煤礦井下防爆柴油機(jī)排氣污染監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)煤礦井下防爆柴油機(jī)排氣污染監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、煤礦井下防爆柴油機(jī)排氣污染監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要由于防爆柴油機(jī)可以在潛在爆炸性氣體、可燃性氣體、蒸汽及粉塵的環(huán)境下工作，具有防爆性能，在爆炸環(huán)境下工作不會(huì)點(diǎn)燃環(huán)境氣體、蒸汽和粉塵，所以經(jīng)常被用作煤礦井下各種固定和移動(dòng)設(shè)備的防爆動(dòng)力裝置。然而隨著煤礦井下防爆柴油機(jī)的使用量逐年增加，造成煤礦井下防爆柴油機(jī)排氣污染越來越嚴(yán)重，使得煤礦安全生產(chǎn)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。此次設(shè)計(jì)的主要課題是針對(duì)防爆柴油機(jī)尾氣（co及nox）排放的監(jiān)測(cè)報(bào)警。此次設(shè)計(jì)主要分兩大部分來：一是防爆柴油機(jī)尾氣的監(jiān)測(cè)及自動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)，二是通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障后系統(tǒng)的自動(dòng)報(bào)警。文中首先闡述了co和氮氧化合物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展及狀況，其次著重介紹了單片機(jī)p

2、ic16f877尾氣監(jiān)控報(bào)警器及通風(fēng)系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)的硬件電路包括濃度檢測(cè)，a/d轉(zhuǎn)換，單片機(jī)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)顯示電路，報(bào)警電路，通風(fēng)系統(tǒng)電路及各控制電路；軟件設(shè)計(jì)包括濃度采集，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及處理，動(dòng)態(tài)顯示及濃度控制等。通過軟件設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)co及nox濃度的監(jiān)測(cè)并且當(dāng)濃度超過設(shè)定值時(shí)可進(jìn)行加強(qiáng)通風(fēng)，當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警?？捎行У姆乐姑旱V井下中毒，對(duì)避免人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失有著積極的作用1。關(guān)鍵詞：co及nox報(bào)警系統(tǒng) 單片機(jī) 氣敏傳感器 通風(fēng)系統(tǒng) abstractbecause of explosion-proof diesel engine can be potentially explosiv

3、e gas, combustible gas, steam and dust under the environment of work, has the explosion protection performance, in the blast environments work never lit environment gas, steam and dust, so often used as coal mine explosion-proof power plant all kinds of fixed and mobile equipment. however, as the co

4、al mine explosion-proof diesel engine, due to the increasing use of coal mine explosion-proof diesel engine exhaust pollution caused more and more serious, makes the coal mine safety production facing the severe challenges the design main points of two parts: one is explosion-proof diesel engine exh

5、aust gas monitoring and automatic ventilation system, the second is the ventilation system failure after the automatic alarm system. firstly expounds the co and the development of nitrogen oxides monitoring system and condition, then introduces the microcontroller pic16f877 exhaust monitoring alarm.

6、 this design of hardware circuit including concentration detection, a/d conversion, single-chip microcomputer system, the data display circuit, alarm circuit, the ventilation system circuit and the control circuit; through the software design can be realized on the co and nox concentration monitorin

7、g .can effectively prevent coal mine poisoning, to avoid casualties and property losses has a positive role.key words: co and nox alarm system single chip microcomputer ventilation system and gas sensors目錄摘 要iabstractii第 1 章 緒 論11.1 選題背景及意義11.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀21.3課題的主要研究?jī)?nèi)容與要求4第2章系統(tǒng)功能介紹及方案設(shè)計(jì)62.1系統(tǒng)性能的描述62.2系統(tǒng)

8、方案的設(shè)計(jì)62.3風(fēng)量的控制7第3章各部分的電路選擇與設(shè)計(jì)93.1單片機(jī)的選擇93.2電源電路的設(shè)計(jì)103.3電流、電壓、采集電路的設(shè)計(jì)123.4信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)133.4.1濾波電路的設(shè)計(jì)133.4.2 a/d轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)153.5電機(jī)振蕩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)173.6電機(jī)軸承溫度檢測(cè)電路183.7報(bào)警功能電路的設(shè)計(jì)193.8顯示電路的設(shè)計(jì)21第4章 風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速234.1變頻調(diào)速裝置在風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用244.2變頻調(diào)速裝置的工作特點(diǎn)254.3 變頻調(diào)速的硬件部分25第5章軟件的設(shè)計(jì)295.1 主流程設(shè)計(jì)圖295.2濾波子程序設(shè)計(jì)305.3數(shù)據(jù)處理315.4顯示子程序設(shè)計(jì)流程32結(jié) 論34致

9、謝35參考文獻(xiàn)36附錄1 系統(tǒng)整體硬件電路圖38附錄2 各部分電源電路圖39附錄3 電流與電壓檢測(cè)電路圖40附錄4 風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速整體電路圖41附錄4 單片機(jī)的部分程序42contentsabstractiabstractiichapter 1 introduction11.1 background and significance of topics11.2 the development of countries11.3subject of the main research contents and requirements4chapter 2 system function is int

10、roduced and program design62.1the description of the system performance62.2design of the system62.3air volume control7chapter 3 the selection and circuit design of each part93.1the selectiong of the single chip93.2the design of the power circuit103.3current voltage acquisition circuit design123.4des

11、ign of signal conditioning circuit133.4.1the design of filter circuit133.4.2 a/d conversion circuit design153.5motor vibration monitoring system for circuit design173.6motor bearing temperature detection circuit183.7alarm function of the circuit design193.8the design of display circuit21chapter 4 fr

12、equency control of motor speed of fan234.1application of variable frequency speed regulating device in the fan244.2the working characteristics of variable frequency speed regulating device254.3 frequency control hardware25chapter 5 software design295.1 main program design chart295.2filtering subprog

13、ram chart305.3data handing315.4display subroutine design flow chart32conclusion34apreciate35refrence documentation36addenda1 the whole system hardware circuit diagram38addenda2 the various parts of the power circuit diagram39addenda3 current and voltage detection circuir diagram40addenda4 frequency

