智能瓦斯检测系统的可视化标定

煤󰀁矿󰀁机󰀁械

CoalMineMachinery

Vo.l30No.3Mar.2009

智能瓦斯检测系统的可视化标定

张旭辉,毛清华,陈󰀁磊,姜俊英

(西安科技大学机械工程学院,西安710054)

*

󰀁󰀁摘󰀁要:介绍了一种智能瓦斯检测系统可视化标定技术。传统瓦斯检测系统调校过程工作量大、维护成本高、易受人为因素干扰,严重阻碍瓦斯报警矿灯应用和推广。开发了基于PC和AT󰀁mega48V单片机的可视化标定系统,实现了智能瓦斯检测报警系统标定和报警点获取的自动化和可视化。实验结果表明,此技术可以显著降低标定劳动强度和工作量,提高报警系统的准确度。

关键词:瓦斯检测;ATmega48V;可视化标定中图分类号:TD712;TP31󰀁文献标志码:A󰀁文章编号:1003-0794(2009)03-0171-03

VisualizationCalibrationofIntelligentMethaneDetectionSystem

ZHANGXu-hu,iMAOQing-hua,CHENLe,iJIANGJun-ying

(MechanicalEngineeringCollege,Xi󰀂anScienceandTechnologyUniversity,Xi󰀂an710054,China)

Abstract:Thevisualizedcalibrationtechnologyfortheintelligentmethanedetectionsystemisintroduced.Withfactorhuman,thecalibrationhaspreventedthemethanedetectionsystemfrombeingwidelyused.ThetechnologyanddeviceforcommunicationinterfaceweredesignedbasedonPCandATmega48V.Thesystemachievestheautomaticandvisualizedcalibrationprocessoftheintelligentmethanealarmsystemalsosolvestheproblemofheavyworkloadandmaintenancecostincalibrationprocess.Theresultsshowthatthetechniquestobeeffectiveandefficientwaytolightenworkloadoncalibrationandtoimprovethecalibrationaccuracy.Keywords:methanedetection;ATmega48V;visualizationcalibration1󰀁智能瓦斯检测系统的设计

*陕西省自然科学基金(08JK361);西安科技大学培育基金(A515028)

智能瓦斯检测系统以ATMEL公司的8位单片

机ATmega48V为核心,包含热催化气敏元件、调理电路、报警电路、RS232通信接口和电源管理等单元。

计具有较好的借鉴意义。

参考文献:

[1]陈立新,赵红梅.基于VB.NET的AutoCAD二次开发[J].计算机应用,2006,12(6):13-19.[2]TIMOTHYW.SIMPSON.Productplatformdesignandcustomiza󰀁tion:Statusandpromise[J].ArtificialIntelligenceforEngineering

Design,AnalysisandManufacturing,2004,18(1):3-20.

[3]金建国,周明华,邬学军.参数化设计综述[J].计算机工程与应用,2003,12(7),78-86.

[4]孟祥旭,徐延宁.参数化设计研究[J].计算机辅助设计与图形学,2002,14(11):1086-1090.

[5],周宏明,郑蓓蓉.基于AutoLisp开发的图形参数化系统[J].浙江水利水电专科学校学报,2006,12(3):41-45.

[6]董玉德,谭建荣,赵韩.基于约束参数化的设计技术研究现状分析[J].中国图像图形学报,2002,7(6):528-536.[7]李欣然,窦连旺,刘鲁源,等.基于整体参数化的协同设计系统建模技术研究[J].仪器仪表学报,2003,24(4):253-259.[8]肖刚,李学志.机械CAD原理与实践[M].2版.北京:清华大学出版社,2006.作者简介:包志炎(1982-),浙江金华人,浙江水利水电专科学校讲师,浙江工业大学硕博连读研究生,主要研究方向:机械CAD、产品配置、制造业信息化等,电子信箱:3824@163.com.

