部分电路、元器件和各实测点传感器进行综合比较。这种比较在局部试验基础 上进行。该系统还涉及到与厂方的协作，故接口方式、通信协议、用户程序要求等也 在总体方案中大致规定 2硬件设计 总体方案确定下来后，系统的硬件以及软件框架也就随之确定。硬件和软件是单片 机控制系统的两个重要方面，硬件是基础，软件是关键。但两者又具有一定的互换性， 因此应认真考虑软、硬件的分工与配合。考虑的原则是 软件能实现的功能尽可能由软 件来实现，以便简化硬件结构，还可降低成本。但必须注意，这样做势必增加软件设 计的工作量。此外，由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件实现长，而 且还占用了MCU的工作时间 3软件设计 软件设计包括拟定程序的总体方案、画出程序流程图、编制具体程序以及程序的检 查修改等。 4系统的调试、运行和维护 程序的上机调试是检验程序正确性的一个重要标志，包括分块调试和系统联调两 个阶段。程序上机调试完成后，还要进行一段时间的试运行，以验证程序功能是否满 足设计要求，是否达到预期效果。 太原理工大学硕士论文 6 2.1.2 系统方案总体设计 根据以上要求,本文选择煤炭科学院究总院重庆分院研制的GCG1000型粉尘浓度传 感器作为探头部分,传感器对井下环境中的粉尘浓度进行采样,一方面送入AVR单片机进 行处理计算并作出超限判断及是否打开喷水阀判断；另外一方面通过通信网络送入上 位机，传输至上位机后，用VB软件编程对多组数据进行存储，直观显示，产生报表， 最终完成粉尘浓度监控系统的设计。 如图2-1所示，整个系统的设计分为四层，由上至下分别为顶层为上位机部分， 担当着监控的角色；传输层为RS485通讯网络数据传输层；第三层为单片机处理部分以 及控制输出部分；底层为传感器采集部分。每一部分会在后文中详细叙述。 AVR单片机单片机 粉尘浓度传感器粉尘浓度传感器 控制输出控制输出 RS485通讯网络通讯网络 上位机数据 处理显示部分 数据传输部分 下位机数据采集及 输出控制部分 传感器 图 2-1 系统总体结构图 Fig.2-1 System general frame chart 2.1.3 基本工作原理 系统利用粉尘传感器直接测量粉尘浓度，测定数据就地显示；与此同时输出与煤矿 粉尘监控系统相适应的频率信号，供监控系统进行地面监测；在监控系统中设置粉尘 浓度报警值，当粉尘浓度超过设定值时，自动报警，并将控制箱控制电磁阀打开，从 而实现喷雾的自动控制，降低巷道内的粉尘浓度，改善工作环境，最终达到对井下粉 尘浓度的在线监控。 太原理工大学硕士论文 7 2.2 技术指标要求 本课题对煤矿气体监测仪表及其所用气体传感器在技术指标上的要求如下 1监测对象含有瓦斯或煤尘爆炸危险的煤矿井下 2测量范围粉尘 0～1000mg/m3 3测量误差15 4环境工作温度范围-20～70℃ 5环境工作湿度范围50时,若θ在20～90范围内，光 散射特性曲线十分稳定。按经典的米氏散射理论，对粒径较大的颗粒，在任意角θ下散 射光强度在空间的分布可按Fraunhofer衍射理论计算[14] 2 24 1 0 22 2 16 Jxd II Lx π θ   λ  3-1 式中 L散射颗粒到观察点的距离 J1一阶Bessel函数 x无因次参数 λ散射光波长 d颗粒粒径 I0 散射光原始光强 由式3-1，在任意空间立体角θ1到θ2内,单个粉尘颗粒的散射光强为 22 1 2 221 0 1 2sin 2sin Jx IILdI dd θθ θθ π θπθθ θθ θ ∆ ∫∫ 3-2 假设含尘气流内粉尘的粒度分布函数为fd,在单位体积内的粉尘总数为N,则在d到 d∆d内的粉尘数dNNfddd,因此,在θ1到θ2环状立体角内粉尘粒径在d到d∆d内所有粉 尘产生的散射光强为 0 d d dIININNf ddθθθ ∞ ∆∆∆ ∫ 3-3 则在θ1到θ2环状立体角内所有粉尘产生的散射光强为 0 0 d 2 QI NINf dd π θθ ∞ ∆ ∫ 3-4 太原理工大学硕士论文 11 将式3-2代入式3-4并整理得 2 1 2 2 1 0 0 dd 2sin Jx QI Nd f dd θ θ π θθ θ ∞ ∫∫ 3-5 设尘粒密度为ρ,则尘粒重为πρd3/6,根据计重密度的定义,有 3 0 dCd Nf ddπρ ∞ ∫ 3-6 结合式3-5和式3-6,并进行整理可得如下公式 2 1 3 0 2 2 1 0 0 d 3 dd sin d f dd CQ Jx Id f dd θ θ ρ θ θ θ ∞ ∞ ∫ ∫∫ 3-7 令 2 1 3 0 2 2 1 0 0 d 3 dd sin d f dd K Jx Id f dd θ θ ρ θ θ ∞ ∞ ∫ ∫∫ 则式3-7变为 CKQθ 3-8 式中 C粉尘质量浓度,mg/m3; Qθ 散射角为θ方向的散射光强; K光散射比例系数。 