煤矿安全生产监控系统及安全管理.ppt

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1、贵州大学大学 机电工程系2010.6,煤矿安全生产监控系统及安全管理,煤矿安全生产监控系统与安全管理,第一节 煤矿安全生产监控系统简介,煤矿安全生产监控系统是指具有模拟量、开关量、累计量采集、传输、存储、处理、显示、打印、声光报警、控制等功能，用于煤矿通风安全及生产环节监控的系统，包括煤矿安全监控系统、煤矿瓦斯抽采（放）监控系统、煤矿轨道运输监控系统、煤矿胶带运输监控系统、煤矿供电监控系统那个、煤矿排水监控系统、煤矿火灾监控系统、矿山压力监控系统、煤与瓦斯突出监控系统、人员位置监测系统等。,第一节 煤矿安全生产监控系统简介,一、矿井安全监控技术发展概况矿井安全监控技术是伴随煤炭工业发展而逐步发

2、展起来的。1815年，英国发明了世界上第一种瓦斯检测仪器瓦斯检定灯，利用火焰的高度来测量瓦斯浓度。20世纪30年代日本发明了光干涉瓦斯检定器，一直延用至今。40年代，美国研制了检测瓦斯气体的敏感元件铂丝催化元件。1954年，英国采矿安全研究所（SMRE）制成了最早的载体催化元件。60年代以后，主要产煤国家都把发展载体催化元件作为瓦斯检测仪器的主攻方向。电子技术的进步推动了瓦斯监测装置的进一步发展，首先是研制小型化个人携带式仪器，以后是矿井监控系统，如70年代后期法国研制的CTT63/40矿井监控系统、英国的MINOS系统、美国的SCADA系统等。,第一节 煤矿安全生产监控系统简介,我国矿井安全

3、监控技术经历了从简单到复杂、从低水平到高技术的发展过程。从建国初期到70年代，煤矿下井人员主要使用光学瓦斯检定器、瓦斯检定灯、检知管、风表等携带式仪器检测井下环境参数。60年代初期，我国开始研制载体催化元件，1964年煤炭部组织有关研究所、制造厂攻关，研制了第一种达到使用水平的载体催化元件；接着，抚顺煤矿安全仪器厂研制出以该元件为传感器的AQR-1型瓦斯测量仪。随着敏感元件制造水平的提高和电子技术的发展，特别是大规模集成电路、微型计算机的广泛应用，使监控技术进入了新的发展时期。70年代瓦斯断电仪问世，装备在采掘工作面、回风巷道等井下固定地点，实现了对瓦斯的自动连续监测及超限时自动切断被控设备的

4、电源；随后，陆续研制了便携式瓦斯检测报警仪、瓦斯报警矿灯。,第一节 煤矿安全生产监控系统简介,80年代初期，从欧美国家先后引进了数十套矿井监控系统，如法国的CTT63/40系统、波兰的CMC-1系统、CMM-20系统、英国的MINOS系统、西德的TF200系统、美国的DAN6400系统及配套的传感器和便携式仪器装备矿井，并相应地引进了部分监控系统、传感器和敏感元件的制造技术，由此推动了我国矿井安全监控技术的发展进程。1983年以后，国内有多种型号矿井监控系统通过了技术鉴定，逐步实现了对矿井安全、生产方面多种参数的连续监测、监控、数据储存和数据处理。目前，我国已有数十家科研、制造单位生产矿井监控

5、系统、各种传感器、瓦斯报警断电仪、瓦斯遥测报警断电仪、风电瓦斯闭锁装置、自动排瓦斯装置、便携式瓦斯检测报警仪、智能式瓦斯检测报警记录仪、瓦斯氧气双参数检测报警仪、多参数检测仪、瓦斯报警矿灯等数百种监控产品。,第一节 煤矿安全生产监控系统简介,90年代以后，随着电子技术的发展，特别是计算机和控制技术的发展，特别是总线传输技术的发展，煤矿安全生产监控技术已经发展成为一个综合、复杂的多功能系统。如KJ90煤矿安全综合监控系统，KJ126煤矿安全监控系统，KJ95安全监控系统，KJF2000安全监控系统等，涉及到传感器、电工技术、电子技术、电力电子技术、计算机、通讯、自动控制、化学等多门学科，与矿山的

6、采、掘、机、运、通等生产环节紧密相关，功能复杂，技术难度高，要求监控技术人员具有较高的技术素质。,第一节 煤矿安全生产监控系统简介,二、煤矿安全生产监控系统的分类煤矿安全生产监控系统可按照监控目的、信号传输方式、网络结构等来进行分类，如按传输信号复用方式分为：时分制系统、频分制系统、码分制系统、复合复用方式（同时采用频分制、时分制、码分制中两种或两种以上的系统）；按系统网络结构可分为：树形、环形、星形、总线形等；按传输信号的调制方式可分为：基带、调幅、调频、调相等；按工作方式可分为：主从方式、多主方式等。,第一节 煤矿安全生产监控系统简介,按监控目的分类：（1）煤矿安全监控系统（2）煤矿瓦斯抽

