甲烷催化測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

曹 月

甲烷催化測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

曹 月

（天津?yàn)I海職業(yè)學(xué)院，天津市 300451）

文章主要從硬件方面介紹了以集成CAN總線控制器的美國Microchip推出的8位單片機(jī)PIC18F4580為核心，由甲烷檢測橋路、CAN總線通信電路、信號放大電路、開關(guān)量輸出電路、AD參考電壓電路及顯示電路等構(gòu)建的甲烷催化測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

甲烷催化測量系統(tǒng)；PIC18F4580；CAN總線；檢測橋路

隨著近年來我國煤礦瓦斯爆炸事故頻繁發(fā)生，煤礦安全生產(chǎn)問題得到了廣泛的關(guān)注。為了預(yù)防和杜絕此類事故的發(fā)生，本文設(shè)計(jì)了以PIC18F4580單片機(jī)為核心的甲烷催化測量系統(tǒng)，用于準(zhǔn)確測量煤礦井下甲烷濃度，具有性能穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。

一、硬件系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

甲烷催化測量系統(tǒng)的硬件部分主要包括數(shù)據(jù)采集電路、信號放大電路、處理器、顯示電路、斷電輸出電路和聲光報(bào)警電路等。其結(jié)構(gòu)如圖1：

圖1 硬件組成框圖

二、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1．單片機(jī)的選型

隨著單片機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，目前市場上主流的單片機(jī)主要包括Motor ola單片機(jī)、Micro Chip單片機(jī)、8051單片機(jī)和AVR單片機(jī)。其中，美國微芯公司（Micr ochip）生產(chǎn)的PIC系列單片機(jī)發(fā)展速度最快，現(xiàn)以成為世界市場中所占份額 最大的單片機(jī)品牌。這主要是源自PIC系列單片機(jī)的良好性能優(yōu)勢，比如常用的PIC系列單片機(jī)只有幾十條指令，對比51系列單片機(jī)的111條指令和AVR單片機(jī)的118條指令來說要簡單得多，這主要是因?yàn)镻IC系列單片機(jī)的CPU采用了RISC（精簡指令集）結(jié)構(gòu)。再有PIC系列單片機(jī)還采用了哈佛（Haryar d）雙總線結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)線和指令線互相分離，這樣在訪問處理程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器時(shí)就可以并行處理，因此其運(yùn)行效率是相當(dāng)高的，另外PIC系列單片機(jī)還具有低工作電壓、低功耗、高精度、驅(qū)動能力強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品、智能儀器儀表、電訊通信、汽車電子、金融電子、工業(yè)控制等不同領(lǐng)域。

綜合上述原因，又考慮到本系統(tǒng)采用了CAN總線的通訊方式，因此最終確定了美國Micr ochip推出的以集成CAN總線控制器的8位單片機(jī)PIC18F4580作為本系統(tǒng)的主控制器。

2．甲烷檢測橋路設(shè)計(jì)

圖2 甲烷檢測橋路電路圖

圖2 為本設(shè)計(jì)的甲烷檢測電橋電路，其中J8為三相端子排，分別連接載體催化元件的黑元件端、公共端和白元件端，與兩個(gè)大小為10 K的固定電阻R26和R27共同組成惠斯通檢測電橋；另外2 K的固定電阻R28和量程為1K的可調(diào)電阻RW1并聯(lián)后組成該檢測電橋的可調(diào)補(bǔ)償部分，以保證在新鮮空氣中電橋處于平衡狀態(tài)；標(biāo)號為D－SIG1－ 和D－SIG1＋兩端為電橋失去平衡時(shí)的電壓輸出信號端，分別接入放大器AD623的第2腳IN－和第3腳IN＋，從而初步完成信號采集的工作。

3．CAN總線通信電路設(shè)計(jì)

目前煤礦中所采用的甲烷測量系統(tǒng)的通信方式主要還是以每個(gè)傳感器和各個(gè)分站之間的獨(dú)立電纜的連接方式來傳輸數(shù)據(jù)的，從而限制了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。本設(shè)計(jì)所采用的CAN總線通信方式，其數(shù)據(jù)幀為短幀結(jié)構(gòu)，所以有效減少了傳輸時(shí)間，同時(shí)也降低了受干擾的概率，從而保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

