精品无线传感器网咯的瓦斯检测模块设计毕业论文报告.docx
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精品无线传感器网咯的瓦斯检测模块设计毕业论文报告
目录
一、设计要求············································3
二、设计目的············································3
三、设计的具体实现···································4
1.系统概述················································4
1.1系统设计方案和结构图·································4
1.2煤矿中瓦斯浓度检测技术要求··························4
2.硬件电路设计··········································5
2.1煤矿瓦斯传感器的电路设计····························5
2.2瓦斯传感器保护电路的设计····························8
2.3主控器MSP430F169的简单介绍·······················9
2.4声光报警电路··········································10
2.5LCD12864液晶显示电路·······························11
2.6电源部分··············································12
2.7ZigBee无线发射模块···································13
3.软件设计···············································18
四、结论与展望·······································27
五、心得体会及建议·································28
六、附录··················································29
七、参考文献···········································29
引言
随着我国经济的快速发展,各行各业对煤炭的需求急剧增加,然而各种矿难事故的发生,使得煤炭安全生产面临严峻的挑战。
这篇文章就是针对煤矿的瓦斯浓度进行监控而设计的。
煤矿监控系统是保障煤矿安全生产的重要组成部分。
瓦斯传感器作为煤矿监控系统的检测终端,它的工作状况和传输方式直接关系到煤矿监控系统的运行状态和建设成本。
现有的瓦斯传感器与监控分站的连接方式多为有线连接,瓦斯传感器检测到信号通过有线线路传输到监控分站,线路冗余复杂,布线成本高,特别是发生事故时,有线线路一旦破坏很难在短时间内恢复使用,这就给搜救工作带来障碍。
针对以上情况,设计出一种无线瓦斯传感器,该瓦斯传感器利用ZigBee传输技术实现监测数据的无线传输,从而实现了煤矿井下的无盲区监控,克服了有线传输的种种缺点,保证监控系统高效正常工作,对提高煤矿监控系统的工作效率具有重要的意义。
关键词:
无线瓦斯传感器;ZigBee;CC2530;MSP430
基于无线传感器网络的瓦斯检测块
设计
一、设计要求
1.运用瓦斯传感器,设计一个瓦斯采集电路,把物理信号转化为电信号,实现对煤矿内瓦斯信息的采集和预处理。
并将其送至微处理器中进行AD处理,把模拟信号转化为数字信号。
2.设计液晶显示将瓦斯的浓度信息显示于LCD12864上,并把信息通过ZigBee无线传输技术发送至煤矿外的监控室终端。
3.设计一个声光报警电路,以在瓦斯浓度超标时实现紧急报警。
4.设计一个系统保护电路,以实现当瓦斯浓度严重超标时可以把瓦斯传感器电源断开。
起到保护的作用
5.对每个应用到的模块进行分析和论证。
6.绘制系统电路原理图。
二、设计目的
1.通过系统的设计,熟悉设计的基本过程,了解硬件设计和软件设计的设计步骤,提高发现问题,分析问题,解决问题的能力。
2.通过课程设计,进一步巩固和提高单片机、电路、传感器等相关的专业知识。
3.学会使用常用的EDA工具,绘制电路原理图。
三、设计的具体实现
1.系统概述
1.1系统设计方案和结构图
本次课设,基于无线传感器网络的瓦斯检测模块,主要完成系统对瓦斯信息的采集,放大,和处理并且完成瓦斯信息的发射。
该模块的总体设计框图如下图1.1所示,模块以主控CPU芯片MSP430F169为瓦斯信息的处理核心,包含有瓦斯信息采集、LCD12864液晶显示、串口、按键、LED指示、报警电路等外围电路。