从式3-8可以看出,该系数与粉尘粒度分布和粉尘密度高度相关。但在工业上,一般是根 据现场粉尘而确定的某一常数。 3.1.3 GCG1000型粉尘浓度传感器的结构与组成 粉尘浓度传感器主要由光学测量暗室、抽气泵、流量计、过滤器和PIC16F887单 片机为主的数据处理和控制电路组成。 粉尘浓度传感器的结构见图3-1。 太原理工大学硕士论文 12 图 3-1 粉尘浓度传感器的结构 Fig.3-1 Dust sensor frame chart 1-光源；2-含尘气流；3-透镜；4-探测器；5-过滤器；6-粉尘出嘴；7-粉尘进入嘴；8-抽气泵 3.1.4 粉尘浓度传感器实验 粉尘浓度传感器买来后，在粉尘浓度实验室进行了一些实验，实验用的粉尘为自制 的煤粉。实验结果如表3-1所示。 表 3-1 粉尘浓度传感器实验结果 Table3-1 Result of dust sensor experiment 序号粉尘质量浓/ mg/m3 输出频率/ Hz 理论值/ mg/m3 偏差 1 12 209.211.54.2 2 14212.215.2-8.6 3 26.5219.624.57.5 4 32.5222.227.814.5 5 39.7229.336.67.8 6 76.6261.276.50.1 7 125300.2125.2-0.2 8 240385.8232.33.2 太原理工大学硕士论文 13 3.2 单片机的选择 3.2.1 单片机型号的选择 单片机嵌入式系统已经成为现代电子系统中的重要组成部分。现代的数字化世界 中，单片机嵌入式系统已经大量地渗透到我们生活的各个领域。智能家用电器, 各种工 业控制系统,适应控制系统,数据采集系统,飞机上各种仪表的控制，导弹的导航装置，计 算机的网络通信与数据传输，工业自动化过程的实时控制以及数据处理，生产流水线 上的机器人，医院里现代化的医疗器械和仪器，广泛使用的各种IC卡都是典型的单片 机嵌入式系统应用[15]。 单片机型号的选择依据是控制系统的目标、功能、可靠性、性价比、精度和速度。 根据本课题的实际情况，单片机型号的选择主要从以下两点考虑 1应该有较强的抗干扰能力。由于粉尘浓度传感监测系统处于煤矿矿井巷道中,工 作环境比较恶劣，实际的运行工况比较复杂，这些因素都对单片机的有着较大的干扰， 所以应采用抗干扰性能较好的单片机机型。 2应该有较高的性价比。 根据以上两点，本系统采用ATMEL公司生产的AVR内核的ATMega16单片机作为监 测系统的核心部件。 ATMEL公司的单片机系列产品有基于8051内核、基于AVR内核和基于ARM内核 的三大系列。8051系列单片机在我国的单片机市场上一直占有相当大的份额，采用复 杂指令系统CISCComplex Instruction Set Computer体系。但是, CISC结构指令系统不等 长，指令数多，CPU 利用效率低以及执行速度慢, ATMEL公司发挥其Flash存储器技术 的特长，于1997年由A及V先生共同研发和推出了全新配置采用精简指令集 RISCReduced Instruction Set Cpu单片机，简称AVR单片机。RISC通过简化CPU的指令 功能，使指令的平均执行时间减少，从而提高CPU的性能和速度。ATMEL公司的AVR 是8位单片机中第一个RISC结构的单片机。它采用了大型快速存取寄存器组、快速的单 周期指令系统以及单级流水线等先进技术，使得AVR单片机具有高达 1MIPS/MHz的高 速运行处理能力。另外，AVR单片机中，由于采用32个通用工作寄存器构成快速存取 寄存器组，用32个通用工作寄存器代替了累加器，避免了在传统结构中累加器和存储 器之间数据传送造成的瓶颈现象，进一步提高了指令的运行效率和速度。AVR单片机 太原理工大学硕士论文 14 采用低功率、非挥发的CMOS工艺制造，内部分别集成Flash、EEPROM和SRAM三种 不同性能和用途的存储器。 AVR在速度、内存容量、外围接口的集成化程度、向串行扩展、更适合使用高级 语言编程方面，以及其所使用的开发技术和仿真调试技术等都具有优势，都充分体现 出和代表了当前单片嵌入式系统发展的趋势。