無(wú)線傳感器網(wǎng)咯的瓦斯檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、目 錄一、設(shè)計(jì)要求3二、設(shè)計(jì)目的3三、設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)4 1.系統(tǒng)概述41.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和結(jié)構(gòu)圖41.2煤礦中瓦斯?jié)舛葯z測(cè)技術(shù)要求42.硬件電路設(shè)計(jì)52.1煤礦瓦斯傳感器的電路設(shè)計(jì)52.2瓦斯傳感器保護(hù)電路的設(shè)計(jì)82.3主控器 msp430f169的簡(jiǎn)單介紹92.4聲光報(bào)警電路102.5 lcd12864液晶顯示電路112.6電源部分122.7zigbee無(wú)線發(fā)射模塊133.軟件設(shè)計(jì)18四、結(jié)論與展望27五、心得體會(huì)及建議28六、附錄29七、參考文獻(xiàn)29引言隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)煤炭的需求急劇增加，然而各種礦難事故的發(fā)生，使得煤炭安全生產(chǎn)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。這篇文章就是針對(duì)煤礦的瓦斯?jié)?/p>

2、度進(jìn)行監(jiān)控而設(shè)計(jì)的。煤礦監(jiān)控系統(tǒng)是保障煤礦安全生產(chǎn)的重要組成部分。瓦斯傳感器作為煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的檢測(cè)終端，它的工作狀況和傳輸方式直接關(guān)系到煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和建設(shè)成本。現(xiàn)有的瓦斯傳感器與監(jiān)控分站的連接方式多為有線連接，瓦斯傳感器檢測(cè)到信號(hào)通過(guò)有線線路傳輸?shù)奖O(jiān)控分站，線路冗余復(fù)雜，布線成本高，特別是發(fā)生事故時(shí)，有線線路一旦破壞很難在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)使用，這就給搜救工作帶來(lái)障礙。針對(duì)以上情況，設(shè)計(jì)出一種無(wú)線瓦斯傳感器，該瓦斯傳感器利用zigbee傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了煤礦井下的無(wú)盲區(qū)監(jiān)控，克服了有線傳輸?shù)姆N種缺點(diǎn)，保證監(jiān)控系統(tǒng)高效正常工作，對(duì)提高煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的工作效率具有重要的意

3、義。 關(guān)鍵詞：無(wú)線瓦斯傳感器；zigbee；cc2530；msp430基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的瓦斯檢測(cè)塊設(shè)計(jì)一、 設(shè)計(jì)要求1. 運(yùn)用瓦斯傳感器，設(shè)計(jì)一個(gè)瓦斯采集電路，把物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦內(nèi)瓦斯信息的采集和預(yù)處理。并將其送至微處理器中進(jìn)行ad處理，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。2. 設(shè)計(jì)液晶顯示將瓦斯的濃度信息顯示于lcd12864上，并把信息通過(guò)zigbee無(wú)線傳輸技術(shù)發(fā)送至煤礦外的監(jiān)控室終端。 3. 設(shè)計(jì)一個(gè)聲光報(bào)警電路，以在瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時(shí)實(shí)現(xiàn)緊急報(bào)警。4. 設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)保護(hù)電路，以實(shí)現(xiàn)當(dāng)瓦斯?jié)舛葒?yán)重超標(biāo)時(shí)可以把瓦斯傳感器電源斷開(kāi)。起到保護(hù)的作用5. 對(duì)每個(gè)應(yīng)用到的模塊進(jìn)行分析和論證。

4、6. 繪制系統(tǒng)電路原理圖。二、 設(shè)計(jì)目的1. 通過(guò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，熟悉設(shè)計(jì)的基本過(guò)程，了解硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)步驟，提高發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，分析問(wèn)題，解決問(wèn)題的能力。2. 通過(guò)課程設(shè)計(jì)，進(jìn)一步鞏固和提高單片機(jī)、電路、傳感器等相關(guān)的專業(yè)知識(shí)。3. 學(xué)會(huì)使用常用的eda工具，繪制電路原理圖。三、 設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)1. 系統(tǒng)概述1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和結(jié)構(gòu)圖本次課設(shè)，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的瓦斯檢測(cè)模塊，主要完成系統(tǒng)對(duì)瓦斯信息的采集，放大，和處理并且完成瓦斯信息的發(fā)射。該模塊的總體設(shè)計(jì)框圖如下圖1.1所示，模塊以主控cpu芯片 msp430f169為瓦斯信息的處理核心，包含有瓦斯信息采集、lcd12864液晶顯示、串口

