基于單片機的煤礦井下環境監測系統設計

2016-08-09 05:40:08棗莊礦業集團有限責任公司新安煤礦

電子世界 2016年13期

棗莊礦業（集團）有限責任公司新安煤礦閔濤

基于單片機的煤礦井下環境監測系統設計

棗莊礦業（集團）有限責任公司新安煤礦閔濤

【摘要】本文設計一種基于MSP430單片機的井下環境監測系統。該系統由井下監控終端和監控上位機組成，可對井下各項環境參數進行監測報警。同時，上位機和下位機之間采用nRF905進行無線傳輸通信，并使用工程組態軟件（MCGS）作為該系統的監控層軟件，具有良好的人機交互性。

【關鍵詞】MSP430單片機；井下環境監測；無線傳輸通信；MCGS

0　引言

由于井下環境的特殊復雜，各級部門一直將安全生產作為重點，而將電子通信設施應用到礦井環境監測中是一種有效手段［1］。目前多數的電子通訊設備采用有線方式進行信號傳輸，這種方式布線繁瑣，安裝和維護成本較高，而且可靠性得不到保障。

本文設計了一種基于MSP430單片機的井下環境監測系統，克服了傳統的監測系統的諸多缺點，下位機采集礦井環境的多個參數后，通過nRF905無線模塊發送到接收端，接收端一方面通過上位機軟件分析數據，一方面通過液晶和語音模塊等構成的交互系統可以直觀的反饋當前礦井的情況，極大地方便了礦井員工的實際體驗。此系統具有監測功能強大、交互性能好等優點，滿足現代礦井的要求［2］。

1　系統的整體構架

整個系統由兩大部分組成。頂層系統由上位機、MSP430單片機、無線模塊、液晶顯示和SYN6288語音模塊構成，其示意圖見圖1。底層由DHT11溫濕度傳感器、MQ-2氣體傳感器、MG811二氧化碳傳感器模塊、MSP430單片機、無線模塊組成。

圖1　系統的總體硬件框圖

2　系統的硬件設計

2.1主控制器的選擇

考慮到發送部分數據處理的簡潔、接收端實時顯示的數據處理速度及成本以及驅動傳感器需要I2C、UART接口等因素，決定使用MSP430F169作為主控芯片。該單片機具有強大的處理能力、高性能的模擬技術與豐富的片上外圍系統。該單片機具有60 KB的Flash存儲器，2 KB的RAM，12位ADC，串行通信USART0（UART 和SPI、I2C）和USART1（UART和SPI）接口、硬件乘法器和3通道DMA，完全符合系統的各項要求［3］。

2.2溫濕度傳感器

MCU與DHT11之間采用單總線數據格式進行通訊。MCU發送起始信號后，DHT11會工作到高速模式，在主機發送結束信號后，DHT11響應信號，送出40位的數據，并觸發一次信號采集。從模式下，DHT11接收到開始信號后執行一次采集，在沒有接收到起始信號時，DHT11不會主動工作。采集數據后轉換到低速模式。

2.3氣體傳感器

MQ-2傳感器用于氣體監測，適用于液化氣、甲烷、煙霧等氣體的探測。在上述氣體濃度低于設定閾值時，傳感器的數字I/O口DO口輸出高電平；一旦氣體含量超出閾值，則輸出低電平。由于該模塊是5V電平驅動，MSP430系列單片機是3.3V供電，故需要進行光電耦合后與單片機連接。通過單片機來監測高低電平，由此來監測大棚內是否有煙霧，如果大棚室內意外著火，傳感器會監測到煙霧的存在，通過電平上升沿觸發外部中斷，從而達到煙霧監測報警的作用。

2.4二氧化碳傳感器

本設計采用的是MG811電化學CO2傳感器。傳感器正常工作電壓為6V。MG811靈敏度高，并帶有溫度補償輸出。模擬信號口與單片機的A/D通道接口相接，通過A/D監測模擬信號輸出值的大小，并與溫度補償輸出大小疊加經過轉換對照表轉換后得出對應的二氧化碳濃度值大小，并在上位機上顯示出來。

2.5nRF905無線模塊

nRF905是一款收發一體的單片無線收發器，它可工作433/868/915MHz的ISM頻段，由一個完全集成的頻率調制器、一個帶解調器的接收器、一個功率放大器、一個晶體震蕩器和一個調節器組成。正常工作時處于ShockBurst工作模式，其特點是自動產生前導碼和CRC，并能很容易地通過SPI接口進行編程配置［4］。該模塊與MCU的接口如圖2所示。

