基于单片机的煤矿井下环境监测系统设计

2016-08-09 05:40枣庄矿业集团有限责任公司新安煤矿

电子世界 2016年13期

枣庄矿业（集团）有限责任公司新安煤矿闵涛

基于单片机的煤矿井下环境监测系统设计

枣庄矿业（集团）有限责任公司新安煤矿闵涛

【摘要】本文设计一种基于MSP430单片机的井下环境监测系统。该系统由井下监控终端和监控上位机组成，可对井下各项环境参数进行监测报警。同时，上位机和下位机之间采用nRF905进行无线传输通信，并使用工程组态软件（MCGS）作为该系统的监控层软件，具有良好的人机交互性。

【关键词】MSP430单片机；井下环境监测；无线传输通信；MCGS

0　引言

由于井下环境的特殊复杂，各级部门一直将安全生产作为重点，而将电子通信设施应用到矿井环境监测中是一种有效手段［1］。目前多数的电子通讯设备采用有线方式进行信号传输，这种方式布线繁琐，安装和维护成本较高，而且可靠性得不到保障。

本文设计了一种基于MSP430单片机的井下环境监测系统，克服了传统的监测系统的诸多缺点，下位机采集矿井环境的多个参数后，通过nRF905无线模块发送到接收端，接收端一方面通过上位机软件分析数据，一方面通过液晶和语音模块等构成的交互系统可以直观的反馈当前矿井的情况，极大地方便了矿井员工的实际体验。此系统具有监测功能强大、交互性能好等优点，满足现代矿井的要求［2］。

1　系统的整体构架

整个系统由两大部分组成。顶层系统由上位机、MSP430单片机、无线模块、液晶显示和SYN6288语音模块构成，其示意图见图1。底层由DHT11温湿度传感器、MQ-2气体传感器、MG811二氧化碳传感器模块、MSP430单片机、无线模块组成。

图1　系统的总体硬件框图

2　系统的硬件设计

2.1主控制器的选择

考虑到发送部分数据处理的简洁、接收端实时显示的数据处理速度及成本以及驱动传感器需要I2C、UART接口等因素，决定使用MSP430F169作为主控芯片。该单片机具有强大的处理能力、高性能的模拟技术与丰富的片上外围系统。该单片机具有60 KB的Flash存储器，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，完全符合系统的各项要求［3］。

2.2温湿度传感器

MCU与DHT11之间采用单总线数据格式进行通讯。MCU发送起始信号后，DHT11会工作到高速模式，在主机发送结束信号后，DHT11响应信号，送出40位的数据，并触发一次信号采集。从模式下，DHT11接收到开始信号后执行一次采集，在没有接收到起始信号时，DHT11不会主动工作。采集数据后转换到低速模式。

2.3气体传感器

MQ-2传感器用于气体监测，适用于液化气、甲烷、烟雾等气体的探测。在上述气体浓度低于设定阈值时，传感器的数字I/O口DO口输出高电平；一旦气体含量超出阈值，则输出低电平。由于该模块是5V电平驱动，MSP430系列单片机是3.3V供电，故需要进行光电耦合后与单片机连接。通过单片机来监测高低电平，由此来监测大棚内是否有烟雾，如果大棚室内意外着火，传感器会监测到烟雾的存在，通过电平上升沿触发外部中断，从而达到烟雾监测报警的作用。

2.4二氧化碳传感器

本设计采用的是MG811电化学CO2传感器。传感器正常工作电压为6V。MG811灵敏度高，并带有温度补偿输出。模拟信号口与单片机的A/D通道接口相接，通过A/D监测模拟信号输出值的大小，并与温度补偿输出大小叠加经过转换对照表转换后得出对应的二氧化碳浓度值大小，并在上位机上显示出来。

2.5nRF905无线模块

nRF905是一款收发一体的单片无线收发器，它可工作433/868/915MHz的ISM频段，由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接收器、一个功率放大器、一个晶体震荡器和一个调节器组成。正常工作时处于ShockBurst工作模式，其特点是自动产生前导码和CRC，并能很容易地通过SPI接口进行编程配置［4］。该模块与MCU的接口如图2所示。

图2　nRF905接口电路

2.6语音播报模块

本设计采用SYN6288中文语音合成芯片，通过UART通讯方式，将待合成的文本数据转换为语音，具有硬件接口简单、功耗低、银色清亮圆润等特点。芯片支持任意中文文本的合成，可以采用GB2312、GBK、BIG5和Unicode四种编码方式，并可以对时间、多音字、电话等能进行正确的识别和处理。与单片机的接口电路如图3所示。

图3　SYN6288语音模块与MCU接口电路

2.7 显示模块

显示模块电路采用12864液晶，与语音模块、键盘等一起构成了用户的交互系统，即使不借助上位机PC也可以直观的展示大棚当前的情况。这部分设计液晶屏主要显示当前温度、湿度、烟雾、二氧化碳浓度以及相应的阈值。通过对液晶的RS、R/W、E等引脚遵循其时序图进行读写操作达到控制液晶显示的效果。

3　系统的软件设计

软件设计主要包括上位机和下位机软件。上位机采用工程组态软件（MCGS），主要负责数据处理与监控以及发送控制指令等作用；下位机软件主要有温湿度采集模块、烟雾感应模块、CO2浓度采集模块、nRF905发送模块、nRF905接收模块、交互系统模块构成。

3.1系统的主程序设计

系统的流程图如图4所示，软件设计中，上电初始化完成对单片机、12864液晶显示屏、传感器的初始化；底层系统单片机控制各个传感器采集数据并通过nRF905无线模块发送数据，接收到的数据在12864液晶上显示，另一方面，通过RS-232接收到的数据实时传递给上位机。每隔一段时间，语音模块SYN6288播报当前大棚的各个参数值大小。上位机根据不同作物不同生长时间判断温湿度、光强、二氧化碳浓度等参数的上下限值，如果顶层系统接收到的数据超过了设定的阈值，或者气体传感器接口输出高电平触发外部中断，即判断大棚内监测到烟雾，则语音模块SYN6288立刻发出警报。上位机实时监控当天传感器采集到的参数，并存放在数据库中。工作人员可以调用数据库了解一天内大棚内温度、湿度、光强、二氧化碳浓度等参数的变化规律。

图4　系统程序工作流程图

3.2nRF905无线通信程序设计

底层系统的nRF905无线发送和顶层系统的nRF905无线接收的程序流程图如图5所示。底层系统中的传感器采集完大棚内各参数值后将其传送给单片机，nRF905开始发送数据，按照SPI时序要求把接收机的地址和要发送的数据传给nRF905。接着，顶层系统中的nRF905开始接收数据。顶层的nRF905不断监测，等待接收数据，当一个正确的数据包接收完毕，nRF905自动移除字头地址和CRC校验位，提取数据后进入空闲模式。然后，模块通过SPI接口把数据传送到MCU中。

3.3上位机软件设计

上位机软件系统（见图6）采用工程组态软件（MCGS）。MCGS是一套可用来快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统。它为用户提供了从设备驱动、数据采集到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出等用来解决实际工程问题的完整方案和开发平台［5］.本设计利用这一平台实现实时监控当天传感器采集到的参数，并存放在数据库中的功能。

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