5、、按鍵、led指示、報(bào)警電路等外圍電路。最后又以cc2530做為zigbee無(wú)線技術(shù)的發(fā)射裝置將最終的信息傳回監(jiān) 控室。其中msp430與cc2530通過(guò)spi進(jìn)行通信?？梢詫?shí)現(xiàn)將msp430所得的瓦斯信息通過(guò)與cc2530，把信息傳送出去，達(dá)到數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。zigbee無(wú)線通信模塊按鍵控制msp430 msp430f169傳感器保護(hù)lcd12864顯示瓦斯?jié)舛葯z測(cè)模塊聲光報(bào)警電源模塊圖1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖1.2煤礦中瓦斯?jié)舛葯z測(cè)技術(shù)要求本課設(shè)的研究目標(biāo)是設(shè)計(jì)礦井下的瓦斯含量采集系統(tǒng)并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸和處理。在礦井中，瓦斯主要由煤層中的以甲烷為主的混合氣體構(gòu)成，有時(shí)瓦斯單獨(dú)指甲烷。甲烷無(wú)色

6、、無(wú)味，對(duì)空氣的比重為0.554，與空氣的混合氣后爆炸范圍是4.9%16%體積百分比。在煤礦中，瓦斯含量達(dá)到5%就可能爆炸?；诘V井下特殊的環(huán)境和瓦斯氣體的屬性提出技術(shù)要求如表3-1所示。表3-1技術(shù)指標(biāo)工作電壓(v)3.00.1備注工作電流(ma)11010靈敏度(mv)2040響應(yīng)時(shí)間小于10秒最大為10秒恢復(fù)時(shí)間小于20秒最大為30秒使用環(huán)境-40+70采集時(shí)間(分鐘)10分鐘最大30分鐘2. 硬件電路設(shè)計(jì)2.1煤礦瓦斯傳感器的電路設(shè)計(jì)2.1.1煤礦瓦斯傳感器介紹目前，礦井中常用的瓦斯傳感器可分為熱導(dǎo)式和熱效式兩大類。熱導(dǎo)式瓦斯傳感器利用瓦斯與空氣導(dǎo)熱系數(shù)的不同而測(cè)量瓦斯?jié)舛取＿@種傳感器

7、在工作時(shí)需通入恒定的電流，將其加熱到一定的溫度(180左右)才能工作，功耗較大，且其中的半導(dǎo)體熱敏式電阻傳感器受co2和水蒸汽的影響較大，元件的一致性和互換性也較差。熱導(dǎo)式瓦斯檢測(cè)儀在測(cè)定低濃度的瓦斯時(shí)，輸出信號(hào)很小誤差較大。因此，這類傳感器制成的瓦斯檢測(cè)儀適用于測(cè)量高濃度的瓦斯(5%100%)。目前這種傳感器在礦井中應(yīng)用較少。熱效式瓦斯傳感器(又稱熱催化式瓦斯傳感器)，其工作原理是利用可燃?xì)怏w在催化劑的作用下進(jìn)行無(wú)焰燃燒產(chǎn)生熱量，使元件電阻因溫度升高而發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電阻端電壓來(lái)測(cè)知瓦斯的濃度。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是精度較高，輸出信號(hào)較大(1%ch 時(shí)，輸出電壓可達(dá)1520mv)，且不受其它燃

8、氣和灰塵存在的影響。它的缺點(diǎn)是元件表面溫度高(300450)；壽命短；功耗大(其加熱功率1w，熱催化元件功耗為0.30.75w)，易受硫、鉛、磷、氯等的化合物干擾而使催化劑中毒，降低其靈敏度，甚至誤報(bào)。綜合上述因素，本課題中傳感器器件選用熱催化式瓦斯傳感器。2.1.2煤礦瓦斯傳感器原理 氣敏元件采用的是鄭州煒盛電子科技有限公司生產(chǎn)的m j c 4/2.8j(mc113)瓦斯傳感敏感元件，該元件為催化燃燒式氣敏元件，工作電壓為3.00.1v，工作電12010ma，具有較少的能耗，橋路輸出電壓呈良好的線性，具有響應(yīng)速度快，工作 穩(wěn)定，性能可靠的特點(diǎn)。m j c 4/2.8j(mc113)瓦斯傳感敏

9、感催化元件如圖2.1所示。該傳感器根據(jù)催化燃燒效應(yīng)的原理工作，由檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件配對(duì)組成電橋的兩個(gè)臂，如下圖所示，遇到瓦斯等可燃性氣體時(shí)檢測(cè)元件電阻升高，橋路輸出電壓變化，該電壓變量隨氣體濃度增大而成正比例增大，補(bǔ)償原件起溫濕度補(bǔ)償作用，基本測(cè)試電路如圖2.2所示。該傳感器可在溫度為0 40、相對(duì)濕度為45-75和大氣壓力為801 16kpa的環(huán)境下工作，因此可以適應(yīng)煤礦內(nèi)的環(huán)境。 圖2.1 瓦斯傳感敏感元件圖2.2 基本測(cè)試電路2.1.3煤礦瓦斯傳感器采集電路由于氣敏元件的輸出電壓非常微弱，所以需要配置放大電路，其配置電路如圖2.3所示。電路使用2個(gè)前置電壓跟隨器，作為后級(jí)的驅(qū)動(dòng)級(jí)，再通過(guò)

