基于AVR單片機的煤礦電氣設備性能試驗裝置研制

【摘要】 煤礦井下安全生產一直是我國安全生產工作的重點。本文在分析井下安全生產現狀和AVR單片機特點的基礎上，以AVR單片機為核心設計礦用電氣設備特性試驗裝置，裝置根據需要完成不同電壓等級、不同額定電流的電氣設備過載、短路、溫升等試驗操作。

【關鍵詞】 煤礦 電氣設備 試驗 特性

一、前言

目前國內煤礦安全生產現狀良好，井下安全生產事故總數、死亡人數和百萬噸死亡率逐年下降，但隨著開采強度和深度的增加，煤礦安全生產面臨新的挑戰。如何從本質上排除煤礦安全生產事故隱患是當今煤礦安全生產工作和安全科技研究的重點。礦用隔爆兼本質安全型多回路真空電磁起動器、礦用隔爆兼本質安全型真空饋電開關和礦用隔爆型照明信號綜合保護裝置等電氣設備是煤礦井下輸配電及安全生產所必需的設備，其在過載、短路及漏電時產生的火花容易引起井下瓦斯等可燃性氣體爆炸，導致安全生產事故發生?？梢姡_展煤礦井下電氣設備性能試驗裝置的研制，對于提高井下電氣設備質量、排除安全生產事故隱患和保證井下生產工作的順利開展具有十分重要的意義。

ATmegal 16L屬于在AVR單片機大家庭中一款新型高檔單片機，它的芯片內部集成了較大容量的數據存儲器和豐富的硬件接口電路。

ATmegal 16L具備AVR高檔單片機系列產品的全部優良性能，但由于其采用了小引腳封裝形式，所以價格和低檔單片機相似，使其成為所有AVR單片機中內部接口豐富、功能齊全、性能價格比最好的產品。ATmegal 16L單片機具有32個可編程I/O口，可以根據需求定義I/O口的輸入/輸出方向，輸出信號具有較強的驅動能力，能夠直接驅動LED等大電流負載。

ATmegal 16L單片機的大部分I/0端口為復用端口，即可以作為通用數字I/O，還可以作為芯片內部其他外圍電路的接口。

ATmegal 16L單片機具有三個定時/計數器，不僅具有常規的計數和定時功能，還具有信號捕捉、比較、實時時鐘計數及脈寬調制輸出等更為強大的功能。ATmegal 16L單片機具有8路10位ADC轉換器，可直接實現模擬信號和數字信號之間的相互的轉換。

二、試驗裝置研制

煤礦電氣設備性能試驗裝置主要完成礦用電氣設備的溫升、過載和短路特性試驗，試驗時將試品的三相串聯后通一試驗電流，然后對試品特定部位的溫升或保護器的動作時間進行測量，最后結合相關國家或行業標準對試品的性能進行判定。試驗裝置主要由大電流發生器、調壓電源和控制系統三部分組成，其中大電流發生器用于為試品通試驗電流，調壓電源用于為試品提供操作電源，控制系統以AVR單片機ATmegal 16L為核心，采用高精度多量程電流互感器、繼電器和計時器對試驗過程的變量進行測量和顯示。

2.1大電流發生裝置

大電流發生裝置采用多磁路組合產生不同容量的電流，通過萬能轉換開關旋轉切換到不同的組合方式，本文設計的試驗裝置共包含四個磁路，分別為兩個15KW和兩個30KW的磁路，其中一個15KW磁路的輸出電流值可調，另外一個15KW磁路和兩個30KW磁路輸出電流為固定值，通過不同的組合方式可以產生0-90KW的電流值，萬能轉換開關的檔位和輸出功率如下所示：

第1個“0”位：全部斷開；“1”位：可投入0～15KW可調；

第2個“0”位：全部斷開；“2”位：可投入0～15KW可調+15KW全壓；

第3個“0”位：全部斷開；“3”位：可投入0～15KW可調+30KW全壓；

第4個“0”位：可投入30KW全壓；“4”位：可投入0～15KW可調+15KW全壓+30KW全壓；

第5個“0”位：可投入30KW全壓；“5”位：可投入0～15KW可調+30KW全壓+30KW全壓；

第6個“0”位：可投入30KW全壓+30KW全壓；“6”位：可投入0～15KW可調+其余全壓，此時大電流發生裝置滿負荷。

操作面板上具有升壓、降壓開關，用于調整可調15KW磁路的輸出，從而調整到所需的輸出功率，可預調或帶流調整。在總電源接通時和磁路組合調整開關調到“0”位或越過“0”位時，該可調繞組的電壓將自動回零，以防止瞬間過載。

在自動回零過程中輸出電流調整按鈕中的升壓（紅色）按鈕會亮起警示，并輸出電流調整按鈕失效，同時該可調繞組不會被投入。電壓回零后且磁路組合調整開關不在“0”位時，紅鈕燈熄滅轉入正常。

2.2 煤礦電氣設備性能試驗裝置控制系統

煤礦電氣設備性能試驗裝置控制系統主要由AVR單片機最小系統、電流測量單元、信號轉換單元、IGBT、電機、操作按鈕和顯示單元組成（如圖1所示）。其中，AVR單片機最小系統是整個測量系統的核心，主要用于電流計算及發送控制指令給IGBT；電流測量單元是指多量程電流互感器，試驗線路導線從互感器的中心穿過，主要用于測量試品的電流值；信號轉換單元用于將電流互感器的輸出信號轉換成單片機可以識別的信號，并對信號進行濾波；IGBT用于控制電機的起動、運轉和停止；電機的主軸和大磁路發生裝置相連接，通過電機旋轉調整大電流發生裝置的輸出；操作按鈕用于外界向單片機輸入控制指令；顯示單元用來顯示試品的電流，同時也可以用于顯示試驗時間。

三、結束語

煤礦電氣設備的性能直接制約煤礦井下安全生產工作能否順利開展。本文結合AVR單片機開發煤礦電氣設備性能試驗裝置，并對大電流發生裝置的原理進行分析，最后設計了煤礦電氣設備性能試驗裝置控制系統。試驗裝置能夠按照標準要求完成礦用電氣設備特性試驗，具有結構簡單、性能穩定及可靠性強等特點。