嵌入式Internet远程瓦斯监控器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种嵌入式Internet远程瓦斯监控器，涉及瓦斯监控【技术领域】。本实用新型有一微控制器，与微控制器连接的瓦斯传感器，与微控制器连接的驱动模块及接口，与驱动模块连接的执行机构，与执行机构连接用于驱动风机的液压控制系统；微控制器采用微控制器LPC1768，微控制器LPC1768连接有电源电路、复位电路、时钟电路、EEPROM电路、LED和键盘模块、UART接口、USB接口、JTAG接口以及以太网接口芯片；以太网接口芯片连接带网络滤波器的RJ45接口，微控制器LPC1768将处理后的数据通过TCP/IP以太网协议的进行传输至监控中心；上述各模块由电源模块供电。优点：反应及时、精确度高、可靠性高，能够通过网络实现井下与地面的通信，其功能易于升级和扩展。
【专利说明】嵌入式Internet远程瓦斯监控器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及瓦斯监控【技术领域】，具体是一种嵌入式Internet远程瓦斯监控器。
【背景技术】
[0002]在我国的煤矿安全事故中，瓦斯爆炸造成的伤亡人数占所有重大伤亡事故人数的70%以上，所以瓦斯监控是矿井防止通风故障、瓦斯爆炸等重大事故发生的重要措施之一。传统的瓦斯监控系统设计一般采用8位单片机，由于单片机本身资源有限，使得整个系统升级和扩展困难，而且对于接入到网络中也存在一定的问题。随着电子信息技术、计算机技术以及嵌入式系统的发展和研究的深入，利用32位ARM芯片以及嵌入式操作系统取代和改善现有的单片机监控系统已经成为主流。
【发明内容】
[0003]为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型提供一种嵌入式Internet远程瓦斯监控器，反应及时、精确度高、可靠性高，能够通过网络实现井下与地面的通信，其功能易于升级和扩展。
[0004]本实用新型是以如下技术方案实现的:一种嵌入式Internet远程瓦斯监控器，包括微控制器，与微控制器连接用于检测甲烷浓度的瓦斯传感器，与微控制器连接的驱动模块及接口，与驱动模块连接的执行机构，与执行机构连接用于驱动风机的液压控制系统；所述的微控制器采用ARM Cortex-M3内核的32位微控制器LPC1768，所述的微控制器LPC1768连接有电源电路、复位电路、时钟电路、EEPROM电路、LED和键盘模块、UART接口、USB接口、JTAG接口以及以太网接口芯片；所述的以太网接口芯片连接带网络滤波器的RJ45接口，所述的微控制器LPC1768将处理后的数据通过TCP/IP以太网协议的进行传输至监控中心；上述各模块由电源模块供电。
[0005]本实用新型的有益效果是:反应及时、精确度高、可靠性高，能够通过网络实现井下与地面的通信，其功能易于升级和扩展。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。
[0007]图1是本实用新型原理框图，
[0008]图2是电源模块电路图；
[0009]图3是复位电路电路图；
[0010]图4是时钟电路电路图；
[0011]图5是JTAG接口电路图；
[0012]图6是EEPROM电路电路图；
[0013]图7是UART接口接口电路图；
[0014]图8是USB接口电路图；
[0015]图9是以太网接口芯片电路图；
[0016]图10是瓦斯排放系统原理图。
【具体实施方式】
[0017]如图1所示，一种嵌入式Internet远程瓦斯监控器，包括微控制器，与微控制器连接用于检测甲烷浓度的瓦斯传感器，与微控制器连接的驱动模块及接口，与驱动模块连接的执行机构，与执行机构连接用于驱动风机的液压控制系统；所述的微控制器采用ARMCortex-M3内核的32位微控制器LPC1768，所述的微控制器LPC1768连接有电源电路、复位电路、时钟电路、EEPROM电路、LED和键盘模块、UART接口、USB接口、JTAG接口以及以太网接口芯片；所述的以太网接口芯片连接带网络滤波器的RJ45接口，所述的微控制器LPC1768将处理后的数据通过TCP/IP以太网协议的进行传输至监控中心。
[0018]如图2所示，电源部分是系统的核心，其工作稳定与否与整个系统的性能息息相关，因此采用高质量的芯片，保证其能稳定工作至关重要。在本系统中共使用两种电源，一种为+3.3V，另外一种为+5V。电源部分采用DC24V电源输入，经过转换电路转化为5V直流电，和3.3V直流电，分别供给:内核和外部通路、内部稳压器、模拟部分、模数转换器参考电源VREFP、实时时钟RTC。
