基于ＡＶＲ單片機的煤礦傳感器設計
2008-04-12 00:00:00施澤全
現代電子技術 2008年14期
摘 要：單片機在工業控制中的應用面越來越廣，但單片機應用的發展卻未跟上單片機技術的發展。以KG9701為例，全面分析目前流行的煤礦傳感器的結構，并就煤礦傳感器中廣泛使用的核心單片機89C1與AVR單片機做充分對比后，闡明運用AVR單片機設計礦用傳感器的思路與傳感器結構，提出基于AVR單片機設計的煤礦智能設備具有更好的性能和較低的成本，是煤礦傳感器設計的首選器件。
關鍵詞：煤礦安全；傳感器；AVR；智能設備；瓦斯監測
Design of Coal Mine ensorBased on AVR ingle Chip Computer
I Zequan
(Chongqing Vocational Institute Engineering，Chongqing，400037，China)
Abstract：ingle chip are more and more widely used in industrial control，while the development of application doesn't keep up with their technical developmentIn this essay，KG9701 as an example，the author analyses the popular sensors′ structure used in coal minesAfter full comparison of AVR single chip computer and 89C1，the widely used core sensor single chip，the designing idea and structure of AVR single chip computer used as a coal mine sensor is illustrated，the AVR microcontroller as the priority as coal mine sensor is offered，because of their better performance and lower cost
Keywords：safety in coal mines;sensor;AVR;inteligent equipment;gas monitoring
1 引 言
由于近年來煤礦瓦斯事故頻發，并且動則死傷礦工十余人甚至上百人。鑒于此，國家安全生產監督管理總局在《煤礦安全規程》中明確規定，“所有礦井必須安裝礦井安全監控系統。”為了滿足市場需要，煤礦監控系統的研發和生產呈越來越旺的趨勢。其中，煤礦用傳感器是直接面對礦井具體工作環境的最直接設備。傳感器的工作性能、可靠性、可調節性與可升級性直接影響煤礦監控系統的正常運行。
迄今為止，我國的礦井瓦斯監測監控系統仍處于開發階段，雖然很多產品已投放市場并正式運行，但大部分產品并沒有最后定型。因此，對煤礦傳感器的研究與開發更有利于其發展，并推動煤礦用其他檢測控制裝置的研究，使礦用產品越來越成熟。
2 現有傳感器的設計
綜觀現有傳感器，基本上都以單片機為核心，并輔以敏感元件作為檢測裝置，A/D轉換電路將檢測到的數據轉換為單片機可識別的數字信號并送至單片機中處理，同時配備E2PROM作為數據或程序的存儲。本文以煤炭科學研究總院重慶分院研制開發的KG9701智能低濃度甲烷傳感器為例進行分析。
KG9701可檢測煤礦井下0～400% C4沼氣濃度，并連續自動地將井下沼氣濃度轉換成標準電信號輸送給關聯設備，并具有就地顯示瓦斯濃度值，超限聲光報警等功能。性能穩定、測量精確、響應速度快、結構堅固、易使用易維護等特點，并具備遙控調校、斷電控制、故障自校自檢等新功能。
KG9701于2000年研制成功并投放市場，目前已廣泛應用于全國大、中、小型煤礦，在國內市場占有率超過60％。該傳感器設計壽命為3年，目前已進入更新換代時間。
本電路主要由以下幾個主要部份組成：
（1） 單片機電路
整機電路以89C1作為核心，E2PROM采用A24C02，可存儲26 B數據，防止傳感器掉電后檢測數據丟失。看門狗電路由MAX813組成，防止單片機程序跑飛，并在程序跑飛后重啟單片機以使單片機正常運行。
（2） 電源電路
傳感器接受分站送入的8~24 V直流電壓，由MC34063構成的開關電源及LM38構成的二次穩壓電路構成的本安電源轉換成系統所需要的電壓，為整機供電。正負電源轉換由ICL7660構成并輸出– V電壓供A/D轉換電路使用。
（3） 采樣電路
采樣電路由A/D轉換與敏感元件2部份構成。敏感元件感應井下沼氣濃度，并送至A/D轉換電路。A/D轉換電路由ICL7109組成，以12 b精度進行采樣，并將結果轉換成8位數字信號，送至89C1處理，同時將數據存入E2PROM中保存。