14、hardware control diagram41addenda5 parts of program of the single chip42第 1 章 緒 論近年人們對(duì)環(huán)境質(zhì)量要求逐漸提高和對(duì)自身健康的關(guān)注，如何改善煤礦井下大量使用無軌防爆柴油機(jī)車的現(xiàn)代化大型、高產(chǎn)、高效礦井的工作環(huán)境，逐漸成為研究重點(diǎn)。研究結(jié)果表明，除了控制防爆柴油機(jī)尾氣排放外，合理的通風(fēng)量也是改善井下環(huán)境的重要途徑之一。1.1 選題背景及意義隨著煤礦機(jī)械化程度的提高，以柴油機(jī)作動(dòng)力的輔助運(yùn)輸車輛在煤礦中的使用越來越廣泛。它們具有安全、靈活、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。但是其所排放的尾氣中有害成分較多，主要有碳?xì)浠衔铩⒁谎趸?、二氧?/p>

15、硫、氮氧化合物（nox)和微粒（pt）。尤其在煤礦井下巷道，尤其是在煤礦井下巷道，由于空間和通風(fēng)條件的限制，柴油機(jī)排放的有害氣體嚴(yán)重危害工人的健康。因此如何改善煤礦井下大量使用無軌防爆柴油機(jī)車的現(xiàn)代化大型、高產(chǎn)、高效礦井的工作環(huán)境，逐漸成為研究的重點(diǎn)。因此，對(duì)防爆柴油機(jī)排放的尾氣進(jìn)行控制和凈化具有十分重要的意義。除了控制防爆柴油機(jī)尾氣排放外，合理的通風(fēng)量也是改善井下條件的重要之一。柴油機(jī)尾氣排放物不僅氣味怪異，而且令人頭昏、惡心，影響人的身體健康。世界衛(wèi)生組織專家認(rèn)定柴油發(fā)電機(jī)尾氣與石棉、砒霜等物質(zhì)一樣，具有高速致癌性。如何應(yīng)對(duì)及處理柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放的尾氣在井下安全的重中之重。提高井下空氣質(zhì)量的

16、監(jiān)測(cè)能力適當(dāng)增加巷道通風(fēng)量和合理的布置通風(fēng)系統(tǒng)，其目的就是為了保護(hù)井下小環(huán)境，保證工人身心健康。為了保證井下空氣質(zhì)量，防爆柴油機(jī)尾氣污染監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也成為了我們經(jīng)常探討的一個(gè)話題。1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀為改善大氣環(huán)境，保障人類的健康，世界各國(guó)對(duì)柴油機(jī)的尾氣排放作出了嚴(yán)格的規(guī)定。19921998年nox的排放量規(guī)定為7.00（g/kw/h)、pm的排放量規(guī)定為0.15（g/kw/h),在20002008年期間nox的排放量規(guī)定為2.00 (g/kw/h)、pm的排放量規(guī)定為0.02（g/kw/h)。為了滿足如此嚴(yán)厲的排放法規(guī)，柴油機(jī)采取了一系列措施。采用egr系統(tǒng)引入廢氣，降低缸內(nèi)的峰值溫度，

17、降低多余的o2限制nox的形成；應(yīng)用電子燃油噴射控制措施，提高噴射油壓，改善燃油在缸內(nèi)的霧化，推遲噴油時(shí)刻和多次噴射來降低峰值溫度；降低燃油中硫的含量，硫會(huì)形成pm，同時(shí)硫還會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)后處理系統(tǒng)中的催化劑中毒。當(dāng)前降低co和nox排放的技術(shù)主要集中在scr，lnt,lnc三方面。2001年歐洲在一些大卡車上商業(yè)化使用該技術(shù)。目前該技術(shù)在汽車上的使用已經(jīng)很成熟，研究該系統(tǒng)的焦點(diǎn)集中在如何降低尾氣管里催化還原所需的溫度和如何提高轉(zhuǎn)化率。日本日產(chǎn)公司的hirata等人的研究成果是在scr系統(tǒng)前加doc用來產(chǎn)生no2，使其與no量一樣，這樣在低溫環(huán)境下與nh3反應(yīng)的效率更高。lnt系統(tǒng)很早就在燃燒的柴

18、油發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用，該系統(tǒng)中采用堿土金屬或堿金屬作為吸附劑來提高儲(chǔ)nox的能力。在稀薄條件下運(yùn)行時(shí)，lnt中的鉑將no轉(zhuǎn)化成no2，而no2和堿土金屬或堿金屬和o2反應(yīng)生成硝酸鹽，發(fā)動(dòng)機(jī)每隔50-60s加濃一次，這些儲(chǔ)藏的nox和廢氣中的還原劑co，h2，hc在貴金屬的作用下形成n2。該系統(tǒng)大概是在2000年應(yīng)用在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上。lnc系統(tǒng)也是比較具有吸引力的系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用燃油作為還原劑，使用的催化劑（如銀、沸石等）也比較便宜。但其在額外增加油耗的基礎(chǔ)上（約6%），才獲得相當(dāng)于lnt的10%-30%的轉(zhuǎn)化率。不過在lnc中只要有小量的h2（2%），就能在很寬的溫度范圍（200400），顯著的提高銀

19、基lnc的nox轉(zhuǎn)化率2。近年來，國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果表明，尾氣后處理技術(shù)大大降低了柴油機(jī)有害物的排放，尾氣后處理技術(shù)從處理方法上不外乎化學(xué)方法和物理方法，化學(xué)方法主要是催化、凈化處理方法，而高效催化劑的研制和開發(fā)是催化、凈化技術(shù)的核心，用到氮氧化合物的催化還原、氮氧化合物的貯存還原、碳煙的催化燃燒等流程。物理方法是采用水洗法來降低柴油機(jī)顆粒物的排放。柴油機(jī)的尾氣通過水洗箱時(shí)尾氣中的顆粒沉淀在水洗箱內(nèi)，同時(shí)還能降低排氣溫度。煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)，是目前為止實(shí)際通風(fēng)尾氣管理工作中最重要和最有效的自動(dòng)化手段，已經(jīng)裝備監(jiān)控系統(tǒng)的煤礦的尾氣易燃事故率大為下降，實(shí)踐證明，煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)保障煤礦安全生產(chǎn)