用C#.NET,部分关键代码(略)。

(3)参数化设计过程

用户通过输入驱动参数,如梯形高度a=2760mm、端部高度b=682mm、跨度h=34000mm、端部大加肋板间距c=2500mm等,然后依次点击按钮 Excel文件生成下载!、 Reg文件生成下载!、 DLL绘图文件下载!,保存到指定目录,最后点击 启动AutoCAD软件!,在命令行中输入绘图命令 part00021!绘制出结果。4󰀁结语

利用本文介绍的参数化设计方法,用户可以打破地域,通过Internet访问参数化设计平台网站,共享零部件的参数化设计程序。若平台允许不同权限的用户对不同设计者参数化设计资源进行集中有效管理,可以随时上传或编辑自己的参数化设计资源,即可改变单用户环境,突破单纯的 人-机!交互,在一定程度上实现设计者之间的交互。协同设计(CSCW)自20世纪80年代中期提出后,正受到越来越多的重视,至今已成为发展最快的研究方向之一。本文方法对实现整体参数化的协同设

∀

收稿日期:2008-10-04

171∀󰀁󰀁Vo.l30No.3󰀁󰀁

智能瓦斯检测系统的可视化标定∀∀∀张旭辉,等󰀁󰀁󰀁

第30卷第3期

元。系统硬件结构如图1所示。系统充分利用AVR单片机不但片内集成了Flash作为程序存储器,可方便地进行改写,而且还利用了其片内集成的EEPROM存储器,存储瓦斯标定值等要求掉电不可丢失的关键数据,大大简化了系统硬件设计,满足了报警器体积上的要求。

警功能,需要对零点和1%点值进行存储,RAM数据掉电会丢失,所以要把它们存储到EEPROM中。AVR单片机在片内集成了EEPROM存储器,包括数据寄存器EEDR,地址寄存器EEAR和控制寄存器EECR。

(1)写EEPROM技术

写EEPROM有时序要求,是程序设计难点。写EEPROM流程如下

首先,等待EEPROM写使能位EEPE为 0!然后,将存储数据EEPROM地址写入EEAR和将要存

图1󰀁智能瓦斯检测系统原理

储数据写入EEDR,并对EECR寄存器的EEMPE写 1!,同时清零EEPE,最后在置位EEMPE之后的4个周期内置位EEPE,数据写入EEPROM中。

写EEPROM关键在置位EEPME后4个时钟周期内置位EEPE,实验表明以下2条指令能满足要求:

EECR=1<为方便检查是否把参数写入EEPROM,需要把写入EEPROM参数发送给上位机,读EEPROM流程:

首先,等待写使能位EEPE为 0!即写EEP󰀁ROM结束。然后将读取数据EEPROM地址写入EEAR并置位读使能位EERE,最后数据读入到EE󰀁DR中,读EEPROM结束。

在系统开发过程中,发现EEPROM读写的一些

系统工作原理如下:系统上电初始化时AT󰀁mega48V先读取EEPROM中的存储的参数建立系统灵敏度曲线;惠斯顿电桥输出电压经过差分放大、RC滤波等调理电路送入单片机;ATmega48V控制其片内集成的10位A/D对电压进行适当频率的采样,然后转换为对应的瓦斯浓度值;采样值与预先设定的报警值进行比较,如果大于报警值,说明瓦斯浓度超限,微处理器发出控制指令实现声音或者灯光闪烁报警功能。图2是西安科技大学机电研究所专为瓦斯报警矿灯配套设计的微型智能瓦斯报警器。

图2󰀁智能瓦斯报警器

问题,经过分析,发现片内EEPROM操作要注意几个问题:

(1)在置位EEPME后超过了4个时钟周期置位EEPE;

(2)电源电压过低,使得AVR的RESET为低,保持复位状态,无法写入EEPROM;

(3)当程序发生了复位,写操作会正常结束。(4)如果一个操作EEPROM的中断打断了另一个EEPROM操作,EEAR或EEDR寄存器可能被修改,引起EEPROM操作失败。建议此时关闭全局中断标志。

3󰀁智能瓦斯报警器可视化标定

3.1󰀁基于LabWindows/CVI的上位标定软件

采用美国NI公司的LabWindows/CVI开发的

172∀瓦斯报警系统只有在标定时才通过RS232连接到PC机,安装在PC机上的标定软件接收瓦斯报警器上传浓度数据,实现曲线显示,从而按照标定过程的响应曲线分析和确定合理的报警点采样值,然后直接在PC机上控制把采样值写入ATmega48V片内的EEPROM中,防止掉电丢失数据。这样避免了初期设计的按键标定不足,使标定过程可视、可控,大大提高了瓦斯检测系统的标定效率和标定的准确性,而且可以显著减少标准气体的使用量,从而降低了系统维护成本。2󰀁EEPROM数据读写技术