也正是由于这些显著特点，和具有极高 的性价比，使得AVR得到广泛的应用，在短时间内成为市场上的主流芯片之一。 3.2.2 ATmega16单片机的特点[16] 1 高性能、低功耗的8位AVR微处理器 2 先进的RISC结构 a 131条指令，且大多数指令执行时间为单个时钟周期 b 32个8位通用工作寄存器 c 全静态工作 d 工作于16MHz时性能高达16MIPS e 只需两个时钟周期的硬件乘法器 3 非易失性程序和数据存储器 a 16K字节的系统内可编程Flash 擦写寿命10,000次 b 具有独立锁定位的可选Boot代码区，并且可以通过片上Boot程序实现系统内编 程，是真正的同时读写操作 c 512字节的EEPROM 擦写寿命100,000次 d 1K字节的片内SRAM e 可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密 4 JTAG 接口与IEE口149.1标准兼容 a 符合JTAG标准的边界扫描功能 b 支持扩展的片内调试功能 c 通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程 5 外设特点 a 两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/ 计数器 太原理工大学硕士论文 15 b 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/ 计数器 c 具有独立振荡器的实时计数器RTC d 四通道PWM e 8路10位ADC – – 8个单端通道 – – TQFP封装的7个差分通道 – – 2个具有可编程增益（1x,10 x或200 x）的差分通道 6 面向字节的两线接口两个可编程的串行USART 7 可工作于主机/从机模式的SPI 串行接口 8 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 9 片内模拟比较器 10 特殊的处理器特点 11 I/O和封装 a 32个可编程的I/O口 b 40引脚PDIP封装,44引脚TQFP封装,与44引脚MLF封装 12 工作电压 a ATmega16L2.7 - 5.5V b ATmega16 4.5 - 5.5V 13 速度等级 a 0-8 MHz ATmega16L b 0-16 MHz ATmega16 14 ATmega16L在1MHz,3V,25C时的功耗 a 正常模式 1.1 mA b 空闲模式 0.35 mA ATmega16单片机有三种形式的封装40脚双列直插PDIP、44 脚方形的TQFP和MLF 形式（贴片形式）。本系统所选用的单片机为第一种形式，其引脚图如图3-2所示 太原理工大学硕士论文 16 图 3-2 ATmega16 引脚图 Fig.3-2 ATmega16 pin chart 3.3 本章小结 本章首先介绍了论文所用核心器件GCG1000的结构与工作原理,然后对系统最核心 的芯片ATmega16的优点做了阐述,并给出了ATmega16的引脚图。 太原理工大学硕士论文 17 第四章 系统硬件设计第四章 系统硬件设计 4.1 系统硬件设计原则 硬件和软件是单片机系统两个重要方面。本章主要论述该系统硬件电路设计。本系 统在硬件电路设计时，主要从以下原则出发[36]。 1硬件电路设计与软件设计相结合优化硬件电路。一些由硬件实现的功能可用软 件来实现，反过来一些由软件实现的功能也可用硬件来完成。用软件来实现硬件的功 能时，一般响应时间比用硬件实现长，还要占用CPU时间。但是用软件实现硬件的功 能可以简化硬件结构，提高硬件电路的可靠性，还可降低成本，因此在本系统的设计 过程中，在满足可行性和实时性的前提下尽可能地将硬件功能用软件来实现。 2可靠性及抗干扰设计。根据可靠性设计理论，尽量朝“单片”方向设计硬件系 统。系统器件越多，器件之间相互干扰也越强，功耗也增大，也不可避免地降低了系 统的稳定性。而系统所用芯片数量越少，系统的平均无故障时间越长，并且所用芯片 数量越少，地址数据总线在电路板上受干扰的可能性也就越少，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。 3灵活的功能扩展。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。功能扩展时系统应该在原有设计不需要很大改变的情况 下，修改软件和少量硬件甚至不修改硬件就能完成。功能扩展是否灵活是衡量一个系 统优劣的重要指标[17][18]。 