7、采（放）监控系统（3）煤矿轨道运输监控系统（4）煤矿胶带运输监控系统（5）提升运输监控系统（6）煤矿供电监控系统（7）煤矿排水监控系统（8）煤矿火灾监控系统（9）矿山压力监控系统（10）煤与瓦斯突出监控系统（11）人员位置监测系统（12）综合监控系统,第二节 煤矿安全监控系统,煤矿安全监控的主要内容包括：对井下CH4、CO、O2、CO2等气体浓度的检测；对风速、风量、气压、温度、粉尘浓度、水位等环境参数的检测；对生产设备运行状态的监测、监控等。煤矿安全监控系统一般由传感器、井下分站、传输线路、地面中心站、监控软件组成，如下图所示：,安全监控系统,图1 煤矿安全监控系统,第二节 煤矿安全监控系统

8、,一、煤矿安全生产监控系统基本构成1.传感器2.井下监控分站井下监控分站是一种以嵌入式芯片为核心的微机计算机系统，可挂接多种传感器，能对井下多种环境参数诸如瓦斯、风速、一氧化碳、负压、设备开停状态等进行连续监测，具有多通道，多制式的信号采集功能和通讯功能，通过工业以太网或总线方式能及时将监测到的各种环境参数、设备状态传送到地面中心站，并执行中心站发出的及时发出报警和断电控制信号。3.信号传输网络将监测到的信号传送到地面中心站的信号通道。如无线传输信道、电缆、光纤等。4.地面中心站,二、煤矿安全生产监控设备,（一）传感器1.高低浓度甲烷传感器2.一氧化碳传感器3.矿用氧气传感器4.温度传感器5.

9、风速传感器6.烟雾传感器7.开停传感器,二、煤矿安全生产监控设备,（二）、便携式气体检测报警仪（三）、甲烷报警矿灯（四）、井下分站（五）、安全监控系统,传感器,煤矿安全监测主要通过检测仪器来实现。一个简单的检测仪器通常由传感器、信号变换电路及电源等部分构成。借助于敏感元件，对被测物理量进行检测和信号变换，输出模拟量信号或开关量信号的装置，称为传感器。传感器主要由敏感元件、转换器件、测量及变换电路和电源等组成，如图所示。,地面中心站,煤矿监控系统中心站是煤矿环境安全和生产工况监控系统的地面数据处理中心，用于完成煤矿监控系统的信息采集、处理、储存、显示和打印功能，必要时还可对局部生产环节或设备发出

10、控制指令和信号，中心炸一般由主控计算机及其外围设备和监控软件组成，通常设置在煤矿监控中心或生产调度室中。,高低浓度甲烷传感器,主要用于监测高瓦斯煤矿井下环境气体中的瓦斯浓度，可以连续自动地将井下沼气浓度转换成标准电信号输送给关联设备，并具有就地显示沼气浓度值，超限声光报警等功能。还可与各类型监测系统及断电仪、风电瓦斯闭锁装置配套，适宜在煤矿采掘工作面、回风巷道等地点固定使用。采用热催化原理与热导原理相结合来测量沼气浓度，克服了单一元件测量过程中的不稳定现象，具有性能稳定、测量精确、响应速度快，结构坚固、易使用易维护等特点。并具有遥控调校、断电控制、故障自校自检等新功能。,井下分站,KJ90-F

11、8/KJ90-F16型井下监控分站（以下简称分站）是一种以嵌入式芯片为核心的微机计算机系统，可挂接多种传感器，能对井下多种环境参数诸如瓦斯、风速、一氧化碳、负压、设备开停状态等进行连续监测，具有多通道，多制式的信号采集功能和通讯功能，通过工业以太网或总线方式能及时将监测道德各种环境参数、设备状态传送到地面并执行中心站发出的各种命令，及时发出报警和断电控制信号。,第三节 矿井安全监控系统安全管理,一、矿井安全监控系统一般规定1.煤矿企业应建立安全仪表计量检验制度。2.高瓦斯矿井、煤（岩）与瓦斯突出矿井，必须装备矿井安全监控系统。没有装备矿井安全监控系统的矿井的煤巷、半煤岩巷和有瓦斯涌出的岩巷的掘

12、进工作面，必须装备甲烷风电闭锁装置或甲烷断电仪和风电闭锁装置。没有装备矿井安全监控系统的无瓦斯涌出的岩巷掘进工作面，必须装备风电闭锁装置。没有装备矿井安全监控系统的矿井的采煤工作面，必须装备甲烷断电仪。3.采区设计、采掘作业规程和安全技术措施，必须对安全监控设备的种类、数量和位置，信号电缆和电源电缆的敷设，控制区域等做出明确规定，并绘制布置图。4.煤矿安全监控设备之间必须使用专用阻燃电缆或光缆连,第三节 矿井安全监控系统安全管理,接，严禁与调度电话电缆或动力电缆等共用。防爆型煤矿安全监控设备之间的输入、输出信号必须为本质安全型信号。安全监控设备必须具有故障闭锁功能：当与闭锁控制有关的设备未投入

