基于单片机的煤矿主通风机监控系统设计

郑 瑞，董万福

(1.西华大学机械工程与自动化学院，四川成都 610039；2.成都大学工业制造学院，四川成都 610106)

基于单片机的煤矿主通风机监控系统设计

郑 瑞1，2，董万福2

(1.西华大学机械工程与自动化学院，四川成都 610039；2.成都大学工业制造学院，四川成都 610106)

针对煤矿通风机监测预警的现状，设计了一个以89S52单片机为核心的煤矿主通风机监控系统.系统监测并显示主通风机的轴温和通风量2个运行参数，使用5个独立连接式按键对装置进行报警限值和串行通信设置.当通风机故障时，监控系统能自动进行声、光报警并显示故障原因.

通风机；AT89S52；监测系统；报警系统

0 引 言

煤矿主通风机是矿井4大固定设备之一，负责向矿井井下输送新鲜空气、冲淡有害气体的浓度和带走飞扬的煤尘.主通风机一般功率较大，且处于连续运转状态，其性能好坏直接关系到矿井的安全生产[1].然而，我国煤矿通风机监控系统虽然有较长时间的发展，但总体还比较落后，很多矿井对通风机的监测，还停留在人工看表、定时记录的方式上，所记录的数据主要依靠工人的自觉行为和经验，使数据难以准确和全面地反映通风机的运转情况，难以发现安全隐患[2].基于此，本研究设计了一种煤矿主通风机监控系统，该系统能通过串行通讯方式将通风机各运行参数传输至煤矿管理部门的上位机，从而实现煤矿通风机的远程在线监测.

1 系统总体设计

1.1 系统功能

本研究设计的煤矿主通风机监控系统具体实现了以下功能:①实时采集主通风机的轴温、通风量两个运行参数，并将通风机的运行状态直观、清晰地显示在液晶屏上；②实时将通风机的运行状态上传给上位机，实现远程在线监控；③当通风机出现运行故障时，及时进行声光报警；④可使用键盘进行报警限值和串行通信设置，且界面友好，操作简单；⑤装置可靠性高，有一定抗干扰能力，可长时间稳定工作.

1.2 系统组成及工作过程

监控系统组成包括:单片机、温度和风压传感器、A/D转换器、液晶显示模块、报警电路(LED、蜂鸣器)、键盘、片外EEPROM存储器、串行通信接口及电源模块.其结构如图1所示.

图1 监控系统结构示意图

监控系统的工作过程为:通电状态下，在复位电路的作用下，AT89S52单片机自动复位，开始执行程序；系统初始化完成后，首先判定“功能”键是否按下，若没有按下，则系统根据上次启动时的设定值(存储在EEPROM中)进入监测状态，通过传感器采集的数据，实时监测通风机的运行状态并显示和超限报警；若“功能”键按下，则根据按下的次数进入相应的设定子程序，进行系统的报警值设定和串行通信设定，“确定”键按下将设定值存入EEPROM中完成设定，然后系统再进入通风机监测状态.

1.3 系统技术指标

根据煤矿主通风机的一般运行状况，本监控系统满足如下的技术指标:

1)传感器路数.通风机轴承箱中每根轴承上安装1个铂端面热电阻温度计分度号(Pt100)；一路压差传感器(CP200).

2)测量范围及精度.轴温测量范围:-50～150℃，精度:±0.1%；风压压差量程:0～ 100 Pa，精度:±2 Pa.

3)报警限值.温度报警上限为80±2℃；通风机停风报警.

2 系统硬件设计

根据系统的总体设计和所需实现功能的需要，CPU采用AT89S52单片机，40引脚双列自插(DIP)封装.该单片机为低电压，高性能CMOS 8位单片机[3]，具有8 K在系统可编程Flash，无需专用编程器，与标准的MCS-51指令系统及8052产品引脚完全兼容.

2.1 液晶显示电路设计

系统液晶模块采用长沙太阳人有限公司的SMG12864A LCM.该模块显示容量为128×64点阵，工作电压为4.5～5.5 V，工作电流为5.1 mA(5.0 V)，点尺寸为0.48 mm×0.48 mm.模块与单片机之间采用直接连接方法，即总线连接方式.SMG12864液晶模块与单片机直接连接方式接口电路如图2所示.其中负电源由模块上的VEE(-10 V输出)端口获得，单片机读写选通引脚通过与非门(74LS00芯片)与液晶模块的E引脚连接，I/O口P0连接八个并行数据口，P2口其中的4个分别接液晶模块的CSA、CSB、R/W和D/I引脚.由于本系统为电源线供电，且为了方便工作人员随时了解通风机的运行状态，液晶背光采用持续点亮的工作方式，背光电源正极通过5.1 Ω，0.5 W电阻接VCC，负极接地.