20、，提高煤礦生產(chǎn)率，提高煤礦自動(dòng)化程度，以及促進(jìn)煤礦管理現(xiàn)代化水平，都有著舉足輕重的作用。如今我國(guó)煤炭系統(tǒng)的國(guó)統(tǒng)礦和地方礦都是現(xiàn)代化礦井，在前幾年達(dá)標(biāo)過程中，大部分都安裝了一套安全生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或通風(fēng)安全監(jiān)測(cè)調(diào)度系統(tǒng)。用來及時(shí)掌握生產(chǎn)或通風(fēng)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)信息，這對(duì)發(fā)揮生產(chǎn)指揮的準(zhǔn)確性、靈活性、快捷性起到重要的作用。但是目前的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)軟件大多運(yùn)行于dos平臺(tái)或單機(jī)運(yùn)行于windows平臺(tái)。根本不能適應(yīng)知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代高速網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需要，嚴(yán)重制約了煤礦企業(yè)企業(yè)信息化的發(fā)展。為了改變煤礦現(xiàn)有的指揮管理落后面貌，在煤礦系統(tǒng)中應(yīng)用最新計(jì)算機(jī)軟件及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，改造和完善煤礦的現(xiàn)有管理系統(tǒng)，組成技

21、術(shù)先進(jìn)，功能完善的現(xiàn)代化礦井計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理指揮生產(chǎn)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是非常必要的。我國(guó)從八十年代初期開始引進(jìn)煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)，歷經(jīng)了直接引進(jìn)、消化吸收、仿制配套、自主開發(fā)的過程，但迄今為止的產(chǎn)品大多都是面對(duì)大型礦井設(shè)計(jì)的，而且自身尚有一些有待解決的問題，如:造價(jià)高，系統(tǒng)最基本的配置過于龐大，運(yùn)行費(fèi)用大，傳感器測(cè)量穩(wěn)定性差，調(diào)校頻繁，壽命短，系統(tǒng)安裝、維護(hù)復(fù)雜，操作不便，人機(jī)界面較差，系統(tǒng)設(shè)備可靠性差，必須依賴專業(yè)的維護(hù)隊(duì)伍，對(duì)人員技術(shù)，素質(zhì)有較高的要求。國(guó)外的監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)理論上講高于國(guó)內(nèi)發(fā)展水平，但應(yīng)用于國(guó)內(nèi)煤礦尚有一定的局限性，如煤礦管理模式生產(chǎn)方式的不同，價(jià)格過高不適于國(guó)內(nèi)煤礦現(xiàn)有條件，除在

22、傳感器技術(shù)方面可供借鑒外，其它僅具一定參考價(jià)值。綜合來說，目前市場(chǎng)上的每種系統(tǒng)都可能存在檢測(cè)量單一、量程小、體積大、功耗大、 需短期內(nèi)校準(zhǔn)、使用壽命短、無數(shù)據(jù)傳輸方式等其中某種或某幾種缺點(diǎn)。因此，十分需要研制一種新型多功能煤礦檢測(cè)儀以克服現(xiàn)有設(shè)備存在的各種問題，使其具有微型化、智能化、低功耗、無線化并能夠準(zhǔn)確的測(cè)量出井下的環(huán)境因素3。從現(xiàn)在的國(guó)家煤炭生產(chǎn)的現(xiàn)狀及我國(guó)能源結(jié)構(gòu)規(guī)劃均可看出，在本世紀(jì)中葉以前，煤炭仍是支持我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要能源。但是煤炭工業(yè)的安全生產(chǎn)狀況卻不容樂觀，中小型煤礦的情況尤為嚴(yán)重，已經(jīng)直接威脅到整個(gè)煤炭工業(yè)的穩(wěn)定生產(chǎn)，給國(guó)家財(cái)產(chǎn)和人民生命造成了很大的損失，柴油機(jī)尾氣排

23、放的污染物已經(jīng)引起了嚴(yán)重的礦井環(huán)境污染問題，對(duì)井下工作人員造成極大地威脅，尾氣后處理是柴油機(jī)尾氣污染治理必不可少和最有效的技術(shù)之一。因此研制煤礦井下柴油機(jī)尾氣監(jiān)測(cè)控制及報(bào)警系統(tǒng)對(duì)國(guó)家的煤礦井下良好的環(huán)境建設(shè)減少中毒事故發(fā)生有著及其重要的意義。這些裝備和系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用，豐富了我國(guó)煤礦安全監(jiān)控產(chǎn)品的市場(chǎng)，改善了煤礦安全技術(shù)裝備的面貌，縮小了我國(guó)與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)水平的差距4。1.3課題的主要研究?jī)?nèi)容與要求設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容與要求是：設(shè)計(jì)一個(gè)co與氮氧化合物安全監(jiān)控系統(tǒng)，將co與氮氧化合物氣體濃度許可值上限通過電腦程序輸入系統(tǒng)中，在氣體濃度的一定范圍內(nèi)進(jìn)行安全檢測(cè)，在氣體濃度達(dá)到上限時(shí)進(jìn)行自動(dòng)加強(qiáng)通風(fēng)，如

24、果通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警功能，及時(shí)通知礦內(nèi)工作人員。這個(gè)單片機(jī)氣體安全監(jiān)控系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)以下功能：氣體測(cè)試，超過設(shè)定的門限值后自動(dòng)加強(qiáng)通風(fēng)裝置。氣敏傳感器檢測(cè)儀檢測(cè)氣體濃度，再加上濃度監(jiān)測(cè)與自動(dòng)加強(qiáng)通風(fēng)，通過顯示器顯示礦內(nèi)co和氮氧化合物的濃度值5。第2章系統(tǒng)功能介紹及方案設(shè)計(jì)主要對(duì)防爆柴油機(jī)的尾氣的濃度和風(fēng)量的控制進(jìn)行分析，對(duì)整體系統(tǒng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.1系統(tǒng)性能的描述在生活中如果有一個(gè)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)有毒及易爆氣體，并且能自動(dòng)加強(qiáng)通風(fēng)量而且還能報(bào)警，這無疑是給井下煤礦工人的工作環(huán)境的安全上了雙重保險(xiǎn)?；谶@個(gè)思路，設(shè)計(jì)了co與氮氧化合物監(jiān)測(cè)自動(dòng)通風(fēng)報(bào)警系統(tǒng)。能夠較為準(zhǔn)確科學(xué)的檢測(cè)防爆柴油機(jī)

25、尾氣排放的濃度，當(dāng)氣體達(dá)到一定門限值時(shí)就會(huì)自動(dòng)通風(fēng)，如果通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障則會(huì)自動(dòng)報(bào)警，從而達(dá)到實(shí)時(shí)安全監(jiān)控作用。2.2系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)總體方案：圖2-2 系統(tǒng)框圖該設(shè)計(jì)采用pic16f877作為單片機(jī)進(jìn)行控制，傳感信號(hào)包括co氣敏傳感器mgs1100和氮氧化合物檢測(cè)儀型號(hào)選擇m314919，其中mgs1100是一種新型的專門設(shè)計(jì)定位于家庭用途的co氣體檢測(cè)器。在微型結(jié)構(gòu)硅橋結(jié)構(gòu)中嵌入的加熱器上制作一層sno2薄膜，由于硅膜減少了熱傳導(dǎo)的熱損失，從而大大降低了功耗。此傳感器溫度是隨著可燃?xì)怏w濃度的升高而線性升高的。氣敏傳感器輸出的信號(hào)送給tlc2543轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送給單片機(jī),監(jiān)測(cè)電路可靠工作。氣體

