基于C8051F040单片机的智能矿井分站.docx
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基于C8051F040单片机的智能矿井分站
摘要
随着计算机技术、通讯技术及控制技术的发展,现场总线技术随之产生。
现场总线技术的产生,推动了测控领域的网络化进程,也带动了仪器仪表的网络化发展。
通常的微处理器都集成有1路或多路硬件UART通道,可以非常方便地实现串行通讯。
在工业控制、电力通讯、智能仪表等领域中,也常常使用简便易用的串行通讯方式作为数据交换的手段。
但是,在工业控制等环境中,常会有电气噪声干扰传输线路,使用RS-232通讯时经常因外界的电气干扰而导致信号传输错误;另外,RS-232通讯的最大传输距离在不增加缓冲器的情况下只可以达到15米。
为了解决上述问题,RS-485通讯方式就应运而生了。
本文将详细介绍RS-485原理与区别、元件选择、参考电路、通讯规约、程序设计等方面的应用要点,以及在产品实践中总结出的一些经验、窍门。
针对测控领域的网络化发展趋势,本文设计了基于C8051F040单片机的智能矿井分站。
本文以RS-485总线作为通信总线,并选用了高速、高集成度的C8051F040单片机设计了矿井智能分站。
本论文所作的内容包括:
提出了基于C8051F040单片机的监测监控系统分站设计思想;设计并实现了分站的硬件电路;完成了分站的软件设计与程序编制;实现了监控主机与分站的通讯。
试验结果表明本课题设计的监控系统分站各个模块均能正常工作,分站数据采集终端可以正确采集开关量和模拟量,可以在模拟量超限时报警和断电;并能与监控主机进行通讯。
由此可见,该系统有一定的可行性,且设计是合理的和切合实际的。
关键词:
监控系统分站;RS-485总线;C8051F040单片机;数据采集;
ABSTRACT
Withcomputertechnology,communicationtechnologyandcontroltechnology,theresultingfieldbustechnology.Fieldbustechnologygeneration,promotethefieldofnetworkmonitoringandcontrolprocess,alsocontributedtothedevelopmentofinstrumentationnetwork.
Usuallythereisamicroprocessorareintegratedormulti-channelhardwareUART,canbeveryeasytoimplementserialcommunication.Inindustrialcontrol,powercommunications,intelligentinstrumentsandotherareas,oftenusingeasytouseserialcommunicationasameansofdataexchange.However,inindustrialcontrolenvironment,therearealwayselectricalnoisetransmissionlines,usingtheRS-232communicationoftenbecauseofexternalelectricalinterferencecausedbysignaltransmissionerrors;Inaddition,RS-232communicationformaximumdistancewithoutincreasingthebuffercircumstancescanonlyreach15meters.Tosolvetheaboveproblems,RS-485communicationcameintobeing.ThischapterwilldetailtheprincipleandthedifferencebetweenRS-485,componentselection,referencecircuits,communicationprotocols,applicationprogramdesignelements,andtheproductssummedupthepracticeofsomeexperience,know-how.Areanetworkformonitoringtrends,thepaperdesignoftheminebasedonC8051F040MCUsmartsub-station.Inthispaper,RS-485busasthecommunicationbus,andselectedhigh-speed,highlyintegratedC8051F040microcontrollersmartminesub-stationdesign.
Bythispaperinclude:
proposedbasedonC8051F040MCUsub-stationmonitoringandcontrolsystemdesign;designandimplementationofhardwaresub-station;completedthesub-stationsoftwaredesignandprogramming;toachievethemonitoringhostandsub-stationcommunication.Theresultsshowthatthedesignofthemonitoringsystemofthesubjectsub-stationofeachmodulecanworkproperly,sub-stationdatacollectionterminalstocorrectlycaptureandanalogswitches,youcangaugewhenthealarmandanalogpower;andtomonitorthehostwiththecommunication.Thus,thefeasibilityofthesystemhaveacertain,andthedesignisreasonableandrealistic.
