露天条形煤堆防自燃监控系统设计

张春光+李波+欧阳兴东+何楚峰+于钦祥+田新宇

摘 要：火电厂储煤场会存在煤自燃问题，煤的自燃与复杂环境和煤自身特性有关。无论何种原因，煤的自燃都会给电厂带来重大损失，甚至对人员生命安全造成巨大危害。研究发现，煤自燃过程中的温度变化非常明显且具有代表意义。因此，有效的监控储煤温度，对自燃临界温度进行及时预警，可以使工作人员对储煤进行及时处理，从而达到消除自燃隐患、有效保证火电厂原料的生产安全及降低煤炭不必要的损耗。本文以煤堆温度检测和无线传输为主要设计重点。在设计中，采用STC89C52单片机控制DS18B20温度传感器和NRF24L01+无线数传模块。该系统精度高、测温范围广、无线传输距离远。

关键词：煤堆防自燃监测系统；单片机控制；无线模块；温度传感器

中图分类号：P618 文献标志码：A

0前言

我国是一个煤炭大国，火力发电在未来很长的时期内仍将是我国电力的主要来源。在我国，以煤炭为燃料的火力发电厂约占火电厂总数的70%，因此煤在火力发电企业中占据极其重要的地位。根据电力系统规定，为确保燃煤机组的正常运行，火电厂必须要有一定的煤炭储备量，一般应争取有不低于15天左右的煤炭库存，而这些煤炭都必须由场地堆放，这也是储煤场的作用所在。由此也引发了一些安全隐患，其中最突出的便是煤的自燃。煤的自燃如果处置不当，不仅造成巨大的经济损失，还会危及人员与设施的安全。因此，如何防止煤的自燃就成为火电厂储煤场最为关心的问题之一。

温度变化是煤堆自燃的明显标志，也是防止煤自燃的主要监测依据。然而，火电厂储煤场工作条件和现场环境相对较为恶劣，工作人员不能长时间停留在现场进行测温，如果能把煤堆的温度传输到与储煤场现场有一定距离且环境较好的监控室内，就产生了数据传输问题。由于厂房大、需要传输数据多，使用传统的有线数据传输方式就需要铺设很多很长的通信线，浪费资源，占用空间，可操作性差，出现错误换线困难。为了防止这一系列不必要的问题发生，本设计采用无线数据传输方式，不用通信线，就从根本上避免了这些问题。采用无线传输温度这一方案，可以使得储煤场工作人员摆脱原有的传统煤堆温度监测方案，节省人力，同时也减少了储煤现场复杂工况给监测人员人身安全带来的潜在威胁。

1 监控系统总体设计

本系统采用STC89C52RC单片机为主控芯片，采用美国DALLAS半导体公司生产的温度传感器DS18B20作为温度检测元件，测温范围为-55～125℃，最高分辨率可达0.0625℃。发射与接收电路采用NRF24L01+作为发射与接收元件，传输距离可达2000m。显示电路采用LCD1602显示屏。按照系统设计功能的要求，确定系统由6个模块组成：主控制器、测温电路、发送电路、接收电路、显示电路和报警电路，如图1所示。

2 无线传输电路模块设计

NRF24L01+是一款工作在2.4～2.5GHz 世界通用ISM 频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、解调器、增强型SchockBurst模式控制器、功率放大器、晶体振荡器调制器。输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。本设计采用AS01-ML01DP5无线通信模块。AS01-ML01DP5是一款2.4GHz，100mW，高速（最高空中速率可达2Mbps）高稳定性，工业级的无线收发一体数传模块，模块采用NORDIC原装NRF24L01+射频芯片与RFX2401C功放芯片，内建LNA，接收灵敏度提高10dBm，该模块发射功率足，频谱特性好，谐波小，频道串扰小，体积小，符合工业级标准。

如图2所示，在发送端将NRF24L01+的各引脚与52单片机P2口相连，电源接口选用3.3V。接收端，是与MCU的接口发生变化，连接了P1口。本质上，发送和接收端的NRF24L01+模块是完全一样的，编程时进行设置，使得一个芯片负责发送，另一个负责接收。

3 控制软件系统设计

3.1 下位机软件设计

如流程图3所示，发送部分主程序设计思路是单片机先控制DS18B20采集温度，接收到二进制的温度值后，再经过计算转化为十进制数，将处理后的温度值送入NRF24L01+的发射部分，然后将数据发送出去。将这一过程设置为循环执行内容，便可实时检测和发送温度。

3.2 上位机软件设计

上位机由单片机控制1602显示屏以及NRF24L01+无线接收部分，主要功能是接收下位机发送的温度值，将温度值在显示屏上显示出来，同时判断温度值是否达到报警温度上限，如果温度超限，就启动声光报警。另外的按键电路主要是设置温度上限值，在此流程图4中不予显示。

3.3 无线发送模块程序设计

此模块在开始工作之前要先执行初始化步骤，这一步的作用主要是配置单片机输入/输出口和SPI有关的各种寄存器，使得单片机可以和NRF24L01+通信。利用SPI总线，完成对无线芯片的设置使其进入对应的工作状态，如图5所示。

3.4无线接收模块程序设计

无线接收模块开始工作，首先需要判断是否接收到数据，这时就得借助NRF24L01+有关寄存器的状态来判断。如果接收到数据，那么进行读数据操作，然后发送到MCU中；若无数据接收，则继续判断等待。接收数据后，要进行清除中断以及清空寄存器操作，以便下次接收的进行。流程如图6所示。

结论

本文针对露天条形煤堆防自燃监控系统的设计利用STC89C52单片机控制DS18B20温度传感器测温以及NRF24L01+无线传输数据，然后在上位机显示具体温度，并且在温度达到限值后报警。经过实物测试，无线通信距离在500m以上，测温精度高，报警反应灵敏，能满足现场的基本要求。

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