光电检测技术大作业 用于矿井领域智能传感器的设计
化的程序设计语言，可读性和可移植性较差，程序较难编写和调试，程序本身的编写效率较低。在现代编程中，用汇编语言来实现程序代码的不多，但是在特定的场合，如我们开发的矿用温度传感器，用汇编来写程序有其它高级语言不能替代的优势。在本论文中，由于DS18B20 在操作时对时序要求的严格，要反复的调试延时设置，一方面符合时序的要求，另一方面要找到最优的定时数值，使程序具有最强的容错性，此时，选用汇编语言来编写测温程序，比选用其它高级语言更为方便。所以，本论文全部采用汇编语言来编写程序代码。本系统采用德国Keil公司的嵌入式C51 编译器作为开发工具。Keil C51 标准C编译器为8051 微控制器的软件开发提供了C语言环境，兼容汇编语言，可以实现编写、调试、仿真于一体，是目前最有效、灵活的8051 开发平台之一。
2.5 传感器输出信号的选择
根据《矿用温度传感器通用技术条件(MT 381-1995）》(中华人民共和国煤矿 行业标准) (以下简称《通用技术条件》)，关于传感器到数据采集装置之间传输信号的统一规定，传感器输出信号制式必须满足以下要求：
直流模拟量信号：1～5mA ，优选； 直流模拟量信号：4～20mA，只用于地面； 直流模拟量信号：0～5V；
频率模拟量信号：200～1000Hz，优选。 对于模拟量使用频率信号来传输有许多优势：
(1) 提高了模拟量信号的传输精度：对一般的电压或电流的模拟量来说，在井下用
电缆进行远距离传输时(＞1km)，都会产生较大的畸变。频率脉冲信号尽管在长线传输时也会发生较大的畸变，但在一定的长线条件下，每个脉冲的畸变都是一样的，在接受端不管采用哪种方式接收还原时，是不会产生精度损失的。 (2) 提高了模拟量信号传输的抗干扰能力：频率模拟量传输的是脉冲的有无，而电
压或电流模拟量传输的是连续变化的电量值，很显然前者的传输抗干扰能力要强得多。
(3) 隔离性好：频率信号传输的是脉冲的有无，那么作为信号接受端的分站就可以
采用光耦器件的开关电路进行接收，可方便地实现信号隔离。对于井下低频电子设备，干扰主要来自地线，这样就可以彻底消除了因地线而引起的干扰。
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(4) 基于以上考虑，本矿用温度传感器的信号输出选用脉冲频率的形式输出信号，
传感器输出频率范围为200～1000Hz。
3 系统硬件电路设计
3.1 硬件总体结构
硬件和软件设计是单片机系统的两个重要方面。本章主要论述该系统的硬件电路设计。本系统在硬件电路设计时，主要从以下原则出发:
1．硬件电路设计与软件设计相结合优化硬件电路。
2．可靠性及抗干扰设计。根据可靠性设计理论，系统所用芯片数量越少，系统的平均无故障时间越长，而且所用芯片数量越少，地址数据总线在电路板上受干扰的可能性就越少，因此单片机基本系统的设计思想是在满足功能的情况下力争使用较少数量的芯片及线路。
3．灵活的功能升级及系统扩展。一次设计往往不能完全考虑到系统的各个方面，系统需要不断完善，需要进行功能升级；并且，在设计时应考虑到系统在以后应用中扩展的方便性。
根据系统要求及上面几个硬件设计原则，确定系统硬件原理图。系统以单片微机AT89C52 为中央处理单元，由感温元件、数字显示、声光报警、信号输出等单元电路组成。
3.2 主CPU电路设计
在主CPU电路设计中，我们选用了AT89C52 作为主控芯片。在设计中选择用AT89C52 的P1.0 口来输出与温度值对应的频率，以供其上位机接收、处理。主CPU 电路由频率输出电路、温度测量电路、看门狗电路、遥控电路、稳压电源、显示电路、报警电路等几部分组成。
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主CPU电路结构图
3.3感温元器件的选择与应用设计
感温元件位于传感器系统之首，被测环境温度被转换为电信号才能供主控电路处理，因此感温元件的性能对传感器系统有着很大的影响。
3.3.1 感温元器件的选择
在选用传感器感温元件时，单从测量方面考虑，则要求：一是测量精度要高， 二是工作可靠性、稳定性要好；但是，考虑到煤矿应用的环境，要求矿用温度传 感器能适应恶劣环境，符合《煤矿安全规程》的要求，具有防爆功能，可以适应
