棗莊礦業(yè)（集團）有限責(zé)任公司新安煤礦 閔 濤

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基于單片機的煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

棗莊礦業(yè)（集團）有限責(zé)任公司新安煤礦 閔 濤

【摘要】本文設(shè)計一種基于MSP430單片機的井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由井下監(jiān)控終端和監(jiān)控上位機組成，可對井下各項環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)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(tài)軟件（MCGS）作為該系統(tǒng)的監(jiān)控層軟件，具有良好的人機交互性。

【關(guān)鍵詞】MSP430單片機；井下環(huán)境監(jiān)測；無線傳輸通信；MCGS

0　引言

由于井下環(huán)境的特殊復(fù)雜，各級部門一直將安全生產(chǎn)作為重點，而將電子通信設(shè)施應(yīng)用到礦井環(huán)境監(jiān)測中是一種有效手段［1］。目前多數(shù)的電子通訊設(shè)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(shè)計了一種基于MSP430單片機的井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)的諸多缺點，下位機采集礦井環(huán)境的多個參數(shù)后，通過nRF905無線模塊發(fā)送到接收端，接收端一方面通過上位機軟件分析數(shù)據(jù)，一方面通過液晶和語音模塊等構(gòu)成的交互系統(tǒng)可以直觀的反饋當(dāng)前礦井的情況，極大地方便了礦井員工的實際體驗。此系統(tǒng)具有監(jiān)測功能強大、交互性能好等優(yōu)點，滿足現(xiàn)代礦井的要求［2］。

1　系統(tǒng)的整體構(gòu)架

整個系統(tǒng)由兩大部分組成。頂層系統(tǒng)由上位機、MSP430單片機、無線模塊、液晶顯示和SYN6288語音模塊構(gòu)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(tǒng)的總體硬件框圖

2　系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1主控制器的選擇

考慮到發(fā)送部分數(shù)據(jù)處理的簡潔、接收端實時顯示的數(shù)據(jù)處理速度及成本以及驅(qū)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(shù)與豐富的片上外圍系統(tǒng)。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(tǒng)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(shù)據(jù)格式進行通訊。MCU發(fā)送起始信號后，DHT11會工作到高速模式，在主機發(fā)送結(jié)束信號后，DHT11響應(yīng)信號，送出40位的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號采集。從模式下，DHT11接收到開始信號后執(zhí)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(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式。

2.3氣體傳感器

MQ-2傳感器用于氣體監(jiān)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(shè)定閾值時，傳感器的數(shù)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(qū)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(jiān)測高低電平，由此來監(jiān)測大棚內(nèi)是否有煙霧，如果大棚室內(nèi)意外著火，傳感器會監(jiān)測到煙霧的存在，通過電平上升沿觸發(fā)外部中斷，從而達到煙霧監(jiān)測報警的作用。

2.4二氧化碳傳感器

本設(shè)計采用的是MG811電化學(xué)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(jiān)測模擬信號輸出值的大小，并與溫度補償輸出大小疊加經(jīng)過轉(zhuǎn)換對照表轉(zhuǎn)換后得出對應(yīng)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(fā)一體的單片無線收發(fā)器，它可工作433/868/915MHz的ISM頻段，由一個完全集成的頻率調(diào)制器、一個帶解調(diào)器的接收器、一個功率放大器、一個晶體震蕩器和一個調(diào)節(jié)器組成。正常工作時處于ShockBurst工作模式，其特點是自動產(chǎn)生前導(dǎo)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(shè)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(gòu)成了用戶的交互系統(tǒng)，即使不借助上位機PC也可以直觀的展示大棚當(dāng)前的情況。這部分設(shè)計液晶屏主要顯示當(dāng)前溫度、濕度、煙霧、二氧化碳濃度以及相應(yīng)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(tǒng)的軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括上位機和下位機軟件。上位機采用工程組態(tài)軟件（MCGS），主要負責(zé)數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控以及發(fā)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(yīng)模塊、CO2濃度采集模塊、nRF905發(fā)送模塊、nRF905接收模塊、交互系統(tǒng)模塊構(gòu)成。

