基于AVR单片机的煤矿传感器设计

1 引言

由于近年来煤矿瓦斯事故频发，并且动则死伤矿工十余人甚至上百人。鉴于此，国家安全生产监督管理总局在《煤矿安全规程》中明确规定，“所有矿井必须安装矿井安全监控系统。”为了满足市场需要，煤矿监控系统的研发和生产呈越来越旺的趋势。其中，煤矿用传感器是直接面对矿井具体工作环境的最直接设备。传感器的工作性能、可靠性、可调节性与可升级性直接影响煤矿监控系统的正常运行。

迄今为止，我国的矿井瓦斯监测监控系统仍处于开发阶段，虽然很多产品已投放市场并正式运行，但大部分产品并没有最后定型。因此，对煤矿传感器的研究与开发更有利于其发展，并推动煤矿用其他检测控制装置的研究，使矿用产品越来越成熟。

2 现有传感器的设计

综观现有传感器，基本上都以单片机为核心，并辅以敏感元件作为检测装置，A／D转换电路将检测到的数据转换为单片机可识别的数字信号并送至单片机中处理，同时配备E2PROM作为数据或程序的存储。本文以煤炭科学研究总院重庆分院研制开发的KG9701智能低浓度甲烷传感器为例进行分析。



KG9701可检测煤矿井下0～4.00％CH4沼气浓度，并连续自动地将井下沼气浓度转换成标准电信号输送给关联设备，并具有就地显示瓦斯浓度值，超限声光报警等功能。性能稳定、测量精确、响应速度快、结构坚固、易使用易维护等特点，并具备遥控调校、断电控制、故障自校自检等新功能。

KG9701于2000年研制成功并投放市场，目前已广泛应用于全国大、中、小型煤矿，在国内市场占有率超过60％。该传感器设计寿命为3年，目前已进入更新换代时间。

本电路主要由以下几个主要部份组成：

(1)单片机电路

整机电路以89C51作为核心，E2PROM采用AT24C02，可存储256 B数据，防止传感器掉电后检测数据丢失。看门狗电路由MAX813组成，防止单片机程序跑飞，并在程序跑飞后重启单片机以使单片机正常运行。

(2)电源电路

传感器接受分站送入的8～24 V直流电压，由MC34063构成的开关电源及LM358构成的二次稳压电路构成的本安电源转换成系统所需要的电压，为整机供电。正负电源转换由ICL7660构成并输出-5 V电压供A／D转换电路使用。

(3)采样电路

采样电路由A／D转换与敏感元件2部份构成。敏感元件感应井下沼气浓度，并送至A／D转换电路。A／D转换电路由ICL7109组成，以12 b精度进行采样，并将结果转换成8位数字信号，送至89C51处理，同时将数据存入E2PROM中保存。

(4)报警及显示

在井下沼气浓度超限时，由CD4011驱动喇叭及发光二极管报警。74HC373驱动4位数码管显示沼气浓度，在调试传感器时显示各调试值。

(5)红外接收电路

红外接收电路接收遥控器传来的遥控信号，以完成传感器的调整与设置。   

3 89系列单片机与AVR单片机的对比

KG9701采用传统的89C51单片机。由于推出时间长、设计资料丰富、应用面广，掌握该芯片使用的技术人员多。但随着科学技术的发展，新型单片机与其相比而言有更多优势。现就2种单片机做一对比。

3.1 89系列单片机的弊端

89系列单片机采用CISC(复杂指令系统)结构。复杂指令计算机系统设计目的是要用最少的机器语言指令来完成所需的计算任务。但这种架构造成CPU结构的复杂性和对CPU工艺的要求。  

由于89系列单片机的结构的复杂性；使其集成度相对较低，如片内集成FLASH ROM较少、无E2PROM、无看门狗电路等，导致开发产品可能存在以下问题：

(1)运行速度降低

89系列单片机采用复杂指令系统，使其程序的运行效率降低，同时程序的复杂也导致存储程序的FLASHRAM加大，甚至可能采用扩充存储器。

(2)故障率加大

89系列单片机需增加的外围电路，使电路的复杂性增加，故障率加大。

(3)升级不方便

通常89系列单片机程序的写入需要专用的编程器，升级程序不方便。

3.2 AVR单片机的优点

由于89系列单片机的固有缺点，所以采用RISC(精简指令系统)的单片机越来越受到青睐，并大有取代89系列单片机的趋势。目前采用精简指令系统的单片机主要有Atmel公司的AVR系列单片机与MICRO-CHIP公司的PIC系列单片机。Atmel公司的AVR单片机是1997年由Atmel公司研发的基于RISC技术的高速8位单片机，其主要优点如下：

(1)高性能

AVR单片机采用HARVARD结构，指令为16位，执行指令与取指令同时进行，每1个时钟周期可执行1条指令，其运行速度是复杂指令计算机系统的15～20倍。

(2)内置FLASH存储器

AVR单片机内置的FALSH存储器从1～128 kB都有，可根据需要选择不同的芯片并可以扩充。FALSH可写次数达10 000次以上。

(3)内置多种外围电路

AVR单片机内置独立的看门狗、A／D转换、E2PROM、PWM输出、上电自动复位等电路，应用AVR单片机大大简化了外围电路，提高了电路的可靠性。

(4)具有SPI编程功能

SPI编程功能使更新AVR程序仅仅需要几根线即可，省去了拨下芯片的麻烦，避免了更新程序时损坏单片机的可能性。

由以上对比可以看出，使用AVR单片机设计煤矿传感器，将大大降低其外围电路的复杂性，并提高电路可靠性，使其成为煤矿传感器升级换代的首选。

4 使用AVR单片机设计的矿用传感器

AVR单片机共分为Tiny，At90s，Atmega三个档次。根据需求，此处决定采用Atmega8L作为主芯片。AtmegaSL最高8 MHz工作频率，工作电压2.7～5.5 V，有8 kB的Flashrom，1 kB的RAM，512 kB的E2PROM，8路10位A／D转换，能满足应用需要，其电路原理框图如图2所示。



传感器核心控制单元采用Atmega8L-8AU单片机，PB口的PB3，PB4配置为SPI下载线接口，并与外壳上的接口相连，用于程序更改与升级。PB口PB1配置为声光报警输出，以用于检测值超过设定值后报警。PC口的PC0配置为A／D转换输入口。由于输入信号幅度较小，故在电路中加入1级由LM358构成的放大电路。PC口的PC2配置为红外线接收口，用于接收遥控板送来的信息。PD口用于4位数码显示。

特别注意的是，在硬件设计上，为降低A／D转换噪声，需要在AVCC引脚连接A／D转换专用电源。并且由于AVR芯片内部的A／D转换参考电压不够稳定，故在其Aref引脚配置由精密稳压集成电路TL431构成的参考电压，以保证A／D转换的准确性。目前正在应用的煤矿传感器的软件系统经过几年的使用与改进，软件系统已渐趋成熟，加之AVR单片机支持C语言，所以不需要重新开发新的软件系统，仅对原有的煤矿传感器的软件系统作简单的改变即可移植到以AVR为核心的传感器上，改进成本低，转变容易。

使用AVR设计煤矿传感器外围元件少、结构简单、工作效率高、成本低(每片Atmega8单片机售价不足10元)。同时AVR芯片在设计时即考虑了其安全性，只需简单配置即可达到保密的作用，无需在软加密上多下功夫，有效地保护了自己的知识产权。所以AVR单片机是设计矿用传感器部件的首选。