煤礦井下水倉(cāng)水位監(jiān)控系統(tǒng)

1、摘要 本文主要論述了一種煤礦井下水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)主要由控制電路和液晶顯示器組成，控制柜安裝在井下水倉(cāng)附近，外接多個(gè)傳感器測(cè)量各項(xiàng)參數(shù)，控制電路以AT89C52單片機(jī)為核心，完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集和處理等操作，當(dāng)被測(cè)量超過允許值時(shí)，能夠產(chǎn)生聲光報(bào)警。電路板上配有鍵盤電路，當(dāng)傳感器初裝或零點(diǎn)發(fā)生漂移時(shí)，可以通過按鍵調(diào)節(jié)零點(diǎn)，同時(shí)也可以設(shè)置每個(gè)被測(cè)量的報(bào)警值。液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)模擬狀態(tài)圖，包括各個(gè)被測(cè)量的大小，并根據(jù)水位的高低有動(dòng)態(tài)變化。系統(tǒng)采集的信號(hào)主要包括水泵電機(jī)的電流值、開停狀態(tài)和軸承溫度值，以及水倉(cāng)水位值。其中，采用WB系列電量隔離傳感器來(lái)測(cè)量電流;采用KGT9礦用機(jī)電設(shè)備開

2、停傳感器來(lái)測(cè)量水泵電機(jī)的開停狀態(tài);采用數(shù)字溫度傳感器MAX6577測(cè)量水泵電機(jī)的溫度;水位傳感器為自行設(shè)計(jì)，探頭采用MPM281壓力傳感器，根據(jù)壓力與水位的關(guān)系，確定水位高度。系統(tǒng)采用彩色液晶顯示器顯示所有被測(cè)信息，如有報(bào)警可通過改變顯示顏色予以提示。 軟件部分采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。整個(gè)系統(tǒng)對(duì)保證安全生產(chǎn)和提高生產(chǎn)效率起到了重要作用。關(guān)鍵詞:井下水位，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，單片機(jī)，傳感器，液晶顯示器Abstract The essay mainly discusses a kind of design and reality of the water-bunk

3、er levelmonitoring system underground coal mine. The system is comprised by a control circuit andLCD. The controller is installed in the vicinity of the water-bunker, which linked a number ofsensors to measure variousparameters.of the signalThe control circuit is in the core of AT89C52. Itcompletes

4、the measurementgathering and processing. When the index is beyondthe limit, it will produce the acoustics-optics alarm. The PCB has the key circuit. When thesensors are installed at the first time or the zero value is changed, we can set the zero by thekey, also we can set the alarm value by the key

5、. LCD display real time simulation of the scenestate graph including the size of all measurement, which has dynamic change in accordancewith the water level. The signals that the system collects include the current, on-off state and the bearingtemperature of the pump engine and the water-bunker leve

6、l. Among it, the measurement ofcurrent adopts WB series electric quantity isolation sensor. The measurement of on-off stateadopts KGT9 on-off sensor. The collecting of temperature is realized by the digitaltemperature sensor MAX6577. The water level sensor is designed by us with the MPM281pressing s

7、ensor as the probe to measure the water level according to the relationship betweenthe pressure and the water level. The system displays all the signals with color Liquid CrystalDisplay (LCD). If warning, the color of the display will be changed to tell the operator. The software part is programmed

8、using the C language and its every function is tested inthe laboratory and in the spot respectively. The whole system has run well since been installedin the datun coal mine. Both social and economic benefits are more obvious. It plays animportant role in ensure safety in production and improve prod

9、uction efficiency.Keywords: Water-bunker level, Real time monitoring, Single chip microcomputer,Sensor, LCD (Liquid Crystal Display)不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印- II -目 錄千萬(wàn)不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行- 44 -第1章 緒 論1.1 課題背景 煤礦生產(chǎn)過程中，經(jīng)?？梢砸姷降叵滤魅胂锏篮凸ぷ髅?，這就是礦井水。礦井水的來(lái)源主要有大氣降

10、水、地表水、斷層水、含水層水和采空區(qū)水l。在煤礦地下開采的過程中，由于地層中含水的涌出，雨水和江河中水的滲透，水砂充填和水力采煤礦井的井下供水，將要有大量的水晝夜不停地匯集于井下。礦井涌水與采區(qū)的水文地質(zhì)及當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件有關(guān)系，涌水量在不同的季節(jié)也呈現(xiàn)不同。在一些大水礦井，礦井涌水量可達(dá)到每秒17立方米，甚至超過每秒20立方米。另外，在煤炭開采過程中，由于地層結(jié)構(gòu)被破壞，巖層斷裂，使采區(qū)與儲(chǔ)水層連通，發(fā)生突水事故，涌水量會(huì)突然增加。如果不能及時(shí)將這些積水排送到井上，井下生產(chǎn)就可能受到阻礙，井下安全就會(huì)得不到保障，嚴(yán)重者會(huì)造成重大事故，給人民的生命、國(guó)家的財(cái)產(chǎn)都帶來(lái)了極大威脅。因此，井下排水就顯

11、得尤為重要。井下排水系統(tǒng)的任務(wù)就是及時(shí)把流入井下煤礦巷道中的礦井積水排送至地表，確保煤礦的安全生產(chǎn)。 根據(jù)統(tǒng)計(jì)，每開采1噸煤就要排出2-7噸礦井水，有時(shí)甚至要排出30-40噸礦井水。井下排水設(shè)備所配備電機(jī)的功率，小的幾千瓦到幾十千瓦，大的幾百千瓦到上千千瓦、在我國(guó)煤炭行業(yè)中，井下排水用電量占原煤生產(chǎn)總耗電量的18%-41，一般為20%左右。礦井排水方式一般分為兩種:自流法排水和揚(yáng)水法排水。前者是利用傾斜坑道將水排至露天的水溝;后者則利用排水設(shè)備揚(yáng)至地面。排水設(shè)備一般由水倉(cāng)、吸水井、多臺(tái)水泵帶電機(jī)及其吸水管充水裝置、多趟排水管路、閘閥等組成。井下排水系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)中四大系統(tǒng)之一，擔(dān)負(fù)著井下積水排

12、除的重要任務(wù)。然而，目前國(guó)內(nèi)許多礦井井下主排水系統(tǒng)還采用人工控制，水泵的開停及選擇切換均由人工完成，完全依賴于工人的責(zé)任心，也預(yù)測(cè)不了水位的增長(zhǎng)速度，做不到根據(jù)水位和其他參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示，這種檢測(cè)控制方法效率低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，且由于井下環(huán)境惡劣，故障率較高，嚴(yán)重阻礙了礦井排水泵的管理水平和經(jīng)濟(jì)效益。因此，能準(zhǔn)確地獲取水倉(cāng)水位的高度信息以及排水泵的各項(xiàng)參數(shù)從而確定排水泵的開停，并且在水位超限等情況下產(chǎn)生報(bào)警，對(duì)于合理安排電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、保障排水具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2課題研究的現(xiàn)狀 在許多發(fā)達(dá)國(guó)家里，礦井水資源管理己進(jìn)入了系統(tǒng)化管理階段，集中了規(guī)范化、統(tǒng)計(jì)化、實(shí)時(shí)化和運(yùn)籌化管理水資源質(zhì)量及水環(huán)境的優(yōu)