[0019]如图3所示，复位电路采用按键复位和RC复位电路。按键复位完成外部复位，RC复位电路实现上电复位。微控制器LPC1768是低电平复位有效，当复位管脚上的低电平持续一定的时钟周期就会发生芯片复位，上电时复位低电平时间由RC的值决定，手动复位时需要按下复位按键RSTl，当松开复位按键RSTl后复位发生。
[0020]如图4所示，微控制器LPC1768包含3个独立的时钟源，分别为主时钟振荡器、RTC时钟振荡器和内部RC振荡器，在LPC1768复位后，LPC1768将由内部RC振荡器提供时钟直至由软件切换到另外的时钟振荡源为止，这使得系统可以不依赖与外部时钟进行操作，而且使引导加载程序可以在一个确定的频率下进行操作。
[0021]内部RC振荡器(IRC)可以作为看门狗的时钟源，也可以作为时钟，驱动锁相环(PLL)提供给CPU，IRC的精度不足，因此不能用于USB接口，通常IRC频率是4MHz，在开机或者芯片复位时，LPC1768使用IRC作为时钟源，之后可以通过软件切换使用其他的时钟源。
[0022]RTC晶振的频率是32.768KHZ，一般用于给RTC实时时钟提供时钟源，RTC时钟源可以提供IHz给RTC并且可以输出32KHZ的时钟频率，作为PLLO和CPU或者看门狗定时器使用时钟源，本设计中Y2是RTC时钟使用32.768晶振，Yl是主晶振使用12MHz晶振。
[0023]如图5所示，当系统复位后，通过LPC1768控制器内部JTAG接口可以进行JTAG仿真调试。
[0024]如图6所示，LPC1768支持400K高速模式的硬件IIC接口，EEPROM电路采用电可擦除存储器AT24C02，用于系统保持掉电需要保护的数据。AT24C02操作简便性能稳定，是保存小量数据的不错选择。为了减小总线操作功耗，总线的上拉电阻使用4.7K。
[0025]如图7所示，UART接口采用RS232电平转换芯片1&?3232。]\&?3232是工作在3.3V的RS232电平转换芯片，内部有2组串口转换电路，本设计中将LPC1768的串口 O和串口 2引出，通过跳线帽复用一个串口头，当S_COM的1、3，2、4短路的时候选择串口 2，3、5，
4、6短路的时候选择串口 O。在通过RS232串口 ISP编程的时候必须将串口选择在串口O上。使用TTL电平通过ISP 口进行ISP编程的时候没有这个限制。由于在用串口 ISP编程的时候要使用到串口的RTS和DTR引脚，所以在进行串口 ISP编程的时候不能使用3线串口。必须使用支持RTS和DTR的串口。
[0026]如图8所示，为了实现USB数据通信和USB bootloader下载程序，控制器最小系统设计了 USB从机接口电路，该系统不但包含USB总线的基本辅助原件，还包含USB全速配置端口。USB主机的D+和D-总线是有下拉电阻的，当D+上出现上升沿时说明有一个USB全速设备插入，当D-上上出现上升沿时说明由一个USB低速设备插入。LPC1768支持USB全速，因此需要在D+上由一个1.5K的上拉电阻。如果S_USB 2,3脚短接，则Q3上电就导通，则无论何时接上USB接口都将使USB主机认为有一个全速USB插入。如果1，2短接则受到程序通过P2.9号管脚控制。这样可以使系统在做USB通讯时才让主机认为由一个USB全速设备插入。
[0027]如图9所示，瓦斯远程监控终端不仅要自己采集信息，加以处理，完成相应的显示及控制功能，还要与上位机进行通信，向上位机发送所需信息，接收上位机发送的查询或控制命令。微控制器LPC 1768，内嵌一个以太网模块，该模块包含一个lOMbps/lOOMbps以太网MAC (媒体访问控制器)，但是该控制器缺少PHY (物理层接口)，因此需要设计外置PHY芯片实现以太网的物理层接入[2]。本系统LPC1768的以太网模块与外置PHY芯片DP83848C连接，然后再通过网络隔离变压器YL2J011D(RJ45接口)实现终端设备接入远程PC机或Internet的以太网功能。YL2J011D是内嵌隔离变压器的RJ-45接口。它的功能是转换电平并抑制高频干扰接入以太网，防止元器件烧坏，实现带电插拔功能。以太网模块使用RMII (简化的媒体独立接口)协议和片上ΜΠΜ (媒体独立接口管理)串行总线来实现与片外以太网PHY之间的连接。连接管脚功能如表I所示。
[0028]表I
[0029]
LPC1768在RMII櫈式下引脚功能 DP83848C在ΜΠ模式下引脚功能