13、正常运行或故障时，必须切断该监控设备所监控区域的全部非本质安全型电气设备的电源并闭锁；当与闭锁控制有关的设备工作正常并稳定运行后，自动解锁。矿井安全监控系统必须具备甲烷断电仪和甲烷风电闭锁装置的全部功能；当主机或系统电缆发生故障时，系统必须保证甲烷断电仪和甲烷风电闭锁装置的全部功能；当电网停电后，系统必须保证正常工作时间不小于2h；系统必须具有防雷电保护；系统必须具有断电状态和馈电状态监测、报警、显示、存储和打印报表功能；中心站主机应不少于2台，1台备用。,二、安装、使用和维护的安全管理,1.安装断电控制系统时，必须根据断电范围要求，提供断电条件，并接通井下电源及控制线。安全监控设备的供电电源

14、必须取自被控制开关的电源侧，严禁接在被控开关的负荷侧。拆除或改变与安全监控设备关联的电气设备的电源线及控制线、检修与安全监控设备关联的电气设备、需要安全监控设备停止运行时，须报告矿调度室，并制定安全措施后方可进行。2.安全监控设备必须定期进行调试、校正，每月至少1次。甲烷传感器、便携式甲烷检测报警仪等采用载体催化元件的甲烷检测设备，每7天必须使用校准气样和空气样调校1次。每7天必须对甲烷超限断电功能进行测试。安全监控设备发生故障时，必须及时处理，在故障期间必须有安全措施。,二、安装、使用和维护的安全管理,3.必须每天检查安全监控设备及电缆是否正常，使用便携式甲烷检测报警仪或便携式光学甲烷检测仪

15、与甲烷传感器进行对照，并将记录和检查结果报监测值班员；当两者读数误差大于允许误差时，先以读数较大者为依据，采取安全措施并必须在8h内对2种设备调校完毕。4.矿井安全监控系统中心站必须实时监控全部采掘工作面瓦斯浓度变化及被控设备的通、断电状态。矿井安全监控系统的监测日报表必须报矿长和技术负责人审阅。5.必须设专职人员负责便携式甲烷检测报警仪的充电、收发及维护。每班要清理隔爆罩上的煤尘，发放前必须检查便携式甲烷检测报警仪的零点和电压或电源欠压值，不符合要求的严禁发放使用。,二、安装、使用和维护的安全管理,6.配制甲烷校准气样的装置和方法必须符合国家有关标准，相对误差必须小于5%。制备所用的原料气应

16、选用浓度不低于99.9%的高纯度甲烷气体。7.安全监控设备布置图和接线图应标明传感器、声光报警器、断电器、分站、电源、中心站等设备的位置、接线、断电范围、传输电缆等，并根据实际布置及时修改。,三、甲烷传感器和其他传感器的设置的安全规定,1.甲烷传感器报警浓度、断电浓度、复电浓度和断电范围必须符合表3规定。2.低瓦斯矿井的煤巷、半煤岩巷和有瓦斯涌出的岩巷掘进工作面，必须在工作面设置甲烷传感器。3.在回风流中的机电设备硐室的进风侧必须设置甲烷传感器。4.高瓦斯矿井进风的主要运输巷道内使用架线电机车时，装煤点、瓦斯涌出巷道的下风流中必须设置甲烷传感器。5.在煤（岩）与瓦斯突出矿井和瓦斯喷出区域中，进

17、风的主要运输巷道和回风巷道内使用矿用防爆特殊型蓄电池电机车或矿用防爆型柴油机车时，蓄电池电机车必须设置车载式甲烷断电仪或便携式甲烷检测报警仪，柴油机车必须设置便携式甲烷检测报警仪。当瓦斯浓度超过0.5%时，必须停止机车运行。,三、甲烷传感器和其他传感器的设置的安全规定,6.瓦斯抽放泵站必须设置甲烷传感器，抽放泵输入管路中必须设置甲烷传感器。利用瓦斯时，还应在输出管路中设置甲烷传感器。7.装备矿井安全监控系统的矿井，每一个采区、一翼回风巷及总回风巷的测风站应设置风速传感器，主要通风机的风硐应设置压力传感器；瓦斯抽放泵站的抽放泵吸入管路中应设置流量传感器、温度传感器和压力传感器，利用瓦斯时，还应在

18、输出管路中设置流量传感器、温度传感器和压力传感器。装备矿井安全监控系统的开采容易自燃、自燃煤层的矿井，应设置一氧化碳传感器和温度传感器。装备矿井安全监控系统的矿井，主要通风机、局部通风机应设置设备开停传感器，主要风门应设置风门开关传感器，被控设备开关的负荷侧应设置馈电状态传感器。,第四节 矿山监控系统的单片机控制,矿山监控系统是煤炭高产、高效、安全生产的重要保证。世界各主要产煤国对此都十分重视，推广使用了环境安全、轨道运输、胶带运输、提升运输、供电、排水、矿山压力、火灾、水灾、煤与瓦斯突出、大型机电设备健康状况等监控系统，提高了生产率和设备利用率，增强了矿山安全。由于煤矿井下是一个特殊的工作环