13、點(diǎn)，運(yùn)用系統(tǒng)論、信息論、控制論和計(jì)算機(jī)技術(shù)，建立起了水資源管理信息系統(tǒng)。他們?cè)诓蓞^(qū)工作面水文地質(zhì)探測(cè)，地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)，水害預(yù)測(cè)，應(yīng)急堵截水方面和礦井水綜合治理方面均有成熟的技術(shù)可以讓我們借鑒。雖然這些國(guó)家沒有將排水設(shè)備的自動(dòng)化單獨(dú)進(jìn)行研究，但他們將這一方面的內(nèi)容列入了礦山整體水資源管理的規(guī)劃之中，將所有的控制信息包括水泵的運(yùn)行都集中給中心控制室，進(jìn)行統(tǒng)一控制，如俄羅斯針對(duì)礦山設(shè)備的研制，提出了采用以微處理技術(shù)為基礎(chǔ)的自動(dòng)控制和故障診斷系統(tǒng)以及保護(hù)和安全操作系統(tǒng)。 國(guó)內(nèi)在優(yōu)化排水方案、改造排水設(shè)備及巷道合理布置等方面也做了大量的研究。還有一些研究人員把智能控制理論用于煤礦井下排水系統(tǒng)當(dāng)中，將規(guī)則

14、控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、專家系統(tǒng)等智能型的控制方法用于排水系統(tǒng)的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)控制、自動(dòng)監(jiān)測(cè)排水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)記錄、故障報(bào)警、事故分析、多臺(tái)水泵軟啟動(dòng)的自動(dòng)切換及控制斷電等，所得到的動(dòng)態(tài)資料準(zhǔn)確性高，控制的可靠性局。 在煤礦井下水位的檢測(cè)技術(shù)方面，目前國(guó)內(nèi)還處于摸索階段，檢測(cè)手段比較落后，可靠性差，檢測(cè)系統(tǒng)不完善，檢測(cè)煤泥水的傳感器還沒有好的產(chǎn)品。雖然現(xiàn)在也有一些傳統(tǒng)的水位傳感器，如壓力式、浮子式等水位傳感器用于煤泥水水位的測(cè)量，但是由于煤礦井下環(huán)境惡劣，這些傳感器均因淤泥或煤泥堵塞受到影響，致使整個(gè)系統(tǒng)難以準(zhǔn)確可靠地采集前端信號(hào)。過去對(duì)煤礦井下水的檢測(cè)監(jiān)控自

15、動(dòng)化要求不高，但是隨著近年來(lái)煤礦事故的頻繁發(fā)生，煤礦安全問題日益引起了人們的廣泛關(guān)注?，F(xiàn)在，所有礦用產(chǎn)品都進(jìn)行防爆送檢和煤安認(rèn)證，煤礦的安全要求越來(lái)越高，因此對(duì)煤礦井下水的監(jiān)控要求也隨之提高，具有高準(zhǔn)確性、高可靠性的檢測(cè)煤泥水的新型傳感器也急切需要研制。目前國(guó)外的井下水倉(cāng)靜態(tài)水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前端信號(hào)采集傳感器技術(shù)仍然為傳統(tǒng)的壓力式和浮子式，沒有什么新的進(jìn)展。1.3課題研究的意義 水是經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人類賴以生存必不可少的自然資源。我國(guó)國(guó)土面積占世界第3位，但人均占有的淡水資源卻僅為世界的第84位，而且水資源分布極不均衡，西北地區(qū)及相當(dāng)一部分地區(qū)水資源十分貧乏。我國(guó)的煤炭絕大部分蘊(yùn)藏在北方缺水地區(qū)，尤其是

16、西北干旱地區(qū)。目前儲(chǔ)量較大的神府煤田、古交煤田就處在黃土高原的內(nèi)蒙古、陜西、山西一帶。干旱缺水大大地阻礙了煤炭能源基地的建設(shè)和發(fā)展。 我國(guó)是一個(gè)煤炭生產(chǎn)大國(guó)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)煤炭的需求量將進(jìn)一步增長(zhǎng)。煤炭是我國(guó)的主要能源，在一次能源構(gòu)成中一直占70%以上，預(yù)計(jì)這個(gè)局面在今后二、三十年內(nèi)不會(huì)有根本性的改變。目前，全國(guó)約75%的工業(yè)燃料和動(dòng)力、85%的化工原料和絕大多數(shù)的民用燃料依靠煤炭。目前我國(guó)煤炭產(chǎn)量己突破12億噸，居世界首位，而同時(shí)每生產(chǎn)1噸原煤將從地下抽排出2-4M3的地下水，即礦井水，平均每年將有2040億m3的地下水抽排到地面，占全國(guó)地下水年開采量的5%，是我國(guó)城市年生活用水

17、量的40%，這些地下水絕大部分被排放掉，煤礦利用率僅為10%。 煤礦生產(chǎn)抽排的地下水，初始流入井筒均未受污染，而是在煤炭開采過程中，才被污染，呈現(xiàn)灰黑色。礦井水中主要污染物為采煤過程中懸浮煤粉和巖石粉滲入水中形成較高濃度的懸浮物(SS)、可溶性的無(wú)機(jī)鹽類、井下使用的乳化液對(duì)礦井水的污染以及少量的有機(jī)污染物，所以水質(zhì)較好，如果對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)處理，完全可以達(dá)到工業(yè)和生活用水標(biāo)準(zhǔn)。比如，我國(guó)東北、華北礦區(qū)的礦井水水質(zhì)特征基本為中性，礦化度低，不含有毒有害物質(zhì)，經(jīng)混凝、沉淀、分離和殺菌消毒工藝后，完全能夠達(dá)到生活用水的指標(biāo)。另一方面，我國(guó)地域遼闊，人口己逾13億，人均占有水資源量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界的平均水平，

18、僅為全世界人均水平的四分之一，是世界上嚴(yán)重缺水的國(guó)家。隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人口的大量增加和人民生活水平的提高，用水量也在急劇增長(zhǎng)，水資源也變的越來(lái)越緊張。尤其在我國(guó)的主要產(chǎn)煤區(qū)缺水更加嚴(yán)重，全國(guó)75%的礦區(qū)面臨缺水，其中40%的礦區(qū)已達(dá)到嚴(yán)重缺水程度，缺水的狀況有增無(wú)減，嚴(yán)重影響了煤炭生產(chǎn)和礦區(qū)人民的生活。全國(guó)礦區(qū)每年缺水量己達(dá)5億m3，形成了地下水大量地浪費(fèi)性排放與礦區(qū)生活生產(chǎn)用水嚴(yán)重不足的矛盾。過去很多煤礦對(duì)礦井排水沒有充分加以利用，通常未經(jīng)任何處理就直接排入江河、山溝、洼地中，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染;有的礦區(qū)一方面用電力把礦井水排到地面污染地表水系，另一方面又在缺乏水源的情況下耗資打井取水或