（4） 報警及顯示
在井下沼氣濃度超限時，由CD4011驅動喇叭及發光二極管報警。74C373驅動4位數碼管顯示沼氣濃度，在調試傳感器時顯示各調試值。
（） 紅外接收電路
紅外接收電路接收遙控器傳來的遙控信號，以完成傳感器的調整與設置。
3 89系列單片機與AVR單片機的對比
KG9701采用傳統的89C1單片機。由于推出時間長、設計資料豐富、應用面廣，掌握該芯片使用的技術人員多。但隨著科學技術的發展，新型單片機與其相比而言有更多優勢。現就2種單片機做一對比。
31 89系列單片機的弊端
89系列單片機采用CIC（復雜指令系統）結構。復雜指令計算機系統設計目的是要用最少的機器語言指令來完成所需的計算任務。但這種架構造成CPU結構的復雜性和對CPU工藝的要求。
由于89系列單片機的結構的復雜性，使其集成度相對較低，如片內集成FLA ROM較少、無E2PROM、無看門狗電路等，導致開發產品可能存在以下問題：
（1） 運行速度降低
89系列單片機采用復雜指令系統，使其程序的運行效率降低，同時程序的復雜也導致存儲程序的FLARAM加大，甚至可能采用擴充存儲器。
（2） 故障率加大
89系列單片機需增加的外圍電路，使電路的復雜性增加，故障率加大。
（3） 升級不方便
通常89系列單片機程序的寫入需要專用的編程器，升級程序不方便。
32 AVR單片機的優點
由于89系列單片機的固有缺點，所以采用RIC（精簡指令系統）的單片機越來越受到青睞，并大有取代89系列單片機的趨勢。目前采用精簡指令系統的單片機主要有Atmel公司的AVR系列單片機與MICROCIP公司的PIC系列單片機。Atmel公司的AVR單片機是1997年由Atmel公司研發的基于RIC技術的高速8位單片機，其主要優點如下：
（1） 高性能
AVR單片機采用ARVARD結構，指令為16位，執行指令與取指令同時進行，每1個時鐘周期可執行1條指令，其運行速度是復雜指令計算機系統的1~20倍。
（2） 內置FLA存儲器
AVR單片機內置的FAL存儲器從1~128 kB都有，可根據需要選擇不同的芯片并可以擴充。FAL可寫次數達10 000次以上。
（3） 內置多種外圍電路
AVR單片機內置獨立的看門狗、A/D轉換、E2PROM、PWM輸出、上電自動復位等電路，應用AVR單片機大大簡化了外圍電路，提高了電路的可靠性。
（4） 具有PI編程功能
PI編程功能使更新AVR程序僅僅需要幾根線即可，省去了撥下芯片的麻煩，避免了更新程序時損壞單片機的可能性。
由以上對比可以看出，使用AVR單片機設計煤礦傳感器，將大大降低其外圍電路的復雜性，并提高電路可靠性，使其成為煤礦傳感器升級換代的首選。
4 使用AVR單片機設計的礦用傳感器
AVR單片機共分為iny，At90s，Atmega三個檔次。根據需求，此處決定采用Atmega8L作為主芯片。Atmega8L最高8 Mz工作頻率，工作電壓27~ V，有8 kB的Flashrom，1 kB的RAM，12 kB的E2PROM，8路10位A/D轉換，能滿足應用需要，其電路原理框圖如圖2所示。
傳感器核心控制單元采用Atmega8L-8AU單片機，PB口的PB3，PB4配置為PI下載線接口，并與外殼上的接口相連，用于程序更改與升級。PB口PB1配置為聲光報警輸出，以用于檢測值超過設定值后報警。PC口的PC0配置為A/D轉換輸入口。由于輸入信號幅度較小，故在電路中加入1級由LM38構成的放大電路。PC口的PC2配置為紅外線接收口，用于接收遙控板送來的信息。PD口用于4位數碼顯示。
特別注意的是，在硬件設計上，為降低A/D轉換噪聲，需要在AVCC引腳連接A/D轉換專用電源。并且由于AVR芯片內部的A/D轉換參考電壓不夠穩定，故在其Aref引腳配置由精密穩壓集成電路L431構成的參考電壓，以保證A/D轉換的準確性。
目前正在應用的煤礦傳感器的軟件系統經過幾年的使用與改進，軟件系統已漸趨成熟，加之AVR單片機支持C語言，所以不需要重新開發新的軟件系統，僅對原有的煤礦傳感器的軟件系統作簡單的改變即可移植到以AVR為核心的傳感器上，改進成本低，轉變容易。
使用AVR設計煤礦傳感器外圍元件少、結構簡單、工作效率高、成本低（每片Atmega8單片機售價不足10元）。同時AVR芯片在設計時即考慮了其安全性，只需簡單配置即可達到保密的作用，無需在軟加密上多下功夫，有效地保護了自己的知識產權。所以AVR單片機是設計礦用傳感器部件的首選。
參 考 文 獻
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AtmelAmega Data Book[EB/OL]http://wwwatmelcom
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