某型压缩空气站自动监控报警器系统设计

臧 垒，王建广，康 虎，张景阳，刘竞争

(1.中国人民解放军94857部队77分队，安徽 芜湖 241007； 2.中国人民解放军94857部队55分队，安徽 芜湖 241007)



某型压缩空气站自动监控报警器系统设计

臧 垒1，王建广1，康 虎1，张景阳1，刘竞争2

(1.中国人民解放军94857部队77分队，安徽 芜湖 241007； 2.中国人民解放军94857部队55分队，安徽 芜湖 241007)

针对某型压缩空气站日常维护保障需求，设计开发了一款压缩空气站自动监控报警器；该自动监控报警器系统通过信号隔离变送器，实时采集滑油压力信号、水温油温信号、转速信号、压缩空气压力等信号，由系统微型控制器模块进行ADC采集、转换并处理。系统微型控制器采用STC12单片机，运行嵌入式控制程序，对采集到的各类信号进行显示、阈值判断和报警等处理；该自动监控报警器能实时监控压缩空气站的多个关键运行参数并自动报警，有利于压缩空气站的安全运行与操作。

压缩空气站；自动监控报警器；微型控制器

0 引言

某型压缩空气站来源于进口，其滑油压力、水温油温、转速、压缩空气压力等11个运行参数是反映其运行状态的关键参数。该设备的装备年限较长，长期工作，各类传感器、模拟仪表的故障率较高；当传感器、模拟仪表发生故障时，难以及时找到可替代的国产部件进行修复；其模拟仪表采用指针式显示方式，读取不直观[1]；采用人工方式实时读取运行参数并进行手工调整，若不能及时发现参数异常并及时进行调整，则可能会发生影响设备及人身安全的重大人为差错。因此，鉴于上述原因，有必要研发一款能对该压缩空气站关键运行参数进行实时、不间断地自动采集、处理、显示与告警的设备，使操作人员能够实时、直观地获取关键运行参数及其告警信息，提醒其及时调整设备运行状态，确保该压缩空气站及人身的安全。

针对上述需求，本文设计并实现了某型压缩空气站自动监控报警器[2]，能对该压缩空气站11个关键运行参数进行实时采集、处理、显示与告警。通过信号隔离变送器，实时采集滑油压力信号、水温油温信号、转速信号、压缩空气压力信号，由STC12单片机[3]对上述信号进行AD转换，将各类信号值发送至数码管进行数字化显示；STC12单片机对各类信号的数字量进行实时判读，当超出允许值范围时，由相应的LED告警灯和蜂鸣器发出报警信号。该监控报警器能直观地显示关键运行参数，可以作为故障率较高的某些传感器、模拟仪表的可靠备份；同时能实时监控关键运行参数并自动报警，有利于某型压缩空气站的安全操作。

1 系统结构及原理

自动监控报警器由信号采集模块、信号处理模块、参数及告警信号显示模块以及温控PWM风扇模块四部分组成，其功能框图如图1所示。

图1 自动监控报警器功能框图

信号采集模块[4]用于将滑油压力信号、水温油温信号、压缩空气压力信号等10个模拟量通过信号隔离变送模块转换为0～5 V的直流信号，并经过一个模拟开关轮流发送至信号处理模块进行AD转换；将发动机转速信号通过转速信号隔离变送模块转换为同频率的方波信号，并发送至信号处理模块进行脉冲计数。

信号处理模块用于对信号采集模块的10个模拟量轮流进行AD转换，并对转换后的数值进行运算处理；对信号采集模块的发动机转速方波信号进行计数，计算出发动机转速值；将上述数值发送至参数及告警信号显示模块的数码管进行显示；当某一信号值超过正常值范围时，控制告警信号显示模块的LED告警灯进行闪烁；读取温控PWM风扇模块中温度传感器的温度数据值，并通过发送具有相对应于当前温度值的占空比的PWM方波，控制PWM风扇的转速。

参数及告警信号显示模块用于接收信号处理模块的参数值并通过数码管进行显示，接收信号处理模块的告警信号以控制LED告警灯的闪烁。

温控PWM风扇模块通过温度传感器获取当前环境温度并供信号处理模块读取，接收信号处理模块的PWM方波信号以控制PWM风扇的转速。

2 硬件设计

2.1 信号采集模块

如图2所示，为了采集发动机及压缩机滑油压力信号，首先需要在滑油压力传感器的回路中串联25 Ω电阻，将其直流电流信号变换为电压信号，然后通过信号隔离变送模块变换为0～5 V直流信号。

图2 滑油压力信号的变换原理图

如图3所示，为了采集发动机水温及压缩机油温信号，同时不影响原有水温表及油温表的显示，本文在发动机水箱及压缩机滑油箱外表面粘贴PT100热电阻，通过温度信号隔离变送模块将热电阻ABB端的电阻值变换为0～5 V直流信号。

