基于MSP430F149的矿井水文测量系统设计

摘要

奥灰水是引发煤矿突水事故的主要源头，给井下的工作人员生命安全带来危害。因此奥灰水和太灰水监测及治理是每个煤矿安全的重要工作之一。矿井水文测量系统以智能压力变送器为核心，以PT403传感器为前置测量元件，完成井下奥灰水和太灰水的数据采集，由智能压力变送器通过RS-485把传感器采集的数值传给上位机完成对奥灰水与太灰水的实时预警与监测。
　　 文中详细介绍了水文检测系统的设计方案。矿井水文检测系统主要包括上位机和下位机两大主要部分。上位机部分为井上监控界面，使用visualbasic6.0编程，RS-485通过串口服务器NPort5130模块与单片机进行通信，接收单片机采集的数据，进行井下实时监控。下位机部分是井下的测量系统，是以MSP430F149单片机处理器为核心，采用国产PT403压力探头为测量元件，把压力信号转化为电信号，送入MSP430F149进行数据处理，并通过RS-485串口把数据传给上位机。
　　 上位机监控界面的设计主要利用visual basic6.0编程。由于visualbasic6.0是一种面向对象的程序语言，其程序设计简单，对于初学者容易上手，它提供了基于控件的可视化窗口设计，在程序设计时给编程人员带来极大方便。visual basic6.0含有丰富的控件，它提供的winsocket控件，可以通过网口来进行数据传输，也可以通过串口软件来与单片机通讯，方便灵活。微软为windows系统内部封装有大量的应用接口函数，visual basic6.0也支持从应用程序中调用windows API函数（应用接口函数），使编程变得更加丰富。上位机不仅能进行数据监控，且能与短信猫进行通信，一旦井下数据发生异常，上位机就可以通过短信猫把数据发送相关负责人，从而可以对异常作出更快和更好地处理。
　　 下位机的设计主要以TI公司生产的MSP430F149单片机微处理器作为核心。MSP430F149自身集成有12路A/D模块，可以实现模拟量信息采集。PT403压力探头为测量元件，该探头内部用热敏电阻对探头进行了温度补偿，信号经过LM358信号放大器件进行信号放大后送入处理器A/D通道。软件设计主要是对硬件功能的实现进行C语言编程，主要包括ADC信息采集程序设计、串口通信设计、LCD液晶显示程序设计、DS18B20温度采集程序设计、外部存储器AT24CO2程序设计等。
　　 PT403传感器由于其受到半导体材料特性的影响，在压力采集过程中受到温度的影响较大，通常表现为压力传感器的零点温度漂移和温度灵敏度失调。针对以上特点本文采用了数字滤波算法克服系统的随机误差和由于偶然因素引起的波动或者采样保持器不稳定引起的脉冲干扰。而对于由系统引起的误差本文采用了分段函数拟合的方法进行非线性校正，尽可能减小系统误差，提高智能变送器精度。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 压力传感器现状

1．2．2 水文采集系统的通信现状

1．2．3 智能变送器的国内外现状

1．3 课题研究的主要内容

1．4 课题主要工作

1．4．1 智能变送器测量算法

1．4．2 智能变送器的硬件设计

1．4．3 智能变送器的软件设计

1．4．4 上位机软件设计

1．4．5 系统测试

1．5 本章小结

第二章 智能变送器测量算法

2．1 数字滤波算法

2．1．1 限幅滤波法

2．1．2 中位置滤波法

2．1．3 滑动平均滤波法

2．1．4 复合滤波法

2．2 校正算法

2．2．1 系统误差的模型校正法

2．2．2 利用校准曲线通过查表法修正系统误差

2．2．3 非线校正

2．3 本章总结

第三章 系统硬件设计

3．1 智能变送器的组成及特点

3．1．1 智能变送器的自身特点

3．1．2 智能变送器的优点

3．2 系统硬件框图

3．3 主芯片MSP430F149介绍

3．3．1 MSP430F149主要功能

3．3．2 MSP430F149引脚图

3．3．3 MSP430F149结构图及内存结构图

3．3．4 内部集成ADC12

3．4 压力传感器

3．4．1 硅压阻式压力传感器的工作原理

3．4．2 压力传感器的选取

3．5 信号放大电路

3．6 电源模块设计

3．7 复位电路设计

3．8 JTAG接口

3．9 扩展内存

3．10 智能变送器的通信

3．10．1 总线技术

3．10．2 串口总线通信

3．10．3 RS-485接口标准

3．10．4 RS-485硬件电路

3．11．频率信号

3．12 液晶显示模块

3．13 温度传感器电路

3．14 NPort 5130串口联网服务器

3．14．1 NPort 5130介绍

3．14．2 NPort 5130软件界面

3．15 本章小结

第四章 系统软件设计

4．1 IAR Embedded Workbench开发环境介绍

4．2 主流程图

4．3 分段曲线拟合的非线性校正的实现

4．4 系统初始化程序设计

4．4．1 系统时钟初始化程序设计

4．4．2 ADC初始化程序设计

4．5 数据采集及数据处理

4．5．1 压力采集程序设计

4．5．2 温度采集程序设计

4．6 串口通讯程序设计

4．6．1 串口配置及串口初始化程序设计

4．6．2 上位机与下位机通讯协议

4．7 外部存储器程序设计

4．8 液晶显示程序设计

4．9 上位机软件设计

4．10 本章小结

第五章 压力变送器的抗干扰措施及实验测试

5．1 系统抗干扰措施

5．1．1 硬件抗干扰措施

5．1．2 软件抗干扰措施

5．2 智能变送器的性能指标

5．3 软件测试及实验结果分析

5．3．1 软件测试

5．3．2 实验结果及分析

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 系统改进与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文和科研成果