摘 要：單片機(jī)在工業(yè)控制中的應(yīng)用面越來越廣，但單片機(jī)應(yīng)用的發(fā)展卻未跟上單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展。以KG9701為例，全面分析目前流行的煤礦傳感器的結(jié)構(gòu)，并就煤礦傳感器中廣泛使用的核心單片機(jī)89C1與AVR單片機(jī)做充分對比后，闡明運(yùn)用AVR單片機(jī)設(shè)計(jì)礦用傳感器的思路與傳感器結(jié)構(gòu)，提出基于AVR單片機(jī)設(shè)計(jì)的煤礦智能設(shè)備具有更好的性能和較低的成本，是煤礦傳感器設(shè)計(jì)的首選器件。

關(guān)鍵詞：煤礦安全；傳感器；AVR；智能設(shè)備；瓦斯監(jiān)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(fā)，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(chǎn)監(jiān)督管理總局在《煤礦安全規(guī)程》中明確規(guī)定，“所有礦井必須安裝礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)?！睘榱藵M足市場需要，煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)和生產(chǎn)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(huán)境的最直接設(shè)備。傳感器的工作性能、可靠性、可調(diào)節(jié)性與可升級性直接影響煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

迄今為止，我國的礦井瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)仍處于開發(fā)階段，雖然很多產(chǎn)品已投放市場并正式運(yùn)行，但大部分產(chǎn)品并沒有最后定型。因此，對煤礦傳感器的研究與開發(fā)更有利于其發(fā)展，并推動煤礦用其他檢測控制裝置的研究，使礦用產(chǎn)品越來越成熟。

2 現(xiàn)有傳感器的設(shè)計(jì)

綜觀現(xiàn)有傳感器，基本上都以單片機(jī)為核心，并輔以敏感元件作為檢測裝置，A/D轉(zhuǎn)換電路將檢測到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識別的數(shù)字信號并送至單片機(jī)中處理，同時(shí)配備E2PROM作為數(shù)據(jù)或程序的存儲。本文以煤炭科學(xué)研究總院重慶分院研制開發(fā)的KG9701智能低濃度甲烷傳感器為例進(jìn)行分析。

KG9701可檢測煤礦井下0～400% C4沼氣濃度，并連續(xù)自動地將井下沼氣濃度轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號輸送給關(guān)聯(lián)設(shè)備，并具有就地顯示瓦斯?jié)舛戎?，超限聲光?bào)警等功能。性能穩(wěn)定、測量精確、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、易使用易維護(hù)等特點(diǎn)，并具備遙控調(diào)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(yīng)用于全國大、中、小型煤礦，在國內(nèi)市場占有率超過60％。該傳感器設(shè)計(jì)壽命為3年，目前已進(jìn)入更新?lián)Q代時(shí)間。

本電路主要由以下幾個(gè)主要部份組成：

（1） 單片機(jī)電路

整機(jī)電路以89C1作為核心，E2PROM采用A24C02，可存儲26 B數(shù)據(jù)，防止傳感器掉電后檢測數(shù)據(jù)丟失?？撮T狗電路由MAX813組成，防止單片機(jī)程序跑飛，并在程序跑飛后重啟單片機(jī)以使單片機(jī)正常運(yùn)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(gòu)成的開關(guān)電源及LM38構(gòu)成的二次穩(wěn)壓電路構(gòu)成的本安電源轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需要的電壓，為整機(jī)供電。正負(fù)電源轉(zhuǎn)換由ICL7660構(gòu)成并輸出– V電壓供A/D轉(zhuǎn)換電路使用。

（3） 采樣電路

采樣電路由A/D轉(zhuǎn)換與敏感元件2部份構(gòu)成。敏感元件感應(yīng)井下沼氣濃度，并送至A/D轉(zhuǎn)換電路。A/D轉(zhuǎn)換電路由ICL7109組成，以12 b精度進(jìn)行采樣，并將結(jié)果轉(zhuǎn)換成8位數(shù)字信號，送至89C1處理，同時(shí)將數(shù)據(jù)存入E2PROM中保存。

（4） 報(bào)警及顯示

在井下沼氣濃度超限時(shí)，由CD4011驅(qū)動喇叭及發(fā)光二極管報(bào)警。74C373驅(qū)動4位數(shù)碼管顯示沼氣濃度，在調(diào)試傳感器時(shí)顯示各調(diào)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(diào)整與設(shè)置。

3 89系列單片機(jī)與AVR單片機(jī)的對比

KG9701采用傳統(tǒng)的89C1單片機(jī)。由于推出時(shí)間長、設(shè)計(jì)資料豐富、應(yīng)用面廣，掌握該芯片使用的技術(shù)人員多。但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新型單片機(jī)與其相比而言有更多優(yōu)勢?，F(xiàn)就2種單片機(jī)做一對比。