智能瓦斯检测系统元气件存在零点漂移,报警点需要1%标准气体标定,为了实现零点校正和报

∀

󰀁󰀁

第30卷第3期󰀁󰀁

智能瓦斯检测系统的可视化标定∀∀∀张旭辉,等󰀁󰀁󰀁Vo.l30No.3

专用智能瓦斯报警器系统上位标定软件如图3。

上位软件主要功能模块:

(1)参数初始设置模块󰀁由用户通过菜单来选择传感器的通道、采集速率等,该部分是计算机与MCU的接口程序,采用RS232串口通讯模块;

(2)数据采集及处理模块󰀁上位机接收各个瓦斯检测单元的瓦斯数据,并对数据进行工程量转换。

(3)数据显示及报警模块󰀁显示出设定时间间隔的瓦斯电压值,绘制电压变化曲线。当瓦斯浓度超限时,上位机以软件形式提示、报警;

(4)数据存储和读取模块󰀁可按用户要求从任意时刻开始将采集的数据存储到*.txt中,或在运行时从*.txt读取标定数据以便进行显示或者数据分析处理;

(5)可视化标定󰀁系统软件按照采集的数据自动选取最佳标定值,可以下发给各检测模块的MCU,写入预定的EEPROM地址。

(1)打开智能瓦斯报警器上位软件,配置串口。(2)智能瓦斯报警器在新鲜空气中进行数据采集,当采集到的数据稳定后,设置零点。智能瓦斯报警器将设置的零点值反馈给上位软件,进行实时显示。在理想状况下,空气中的采样值电压值为零。

(3)向智能瓦斯报警器通入标准浓度气体(常用1%,2%等),气体流量为160mL/min。上位软件接收标定过程中的采样值,自动或者人工根据标定过程显示的实时浓度曲线选取稳定后的采样值,作为此浓度瓦斯报警点的标定值。

(4)ATmega48V接收上位确定的标定值,把其写入到EEPROM中。为了确定读写EEPROM正确,还需从EEPROM中读出智能瓦斯报警器标定值,上传给上位机进行确认。如果标定值一致,说明标定过程正常,标定结束。4󰀁结语

本文针对传统瓦斯报警系统标定和维护过程存在的问题,设计实现了智能瓦斯报警器的自动化和可视化。利用自行研发的装置和软件能够快速有效地实现瓦斯浓度曲线实时显示和标定的可视化。实验表明,采用该技术的标定过程简单、直观,节省标准气体,大大降低了瓦斯报警系统的后续使用、维护成本,提高了标定的准确性和瓦斯检测系统的可靠性,有助于瓦斯报警器的更大范围推广使用。该技术对当前使用广泛的各种传感器系统标定具有广泛的借鉴意义。

参考文献:

[1]沈文,Eaglelee,詹卫前.AVR单片机C语言开发入门指导[M].北京:清华大学出版社,2003.

[2]周俊杰.嵌入式C编程与AtmelAVR[M].北京:清华大学出版社,2003.

[3]张风均.LabWindows/CVI开发入门和进阶[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001.

[4]张嘉春,李斌.便携式瓦斯浓度检测仪的设计[J].电子技术,

2007(3).

[5]王汝琳.矿井瓦斯传感器的近代研究方法及方向[J].煤矿自动化,1998(4).

[6]王汝琳,赵钢.自动校零瓦斯传感器[J].煤矿自动化,2000(8).[7]朱中锐,蔡志明,郭岩.基于LabWindows/CVI数据采集系统

[J].电子测量技术,2007(1).

作者简介:张旭辉(1972-),陕西凤翔人,在读博士。主要研究方向智能检测与控制,电子信箱:zhangxh@xust.edu.cn.

图3󰀁瓦斯检测试验平台上位软件

3.2󰀁标定过程

为了标定方便,开发的智能瓦斯报警器标定仪如图4,其主要由电源开关、电压调节电路、智能瓦斯报警器接口、液晶显示、RS232通信接口、ISP下载接口组成。

图4󰀁智能瓦斯报警器标定仪

将瓦斯报警系统按要求插接在标定仪上后,具体的标定过程:

∀

收稿日期:2008-11-12

173∀