最后又以CC2530做为ZigBee无线技术的发射装置将最终的信息传回监控室。
其中MSP430与CC2530通过SPI进行通信。
可以实现将MSP430所得的瓦斯信息通过与CC2530,把信息传送出去,达到数据的无线传输。
图1.1系统设计结构图
1.2煤矿中瓦斯浓度检测技术要求
本课设的研究目标是设计矿井下的瓦斯含量采集系统并通过无线网络传输和处理。
在矿井中,瓦斯主要由煤层中的以甲烷为主的混合气体构成,有时瓦斯单独指甲烷。
甲烷无色、无味,对空气的比重为0.554,与空气的混合气后爆炸范围是4.9%~16%体积百分比。
在煤矿中,瓦斯含量达到5%就可能爆炸。
基于矿井下特殊的环境和瓦斯气体的属性提出技术要求如表3-1所示。
表3-1技术指标
工作电压(V)
3.0±0.1
备注
工作电流(mA)
110±10
灵敏度(mV)
20~40
响应时间
小于10秒
最大为10秒
恢复时间
小于20秒
最大为30秒
使用环境
-40-+70℃
采集时间(分钟)
10分钟
最大30分钟
2.硬件电路设计
2.1煤矿瓦斯传感器的电路设计
2.1.1煤矿瓦斯传感器介绍
目前,矿井中常用的瓦斯传感器可分为热导式和热效式两大类。
热导式瓦斯传感器利用瓦斯与空气导热系数的不同而测量瓦斯浓度。
这种传感器在工作时需通入恒定的电流,将其加热到一定的温度(180℃左右)才能工作,功耗较大,且其中的半导体热敏式电阻传感器受CO2和水蒸汽的影响较大,元件的一致性和互换性也较差。
热导式瓦斯检测仪在测定低浓度的瓦斯时,输出信号很小误差较大。
因此,这类传感器制成的瓦斯检测仪适用于测量高浓度的瓦斯(5%~100%)。
目前这种传感器在矿井中应用较少。
热效式瓦斯传感器(又称热催化式瓦斯传感器),其工作原理是利用可燃气体在催化剂的作用下进行无焰燃烧产生热量,使元件电阻因温度升高而发生变化,通过测量电阻端电压来测知瓦斯的浓度。
这种传感器的优点是精度较高,输出信号较大(1%CH时,输出电压可达15~20mV),且不受其它燃气和灰尘存在的影响。
它的缺点是元件表面温度高(300~450℃);寿命短;功耗大(其加热功率>1W,热催化元件功耗为0.3~0.75W),易受硫、铅、磷、氯等的化合物干扰而使催化剂中毒,降低其灵敏度,甚至误报。
综合上述因素,本课题中传感器器件选用热催化式瓦斯传感器。
2.1.2煤矿瓦斯传感器原理
气敏元件采用的是郑州炜盛电子科技有限公司生产的MJC42.8J(MC113)瓦斯传感敏感元件,该元件为催化燃烧式气敏元件,工作电压为3.0±0.1V,工作电120±10mA,具有较少的能耗,桥路输出电压呈良好的线性,具有响应速度快,工作稳定,性能可靠的特点。
MJC42.8J(MC113)瓦斯传感敏感催化元件如图2.1所示。
该传感器根据催化燃烧效应的原理工作,由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂,如下图所示,遇到瓦斯等可燃性气体时检测元件电阻升高,桥路输出电压变化,该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大,补偿原件起温湿度补偿作用,基本测试电路如图2.2所示。
该传感器可在温度为0~40℃、相对湿度为45-75%和大气压力为80~116kPa的环境下工作,因此可以适应煤矿内的环境。
图2.1瓦斯传感敏感元件
图2.2基本测试电路
2.1.3煤矿瓦斯传感器采集电路
由于气敏元件的输出电压非常微弱,所以需要配置放大电路,其配置电路如图2.3所示。
电路使用2个前置电压跟随器,作为后级的驱动级,再通过一个直流电压负反馈网络,放大电压值,输出到MSP430芯片自带AD的相应引脚。
图中RW为零点调节电位器,可以通过该电位器的调节来调整零点。
R0为放大倍数调整电阻,可以通过调整该阻值的大小来改变电压放大倍数。
图2.3瓦斯传感器采集电路
2.2瓦斯传感器保护电路的设计
在矿井中,瓦斯主要由煤层中的以甲烷为主的混合气体构成,有时瓦斯单独指甲烷。
国家新标准规定,工作面瓦斯浓度达到0.8%就要报警。
气敏元件在低瓦斯浓度下能够保持良好的性能,但当瓦斯浓度超过4%时,气敏元件容易受到瓦斯冲击而损坏。
本课设中设计了一个瓦斯气敏元件保护电路,如图2.4所示。
该电路连接到单片机的IO端口初始化为高电平,当该端口为低电平时,光耦导通,断路器工作,使气敏元件电源供电电路断开,从而实现瓦斯气敏元件自动断电的保护功能。
图2.4瓦斯传感器保护电路
2.3主控器MSP430F169的简单介绍
MSP430F149模块,即MCU采用TI公司的MSP430F149。
TI公司的MSP430系列单片机一是种超低功耗的混合信号控制器,能够在低电压下以超低功耗状态工作,其控制器具有很强大的处理能力和丰富的片内外设;带Flash存储器的单片机还可以方便高效地进行在线仿仿真和编程。