10、一個(gè)直流電壓負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，放大電壓值，輸出到msp430芯片自帶a/d的相應(yīng)引腳。圖中rw為零點(diǎn)調(diào)節(jié)電位器，可以通過(guò)該電位器的調(diào)節(jié)來(lái)調(diào)整零點(diǎn)。r0為放大倍數(shù)調(diào)整電阻，可以通過(guò)調(diào)整該阻值的大小來(lái)改變電壓放大倍數(shù)。圖2.3 瓦斯傳感器采集電路2.2瓦斯傳感器保護(hù)電路的設(shè)計(jì)在礦井中，瓦斯主要由煤層中的以甲烷為主的混合氣體構(gòu)成，有時(shí)瓦斯單獨(dú)指甲烷。國(guó)家新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，工作面瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.8%就要報(bào)警。氣敏元件在低瓦斯?jié)舛认履軌虮３至己玫男阅?，但?dāng)瓦斯?jié)舛瘸^(guò)4% 時(shí)，氣敏元件容易受到瓦斯沖擊而損壞。本課設(shè)中設(shè)計(jì)了一個(gè)瓦斯氣敏元件保護(hù)電路，如圖2.4所示。該電路連接到單片機(jī)的io端口初始化為高電平，當(dāng)該端口

11、為低電平時(shí)，光耦導(dǎo)通，斷路器工作，使氣敏元件電源供電電路斷開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)瓦斯氣敏元件自動(dòng)斷電的保護(hù)功能。 圖2.4 瓦斯傳感器保護(hù)電路 2.3主控器 msp430f169的簡(jiǎn)單介紹msp430f149模塊，即mcu采用ti公司的msp430f149。ti公司的msp430系列單片機(jī)一是種超低功耗的混合信號(hào)控制器，能夠在低電壓下以超低功耗狀態(tài)工作，其控制器具有很強(qiáng)大的處理能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)；帶flash存儲(chǔ)器的單片機(jī)還可以方便高效地進(jìn)行在線仿仿真和編程。msp430f149是msp430系列中功能最強(qiáng)大的單片機(jī)，而且其運(yùn)行環(huán)境溫度范圍為一40+85，可以適應(yīng)煤礦下各種惡劣的環(huán)境。它采用16位的總

12、線,外設(shè)和內(nèi)存統(tǒng)一編址，尋址范圍可達(dá)64k,還可以外擴(kuò)展存儲(chǔ)器.具有統(tǒng)一的中斷管理,具有豐富的片上外圍模塊,片內(nèi)有精密硬件乘法器、兩個(gè)16位定時(shí)器、一個(gè)14路的12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個(gè)看門狗、6路p口、兩路usart通信端口、一個(gè)比較器、一個(gè)dco內(nèi)部振蕩器和兩個(gè)外部時(shí)鐘。msp430f149單片機(jī)中集成了14路12位a/d轉(zhuǎn)換,其中8路屬于外部的信號(hào)轉(zhuǎn)換，3路是對(duì)內(nèi)部參考電壓的檢測(cè)轉(zhuǎn)換，1路是接溫控的傳感電壓轉(zhuǎn)換，每一路轉(zhuǎn)換都有一個(gè)可控制的轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器，而且，參考電平和時(shí)鐘源都是可選擇的，可以外部提供的。這給使用上帶來(lái)了很大的靈活性。原理上不同于一般積分和逐次比較等a/d轉(zhuǎn)換原理，它的輸入信號(hào)

13、是加在a/d的電容網(wǎng)絡(luò)上的，通過(guò)電容的充電來(lái)采樣信號(hào)進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換的。2.4聲光報(bào)警電路在本課設(shè)中，聲光報(bào)警電路使用的是蜂鳴器和發(fā)光二極管進(jìn)行報(bào)警。聲光報(bào)警電路如圖2.4所示。圖2.4聲光報(bào)警電路如圖所示，當(dāng) beep處信號(hào)為 1 時(shí)，q1 導(dǎo)通，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光進(jìn)行光報(bào)警。聲報(bào)警電路用的是蜂鳴器，成本低且聲音宏亮，同時(shí)，蜂鳴器中有電流流過(guò)，從而產(chǎn)生報(bào)警聲音；當(dāng) beep為 0 時(shí)，三極管截止，蜂鳴器的兩管腳電壓接近于 0v，蜂鳴器不發(fā)出聲響。所以，當(dāng)瓦斯正常是，beep處信號(hào)為0。不發(fā)出報(bào)警。瓦斯超標(biāo)時(shí)就是發(fā)出報(bào)警。 2.5lcd12864液晶顯示電路帶中文字庫(kù)的12864是一種具有4位/

