基于單片機的煤礦主通風機監控系統設計

鄭 瑞，董萬福

(1.西華大學機械工程與自動化學院，四川成都 610039；2.成都大學工業制造學院，四川成都 610106)

基于單片機的煤礦主通風機監控系統設計

鄭 瑞1，2，董萬福2

(1.西華大學機械工程與自動化學院，四川成都 610039；2.成都大學工業制造學院，四川成都 610106)

針對煤礦通風機監測預警的現狀，設計了一個以89S52單片機為核心的煤礦主通風機監控系統.系統監測并顯示主通風機的軸溫和通風量2個運行參數，使用5個獨立連接式按鍵對裝置進行報警限值和串行通信設置.當通風機故障時，監控系統能自動進行聲、光報警并顯示故障原因.

通風機；AT89S52；監測系統；報警系統

0 引 言

煤礦主通風機是礦井4大固定設備之一，負責向礦井井下輸送新鮮空氣、沖淡有害氣體的濃度和帶走飛揚的煤塵.主通風機一般功率較大，且處于連續運轉狀態，其性能好壞直接關系到礦井的安全生產[1].然而，我國煤礦通風機監控系統雖然有較長時間的發展，但總體還比較落后，很多礦井對通風機的監測，還停留在人工看表、定時記錄的方式上，所記錄的數據主要依靠工人的自覺行為和經驗，使數據難以準確和全面地反映通風機的運轉情況，難以發現安全隱患[2].基于此，本研究設計了一種煤礦主通風機監控系統，該系統能通過串行通訊方式將通風機各運行參數傳輸至煤礦管理部門的上位機，從而實現煤礦通風機的遠程在線監測.

1 系統總體設計

1.1 系統功能

本研究設計的煤礦主通風機監控系統具體實現了以下功能:①實時采集主通風機的軸溫、通風量兩個運行參數，并將通風機的運行狀態直觀、清晰地顯示在液晶屏上；②實時將通風機的運行狀態上傳給上位機，實現遠程在線監控；③當通風機出現運行故障時，及時進行聲光報警；④可使用鍵盤進行報警限值和串行通信設置，且界面友好，操作簡單；⑤裝置可靠性高，有一定抗干擾能力，可長時間穩定工作.

1.2 系統組成及工作過程

監控系統組成包括:單片機、溫度和風壓傳感器、A/D轉換器、液晶顯示模塊、報警電路(LED、蜂鳴器)、鍵盤、片外EEPROM存儲器、串行通信接口及電源模塊.其結構如圖1所示.

圖1 監控系統結構示意圖

監控系統的工作過程為:通電狀態下，在復位電路的作用下，AT89S52單片機自動復位，開始執行程序；系統初始化完成后，首先判定“功能”鍵是否按下，若沒有按下，則系統根據上次啟動時的設定值(存儲在EEPROM中)進入監測狀態，通過傳感器采集的數據，實時監測通風機的運行狀態并顯示和超限報警；若“功能”鍵按下，則根據按下的次數進入相應的設定子程序，進行系統的報警值設定和串行通信設定，“確定”鍵按下將設定值存入EEPROM中完成設定，然后系統再進入通風機監測狀態.

1.3 系統技術指標

根據煤礦主通風機的一般運行狀況，本監控系統滿足如下的技術指標:

1)傳感器路數.通風機軸承箱中每根軸承上安裝1個鉑端面熱電阻溫度計分度號(Pt100)；一路壓差傳感器(CP200).

2)測量范圍及精度.軸溫測量范圍:-50～150℃，精度:±0.1%；風壓壓差量程:0～ 100 Pa，精度:±2 Pa.

3)報警限值.溫度報警上限為80±2℃；通風機停風報警.