31 89系列單片機(jī)的弊端

89系列單片機(jī)采用CIC（復(fù)雜指令系統(tǒng)）結(jié)構(gòu)。復(fù)雜指令計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的是要用最少的機(jī)器語言指令來完成所需的計(jì)算任務(wù)。但這種架構(gòu)造成CPU結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和對CPU工藝的要求。

由于89系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使其集成度相對較低，如片內(nèi)集成FLA ROM較少、無E2PROM、無看門狗電路等，導(dǎo)致開發(fā)產(chǎn)品可能存在以下問題：

（1） 運(yùn)行速度降低

89系列單片機(jī)采用復(fù)雜指令系統(tǒng)，使其程序的運(yùn)行效率降低，同時(shí)程序的復(fù)雜也導(dǎo)致存儲程序的FLARAM加大，甚至可能采用擴(kuò)充存儲器。

（2） 故障率加大

89系列單片機(jī)需增加的外圍電路，使電路的復(fù)雜性增加，故障率加大。

（3） 升級不方便

通常89系列單片機(jī)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(jī)的優(yōu)點(diǎn)

由于89系列單片機(jī)的固有缺點(diǎn)，所以采用RIC（精簡指令系統(tǒng)）的單片機(jī)越來越受到青睞，并大有取代89系列單片機(jī)的趨勢。目前采用精簡指令系統(tǒng)的單片機(jī)主要有Atmel公司的AVR系列單片機(jī)與MICROCIP公司的PIC系列單片機(jī)。Atmel公司的AVR單片機(jī)是1997年由Atmel公司研發(fā)的基于RIC技術(shù)的高速8位單片機(jī)，其主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（1） 高性能

AVR單片機(jī)采用ARVARD結(jié)構(gòu)，指令為16位，執(zhí)行指令與取指令同時(shí)進(jìn)行，每1個(gè)時(shí)鐘周期可執(zhí)行1條指令，其運(yùn)行速度是復(fù)雜指令計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的1~20倍。

（2） 內(nèi)置FLA存儲器

AVR單片機(jī)內(nèi)置的FAL存儲器從1~128 kB都有，可根據(jù)需要選擇不同的芯片并可以擴(kuò)充。FAL可寫次數(shù)達(dá)10 000次以上。

（3） 內(nèi)置多種外圍電路

AVR單片機(jī)內(nèi)置獨(dú)立的看門狗、A/D轉(zhuǎn)換、E2PROM、PWM輸出、上電自動復(fù)位等電路，應(yīng)用AVR單片機(jī)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(shí)損壞單片機(jī)的可能性。

由以上對比可以看出，使用AVR單片機(jī)設(shè)計(jì)煤礦傳感器，將大大降低其外圍電路的復(fù)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(jī)設(shè)計(jì)的礦用傳感器

AVR單片機(jī)共分為iny，At90s，Atmega三個(gè)檔次。根據(jù)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E2PROM，8路10位A/D轉(zhuǎn)換，能滿足應(yīng)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(jī)，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(bào)警輸出，以用于檢測值超過設(shè)定值后報(bào)警。PC口的PC0配置為A/D轉(zhuǎn)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(gòu)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(shù)碼顯示。

特別注意的是，在硬件設(shè)計(jì)上，為降低A/D轉(zhuǎn)換噪聲，需要在AVCC引腳連接A/D轉(zhuǎn)換專用電源。并且由于AVR芯片內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換參考電壓不夠穩(wěn)定，故在其Aref引腳配置由精密穩(wěn)壓集成電路L431構(gòu)成的參考電壓，以保證A/D轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。

目前正在應(yīng)用的煤礦傳感器的軟件系統(tǒng)經(jīng)過幾年的使用與改進(jìn)，軟件系統(tǒng)已漸趨成熟，加之AVR單片機(jī)支持C語言，所以不需要重新開發(fā)新的軟件系統(tǒng)，僅對原有的煤礦傳感器的軟件系統(tǒng)作簡單的改變即可移植到以AVR為核心的傳感器上，改進(jìn)成本低，轉(zhuǎn)變?nèi)菀?。?/p>

使用AVR設(shè)計(jì)煤礦傳感器外圍元件少、結(jié)構(gòu)簡單、工作效率高、成本低（每片Atmega8單片機(jī)售價(jià)不足10元）。同時(shí)AVR芯片在設(shè)計(jì)時(shí)即考慮了其安全性，只需簡單配置即可達(dá)到保密的作用，無需在軟加密上多下功夫，有效地保護(hù)了自己的知識產(chǎn)權(quán)。所以AVR單片機(jī)是設(shè)計(jì)礦用傳感器部件的首選。

參 考 文 獻(xiàn)

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［3］丁成根AVR單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)［M］北京：北京航空航天大學(xué)出版社，200

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AtmelAmega Data Book[EB/OL]http://wwwatmelcom

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