圖2　nRF905接口電路

2.6語音播報模塊

本設計采用SYN6288中文語音合成芯片，通過UART通訊方式，將待合成的文本數據轉換為語音，具有硬件接口簡單、功耗低、銀色清亮圓潤等特點。芯片支持任意中文文本的合成，可以采用GB2312、GBK、BIG5和Unicode四種編碼方式，并可以對時間、多音字、電話等能進行正確的識別和處理。與單片機的接口電路如圖3所示。

圖3　SYN6288語音模塊與MCU接口電路

2.7 顯示模塊

顯示模塊電路采用12864液晶，與語音模塊、鍵盤等一起構成了用戶的交互系統，即使不借助上位機PC也可以直觀的展示大棚當前的情況。這部分設計液晶屏主要顯示當前溫度、濕度、煙霧、二氧化碳濃度以及相應的閾值。通過對液晶的RS、R/W、E等引腳遵循其時序圖進行讀寫操作達到控制液晶顯示的效果。

3　系統的軟件設計

軟件設計主要包括上位機和下位機軟件。上位機采用工程組態軟件（MCGS），主要負責數據處理與監控以及發送控制指令等作用；下位機軟件主要有溫濕度采集模塊、煙霧感應模塊、CO2濃度采集模塊、nRF905發送模塊、nRF905接收模塊、交互系統模塊構成。

3.1系統的主程序設計

系統的流程圖如圖4所示，軟件設計中，上電初始化完成對單片機、12864液晶顯示屏、傳感器的初始化；底層系統單片機控制各個傳感器采集數據并通過nRF905無線模塊發送數據，接收到的數據在12864液晶上顯示，另一方面，通過RS-232接收到的數據實時傳遞給上位機。每隔一段時間，語音模塊SYN6288播報當前大棚的各個參數值大小。上位機根據不同作物不同生長時間判斷溫濕度、光強、二氧化碳濃度等參數的上下限值，如果頂層系統接收到的數據超過了設定的閾值，或者氣體傳感器接口輸出高電平觸發外部中斷，即判斷大棚內監測到煙霧，則語音模塊SYN6288立刻發出警報。上位機實時監控當天傳感器采集到的參數，并存放在數據庫中。工作人員可以調用數據庫了解一天內大棚內溫度、濕度、光強、二氧化碳濃度等參數的變化規律。

圖4　系統程序工作流程圖

3.2nRF905無線通信程序設計

底層系統的nRF905無線發送和頂層系統的nRF905無線接收的程序流程圖如圖5所示。底層系統中的傳感器采集完大棚內各參數值后將其傳送給單片機，nRF905開始發送數據，按照SPI時序要求把接收機的地址和要發送的數據傳給nRF905。接著，頂層系統中的nRF905開始接收數據。頂層的nRF905不斷監測，等待接收數據，當一個正確的數據包接收完畢，nRF905自動移除字頭地址和CRC校驗位，提取數據后進入空閑模式。然后，模塊通過SPI接口把數據傳送到MCU中。

3.3上位機軟件設計

上位機軟件系統（見圖6）采用工程組態軟件（MCGS）。MCGS是一套可用來快速構造和生成上位機監控系統的組態軟件系統。它為用戶提供了從設備驅動、數據采集到數據處理、報警處理、流程控制、動畫顯示、報表輸出等用來解決實際工程問題的完整方案和開發平臺［5］.本設計利用這一平臺實現實時監控當天傳感器采集到的參數，并存放在數據庫中的功能。

串口驅動模塊通過北京昆侖通態自主研發的“MCGS腳本驅動開發工具”編寫而成。相對于VC、VB驅動程序的開發，腳本驅動的開發更簡單、更容易。腳本驅動屏蔽了設備驅動開發的技術細節，采用與MCGS腳本語言兼容的編程語言，封裝了大量標準功能，并提供必要的容錯處理。通過“MCGS腳本驅動開發工具”，我們可以得到新建的子設備腳本驅動，并將生成的“.mdr”格式文件保存在“... MCGSProgramDrivers用戶定制設備”目錄下，方便監控界面開發時直接調用。