26、檢測(cè)電路的主要功能是監(jiān)測(cè)氣體濃度值。設(shè)置氣體濃度臨界值，超過臨界值通風(fēng)系統(tǒng)電路工作，當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，報(bào)警電路響應(yīng)。這種系統(tǒng)的可靠性強(qiáng)且容易實(shí)現(xiàn)，而且方便操作，完全實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、控制、處理、報(bào)警一體化6。2.3風(fēng)量的控制改變井下工作小環(huán)境，除了控制防爆柴油機(jī)本身有害物的排放外，另一個(gè)更重要的手段就是適當(dāng)增加和合理配置井下的通風(fēng)量和布置合理的通風(fēng)系統(tǒng)，強(qiáng)制稀釋發(fā)動(dòng)機(jī)排出的多種廢氣成分。按照mt990-2006礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件的要求，礦用井下防爆柴油機(jī)在mt220規(guī)定的工況條件下，未經(jīng)稀釋的排氣中，其有害成分的體積濃度不能超過下列許可值：一氧化碳（co）為0.1%；氮氧化合物（nox)為0

27、.08%。對(duì)于國(guó)內(nèi)增壓中冷柴油機(jī)，一般經(jīng)濟(jì)油耗率為206225g/(kwh),標(biāo)定工況下耗油率為270290g/(kwh),因此，增壓中冷柴油機(jī)在標(biāo)定工況下需要的新鮮空氣量m1。如式（2-2-1）所示。 m1=agbl0=0.152kg/(kwmin) （2-2-1）在20時(shí)，1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣的密度為1.24kg/m；則需要的空氣量m1=0.152 /1.24=0.123m/(kwmin)。由以上計(jì)算可知，對(duì)于一臺(tái)100kw的發(fā)動(dòng)機(jī)，需要的空氣量m。如式（2-2-2）所示。 m=100 m1=12.3m3/min （2-2-2）其中 a為過量空氣系數(shù)。如式（2-2-3）所示。 a=l/l0=

28、 m1/(gbl0) （2-2-3）m1為每循環(huán)進(jìn)入氣缸的實(shí)際空氣量；gb為每循環(huán)噴油量；l0為1kg燃油完全燃燒所需的理論空氣量，輕柴油l0=14.3kg。按照規(guī)定的要求，礦用柴油機(jī)車在煤礦井下正常運(yùn)行時(shí)，排氣中的co和nox的排放濃度被巷道中風(fēng)流稀釋后，井下空氣中的co、nox不得超過下列規(guī)定：一氧化碳（co）為0.0024%；氮氧化物（nox）（換算成no2）：25%。關(guān)于煤礦井下使用柴油機(jī)設(shè)備的通風(fēng)要求，按煤礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)的要求，每千瓦需配風(fēng)3.84m/min。由式（2-2-2)計(jì)算可知，稀釋柴油機(jī)廢氣需要的空氣量遠(yuǎn)大于柴油機(jī)本身工作需要的空氣量。因此，在計(jì)算整個(gè)井下供風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，防爆柴

29、油機(jī)本身工作需要的空氣量可以忽略不計(jì)7。第3章各部分的電路選擇與設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)的選擇目前，在各種單片機(jī)設(shè)計(jì)中所使用的通用單片機(jī)芯片以intel的51系列和microchip的pic系列為主，而由于51系列單片機(jī)指令系統(tǒng)復(fù)雜，外圍接口功能較弱，所以整個(gè)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)決定采用microchip公司推出的新型處理芯片pic16f877，它的指令系統(tǒng)精煉實(shí)用?？梢灾貜?fù)燒錄程序適合教學(xué)、開發(fā)新產(chǎn)品等用途；而其內(nèi)建icd(in circuit debug)功能，可以讓使用者直接在單片機(jī)電路或產(chǎn)品上，進(jìn)行如暫停微處理器執(zhí)行、觀看緩存器內(nèi)容等，讓使用者能快速地進(jìn)行程序除錯(cuò)與開發(fā)。 圖3-1 pic16f87

30、7引腳圖pic16f877屬于閃控式(flash)單片機(jī)，可以重復(fù)燒錄，其rom的容量總共是8k words，以2k為一個(gè)page，區(qū)分為4個(gè)pages；內(nèi)部ram總共有512個(gè)字節(jié)(00f1ffh)，以128個(gè)字節(jié)為一個(gè)bank，共區(qū)分為4個(gè)bank，每個(gè)bank的前半段都有其特殊用途，分別連接到其特殊功能模塊，例如i/o、ccp、timer、usart、mssp等。 pic16f877屬于內(nèi)嵌功能較多的單片機(jī)，除了cpu、pom、ram、i/o等基本構(gòu)造外，還包括以下各種功能，簡(jiǎn)介如下：a/dconverter：模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，最多可以讀取8組模擬輸入訊號(hào)。ccp：capture、comp

31、are、pwm，用于控制直流馬達(dá)。timer，內(nèi)部定時(shí)器，有timer0、timer1、timer2等。usart（universalsynchronousasynchronousreceivertransmitter），同步/異步串行傳輸，如rs232、rs485等。mssp：mastersynchronousserialport，兩線式(i2c)與三線式(spi)標(biāo)準(zhǔn)同步串行傳輸協(xié)定，常用于eeprom內(nèi)存資料的燒錄與讀取，或是與其它集成電路溝通與聯(lián)系，形成多芯片網(wǎng)絡(luò)。pic單片機(jī)之所以能夠獲得廣泛應(yīng)用，是因?yàn)樗哂幸幌盗刑攸c(diǎn)，例如pic的哈佛雙總線結(jié)構(gòu)、risc指令系統(tǒng)、單周期指令、快速