14、8位并行、2線或3線串行多種接口方式。表3-2 12864液晶模塊接口說(shuō)明：引腳名稱說(shuō)明引腳名稱說(shuō)明1vssgnd（0v）11db4數(shù)據(jù) 42vdd+3.3v12db5數(shù)據(jù) 53vo懸空13db6數(shù)據(jù) 64rs(cs)h: datal: instruction14db7數(shù)據(jù) 75r/w (sidh: readl: write15psbh: parallel l: serial6e (sclk)enable signal16nc懸空7db0數(shù)據(jù) 017rstreset signal8db1數(shù)據(jù) 118nc懸空9db2數(shù)據(jù) 219leda背光源負(fù)極（led-ov）10db3數(shù)據(jù) 320ledk背光

15、源正極（led+5v）lcd12864內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊，其顯示分辨率為12864, 內(nèi)置8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16*8點(diǎn)ascii字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示84行1616點(diǎn)陣的漢字. 也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。在本課設(shè)中用于瓦斯?jié)舛鹊娘@示，其接口引腳如下表二所示。2.6電源部分如下圖2.5所示，電源部分采用電池供電和電源供電兩種供電方式，用戶可以自行選擇。電池供電采用2節(jié)1.5v干電池，由于系統(tǒng)主板要求電源電壓是3.3v，輸入電壓不能小于2.8v，若

16、電池電量降低供電電壓會(huì)低于2.8v，為了最大限度使用電池，需要使用boost電源芯片sp6641將3v的電池電壓轉(zhuǎn)換成3.3v，然后使用線性電源芯片sp6201過(guò)濾開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的紋波電壓。電源供電方式，由于其輸入電壓為5v，同樣需要轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的3.3v，這里采用線性電源芯片am1117來(lái)完成電壓的轉(zhuǎn)換。這種供電方式一般用于調(diào)試階段。ams11173.3v三是端可調(diào)或固定電壓3.3v，輸出電流為1a，線路調(diào)整率：0.2%（最大）負(fù)載調(diào)整率：0.4%（最大）封裝類型：sot-223。輸出電壓：3.2673.333v。圖2.5 電源部分2.7zigbee無(wú)線發(fā)射模塊zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種

17、新興的短距離、低速率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其技術(shù)方案介于無(wú)線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)之間，主要用于近距離無(wú)線連接。由于其低功耗、高可靠性、短時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)容量大、高安全性、高保密性等優(yōu)點(diǎn)在2004年就被列為當(dāng)今世界發(fā)展最快、市場(chǎng)前景最廣闊的十大技術(shù)之一。zigbee技術(shù)的特點(diǎn)有：（1）低功耗：由于zigbee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mw，而且采用了休眠模式，功耗低，因此zigbee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，zigbee設(shè)備僅靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間，這是其它無(wú)線設(shè)備望塵莫及的。（2）成本低：zigbee模塊的初始成本在6美元左右，估計(jì)很快就能降到1.52.5美元，并且zigbee協(xié)

18、議是免除專利費(fèi)的。低成本對(duì)于zigbee也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。（3）時(shí)延短：通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延30ms，休眠激活的時(shí)延是15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。因此zigbee技術(shù)適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無(wú)線控制(如工業(yè)控制場(chǎng)合等)應(yīng)用。 （4）網(wǎng)絡(luò)容量大：一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)，而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。（5）可靠：采取了碰撞避免策略，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避開(kāi)了發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。mac層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必

19、須等待接收方的確認(rèn)信息。如果傳輸過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題可以進(jìn)行重發(fā)。 （6）安全：zigbee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)(crc)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用了aes-128的加密算法,各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性?；谝陨咸攸c(diǎn)，zigbee網(wǎng)絡(luò)成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首選，它非常適宜于在工礦環(huán)境下構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)。由于其微功耗、容量大、安全可靠，本課設(shè)選擇使用zigbee技術(shù)研發(fā)建立zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)需要選擇合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，zigbee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.6所示。zigbee協(xié)議棧支持網(wǎng)狀、樹(shù)狀和星型網(wǎng)絡(luò)三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如下圖2.7所示。本課題考慮到所有采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都集中到協(xié)調(diào)器，所以采用