图3 水温油温信号的变换原理图

如图4所示，通过在1～5级压缩空气及输出压缩空气气路中安装三通转接嘴，在各个三通转接嘴上分别安装采用内含扩散硅芯片的压力信号隔离变送器，选择1.5倍于该气路最大压力的量程级别，将6个通道的压缩空气压力值变换为0～5 V直流信号。

图4 压力信号的变换原理图

发动机转速信号来自发动机转速传感器，是Vpp值小于50 V的正负正弦信号，其频率与发动机转速相对应。如图5所示，本文通过转速信号隔离变送模块将发动机转速正弦信号变换为幅值为5 V的方波信号，该方波信号的频率与正弦信号相同。

图5 转速信号的变换原理图

对10路模拟信号进行AD转换[5]，若为每个模拟量都设置一个AD转换器件，则电路复杂性增加或需占用单片机较多的ADC资源。因此，本文采用ADG1206模拟开关，通过向其地址引脚发送4路地址信号选通其某一通道，能使各路模拟信号依次轮流进入AD器件。

如图6所示，本文使用ADG1206进行10路模拟信号输入切换，将变换后的滑油压力信号、水温油温信号、压缩空气压力信号输入ADG1206的通道1～10，由信号处理模块中的STC12单片机控制Address0～3地址线，依次轮流将ADG1206的10路输入模拟信号切换至其28引脚，进而进入STC12单片机的ADC0进行AD转换。

2.2 信号处理模块

为了简化系统结构、加快开发进度，本文选用了性能稳定、资源丰富的STC12单片机作为信号处理模块的主控芯片。[1]

如图7所示，STC12单片机通过P0.0～P0.3引脚向ADG1206发送Address0～3地址信号，依次轮流选通ADG1206的10个模拟输入通道；当某一通道被选通后，该通道的模拟信号经过ADG1206进入STC12单片机的ADC0并进行AD转换；单片机主程序获取AD转换值并进行相应的换算，得到对应于实际模拟量的数值。由于单片机的P1.0引脚默认为弱上拉，当此引脚没有信号输入时，AD转换值为1023，不能与输入5 V信号时的AD转换值(也是1023)区分开；因此，本文将此引脚通过100 K电阻下拉，同时在软件中将P1.0引脚设置为开漏(OpenDrain)，则当此引脚没有信号输入时，AD转换值为0。发动机转速方波信号输入STC12单片机的T0计数器并进行计数；由T2定时器(CPP0)产生50 ms的定时中断，当定时中断达到20次即累计历时1 s时，计算此1 s内TO的计数值，经过相应换算即可得到发动机转速值。

图7 信号处理模块原理图

2.3 参数及告警信号显示模块

如图8所示，为了能同时显示11个参数值，本文采用485总线的方式，在485总线上级联11个数码管(支持最多同时级联256个)，各个485总线数码管设置不同的地址值；当需要显示某一参数值时，向相应地址的485数码管发送一系列指令即可。相比较于采用移位寄存器方式连接多个普通数码管，485总线方式仅仅占用STC12单片机的串行口2及1个普通IO口，大大减少了占用的单片机IO口数量；同时，向485总线数码管发送一次指令后，其显示值能自动保持，相比较于普通数码管的动态扫描方式，大大减少了占用的单片机指令周期数。

图8 485总线电路原理图

由于有16个LED告警信号需要显示，为了不占用过多的单片机IO口数量，本文设计了2个74HC595移位锁存寄存器级联方式，通过3个单片机普通IO口，输出16个LED告警信号。如图9所示，单片机将LED告警信号输入第一级74HC595的DS端，SHCP正跳变时告警信号上移一位；当移至第一级74HC595的Q7时，由其Q7S端输入至第二级74HC595的DS端；当单片机发送完16个告警信号时，这16个信号依次出现在两级74HC595的移位寄存器内；此时单片机发送一个STCP正跳变，这16个信号同时转存到两级74HC595的Q7～Q0端。为了增强单片机IO口的驱动能力，本文将74HC595的DS、SHCP、STCP端口做了上拉处理。

图9 LED告警灯电路原理图

2.4 温控PWM风扇模块

为了应对压缩空气站的高温环境，本文设计了温控PWM风扇模块，能根据环境温度高低自动调整散热风扇的转速。如图10所示，采用DALLAS公司生产的DS18B20温度传感器进行温度检测，单片机通过单总线数据通信读取其内部RAM数据暂存器中第1、2个字节的温度数据值。散热风扇采用PWM双滚珠风扇，其转速受方波的占空比调节控制。单片机连续地检测环境温度，根据环境温度值的高低采用某一算法由定时器T3(CPP1)发送某一占空比的PWM方波调整风扇的转速，这样既有助于监控报警器的散热，又使风扇工作在适当的转速状态，延长了风扇的使用寿命。

图10 温控PWM风扇电路原理图

3 软件设计

软件编译器选用RealView MDK V2.38，C语言编程。编译后的代码通过CH340T模块连接STC12单片机的串行口1进行下载和调试(将定时器T1用做串行口1的波特率发生器)。