19、遠(yuǎn)距離輸水，這是對(duì)能源的極大浪費(fèi)。 如果將礦井涌出水進(jìn)行合理排放處理，使水質(zhì)達(dá)到工業(yè)與生活用水標(biāo)準(zhǔn)，則為水資源緊缺的煤礦開辟出第二水資源，這將帶來(lái)巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。近幾年，我國(guó)北方大型煤礦區(qū)都開始了程度不同的礦井水開發(fā)利用工作，意識(shí)到礦井水資源化是一項(xiàng)開源增流的有效措施，作為水資源的一種補(bǔ)充來(lái)源，可以在某種程度上解決當(dāng)?shù)貒?yán)重缺水這一經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶預(yù)問題。 但是，更值得注意的一點(diǎn)是，現(xiàn)階段我國(guó)煤礦礦難頻繁發(fā)生，因之造成的人員傷亡和設(shè)備財(cái)產(chǎn)損失的數(shù)字是十分驚人的，煤礦安全問題也日益受到人們的關(guān)注。造成煤礦事故的原因是多方面的，比如頂板、運(yùn)輸、火藥放炮、火災(zāi)等，但是以瓦斯爆炸和水災(zāi)害最為頻繁，最為嚴(yán)

20、重。如果礦井水排放不暢，如此多的礦井涌出水在井下放任自流，將勢(shì)必造成水災(zāi)，更嚴(yán)重的造成設(shè)備財(cái)產(chǎn)損失、人員傷亡、礦井坍塌等災(zāi)難性的后果。 礦井水害一直是制約煤礦安全生產(chǎn)的重大礦井災(zāi)害之一。煤礦水害事故的發(fā)生，不僅造成生產(chǎn)損失和人員傷亡，導(dǎo)致多種環(huán)境負(fù)效應(yīng)，而且還威脅著大量煤炭資源不能開采，對(duì)礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成重大影響。 綜上所述，不管是從礦井水的合理排放再利用方面，還是從礦井水的放任自流對(duì)煤礦開采的極大危害方面考慮，都需要把礦井水及時(shí)有效地排出礦井。因此，設(shè)計(jì)一套行之有效的煤礦井下水倉(cāng)水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是不可或缺的。1.4課題研究的內(nèi)容 本課題主要是對(duì)煤礦井下水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為達(dá)到以上目的，本課題主要

21、做以下幾個(gè)方面的工作: .設(shè)計(jì)水位傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量井下水位。 .測(cè)量每個(gè)水泵電機(jī)的電流、開停狀態(tài)和軸承溫度。 .通過液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示水倉(cāng)水位、電機(jī)開停、電機(jī)電流和電機(jī)軸承溫度等狀態(tài)值。 .當(dāng)水位超限(包括高限和低限)，電機(jī)電流超限(包括過流和欠流)，軸承溫度超溫時(shí)進(jìn)行報(bào)警。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)安裝在煤礦井下水倉(cāng)附近，對(duì)水倉(cāng)水位及排水泵電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示，因此，本監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形翻蓋式殼體，上蓋內(nèi)側(cè)為液晶顯示器，殼體內(nèi)部為監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的控制線路板，殼體外側(cè)是多個(gè)M16喇叭口，分別用于連接各個(gè)傳感器以及電源輸入。 本系統(tǒng)為每個(gè)水泵電機(jī)配備有兩個(gè)溫度傳感器、

22、一個(gè)電流傳感器和一個(gè)開停傳感器，分別用于測(cè)量電機(jī)左右軸溫度、電機(jī)工作電流和電機(jī)開停狀態(tài)。另外還有水位傳感器用于測(cè)量水倉(cāng)當(dāng)前水位。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置圖如圖2.1所示。 圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置圖2.2主控制柜的設(shè)計(jì) 本課題需要解決兩個(gè)方面的關(guān)鍵問題:一是各種被測(cè)信號(hào)的采集和處理，二是對(duì)各種信息的實(shí)時(shí)顯示。 系統(tǒng)將要對(duì)多種信號(hào)進(jìn)行采集，包括水泵電機(jī)的電流值、開停狀態(tài)和軸承溫度值，以及水倉(cāng)水位值。這些信號(hào)的類型比較多，需要用到多種傳感器采集并進(jìn)行信號(hào)放大等處理。 同時(shí)，系統(tǒng)需要將采集到的各種信息在液晶顯示器上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，并伴有動(dòng)態(tài)模擬，因此如何實(shí)現(xiàn)微處理器與液晶顯示器之間的通信，并通過命令操作進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示是

23、要解決的一個(gè)關(guān)鍵問題?；谝陨蠁栴}，主控制柜設(shè)計(jì)為以微處理器為核心的控制電路和液晶顯示器組成。2.2.1微處理器(單片機(jī))的選型 本系統(tǒng)中，對(duì)單片機(jī)的速度要求不是很高，而且顯示器選用液晶顯示器，因此，輸出電平也不需要很大的驅(qū)動(dòng)能力。從軟件上講，編程需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算，這對(duì)于編程復(fù)雜的PIC系列單片機(jī)和寄存器資源有限的AVR系列單片機(jī)也都不是很合適。此外，考慮到個(gè)人的熟練掌握程度和單片機(jī)的價(jià)格，本系統(tǒng)選用了當(dāng)今最流行的八位單片機(jī)51系列的典型產(chǎn)品AT89C52。 AT89C52是ATMEL公司生產(chǎn)的一種低功耗、低電壓、高性能的8位單片機(jī)，片內(nèi)帶有一個(gè)8KB的FLASH可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器(

24、 EPROM)。它采用了CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非易失性存儲(chǔ)器(NURAM)技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MSC-51兼容。片內(nèi)的FLASH存儲(chǔ)器允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲(chǔ)器編程器來(lái)編程，操作十分方便。目前，又很多的單片機(jī)都與AT89C52的管腳和功能兼容，可以在許多場(chǎng)合進(jìn)行替換。2.2.2顯示器的選型 對(duì)于采集數(shù)據(jù)的就地顯示主要有兩種方式:發(fā)光二極管顯示器(LED)顯示和液晶顯示器(LCD)顯示。LED顯示與LCD顯示相比，LED在亮度、可視角度和刷新速率等方面，都更具優(yōu)勢(shì)。但是，本系統(tǒng)中需要顯示的數(shù)據(jù)量較大，若使用LED來(lái)顯示，硬件電路會(huì)相當(dāng)復(fù)雜，系統(tǒng)的功耗