20、星型網(wǎng)絡(luò)，具體布網(wǎng)的時(shí)候可以根據(jù)實(shí)際環(huán)境和地形采用合適的拓?fù)溥B接。井外井底瓦斯傳感節(jié)點(diǎn)瓦斯傳感節(jié)點(diǎn)監(jiān)控室網(wǎng)關(guān)zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)瓦斯傳感節(jié)點(diǎn)瓦斯傳感節(jié)點(diǎn)圖2.6 zigbee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在網(wǎng)狀和樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲校瑉igbee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，選擇某些關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)zigbee路由器進(jìn)行擴(kuò)展。 協(xié)調(diào)器路由器/終端節(jié)點(diǎn)星狀連接 網(wǎng)狀連接 網(wǎng)咯拓?fù)鋱D2.7 網(wǎng)咯拓?fù)鋱D 在樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)中，路由器使用一個(gè)分級(jí)路由策略在網(wǎng)絡(luò)中傳送數(shù)據(jù)和控制信息。當(dāng)在礦井的巷道中布置網(wǎng)絡(luò)時(shí)，受礦井特殊環(huán)境和zigbee網(wǎng)絡(luò)的特性的影響，本系統(tǒng)采用多跳傳遞方式輸出數(shù)據(jù)。zigbee節(jié)點(diǎn)通過(guò)多個(gè)路由器將信號(hào)從井下傳出

21、。zigbee節(jié)點(diǎn)間的距離大概為70100米，具體網(wǎng)絡(luò)布置如圖2.8所示，如果在檢測(cè)區(qū)域中有盲點(diǎn)，可以通過(guò)增加節(jié)點(diǎn)的辦法來(lái)解決。圖2.8 井下巷道節(jié)點(diǎn)布置本次課設(shè)射頻模塊采用的核心芯片cc2530。它內(nèi)部包含了一個(gè)工業(yè)級(jí)小巧高效的8051 控制器和一個(gè)高性能2.4ghz dsss(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器。cc2530芯片延用了以往cc2420芯片的架構(gòu)，在單個(gè)芯片上整合了zigbee射頻(rf)前端、內(nèi)存和微控制器，其片內(nèi)資源如下圖2.9所示。從圖中可看出cc2530使用了1個(gè)8位mcu(8051)，具有128kb可編程閃存和8kb的ram，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(adc)、兩個(gè)定時(shí)器(tim

22、er)、aes128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器(watchdog timer)、32khz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路(power on reset)、掉電檢測(cè)電路(brown out detection)，以及21個(gè)可編程i/o引腳。cc2530芯片采用0.18m cmos工藝，在接收模式下電流損耗低于27ma，在發(fā)射模式下電流損耗低于25ma。cc2530的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。cc2530芯片采用qlp封裝，共有48個(gè)引腳。全部引腳可分為i/o端口線引腳、電源線引腳和控制線引腳三類。i/o接口電源管理看門狗定時(shí)器復(fù)位掉電復(fù)位高

23、速rc震蕩電路32m晶體32khzr器c振蕩器32768m晶體睡眠定時(shí)器128kfash內(nèi)存管理8051微控制器dma存儲(chǔ)器fifo結(jié)構(gòu)管理控制中斷請(qǐng)求控制8kram寫fash射頻發(fā)送頻率合成器8位定時(shí)器4射頻收發(fā)8輸入814位adcaes-128安全協(xié)處理器16位定時(shí)器1串行通信接口2zigbee mac定時(shí)器28位定時(shí)器3無(wú)線處理器寄存器csma/ca處理器無(wú)線數(shù)據(jù)分析界面解調(diào)器agc調(diào)制器圖2.9 cc2530片內(nèi)資源3. 軟件設(shè)計(jì)3.1瓦斯采集軟件設(shè)計(jì)介紹在瓦斯采集模塊中傳感器的作用是將瓦斯?jié)舛绒D(zhuǎn)換為電信號(hào)，此時(shí)電信號(hào)很微弱通過(guò)放大電路放大后，輸入到msp430芯片a/d功能模塊的輸入

24、引腳。msp430芯片內(nèi)置的a/d是一個(gè)12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有較高的精度和速度完全可以勝任本課設(shè)的研究?jī)?nèi)容。msp430的內(nèi)置a/d模塊由參考電壓發(fā)生器、模擬多路器、12位a/d內(nèi)核、時(shí)序控制電路及結(jié)果緩存5部分組成，如果要使用msp430的片內(nèi)a/d就必須了解各部分的使用方法，在控制寄存器中進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。（1）參考電壓發(fā)生器：模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)需要一個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)，通常為電壓基準(zhǔn)。adc的數(shù)字輸出表示模擬輸入相對(duì)于它的基準(zhǔn)的比率。msp430adc12內(nèi)置參考電源，而且參考電壓有6種可編程選擇，分別為vr+與vr-的組合。其中，vr+有avcc(模擬電源正端)、vref+(a/d轉(zhuǎn)換器內(nèi)部