32、的執(zhí)行速度、簡(jiǎn)單的尋址方式、程序和數(shù)據(jù)分開存儲(chǔ)的模式、i/o引腳的獨(dú)立編程能力和較大的驅(qū)動(dòng)能力、豐富的功能部件、多種編程方式以及一系列微控制特性等。這些特性都是使pic單片機(jī)得到迅速推廣應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)8。3.2電源電路的設(shè)計(jì)在此設(shè)計(jì)中電源電路是為各個(gè)部分硬件電路最基本的供電電路，依據(jù)以上各個(gè)硬件電路設(shè)計(jì)情況以及所需電壓值一共設(shè)計(jì)出三種電源電路：5v、12v、15v。5v電源電路設(shè)計(jì)如3-2-1所示：圖3-2-1 5v電源設(shè)計(jì)圖此電源電路采用lm7805芯片，它采用的是三端正電源穩(wěn)壓電路。它有一系列的電壓輸出，應(yīng)用非常的廣泛這中類型由于內(nèi)部電流的限制，以及過熱保護(hù)和安全工作區(qū)的保護(hù)，使它基本不會(huì)

33、受到損壞。如果能夠提供足夠的散熱片，它就能提供大于1.5a的輸出電流。12v電源電路設(shè)計(jì)如圖3-2-2所示：圖3-2-2 12v電源設(shè)計(jì)圖lm7815與lm7915三端穩(wěn)壓ic來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電流內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠方便而且價(jià)格便宜。15v電源電路設(shè)計(jì)如圖3-2-3所示：圖3-2-3 15v電源設(shè)計(jì)圖3.3電流、電壓、采集電路的設(shè)計(jì)電流互感器和電壓互感器在電路中的作用就是“檢測(cè)元件”，我們對(duì)大電流和高電壓直接測(cè)量起來不方便、也不安全，就開發(fā)了這種電器當(dāng)作人們的“眼睛”，隨時(shí)監(jiān)視著電路的電流和電壓。電流互感器的作用就是用于測(cè)量比較大的電流。電流互感

34、器把大電流按一定比例變?yōu)樾‰娏?，提供各種儀表使用和繼電保護(hù)用的電流，并將二次系統(tǒng)與高電壓隔離。它不僅保證了人身和設(shè)備的安全，也使儀表和繼電器的制造簡(jiǎn)單化、標(biāo)準(zhǔn)化，提高了經(jīng)濟(jì)效益。（將很大的一次電流轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的5安培；2、為測(cè)量裝置和繼電保護(hù)的線圈提供電流；3、對(duì)一次設(shè)備和二次設(shè)備進(jìn)行隔離。）輸入電流時(shí)次級(jí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與變比相應(yīng)的輸出電流。通過運(yùn)算放大器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，調(diào)節(jié)反饋電阻的值在輸出端得到所要求的電壓輸出。電容及可調(diào)電阻用來補(bǔ)償相移。本設(shè)計(jì)采用微型ct作為系統(tǒng)電器參量的采集與系統(tǒng)隔離，防止系統(tǒng)干擾的侵入。本設(shè)計(jì)中采用星格公司的sct254ax精密電流互感器，該互感器小巧輕便，隔離

35、度高，耐沖擊性強(qiáng)。輸入額定電流為5a，額定輸出電流為2.5ma。圖 3-3-1-1電流互感器電壓互感器的作用就是把高電壓按比例關(guān)系變換成100v或更低等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)二次電壓，供保護(hù)、計(jì)量、儀表裝置使用，同時(shí)使用電壓互感器可以將高電壓與電氣工作人員隔離。電壓互感器雖然也是按照電磁感應(yīng)原理工作的設(shè)備，但是它的電磁機(jī)構(gòu)關(guān)系與電流互感器相比正好相反。電壓互感器二次回路是高阻抗回路，二次電流的大小由回路阻抗決定。當(dāng)二次負(fù)載阻抗減小時(shí)，二次電流增大，使得一次電流自動(dòng)增大一個(gè)分量來滿足一、二側(cè)之間的電磁平衡關(guān)系?？梢哉f，電壓互感器是一個(gè)被限定結(jié)構(gòu)和使用形式的特殊變壓器。本次設(shè)計(jì)選用的電壓互感器的型號(hào)為jlbv1

36、1，此電壓互感器采用的是閉環(huán)零磁通磁平衡式，電壓直接輸入的工作原理。主要用于測(cè)量直流、及其它任意波形電壓，它精度高、線性好、反應(yīng)快、低溫漂、頻帶寬、抗干擾能力強(qiáng)。額定輸出電壓5v，電流25ma。圖 3-3-1-2電壓互感器3.4信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)3.4.1濾波電路的設(shè)計(jì)在一個(gè)實(shí)際的電子系統(tǒng)中，它的輸入信號(hào)往往因受干擾等原因而含有一些不必要的成分，應(yīng)當(dāng)設(shè)法將它衰減到足夠小的程度。在另外一些場(chǎng)合，我們需要的信號(hào)和別的信號(hào)混在一起，應(yīng)當(dāng)設(shè)法把前者挑選出來。為此我們必須采用濾波電路，這是抗干擾所必不可少的措施。濾波電路分為無源濾波電路和有源濾波電路。前者又分為lc濾波電路和rc濾波電路。lc濾波電路有

37、較好低通濾波特性，但電感的重量和體積過大，既不容易制作而且成本也高，有時(shí)還需要加磁屏，給制造和安裝帶來不便。rc濾波電路雖然沒有l(wèi)c濾波電路那些缺點(diǎn)，但是rc濾波電路中的電阻不僅消耗我們希望抑制的那些信號(hào)的能量，而且消耗我們希望順利通過的信號(hào)的能量。所以rc濾波電路的性能較差。而由rc網(wǎng)絡(luò)和集成運(yùn)算放大器組成的有源濾波電路卻克服了無源濾波電路的缺點(diǎn)，它具有以下的優(yōu)點(diǎn)：1.不使用電感元件，因此體積小，重量輕，不需要加磁屏蔽。2.有源濾波電路中的集成運(yùn)放可加電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使輸入阻抗很高，輸出阻抗很低。輸入與輸出之間具有良好的隔離，因此只要將幾個(gè)低階濾波串聯(lián)起來，就可以得到高階濾波電路，一般不需要

38、象lc濾波電路那樣考慮級(jí)間相互影響。3.除了濾波用用外，還可以將信號(hào)放大，而且放大倍數(shù)容易調(diào)節(jié)。本設(shè)計(jì)采用了一階低通rc有源濾波電路來對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波，電路如圖3-3-4-1所示：圖3-3-4-1 一階低通濾波電路低通濾波器主要用在信號(hào)處于低頻，并且需要消弱高次諧濾或較高的干擾和噪聲等場(chǎng)合。一階低通濾波器的傳遞函數(shù)為：式中a為運(yùn)放的放大倍數(shù)，若令s=jw, w0=1/rc=20式中p為截止頻率，p=0=1/2rc 其頻率響應(yīng)特性如圖3-3-4-2 所示：圖3-3-4-2 一階低通頻率響應(yīng)特性圖從圖可以看出一階低通濾波器的衰減斜率為-20db/+倍頻程。本系統(tǒng)的截止頻率為1/(23001000