3.1系統(tǒng)的主程序設(shè)計

系統(tǒng)的流程圖如圖4所示，軟件設(shè)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(tǒng)單片機控制各個傳感器采集數(shù)據(jù)并通過nRF905無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，接收到的數(shù)據(jù)在12864液晶上顯示，另一方面，通過RS-232接收到的數(shù)據(jù)實時傳遞給上位機。每隔一段時間，語音模塊SYN6288播報當(dāng)前大棚的各個參數(shù)值大小。上位機根據(jù)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(shù)的上下限值，如果頂層系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)超過了設(shè)定的閾值，或者氣體傳感器接口輸出高電平觸發(fā)外部中斷，即判斷大棚內(nèi)監(jiān)測到煙霧，則語音模塊SYN6288立刻發(fā)出警報。上位機實時監(jiān)控當(dāng)天傳感器采集到的參數(shù)，并存放在數(shù)據(jù)庫中。工作人員可以調(diào)用數(shù)據(jù)庫了解一天內(nèi)大棚內(nèi)溫度、濕度、光強、二氧化碳濃度等參數(shù)的變化規(guī)律。

圖4　系統(tǒng)程序工作流程圖

3.2nRF905無線通信程序設(shè)計

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

3.3上位機軟件設(shè)計

上位機軟件系統(tǒng)（見圖6）采用工程組態(tài)軟件（MCGS）。MCGS是一套可用來快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)。它為用戶提供了從設(shè)備驅(qū)動、數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)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(fā)平臺［5］.本設(shè)計利用這一平臺實現(xiàn)實時監(jiān)控當(dāng)天傳感器采集到的參數(shù)，并存放在數(shù)據(jù)庫中的功能。

串口驅(qū)動模塊通過北京昆侖通態(tài)自主研發(fā)的“MCGS腳本驅(qū)動開發(fā)工具”編寫而成。相對于VC、VB驅(qū)動程序的開發(fā)，腳本驅(qū)動的開發(fā)更簡單、更容易。腳本驅(qū)動屏蔽了設(shè)備驅(qū)動開發(fā)的技術(shù)細節(jié)，采用與MCGS腳本語言兼容的編程語言，封裝了大量標(biāo)準(zhǔn)功能，并提供必要的容錯處理。通過“MCGS腳本驅(qū)動開發(fā)工具”，我們可以得到新建的子設(shè)備腳本驅(qū)動，并將生成的“.mdr”格式文件保存在“... MCGSProgramDrivers用戶定制設(shè)備”目錄下，方便監(jiān)控界面開發(fā)時直接調(diào)用。

圖5　nRF905無線通信發(fā)送與接收流程圖

圖6　MCGS設(shè)計上位機示意圖

4　結(jié)束語

本系統(tǒng)經(jīng)過實際調(diào)試，證明系統(tǒng)運行穩(wěn)定，測量功能強大，交互性能好、實用性強，并結(jié)合上位機軟件能夠清晰直觀的監(jiān)測礦井內(nèi)各個參數(shù)的變化，滿足了現(xiàn)代化礦井管理系統(tǒng)的需要，具有一定的應(yīng)用前景。

參考文獻

［1］宰文姣.基于MSP430單片機的礦井無線報警系統(tǒng)設(shè)計［J］.西南民族大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，01：145-150.

［2］張飛，孫旭，張仕玲.基于MSP430F149單片機的煤氣泄露監(jiān)測與報警系統(tǒng)的設(shè)計［J］.中國集成電路，2011，08：68-71.

［3］洪利.MSP430單片機原理與應(yīng)用實例詳解［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

［4］朱士群，牛偉，耿淑琴，侯立剛，楊紅艷，李子騰，吳武臣.基于nRF905無線通信系統(tǒng)的設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，05：33-36.

［5］鄒偉，楊平，徐德.基于MCGS組態(tài)軟件的上位機控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.制造業(yè)自動化，2008，12：103-108.

作者簡介：

閔濤，男，山東棗莊人，棗莊礦業(yè)（集團）有限責(zé)任公司新安煤礦機電礦長，研究方向：機電運輸。