25、參考電源的輸出正端)及veref+(外部參考源的正端入端)，vr-包括avss(模擬電源負(fù)端)和vref-/veref-(a/d轉(zhuǎn)換器參考電源負(fù)端內(nèi)部或外部)。adc12可以通過(guò)轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)控制寄存器adc12mctlx靈活地設(shè)置參考電壓發(fā)生器的工作。（2）模擬多路器：當(dāng)對(duì)多個(gè)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣并進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換時(shí)，為了共用一個(gè)轉(zhuǎn)換內(nèi)核，模擬多路器需要分時(shí)地將多個(gè)模擬信號(hào)接通，即每次接通一個(gè)信號(hào)采樣并轉(zhuǎn)換。msp430adc12配置有8路外部通道與4路內(nèi)部通道，通過(guò)a0a7實(shí)現(xiàn)外部8路模擬信號(hào)輸入，4路內(nèi)部通道可以將veref+、vref-/veref-、(avcc-avss)/2 以及片內(nèi)溫度傳感器

26、的輸出作為待轉(zhuǎn)換模擬輸入信號(hào)。這樣就能同時(shí)對(duì)多路模擬信息進(jìn)行測(cè)量和控制，從而滿足實(shí)際控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的要求。將veref+、vref-/veref-、(avcc-avss)/2作為ad12的輸入信號(hào)，可以用于有關(guān)adc12的自檢、校驗(yàn)和診斷功能。（3）具有采樣與保持功能的12位轉(zhuǎn)換器內(nèi)核：adc12內(nèi)核是一個(gè)12位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，并能夠?qū)⒔Y(jié)果存放在轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器中。該內(nèi)核使用兩個(gè)可編程的參考電壓(vr+和vr-)定義轉(zhuǎn)換的最大值和最小值。當(dāng)輸入模擬電壓等于或高于vr+時(shí)，adc12輸出滿量程值0x0fff；當(dāng)輸入電壓等于或小于vr-時(shí)，adc12輸出0。輸入模擬電壓的最終轉(zhuǎn)換結(jié)果滿足公式：n

27、adc=4095*（vin vr）/ (vr+ vr-)因?yàn)閍/d轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間來(lái)完成量化及編碼操作，對(duì)高速變化的信號(hào)進(jìn)行瞬時(shí)采樣時(shí)，不等a/d轉(zhuǎn)換完畢，采樣的值就已經(jīng)改變。為了保證轉(zhuǎn)換的精度adc12的內(nèi)核具有采樣和保持功能，即使現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)變換的比較快，也不會(huì)影響adc12的轉(zhuǎn)化。采樣狀態(tài)，輸出隨輸入而變化；保持狀態(tài)，輸出保持某個(gè)值一段時(shí)間以備轉(zhuǎn)換。adc12內(nèi)核接收到模擬信號(hào)輸入并具有轉(zhuǎn)換允許的相關(guān)信號(hào)之后便開(kāi)始進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換。在沒(méi)有模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換的時(shí)候，為了節(jié)省功耗，可以通過(guò)位adc12on關(guān)閉轉(zhuǎn)換內(nèi)核。（4）采樣及轉(zhuǎn)換所需的時(shí)序控制電路：這部分提供采樣及轉(zhuǎn)換所需呀的各種時(shí)鐘信號(hào)：a

28、dc12clk轉(zhuǎn)換時(shí)鐘、sampcon采樣及轉(zhuǎn)換信號(hào)、sht控制的采樣周期、shs控制的采樣觸發(fā)來(lái)源選擇、adc12ssel選擇的內(nèi)核時(shí)鐘源及adc12div選擇的分頻系數(shù)等等。（5）轉(zhuǎn)換結(jié)果緩存：adc12共有12個(gè)轉(zhuǎn)換通道，設(shè)置了16個(gè)轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器用于暫存轉(zhuǎn)換結(jié)果，合理設(shè)置之后，adc12硬件會(huì)自動(dòng)將轉(zhuǎn)換結(jié)果存放到相應(yīng)的adc12mem寄存器中。每個(gè)轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器adc12memx都有自己對(duì)應(yīng)的控制寄存器adc12mctlx?？刂萍拇嫫骺刂聘鱾€(gè)轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器選擇基本的轉(zhuǎn)換條件。3.2 a/d的配置寄存器應(yīng)用程序?qū)/d的使用和配置都要通過(guò)對(duì)寄存器的操作來(lái)完成。adc12有大量的控制寄存器， adc1