MSP430F149是MSP430系列中功能最强大的单片机,而且其运行环境温度范围为一40℃~+85℃,可以适应煤矿下各种恶劣的环境。
它采用16位的总线,外设和内存统一编址,寻址范围可达64K,还可以外扩展存储器.具有统一的中断管理,具有丰富的片上外围模块,片内有精密硬件乘法器、两个16位定时器、一个14路的12位的模数转换器、一个看门狗、6路P口、两路USART通信端口、一个比较器、一个DCO内部振荡器和两个外部时钟。
MSP430F149单片机中集成了14路12位AD转换,其中8路属于外部的信号转换,3路是对内部参考电压的检测转换,1路是接温控的传感电压转换,每一路转换都有一个可控制的转换存储器,而且,参考电平和时钟源都是可选择的,可以外部提供的。
这给使用上带来了很大的灵活性。
原理上不同于一般积分和逐次比较等AD转换原理,它的输入信号是加在AD的电容网络上的,通过电容的充电来采样信号进行AD转换的。
2.4声光报警电路
在本课设中,声光报警电路使用的是蜂鸣器和发光二极管进行报警。
声光报警电路如图2.4所示。
图2.4声光报警电路
如图所示,当BEEP处信号为1时,Q1导通,发光二极管导通发光进行光报警。
声报警电路用的是蜂鸣器,成本低且声音宏亮,同时,蜂鸣器中有电流流过,从而产生报警声音;当BEEP为0时,三极管截止,蜂鸣器的两管脚电压接近于0V,蜂鸣器不发出声响。
所以,当瓦斯正常是,BEEP处信号为0。
不发出报警。
瓦斯超标时就是发出报警。
2.5LCD12864液晶显示电路
带中文字库的12864是一种具有4位8位并行、2线或3线串行多种接口方式。
表3-212864液晶模块接口说明:
引脚
名称
说明
引脚
名称
说明
1
VSS
GND(0V)
11
DB4
数据4
2
VDD
+3.3v
12
DB5
数据5
3
VO
悬空
13
DB6
数据6
4
RS(CS)
H:
DataL:
Instruction
14
DB7
数据7
5
RW(SID
H:
ReadL:
Write
15
PSB
H:
ParallelL:
Serial
6
E(SCLK)
EnableSignal
16
NC
悬空
7
DB0
数据0
17
RST
ResetSignal
8
DB1
数据1
18
NC
悬空
9
DB2
数据2
19
LEDA
背光源负极(LED-OV)
10
DB3
数据3
20
LEDK
背光源正极(LED+5v)
LCD12864内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块,其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字,和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令,可构成全中文人机交互图形界面。
可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。
在本课设中用于瓦斯浓度的显示,其接口引脚如下表二所示。
2.6电源部分
如下图2.5所示,电源部分采用电池供电和电源供电两种供电方式,用户可以自行选择。
电池供电采用2节1.5V干电池,由于系统主板要求电源电压是3.3V,输入电压不能小于2.8V,若电池电量降低供电电压会低于2.8V,为了最大限度使用电池,需要使用BOOST电源芯片SP6641将3V的电池电压转换成3.3V,然后使用线性电源芯片SP6201过滤开关电源产生的纹波电压。
电源供电方式,由于其输入电压为5V,同样需要转换为系统所需的3.3V,这里采用线性电源芯片AM1117来完成电压的转换。
这种供电方式一般用于调试阶段。
AMS1117—3.3V三是端可调或固定电压3.3V,输出电流为1A,线路调整率:
0.2%(最大)负载调整率:
0.4%(最大)封装类型:
SOT-223。
输出电压:
3.267~3.333V。
图2.5电源部分
2.7ZigBee无线发射模块
Zigbee无线网络技术是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术,其技术方案介于无线标记技术和蓝牙技术之间,主要用于近距离无线连接。
由于其低功耗、高可靠性、短时延、网络容量大、高安全性、高保密性等优点在2004年就被列为当今世界发展最快、市场前景最广阔的十大技术之一。
Zigbee技术的特点有:
(1)低功耗:
由于Zigbee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此Zigbee设备非常省电。
据估算,Zigbee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。
(2)成本低:
Zigbee模块的初始成本在6美元左右,估计很快就能降到1.5~2.5美元,并且Zigbee协议是免除专利费的。
低成本对于Zigbee也是一个关键的因素。
(3)时延短:
通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms,活动设备信道接入的时延为15ms。
因此Zigbee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。
(4)网络容量大:
一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备,一个区域内可以同时存在最多100个Zigbee网络,而且网络组成灵活。
(5)可靠:
采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。
MAC层采用了完全确认的数据传输模式,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。
如果传输过程中出现问题可以进行重发。
(6)安全:
Zigbee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证,采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。
基于以上特点,Zigbee网络成为无线传感器网络的首选,它非常适宜于在工矿环境下构建传感器网络。
由于其微功耗、容量大、安全可靠,
本课设选择使用Zigbee技术研发建立Zigbee无线网络需要选择合适的网络拓扑,Zigbee网络系统结构如图2.6所示。
Zigbee协议栈支持网状、树状和星型网络三种拓扑结构,如下图2.7所示。
本课题考虑到所有采集节点的数据都集中到协调器,所以采用星型网络,具体布网的时候可以根据实际环境和地形采用合适的拓扑连接。
图2.6Zigbee网络系统结构
在网状和树型网络拓扑中,Zigbee协调器负责启动网络,选择某些关键的网络参数,网络可以通过Zigbee路由器进行扩展。
星状连接网状连接网咯拓扑
图2.7网咯拓扑图
在树型网络中,路由器使用一个分级路由策略在网络中传送数据和控制信息。
当在矿井的巷道中布置网络时,受矿井特殊环境和Zigbee网络的特性的影响,本系统采用多跳传递方式输出数据。
Zigbee节点通过多个路由器将信号从井下传出。
Zigbee节点间的距离大概为70~100米,具体网络布置如图2.8所示,如果在检测区域中有盲点,可以通过增加节点的办法来解决。
图2.8井下巷道节点布置
本次课设射频模块采用的核心芯片CC2530。
它内部包含了一个工业级小巧高效的8051控制器和一个高性能2.4GHzDSSS(直接序列扩频)射频收发器。
CC2530芯片延用了以往CC2420芯片的架构,在单个芯片上整合了Zigbee射频(RF)前端、内存和微控制器,其片内资源如下图2.9所示。
从图中可看出CC2530使用了1个8位MCU(8051),具有128KB可编程闪存和8KB的RAM,还包含模拟数字转换器(ADC)、两个定时器(Timer)、AES128协同处理器、看门狗定时器(Watchdogtimer)、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(PowerOnReset)、掉电检测电路(Brownoutdetection),以及21个可编程IO引脚。
CC2530芯片采用0.18μmCMOS工艺,在接收模式下电流损耗低于27mA,在发射模式下电流损耗低于25mA。
CC2530的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性,特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。
CC2530芯片采用QLP封装,共有48个引脚。
全部引脚可分为IO端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类。
图2.9CC2530片内资源
3.软件设计
3.1瓦斯采集软件设计介绍
在瓦斯采集模块中传感器的作用是将瓦斯浓度转换为电信号,此时电信号很微弱通过放大电路放大后,输入到MSP430芯片AD功能模块的输入引脚。
MSP430芯片内置的AD是一个12位的模数转换器,具有较高的精度和速度完全可以胜任本课设的研究内容。
MSP430的内置AD模块由参考电压发生器、模拟多路器、12位AD内核、时序控制电路及结果缓存5部分组成,如果要使用MSP430的片内AD就必须了解各部分的使用方法,在控制寄存器中进行相应的设置。
(1)参考电压发生器:
模\数转换器(ADC)需要一个基准信号,通常为电压基准。
ADC的数字输出表示模拟输入相对于它的基准的比率。
