基于单片机的通风阻力参数测试仪的设计

中煤科工集团重庆研究院有限公司 郭洪祥

基于单片机的通风阻力参数测试仪的设计

中煤科工集团重庆研究院有限公司 郭洪祥

【摘要】本文介绍了基于单片机C8051F060的矿井通风阻力参数测试仪的设计，给出了系统结构设计、元器件的选型以及软件流程。该仪器具有功能齐全，测量准确度高等优点，在煤矿井下通风阻力的测量中得到了广泛应用。

【关键词】通风阻力；MS5540C；C8051F060

1 引言

风流在井巷中作沿程流动时，由于流体层间的摩擦和流体与井巷壁面之间的摩擦所形成的阻力称为摩擦阻力［1］。由于摩擦阻力的原因，因此矿井在通风过程中产生通风阻力。井巷通风阻力是引起风压损失的主要根源，降低井巷通风阻力，特别是降低摩擦阻力就能用较少的风压消耗而通过较多的风量。因此，矿井在生产过程中需对巷道通风阻力等参数进行测定，以便优化、改进和调节矿井通风网络，保障矿井巷道的通风安全；同时通过优化通风网络，还可起到节约通风能耗的作用。本文设计基于单片机C8051F060的矿井通风阻力参数测试仪的设计，给出了系统结构设计、元器件的选型以及软件流程。该仪器具有功能齐全，测量准确度高等优点。

2 系统设计

2.1 系统总体设计

系统选用C8051F060单片机作为核心器件，通过定时对传感器MS5540C、SHT75等数据的采集，然后经通过数据处理后通过液晶模块进行显示；同时为了实现存储的数据掉电不丢失，选用AT24C1024作为ROM存储芯片，然后通过RS232的通讯方式实现应用软件与单片机中的存储数据进行交换。为了实现仪器工作计时，选用自带电池的时钟芯片SD2405，该芯片是一种具有内置晶振、支持IIC串行接口的高精度实时时钟芯片，单片机可使用该接口通过5位地址寻址来读写片内32字节寄存器的数据。系统总体实现形式如图1所示：

图1 系统总体设计图

2.2 器件选型

由于仪器需要测量的温度、湿度、风速、大气压等众多参数而且为便携式仪器，因此在开发过程中仪器的整体功耗、体积、供电电池选型是首要考虑的问题。

仪器选用C8051F060单片机作为核心控制芯片。该单片机具有C51内核、3.3V低电压供电、100个引脚且引脚可以编程复用、内部设有多个定时计数器和中断源等特点［2］。

对于绝压的测量，选用进口高精度、低电压低功耗的绝压元器件MS5540C，通过单片机对其进行数据采集的方式实现，此芯片采用3.3V直流供电，直接提供16位二进制的数值转换结果，大大节省了单片机引脚的使用数量。

对于温湿度的测量，由于温度和湿度在测量过程中具有相关性，同时考虑到精度和供电的具体要求，选用SHT75作为温湿度一体化的测量元器件。该元器件具有引脚少、精度高、数字化的优点，通过I2C总线的方式对温度、湿度的测量值进行传输。

对于存储芯片，选用AT24C1024芯片。该芯片是24C系列E2PROM存储器中存储容量最大的一种， 具有I2C总线接口功能、功耗小、电源电压宽（2.7～5.5v）、工作电流和静态电流小等特点，其存储容量为1M位。

对于时钟芯片，选用自带内置晶振、支持IIC串行接口的高精度实时时钟芯片SD2405。该芯片可保证时钟精度为±5ppm（在25℃下），即年误差小于2.5 分钟；内置的一次性工业级电池或充电电池可保证在外部掉电情况下时钟使用寿命为5～8年时间；内部具备电源切换电路，当芯片检测到主电源VDD掉到电池 电压以下，芯片会自动转为由备电电池供电。

对于风速的测量，采用叶片式风表表头加装红外对管的形式，通过单片机对脉冲频率计数的方式进行风速的测量。

3 单片机软件设计

在单片机的编程过程中由于涉及到温度、湿度、大气压力、风速等多参数的测量且键盘操作涉及到数据存储、删除、浏览以及均风与多次测风的相互切换，因此整个流程相对较为复杂，为了既实现响应时间的快速性又能达到实现整体功能的目的，在编程过程中采用中断、定时、查询等多种方式相结合形式：对于数据的存储、删除、浏览等项的操作采用中断的方式；对于风速的测量采用定时计数的方式；对于均风与多次测风的相关操作采用查询的方式。软件的运行首先进入单位名称及图标的开机画面显示，然后进入各测量参数、电量、时间等分项的显示，其各部分流程设计如图2～图5所示：

图2 MS5540C编程流程图

图3 数据存储流程图

图4 数据删除流程图

图5 数据浏览流程图

4 系统软件设计

本软件采用VC++语言进行编程，能够通过RS232串口读取测

试仪内存储的数据，具有将各相关数据的人工输入，删除等处理，能严格按照标准MT/T440-2008《矿井通风阻力测定方法》的计算公式来处理测试数据得到计算结果，并能进行数据存储、读取及打印等，软件界面如图6所示。

图6 软件主界面图

5 结束语

本测试仪选用高精度传感器进行测试仪硬件设计开发，操作简单、体积小、存储容量大、便于携带等优点，不但可以用于大气压力、风速、温度、湿度等参数的单独测试，而且能够通过气压计基点测定法或气压计同步测定法两种方式［3］，通过应用软件，计算出巷道通风阻力，且该产品已在实际生产中得到了大量的应用。

参考文献

［1］蔡永乐，胡创义.矿井通风与安全［M］.北京∶化学工业出版社（第二版），2013.

［2］张培仁，孙力.基于C语言C8051F系列微控制器原理与应用［M］.北京∶清华大学出版社，2007.

［3］国家安全生产监督管理总局.MT/T440-2008《矿井通风阻力测定方法》［S］.北京∶煤炭工业出版社出版，2009.

作者简介：

郭洪祥（1974—），男，工程师，主要从事检测技术研究工作。