29、2的寄存器類型如下表3-3所示。表3-3 adc12控制寄存器寄存器類型寄存器縮寫寄存器含義轉(zhuǎn)換控制寄存器adc12ctl0轉(zhuǎn)換控制寄存器0adc12ctl1轉(zhuǎn)換控制寄存器1中斷控制寄存器adc12ifg中斷標(biāo)志寄存器adc12ie中斷使能寄存器adc12iv中斷向量寄存器存儲(chǔ)及其控制寄存器adc12mctl0adc12mctl15存儲(chǔ)控制寄存器015adc12mem0adc12mem15存儲(chǔ)寄存器015需要通過(guò)軟件配置adc12的資源，運(yùn)用adc12的各個(gè)功能模塊。adc12的寄存器包括轉(zhuǎn)換控制寄存器、中斷控制寄存器、存儲(chǔ)寄存器及存儲(chǔ)控制寄存器幾大類。3.3a/d采樣程序流程設(shè)計(jì) 因?yàn)橥咚箓?/p>

30、感器的功耗較大，瓦斯?jié)舛葯z測(cè)一般10 分鐘左右執(zhí)行一次。因此msp430的a/d采樣程序需要控制瓦斯傳感器的開(kāi)關(guān)，在采集前10秒開(kāi)通瓦斯傳感器，讓傳感器預(yù)熱，10秒后控制a/d模塊采集數(shù)據(jù)，連采樣5次取平均值，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)然后關(guān)閉瓦斯傳感器啟動(dòng)串口將數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到zigbee終端節(jié)點(diǎn)。具體程序的流程圖如下圖4.8所示。為了讓msp430在不采樣的時(shí)候處于休眠狀態(tài)，程序使用單通道單次轉(zhuǎn)換模式配置a/d模塊。具體程序已省略。結(jié)束初始化ad初始化定時(shí)器初始化串口等待10分鐘啟動(dòng)傳感器串口發(fā)送數(shù)據(jù)采樣數(shù)據(jù)取平均值ad采樣開(kāi)始是否采樣5次？否是是否圖4.8 a/d采樣程序流程圖3.4無(wú)線模塊初始化程序

31、 初始化程序主要完成端口的注冊(cè)、協(xié)議棧hal層uart的注冊(cè)和啟動(dòng)、目的地址模式和地址值指定、zdo設(shè)備對(duì)象注冊(cè)等工作。初始化程序和任務(wù)的事件處理程序配對(duì)設(shè)計(jì)，它們由osal操作系統(tǒng)層調(diào)用。只需要在操作系統(tǒng)層的void osalinittasks(void)函數(shù)中注冊(cè)任務(wù)，任務(wù)就可以由操作系統(tǒng)來(lái)調(diào)度。初始化程序的形參接口為：void serialapp_init(uint8 task_id)；其中的task_id 由操作系統(tǒng)分配，用戶應(yīng)用程序不能干預(yù)。初始化程序首先設(shè)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、間接地址、廣播地址和組播地址等類型，可以根據(jù)任務(wù)需要設(shè)置。直接地址模式是通

32、過(guò)調(diào)用zdapp_autofinddestination函數(shù)在網(wǎng)絡(luò)中自動(dòng)尋找與本節(jié)點(diǎn)端口匹配的設(shè)備，一般將第一個(gè)找到的匹配節(jié)點(diǎn)地址作為目的地址。間接地址是通過(guò)綁定的方式獲得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)刂罚诒镜毓?jié)點(diǎn)中需要調(diào)用zdapp_sendenddevicebindreq函數(shù)尋找與本節(jié)點(diǎn)端口描述匹配的設(shè)備，并發(fā)出綁定請(qǐng)求信息?；ハ嗥ヅ涞膬蓚€(gè)終端設(shè)備都發(fā)出綁定請(qǐng)求信息并得到處理后即完成了綁定。廣播地址的設(shè)置通過(guò)指定serialapp_dstaddr.addrmode=addrbroadcastserialapp_dstaddr.addr.shortaddr = 0xffff兩條語(yǔ)句來(lái)完成，數(shù)據(jù)發(fā)送后所有的設(shè)

33、備都會(huì)接受到這個(gè)數(shù)據(jù)。組播地址需要在初始化程序中對(duì)組進(jìn)行初始化定義組的標(biāo)識(shí)符，并將定義的組加入到組列表中，在定義地址模式為組播模式后，就可以使用組地址給組中的所有成員發(fā)送數(shù)據(jù)了。本項(xiàng)目的地址定義代碼如下：serialapp_msgid = 0x00；serialapp_seqrx = 0xc3；serialapp_taskid = task_id；serialapp_dstaddr.endpoint = 0；/serialapp_dstaddr.addr.shortaddr = 0；/間接地址暫不設(shè)定/serialapp_dstaddr.addrmode = (afaddrmode_t)add