19、境，有瓦斯(主要成份是甲烷)等易燃、易爆性气体，有硫化氢等腐蚀性气体，有淋水、环境潮湿、空间狭小、矿尘大，电磁干扰严重、电网电压波动大、工作场所分散且距离远。因此，矿山监控系统不同于一般工业监控系统。这主要体现在电气防爆、传输距离远、网络结构宜采用树形结构、监控对象变化缓慢、电网电压波动适应能力强、抗干扰能力强、抗故障能力强，不宜采用中继器、传感器宜采用远程供电、设备外壳防护性能要求高等方面。采用监控系统后，保障煤炭高产、高效安全生产，具有重大的实用价值。,第四节 矿山监控系统的单片机控制一、单片机概述,单片机在矿山监控系统的应用十分广泛，而单片机的使用方法是掌握单片机系统的前提。因此，只有真

20、正掌握了单片机的内部结构及系统组成，才能够根据其内部结构特点选择合适的指令编制程序，设计外围电路，才能确保单片机系统的构成。单片机技术发展十分迅速，产品种类琳琅满目。为满足工业控制的要求，选择合适型号的单片机进行系统设计是每一个单片机使用者必须掌握的技能。因此，只有通过了解单片机的发展过程及产品近况，掌握当前市场主流单片机型号、种类及其特点才能设计出满足工作要求的单片机系统。,二、单片机系统分析,单片机的元件识别主要包括认识单片机实物，掌握单片机内部结构特点，了解单片机扩展芯片，了解单片机电路系统构成等。为能正确地编制程序并设计外围电路，实现单片机系统，首先必须先认识单片机实物并掌握单片机内部

21、结构特点等相关知识。单片机的发展分类主要包括单片机的发展过程及产品近况，了解当前市场主流单片机型号及种类，了解单片机的特点及应用领域等。通过了解主流单片机型号及种类，并能通过查找资料确定单片机的主要性能，进而选择合适型号的单片机进行系统设计。,（三）矿山综合监控系统,矿山综合监控系统是一种可用于全面综合监控，又可实现某些或某个方面监控的多参数、多功能系统。全矿井综合监控系统由智能传感器、智能监控站、调度管理网络等组成。如图1-5所示。,图15全矿井综合监控系统,1、智能传感器,（1）智能传感器使用一种通用电路，便于维护人员集中精力，深入细致地掌握电路原理，达到每一位具有一定电路基础的维护人员均

22、能及时处理故障的要求。以保证系统正常运行。同时由于电路统一备用组件种类少，也便于备件的准备。,图1-6智能传感器,（2）数字信号传输与多路复用,智能传感器采用数字信号传输，多台传感器共享一根多芯电缆接成树形结构与智能监控站相连。当传感器远离智能监控站而靠近系统传输电缆时。智能传感器可直接接系统电缆，如图1-7所示。,图1-7智能传感器直接接系统电缆,现有传感器没有采用数字信号输出和多路复用，主要是因为现有传感器采用单片机的较少，实现时分多路复用困难。另一个原因是早期传感器耗能大，一对芯线只能为一台传感器供电。例如：早期甲烷传感器工作电流为300mA、传感器输入电压为724V。若由24V本安电源

23、供电供电电缆环路电阻为26 nKm，其供电距离为(247)(0 3261_218Km。若向2台传感器供电，则供电距离仅为109Kin，不满足2Km输距离的要求。而目前传感器的工作电流一般不大于100mA，特别是一些温度、开关量等传感器工作电流不大于10mA，从而解决了一对芯线为多台传感器远距离供电问题。因此，传感器电缆复用路数，并不取决于监测周期、传输速率和地址编码，而取决于传感器的供电电流，这就给传感组件降低消耗提出了新的要求。,（3）就地控制,智能传感器传输的串行数字信号除数据(模拟量传感器)或状态(开关量传感器)外，还有报警、断电等控制信号。接在同一条总线上的执行机构(如声光报警和断电设

24、备)根据收到的控制信号(如：报警和断电信号)执行相应的操作(如：发出声：警和断电控制)。传感器直接控制执行机构，较经分站控制执行机构具有执行速度可靠性高等优点，当分站发生故障时，仍可执行基本的控制。,2、智能监控站,智能监控站是全矿井综合监控系统智能现场设备，其功能类似于现有系统分站，有信号采集、控制、与主站(或上级智能控制站)双向数据传输等功能,3、调度管理网络,调度和管理人员是通过调度管理网络与系统进行信息交换的，其功能类似于现有系统的中心站和远程终端，具有系统初始化、显示、打印、存储、控制干预等功能。,4、现场总线与组态软件技术,现场总线(Field Bus)是连接智能现场设备和自动化系