2 系統硬件設計

根據系統的總體設計和所需實現功能的需要，CPU采用AT89S52單片機，40引腳雙列自插(DIP)封裝.該單片機為低電壓，高性能CMOS 8位單片機[3]，具有8 K在系統可編程Flash，無需專用編程器，與標準的MCS-51指令系統及8052產品引腳完全兼容.

2.1 液晶顯示電路設計

系統液晶模塊采用長沙太陽人有限公司的SMG12864A LCM.該模塊顯示容量為128×64點陣，工作電壓為4.5～5.5 V，工作電流為5.1 mA(5.0 V)，點尺寸為0.48 mm×0.48 mm.模塊與單片機之間采用直接連接方法，即總線連接方式.SMG12864液晶模塊與單片機直接連接方式接口電路如圖2所示.其中負電源由模塊上的VEE(-10 V輸出)端口獲得，單片機讀寫選通引腳通過與非門(74LS00芯片)與液晶模塊的E引腳連接，I/O口P0連接八個并行數據口，P2口其中的4個分別接液晶模塊的CSA、CSB、R/W和D/I引腳.由于本系統為電源線供電，且為了方便工作人員隨時了解通風機的運行狀態，液晶背光采用持續點亮的工作方式，背光電源正極通過5.1 Ω，0.5 W電阻接VCC，負極接地.

圖2 液晶與單片機連接圖

2.2 鍵盤設計

由于系統只在進行報警值和串行通信設置時用到鍵盤，所以按鍵只設計了5個，分別為“功能”、“確定”、“左”、“右”、“上”.“功能”鍵用來切換“實時顯示”、“通信設置”、“報警值設定”3個顯示界面；“左、右”鍵用來移動光標；“上”鍵用來使參數值加1并在“0”～“9”之間循環；“確定”鍵存儲設定值.5個按鍵不論采用獨立連接式還是矩陣式鍵盤，都需要占用單片機5個I/O口，因此采用獨立連接式設計，以簡化鍵盤結構，方便編程.鍵盤電路設計如圖3所示.

圖3 獨立式鍵盤

2.3 片外EEPROM存儲電路設計

EEPROM選用CATALYST公司的CAT24WC04芯片，其作用是保存設定的報警值和串行通信波特率.由于EEPROM掉電后存儲內容不消失，因此操作人員一次設定好系統的報警值后，無需在每次啟動監控系統時重新設定各參數，操作方便.CAT24WC04是一個串行CMOS EEPROM，內部可存儲4K字節數據，通過I2C總線接口進行操作，有一個專門的寫保護功能.

系統中，芯片器件地址選擇引腳A0，A1，A2接地，器件地址為000.寫保護端WP接地，允許器件進行正常讀、寫操作.串行時鐘輸入端SCL接單片機P3.2，器件發送或接受時鐘由單片機軟件實現.串行數據/地址輸入/輸出端SDA接P3.3，用于器件所有數據的發送或接收.由于芯片SCL、SDA兩端口為漏極開路，因此經10K上拉電阻接Vcc.電路連接如圖4所示.

圖4 EEPROM電路連接圖

2.4 報警系統設計

聲光報警模塊如圖5所示.NPN型三極管基極接單片機P3.5口，當P3.5口為低電平時三極管導通.為了減少I/O口的使用數量，將發光二極管和蜂鳴器兩電路并聯，由一個I/O端口控制.報警時，P3.5口輸出高低脈沖電壓，蜂鳴器發聲報警.脈沖電壓使發光二極管閃動，但由于脈沖頻率較高和人眼的視覺暫留效用，使二極管看起來像一直發亮，不過亮度會有所降低.LED不需要太大的驅動電流，只要一個普通NPN型三極管，串聯1K的限流電阻即可.蜂鳴器電路中采用9013型三極管，該型三極管是一種低電壓、大電流、低頻NPN型三極管，可作為音頻放大和收音機1W推挽輸出，適用本裝置蜂鳴器.