34、rnotpresent；/間接地址模式綁定serialapp_dstaddr.addrmode = addrbroadcast；/廣播地址serialapp_dstaddr.addr.shortaddr = 0xffff；serialapp_rspdstaddr.endpoint = 0；serialapp_rspdstaddr.addr.shortaddr = 0xffff；serialapp_rspdstaddr.addrmode = addrbroadcast；這段程序使用廣播地址對(duì)所有的設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。接下來(lái)需要注冊(cè)端口以及配置和注冊(cè)各種hal資源。afregister( (endpoi

35、ntdesc_t *)&serialapp_epdesc )；registerforkeys( task_id )；串口資源注冊(cè)和開(kāi)啟代碼為：uartconfig.configured = true； uartconfig.baudrate = serial_app_baud；uartconfig.flowcontrol = true；uartconfig.flowcontrolthreshold = serial_app_thresh；uartconfig.rx.maxbufsize = serial_app_rx_max；uartconfig.tx.maxbufsize = serial_

36、app_tx_max；uartconfig.idletimeout = serial_app_idle； uartcenable = true； #if serial_app_loopback uartconfig.callbackfunc = rxcb_loopback；#else uartconfig.callbackfunc = rxcb；#endif haluartopen (serial_app_port, &uartconfig)；#if defined ( lcd_supported ) hallcdwritestring( serialapp2, hal_lc

37、d_line_2 )；#endif 完成以上處理后就可以將本設(shè)備注冊(cè)到zdo設(shè)備對(duì)象，使用操作系統(tǒng)和協(xié)議棧來(lái)完成應(yīng)用任務(wù)。注冊(cè)函數(shù)如下所示：zdo_registerforzdomsg( serialapp_taskid, end_device_bind_rsp )；zdo_registerforzdomsg( serialapp_taskid, match_desc_rsp )；3.5數(shù)據(jù)通信在初始化程序中已經(jīng)述及，串口初始化時(shí)指定了接收回調(diào)函數(shù)，一旦串口收到的數(shù)據(jù)填滿了緩沖區(qū)就會(huì)調(diào)用回調(diào)函數(shù)將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送，因此回調(diào)函數(shù)完成的是將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送的任務(wù)。串口接收回調(diào)函數(shù)rxcb定義了

38、兩個(gè)串口接收緩沖區(qū)：otabuf和otabuf2。當(dāng)otabuf中無(wú)數(shù)據(jù)，處于空閑狀態(tài)時(shí)，由otabuf接收串口數(shù)據(jù)；當(dāng)otabuf中保留有數(shù)據(jù)，正等待接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送接收數(shù)據(jù)響應(yīng)或由于某些原因正在重新個(gè)接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，可通過(guò)otalen2接收數(shù)據(jù)；當(dāng)otabuf和otabuf2都沒(méi)有處在空閑狀態(tài)時(shí)，說(shuō)明數(shù)據(jù)沒(méi)有及時(shí)發(fā)送到接收節(jié)點(diǎn)，發(fā)生了數(shù)據(jù)累積，緩沖區(qū)被占用，需要行進(jìn)流量控制，所以直接退出接受回調(diào)函數(shù)，暫不接受數(shù)據(jù)。其程序清單如下所示。static void rxcb( uint8 port, uint8 event ) uint8 *buf, len； if ( otabuf2 ) ret

39、urn； if ( !(buf = osal_mem_alloc( serial_app_rx_cnt ) ) return；len = haluartread( port, buf+1, serial_app_rx_cnt-1 )； if ( !len ) / length is not expected to ever be zero. osal_mem_free( buf )；return； if ( otabuf ) otabuf2 = buf；otalen2 = len； else otabuf = buf；otalen = len；osal_set_event( serialapp_taskid, serialapp_msg_send_evt )； 在回調(diào)函數(shù)中向操作系統(tǒng)拋出發(fā)送數(shù)據(jù)事件serialapp_msg_send_evt，將觸發(fā)事件處理函數(shù)serialapp_processevent去調(diào)用真正的發(fā)送函數(shù)serialapp_senddata,將數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送到接收節(jié)點(diǎn)。四、 結(jié)論與展望 在煤礦安全問(wèn)題中，瓦斯氣體濃度是煤礦安全監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)之一。本次課程設(shè)計(jì)分析了現(xiàn)有煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，提出了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想。進(jìn)而根據(jù)已有的設(shè)計(jì)思想將基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為采集與傳輸