25、也會(huì)很大，而且顯示的數(shù)據(jù)觀看起來(lái)不直觀，認(rèn)數(shù)據(jù)所代表的含義。壽命長(zhǎng)、超薄、防振、液晶顯示器作為現(xiàn)代高新技術(shù)產(chǎn)品，它體積小、功耗低、不容易辨無(wú)輻射、防爆，能夠提供可視的人機(jī)對(duì)話界面，顯示器所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。為了顯示的直觀性以及容易辨認(rèn)，器。具有LED顯示器、CRT本系統(tǒng)選用彩色液晶顯示2.3傳感器的選型2.3.1溫度傳感器 溫度是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常見的一個(gè)測(cè)控參數(shù)，根據(jù)溫度傳感器的不同，其測(cè)控系統(tǒng)亦有較大差別。在滿足應(yīng)用場(chǎng)合需求的前提下，選擇合適的溫度傳感器，同時(shí)兼顧測(cè)量溫度誤差小、電路簡(jiǎn)潔可靠是本設(shè)計(jì)考慮的主要內(nèi)容。本系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水泵電機(jī)的溫度，以確定其是否超限。溫度的測(cè)量控制一般采用各式

26、各樣的溫度傳感器，常用的溫度傳感器及其測(cè)溫范圍()為:熱電偶(-184230)，熱電阻(-200850)，熱敏電阻(-55300)，半導(dǎo)體(-55150)。根據(jù)溫度傳感器輸出方式及接口方式的不同，大體可以分為模擬溫度傳感器和數(shù)字溫度傳感器。模擬溫度傳感器輸出的模擬信號(hào)，必須經(jīng)過專門的接口電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后才能由微處理器進(jìn)行處理。數(shù)字溫度傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)，一般只需少量外部元器件就可直接送至微處理器進(jìn)行處理。隨著計(jì)算機(jī)及半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，溫度傳感器尤其是具有數(shù)字接口的半導(dǎo)體溫度傳感器得到了廣泛的應(yīng)用和快速的發(fā)展。 DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場(chǎng)合，如管道式，

27、螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號(hào)多種多樣，有LTM8877，LTM8874等等。主要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同而改變其外觀。封裝后的DS18B20可用于電纜溝測(cè)溫，高爐水循環(huán)測(cè)溫，鍋爐測(cè)溫，機(jī)房測(cè)溫，農(nóng)業(yè)大棚測(cè)溫，潔凈室測(cè)溫，彈藥庫(kù)測(cè)溫等各種非極限溫度場(chǎng)合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。2.3.2電流傳感器 水泵電機(jī)的電流最大可達(dá)到100A，不能直接進(jìn)入微處理器測(cè)量。本系統(tǒng)將選用WB系列電量隔離傳感器將其轉(zhuǎn)化為0-5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，再通過V/F轉(zhuǎn)換芯片AD654把標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻率信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)。該電量隔離傳感器采用特制隔離模塊，對(duì)電網(wǎng)和電路

28、中的交流電流進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，將其變換為0-5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，具有高精度、高隔離、低功耗、低漂移、溫度范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。WB系列電量隔離傳感器是根據(jù)自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集技術(shù)發(fā)展的需要而研制成功的新一代高性能的電量檢測(cè)產(chǎn)品，可以對(duì)電力線路中的電流、電壓進(jìn)行高速、高精度的隔離檢測(cè)和變換，也可以對(duì)微弱的電量信號(hào)進(jìn)行高速、高精度的隔離放大和傳送，可以響應(yīng)直流、交流和脈沖電量。WB系列電量隔離傳感器可分別或同時(shí)提供跟蹤電壓輸出、直流電壓輸出、電流源輸出和頻率輸出，可以直接與各種A/D轉(zhuǎn)換器或指示儀表、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)匹配。與傳統(tǒng)的電測(cè)產(chǎn)品相比，WB系列電量隔離傳感器具有原理新穎、精度高、頻響寬、體積小、功

29、能全等顯著特點(diǎn)，使用該傳感器可以解決自動(dòng)控制及多路數(shù)據(jù)采集中的隔離、變換、傳送和共地、共電源等關(guān)鍵技術(shù)問題，能有效克服共模干擾，提高系統(tǒng)性能，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)成本。 WB系列傳感器功能完整，主要表現(xiàn)在產(chǎn)品的調(diào)節(jié)功能、輸出功能、供電方式和配套電路等方面。所有的WB電量隔離傳感器都只需一組工作電源、自帶調(diào)節(jié)和多種輸出方式，除工作電源外，基本無(wú)需外接電路，特別是WB傳感器都內(nèi)含可靈活變化蝙出變換器，因而能提供不同或相同功能的多路輸出形式。2.3.3開停傳感器 開停傳感器選用KGT9礦用機(jī)電設(shè)備開停傳感器。KGT9型開停傳感器主要用于監(jiān)測(cè)煤礦井下機(jī)電設(shè)備(如采煤機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、提升機(jī)、破碎機(jī)、局扇、

30、泵站、風(fēng)機(jī)等)的開停狀態(tài)，并把檢測(cè)到的設(shè)備開停信號(hào)轉(zhuǎn)換成各種標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)傳輸給礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(或其它向地面?zhèn)魉托畔⒌妮d波設(shè)備等)，可實(shí)現(xiàn)由地面對(duì)全礦電氣設(shè)備開停狀態(tài)進(jìn)行集中連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。2.4系統(tǒng)工作原理正常情況下，監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)各被測(cè)物理量進(jìn)行不間斷巡測(cè)。具體工作流程是這樣的:首先，各類傳感器將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)能夠接受的電信號(hào)。其中，溫度值、電流值、水位值均由相應(yīng)的傳感器把測(cè)得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為頻率值進(jìn)入控制電路，并且由模擬多路選擇開關(guān)控制，由微處理器依次巡檢。微控制器對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，處理，比較和存儲(chǔ)后，送到液晶顯示器上顯示，當(dāng)發(fā)生報(bào)警時(shí)能夠發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。同時(shí)，能夠隨時(shí)接收調(diào)零設(shè)置按鍵的信

31、號(hào)，對(duì)相應(yīng)電流及水位值進(jìn)行調(diào)零，并且設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)的報(bào)警值。3水位傳感器的設(shè)計(jì)3. 1傳感器結(jié)構(gòu)原理本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)重要數(shù)據(jù)就是水倉(cāng)的水位值，為此專門設(shè)計(jì)了水位傳感器。探頭采用MPM281壓力傳感器。MPM281系列壓阻式OEM產(chǎn)品是一種帶隔離、并經(jīng)過精密補(bǔ)償?shù)母叻€(wěn)定性硅壓阻式壓力測(cè)量元件。其中硅壓阻式敏感元件采用高穩(wěn)定性擴(kuò)散硅元件，外殼采用外19mm的316L全不銹鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝。被測(cè)壓力經(jīng)過316L隔離膜片和內(nèi)部介質(zhì)傳遞到硅壓阻式敏感元件上，實(shí)現(xiàn)了壓力到電信號(hào)的精確轉(zhuǎn)換。該傳感器可廣泛應(yīng)用于各種高性能要求的壓力測(cè)量場(chǎng)合，如工業(yè)過程控制、液壓測(cè)量等。壓力傳感器外觀圖如圖3.1所示。 圖3. 1