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煤矿井下恶劣的环境。
我们通过比较传统的模拟温度传感器与数字化的温度传感器，考虑煤矿井下 的使用环境，综合各种因素，来选择感温元器件。
单线数字化温度传感器DS18B20 是一种性价比好，应用前景看好的传感器，它有以下主要优点：
a) 线缆少，单个DS18B20 可通过一线数据输入输出端DQ 连到单片机；多个传感器可通过一3 芯电缆(包括电源线与地线2 芯)连到单片机，这样不仅减化电路设计，也在很大程度上也减少了现场线缆，方便现场布线。
b) 精度高，DS18B20 在-10～+85℃范围内精度为±0.5℃，分辨率0.0625。且由于传感器输出的就是数字信号，传输过程中没有精度的损失，系统精度可以保证。
c) 抗干扰性强，现场温度直接以\一线总线\的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于煤矿井下恶劣环境的现场温度测量。
d) 采用先进的芯片科技、独特概念，以及规模化生产，大大降低了系统成本，提高了可靠性。
3.3.2 AT89C52 单片机接口配置
AT89C52 是美国ATMEL公司生产的一个低电压、高性能8 位CMOS单片机，片内含8Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51 指令系统及8052 产品引脚兼容，片内置通用8 位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，功能强大，AT89C52 单片机适合于许多较为复杂的控制应用场合。C51系列单片机丰富的资料及AT89C52 组成的系统又不需要扩展程序内存，给用户带来很大的方便。AT89C52 提供的8K字节FLASH ROM, 256 字节RAM, 32 线I/O口，3 个16 位定/计数器，6 向量两级中断，一个全双工串行口，片内振荡器和时钟电路等。
3.3.3 时钟电路
系统时钟是一切微处理器、微控制器内部电路工作的基础，振荡周期和时钟周期又决定了μP 的时序。单片机内部有一个自激振荡电路，可以通过内部自激振荡或外部提
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供振荡这两种方式，驱动内部时钟电路产生系统时钟信号。本系统选用内部自激振荡。AT89C52 的晶振最高可达24MHz。ALE 输出地址锁存允许脉冲，在不访问外存时，能产生l/6 振荡器频率的时钟，可作为外部定时或时钟。
3.3.4 DS18B20 测温电路设计
由于DS18B20 为一线总线器件，在电路设计时只通过一条I/O 线(即DQ 数据线)与主CPU 的某一个端口相连接即可，余下的工作就是根据时序和通讯协议来编程。所以其电路的设计主要选择电源的供电方式，以达到最佳的测量效果。DS18B20 的供电方式有两种：外部电源供电方式，寄生电源供电方式。
(1)外部电源供电方式及电路连接
在这种供电方式中，DS18B20 直接通过VDD端与外部供电电源相连。这种供电方式优于寄生电源方式之处是，在温度转换期间，不需要MOSFET 的上拉作用，一线总线可以自由地传送别的信息。
(2)寄生电源供电方式及电路连接
在这种供电方式中，DS18B20 可以在一线总线为高电平时，通过DQ 端获得供电，同时为其内部的寄生电容Cpp 充电；当一线总线为低电平时，可以通过其内部的寄生电容Cpp 为其提供充足的工作电流。从原理上分析，在DS18B20 内部执行温度转换或从便笺数据缓冲存储器复制数据到EEPROM 时，其工作电流可达到1.5mA，此时寄生电容Cpp 不能提供足够的电流，要靠MOSFET 直接上拉总线来提供充足的电流，并且必须在发出温度转换命令或复制命令之后最大10μS 之内完成上拉的切换，这样才能保证温度转换或复制数据的正常进行。此外，DS18B20 在寄生电源供电方式下，VDD端必须与GND 端相连。
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