【摘 要】由于在矿井下对环境温度要求较高，因此要求实时测量井下温度，本文提出了一种基于STC系列51单片机构成的实时温度监测系统，简要论述了系统的硬件组成和软件设计。监测系统通过单片机控制温度传感器LM75A对矿井采掘工作面进行实时的温度采集、处理，再通过无线数据传输模块PTR2000进行远程无线数据传输给上位机。
【关键词】单片机；温度测量系统；无线数据传输；LM75A；PTR2000
0 引言
矿井进行开采需要对井下各项指标进行实时监测，如温度、压力、瓦斯浓度等，因此需要安装安全监测系统。其中温度是众多重要指标之一，矿井规定矿井采掘工作面温度不得超过26摄氏度，温度超过时，需要缩短工作人员工作时间，其温度超过30摄氏度时，必须停止作业，并采取降温措施，因此井下环境温度实时的测量就显得尤为重要。
而目前较多使用的测温方法是采用传统的模拟温度传感器采集井下个工作面及巷道温度信号，然后转换为电信号经过信号调理模块再送入AD数模转换模块，转换为数字信号送入处理器中进行处理。这种传统的方法使用了较多的模拟器件，采用的模拟传感器和模拟器件如运放等模块都存在温度漂移、零点漂移、抗干扰能力差、需要经常校准的缺点。
本文正是在上述前提下介绍了一种基于STC系列51单片机技术和数字技术的矿用实时温度监测系统的设计思路。
1 系统组成及原理介绍
根据温度监测系统的要求，我们采用STC系列51单片机即可实现整个系统的功能。系统利用单片机完成对LM75A温度传感器的控制从而进行温度的测量；并在数码管上显示，加入按键，完成功能的选择；系统加入声光报警装置，当温度超过设定范围，即声光报警，提醒工作人员；最后在利用无线收发模块PTR2000对数据进行无线远程传输，利用单片机和PC机的串行通信完成人机交互控制，整体系统框图如图1所示。
图1 实时温度监测系统框图
图中可以看到，使用C语言对单片机进行编程控制LM75A，LM75A采用I2C总线接口，需要控制I2C总线方式控制LM75A，当超过设定温度，单片机控制声光报警器报警，声光报警器实质就是蜂鸣器和LED灯，并通过数码管实时的显示当前温度，并将采集的温度等数据通过无线发送模块发送给远端的PC机，进行远端控制。
2 系统硬件设计
2.1 主控芯片的选择
近年来单片机技术因为其简单实用，设计灵活，成本功耗低，硬件设计简单等优点，已经广泛应用于众多要求不是很高，成本低廉的控制场合。
STC系列单片机是宏晶科技公司生产的8051核的单片机，其89C系列工作频率0～40M相当于普通8051的0～80M，FLASH程序储存4K-64K，RAM数据储存512B-1280B，内部集成EEPROM 2K-16K及看门狗和专用复位电路，完全满足设计需求，设计中选用STC89C52。
2.2 测温芯片的选择
LM75A是一款内置带隙温度传感器和∑-Δ模数转换功能的温度数字转换器，它也是温度检测器，可提供过热输出功能；并提供0.125℃的精度的11位ADC，单个器件的电源电压范围为2.8V～5.5V；具有I2C总线接口，同一总线上可连接多达8个器件，环境温度范围：Tamb=-55℃～+125℃。
当-25℃～+100℃时温度精度为±2℃，当-55℃～+125℃时温度精度为±3℃，为了减低功耗，关断模式下消耗的电流仅为3.5μA。上电时器件可用作一个独立的温度控制器。管脚如图所示。
图2 LM75A管脚图
管脚功能如表1所示。
表1 LM75A引脚定义
从图1中可以看到A0、A1、A2三个引脚分别为用户定义的地址位，主要是可以在一条I2C总线上挂载8个LM75A，因此，需要进行地址编码。其还包含一个开漏输出（OS）管脚，当温度超过编程限制的值时该输出有效。
LM75A部分电路如图3所示。
图3 LM75A部分电路图
其中SCL、SDA、OS引脚必须上拉，否则将导致电路无法正常工作。
2.3 无线传输模块PTR2000