39、-1210-12)=530hz。3.4.2 a/d轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由采樣保持器，多路開關(guān)和a/d轉(zhuǎn)換器所組成。為簡(jiǎn)化電路的硬件結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器tlc2543對(duì)采到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，并計(jì)算有效值。tlc2543是ti公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成a/d轉(zhuǎn)換過程。是串行輸入結(jié)構(gòu)，且價(jià)格適中，分辨率較高，因此在儀器表中有較為廣泛的應(yīng)用。tlc2543有十一路模擬輸入通道，在工作溫度范圍內(nèi)10us轉(zhuǎn)換時(shí)間，3路內(nèi)置自測(cè)試方式；采樣率為66kbps;線性誤差1lsbmax;有轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出eoc；具有單雙極性輸出；可編程的msb和lsb前導(dǎo)；可編程輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)

40、度。它將多路開關(guān)、基準(zhǔn)電源，內(nèi)部時(shí)鐘等集成于一個(gè)芯片內(nèi)，大大提高了集成性與可靠性，此部分電路將信號(hào)輸入電路傳來的信號(hào)進(jìn)行 a/d 變換，將模擬輸入量變成數(shù)字量，送給單片機(jī)進(jìn)行處理。圖3-4-2-1 tlc2543引腳圖在tlc2543引腳中，ain0ain10為模擬量輸入端。11路輸入信號(hào)由內(nèi)部多路器選通。對(duì)于4.1mhz的i/o clock，驅(qū)動(dòng)電源阻抗必須小于或等于50歐姆，而且用60pf的電容來限制模擬輸入電壓的斜率。引腳datainput為串行數(shù)據(jù)輸入端。由4位的串行地址輸入來選擇模擬量輸入通道，而data out為a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出端。其中eoc為轉(zhuǎn)換結(jié)束端。在最后的i/o

41、 clock 下降沿之后，eoc從高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈３值睫D(zhuǎn)換完成和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備傳輸為止。作為輸入輸出的時(shí)鐘端的i/o clock接受串行輸入信號(hào)。ref+為正基準(zhǔn)電壓端，相反ref-為負(fù)基準(zhǔn)電壓端。圖3-4-2-2 tlc2543與cpu連線圖3.5電機(jī)振蕩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行異?？梢詮臄?shù)據(jù)上體現(xiàn)出來，根據(jù)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與診斷是目前風(fēng)機(jī)設(shè)備維護(hù)管理的主要手段，振動(dòng)系統(tǒng)由從機(jī)和主機(jī)兩部分組成，從機(jī)即傳感器模塊安裝在風(fēng)機(jī)的表面和內(nèi)部，負(fù)責(zé)對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、濾波和標(biāo)定，并將數(shù)據(jù)上傳主機(jī)。主機(jī)位于控制室內(nèi)，包括分析報(bào)警模塊和pc機(jī)，前者主要負(fù)責(zé)接受數(shù)據(jù)，合成x、y軸振動(dòng)并判斷振動(dòng)矢量的幅值是否

42、超限，若超限則觸發(fā)報(bào)警裝置，同時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)pc機(jī)；pc機(jī)配置從機(jī)和分析報(bào)警模塊的參數(shù)，并用圖標(biāo)實(shí)時(shí)顯示振動(dòng)情況。傳感器是從機(jī)的核心，它的特性和接口方式?jīng)Q定了從機(jī)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。選用高性能、低功耗雙軸加速度傳感器adxl202e。它可測(cè)量x軸和y軸兩相互正交方向上、平行于芯片平面的加速度矢量，包括動(dòng)態(tài)加速度（如振動(dòng)）和靜態(tài)加速度（如引力），它有模擬和數(shù)字兩種接口，每種接口都輸出x軸和y軸2路振動(dòng)信號(hào)。adxl202e為8腳lcc封裝，st為自測(cè)試引腳，應(yīng)用時(shí)懸空；xfilt和yfilt為模擬信號(hào)輸出引腳，通過電容接地；xout和yout是數(shù)字信號(hào)輸出引腳，t2引腳通過電阻rset接地，用于設(shè)定

43、數(shù)字信號(hào)周期。使用1008電阻或磁珠串聯(lián)在adxl202e的電源線上可提供更好的電源去藕效果。xfilt和yfilt引腳的外接電容c與芯片內(nèi)部集成電阻構(gòu)成低通濾波器，可確定輸出模擬信號(hào)的帶寬，同時(shí)濾除噪聲，抑制零點(diǎn)漂移9。圖3-5 adxl202e應(yīng)用電路圖3.6電機(jī)軸承溫度檢測(cè)電路電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí),軸承外圈允許溫度不應(yīng)超過95,如果超過這個(gè)值就是電動(dòng)機(jī)軸承溫度過高,也稱電動(dòng)機(jī)軸承發(fā)熱。軸承發(fā)熱是電動(dòng)機(jī)最常見的故障之一。輕則使?jié)櫥♂屄┏?重則將軸承損壞,給用戶造成經(jīng)濟(jì)損失。本次系統(tǒng)采用的是一種ad590集成溫度傳感器。集成溫度傳感器是將溫敏與相應(yīng)的輔助電路集成在同一塊芯片上，它能直接給出正比于

44、絕對(duì)溫度的理想線性輸出。在眾多溫度傳感器中，集成溫度傳感器因其線性好，精確度高和易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)在線測(cè)試與數(shù)據(jù)處理等優(yōu)點(diǎn)，在生活中有著廣泛的應(yīng)用，ad590是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。ad590的測(cè)溫范圍是-55+150，非線性誤差僅為-0.3+0.3，而電機(jī)軸承最高溫度也在此范圍內(nèi)。電源電壓范圍為430v，可以承受44v正向電壓和20v反向電壓，因而器件即使反接也不會(huì)損壞。圖3-6 軸承測(cè)溫電路圖如圖3-6為測(cè)量電機(jī)軸承溫度電路，整個(gè)電路系統(tǒng)主要由集成溫度傳感器ad590、放大器芯片lm324、穩(wěn)壓管及一些電阻組成。穩(wěn)壓管d2鉗制了由電源提供的電流和電壓，經(jīng)可調(diào)電阻r54調(diào)