Keywords:
monitoringsystemsubstationRS-485busdataacquisition
C8051F040monolithicintegratedcircuit
目录
1绪论1
1.1选题的背景及研究意义1
1.1.1选题背景1
1.1.2课题的研究意义2
1.2本课题国内外研究动态2
1.3本文的主要内容3
2监控系统分站的方案设计5
2.1煤矿监测监控系统结构概述5
2.2分站设计方案6
2.3分站工作模式6
2.4小结7
3RS-485选型及应用指南8
3.1RS-485标准8
3.2RS-485通讯协议10
3.3RS-485应用要点10
3.3.1合理选用芯片10
3.3.2终端匹配电阻11
3.3.3网络节点数11
3.3.4节点与主干距离11
3.3.5RS-485的接地问题12
3.3.6RS-485的瞬态保护13
3.4小结14
4分站硬件电路设计15
4.1设计要求15
4.2C8051F040单片机介绍15
4.3分站的硬件结构及设计17
4.3.1分站的硬件结构17
4.3.2单片机辅助电路设计18
4.3.3液晶显示电路设计19
4.3.4声光报警电路设计21
4.3.5继电器输出电路设计22
4.3.6键盘输入电路设计22
4.3.7开关量输入电路设计23
4.3.8通用模拟量输入电路设计24
4.3.9RS-485接口电路设计25
4.3.10电源部分电路设计26
4.4小结27
5分站软件设计28
5.1软件设计概述28
5.2软件设计任务29
5.3软件开发语言及环境29
5.4软件设计31
5.4.1主程序设计31
5.4.2各模块子程序设计34
5.5软件抗干扰措施38
5.6小结38
结论39
致谢40
参考文献41
附录42
1绪论
本章在介绍我国能源结构和煤矿安全现状的基础上,分析了煤矿监测监控系统国内外的发展状况以及今后的发展趋势,论述了课题的研究意义以及论文结构等。
1.1选题的背景及研究意义
1.1.1选题背景
我国煤炭资源丰富,但开采条件复杂,自然灾害严重,47%的矿井属于高瓦斯或瓦斯突出矿井。
在当前煤炭市场需求旺盛的推动下,部分煤矿存在突击生产或盲目超产现象,造成近几年矿井安全事故发生率居高不下。
为保障煤矿的安全生产,除进一步加强煤矿安全管理意识外,关键是建立煤矿井下安全监测监控系统,形成煤矿井上、井下可靠的安全预警机制和管理决策信息通道。
所以当前现代化矿井的生产不仅要解决煤矿生产过程中存在的安全问题、生产自动化的问题、又要了解各种与生产经营相关的信息。
建立安全生产、调度和管理网络系统,对井上、井下安全生产全面了解,靠及时准确的信息指挥生产和防止各种事故的发生,已成为煤矿设计工作必须解决的问题。
矿井安全监测监控系统是传感器技术、信息传输技术、计算机应用技术、电气防爆技术和控制技术等多种技术在矿井安全生产监控领域应用的产物,对保障煤矿安全生产,提高生产效率和机电设备的利用率都具有十分重要的作用。
矿井安全监控系统一般由三部分组成:
①中心站(包括应用软件、计算机及外围设备);②信息传输装置(包括传输接口、分站、传输线、接线盒等);③传感器和执行装置。
具体来讲,煤矿安全监控系统是指对煤矿的瓦斯、风速、一氧化碳、烟雾、温度等环境参数和矿井生产、运输、提升、排水等环节的机电设备工作状态进行监测和控制,用计算机分析处理取得数据的一种系统。
安全监控系统可以为各级生产指挥者和业务部门提供环境安全参数动态信息,为指挥生产提供及时的现场资料和信息,便于提前采取防范措施。
在发生事故的情况下,能及时指示最佳救灾和避灾路线,为抢救和疏散人员、器材,提供决策信息。
1.1.2课题的研究意义
煤矿监控系统井下监控分站是一种具有数据通信功能的智能设备,由它将矿井需监测的各种参数实时采集并传输到地面上来。
数字化作为一种趋势正从工业生产过程的决策层、管理层、监控层和控制层一起渗透到现场设备,现场总线技术就是在这种需要下产生的。
开放的、可互操作的现场总线控制系统把许多现场设备连接在同一总线上,实现双向的数字通信,实现了信号传输的全数字化和测控系统的网络化。