25、统的多节点、数字式、双向传输的通信网络；是计算机技术、通信技术、控制技术飞速发展并在工业监控领域有机结合的产物。现场总线采用开放式互连网络，公开所有技术和标准，提高了设备的互换性。现场总线监控系统中的传感器及执行机构等具有检测、变换、补偿、运算和控制等多种功能，控制权力进一步下放，既提高系统可靠性和实时性，又降低了系统成本。现场总线控制系统的传感器和执行机构均采用多路复用双向数字传输，大大节省了传输电缆、降低了设备成本、提高了系统可靠性、便于用户使用与维护。,（四）51系列单片机概述,MCS-51单片机是Intel公司20世纪80年代初推出的高性能8位单片机，其典型产品有8031、8051和8

26、751，8031无片内ROM，8051内部有4KB掩膜ROM，8751内部有4KB EPROM，除此之外，三者的内部结构及引脚完全相同。,（五）单片机的结构,1、中央处理器（CPU）,2、数据存储器（内部RAM）,3、程序存储器（内部ROM）,4、定时/计数器,5、并行输入/输出(I/O)口,6、串行口,7、时钟电路,8、中断系统,（六）单片机工作条件,1、时钟电路 要给单片机CPU提供时钟信号，就需要相关的硬件电路，即振荡器和时钟电路。51系列单片机内部有一个高增益反相放大器，这个反相放大器的作用就是构成振荡器，但要形成时钟，外部还需要加一些附加电路。一种是内部时钟方式：这种方式需在18脚和

27、19脚外接晶体振荡器(或陶瓷谐振器)和电容，如图1-8所示。,图1-8 内部时钟,另外一种是外部时钟方式：对HMOS型单片机XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入，如图1-9所示；对CHMOS型单片机外部时钟信号从XTAL1脚输入，XTAL2悬空，如图1-10所示。,图1-10 CHMOS型单片机外部时钟,图1-9 HMOS型单片机外部时钟,2、复位电路,复位是单片机的初始化操作，其作用是使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。当5l系列单片机的复位引脚RST出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式，

28、即上电复位(见图1-11a)和按键复位(见图1-11b)。,图1-11 复位电路接法,根据以上分析可得图1-12所示的以89C51为例的单片机工作条件接线图。,图1-12 单片机工作条件接线图,（七）单片机输入/输出端口结构,在51系列单片机中有4个双向并行I/O口P0P3，每个端口都由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器组成。单片机与外部设备交换信息时，都是通过端口进行的。,在进行写端口操作时，CPU将内部总线的数据经锁存器和输出驱动器送到端口引脚；在进行读端口操作时，将端口锁存器或引脚数据经输入缓冲器传送至内部数据总线。4个I/O端口都可作输入/输出口使用，其中P0口和P2口还可用于对外部存储器

29、或外部扩展设备的访问。,在扩展外部存储器或外部设备时，把P0口作为地址/数据总线口使用，分时输出外部存储器或外部设备的低8位地址和8位数据。当扩展的外部存储器或外部设备的地址为16位时，把P2口用作地址总线口，输出高8位地址。P3口除作通用I/O口外，其各位还可作为第二功能使用。,1、P0口 作用：通用I/O口 访问片外扩展存储器时，复用为低8位地址线和数据线。如图1-13所示为P0口的位结构图。,图1-13 P0口的位结构图,2、P1口 作用：通用I/O口 如图1-14所示为P1口的位结构图。,图1-14 P1口的位结构图,3、P2口作用：通用I/O口；高8位地址线。如图1-15所示为P2口

30、的位结构图。,图1-15 P2口的位结构图,4、P3口作用：通用I/O口。,如图1-16所示为P3口的位结构图。,图1-16 P3口的位结构图。,P3口第二功能如表1-1：,表1-1 P3口第二功能,（八）MCS-51内部数据存储器,MCS-51单片机的芯片内部有RAM和ROM两类存储器，即所谓的内部RAM和内部ROM，首先分析内部RAM。1、内部数据存储器低128单元 8051的内部RAM共有256个单元，通常把这256个单元按其功能划分为两部分：低128单元（单元地址00H7FH）和高128单元（单元地址80HFFH）。如图1-17所示为低128单元的配置图。,图1-17内部数据存储器低1

31、28单元配置图,低128单元是单片机的真正RAM存储器，按其用途划分为三个区域：,（1）寄存器区,共有四组寄存器，每组8个寄存单元（各为8位），各组都以R0R7作寄存单元编号。寄存器常用于存放操作数及中间结果等，由于它们的功能及使用不作预先规定，因此称之为通用寄存器，有时也叫工作寄存器。在任一时刻，CPU只能使用其中的一组寄存器，并且把正在使用的那组寄存器称之为当前寄存器组。到底是哪一组，由程序状态字寄存器PSW中RS1、RS0位的状态组合来决定。,（2）位寻址区,内部RAM的20H2FH单元，既可作为一般RAM单元使用，进行字节操作，也可以对单元中每一位进行位操作，因此把该区称之为位寻址区。