32、壓力傳感器外觀圖MPM281壓力傳感器是壓阻式壓力敏感元件，內(nèi)部核心器件是電橋，該電橋由4個(gè)等值力變電阻構(gòu)成，如圖3.2所示。電橋有恒壓源供電和恒流源供電兩種供電方式。當(dāng)不受壓力作用時(shí)，該電橋處于平衡狀態(tài)，無(wú)電壓信號(hào)輸出。傳感器置于水中，電橋受液體壓強(qiáng)而失去平衡，有電壓信號(hào)輸出，便可測(cè)到對(duì)應(yīng)所加壓力的電壓信號(hào)，即水位與探頭的輸出電壓信號(hào)有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)探頭的參數(shù)便可計(jì)算出水深與電壓的數(shù)量關(guān)系式，從而達(dá)到測(cè)量水位的目的。圖3.2壓力傳感器原理圖MPM281壓力傳感器的電氣管腳圖如圖3.3所示。圖3.3 MPM281壓力傳感器輸出放大電路如圖3.4所示，該電路是典型的儀表放大電路，由三個(gè)運(yùn)算放

33、大器組成，它具有高差模增益和高共模抑制比，而且輸入阻抗高，可以調(diào)整電路的偏置。電路的差模放大主要由OP07-1完成，OP07-2用來(lái)防止運(yùn)放的反饋電路流入傳感器的負(fù)端。在零壓力時(shí)，傳感器的2腳和4腳之間的電壓之差為零。OP07-1的輸出電壓隨壓力傳感器2腳和4腳的共模電壓變化，該電壓由OP07-3完成二次放大，我們可以通過調(diào)整電位器Rp的值來(lái)改變電壓的發(fā)放大倍數(shù)，輸出電壓Vout與壓力傳感器2腳和4腳的電壓差(V1-V2)滿足公式: Vout=(1+2R/Rp) (V1-V2)。 圖3.4壓力傳感器輸出放大電路圖3.2 V/F轉(zhuǎn)換電路 本系統(tǒng)中選用的V/F轉(zhuǎn)換芯片是AD654，功能框圖如圖3.

34、5所示，該芯片是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的一種低成本，8腳封裝的電壓頻率(V/F)轉(zhuǎn)換器。它由低漂移輸入放大器、精密振蕩器系統(tǒng)和輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)組成，使用時(shí)只需一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)，即可構(gòu)成應(yīng)用電路。AD654既可以使用單電源供電，也可使用雙電源供電，且工作電壓范圍很寬。輸出為頻率受控于輸入電壓的方波?？捎糜谛盘?hào)源、信號(hào)調(diào)制、解調(diào)和A/D變換等。主要性能參數(shù):(1)單電源供電電壓: 4.5-36V(2)雙電源供電電壓: 5-18V(3)輸出頻率范圍:0-500Hz(4)線性誤差:0.06% (250KHz時(shí))(5)輸入阻抗:250M (6)輸入電壓范圍:單電源O-Vs-4V (7)雙電源:-Vs-Vs-4V (

35、8)靜態(tài)電流:2.OmA (Vs = 30V時(shí))3.2.1工作原理 AD654的典型應(yīng)用電路如圖3.6所示，模擬輸入電壓Vin由放大器的同相端4腳輸入，由輸入放大器和NPN管跟隨器組成的輸入級(jí)把模擬輸入電壓Vin轉(zhuǎn)換成一個(gè)驅(qū)動(dòng)電流It: It=Vin/R2 該驅(qū)動(dòng)電流同時(shí)向定時(shí)電容C充電，多諧振蕩器的振蕩頻率(輸出頻率)與這個(gè)充電電流成正比。輸出頻率由Vin,凡和C共同確定，其關(guān)系為: Fout=Vi/(10v×R2×C)圖3. 5 AD654功能框圖 圖3. 6 AD654典型應(yīng)用電路圖NPN管跟隨器的最大驅(qū)動(dòng)電流為2mA，但為獲得最佳性能，應(yīng)使?jié)M度輸入電壓時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流為

36、1 mA。因此，當(dāng)滿度輸入電壓為lOV時(shí)，R2應(yīng)取10K。如果C=0.OOIF,則滿度輸出頻率為100KHz。3.2.2應(yīng)用電路 系統(tǒng)中由AD654構(gòu)成得V/F用轉(zhuǎn)化電路原理圖如圖3.7所示。其中，輸入電壓為Vin，輸出頻率為Fout。運(yùn)算放大器OP07構(gòu)成一個(gè)輸入加法電路，實(shí)現(xiàn)傳感器的零點(diǎn)調(diào)節(jié)。在此電路中，輸入電壓為Vin和輸出頻率Fout滿足關(guān)系為:Fout=(Vin-Vp)/(10×R2×C) 圖3. 7 AD654構(gòu)成得V/F轉(zhuǎn)化電路原理圖4監(jiān)控主機(jī)的設(shè)計(jì)4.1硬件結(jié)構(gòu) 控制電路以高性能低功耗的單片機(jī)為核心，外圍配有傳感器信號(hào)采集電路、報(bào)警電路、顯示電路、存儲(chǔ)電路、

37、設(shè)置電路和復(fù)位電路等電路。儀器與傳感器之間全部采用接插連接，安裝調(diào)試方便。控制電路與液晶顯示器驅(qū)動(dòng)模板之間通過串口連接。硬件結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。4.2微處理器 4.2. AT89G52的優(yōu)點(diǎn) (1)含F(xiàn)LASH程序存儲(chǔ)器，在系統(tǒng)開發(fā)過程中可以十分容易地進(jìn)行程序修改，大大縮短了開發(fā)的周期。同時(shí)，在系統(tǒng)工作的過程中，能有效的保存一些數(shù)據(jù)，即使外界電源損壞也不影響信息的保存。(2)程序錯(cuò)誤也無(wú)廢品。其可擦寫次數(shù)可達(dá)1000次，錯(cuò)誤之后可以重新編程。(3)可以反復(fù)系統(tǒng)試驗(yàn)。每次實(shí)驗(yàn)可以寫入不同的程序，隨用戶的需要和發(fā)展進(jìn)行修改，直至達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)。此外，AT89C52設(shè)有靜態(tài)邏輯，可以在低到零頻率下工作

38、，支持兩種可選的省電模式。在閑置模式下，CPU停止工作，但片內(nèi)RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并凍結(jié)振蕩器，禁止其它片內(nèi)控制單元功能，直到下一次硬件復(fù)位為止。4.3輸入接口電路 傳感器是連接被測(cè)對(duì)象和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的接口，給系統(tǒng)提供處理和顯示所必需的原始信息，直接決定了系統(tǒng)的功能和精確度。本系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)量主要有溫度、電流和水位，因此，所選擇的傳感器的類型比較多，以下對(duì)所用到的傳感器的性能特點(diǎn)和工作原理進(jìn)行一下介紹。4.3.1溫度傳感器4.3.1.1 MAX6577介紹 美國(guó) DALLAS 公司最新推出的 DS18B20 單總線數(shù)字式溫度傳感器 DS18B