图2 液晶与单片机连接图

2.2 键盘设计

由于系统只在进行报警值和串行通信设置时用到键盘，所以按键只设计了5个，分别为“功能”、“确定”、“左”、“右”、“上”.“功能”键用来切换“实时显示”、“通信设置”、“报警值设定”3个显示界面；“左、右”键用来移动光标；“上”键用来使参数值加1并在“0”～“9”之间循环；“确定”键存储设定值.5个按键不论采用独立连接式还是矩阵式键盘，都需要占用单片机5个I/O口，因此采用独立连接式设计，以简化键盘结构，方便编程.键盘电路设计如图3所示.

图3 独立式键盘

2.3 片外EEPROM存储电路设计

EEPROM选用CATALYST公司的CAT24WC04芯片，其作用是保存设定的报警值和串行通信波特率.由于EEPROM掉电后存储内容不消失，因此操作人员一次设定好系统的报警值后，无需在每次启动监控系统时重新设定各参数，操作方便.CAT24WC04是一个串行CMOS EEPROM，内部可存储4K字节数据，通过I2C总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能.

系统中，芯片器件地址选择引脚A0，A1，A2接地，器件地址为000.写保护端WP接地，允许器件进行正常读、写操作.串行时钟输入端SCL接单片机P3.2，器件发送或接受时钟由单片机软件实现.串行数据/地址输入/输出端SDA接P3.3，用于器件所有数据的发送或接收.由于芯片SCL、SDA两端口为漏极开路，因此经10K上拉电阻接Vcc.电路连接如图4所示.

图4 EEPROM电路连接图

2.4 报警系统设计

声光报警模块如图5所示.NPN型三极管基极接单片机P3.5口，当P3.5口为低电平时三极管导通.为了减少I/O口的使用数量，将发光二极管和蜂鸣器两电路并联，由一个I/O端口控制.报警时，P3.5口输出高低脉冲电压，蜂鸣器发声报警.脉冲电压使发光二极管闪动，但由于脉冲频率较高和人眼的视觉暂留效用，使二极管看起来像一直发亮，不过亮度会有所降低.LED不需要太大的驱动电流，只要一个普通NPN型三极管，串联1K的限流电阻即可.蜂鸣器电路中采用9013型三极管，该型三极管是一种低电压、大电流、低频NPN型三极管，可作为音频放大和收音机1W推挽输出，适用本装置蜂鸣器.

图5 报警电路图

3 系统软件设计

图6 主程序流程图

系统的软件程序使用Keil uVision2软件，C语言编写，采用模块化与结构化设计，并应用软件抗干扰技术，软件的可靠性好，可维护性强.程序模块包括:①主程序，主程序流程如图6所示；②参数设置程序，完成装置的串行通信和报警值设定；③EEPROM存储程序，存储报警值；④报警子程序，完成超限报警；⑤液晶显示子程序，显示汉字和字符；⑥采样程序，有温度采样程序和风量采样程序；⑦抗干扰出错程序，程序跑飞时能被陷阱捕获，被抗干扰程序处理，返回复位状态重新启动系统.

4 系统抗干扰设计

煤矿主通风机属于大功率用电设备，且经常处于不间断运行状态，因此对该监控系统的抗干扰能力和可靠性提出了较高的要求.监控系统受干扰的因素主要有动力电缆产生的电场或磁场干扰，供电系统引起的电源噪声干扰，信号输入模块通道间可能存在耦合，造成通道间串扰，系统接地点之间存在电位差，产生环电流造成干扰.

鉴于上述可能的干扰因素，本系统在硬件设计中采取了相应的隔离和抗干扰措施，如将电源线和信号线分开布置，信号线采用屏蔽线，并将屏蔽层良好接地；各传感器输出信号采用直流信号，增强抗干扰能力；单片机系统采用UPS稳压电源供电，防止供电系统的电源干扰等.同时，本系统软件具有自复位能力，受到强干扰时，系统能自动复位，初始化后继续正常工作.经过抗干扰措施处理的输入信号稳定可靠，确保了监控系统的稳定可靠运行.

5 结 语

本研究以实际工程应用为背景，设计了一种基于单片机89S52为核心的煤矿主通风机监控系统，并对该系统的硬件接口电路以及软件开发流程进行了具体设计.该设计方法成本低，软、硬件设计简单，系统开发周期短，运行稳定可靠.本系统能有效地监测煤矿主通风机的运行状态，为煤矿的安全生产提供保证.

:

[1]韩向锋.煤矿主通风机监控系统的研究[D].淮南:安徽理工大学，2009.

[2]陈士玮，胡亚非.矿井主通风机在线监测监控现状及展望[J].矿业安全与环保，2000，29(2):30-32.

[3]张俊谟.单片机中级教程:原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社，2006.

[4]精电国际集团.内藏HD61202及其兼容控制驱动器图形液晶显示模块使用手册[R].北京:北京精电蓬远显示技术有限公司，2001.

[5]范风强，兰婵丽.单片机语言C51应用实战[M].北京:电子工业出版社，2003.

[6]王启立.基于可编程控制器的煤矿主通风机监控管理系统[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.

郑 瑞(1986—)，男，硕士研究生，从事计量测试仪器与技术研究.