4.2 系统硬件总体设计 根据系统要求及上面几个硬件设计原则，确定系统硬件如图4-1所示。整个系统 的硬件结构由粉尘浓度传感器电路设计，二次仪表的设计，数据传输的设计，以及控 制输出的设计。探头用来完成粉尘浓度的采集。粉尘浓度传感器的接收探头采集粉尘， 输出含有粉尘浓度信息的频率模拟信号；二次仪表部分是以ATmega16为核心器件， 辅以其他外围电路。二次仪表部分是整个硬件体系的核心，负责整个体系的控制和数 太原理工大学硕士论文 18 字信号的处理。数据传输部分是用来把数据传输到上位机，然后再对数据进行处理。 控制输出部分用来控制喷水阀的开关，以达到降尘的效果，从而有效地防止煤尘爆炸 的发生。 ATmega16 电源模块 粉尘浓度传感器 报警模块 执行器件 时钟模块 上位机 RS-485 图 4-1 系统硬件结构图 Fig.4-1 System hardware structure chart 4.3 电源模块 供电部分可采用矿井现有的供电系统通过变压器提供，也可采用蓄电池给系统提 供，其优点在于系统工作不受供电系统影响，其缺点是需要定期充电。 单片机上需要有专门的电源电路为单片机板提供合适的电压。这里，电源电路的 的作用是将220V交流电经降压、整流、滤波和稳压等处理后得到需要的具有一定功率 的直流电源。本系统微控制电路需要5V的直流电压提供给ATmegal6单片机和MAX232 以及其他外围数字芯片所需，12V的直流电压用来向电磁阀和粉尘浓度传感器供电。根 据电路整体需求，经查阅相关资料后，最终决定电源电路如图4-2所示。 太原理工大学硕士论文 19 图 4-2 电源电路 Fig.4-2 Power supply circuit 7805为三端正稳压电路,TO-220封装，能提供多种固定的输出电压，应用范围广。 内含过流、过热和过载保护电路。主要特点输出电流可达1A，输出电压为5V，最小 输入电压为7.5V，最大输入电压可达25V，能够适应作业条件限制。电路中，Cl用来 滤除高频分量，C2用来提高系统稳定性，并通过一个LED灯指示电源是否接通[19]。 4.4 频率采集处理模块 GCG1000型粉尘浓度传感器的信号输出有三种方式①200～1000Hz的频率；② 1～5mA的电流；③0～5V的电压。本系统选取频率信号输出方式，原因是频率信 号抗干扰性强、易于远距离传输、便于和数字计算机系统相连接，可以获得较高的测 量精度[20]。 4.4.1 频率测量原理 使用单片机测量频率，通常是利用单片机的定时计数器来完成的，测量的基本方 法有两种[21][22][23] 测频法在限定的时间内检测脉冲的个数。 测周法测量限定的脉冲个数之间的时间。 太原理工大学硕士论文 20 这两种方法原理是相同的，但在实际使用时，需要根据待测频率的范围、系统的 时钟周期、计数器的长度、以及所要求的测量精度等因素进行全面和具体的考虑，寻 找和设计出适合具体要求的测量方法。对于高频信号测频法较为有效，而对于如本文 所述系统的200～1000Hz的频率信号较适用于测周法。测周法的基本思想，就是测量在 限定的脉冲个数之间的时间间隔，然后再换算成频率。当被测信号的频率比较低时， 采用这种方法比较适合，因为频率越低，在限定的脉冲个数之间的时间间隔也越长， 因此定时计数的个数也越多，测量也越准确。 在具体频率的测量中，需要注意和考虑的因素有以下几点[20] 1系统的时钟。首先测量频率的系统时钟本身精度要高，因为无论是限定测量时 间还是测量限定脉冲个数的周期，其基本的时间基准是系统本身时钟产生的。其次是 系统时钟的频率值，因为系统时钟频率越高，能够实现频率测量的精度也越高。因此 使用AVR测量频率时， 建议使用由外部晶体组成的系统的振荡电路， 不使用其内部的RC 振荡源，同时尽量使用频率比较高的系统时钟。 2所使用定时计数器的位数。测量频率要使用定时计数器，定时计数器的位数越 长，可以产生的限定时间越长，或在限定时间里记录的脉冲个数越多，因此也提高了 频率测量的精度。所以对频率测量精度有一定要求时，尽量采用16位的定时计数器。 3被测频率的范围。频率测量需要根据被测频率的范围选择测量的方式。当被测 频率的范围比较低时，最好采用测周期的方法测量频率。而被测频率比较高时，使用 测频法比较合适。需要注意的是，被测频率的最高值一般不能超过测频MCU系统时钟 频率的1/2，因为当被测频率高于MCU时钟1/2 后，MCU往往不能正确检测被测脉冲的 电平变化了。 除了以上三个因素外，还要考虑频率测量的频度（每秒内测量的次数） ，如何与系 统中其