甲烷催化测量系统的硬件设计

曹 月

甲烷催化测量系统的硬件设计

曹 月

（天津滨海职业学院，天津市 300451）

文章主要从硬件方面介绍了以集成CAN总线控制器的美国Microchip推出的8位单片机PIC18F4580为核心，由甲烷检测桥路、CAN总线通信电路、信号放大电路、开关量输出电路、AD参考电压电路及显示电路等构建的甲烷催化测量系统的设计。

甲烷催化测量系统；PIC18F4580；CAN总线；检测桥路

随着近年来我国煤矿瓦斯爆炸事故频繁发生，煤矿安全生产问题得到了广泛的关注。为了预防和杜绝此类事故的发生，本文设计了以PIC18F4580单片机为核心的甲烷催化测量系统，用于准确测量煤矿井下甲烷浓度，具有性能稳定，可靠性强等特点。

一、硬件系统整体设计方案

甲烷催化测量系统的硬件部分主要包括数据采集电路、信号放大电路、处理器、显示电路、断电输出电路和声光报警电路等。其结构如图1：

图1 硬件组成框图

二、硬件系统设计

1．单片机的选型

随着单片机技术的高速发展，目前市场上主流的单片机主要包括Motor ola单片机、Micro Chip单片机、8051单片机和AVR单片机。其中，美国微芯公司（Micr ochip）生产的PIC系列单片机发展速度最快，现以成为世界市场中所占份额 最大的单片机品牌。这主要是源自PIC系列单片机的良好性能优势，比如常用的PIC系列单片机只有几十条指令，对比51系列单片机的111条指令和AVR单片机的118条指令来说要简单得多，这主要是因为PIC系列单片机的CPU采用了RISC（精简指令集）结构。再有PIC系列单片机还采用了哈佛（Haryar d）双总线结构，即数据线和指令线互相分离，这样在访问处理程序存储器和数据存储器时就可以并行处理，因此其运行效率是相当高的，另外PIC系列单片机还具有低工作电压、低功耗、高精度、驱动能力强等特点，广泛的应用于消费电子产品、智能仪器仪表、电讯通信、汽车电子、金融电子、工业控制等不同领域。

综合上述原因，又考虑到本系统采用了CAN总线的通讯方式，因此最终确定了美国Micr ochip推出的以集成CAN总线控制器的8位单片机PIC18F4580作为本系统的主控制器。

2．甲烷检测桥路设计

图2 甲烷检测桥路电路图

图2 为本设计的甲烷检测电桥电路，其中J8为三相端子排，分别连接载体催化元件的黑元件端、公共端和白元件端，与两个大小为10 K的固定电阻R26和R27共同组成惠斯通检测电桥；另外2 K的固定电阻R28和量程为1K的可调电阻RW1并联后组成该检测电桥的可调补偿部分，以保证在新鲜空气中电桥处于平衡状态；标号为D－SIG1－ 和D－SIG1＋两端为电桥失去平衡时的电压输出信号端，分别接入放大器AD623的第2脚IN－和第3脚IN＋，从而初步完成信号采集的工作。

3．CAN总线通信电路设计

目前煤矿中所采用的甲烷测量系统的通信方式主要还是以每个传感器和各个分站之间的独立电缆的连接方式来传输数据的，从而限制了数据采集的准确性和实时性。本设计所采用的CAN总线通信方式，其数据帧为短帧结构，所以有效减少了传输时间，同时也降低了受干扰的概率，从而保证了数据传输的可靠性。

本文所设计的甲烷催化测量系统，采用了美国Microchip公司的PIC18F4580单片机作为CAN总线控制器，将煤矿井下的瓦斯气体进行信号获取，再进行数据运算后，将其结果在单片机自身带的CAN模块中进行协议转换，然后再通过CAN总线收发器MCP2551芯片，把数据发布到总线网络上。在这个过程中，如果有个别节点的数据出现问题，导致了错误，那么由于CAN总线具有很强纠错的特性，也不会影响到其余的节点，继续保持其正常通信，并具有高压瞬态保护功能。

图3 CAN总线通信电路

如图3所示，MCP2551共有8个引脚，其中第1脚TXD为发送器数据输出端，接单片机18F4580第10脚CAN－TX；第2脚VSS为接地端；第3脚VDD为电源端；第4脚RDX为接收器数据输出端，接单片机18F4580第11脚CAN－RX；第5脚VREF为参考输出电压端；第6脚CANL为低电压I／O端；第7脚CANH为高电压I／O端；第8脚RS为斜率控制输入端，串一个10 K电阻后接地，使MCP2551在斜率控制模式下工作，保证了CAN总线在正常工作时具备适合的下降速率和上升速率。

4．信号放大电路设计

AD623仪表放大器是美国Analog Devices Inc公司推出的一种单电源、价格低、输出摆幅能达到电源限输出的最新仪表放大器。其具有工作电源范围宽、温度稳定性好、功耗低（在3 V时功耗可以低至1．5 m W）、线性度好等特性。当电源电压很低时，它的电源限输出仍然可以保证最大的动态范围。因此，本设计的信号放大电路采用了AD623芯片。

图4 信号放大电路

如图4所示，放大器AD623的第2脚引自催化元件的电源正引脚，中间串入一个1 K的电位器，用于调整零点；第3脚引自催化元件的信号输出引脚；第1脚与第8脚之间通过串入一个阻值为6．8 K、精度为0．1%—1%的精密电阻，来设定放大倍数：G＝1＋100 KΩ／R＝1＋100 K／6．8 K＝15．7；第5脚基准电压VREF由稳压管ICL8069提供；第6脚的输出电压信号是以第5脚电位为基准进行测量的，该输出电压信号连接到PIC18F4580单片机的第19脚RA0上；第7脚VDD的5 V电源由电压基准源LP2951提供。

