基于AT89C51的智能矿井环境质量监控系统

1 引言

以监测矿井有毒有害气体为目的，介绍一种通用性很强的智能空气监测系统的设计与实现。采用AT89C51单片机作为主控器，可实现对矿下温度和氧气、甲烷气等有毒有害气体的浓度参数进行采集处理、存储、显示及报警功能；同时可与上位机进行串行通讯：并能将环境空气的详细历史资料存储在EEPROM中备查。此外，能实现对矿井有人作业环境取排风温度进行连续、间歇检测；对无人作业环境下系统自动定时运行、非正常断电后系统开机等记忆功能。详细阐述了硬件结构和软件流程，并且指出该系统的特点和优势。

2系统组成及工作原理

该系统由硬件和软件两大部分。硬件部分主要完成各种传感器信号的采集、转换、各种信息的显示等；软件部分主要完成信号的处理及控制功能等。其工作原理是通过89C51单片机一次查询各传感器的输出信号，然后对输入信号进行相应处理后，再通过显示模块输出，同时还可输出各种报警信号和控制信号。图1给出系统原理框图。

3系统硬件设计

3.1主控模块

系统采用AT89C51单片机，它带有4 KB闪速式存储器、128 B内存，最大工作频率为24 MHz。同时具有32条输入输出线，16位定时／计数器，5个中断源，1个串行口。

3.2外围电路

采片Atmel公司的AT24C128，该器件具有128 Kb的EEPROM，可写入10万次，保持40年数据。该系统扩展了一片EPROM2754，接口器件采用一片8279，两片8155；两片A／D转换器选用ADC0809，在对12个通道进行扫描检测时，还将模拟量转换成数字量。MAX232是一款带±15 kV静电保护，+5 V单电源供电的RS232收发器。显示模块采用44780驱动的LCD，HD44780(KS0062)是用低功耗CMOS技术制造的大规模点阵LCD控制器(兼带驱动器)和4 bit／8bit微处理器相连，它能使点阵LCD显示大小写英文字母、数字和符号等信息。同时有较强的通用性，使用方便，能使用户仅用少量的元件组成一个完整的点阵LCD系统，根据送入的相关数据和指令就能实现所需的显示。HD44780显示模块有8条数据线，3条控制线，可与微处理器或微控制器相连，通过送入数据和指令，可使模块正常工作。

3.3传感电路

该电路包含3个检测电路，分别用于对温度、氨气和甲烷等有毒易燃气体浓度的测量。在测量甲烷时选用WIJ-1B型甲烷传感器作为检测元件。传感器吸附甲烷气体使其阻值发生改变，即将浓度信号转换为所对应的电阻值；在测量氨气时，选用定电位电解式传感器，即湿式电化学气体传感器，通过测定气体在某个确定电位电解时产生的电流来测量气体浓度。传感器输出标准的4～20 mA信号。为满足后续电路需要，采用两个运算放大器组成I／V转换电路，再将所对应的电阻值转换为相对应的电压值。

采用AD620作为信号放大电路，有效抑制输入信号间的共模干扰和串模干扰。图2给出了AD620与后继放大电路原理图。

通过A／D转换器由CPU处理获得测量结果及控制信号，执行部分由交流接触器直接控制排风电机，当某一通道的中间继电器闭合时，启动排风电机并且报警。

该系统采用增量式PID算法，当实测值与系统给定值之差大于零时启动排风电机，从而控制有害气体浓度。其算法公式为：

 
3.4温度检测电路

采用ADI公司生产的AD7416数字温度传感器，具有10位数字输出，其测量误差为1℃。可见，AD7416测量精度虽然不是很高．但是已能满足矿井测温的实际使用要求。表1给出温度输出对应值。

4软件设计

该系统软件采用汇编语言编写，在WAVE6000版本的集成开发环境下进行编译连接。图3给出系统的软件结构。

(1)初始化模块

主要用于对时钟器件和显示屏的初始化，同时可以检测单片机引脚，以实现时钟的调解。

(2)控制模块

完成对3个空气指标的检测。根据测量结果发出响应的控制信号或报警信号，同时调用显示模块中的相应部分。通过驱动44780由LCD显示测试数据及测试状态。

(3)显示模块

包含各个显示部分，在控制模块中被调用。

4.1主程序设计

由于系统对实时性的要求不高。因此软件部分采用顺序执行方式，此外，对各功能的实现使用模块化设计。图4给出主程序系统流程图，用以完成硬件初始化和子程序调用等功能。

4.2 RS232通信子程序

PC通信是准确采集测试数据的关键，二者间的通信采用RS232C接口，该接口是专为PC间通信设计的，其连接电路如图5所示。PC间通信采用ASCII码，前7位是数据，第8位是奇偶校验位，而单片机的串行通信格式是8位，因此不能采用奇偶校验纠错，必须采用查询方式纠错。即PC将接收到的数据再发送给单片机，单片机若比较接收数据和发送数据，若相同