3.1 模拟信号采集处理

通过STC12单片机的引脚向ADG1206发送4位地址码，依次选通ADG1206的模拟输入通道1～10，轮流将通道1～10的模拟信号发送至单片机的ADC0进行AD转换。其运行流程图如图11所示。

图11 模拟信号采集处理代码流程图

3.2 发动机转速脉冲计数

采用STC12单片机的计数器T0对发动机转速方波信号进行计数，由定时器T2的定时中断累计1 s，在主函数中通过获取1 s内T0计数值，计算出发动机的转速值。其运行流程图如图12所示。

图12 发动机转速脉冲计数代码流程图

3.3 485总线数码管显示

在主函数中，依次更新显示各个参数值，通过串口2轮流向地址为1～11的485总线数码管发送特定指令，数码管就能更新并保持相应的显示内容。其运行流程图如图13所示。

图13 485总线数码管显示代码流程图

3.4 LED告警信号显示

单片机将LED告警信号由低位开始输入第一级74HC595的DS端，每输入一位告警信号后发送一个SHCP正跳变；当16位LED告警信号全部发送结束后，再发送一个STCP正跳变，这16个信号就同时转存到两级74HC595的Q7～Q0端。其运行流程图如图14所示。

3.5 温控PWM风扇

单片机首先读取DS18B20的温度值，之后采用某一算法，根据温度值计算相应的PWM占空比，定时器T3(CPP1)发送某一占空比的PWM方波以调整风扇的转速。其运行流程图如图15所示。

图15 温控PWM风扇代码流程图

4 试验结果与分析

为了确保监控报警器能及时准确显示各类参数值并自动报警，本文在压缩空气站各种典型运行状态下反复实际运行监控报警器并调试了其参数设置。最终试验结果记录如表1所示。

从表1可以看出，监控报警器显示参数值相比较于实际值的相对误差较小，都在可接受范围内，同时所有参数报警功能正常。

5 结论

本文针对某型压缩空气站各类传感器、模拟仪表的故障率较高，模拟仪表的指针显示方式不直观，人工实时读取参数并调整设备运行状态时可能易发生人为差错的状况，设计并实现了某型压缩空气站自动监控报警器。该自动监控报警器通过信号隔离变送器，实时采集滑油压力信号、水温油温信号、转速信号、压缩空气压力信号，经过模拟开关依次循环发送至STC12单片机的ADC通道，由STC12单片机进行AD转换，依次将各个信号值发送至相应的数码管进行数字化显示；STC12单片机对各个信号数字量进行实时判读，当超出允许值范围时，由相应的LED告警灯和蜂鸣器发出报警信号。目前，该监控报警器已成功试用，效果良好。实践证明，该监控报警器能直观地显示关键运行参数，可以作为故障率较高的某些传感器、模拟仪表的可靠备份；同时能实时监控关键运行参数并自动报警，提醒操作人员及时调整设备运行状态，有利于某型压缩空气站的安全操作。

表1 最终试验结果

[1] 李 奇，王拥军，彭 文，等. 高压空气站压缩机组技术状态劣化分析[J]. 设备管理与维修, 2015, 1:44-46.

[2] 蔡丽丽，雷天友. 空气压缩机站远程监控系统的研究与实现[J]. 电子科技大学学报, 2007：748-750.

[3] 吴 霞，王燕杰，李弘洋. 基于STC单片机的紫外火焰探测器设计[J]. 计算机测量与控制，2014, 22(12): 4091-4093.

[4] 朱贤成. 多参数远程无线监控技术研究[J]. 计算机测量与控制, 2015, 23(6):1972-1975.

[5] 员天佑, 谢 阅, 李 潮. 基于单片机的多路信号异步采集技术[J]. 微计算机信息, 2006, 11:44-45.

Design of Automatic Monitoring Alarm System for a Certain Type of Compressed Air Station

Zang Lei1, Wang Jianguang1, Kang Hu1, Zhang Jingyang1, Liu Jingzheng2

(1.77 Sub Unit of 94857 PLA Troops,Wuhu 241007,China;2.55 Sub Unit of 94857 PLA Troops,Wuhu 241007,China)

An automatic monitoring alarm system is designed to meet the requirements for the maintenance security requirements of a certain type of compressed air station. The automatic monitoring alarm system use signal isolation transmitter to acquire lubricating oil pressure signals oil temperature, water temperature, rotational speed signals, compressed air pressure, etc. The acquired signals is converted into digital signals and transmitted by microcontroller module. The automatic monitoring alarm system use STC12 as microcontroller. An embedded control program is operating in STC12 to implement process of signals display, threshold judgment and alarm. The automatic monitoring alarm system can monitor some key operation parameters of the compressed air station in real-time which is benefit for safe operation of the compressed air station.

compressed air station; automatic monitoring alarm system; micro controller

2015-11-24；

2015-01-19。

臧 垒(1972-)，男，江苏泰兴人，工程师，博士，主要从事电气设备设计及检测方向的研究。

1671-4598(2016)03-0076-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.021

TP3

A