45、節(jié)后保持電壓。ad590溫度傳感器不但可將溫度轉(zhuǎn)化成線性化電量進(jìn)行測(cè)量、而且具有精度高、應(yīng)用方便的特點(diǎn)10。3.7報(bào)警功能電路的設(shè)計(jì)當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)或風(fēng)扇出現(xiàn)故障時(shí)，為了使操作人員不致忽視，以便及時(shí)采取措施，往往還需要有某種更能引人注意和提醒警覺的報(bào)警信號(hào)。這種報(bào)警信號(hào)，通常有兩種類型：一是閃光報(bào)警，因?yàn)殚W動(dòng)的指示燈更能提醒人們注意；二是鳴音報(bào)警，發(fā)出特定的鳴音，作用于人的聽覺器官，易于引起和加強(qiáng)警覺，以上這兩種報(bào)警統(tǒng)稱聲光報(bào)警。蜂鳴器，發(fā)光二極管的極限電壓均比較低，則都加一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娮枧c之串聯(lián)，以降低電路電流。因?yàn)槠淇刂齐娐吩砣鐖D3-7-1所示：圖3-7-1 光報(bào)警電路圖聲光動(dòng)報(bào)警器

46、件的發(fā)光器件常用發(fā)光二極管。因?yàn)榘l(fā)光二極管不僅耗電小，而且有多種顏色可供選擇，便于用閃光顏色區(qū)分不同報(bào)警信息。本次設(shè)計(jì)通過紅色的led發(fā)光二極管和一個(gè)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警11。圖3-7-2 聲報(bào)警電路圖3.8顯示電路的設(shè)計(jì)煤礦有毒氣體的監(jiān)測(cè)裝置的顯示方式有，儀表顯示，數(shù)字顯示，聲光顯示和位移顯示器。在這里采用lcd液晶顯示電路。lcd是新型平板顯示器件，顯示器中的液晶體并不發(fā)光，而是控制外部光的通過量。當(dāng)外部光線通過液晶分子時(shí)，液晶分子的排列扭曲狀態(tài)不同，使光線通過的多少就不同，實(shí)現(xiàn)了亮暗變化，可重現(xiàn)圖像。液晶分子扭曲的大小由加在液晶分子兩邊的電壓差的大小決定，因而可以實(shí)現(xiàn)電到光的轉(zhuǎn)化。即用電壓的高

47、低控制光的通過量，從而把電信號(hào)轉(zhuǎn)化成光像。雖然亮度，顯示效果不及l(fā)ed顯示屏，但是功耗卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于led，而且零輻射、散熱小，不存在超高壓器件，不至于由于高壓導(dǎo)致的x射線超標(biāo)。在此系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇lcd12864，此模塊是一種具有4位或8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864.內(nèi)置8192個(gè)1616點(diǎn)漢字，和128個(gè)168點(diǎn)asc字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示84行，1616點(diǎn)陣漢字，也可完成圖形顯示。低電壓低功耗又是其顯著的一個(gè)特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯

48、示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡(jiǎn)潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。此模塊的通訊方式是串行、并口可選，內(nèi)置dc-dc轉(zhuǎn)換電路，無需外加負(fù)壓，無需片選信號(hào)，簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)，工作的溫度大約在055，存儲(chǔ)溫度在-206012。圖3-8 lcd12864管腳圖lcd芯片的各個(gè)管腳功能特性如表3.8所示。管腳號(hào)管腳名稱電平管腳功能1vss0v電源地2vcc3.0+5v電源正3v0-對(duì)比度亮度調(diào)整4rs（cs）h/lrs=“h”，表示 db7db0為顯示數(shù)據(jù)rs=“l(fā)”，表示db7db0為顯示指令數(shù)據(jù)5r/w（sid）h/lrw=“h”,e=“h”,數(shù)

49、據(jù)被讀到db7db0 rw=“l(fā)”,e=“hl”,db7db0的數(shù)據(jù)被寫到ir或dr6e(sclk)h/l使能信號(hào)7-14db0-db7h/l三態(tài)數(shù)據(jù)線15psbh/lh:8位或4位并口方式，l:串口方式16nc-空腳17h/l復(fù)位端，低電平有效18vout-lcd驅(qū)動(dòng)電壓輸出端19avdd背光源正端（+5v）20kvss背光源負(fù)端表3.8 lcd管腳功能第4章 風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速在煤礦井下應(yīng)用的通風(fēng)機(jī)，由于用風(fēng)量的要求，往往需要在大負(fù)荷下運(yùn)行，因此風(fēng)機(jī)輪翼直徑一般設(shè)計(jì)的都比較大，大都在1米以上，這樣為了克服風(fēng)機(jī)的大啟動(dòng)力矩，風(fēng)機(jī)所配置的拖動(dòng)電機(jī)功率也非常大。風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，電機(jī)處于大馬拉小車狀態(tài)，

50、造成極大的能源浪費(fèi)。另外由于異步電動(dòng)機(jī)為固定轉(zhuǎn)速，風(fēng)量的調(diào)節(jié)靠調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的入口的擋板的寬度來完成，小風(fēng)量時(shí)，風(fēng)機(jī)擋板開度很小，造成風(fēng)機(jī)的振動(dòng)非常大，裝置無法實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷運(yùn)行。因此風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)對(duì)節(jié)能和提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的意義，只有保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，才能保證煤礦井下工人在通風(fēng)良好的環(huán)境下工作。變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系：，（式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對(duì)數(shù)）；通過改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。變頻調(diào)速是現(xiàn)代微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)。變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力傳動(dòng)技術(shù)的重要發(fā)展方向，已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)

51、生產(chǎn)和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。在變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中產(chǎn)生可調(diào)電壓和可調(diào)頻率的逆變電路控制技術(shù)是變頻調(diào)速的核心技術(shù)。在變頻調(diào)速的控制方法中，脈寬調(diào)制（pwm）技術(shù)以優(yōu)良的調(diào)壓和調(diào)頻性能，在扁平調(diào)速系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于現(xiàn)實(shí)pwm變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的要求越來越高、高頻化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、安全化成為其發(fā)展方向。最近幾年的時(shí)間微處理器的工作性能不斷提高，產(chǎn)生pwm信號(hào)的大規(guī)模集成電路不斷出現(xiàn)，與此同時(shí)，智能化驅(qū)動(dòng)器件的特性也得到持續(xù)改善，將這些新技術(shù)、新工藝相結(jié)合，不僅可以進(jìn)一步提高變頻調(diào)速的控制性能，使數(shù)字化、安全化成為可能，而且也符合變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。本選用以單片機(jī)pic16f877為核心、以