煤矿监测监控系统分站(以下简称分站),是煤矿监测监控系统的重要组成部分,是煤矿井下各安全监控模块与井上安全监控中心之间数据传输的枢纽,负责安全监控中心与安全监控模块之间的数据采集与通信。
分站能否有效工作决定了煤矿安全监控能否顺利进行,因此煤矿监测监控系统分站在煤矿安监中发挥着重要作用。
基于上述原因,设计新型的煤矿监测监控系统分站具有极为重要的意义。
本论文采用了智能化的设计思想实现了基于C8051F040单片机的煤矿监测监控系统分站的设计。
1.2本课题国内外研究动态
国外煤矿监测监控技术是20世纪60年代开始发展起来的,至今已经有四代产品。
从技术特性来看,主要是从信息传输发生的进步来划分监控系统发展阶段的。
第一代煤矿监控系统采用空分制来传输信息。
60年代中期英国煤矿的运输机控制、日本煤矿中的固定设备控制大都采用这种技术。
波兰在70年代从法国引进技术推出了可测瓦斯、CO、风速、温度等参数共128个测点的CMC-1系统。
煤矿监控技术的第二代产品的主要技术特征是信道频分制技术的应用。
由于采用频分制,传输信道的电缆芯数大大减少,很快就取代了空分制系统。
其中最具代表性且至今仍有影响的是西德Siemens公司的TST系统和F+H公司的TF200系统。
到了80年代,美国以其拥有的雄厚高新技术优势,率先把计算机技术、大规模集成电路技术、数据通信技术等现代高新技术用于煤矿监控系统,这就形成了以分布式微处理机为基础的第四代煤矿监控系统,其中有代表性的是美国MSA公司DAN6400系统,其信息产生方式虽然仍是时分制范畴,但用原来的一般时分制的概念已不足反映这一高新技术的特点。
我国监测监控技术应用较晚,20世纪80年代初,原煤炭部组织了对国外煤矿监控技术进行大规模的考察和引进工作,大大促进了国内监控技术的发展。
先后从波兰、法国、德国、英国和美国等(如DAN6400、TF200、MINOS和Senturion-200)引进了一批安全监控系统,装备了部分煤矿;在引进的同时,通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况,研制出KJ2,KJ4等系统并通过了鉴定,90年代以来,紧跟世界监测监控系统的发展潮流,研制开发出了一批具有世界先进水平的监控系统,如煤炭科学研究总院重庆分院的KJ90系统、煤炭科学研究总院常州自动化研究所的KJ95系统等,其主要特点是:
测控分站的智能化水平进一步提高;具有网络连接功能;系统软件采用了Windows操作系统。
同时,在以风定产,先抽后采,监测监控012字方针和煤矿安全规程有关条款指导下,规定了我国各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井必须装备矿井监测监控系统。
因此,大大小小的系统生产厂家如雨后春笋般的不断出现,为用户提供了更多的选择机会,并促进了各厂家在市场竞争条件下不断提高产品质量和服务意识。
实践表明,安全监控系统为煤矿安全生产和管理起到了十分重要的作用。
综合评价我国现有煤矿监测监控系统及配套传感器等设备的现场应用效果,煤炭科学研究总院重庆分院的KJ90、天地科技股份公司常州自动化分公司的KJ95、煤炭科学研究总院抚顺分院的KJF2000和北京瑞赛公司的KJ4,KJ2000等系统无论在软硬件功能、稳定性和可靠性、专业技术服务能力、企业性质和生产规模等方面基本代表了我国煤矿监测监控系统的技术水平。
1.3本文的主要内容
本文是在现有煤矿监测监控系统的基础上,研究基于C8051F040单片机煤矿监控系统分站的设计,论文的各个部分简述如下:
第1章为绪论。
介绍选题的背景及研究的意义和课题国内外研究动态。
第2章为监测监控系统分站的方案设计。
介绍了分站的功能设计、工作模式等。
第3章为RS-485概述与协议介绍。
介绍了RS-485总线的概念、应用要点及协议。
第4章为分站硬件电路设计。
详细介绍了分站各个部分的硬件电路原理和组成。
第5章为分站软件设计。
介绍了分站的软件设计任务及开发语言和环境;主程序设计和各个模块子程序设计;软件抗干扰措施等。
2监控系统分站的方案设计