39、20 是 DS1820 的更新產(chǎn)品，它與傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器不同，它能夠直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn) 9-12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式，可以分別在 93.75ms 和 750ms 內(nèi)將溫度值轉(zhuǎn)化 9 位和 12 位的數(shù)字量. 因此，使用 DS18B20 可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，可靠性更高. DS18B20 溫度傳感器具有如下特點(diǎn) 主要性能特點(diǎn): （1） 采用單總線技術(shù)，與單片機(jī)通信只需一根 I/O 線；（2） 傳輸串行數(shù)據(jù)不需要其他外圍元件； （3） 通過比較系列號(hào)可以在一根線上掛接多個(gè) DS18B20；（4） 低壓供電，電源范圍從 35V，也可以直接從數(shù)據(jù)線上竊取電源；

40、（5） 測(cè)溫范圍為-55 至+125 度，在-10 到+85 度范圍內(nèi)誤差為正負(fù) 0.5 度；（6） 數(shù)據(jù)位可編程 9-12 位，轉(zhuǎn)換 12 位溫度時(shí)間為 750ms（最大）；（7） 用戶可自設(shè)定預(yù)報(bào)警上下限溫度；（8） 報(bào)警搜索命令可識(shí)別和尋址哪個(gè)器件的溫度超出預(yù)定值.一般體積較小的硬件需要相對(duì)復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償,由于DS18B20與單片機(jī)間采用串行數(shù)據(jù)傳送,因此,它們之間有嚴(yán)格的時(shí)序概念.單線信號(hào)包括復(fù)位脈沖,響應(yīng)脈沖,寫/00,寫/10,讀/10.所以系統(tǒng)對(duì)DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行,否則將無(wú)法讀取測(cè)溫結(jié)果.操作協(xié)議為:初始化DS18B20(發(fā)復(fù)位脈沖)y發(fā)ROM功能命令y發(fā)

41、存儲(chǔ)器操作命令y數(shù)據(jù)處理. DS18B20單總線上所有處理均由初始序列開始.圖4.3 溫度采集系統(tǒng)原理框圖4.3.2電流傳感器 本系統(tǒng)中需要測(cè)量水泵電機(jī)的電流，從而判斷電機(jī)是否處于過流等狀態(tài)，防止電機(jī)電流過大等情況的發(fā)生。然而，電機(jī)正常工作時(shí)電流能夠到達(dá)幾十安培，信號(hào)過大不能直接進(jìn)入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在此選用了WB系列電量隔離傳感器將大電流轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的0-5V電壓信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)。4. 3. 2. 1 WB系列電量隔離傳感器簡(jiǎn)介 WB系列電量隔離傳感器具有如下特點(diǎn): (1)多種隔離原理類型:光電隔離型、電磁調(diào)制隔離型、霍爾效應(yīng)型，使得輸入、輸出及電源之間互相隔離。 (2)可靠性強(qiáng):平均無(wú)故障工作時(shí)間長(zhǎng)，大

42、于50000小時(shí)。 (3)過載能力強(qiáng):穿心輸入傳感器30倍標(biāo)稱輸入可持續(xù)5秒;接線輸入傳感器10倍標(biāo)稱輸入可持續(xù)5秒。安裝方便:DIN導(dǎo)軌式安裝或PCB插針式安裝。多種結(jié)構(gòu)類型:A型、B型、C型、D型、E型、F型、S型、U型、R型、G型。 (6)寬量程:電流:0-1000A，電壓0-1000V (DC, AC). (7)寬頻響:特別適合工頻至中頻的電壓電流檢測(cè)。 (8)原邊與副邊之間高度絕緣，隔離電壓>2.5KV 。 (9)輸出信號(hào)可選:電流或電壓跟蹤輸出:0-20mA DC, 4-20mA DC, 0-5V DC,1-5V DC, 0-I0V DC, RS485輸出，也可選用頻率輸出:

43、0-5KHz, 0-I0KHz, 1-5KHz等。 另外，本系列產(chǎn)品具有精度高、體積小、功耗低、通頻帶寬、性價(jià)比高等特點(diǎn)。4.3.2.2工作原理 WB系列電量隔離傳感器主要分為兩類，即WBV電壓隔離傳感器和WBI電流隔離傳感器。二者的工作原理，除輸入電路略有不同外，其它都相同，原理框圖如圖4.4所示。輸入電壓Vin(或電流Iin)信號(hào)送至輸入電路，后者將信號(hào)轉(zhuǎn)換成某種標(biāo)準(zhǔn)電壓，并賦予較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力;光電隔離電路實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的線性變換及隔離處理;輸出電路將信號(hào)進(jìn)一步放大，同時(shí)實(shí)現(xiàn)整個(gè)傳感器的量程調(diào)節(jié)，輸出是跟蹤輸入信號(hào)、具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力的標(biāo)準(zhǔn)化電壓，方便用戶使用。傳感器內(nèi)部還配備了DC/DC轉(zhuǎn)

44、換器，從輔助電源+E提取能量，供輸入電路使用。 圖4.4電量隔離傳感器工作原理圖該傳感器的輸入端與輸出端完全隔離，可以解決自動(dòng)檢測(cè)及多路數(shù)據(jù)采集中的隔離、變換、傳送和共地、共電源等關(guān)鍵技術(shù)問題，有效克服共模干擾，提高系統(tǒng)精度，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)成本。4.3.2.3應(yīng)用分析WB系列電量傳感器典型應(yīng)用如圖4.5所示。 圖4. 5 WB系列電量傳感器典型應(yīng)用原理圖傳感器與后續(xù)設(shè)備靠近，輸出端可接至設(shè)備的高速A/D等電路，信號(hào)由單片機(jī)等控制采樣、處理。 傳感器典型的傳遞函數(shù)可近似表達(dá)為K=Vg/X，或Vg=K·Xo 這里X表示輸入電量，可以是交流、直流或交直流混合的電流、電壓信號(hào)。Vg是

45、有標(biāo)準(zhǔn)輸出量程的電壓量。一般地，K是一個(gè)與要求有關(guān)的正常數(shù)，即輸出緊緊跟蹤輸入電量的變化。當(dāng)輸入信號(hào)頻率高時(shí)，K不可再簡(jiǎn)化為一個(gè)常數(shù)，而與輸入頻率有關(guān)。 若實(shí)現(xiàn)公式Vg=-K " X，其中K為正常數(shù)，即輸出量與輸入量正好反向，需要將輸入信號(hào)的兩端反接即可。 若實(shí)現(xiàn)公式Vg-K " X+A，其中K, A為正常數(shù)，即輸出量為在K·X的基礎(chǔ)上再向上平移A大小的電壓。例如，可將雙向直流電量轉(zhuǎn)換成單向直流電壓，將交流電量轉(zhuǎn)換成同樣波形的直流電壓，該變換有利于直接與A/D轉(zhuǎn)換器相連。 若實(shí)現(xiàn)公式Vg=-K " X+A，其中K, A為正常數(shù)，即輸出量為在一K"

