煤矿井下监控分站数据采集系统设计(软件)自动化

【摘 要】在人类发展的过程中，认识世界与改造世界是两部分最主要的过程。而监测监控系统对于它所要控制的对象亦是如此，即“测”与“控”的过程。监测监控系统是现代化生产与管理的有效工具，在整个的国民经济中都有着广泛的应用，例如：交通、能源、冶金、化工等。

【关键词】研究目的；煤矿监控系统设计；监控结构设计

1 研究说明

1.1 研究的意义

煤矿井下安全监测监控系统的中心是微型计算机，即它是以微型计算机为中心的煤矿安全监测监控系统，监测监控系统中的微型计算机控制着监控分站中的通道的选择以及它的运行方式。监控分站可以对煤矿井下火灾、环境、通风设施状况以及运输安全状况进行全面的检测，将表征其状态的物理量信息传到中心站中来进行相应的处理，进而可以有效地避免各种事故的发生，保证了生产的稳定以及工人的人身安全，在实际的生产现场有着十分重要的意义。

1.2 针对研究题目需要做的工作

（1）单片机的选择

设计的开始，在明确了设计的主要性能指标以后，首要的工作就是根据要求选择单片机的型号，合适的单片机不仅能使设计在硬件输出I/O端口分配方面更加合理，也可以使软件设计更加简单。

（2）传感器输入通道的设计

传感器输入通道设计方面的主要工作就是规定传感器输入通道每一路的信号所代表的意思以及规定每一路输入信号的制式。在明确了信号制式以及信号代表的物理量以后就可以根据每一部分的核心算法来对每一路信号进行处理。

（3）主程序的设计

主程序的设计主要综合了以上几个部分，在没有遥控命令的时候，主程序无限地分别对4路传感器输入通道循环扫描，得到数据以后显示在LED数码管上。

2 煤矿井下监测监控系统介绍

2.1 监测监控系统的概念

监测监控系统包括了检测被控变量和控制执行机构，这两者融合了计算机技术、通信技术、传感器技术、控制技术、计算机网络技术等综合技术。监测监控系统在现代工业生产和现代化管理有广泛的应用，包括化工、冶金、交通、能源、纺织等。它是企业综合自动化CIMS中的子系统，同时也是计算机网络中的节点。

2.2 监测监控系统的分类

监测监控系统的分类方法有很多种，按照不同的方法有其对应的种类，这里按照监测监控系统的功能可以将其分为控制系统、检测系统和测控系统。

（1）控制系统

控制系统就是单纯以控制为目的的系统。

（2）检测系统

检测系统就是专门用来检测某个理量，并且获得相应的测量数据，检测系统包括敏感元件环节、变量转换环节、数据传输环节、数据显示环节、数据处理环节。

（3）测控系统

测控系统按其字面意思来讲就是既“测”又“控”。可以说它是上面两个系统的组合，测控系统可以按照人们预期的结果来使系统执行相应的动作。

3 监控分站总体结构设计

3.1分站总体结构设计

传感器输入通道的设计，分站的传感器输入通道共4路，每路兼容电压信号和频率信号。

每一路通道都对应着不同的井下环境物理量，根据《煤矿安全章程》具体地分别为：

传感器通道1200～1000Hz的频率信号0%～4%的瓦斯浓度信号；

传感器通道20～5V的电压信号-5℃～65℃的温度信号；

传感器通道3200～1000Hz的频率信号0～20PPm的CO浓度信号；

传感器通道40～5V的电压信号0～100%的湿度信号。

但是本设计由于实际实验条件和时间有限，为实现上述功能，对上述数据进行了修改，具体的为：

传感器通道1200～1000Hz的频率信号0%～4%的瓦斯浓度信号；

传感器通道20～5V的电压信号18℃～28℃的温度信号；

传感器通道3200～1000Hz的频率信号0～20PPm的CO浓度信号；

传感器通道40～5V的电压信号40%～70%的湿度信号。

4 分站频率信号处理

MCS-51具有定时、计数以及数据处理的功能，可以很方便的用于频率的测量，一般来讲有两种方法来进行测量频率。

测频方法是用单片机的两个中断源 和 ，通过内部定时器/计数器T0来确定定时的时间，通过外部中断源 计量被测量信号周期数，用此来计算频率值。这种周期测量的方法能充分发挥单片机的内部功能，从而尽量简化电路。

编程的时候，设置了定时器/计数器为工作方式1，为最高中断优先级。因为定时/计数器是加1计数操作，如果是晶振的频率为6MHz，那么定时器发出的信号周期为2μs，对于16位的定时器来讲，最大定时时间只能达到131.072ms，不能实现1s定时，所以就需要使用软件来扩大定时器定时倍数，如果程序设定的定时倍数是100时，测量过程中要由主程序控制T0溢出的次数，如果溢出100次以后，即定时1s时间到了以后，就可读出被测量的频率数值。

由于外部中断 工作在计数的方式，每次检测到被测量的信号频率fs的下跳沿的时候，就会引起一次中断，而在中断服务程序中，需要把指定工作寄存器（R4、R5）中的内容加上1，并且进行十进制的调整。当1s定时到的时侯，可以由主程序将R4、R5寄存器内的计数值读取出来。这个中断服务程序执行的时间长短决定了频率测量的范围上限。假如晶振是6MHz，指令周期是2μs， 中断服务需要执行50个指令周期，那么允许测量频率的上限就是10KHz。如果执行时间减少到20个指令周期，那么被测量频率上限就变为25KHz。

分站的传感器通道1和传感器通道3为频率信号，根据规定：

传感器通道1200～1000Hz的频率信号0%～4%的瓦斯浓度信号；

传感器通道20～5V的电压信号18℃～28℃的温度信号；

传感器通道3200～1000Hz的频率信号0～20PPm的CO浓度信号；

传感器通道40～5V的电压信号40%～70%的湿度信号。

可以知道通道1和通道3的输入信号都是200～1000Hz的频率信号，所以，在测频方面他们的思路基本都一样，只是在具体的信号处理方面有一定的差异。

测频的思路为：首先CPU接收到来自传感器通道1或者传感器通道3的信号以后，首先启动T0定时器定时1s钟，开始定时的同时，T1也开始计数CPU输入端口的脉冲，而T0定时器定时完成时产生中断即停止T1的计数，也完成了测量阶段。

由于计数的周期T=1s，所以计数的结果就是赫兹（f=1/T Hz）。

在得到频率的数值以后就要将数据进行一定的处理进而来显示需要表达的物理量。由于输入传感器的频率信号范围为200～1000Hz的频率信号，当传感器通道1接通的时候，表示的是0%～4%的瓦斯浓度信号，所以，如果此时单片机所测的频率为A1时，那么可得到需要显示的瓦斯浓度的数值为B1，且所得到的就是此时瓦斯浓度的数值。

B1=[4/（1000―200）]×（A1―200）

5 结论

本次设计完成了煤矿井下监控分站的基本功能设计，监控分站是监测监控系统的一个部分，一个主站含有很多小的分站，很多这样的小的分站再加上上位机数据处理控制，就形成了一个煤矿安全监测监控系统。而我们所做的应该是这些分站中的其中一个，即煤矿井下监控分站。

参考文献：

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[2]张义和，王敏男，许宏昌.例说51单片机（C语言版）.北京：人民邮电出版社，2008.4.

[3]柴钰.单片机原理及应用.西安：西安电子科技大学出版社，2009.2

[4]皮大能，南光群，刘金华.单片机课程设计指导书.北京：北京理工大学出版社，2010.7.