本文所設(shè)計(jì)的甲烷催化測量系統(tǒng)，采用了美國Microchip公司的PIC18F4580單片機(jī)作為CAN總線控制器，將煤礦井下的瓦斯氣體進(jìn)行信號獲取，再進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算后，將其結(jié)果在單片機(jī)自身帶的CAN模塊中進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，然后再通過CAN總線收發(fā)器MCP2551芯片，把數(shù)據(jù)發(fā)布到總線網(wǎng)絡(luò)上。在這個(gè)過程中，如果有個(gè)別節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)問題，導(dǎo)致了錯(cuò)誤，那么由于CAN總線具有很強(qiáng)糾錯(cuò)的特性，也不會影響到其余的節(jié)點(diǎn)，繼續(xù)保持其正常通信，并具有高壓瞬態(tài)保護(hù)功能。

圖3 CAN總線通信電路

如圖3所示，MCP2551共有8個(gè)引腳，其中第1腳TXD為發(fā)送器數(shù)據(jù)輸出端，接單片機(jī)18F4580第10腳CAN－TX；第2腳VSS為接地端；第3腳VDD為電源端；第4腳RDX為接收器數(shù)據(jù)輸出端，接單片機(jī)18F4580第11腳CAN－RX；第5腳VREF為參考輸出電壓端；第6腳CANL為低電壓I／O端；第7腳CANH為高電壓I／O端；第8腳RS為斜率控制輸入端，串一個(gè)10 K電阻后接地，使MCP2551在斜率控制模式下工作，保證了CAN總線在正常工作時(shí)具備適合的下降速率和上升速率。

4．信號放大電路設(shè)計(jì)

AD623儀表放大器是美國Analog Devices Inc公司推出的一種單電源、價(jià)格低、輸出擺幅能達(dá)到電源限輸出的最新儀表放大器。其具有工作電源范圍寬、溫度穩(wěn)定性好、功耗低（在3 V時(shí)功耗可以低至1．5 m W）、線性度好等特性。當(dāng)電源電壓很低時(shí)，它的電源限輸出仍然可以保證最大的動態(tài)范圍。因此，本設(shè)計(jì)的信號放大電路采用了AD623芯片。

圖4 信號放大電路

如圖4所示，放大器AD623的第2腳引自催化元件的電源正引腳，中間串入一個(gè)1 K的電位器，用于調(diào)整零點(diǎn)；第3腳引自催化元件的信號輸出引腳；第1腳與第8腳之間通過串入一個(gè)阻值為6．8 K、精度為0．1%—1%的精密電阻，來設(shè)定放大倍數(shù)：G＝1＋100 KΩ／R＝1＋100 K／6．8 K＝15．7；第5腳基準(zhǔn)電壓VREF由穩(wěn)壓管ICL8069提供；第6腳的輸出電壓信號是以第5腳電位為基準(zhǔn)進(jìn)行測量的，該輸出電壓信號連接到PIC18F4580單片機(jī)的第19腳RA0上；第7腳VDD的5 V電源由電壓基準(zhǔn)源LP2951提供。

5．開關(guān)量輸出電路設(shè)計(jì)

《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定，設(shè)置在采煤工作面甲烷傳感器，一般應(yīng)設(shè)置在上隅角，因?yàn)閷τ诓擅汗ぷ髅娑?，上隅角處于拐角處，因此最容易聚集甲烷，其濃度也?yīng)該是整個(gè)工作面最高的一個(gè)地方，出于安全的考慮，我們通常將采煤工作面的甲烷傳感器放置于此，按照規(guī)定要求上隅角的甲烷傳感器報(bào)警濃度為1．0%，斷電濃度為1．5%，復(fù)電濃度為1．0%，斷電時(shí)應(yīng)切斷工作面和回風(fēng)巷內(nèi)全部非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備的電源；設(shè)置在回風(fēng)巷的甲烷傳感器要求其報(bào)警濃度為1．0%，斷電濃度為1．0%，復(fù)電濃度為1．0%，斷電時(shí)應(yīng)切斷工作面和回風(fēng)巷內(nèi)全部非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備；設(shè)置在進(jìn)風(fēng)巷的甲烷傳感器要求其報(bào)警濃度為0．5%，斷電濃度為0．5%，復(fù)電濃度為0．5%，斷電時(shí)應(yīng)切斷進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)的全部非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備。

依據(jù)上述之規(guī)定，本設(shè)計(jì)將PIC18F4580單片機(jī)的RB4、RB5、RB6、RB7四個(gè)端口作為開關(guān)量輸出口，又由于單片機(jī)的輸出驅(qū)動能力非常有限，不足以驅(qū)動報(bào)警斷電設(shè)備，因此在電路設(shè)計(jì)時(shí)，增加了ULN2004功率驅(qū)動芯片來提高驅(qū)動能力，從而保證其報(bào)警斷電能夠正常工作。圖5為開關(guān)量輸出電路。

圖5 開關(guān)量輸出電路

6．AD參考電壓電路設(shè)計(jì)

