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CAN总线瓦斯检测系统在煤矿中的应用

  摘 要:煤矿瓦斯事故是煤矿安全生产中发生频率高,危害程度大的主要事故源,煤矿安全是安全生产工作的重中之重。
  将现场总线技术中CAN总线(Controller Area Network控制器局域网)技术应用于瓦斯浓度监测中,具有布线简单、可长距离通讯、维护方便、部件互换性好等优点。CAN总线通信选择了PHILIPS公司的CAN总线控制器SJA1000、收发器82C250。瓦斯传感器量采用用新型材料研制的低功耗热传导式气体传感器UL-264,微处理器采用Wmbond公司的8位单片机W78E516芯片。采用了时钟芯片12c887和键盘数码管驱动芯片ZLG7289辅助系统更好的实现人机交换。
  关键词 瓦斯 瓦斯浓度监测 CAN
  中图分类号:C39
  1 系统的总体设计
  系统结构框图如图1所示:
  图1 系统结构框图
  基于CAN总线的瓦斯监测管理系统的系统结构框图如图1,图中n个智能节点被放置在矿井工作面的各个位置中,主要负责井下瓦斯数据的监控;CAN总线通信适配卡负责把各个智能节点采集到的数据上传到上位机;上位机采用PC机,负责接受系统数据并作出分析和处理,便于管理。智能节点如图2所示:
  图2 智能节点框图
  2 传感器的选择
  UL―264 是一种实用的低功耗瓦斯传感器。它是用新型材料研制的热传导式气体传感器。其工作原理是当被测气体的成份不变而浓度发生变化时, 浓度与电阻值变化成线性比例关系。UL―264 具有性能优良、稳定可靠的特点。它的工作温度低;工作电流小;元件寿命长;不存在催化剂中毒现象,在全量程内(0%~ 100% )线性好,且非线性误差很小。
  3 数据采集
  为了使采集的数据更加准确的接近矿井工作面的瓦斯浓度。系统采用多个传感器进行数据采集,将传感器分布在井下工作面的不同位置,采集来的数据通过单片机计算求出平均值,这个平均值会更加接近瓦斯浓度的实际值。
  传感器组与单片机W78E516的连接如图3所示:
  图3 传感器组与W78E516的连接图
  4 键盘和显示部分
  按键部分用来实现设置时间、查询数据等功能。为了在各个智能节点显示出浓度数据和时间,还需要驱动六个数码管。本系统选用了ZLG7289芯片来驱动按键及数码管。因为ZLG7289是一片具有串行接口的可同时驱动8位共阴式数码管64只独立LED的智能显示驱动芯片该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵 单片即可完成 LED 显示�键盘接口的全部功能。
  5 声光报警器
  采用了光耦隔离,发光二极管把输入的电信号转换为光信号传给光敏管转换为电信号输出,由于没有直接的电气连接,这样既耦合传输了信号,又有隔离作用。为了驱动一个蜂鸣器和 1个发光二极管,采用了一个N P N 的功率三极管保证输出。发音元件采用压电蜂鸣器,只需在其两条引线上加3 v~2 4V 的直流电压,本设计采用的是直流5v的蜂鸣器。为了控制四个发光二极管的亮度,接了一个500Ω的电阻,发光适中。单片机通过管脚P2.8对控制报警电路进行控制。P2.8通过74ls04反相器接到光电隔离器的一端,当P2.8输出低电平时,三极管导通,压电蜂鸣器两端获得约+ 5V电压而蜂鸣;当P2.8输出高电平“ 1 ” 时,三极管退出导通状态,蜂鸣器停止发音。
  6时钟电路
  外部扩展时钟芯片选用DS12C887。 它的主要特性是:直接替换IBM AT计算机时钟/日历芯片;在掉电方式下持续工作十年以上;内部包含锂电池,时钟和辅助电路系统,计量秒、分、小时、星期、日期、月、年和闰年,可以使用100年;用二进制或BCD码表示时间、日历和闹钟;12或24小时方式;可灵活地选择使用Motorola或Intel总线时序;地址、数据管脚复用;它具有128字节的RAM空间,15字节用于时间和控制寄存器,113字节可供用户使用;可编程方波信号输出;总线兼容的中断信号(IRQ);可分别通过软件屏蔽的三个中断:1. 闹钟、每秒或每分、每天;2. 120ms~500ms周期中断;3. 时钟更新周期结束。
  DA12C887与单片机的接口电路如图40~D7为单片机的数据总线,ALE为单片机地址锁存允许引脚,RD、WR分别为单片机读写允许引脚,INT0为单片机外部中断输入引脚。
  7 看门狗电路
  系统的看门狗模块采用一个集成芯片X25045,而把它称为一个模块是因为它把上电复位控制、看门狗定时器、工作电压监控和E2PROM四种功能组合在一个封装内。系统中利用它的看门狗定时器来防止系统的失控、电压监控防止系统工作电压的异常、E2PROM用来保存重要数据。
  8 电源电路部分
  系统硬件电路要求电源额定电压为5V,单片机系统要求电源电压的纹波系数尽可能的小,基于以上的要求,选用固定输出线性稳压集成器LM317。它的使用非常简单,仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。LM317 内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。
  9 CAN总线控制器设计
  本文设计的下位机CAN总线系统智能节点,采用W78E516作为节点的微处理器,在CAN总线通信接口中,CAN通信控制器采用SJA1000,CAN总线驱动器采用82C250。
  电路主要有4部分组成:W78E56、独立CAN通信控制器SJA1000, CAN总线驱动器82C250和高速光电耦合器6N137。W78E516负责SJA1000的初始化,通过控制SJAl000实现数据的接收和发送等通信任务。SJAl000的AD0~AD7连到8155的PB口,CS连接到W78E516的P2.6。P2.6为0时CPU片外存储器地址可选中SJA1000,CPU通过这些地址可对SJA1000执行相应的读/写操作。SJA1000的RD、WR、ALE分别与W78E516的对应引脚相连,INT接W78E516的INT0,W78E516也可通过中断方式访问SJAl000。
  为了增强CAN总线节点的抗干扰能力,SJA1000的TX0和RX0并不是直接与82C250的TXD和RXD相连,而是通过高速光耦6N137后与82C250相连,这样就很好地实现了总线上各CAN节点的电气隔离。


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