32、位寻址区共有16个RAM单元，计128位，位地址为00H7FH。如下图,表1-2为片内RAM位寻址区的位地址。,表1-2 片内RAM位寻址区的位地址。,（3）用户RAM区 在内部RAM低128单元中，通用寄存器占去32个单元，位寻址区占去16个单元，剩下80个单元，这就是供用户使用的一般RAM区，其单元地址为30H7FH。对用户RAM区的使用没有任何规定或限制。但在一般应用中常把堆栈开辟在此区中。2、内部数据存储器高128单元 内部RAM的高128单元是供给专用寄存器使用的，其单元地址为80HFFH。因这些寄存器的功能已作专门规定，故而称之为专用寄存器（Special Function Reg

33、ister），也可称为特殊功能寄存器。,（1）程序计数器（PCProgram Counter）（2）累加器（ACCAccumulator）（3）B寄存器（4）程序状态字（PSWProgram Status Word）,专用寄存器（SFR）简介,PSW各位定义如表1-3,5、数据指针（DPTR）6、堆栈指针（SP-Stack Pointer）,表1-3 PSW各位定义,表1-4 MCS-51专用寄存器地址表,对专用寄存器的字节寻址问题作如下几点说明：,21个可字节寻址的专用寄存器是不连续地分散在内部RAM高128单元之中，尽管还余有许多空闲地址，但用户并不能使用。程序计数器PC不占据RAM单元，

34、它在物理上是独立的，因此是不可寻址的寄存器。对专用寄存器只能使用直接寻址方式，书写时既可使用寄存器符号，也可使用寄存器单元地址。表中凡字节地址不带括号的寄存器都是可进行位寻址的寄存器，而带括号的是不可位寻址的寄存器，如表所列。全部专用寄存器可寻址的位共83位，这些位都具有专门的定义和用途。这样加上位寻址区的128位，在MCS-51的内部RAM中共有128+83=211个可寻址位。,（九）MCS-51内部程序存储器,MCS-51的程序存储器用于存放编好的程序和表格常数。8051片内有4KB的ROM,8751片内有4KB的EPROM，8031 片内无程序存储器。MCS-51 的片外最多能扩展64K

35、字节程序存储器，片内外的ROM是统一编址的。如端保持高电平,8051 的程序计数器PC在0000H0FFFH地址范围内(即前4KB地址)是执行片内ROM中的程序，PC1000HFFFFH地址范围时,自动执行片外程序存储器中的程序，当当保持低电平时，只能寻址外部程序存储器,片外存储器可以从0000H开始编址。,有一组特殊单元是0003H002AH。共40个单元，这40个单元被均匀地分为五段，作为五个中断源的中断地址区。其中：,0003H000AH 外部中断0中断地址区000BH0012H 定时器/计数器0中断地址区0013H001AH 外部中断1中断地址区001BH0022H 定时器/计数器1中

36、断地址区0023H002AH 串行中断地址区,中断响应后，按中断种类，自动转到各中断区的首地址去执行程序。因此在中断地址区中理应存放中断服务程序。但通常情况下，8个单元难以存下一个完整的中断服务程序，因此通常也是从中断地址区首地址开始存放一条无条件转移指令，以便中断响应后，通过中断地址区，再转到中断服务程序的实际入口地址去。,返回,（十）节电工作 MCS5l系列单片机有HMOS和CHMOS两种工艺芯片，其中CHMOS芯片具有功耗小的优点。为进一步降低单片机应用系统的功耗，CHMOS单片机还可通过对特殊功能寄存器PCON的PD位和IDL位的选择，使其工作在等待工作方式和掉电工作方式，特殊功能寄存

37、器PCON每位定义如图1-22所示。如果同时将PD位和IDL位置1，则优先执行掉电工作方式。HMOS单片机的特殊功能寄存器PCON只有SMOD位有定义，其余4位仅CHMOS单片机才有定义。因此，在使用时应注意二者的区别，避免对没有定义位操作。,图1-22 特殊功能寄存器PCON位定义,1、等待工作方式 当特殊功能寄存器PCON的IDL=1 时，CHMOS单片机便工作在等待工作方式。CHMOS单片机工作在等待工作方式时，CPU无时钟，但振荡器继续工作，中断、串行口和定时器模块继续工作，栈指针、程序计数器、程序状态字、累加器和所有其他寄存器的内容保持不变。在等待工作方式期间，ALE和PSEN保持高

38、电平，口的引脚保持进入等待工作方式时的状态。,2、掉电工作方式 当特殊功能寄存器PCON的PD=l时，CHMOS单片机便工作在掉电工作方式。CHMOS单片工作在掉电工作方式时，片内振荡器停止工作，单片机停止一切操作，但片内RAM和特殊寄寻存器的内容保持不变。在掉电工作方式期间，口的引脚输出各自SFR的内容。ALE和PSEN输出为低电平。在掉电工作方式期间，电源Vcc能降至2V，但要保证在掉电工作方式开始前电源Vcc不低于正常值，并且在结束掉电工作方式前使电源Vcc恢复到正常值。,退出掉电工作方式的唯一办法是硬件复位。由于在掉电工作方式期问时钟振荡器停止工作，因此，复位脉冲必须保持足够的宽度，以

