矿用管道二次流量仪表设计

苗 磊， 乔田亮

(1.淮南师范学院， 安徽 淮南 232038；2 淮南矿业集团， 安徽 淮南 232038)

矿用管道型流量计一次仪表是用于煤矿井下或地面瓦斯抽放管道情况流量监测的仪器，而矿上的管道位置与走向不定，导致安装点不方便监测、设置操作，如果管道长，监测点远，传输线长，上传到监控室的数据就极不稳定，易产生误判误操作。因此，此处设计了一种本质安全兼隔爆型二次仪表，用来检测一次仪表送上来对应流量方波信号，与一次仪表同步显示，精度高，能稳定上传数据，可与国内各类型监测系统配套，具有无线遥控，便于监测与设置操作，极大方便了煤矿技术员。

1 方案设计

根据煤矿现场应用需求，设计的二次仪表应能设置流量量程范围为50～800 m3/min，能检测一次仪表送上来对应当前流量的方波信号频率为200～1 000 Hz脉冲信号，峰值7 V，其中，信号在0～49 Hz为现场断线，50～200 Hz为干扰，200～1 000 Hz显示对应所设置量程的当前流量值，显示结果与一次仪表实时同步，同时能上传数据，带负载能力强，精度高，联机功耗小。

图1 系统框图

为了实现上述要求，仪表采用微处理器为核心进行设计，可以负责检测一次仪表的脉冲信号；同步显示实时流量与各种状态信息；接收无线遥控器发出的控制指令，如量程设置、零点设置、出厂标定、恢复出厂设定；存储量程、零点、出厂标定值；能自建与一次仪表同步同频率的方波信号送给后端监测系统等功能。系统框图如图1所示。

2 硬件电路设计

2.1 微控制器C8051F310

微处理器是二次仪表的核心，要完成信号的监测、通信、显示、存储等功能。C8051F310是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，兼容CIP-51内核，25MIPS运行速度，具有16 kB的FLASH存储空间，1 280字节片内RAM，4个通用16位定时器，5个捕捉/比较模块，内部具有独立工作的VDD监视器和看门狗定时器，集成IIC等多种通信接口，3.3 V供电，工作温度范围-45度至+85度，大大简化了硬件电路设计，提高了程序设计的灵活性。

(1) 方波信号检测方式。相对于C8051F310的25M工作时钟频率，一次仪表的方波信号频率范围0～1 000 Hz，属于低频段，根据C8051F310微处理器的特点，通过操作其捕捉/比较功能模块中的上升沿触发捕捉工作方式，对一次仪表的方波信号进行检测，计算得到频率值，区别于过去通过固定时间来对方波信号进行计数的方式所得到频率值，上升沿触发捕捉工作方式可在方波信号的一个周期内(方波信号的两个上升沿时间间隔)捕获频率值，用时短，响应速度快，精度高。

(2) 自建同步同频率方波信号。利用C8051F310的捕捉/比较功能模块中的频率输出工作方式，根据所捕获的方波信号频率，对相应频率输出工作方式的寄存器进行设置，自建与一次仪表的方波信号同频率的方波信号，其占空比为50%，峰峰值为5V，消除了一次仪表的方波信号在传输过程中的干扰，方便后端监测系统检测。

2.2 显 示

仪表使用的环境通常在煤矿井下或地面，为了降低功耗与成本，同时方便煤矿技术员的观察与操作，显示部分选用数码管驱动芯片CH452L来控制驱动4个高亮红色LED数码管。其中，数码管驱动芯片为CH452L内置时钟振荡电路，可以动态驱动1至8个数码管，具有BCD译码、闪烁、移位、段位寻址、光柱译码等功能，可以通过4线或2线串行口与微控制器MCU交换数据。使微处理器MCU避开了对4个数码管进行动态扫描的显示方式，只要把待显示数据的BCD码传送给CH452L即可，从而节省了微处理器MCU的系统资源，让微处理器MCU更好地去执行捕捉功能，提高了检测精度。

2.3 无线遥控

当设置好相关参数，仪表就可长时间正常工作，因此，设计无线遥控的操作方式来避免无关人员操作。采用红外遥控收发芯片BL9419和BL9418组成遥控系统，能并行收发5个功能键码，通过8输入或非门CD4078BE芯片来触发微处理器的外部中断，微处理器通过外部中断程序来查询具体的键码，执行相应的操作。

2.4 存 储

仪器仪表一般都具有掉电保护功能，即断电后，仪器仪表中的重要数据不会丢失，当再次供电时，能继续工作。根据二次仪表的存储要求，采用容量为256字节的EEROM芯片，AT24C02存储芯片，微处理器通过IIC总线协议对其进行读写操作，用来存储量程范围、零点、出厂标定等数据。其出厂标定是用来标定每台二次仪表中微处理器的时钟周期，消除时钟误差，实现每台二次仪表对一次仪表送来的方波信号检测显示结果一致。

2.5 具体硬件电路源

为了批量生产，方便测试维修，分别设计C8051F310主控板原理图与外围电路板原理图。C8051F310主控原理图如图2所示，由C8051F310最小系统、AT24C02、转接排针等组成。外围电路板原理图如图3所示，其中(a)部分为转接排针座，用于连接主控板与外围电路板；(b)部分为BL9419 、CD4078BE组成的无线接收电路，用于接收遥控器命令传给微处理器；(c)部分为方波信号接收电路，用光耦TLP521-1对一次仪表的方波信号进行隔离，并转换成峰值为5 V的方波信号，方便微处理器检测；(d)部分为电源电路，将18 V直流本安电转换成3 V、5 V直流电为电路板上器件供电；(e)部分为输出电路，将微处理器自建方波信号经过功率放大电路上传给后端监测系统，从而提高了传输距离与带负载能力；(f)部分为4个数码管与数码管驱动芯片CH452L构成的显示电路。

图2 C8051F310主控板原理图

图3 外围电路板原理图

3 软件设计

系统程序采用C语言编制。为了方便程序调试，提高可靠性和检测精度，程序框架采用模块化结构程序设计思想，主要包括主程序、外部中断子程序、捕捉/比较中断子程序，并启用看门狗定时器功能，防止程序跑飞，提高程序执行的稳定性。

主程序主要功能是先完成I/O端口、外部中断、捕捉中断配置与相关数据的初始化，然后根据捕捉中断子程序捕捉的numble值来计算对应的频率值及流量值，通过分区间比较频率值的大小范围，来控制对应的显示状态。如图4(a)所示。

外部中断子程序主要功能是识别接收遥控器发来的不同功能键码，执行相关程序，从而实现量程设置、零点设置、出厂标定和恢复出厂设置功能。如图4(b)所示。

捕捉中断子程序主要功能是先判断标志位，如果捕捉中断标志位有效，就捕捉到两次上升沿的时间差值numble，如果比较相等标志位有效，就设置下一次比较值为numble/2，并对自建频率输出引脚进行取反操作，实现自建同频率方波信号输出。如图4(c)所示。

图4 程序流程图

4 结 语

设计的矿用管道二次流量仪表已经在淮南矿业集团张集矿进行了2个多月的现场烧机测试，整个系统工作稳定、可靠，与一次仪表测出的实时流量值一致，并能稳定地把数据送给后端监测系统，带负载能力强，满足要求，目前在矿上已大量投入正常使用。

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