圖5 報警電路圖

3 系統軟件設計

圖6 主程序流程圖

系統的軟件程序使用Keil uVision2軟件，C語言編寫，采用模塊化與結構化設計，并應用軟件抗干擾技術，軟件的可靠性好，可維護性強.程序模塊包括:①主程序，主程序流程如圖6所示；②參數設置程序，完成裝置的串行通信和報警值設定；③EEPROM存儲程序，存儲報警值；④報警子程序，完成超限報警；⑤液晶顯示子程序，顯示漢字和字符；⑥采樣程序，有溫度采樣程序和風量采樣程序；⑦抗干擾出錯程序，程序跑飛時能被陷阱捕獲，被抗干擾程序處理，返回復位狀態重新啟動系統.

4 系統抗干擾設計

煤礦主通風機屬于大功率用電設備，且經常處于不間斷運行狀態，因此對該監控系統的抗干擾能力和可靠性提出了較高的要求.監控系統受干擾的因素主要有動力電纜產生的電場或磁場干擾，供電系統引起的電源噪聲干擾，信號輸入模塊通道間可能存在耦合，造成通道間串擾，系統接地點之間存在電位差，產生環電流造成干擾.

鑒于上述可能的干擾因素，本系統在硬件設計中采取了相應的隔離和抗干擾措施，如將電源線和信號線分開布置，信號線采用屏蔽線，并將屏蔽層良好接地；各傳感器輸出信號采用直流信號，增強抗干擾能力；單片機系統采用UPS穩壓電源供電，防止供電系統的電源干擾等.同時，本系統軟件具有自復位能力，受到強干擾時，系統能自動復位，初始化后繼續正常工作.經過抗干擾措施處理的輸入信號穩定可靠，確保了監控系統的穩定可靠運行.

5 結 語

本研究以實際工程應用為背景，設計了一種基于單片機89S52為核心的煤礦主通風機監控系統，并對該系統的硬件接口電路以及軟件開發流程進行了具體設計.該設計方法成本低，軟、硬件設計簡單，系統開發周期短，運行穩定可靠.本系統能有效地監測煤礦主通風機的運行狀態，為煤礦的安全生產提供保證.

:

[1]韓向鋒.煤礦主通風機監控系統的研究[D].淮南:安徽理工大學，2009.

[2]陳士瑋，胡亞非.礦井主通風機在線監測監控現狀及展望[J].礦業安全與環保，2000，29(2):30-32.

[3]張俊謨.單片機中級教程:原理與應用[M].北京:北京航空航天大學出版社，2006.

[4]精電國際集團.內藏HD61202及其兼容控制驅動器圖形液晶顯示模塊使用手冊[R].北京:北京精電蓬遠顯示技術有限公司，2001.

[5]范風強，蘭嬋麗.單片機語言C51應用實戰[M].北京:電子工業出版社，2003.

[6]王啟立.基于可編程控制器的煤礦主通風機監控管理系統[J].煤炭工程，2007，54(7):94-96.

Design of Main Ventilator Monitoring System in Coal Mine Based on Single-Chip Microcomputer

ZHENGRui1，2，DONGWanfu2
(1.School of Mechanical Engineering and Automation，Xihua University，Chengdu 610039，China；2.School of Industrial Manufacturing，Chengdu University，Chengdu 610106，China)

Based on current situation of the ventilator monitoring early warning technology in coal mine，this paper applies computer technology to design a coal mine main ventilator monitoring system with 89S52 single-chip microcomputer as the core.The system monitors and displays two operation parameters-axle temperature and ventilation rate of main ventilator，and can use five independent connection-type buttons to give alarm limit and serial communication settings.When the ventilator fails，the monitoring system can automatically activate sound and light alarm and show the causes of failure.

ventilator；AT89S52 ；monitoring system ；alarm system

TP273+.5

A

1004-5422(2013)02-0162-04

2013-03-14.

鄭 瑞(1986—)，男，碩士研究生，從事計量測試儀器與技術研究.