46、;X的基礎(chǔ)上再向上平移A大小的電壓。例如，需要輸入電壓X變化范圍是0- l 0V，要求輸出對(duì)應(yīng)電壓是5-l0V。由上式得，取K=0.5和A=5V即可。 一般來(lái)講，上述公式中的參數(shù)K, A，出廠前己調(diào)校。但如需要臨時(shí)對(duì)K, A作一些微調(diào)，也可自行打開傳感器進(jìn)行調(diào)整。4.3.3開停傳感器 對(duì)水泵運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)采用開停傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，開停傳感器選用KGT9礦用機(jī)電設(shè)備開停傳感器，該傳感器采用磁場(chǎng)感應(yīng)測(cè)試原理實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行工況狀態(tài)，通電導(dǎo)體周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過感應(yīng)測(cè)試電纜周圍磁場(chǎng)的有無(wú)來(lái)確定電纜有無(wú)電流通過，鑒別設(shè)備的開停狀態(tài)。 KGT9型開停傳感器主要用于監(jiān)測(cè)煤礦井下機(jī)電設(shè)備(如采煤機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、

47、提升機(jī)、破碎機(jī)、局扇、泵站、風(fēng)機(jī)等)的開停狀態(tài)，并把檢測(cè)到的設(shè)備開停信號(hào)轉(zhuǎn)換成各種標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)傳輸給礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(或其它向地面?zhèn)魉托畔⒌妮d波設(shè)備等)，可實(shí)現(xiàn)由地面對(duì)全礦電氣設(shè)備開停狀態(tài)進(jìn)行集中連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。該傳感器是確保礦井安全生產(chǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦井生產(chǎn)狀況實(shí)用可靠的自動(dòng)化裝備，也可作為統(tǒng)計(jì)各種機(jī)電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)好壞、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)短及設(shè)備利用率的依據(jù)。KGT9型開停傳感器采用新型優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)新穎、安裝使用方便、功耗低、適應(yīng)性強(qiáng)、性能穩(wěn)定可靠、免維護(hù)等特點(diǎn)。輸出形式已形成系列，適合與國(guó)內(nèi)外各種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配套。KGT9型傳感器系防爆型式為礦用本質(zhì)安全型，使用條件及各項(xiàng)參數(shù)為:環(huán)境溫度:-5+400相對(duì)濕度:9

48、5%(+25 )大氣壓力:80106KPa工作電壓:本安直流824V工作電流:10mA被測(cè)設(shè)備電流載量:5A輸出信號(hào)傳輸距離:2KmKGT9型傳感器具有連續(xù)工作的方式，直接輸出TTL電平作為開關(guān)量，無(wú)電位接點(diǎn)處于常閉或者常開狀態(tài)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境系統(tǒng)采用四線傳輸:傳感器供電電源與輸出信號(hào)使用四芯電纜，二芯作本安輸入電源線，二芯作輸出信號(hào)線，輸出形式為無(wú)電位繼電器接點(diǎn)。安裝時(shí)，將開停傳感器直接卡在水泵電機(jī)的電纜上，輸出相當(dāng)于開關(guān)量，原理示意圖如圖4.6所示，其中，1, 2, 3, 4為開停傳感器的節(jié)點(diǎn)，1, 2分別接電源，3, 4之間相當(dāng)于無(wú)電位繼電器接點(diǎn)，5, 6為單片機(jī)系統(tǒng)的信號(hào)端。當(dāng)電機(jī)

49、運(yùn)行，電纜有電流通過時(shí)，會(huì)在電纜的周圍產(chǎn)生一定的磁場(chǎng)，此時(shí)傳感器檢測(cè)到周圍的磁場(chǎng)，內(nèi)部的干簧管會(huì)處于閉合狀態(tài)，輸出信號(hào)相當(dāng)于K鍵閉合，即5, 6短接，6為高電平，表示電機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài);反之，當(dāng)電機(jī)停止，電纜無(wú)電流通過時(shí)，周圍沒有磁場(chǎng)，傳感器內(nèi)部的干簧管處于斷開狀態(tài)，輸出信號(hào)相當(dāng)于K鍵斷開，5, 6斷路，6為低電平，表示電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)。圖4.6開停傳感器原理圖 4.4電源管理電路 本系統(tǒng)使用開關(guān)電源供電，所需電壓有+12V和十5V兩種。+12V由外置開關(guān)電源模塊提供，進(jìn)入主控板后，+12V一方面為液晶顯示器提供邏輯電源和背光電源，另一方面，經(jīng)過三端穩(wěn)壓芯片LM7805后，產(chǎn)生+5V電壓。+5V

50、對(duì)主控板所有芯片提供電源，電源電路原理圖如圖4.7所示。 圖4.7電源電路原理圖4.5通道選擇電路本系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)量比較多，有多個(gè)輸入量進(jìn)入單片機(jī)，因此需要對(duì)多個(gè)輸入通道進(jìn)行選擇控制，使得每一時(shí)刻只有一個(gè)輸入量被單片機(jī)處理。本系統(tǒng)選擇CD4051和CD4067作為多路選擇芯片。CD4051是八選一模擬開關(guān)，相當(dāng)于一個(gè)單刀八擲開關(guān)，引腳功能如圖4.8所示。開關(guān)接通哪一通道，由3位地址碼ABC來(lái)決定，當(dāng)A=0,B=0, C=0時(shí)，選通通道0;當(dāng)A=1, B=0,C=0時(shí)，選通通道1;當(dāng)A=0, B=1, C=1時(shí)， 圖4.8 CD4051管腳圖選通通道7。 "INH”是禁止端，當(dāng)“INH&q

51、uot; -l時(shí)，各通道均不選通。CD4067是十六選一模擬開關(guān)，相當(dāng)于一個(gè)單刀十六擲開關(guān)，原理與CD4051相同，只不過地址碼為4位，通過單片機(jī)的1/0口控制地址碼ABCD來(lái)選通十六個(gè)通道。在本系統(tǒng)中，一共有八個(gè)溫度、四個(gè)電流、四個(gè)開停和一個(gè)水位共十七個(gè)點(diǎn)作為輸入量進(jìn)入單片機(jī)。用一片CD4051和一片CD4067組合可以作為二十三路模擬開關(guān)進(jìn)行選擇，滿足系統(tǒng)要求，如圖4.9所示。八個(gè)信號(hào)輸入至CD4051, CD4051的輸出做為一路輸入同另外九路信號(hào)一起再被CD4067選通，其中，CD4051的地址碼ABC由單片機(jī)的P0.0, POA, P0.2控制，CD4067的地址碼ABCD由單片機(jī)的