39、确保时钟振荡器重新启动并达到稳定的工作状态。复位脉冲的持续时间一般不小于10ms。,（十一）爆炸性环境用单片机应用系统的设计 爆炸性环境用单片机应用系统的设计一般包括技术性能指标的确定、电气防爆型式的选择、软硬件功能的划分、芯片的选择、抗干扰设计、电气防爆设计等内容。,1、系统设计与防爆设计（1）技术性能指标的确定 技术性能指标是单片机应用系统的设计依据和最终目标，它贯穿着整个设计工作。在确定技术性能及指标时，要根据用户对系统的使用要求，并参考现有国内外类似系统的技术性能指标、综合考虑技术先进性、易操作维护性、系统可靠性、生产工艺的复杂性和经济效益等因素，提出比较合理的技术性能指标，并查阅有关

40、技术标准，使之标准化、规范化。当然，技术性能指标在系统的研制过程还将进一步完善和修改，使系统具有较高的性能价格比。,（2）防爆设计 单片机应用系统的防爆型式主要以本质安全型为主，这是由于本质安全型电气设备与其他类型的防爆电气设备相比，具有体积小、重量轻、制造工艺简单、成本低等优点，特别是本质安全电路无论在正常工作状态，还是在规定的故障状态下都是安全的。本质安全防爆的原理是：通过合理选择电气设备的电路和电路参数，使电路在正常工作和规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不致引起周围可燃性气体的燃烧或爆炸。因此，本质安全型防爆单片机应用系统应是低电压、小电流和小功率系统。对于难以满足这些条件的系统电

41、源和大功率路一般采用本质安全型和隔爆型或本质安全型与浇封型的复合防爆型式，如：隔爆兼本质安全型电源等。,在设计本质安全型电路时，首先应设计好本质安全型电源。当输出端发生短路等故障时，应具有保护功能，并当故障排除后，应能自动恢复正常。对于输出电流较大、电压较高、功率较大的电源，还应采用快速切断或保护措施。在设计本质安全电源的负载时，应考虑尽量减少负载中的储能元件和容量，尽量不采用电感、电容等元件。必须使用时，应尽量减小其电感量或电容量。同时，应尽量减小负载的工作电压、工作电流和功率。对于参数变化后或故障后将影响电路本质安全防爆性能的电阻、电容、电感、变压器、晶体管等元件，在正常工作和规定的故障状

42、态下的电流、电压和功率应不大于其额定值的三分之二。,（3）功能划分 软、硬件功能的划分就是根据所确定的技术性能指标确定哪些功能由单片机来完成，哪些功能由外部接口电路来完成，哪些功能由外围数字电路或模拟电路来完成，哪些功能由传感器和执行机构来完成，哪些功能由软件来完成。在功能的划分上，为了简化硬件结构，减小功耗，便于本质安全防爆，降低成本，凡能够用软件、单片机及其少量外部电路完成的功能，应尽量由它们完成，但也要考虑软件开发的工作量。在芯片的选择上，除应选择功耗较低的芯片外，还应兼顾经济合理性，并考虑市场的供货情况。一般地讲，应选择技术先进、销量较大的芯片，这样会获得较高的性能价格比。,2、抗干扰

43、设计 单片机应用系统的抗干扰设计是系统设计的重要内容之一，因为电磁干扰不但会造成较大的系统误差，还会使系统死机无法工作。系统干扰主要有：空间干扰(通过电磁波辐射窜入系统)、通道干扰(通过信号输入输出通道窜入系统)和电源干扰(通过电源窜入系统)。（1）硬件抗干扰措施 空间干扰一般用屏蔽外壳和外壳接地的方法来解决。,电源干扰通常采用变流稳压器、隔离变压器、低通滤波器、平滑滤波器和板上稳压等办法来解决，如图1-23所示。交流稳压器可以解决交流电源过压与欠压。隔离变压器就是在+之间用接地的屏蔽层隔离，从而减小初、次级之间的分布电容，减少高频干扰。这是因为电源的高频干扰主要是通过初、次级间的分布电容耦合

44、到次级的。低通滤波器通常与隔离变压器次级相连，滤除变压器次级输出的高次谐波，改善电源波形。在高次谐波较严重的情况下，还可在隔离变压器的初级与交流稳压器之间接入低通滤波器。平滑滤波器置于直流整流电源输出，滤除50Hz工频干扰和其他交流成分，降低直流电源的交流纹波电压。为消除负载波动所引起的耦合干扰，系统中的各功能板应采用独立的直流稳压电路，一般由三端稳压器和输入输出电容组成，如图1-24所示。输入输出电容一般选独石电容。各功能板单独稳压不仅可以消除耦合干扰，而且可以降低对总电源输出的要求，便于稳压散热。,通道干扰主要用光电隔离的办法来解决，对于信号频率较高、传输距离较远的输入输出通道，还应使用双