MSP430ADC12内置参考电源,而且参考电压有6种可编程选择,分别为VR+与VR-的组合。
其中,VR+有AVCC(模拟电源正端)、VREF+(AD转换器内部参考电源的输出正端)及VeREF+(外部参考源的正端入端),VR-包括AVSS(模拟电源负端)和VREF-VeREF-(AD转换器参考电源负端—内部或外部)。
ADC12可以通过转换存储控制寄存器ADC12MCTLx灵活地设置参考电压发生器的工作。
(2)模拟多路器:
当对多个模拟信号进行采样并进行AD转换时,为了共用一个转换内核,模拟多路器需要分时地将多个模拟信号接通,即每次接通一个信号采样并转换。
MSP430ADC12配置有8路外部通道与4路内部通道,通过A0~A7实现外部8路模拟信号输入,4路内部通道可以将VeREF+、VREF-VeREF-、(AVCC-AVSS)2以及片内温度传感器的输出作为待转换模拟输入信号。
这样就能同时对多路模拟信息进行测量和控制,从而满足实际控制和实时数据处理系统的要求。
将VeREF+、VREF-VeREF-、(AVCC-AVSS)2作为AD12的输入信号,可以用于有关ADC12的自检、校验和诊断功能。
(3)具有采样与保持功能的12位转换器内核:
ADC12内核是一个12位的模数转换器,并能够将结果存放在转换存储器中。
该内核使用两个可编程的参考电压(VR+和VR-)定义转换的最大值和最小值。
当输入模拟电压等于或高于VR+时,ADC12输出满量程值0x0FFF;当输入电压等于或小于VR-时,ADC12输出0。
输入模拟电压的最终转换结果满足公式:
NADC=4095*(Vin—VR)(VR+—VR-)
因为AD转换需要一定的时间来完成量化及编码操作,对高速变化的信号进行瞬时采样时,不等AD转换完毕,采样的值就已经改变。
为了保证转换的精度ADC12的内核具有采样和保持功能,即使现场模拟信号变换的比较快,也不会影响ADC12的转化。
采样状态,输出随输入而变化;保持状态,输出保持某个值一段时间以备转换。
ADC12内核接收到模拟信号输入并具有转换允许的相关信号之后便开始进行AD转换。
在没有模拟信号转换的时候,为了节省功耗,可以通过位ADC12ON关闭转换内核。
(4)采样及转换所需的时序控制电路:
这部分提供采样及转换所需呀的各种时钟信号:
ADC12CLK转换时钟、SAMPCON采样及转换信号、SHT控制的采样周期、SHS控制的采样触发来源选择、ADC12SSEL选择的内核时钟源及ADC12DIV选择的分频系数等等。
(5)转换结果缓存:
ADC12共有12个转换通道,设置了16个转换存储器用于暂存转换结果,合理设置之后,ADC12硬件会自动将转换结果存放到相应的ADC12MEM寄存器中。
每个转换存储器ADC12MEMx都有自己对应的控制寄存器ADC12MCTLx。
控制寄存器控制各个转换存储器选择基本的转换条件。
3.2AD的配置寄存器
应用程序对AD的使用和配置都要通过对寄存器的操作来完成。
ADC12有大量的控制寄存器,ADC12的寄存器类型如下表3-3所示。
表3-3ADC12控制寄存器
寄存器类型
寄存器缩写
寄存器含义
转换控制寄存器
ADC12CTL0
转换控制寄存器0
ADC12CTL1
转换控制寄存器1
中断控制寄存器
ADC12IFG
中断标志寄存器
ADC12IE
中断使能寄存器
ADC12IV
中断向量寄存器
存储及其控制寄存器
ADC12MCTL0~ADC12MCTL15
存储控制寄存器0~15
ADC12MEM0~ADC12MEM15
存储寄存器0~15
需要通过软件配置ADC12的资源,运用ADC12的各个功能模块。
ADC12的寄存器包括转换控制寄存器、中断控制寄存器、存储寄存器及存储控制寄存器几大类。
3.3AD采样程序流程设计
图4.8AD采样程序流程图
3.4无线模块初始化程序
初始化程序主要完成端口的注册、协议栈HAL层UART的注册和启动、目的地址模式和地址值指定、ZDO设备对象注册等工作。
初始化程序和任务的事件处理程序配对设计,它们由OSAL操作系统层调用。
只需要在操作系统层的voidosalInitTasks(void)函数中注册任务,任务就可以由操作系统来调度。
初始化程序的形参接口为:
voidSerialApp_Init(uint8task_id);
其中的task_id由操作系统分配,用户应用程序不能干预。
初始化程序首先设置目的地址的地址模式和地址值,其中地址模式有直接地址、间接地址、广播地址和组播地址等类型,可以根据任务需要设置。
直接地址模式是通过调用ZDApp_AutoFindDestination函数在网络中自动寻找与本节点端口匹配的设备,一般将第一个找到的匹配节点地址作为目的
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