5．开关量输出电路设计

《煤矿安全规程》的规定，设置在采煤工作面甲烷传感器，一般应设置在上隅角，因为对于采煤工作面而言，上隅角处于拐角处，因此最容易聚集甲烷，其浓度也应该是整个工作面最高的一个地方，出于安全的考虑，我们通常将采煤工作面的甲烷传感器放置于此，按照规定要求上隅角的甲烷传感器报警浓度为1．0%，断电浓度为1．5%，复电浓度为1．0%，断电时应切断工作面和回风巷内全部非本质安全型电气设备的电源；设置在回风巷的甲烷传感器要求其报警浓度为1．0%，断电浓度为1．0%，复电浓度为1．0%，断电时应切断工作面和回风巷内全部非本质安全型电气设备；设置在进风巷的甲烷传感器要求其报警浓度为0．5%，断电浓度为0．5%，复电浓度为0．5%，断电时应切断进风巷内的全部非本质安全型电气设备。

依据上述之规定，本设计将PIC18F4580单片机的RB4、RB5、RB6、RB7四个端口作为开关量输出口，又由于单片机的输出驱动能力非常有限，不足以驱动报警断电设备，因此在电路设计时，增加了ULN2004功率驱动芯片来提高驱动能力，从而保证其报警断电能够正常工作。图5为开关量输出电路。

图5 开关量输出电路

6．AD参考电压电路设计

在模数转换过程中，有一个高精度且稳定的参考电压是非常重要的，因为我们所选取的主控制器PIC18F4580自身并不具备电压基准源，所以经过分析最终选择了美信（Maxi m）公司的电压基准芯片MAX6125作为模数转换的电压基准源。该芯片能够在输入电压范围为＋2．7 V—12．5 V时得到2．5 V的精密输出电压。图6为参考电压电路。

图6 参考电压电路

7．显示电路设计

对于一个完整的单片机系统来说，显示电路部分是非常重要的，同时也是必不可少的一部分。传统的显示电路一般都是由锁存器、译码器和驱动器等间接或直接的与单片机进行连接，导致了大量的单片机软硬件资源被占用，而且硬件电路部分不仅复杂，而且功能单一。随着科技的快速发展，近年来市场上出现了一些简单实用的LED显示接口电路，比如有MOTOROLA公司的MC14489、MC14495、MC14499等。这些将锁存、译码、驱动、扫描、时钟等功能都集成在了一个芯片上电路，集成度高是其最大的特点，这就决定了单片机外围电路必然会大大的减少，同时单片机资源被大量占用的问题也随之解决。在本文中我就选用了MOTOROLA公司MC14489，作为本设计甲烷催化测量系统的显示驱动芯片。

MC14489是MOTOROLA公司的一种新型高集成度显示驱动芯片。该芯片周围的辅助电路非常简单，只需外部接入一个电阻就可以达到驱动LED显示的目的；该显示芯片与单片机的数据传送是采用同步串行方式，占用的单片机软件资源非常少，其接口电路也仅仅需要3根输入输出接口线就可以实现与单片机的协调工作，因此使用起来非常灵活方便。

图7 显示电路图

如图7所示，为了实现单片机PIC18F4580与显示驱动芯片MC14489之前的通讯，本设计采取了从单片机PIC18F4580中选取第37脚RC3、第27脚RE2、第43脚RC5分别与MC14489的第11脚CLK、第10脚EN和第12脚DIN相连接的连线方式；电源VDD由小功率稳压器LP2951提供稳定＋5 V电压；RX端串联接入一个30 K的电阻，来设定显示字段的驱动电流。

三、结束语

本文所设计的甲烷催化测量系统包含了很多的创新点，如选择了美国Micr ochip公司生产的PIC18F4580单片机，该单片机内部包含了CAN总线控制模块，便于整个系统的网络通信；在硬件设计功能方面，考虑到了其主要应用环境为煤矿井下，根据煤矿安全规程中的相关规定，专门增加了开关量输出电路部分的设计，主要用于现场的声、光报警及断电输出。然而本系统是采用载体催化元件进行测量的，由于受催化元件的特性所限只能测量4%浓度以下的甲烷气体，因此本甲烷催化测量系统只能应用于低瓦斯矿井中，这一点是在投入实际使用中必须要注意的。

［1］陈国先．PIC单片机应用系统可靠性技术研究［J］．山东交通学院学报，2005，（03）．

［2］王跃东．CAN总线技术在煤矿监测系统中的应用研究［J］．煤炭工程，2006，（05）．

［3］赖昊，薛君英，陈星．CAN总线技术及其系统实现［J］．微处理机，2000，（01）．

［4］王建新．仪表放大器AD623在数采系统中的应用［J］．微计算机信息，2007，（07）．

［5］国家煤矿安全监察局．煤矿安全规程［M］．北京：煤炭工业出版社，2001．

Har d ware Design of Met hane Measur ement System

CAO Yue

（Tianjin Coastal Pol ytechnic，Tianjin 300451 China）

This article describes the methane measurement system which is introduced by American Microchip，oriented by 8－bit Single Chip Micyoco PIC18F4580，controlled by integrated CAN－bus controller．The methane measurement system design features the methane detection bridge，CAN bus communication circuit，the signal amplification circuit，the switching output circuit，AD reference voltage circuit and display circuit．

Methane measurement system；PIC18F4580；CAN bus；test bridg e

TP216

A

1673－582 X（2011）11－0052－05

2011－09－02

曹月（1980－），男，天津市人，天津滨海职业学院机电系教师，研究生在读，研究方向：电子技术和控制工程。