由于测温系统在获取传感器数据后，需要将所得数据传送到远端PC机上，传送数据的方式由于受到井下环境因素因此不使用传统的有线的数据传输，而采用无线数据传输模块PTR2000进行无线的数据传输。
PTR2000无线数据传输模块是一种超小型、低功耗、高速率的无线数据传输模块。其性能优异，最大的特点是所需外围器件少，因而设计十分方便，模块在内部集成了高频发射、高频接收、PLL 合成、FSK调制/解调、参量放大、功率放大、频道切换等功能，是目前集成度较高的无线数据传输产品。无线数据收发模块PTR2000采用抗干扰能力强的FSK调制/解调方式，其工作频率稳定可靠、外围元件少，功耗极低且便于设计生产，因此PTR2000适用于本设计[2]。
数据传输频段为433MHz的PTR2000无线数据收发模块具有接收发射合一的功能，工作电压2.7～5.25V，工作电流10～30mA，待机电流8uA。串口的发送速率可高19200bit/的传输率（无需设置PTR2000的工作速率，也可工作在其它速率如4800bit/s、9600bit/s）。其体积小、工作距离在无阻挡情况下10m以内，具有多个频道，满足需要多通道工作的特殊场合[3]。
PTR2000与单片机的连接如图4所示。
图4 PTR2000与单片机连接
通过单片机的P1.0来控制模块的发射与接收，当P1.0为高电平时模块处于发射状态，为低电平时模块处于接收状态。选择工作频道2即434.33MHz，P1.2为高电平。当PWR=0时，PTR2000进入节电待机模式。
发送数据之前，使TXEN=1使模块先处于发射模式，等待大于5ms后，再发送数据，发送结束后令TXEN=0使模块置于接收状态。接收时应将PTR2000中TXEN=0，置于接收状态，然后将接收到的数据直接送到单片机串口经电平转换后送到计算机。
3 系统软件设计
3.1 LM75A模块软件设计
单片机向从器件发送指令及从器件接受的数据流程分别如图5（a）、（b）所示。
图5 LM75A程序流程图
通信开始前，I2C总线必须空闲，即必须释放SCL、SDA，并由主机提供通信所需的SCL时钟脉冲。在数据传输过程中，除起始和停止信号外，SDA信号必须保持稳定而SCL信号必须为高，这就表明，SDA信号只能在SCL为低时改变；开始需要发送一个起始信号，SCL为高电平，SDA从高电平变为低电平，最后所有数据发送完毕后需要一个停止信号，SCL为高电平，SDA从低电平转变为高电平。具体详情可以参考I2c总线的相关资料。
3.2 PTR2000部分软件设计
单片机开始需将无线数据传输模块PTR2000设置处于接收状态，通过串口中断识别由PC机通过无线信道传输来的指令，根据接收指令的内容采集数据并启动发送。发送前需将PTR2000模块设置为发射状态，且等待5ms才可发送，发送完毕后，向PC机端发送“发送结束指令”，并将PTR2000模块重设为接收状态。如果没有收到请求发送指令，再次询问并请求重发。
系统软件设计流程图如图6所示。
图6 PTR2000程序流程图
4 结束语
本文提出的矿井实时温度监测系统的设计方法综合了现阶段多种测温系统技术优缺点，其效率高、性能好，功耗小、成本低，通过实验证明可应用于实际工程中。
【参考文献】
[1]娄朴根，宋文爱.矿井下实时温度监测和无线传输系统的设计与实现[J].仪表技术与传感器，2007，（3）：44-46.
[2]文方，李勇.基于PTR2000的单片机无线数据传输的实现[J].电气自动化，2008，30（2）：47-48.
[3]郝小江，张小平.基于PTR2000的单片机无线数据传输[J].攀枝花学院学报：综合版，2006，23（6）：83-86.
[4]滕春阳，魏雨辰，白岩，等.基于STC89C52的多路多功能温度监测器设计[J].中国科技博览，2010，（26）：73.
[责任编辑：周娜]
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