52、pwm波專用發(fā)生芯片為主體、同時(shí)運(yùn)用了智能化驅(qū)動(dòng)芯片ir2233的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，軟件的質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)控制系統(tǒng)的效率和性能。根據(jù)控制系統(tǒng)的目標(biāo)需求，隊(duì)控制軟件進(jìn)行合理的劃分，再采用模塊化的設(shè)計(jì)原則，確定各個(gè)模塊所要完成的功能，整個(gè)控制軟件完成數(shù)據(jù)的輸入，顯示以及pi調(diào)整功能，整個(gè)控制軟件完成數(shù)據(jù)的輸入，顯示以及pi調(diào)整功能，整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)不但起到了控制作用而且充當(dāng)簡(jiǎn)單的上下位機(jī)的作用。pi控制器可以使原系統(tǒng)更加穩(wěn)定準(zhǔn)確，環(huán)節(jié)p用來使系統(tǒng)快速的動(dòng)作，但遺憾的是有余差存在；積分控制可以消除余差，但是容易使系統(tǒng)的控制過程產(chǎn)生振蕩，且時(shí)間延遲很長(zhǎng)，被控

53、變量波動(dòng)幅度也很大，應(yīng)用pi控制，可以很好的改善以上單獨(dú)使用的不足，但是在本系統(tǒng)中，由于對(duì)壓力的控制要求不是十分嚴(yán)格，所以應(yīng)用pi控制就可以很好的完成控制要求。對(duì)于pi控制器的參數(shù)整定有多種方法，如臨界比例度法，衰減曲線法，pid歸一參數(shù)法等方法。但是在工業(yè)中最長(zhǎng)使用的是經(jīng)驗(yàn)法。這種方法是工人師傅幾十年操作經(jīng)驗(yàn)的積累，逐步的反復(fù)的試湊，最后得到控制器的適合參數(shù)13。4.1變頻調(diào)速裝置在風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用風(fēng)機(jī)的流量，運(yùn)行壓力，軸功率這三個(gè)基本參數(shù)與轉(zhuǎn)速的運(yùn)算公式及其復(fù)雜，同時(shí)風(fēng)機(jī)類負(fù)荷隨環(huán)境變化參數(shù)也隨之變化。在工程中一般根據(jù)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行曲線，進(jìn)行大致的參數(shù)運(yùn)算，通過改變風(fēng)機(jī)的管網(wǎng)特性曲線來實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的

54、風(fēng)量調(diào)節(jié)；通過改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)。取代曾經(jīng)依靠擋板改變流量的方式，達(dá)到節(jié)能效果：精確的調(diào)節(jié)速度和流量，保證工藝質(zhì)量；接受計(jì)算機(jī)的模擬或數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；動(dòng)態(tài)性能好，可實(shí)現(xiàn)“軟”啟動(dòng)。變頻裝置的特性保證了電機(jī)啟動(dòng)和加速時(shí)具有消除啟動(dòng)對(duì)電機(jī)的沖擊，可以提高電機(jī)和機(jī)械的使用壽命。4.2變頻調(diào)速裝置的工作特點(diǎn)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）采用數(shù)字化控制，控制方法簡(jiǎn)單，人機(jī)界面友好，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)控制方式和聯(lián)網(wǎng)控制方式相互補(bǔ)充，可以實(shí)現(xiàn)最佳的控制效果。（2）調(diào)制波輸出頻率可調(diào)范圍寬，可以在1hz2khz之間任意連續(xù)調(diào)節(jié)，提高了控制的靈活性。（3）驅(qū)動(dòng)芯片ir2233和sa4828專用模塊具有緊

55、急停止功能，一旦故障發(fā)生，專用芯片可以跳過微處理器立即停止輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使得系統(tǒng)的安全性大大提高。變頻調(diào)速系統(tǒng)通過連續(xù)改變變頻器輸出頻率來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的連續(xù)變化，使電動(dòng)機(jī)工作在轉(zhuǎn)差較小的范圍。風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備都是采用變頻調(diào)速技術(shù)來實(shí)現(xiàn)節(jié)能的。這是一種理想調(diào)速控制方式，即提高了設(shè)備效率，又滿足了生產(chǎn)工藝要求，并且因此而大大減少了設(shè)備的維護(hù)、維修費(fèi)用，還降低了停產(chǎn)周期。直接和間接經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。4.3 變頻調(diào)速的硬件部分以pic16f877單片機(jī)為核心的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要由高性能微處理器pic16f877及pwm波專用發(fā)生芯片sa4828和智能驅(qū)動(dòng)芯片ir2233組成。圖4-3-1 驅(qū)動(dòng)芯片ir2

56、233連接電路圖系統(tǒng)的主要部件和功能：（1）ir2233是ir公司生產(chǎn)的專為高壓、高速功率igbt門極驅(qū)動(dòng)而設(shè)計(jì)的功率驅(qū)動(dòng)器件，是輸出高壓柵極智能驅(qū)動(dòng)模塊。其應(yīng)用電路如圖4-3-1所示。此電路可將直流電壓+dc逆變?yōu)槿嘟涣鬏敵鲭妷海╱、v、w）。直流電壓+dc來自三相橋式整流電路。逆變電路功率元件使用耐壓值為1200v的igbt元件gph50kd2。經(jīng)過光電隔離的pwm信號(hào)直接輸入到ir2233中，并由它來驅(qū)動(dòng)高電壓、高速率的功率元件，光電隔離電路如圖4-3-2所示。圖4-3-2 光電隔離電路圖由于六路隔離電路完全一樣，所以在此僅顯示了一路隔離電路，該驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部集成了互相獨(dú)立的3組半橋驅(qū)動(dòng)電路，可為橋臂提供死區(qū)時(shí)間，特別適合于三相電源變換等方面的應(yīng)用，芯片的輸入信號(hào)與5v的cmos或lsttl電路輸出信號(hào)兼容，因此可直接驅(qū)動(dòng)，而且內(nèi)部集成了獨(dú)立的運(yùn)算放大器，可通過外部橋臂電阻、取樣電流構(gòu)成模擬反饋輸入；具有故障電流保護(hù)功能和欠電壓保護(hù)功能，可關(guān)閉6個(gè)輸入通道。（2）sa4828是由英國(guó)