52、P0.3, POA, P0.5, P0.6控制。 圖4.9通道選擇電路原理圖4.6自動(dòng)復(fù)位電路為了防止系統(tǒng)在執(zhí)行過程中產(chǎn)生的“死機(jī)”、“程序跑飛”等現(xiàn)象，需要設(shè)計(jì)復(fù)位電路使其正常工作。復(fù)位電路通常是在有規(guī)律的時(shí)間間隔中進(jìn)行更新的硬件，更新一般由單片機(jī)來(lái)完成，一定間隔內(nèi)沒能更新看門狗，看門狗將產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，重新復(fù)位單片機(jī)。更新看門狗的具體形式多是給看門狗芯片相關(guān)引腳提供一個(gè)電平上升沿或讀寫它的某個(gè)寄存器。使用看門狗電路將在單片機(jī)發(fā)生故障進(jìn)行死機(jī)狀態(tài)時(shí)，重新復(fù)位單片機(jī)?？撮T狗電路的工作原理是:當(dāng)系統(tǒng)工作正常時(shí)，CPU將每隔一定時(shí)間輸出一個(gè)脈沖給看門狗，即“喂狗”，若程序運(yùn)行出現(xiàn)問題或硬件出現(xiàn)故障時(shí)

53、而無(wú)法按時(shí)“喂狗”時(shí)，看門狗電路將迫使系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位而重新運(yùn)行程序。本系統(tǒng)采用CD4060分頻計(jì)來(lái)產(chǎn)生復(fù)位脈沖，CD4060是14位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器，由一振蕩器和14級(jí)二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器位組成，振蕩器的結(jié)構(gòu)可以是RC或晶振電路。RST為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零且振蕩器使用無(wú)效，所有的計(jì)數(shù)器位均為主從觸發(fā)器。在CP1(和CPO )的下降沿計(jì)數(shù)器以二進(jìn)制進(jìn)行計(jì)數(shù)，在時(shí)鐘脈沖線上使用施密特觸發(fā)器對(duì)時(shí)鐘上升和下降時(shí)間無(wú)限制。微控制器復(fù)位電路如圖4.10所示，系統(tǒng)上電后，AT89C52的復(fù)位引腳將產(chǎn)生l00ms的高電平。看門狗復(fù)位電路由計(jì)數(shù)器CD4060構(gòu)成，CD4060的定時(shí)常數(shù)由圖中C3和R3決定，經(jīng)14分

54、頻后產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位脈沖，因此，復(fù)位周期T=2凡C3 X羅。如果系統(tǒng)正常工作，在程序的適當(dāng)出安排復(fù)位指令，單片機(jī)每隔一定時(shí)間給RST (12腳)一個(gè)脈沖，使CD4060復(fù)位，則Q14 (3腳)不會(huì)送出脈沖讓單片機(jī)復(fù)位，如果系統(tǒng)工作不正常，在T時(shí)間內(nèi)CD4060沒能復(fù)位，那么它將對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)位脈沖。圖4.10復(fù)位電路原理圖4.7存儲(chǔ)電路 電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EZPROM是一種重要的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，兼有RAM和ROM二者的優(yōu)點(diǎn)，既能實(shí)現(xiàn)在線改寫，又具有掉電數(shù)據(jù)保存功能，因此在智能化儀器儀表、控制系統(tǒng)、信息處理、系統(tǒng)加密等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。AT93C46是64 X 16(1024)位串行CMOS E

55、ZPROM;它具有數(shù)據(jù)在線改寫和掉電保存能力，重復(fù)擦寫次數(shù)可達(dá)十萬(wàn)次，數(shù)據(jù)保存期在一百年以上;當(dāng)采用+5V單電源工作時(shí)，輸入輸出電平與TTL兼容;片內(nèi)有定時(shí)發(fā)生器，擦除和寫入操作均由此定時(shí)電路自動(dòng)控制;具有整體編程使能和禁止功能，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的保護(hù)能力。主要性能特點(diǎn):(1)高速度操作，速率可達(dá)I MHz(2)低功耗工藝(3)寬電源電壓，1.8伏到6.0伏(4)存儲(chǔ)器可選擇8位或者16位結(jié)構(gòu)(5)寫入時(shí)自動(dòng)清除存儲(chǔ)器內(nèi)容(6)硬件和軟件寫保護(hù)(7)慢上電寫保護(hù)(8) 100萬(wàn)次寫入/擦除周期，100年數(shù)據(jù)保存壽命AT93C46與單片機(jī)連接電路原理圖如圖4.11所示。 圖4.11 AT93C46與單

56、片機(jī)連接電路原理圖AT93 C46采用的是3線制串行總線，3線串行總線由CLK, DI, DO這三條信號(hào)線組成，其中CLK是串行時(shí)鐘線，DT是數(shù)據(jù)輸入線，DO是數(shù)據(jù)輸出線。在此，所謂的數(shù)據(jù)輸入或輸出是對(duì)EZPROM芯片而言的，而不是對(duì)單片機(jī)而言的。在實(shí)際應(yīng)用中，要實(shí)現(xiàn)對(duì)AT93C46的數(shù)據(jù)讀寫，最關(guān)鍵的有兩點(diǎn):一點(diǎn)是建立恰當(dāng)?shù)拇袛?shù)據(jù)傳送的硬件邏輯接口;另一點(diǎn)是用單片機(jī)的程序模擬AT93C46的數(shù)據(jù)傳送時(shí)序。4.8調(diào)零設(shè)置電路系統(tǒng)運(yùn)行長(zhǎng)時(shí)間之后需要對(duì)電流、水位等監(jiān)測(cè)值的零點(diǎn)進(jìn)行重新調(diào)整，并且隨著環(huán)境以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的變化，各個(gè)監(jiān)測(cè)值的報(bào)警值也可能發(fā)生改變，這時(shí)就需要進(jìn)行報(bào)警設(shè)置以滿足新的要求。

57、本系統(tǒng)采用獨(dú)立式按鍵，每個(gè)按鍵開關(guān)均采用了上拉電阻，這是為了保證在按鍵斷開時(shí)，各I/O口有確定的高電平。獨(dú)立式按鍵就是個(gè)按鍵相互獨(dú)立、每個(gè)按鍵各接一根輸入線，一根輸入線上的按鍵是否按下不會(huì)影響其他輸入線上的工作狀態(tài)。因此，通過檢測(cè)輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個(gè)按鍵被按下了。獨(dú)立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。調(diào)零設(shè)置電路由兩個(gè)按鍵及編碼盤組成，兩個(gè)按鍵分別連接單片機(jī)的P3.2, P3.3引腳，為選擇鍵和確認(rèn)鍵。調(diào)零設(shè)置時(shí)，將編碼盤上的數(shù)值調(diào)至“00"，按下選擇鍵，則屏幕上電流和水位顯示的下方出現(xiàn)測(cè)得相應(yīng)信號(hào)的頻率值，光標(biāo)顯示在1號(hào)電機(jī)的電流頻率處，通過多次按下選擇鍵將光標(biāo)移至需要設(shè)置的地方，按下確認(rèn)鍵，設(shè)置即完成。報(bào)警設(shè)置時(shí)，將編碼盤的數(shù)值調(diào)至要設(shè)置的大小，按下選擇鍵，則屏幕上溫度顯