智能电表在煤矿安全监控系统中的应用

杨 韬，邓 杰

(1.安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001;2.淮南供电公司，安徽 淮南 232007)

近年来，随着国家对煤炭需求量的增加，煤矿开采的规模也在日益扩大，伴随而来的煤矿安全问题也备受关注，井下安全事故频频发生，严重威胁着工人的人身安全。电能作为目前最广泛的清洁能源，在煤矿生产中起着决定性的作用，井下设备电能质量检测的准确性和实时性直接关系着煤矿安全生产的顺利进行。

基于51单片机的智能电表系统能够实时监测矿井下各支路设备的用电情况，对采集到的电能信号进行存储、处理，通过RS－485分布式通信网络传递到地面安全监控系统［1］，相比于传统的机械式电表不但方便了工作人员对设备用电量的统计，避免下井抄读数据，而且在井下出现异常险情时能够通过地面远程终端及时切断井下设备的电源，避免造成更大的损失。

1 设计方案

煤矿安全监控系统是利用计算机技术、网络通信技术对矿井下电能、瓦斯浓度、氧气浓度、二氧化碳浓度、压力、温湿度、风速、风门状态等环境因素进行实时检测，并根据检测参数去控制安全装置、报警装置、生产设备、执行机构等功能的系统。具有及时、准确、安全可靠等优点，保障矿井的安全，增强矿井的抗灾能力。

智能电表是基于计算机应用、微电子、网络通信等技术，采用微控制器STC89C52对电能实现采集、管理、网络通信等功能的电能表［2］。集成电路ADE7755能够准确地测量设备消耗的有功功率，实现数据实时采集。系统中数据的传递采用RS－485串口通信方式，属于物理层的协议标准，具有传输速度快、传输距离远、组网方便、抗干扰性好等特点。

2 硬件设计

智能电表系统主要由三大功能模块组成，分别是数据采集模块、数据处理模块和网络通信模块。为了提高电表的稳定性和抗干扰能力，在各模块之间分别通过光电耦合器进行隔离，硬件结构框图如图1所示。

图1 智能电表硬件结构框图

2.1 数据采集模块

智能电表的数据采集模块由ADI公司生产的低成本、高精度电能芯片ADE7755及其相关外围电路组成，在500:1的动态范围内非线性测量误差小于0.1%，符合IEC1036规定的技术指标。ADE7755内部包含两路16位的模数转换器，分别处理线路中的电流、电压信号，一个电源监控电路和用来计算有功功率的信号处理电路。

集成电路ADE7755对流入的电流、电压信号进行放大后送入模数转换器进行数字化，再将数字化的两路信号直接相乘得到瞬时功率。瞬时功率分为有功功率和无功功率，还需要通过低通滤波器才能得到有功功率。该处理过程由于在集成电路内部进行，所以具有很好的抗干扰能力［3］。

2.2 数据处理模块

单片机是将中央处理单元、存储器、输入/输出端口等集成在一个芯片中的微型计算机，数据处理模块以8位单片机STC89C52为核心，选用E2PROM 24C02为存储器，1602为现场终端显示器。

STC89C52主要对数据采集模块传递过来的电能信号进行统计、存储与计算等工作，并将处理后得到的电能数据和费用等参数一方面显示在终端显示器1602上，另一方面通过串口传递给RS－485分布式通信网络实现与煤矿安全监控系统的远程通信与控制。当井下出现设备短路、断电等异常情况时，STC89C52将当前数据存储到E2PROM，在设备恢复正常工作时读取存储器中的数据到显示器中。

2.3 网络通信模块

智能电表区别于传统式电能表的关键在于其具有网络通信功能，简单有效的有线通信方式RS－485串口通信，具有连接方便、抗干扰性好、距离远、速率高等特点［4］。

RS－485采用双绞线传输差分信号，用总线型网络拓扑结构实现一点多址的分布式通信网络［5］，具有良好的信号保密和抗干扰能力，如图2所示。煤矿安全监控系统中基于RS－485的本地数据传输系统主要由远程监控终端、数据集中器、数据采集器、智能表计等组成。

图2 智能电表通信网络

3 软件设计

智能电表的软件设计是其真正实现智能化的基础，与地面监控系统的通信以及井下单片机对数据的处理和显示等功能都将由软件设计来实现，软件程序的编写直接影响着智能电表的稳定性和准确性。

STC89C52对采集到的电能信号采用中断的方式进行统计，单片机主要有5种中断方式分别为外部中断0/1，定时器/计数器中断0/1，串口中断。本设计采用了外部中断0的方式，初始化设置如下:

智能电表的现场终端采用1602作为显示器，1602是点阵字符型液晶显示模块，是由若干点阵块组成的显示字符群，每一个点阵块为一个字符位。其初始化设置如下:

STC89C52通过串口将处理后的数据传递到RS－485通信网络，单片机中常用的通信方式是通用异步传输(UART)。将需要传输的8位数据放入串行缓冲器(SBUF)中，微控制器会一位一位地将数据发送到网络中。串口输出函数程序如下:

4 小结

基于51单片机设计的智能电表具有低成本、高精度等特点，采用远距离传输网络完成煤矿井下设备用电情况的自动采集与传输，避免了人工下井存在安全隐患的发生。软件设计与硬件设计的相互结合提高了智能电表在井下恶劣环境中的稳定性和抗干扰能力，通过实际测试运行正常，且具有一定的推广价值。

［1］王志敏.嵌入式以太网技术在煤矿监控系统中的应用［J］.煤矿机械，2011，32(4):231－232.

［2］张莉.单片机控制的数字式电度表［J］.煤矿机械，2006，27(8):105－106.

［3］时志娜，董爱华，孙士栋，等.基于芯片ADE7755单相电能计量电路的设计［J］. 微计算机信息，2009，25:203－204.

［4］闫成华，周余，都思丹.基于嵌入式Linux的RS485通信协议［J］.计算机工程，2008，34(11):278－280.

［5］刘建戈.电能表RS485多系统通信方式分析与应用［J］.电测与仪表，2009(12):99－101.