露天條形煤堆防自燃監控系統設計

張春光+李波+歐陽興東+何楚峰+于欽祥+田新宇

摘 要：火電廠儲煤場會存在煤自燃問題，煤的自燃與復雜環境和煤自身特性有關。無論何種原因，煤的自燃都會給電廠帶來重大損失，甚至對人員生命安全造成巨大危害。研究發現，煤自燃過程中的溫度變化非常明顯且具有代表意義。因此，有效的監控儲煤溫度，對自燃臨界溫度進行及時預警，可以使工作人員對儲煤進行及時處理，從而達到消除自燃隱患、有效保證火電廠原料的生產安全及降低煤炭不必要的損耗。本文以煤堆溫度檢測和無線傳輸為主要設計重點。在設計中，采用STC89C52單片機控制DS18B20溫度傳感器和NRF24L01+無線數傳模塊。該系統精度高、測溫范圍廣、無線傳輸距離遠。

關鍵詞：煤堆防自燃監測系統；單片機控制；無線模塊；溫度傳感器

中圖分類號：P618 文獻標志碼：A

0前言

我國是一個煤炭大國，火力發電在未來很長的時期內仍將是我國電力的主要來源。在我國，以煤炭為燃料的火力發電廠約占火電廠總數的70%，因此煤在火力發電企業中占據極其重要的地位。根據電力系統規定，為確保燃煤機組的正常運行，火電廠必須要有一定的煤炭儲備量，一般應爭取有不低于15天左右的煤炭庫存，而這些煤炭都必須由場地堆放，這也是儲煤場的作用所在。由此也引發了一些安全隱患，其中最突出的便是煤的自燃。煤的自燃如果處置不當，不僅造成巨大的經濟損失，還會危及人員與設施的安全。因此，如何防止煤的自燃就成為火電廠儲煤場最為關心的問題之一。

溫度變化是煤堆自燃的明顯標志，也是防止煤自燃的主要監測依據。然而，火電廠儲煤場工作條件和現場環境相對較為惡劣，工作人員不能長時間停留在現場進行測溫，如果能把煤堆的溫度傳輸到與儲煤場現場有一定距離且環境較好的監控室內，就產生了數據傳輸問題。由于廠房大、需要傳輸數據多，使用傳統的有線數據傳輸方式就需要鋪設很多很長的通信線，浪費資源，占用空間，可操作性差，出現錯誤換線困難。為了防止這一系列不必要的問題發生，本設計采用無線數據傳輸方式，不用通信線，就從根本上避免了這些問題。采用無線傳輸溫度這一方案，可以使得儲煤場工作人員擺脫原有的傳統煤堆溫度監測方案，節省人力，同時也減少了儲煤現場復雜工況給監測人員人身安全帶來的潛在威脅。

1 監控系統總體設計

本系統采用STC89C52RC單片機為主控芯片，采用美國DALLAS半導體公司生產的溫度傳感器DS18B20作為溫度檢測元件，測溫范圍為-55～125℃，最高分辨率可達0.0625℃。發射與接收電路采用NRF24L01+作為發射與接收元件，傳輸距離可達2000m。顯示電路采用LCD1602顯示屏。按照系統設計功能的要求，確定系統由6個模塊組成：主控制器、測溫電路、發送電路、接收電路、顯示電路和報警電路，如圖1所示。

2 無線傳輸電路模塊設計

NRF24L01+是一款工作在2.4～2.5GHz 世界通用ISM 頻段的單片無線收發器芯片。無線收發器包括：頻率發生器、解調器、增強型SchockBurst模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器調制器。輸出功率頻道選擇和協議的設置可以通過SPI接口進行設置。本設計采用AS01-ML01DP5無線通信模塊。AS01-ML01DP5是一款2.4GHz，100mW，高速（最高空中速率可達2Mbps）高穩定性，工業級的無線收發一體數傳模塊，模塊采用NORDIC原裝NRF24L01+射頻芯片與RFX2401C功放芯片，內建LNA，接收靈敏度提高10dBm，該模塊發射功率足，頻譜特性好，諧波小，頻道串擾小，體積小，符合工業級標準。

如圖2所示，在發送端將NRF24L01+的各引腳與52單片機P2口相連，電源接口選用3.3V。接收端，是與MCU的接口發生變化，連接了P1口。本質上，發送和接收端的NRF24L01+模塊是完全一樣的，編程時進行設置，使得一個芯片負責發送，另一個負責接收。

3 控制軟件系統設計

3.1 下位機軟件設計

如流程圖3所示，發送部分主程序設計思路是單片機先控制DS18B20采集溫度，接收到二進制的溫度值后，再經過計算轉化為十進制數，將處理后的溫度值送入NRF24L01+的發射部分，然后將數據發送出去。將這一過程設置為循環執行內容，便可實時檢測和發送溫度。

3.2 上位機軟件設計

上位機由單片機控制1602顯示屏以及NRF24L01+無線接收部分，主要功能是接收下位機發送的溫度值，將溫度值在顯示屏上顯示出來，同時判斷溫度值是否達到報警溫度上限，如果溫度超限，就啟動聲光報警。另外的按鍵電路主要是設置溫度上限值，在此流程圖4中不予顯示。

3.3 無線發送模塊程序設計

此模塊在開始工作之前要先執行初始化步驟，這一步的作用主要是配置單片機輸入/輸出口和SPI有關的各種寄存器，使得單片機可以和NRF24L01+通信。利用SPI總線，完成對無線芯片的設置使其進入對應的工作狀態，如圖5所示。

3.4無線接收模塊程序設計

無線接收模塊開始工作，首先需要判斷是否接收到數據，這時就得借助NRF24L01+有關寄存器的狀態來判斷。如果接收到數據，那么進行讀數據操作，然后發送到MCU中；若無數據接收，則繼續判斷等待。接收數據后，要進行清除中斷以及清空寄存器操作，以便下次接收的進行。流程如圖6所示。

結論

本文針對露天條形煤堆防自燃監控系統的設計利用STC89C52單片機控制DS18B20溫度傳感器測溫以及NRF24L01+無線傳輸數據，然后在上位機顯示具體溫度，并且在溫度達到限值后報警。經過實物測試，無線通信距離在500m以上，測溫精度高，報警反應靈敏，能滿足現場的基本要求。

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