本章首先介绍了煤矿监测监控系统的结构和组成,提出了监控系统分站的设计思想,重点讨论了分站的功能设计要求和工作模式等内容。
2.1煤矿监测监控系统结构概述
整个煤矿监测监控系统是由地面中心站、网关节点站、分支中继器、井下监控分站和各种传感器,以及通信介质六部分组成。
其中中心站负责接收、存储和显示从井下监控分站传来的各种井下生产环境安全监控数据,并通过各个井下分站发送各种配置命令和对现场设备的控制命令;分支中继器在需要的地方完成通信线路的分支、中继和介质信号的转换;传感器负责收集各种现场环境安全监控数据和设备运行状态数据;通信介质负责安全监控系统各设备的连接和信息的传递。
整个监控系统分三级结构:
中心站—井下分站—传感器。
传输介质根据传输距离不同,可分段采用不同线缆,长距离用光纤不加中继器,或用电缆加中继器,短距离则可只用电缆不加中继器。
如果连接的节点总数大于110个,则也需加中继器[。
根据现场的具体情况,带有中继器的煤矿监测监控系统结构框图如图2.1所示。
图2.1煤矿监测监控系统结构框图
2.2分站设计方案
分站的核心采用了美国Silabs公司高性能C8051F040单片机;通讯采用RS-485总线通讯方式。
分站与上位机通讯的系统框图如图2.2所示。
图2.2分站与上位机通讯的系统框图
在图2.2中,工控机作为监控主机,接收来自不同的监控系统分站的采集数据,进行处理、显示,并实时地对各个分站进行控制等;监控主机与分站及分站与分站之间的通讯均采用RS-485总线通讯方式;为了防止非本安电路的危险能量串入本安电路中,在本安电路与非本安电路之间设置了安全栅。
2.3分站工作模式
分站可以与监控主机组成监控系统,如图2.2所示。
也就是直接将分站挂接在RS-485总线上与监控主机进行通讯。
在该模式下,监控主机定时地接收分站提供的模拟量和开关量数据,对所采集的数据进行处理,并根据数据信息向各个分站发送控制命令。
分站也可以监测单一矿井,直接安装在井下即可。
由于设计的监控分站具有显示和报警功能,所以可以独立完成监测工作,在小型煤矿使用比较方便。
在实际应用中,根据煤矿的规模和不同的情况选择不同的组成模式,可以避免资源浪费,达到提高经济效益的目的。
2.4小结
本章介绍了煤矿监测监控的系统结构和组成,论述了分站在整个煤矿监测监控系统中的地位和作用,提出了分站的设计思想和技术指标,并对分站功能和工作模式进行了讨论。
3RS-485选型及应用指南
3.1RS-485标准
电子工业协会(EIA)于1983年制订并发布RS-485标准,并经通讯工业协会(TIA)修订后命名为TIA/EIA-485-A,习惯地称之为RS-485标准。
RS-485标准与RS-232不一样,数据信号采用差分传输方式(DifferentialDriverMode),也称作平衡传输,它使用一对双绞线,将其中一线定义为A,另一线定义为B。
通常情况下,发送发送器A、B之间的正电平在+2~+6V,是一个逻辑状态;负电平在-2~-6V,是另一个逻辑状态。
另有一个信号地C。
在RS-485器件中,一般还有一个“使能”控制信号。
“使能”信号用于控制发送发送器与传输线的切断与连接,当“使能”端起作用时,发送发送器处于高阻状态,称作“第三态”,它是有别于逻辑“1”与“0”的第三种状态。
对于接收发送器,也作出与发送发送器相对的规定,收、发端通过平衡双绞线将A-A与B-B对应相连。
当在接收端A-B之间有大于+200mV的电平时,输出为正逻辑电平;小于-200mV时,输出为负逻辑电平。
在接收发送器的接收平衡线上,电平范围通常在200mV至6V之间。
参见图3.1所示。
图3.1RS-485接收器的示意图
定义逻辑1(正逻辑电平)为B>A的状态,逻辑0(负逻辑电平)为A>B的状态,A、B之间的压差不小于200mV。
TIA/EIA-485串行通讯标准的性能如表格3.1所示:
表格3.1TIA/EIA-485通讯方式的性能
RS-485标准的最大传输距离约为1219米,最大传输速率为10Mbps。
通常,RS-485网络采用平衡双绞线作为传输媒体。
平衡双绞线的长度与传输速率成反比,只有在20kbps速率以下,才可能使用规定最长的电缆长度。