45、绞线传输，并注意阻抗匹配。双绞线能使每一扭绞线段之间的电磁感应干抗相互抵消。传输线阻抗匹配就是使负载阻抗等于传输线的传输阻抗。当传输线阻抗匹配时，系统无信号电磁波反射，反之，有反射。传输线的特性阻抗除与本身特性有关外，还与所传输的信号频率有关。若传输线的分布电阻为R，分布电容为C，分布电感为L，分布电导为G，所传输信号的角频率为，则传输线的特性阻抗Zc为：,传输线的分布电阻R、分布电容C、分布电感L、分布电导G分别是指传输线单位长度上的电阻、电容、电感和电导的大小。光电隔离能有效地抑制尖峰脉冲及各种高频干扰，并利于本质安全防爆隔离，是减少通道干扰和本质安全防爆隔离的主要措施之一。光电隔离通常使

46、用光电耦合器作隔离元件。光电耦合器具有输入电阻小(一般为1001k之间)、隔离电压高(输入回路与输出回路之间隔离电压一般为15007500V)、绝缘电阻大(输入回路与输出回路之间绝缘电阻一般为10111012)、耦合电容小(输入回路与输出回路之间分布电容一般为0.52pF)、电流型输入等优点。因此，使用光电耦合器能实现输入输出通道与单片机系统的隔离，有效地抑制电压幅值较高，而能量较小、高频成分较高的干扰。,同时，实现了本质安全型防爆电气设备的电气隔离。光电耦合器是非线性器件，因此，对于模拟量信号输入或输出通道，应先将模拟量转换为数字量或频率量(频率型模拟量信号)，再用光电耦合器隔离输入至单片机

47、系统，而输出的数字量或频率量经光电耦合器隔离输出后，再转换成模拟量信号，如图1-25和图1-26所示。在一些对速度要求不高的系统中，通常将模拟量转换为频率量再转换为数字量，或将数字量转换为频率量再转换为模拟量，以减少光电耦合器的用量，降低设备成本和体积。在一些对速度要求较高的系统中，采用上述方案就难以满足高速的要求，通常将模拟量直接转换为数字量，或将数字量直接转换为模拟量，以满足高速的要求。但由于数字量需多路并行传输，因此，使用光电耦合器较多，设备体积较大，成本较高。,（2）印制电路板抗干扰设计 印制电路板抗干扰设计是抗干扰主要措施之一。印制板电路抗干扰设计主要包括印制电路板尺寸的选择、元器件

48、布置、地线布置、电源线布置、去稻电容配置等。印制电路板尺寸大小要适中，尺寸太大，印制线路加长、线路阻抗增大，供电质量难以保证。如果布线不当，将会加大负载波动耦合干扰和印制板电路间信号耦合干扰，并且成本高，印制板电路质量难以保证。尺寸大小，电磁器件对周围器件干扰大，不利于大功率器件散热。如果印制导线过细或过近，还会降低印制板可靠性，加大线间信号耦合干扰。,在器件布置上，应尽量将逻辑相关的元器件布置在一起，按信号流程布置器件。除此之外，还应尽量减小信号线长度和计算机总线长度，将模拟电路与数字电路分开布置，将高频电路与低频电路分开布置，将大功率元器件与小功率元器件分开布置，将电磁元器件单独布置。地线

49、要尽量加宽，以减少线路压降和负载耦合干扰。信号工作频率不小于1MHz的系统可采用单点接地，如图1-27所示。信号工作频率大于I0MHz的系统应采用多点接地，如图1-28所示。对于信号工作频率在ll0MHz之间的系统，应尽量采用多点接地，如果采用一点接地，接地线长度应不大于波长的l16。对于单点接地系统接地线应构成环路，以减小地线上的电位差，提高系统的抗噪声能力，地线布置如图1-29所示。如果系统中既有数字电路，又有模拟电路，应将数字地与模拟地分开布置，以减小相互之间的干扰。,电源线应尽量加宽，双面印制电路板的电源线应尽量与地线布置在对应的那一面，并与地线的走向尽量一致。在板上稳压电源输出端应并

50、接110uF的钽电解电容。在程序存储器、数据存储器、单片机、接口电路、总线驱动器等耗能较大的芯片的电源端与接地端之间并接00l01 uF的独石电容。每l5个低功耗集成电路使用1个001O1 u F的独石电容。逻辑电路未使用的输入端，应视逻辑关系接至已使用门的输入端，或接地，或接电源。有可能产生火花的按钮、开关、继电器和接触器的接点，应并接RC电路吸收，一般R取l2k，C取2.24.7pF，如图1-30所示。继电器和接触器线圈，应反并续流二极管，如图1-31所示。为防止强电磁干扰使系统或部分寄存器错误复位，应在芯片的RESET复位端并接001uF独石电容。,（3）系统布线 系统布线除应将本安与非