在模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中，有一個(gè)高精度且穩(wěn)定的參考電壓是非常重要的，因?yàn)槲覀兯x取的主控制器PIC18F4580自身并不具備電壓基準(zhǔn)源，所以經(jīng)過分析最終選擇了美信（Maxi m）公司的電壓基準(zhǔn)芯片MAX6125作為模數(shù)轉(zhuǎn)換的電壓基準(zhǔn)源。該芯片能夠在輸入電壓范圍為＋2．7 V—12．5 V時(shí)得到2．5 V的精密輸出電壓。圖6為參考電壓電路。

圖6 參考電壓電路

7．顯示電路設(shè)計(jì)

對于一個(gè)完整的單片機(jī)系統(tǒng)來說，顯示電路部分是非常重要的，同時(shí)也是必不可少的一部分。傳統(tǒng)的顯示電路一般都是由鎖存器、譯碼器和驅(qū)動器等間接或直接的與單片機(jī)進(jìn)行連接，導(dǎo)致了大量的單片機(jī)軟硬件資源被占用，而且硬件電路部分不僅復(fù)雜，而且功能單一。隨著科技的快速發(fā)展，近年來市場上出現(xiàn)了一些簡單實(shí)用的LED顯示接口電路，比如有MOTOROLA公司的MC14489、MC14495、MC14499等。這些將鎖存、譯碼、驅(qū)動、掃描、時(shí)鐘等功能都集成在了一個(gè)芯片上電路，集成度高是其最大的特點(diǎn)，這就決定了單片機(jī)外圍電路必然會大大的減少，同時(shí)單片機(jī)資源被大量占用的問題也隨之解決。在本文中我就選用了MOTOROLA公司MC14489，作為本設(shè)計(jì)甲烷催化測量系統(tǒng)的顯示驅(qū)動芯片。

MC14489是MOTOROLA公司的一種新型高集成度顯示驅(qū)動芯片。該芯片周圍的輔助電路非常簡單，只需外部接入一個(gè)電阻就可以達(dá)到驅(qū)動LED顯示的目的；該顯示芯片與單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳送是采用同步串行方式，占用的單片機(jī)軟件資源非常少，其接口電路也僅僅需要3根輸入輸出接口線就可以實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的協(xié)調(diào)工作，因此使用起來非常靈活方便。

圖7 顯示電路圖

如圖7所示，為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)PIC18F4580與顯示驅(qū)動芯片MC14489之前的通訊，本設(shè)計(jì)采取了從單片機(jī)PIC18F4580中選取第37腳RC3、第27腳RE2、第43腳RC5分別與MC14489的第11腳CLK、第10腳EN和第12腳DIN相連接的連線方式；電源VDD由小功率穩(wěn)壓器LP2951提供穩(wěn)定＋5 V電壓；RX端串聯(lián)接入一個(gè)30 K的電阻，來設(shè)定顯示字段的驅(qū)動電流。

三、結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的甲烷催化測量系統(tǒng)包含了很多的創(chuàng)新點(diǎn)，如選擇了美國Micr ochip公司生產(chǎn)的PIC18F4580單片機(jī)，該單片機(jī)內(nèi)部包含了CAN總線控制模塊，便于整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信；在硬件設(shè)計(jì)功能方面，考慮到了其主要應(yīng)用環(huán)境為煤礦井下，根據(jù)煤礦安全規(guī)程中的相關(guān)規(guī)定，專門增加了開關(guān)量輸出電路部分的設(shè)計(jì)，主要用于現(xiàn)場的聲、光報(bào)警及斷電輸出。然而本系統(tǒng)是采用載體催化元件進(jìn)行測量的，由于受催化元件的特性所限只能測量4%濃度以下的甲烷氣體，因此本甲烷催化測量系統(tǒng)只能應(yīng)用于低瓦斯礦井中，這一點(diǎn)是在投入實(shí)際使用中必須要注意的。

［1］陳國先．PIC單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可靠性技術(shù)研究［J］．山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，（03）．

［2］王躍東．CAN總線技術(shù)在煤礦監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］．煤炭工程，2006，（05）．

［3］賴昊，薛君英，陳星．CAN總線技術(shù)及其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)［J］．微處理機(jī)，2000，（01）．

［4］王建新．儀表放大器AD623在數(shù)采系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2007，（07）．

［5］國家煤礦安全監(jiān)察局．煤礦安全規(guī)程［M］．北京：煤炭工業(yè)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?yàn)I海職業(yè)學(xué)院機(jī)電系教師，研究生在讀，研究方向：電子技術(shù)和控制工程。