只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。
一般来说,15米长双绞线最大传输速率仅为1Mbps。
注意:
并不是所有的RS-485收发器都能够支持高达10Mbps的通讯速率。
如果采用光电隔离方式,则通讯速率一般还会受到光电隔离器件响应速度的限制。
RS-485网络采用直线拓朴结构,需要安装2个终端匹配电阻,其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗(一般取值为120Ω)。
在矩距离、或低波特率波数据传输时可不需终端匹配电阻,即一般在300米以下、19200bps不需终端匹配电阻。
终端匹配电阻安装在RS-485传输网络的两个端点,并联连接在A-B引脚之间。
RS-485标准通常被用作为一种相对经济、具有相当高噪声抑制、相对高的传输速率、传输距离远、宽共模范围的通信平台。
同时,RS-485电路具有控制方便、成本低廉等优点。
在过去的20年时间里,建议性标准RS-485作为一种多点差分数据传输的电气规范,被应用在许多不同的领域,作为数据传输链路。
目前,在我国应用的现场网络中,RS-485半双工异步通信总线也是被各个研发机构广泛使用的数据通信总线。
但是基于在RS-485总线上任一时刻只能存在一个主机的特点,它往往应用在集中控制枢纽与分散控制单元之间。
3.2RS-485通讯协议
RS-485标准只对接口的电气特性做出规定,而不涉及接插件、电缆或协议;因此,用户需要在RS-485应用网络的基础上建立自己的应用层通信协议。
由于RS-485标准是基于PC的UART芯片上的处理方式,因此,其通讯协议也规定了串行数据单元的格式(8-N-1格式):
1位逻辑0的起始位,6/7/8位数据位,1位可选择的奇(ODD)/偶(EVEN)校验位,1/2位逻辑1的停止位。
目前,RS-485在国内有着非常广泛的应用,许多领域,比如工业控制、电力通讯、智能楼宇等都经常可以见到具有RS-485接口电路的设备。
但是,这些设备采用的用户层协议(术语参考自OSI的7层结构)都不相同;这些设备之间并不可以直接连接通讯。
比如,很多具有RS-485接口电路的用户设备采用自己制定的简单通讯协议,或是直接取自ModBus协议(AscII/RTU模式)中的一部分功能;在电力通讯领域,当前国家现在执行的行业标准中,颁布有按设备分类的各种通讯规约,如CDT、SC-1801、u4F、DNP3.0规约和1995年的IEC60870-5-101传输规约、1997年的国际101规约的国内版本DL/T634-1997规约;在电表应用中,国内大多数地区的厂商采用多功能电能表通讯规约(DL/T645-1997)。
3.3RS-485应用要点
3.3.1合理选用芯片
合理地选择一个高效、合适的RS-485收发器型号,可以有效减少电路设计、网络维护等后续阶段的工作量。
例如,对外置设备为防止强电磁(雷电)冲击,建议选用SP485E、75LBC184等集成ESD增强保护功能的RS-485收发器;对节点数要求较多的,可选用SP485R增强型1/10单位负载RS-485收发器;对于3V的应用系统,可以选用3V的RS-485收发器,比如SP3483芯片。
3.3.2终端匹配电阻
为了匹配网络的通讯阻抗,减少由于不匹配而引起的反射、吸收噪声,有效抑制噪声干扰,提高RS-485通讯的可靠性,需要在RS-485网络的2个端点各安装1个终端匹配电阻。
终端匹配电阻的大小由传输电缆的特性阻抗所决定。
例如,RS-485网络通常采用双绞线或屏蔽双绞线作为传输介质,其特性阻抗为120Ω,因此,RS-485总线上的两个端点也应各安装1个120Ω的终端匹配电阻。
匹配电阻要消耗较大电流,不适用于功耗限制严格的系统。
在特殊的场合,可以考虑比较省电的并联“RC”匹配方案,可以节省大部分功率,但电容C的取值是个难点,需要在功耗和匹配质量间进行折衷。
3
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