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[0030]瓦斯传感器采用红外甲烷传感器MH-740A，该传感器是利用非色散红外(NDIR)原理设计的一种内置温度补偿功能的甲烷气体检测器。和目前常用的载体催化燃烧式传感器相比，具有很好的选择性、无氧气依赖性、性能稳定、寿命长、灵敏度高、分辨率高、抗水汽干扰性强等优点。NH-740A的工作电压为4.5疒5.5V DC ;温度范围为40° C?70° C ;湿度范围为(T95%RH ;提供IIC输出方式。该传感器接线共4根，其中红线为VCC接+5V电源，黑线为GND接地端。黄线为时钟线SCL，棕线为双向数据线SDA，接到LPC1768的IIC总线上。
[0031]红外甲烷传感器MH-740A工作于IIC的从机模式，模块器件地址是:0χΑΑ，模块的写操作地址是:0χΑΑ，读操作地址是:0xAB。IIC通讯时每一帧数数据包含10个字节数据，数据的内容根据主机的命令不同而不同，数据的最后一个字节为校验值。
[0032]如图10所示，当瓦斯传感器检测到浓度达到设定上限值时，微处理器作出判断，发出控制指令，微处理器控制信号驱动能力有限，通过达林顿驱动器MC1413放大后，控制中间继电器吸合，使防爆电磁阀导通，然后马达被驱动，这样就带动风扇旋转，抽排工作区的瓦斯。溢流阀的作用主要是压溢流和安全保护，泵站、减压阀、过滤器的作用是为马达提供乳化液动力。调节调速阀的作用是控制乳化液马达的转速，进而调节风扇的转速，从而实现风量控制。当瓦斯浓度达到安全值时，设备自动停止工作。微处理器将采集到的现场信息通过Internet发送给监控终端，供监控终端监测现场状况和控制抽排设备的动作。
[0033]为了全面有效地进行瓦斯监测和控制，现场采用液压控制系统驱动风机自动抽排瓦斯并利用Web实施远程监控的治理方法。为此，系统采用高性能的ARM Cortex_M3内核的32位微控制器LPC1768作为硬件核心，在硬件平台上移植嵌入式实时操作系统和TCP/IP协议，并在此基础上开发了应用层软件。该系统的功能就是把瓦斯传感器采集到的现场瓦斯浓度信号，送入微控制器处理得到瓦斯浓度，显示在液晶屏上；同时微控制器判断瓦斯浓度是否达到设置的安全极限值作为报警和抽排结构动作的条件；另外微处理器把数据通过TCP/IP以太网协议的进行传输，使用户通过局域网或者Internet终端就可以对井下信息进行远程监测和控制。根据上述系统要求选择合适的嵌入式处理器、传感器及驱动电路，与嵌入式Web服务器和Internet来组成一个远程的监控系统。
[0034]实现了基于ARM Cortex-M3为内核的32位微控制器，利用其内置以太网控制器搭建web服务器，管理人员只需要通过网络浏览器就可以对嵌入式设备进行远程监控和管理，监控端PC机不需要安装任何客户端软件，方便实用。该系统具有反应及时、精确度高、可靠性高的优点，能够通过网络实现井下与地面的通信，其功能易于升级和扩展。
【权利要求】
1.一种嵌入式Internet远程瓦斯监控器，包括微控制器，与微控制器连接用于检测甲烷浓度的瓦斯传感器，与微控制器连接的驱动模块及接口，与驱动模块连接的执行机构，与执行机构连接用于驱动风机的液压控制系统；其特征在于:所述的微控制器采用ARMCortex-M3内核的32位微控制器LPC1768，所述的微控制器LPC1768连接有电源电路、复位电路、时钟电路、EEPROM电路、LED和键盘模块、UART接口、USB接口、JTAG接口以及以太网接口芯片；所述的以太网接口芯片连接带网络滤波器的RJ45接口，所述的微控制器LPC1768将处理后的数据通过TCP/IP以太网协议的进行传输至监控中心；上述各模块由电源模块供电。
2.根据权利要求1所述的嵌入式Internet远程瓦斯监控器，其特征在于:所述的UART接口采用RS232电平转换芯片Max3232。
3.根据权利要求1所述的嵌入式Internet远程瓦斯监控器，其特征在于:所述的EEPROM电路采用电可擦除存储器AT24C02。
4.根据权利要求1所述的嵌入式Internet远程瓦斯监控器，其特征在于:所述的复位电路擦用按键复位和RC复位电路。
5.根据权利要求1所述的嵌入式Internet远程瓦斯监控器，其特征在于:所述的瓦斯传感器采用红外甲烷传感器MH-740A。
【文档编号】E21F17/18GK203978498SQ201420129146
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年3月20日 优先权日:2014年3月20日
【发明者】彭海琴 申请人:江苏联合职业技术学院徐州财经分院