基于低功耗單片機(jī)的礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張文杰　鄒念龍　董丹迪

摘 要：針對(duì)礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種以MSP430F149低功耗單片機(jī)為核心的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)諝庵袦囟?、濕度、一氧化碳、火焰等常見環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)液晶顯示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，并且當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常時(shí)，可通過(guò)蜂鳴器和屏幕顯示進(jìn)行報(bào)警。完成了系統(tǒng)的原理樣機(jī)研制，達(dá)到了預(yù)期功能。

關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測(cè)；低功耗單片機(jī)；傳感器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.078

1 引言

環(huán)境與人類生產(chǎn)生活息息相關(guān)，對(duì)環(huán)境狀態(tài)的有效監(jiān)測(cè)是安全生產(chǎn)、健康生活的重要保證。礦山安全工作的重點(diǎn)是及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，預(yù)防事故的發(fā)生[1]。礦井內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)是礦山安全生產(chǎn)的重要組成部分。新鮮空氣依靠通風(fēng)系統(tǒng)不斷供給到井內(nèi)，同時(shí)把污濁空氣排出至地面，以保證良好的作業(yè)環(huán)境。因此必須對(duì)井下溫度、濕度、一氧化碳等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，當(dāng)井下環(huán)境出現(xiàn)異常時(shí)，應(yīng)能及時(shí)的發(fā)現(xiàn)并發(fā)出警示信息。

2 總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以MSP430F149低功耗單片機(jī)作為環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主控芯片，采用溫濕度、一氧化碳、煙霧以及火焰?zhèn)鞲衅鬟M(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)液晶顯示模塊進(jìn)行所測(cè)數(shù)據(jù)的顯示，并設(shè)計(jì)RS232串行接口，可將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。針對(duì)每一種環(huán)境參數(shù)設(shè)置相應(yīng)的安全閾值，當(dāng)超過(guò)閾值時(shí)，則進(jìn)行蜂鳴器報(bào)警和液晶顯示提示。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

2.1 主控芯片

MSP430單片機(jī)是美國(guó)德州儀器公司推出的一系列優(yōu)秀的混合型微處理器產(chǎn)品，其最主要特點(diǎn)為功耗低，能夠根據(jù)任務(wù)需要，設(shè)置于不同的工作模式[2，3]。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，本系統(tǒng)選用MSP430F149型號(hào)單片機(jī)。該單片機(jī)采用RISC結(jié)構(gòu)和低功耗設(shè)計(jì)，性能穩(wěn)定可靠，運(yùn)行效率高，同時(shí)具有豐富的外圍模塊資源，能夠滿足環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的接口需求[4]。

本設(shè)計(jì)軟件開發(fā)平臺(tái)采用IAR公司提供的 IAR Electronic Workbench。該平臺(tái)編譯性能高效，支持多種開發(fā)工具，并且有很多可以參考的資源，是目前MSP430單片機(jī)程序開發(fā)的首要選擇。

2.2 傳感器選型

（1）溫濕度傳感器。選用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器。該傳感器體積小，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，采用單總線數(shù)字信號(hào)輸出，便于系統(tǒng)集成。濕度測(cè)量范圍20%-95%，濕度測(cè)量誤差：±5%；溫度測(cè)量范圍：0℃-50℃，溫度測(cè)量誤差：±2℃。

（2）一氧化碳傳感器。MQ-7傳感器使用二氧化錫作為氣敏材料，其電導(dǎo)率隨空氣中一氧化碳?xì)怏w濃度增加而增大，從而對(duì)一氧化碳有很高的靈敏度，并且價(jià)格低廉，是一款高性價(jià)比的測(cè)量器件。

（3）可燃?xì)怏w傳感器。MQ-2傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。該傳感器可以檢測(cè)到液化氣、丙烷、氫氣等可燃?xì)怏w，靈敏度高，價(jià)格低，應(yīng)用廣泛。

（4）火焰?zhèn)鞲衅??；鹧鎮(zhèn)鞲衅骼眉t外線對(duì)火焰敏感度高的特點(diǎn)，使用特制的紅外線接受管來(lái)檢測(cè)火焰，可檢測(cè)到火焰以及波長(zhǎng)在760nm-1100nm的光源。傳感器為數(shù)字開關(guān)量輸出，低電平有效，且靈敏度可調(diào)節(jié)。

本設(shè)計(jì)中的四種傳感器與單片機(jī)的不同管腳連接，四種傳感器均具有數(shù)字量輸出，同時(shí)一氧化碳和煙霧傳感器具有模擬量輸出。

2.3 顯示及報(bào)警設(shè)計(jì)

LCD12864是一種多種接口方式的液晶顯示模塊，有4位/8位并行、2線或3線串行等多種通信方式。該模塊具有低電壓，低功耗，電路結(jié)構(gòu)以及顯示程序簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用LCD12864顯示采集的狀態(tài)參數(shù)。單片機(jī)與LCD12864模塊之間采用并行通信連接。

蜂鳴器與單片機(jī)的IO口連接。單片機(jī)向蜂鳴器發(fā)送PWM信號(hào)，通過(guò)改變PWM占空比可以改變蜂鳴器聲音頻率。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)初始化主要包括IO口初始化、LCD初始化，AD初始化，以及顯示開機(jī)畫面等。進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，包括溫濕度子程序、一氧化碳檢測(cè)子程序、煙霧檢測(cè)子程序以及測(cè)火焰子程序，測(cè)得數(shù)據(jù)后再調(diào)用顯示子程序。主程序流程如圖2所示。

顯示界面如圖3所示。第一行顯示一氧化碳模擬量，第二行顯示煙霧模擬量，第三行顯示濕度值，第四行顯示溫度值。前三行的“正常”分別表示一氧化碳、煙霧濃度未超限，未檢測(cè)到火焰。第四行的“成功”表示接收到溫濕度傳感器的響應(yīng)信號(hào)。

當(dāng)一氧化碳、煙霧含量超限或者檢測(cè)到火焰，單片機(jī)對(duì)應(yīng)端口輸入低電平，蜂鳴器將發(fā)出三種對(duì)應(yīng)的聲音報(bào)警，并且在屏幕顯示異常信息。

4 結(jié)論

本文以礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)為背景設(shè)計(jì)了一種環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型集成，軟件系統(tǒng)開發(fā)測(cè)試。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫度、濕度、一氧化碳濃度、煙霧濃度以及火焰信號(hào)的采集，信號(hào)處理以及現(xiàn)場(chǎng)顯示，當(dāng)檢測(cè)參數(shù)超過(guò)設(shè)定閾值后，能夠通過(guò)蜂鳴器和屏幕顯示發(fā)出報(bào)警信息。完成了原理樣機(jī)研制，通過(guò)實(shí)際測(cè)量實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該系統(tǒng)的精確性和可靠性，達(dá)到預(yù)期效果，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]張國(guó)盛，林安棟.礦井監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展歷史及趨勢(shì)[J].煤炭技術(shù)，2009，28（02）：8-9.

[2]謝興紅，林凡強(qiáng)，吳雄英.MSP430單片機(jī)基礎(chǔ)與實(shí)踐[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[3]任保宏，徐科軍.MSP430單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社，

2014.

[4]花漢兵.MSP430F149在微型化低功耗數(shù)據(jù)采集模塊中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007（09）：141-142.

本論文來(lái)源于山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱《礦山產(chǎn)業(yè)智慧工場(chǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范》，項(xiàng)目編號(hào)：2016CYJS06A01

作者簡(jiǎn)介：張文杰（1981-），男，山西平定人，本科，助理工程師，研究方向：礦山自動(dòng)化。