牛鑫

（濟源職業(yè)技術學院電氣工程系,河南濟源459000）

礦用壓風機即空氣壓縮機,是風動機械和風動工具的動力源,它廣泛地應用于礦業(yè)生產,是煤礦生產不可缺少的機電設備之一.隨著生產發(fā)展,越來越多的空氣壓縮機應用到煤礦安全生產中[1].大量的風動機械和風動工具,如風鎬、氣動鑿巖機、風動鉆機、風動扳手、噴漿機、鍛釬機等,對壓縮空氣的需求量進一步增多,也對壓風系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性提高了要求.

目前對于國內的壓風機系統(tǒng),已有多種監(jiān)測和控制[2].實際生產中需要根據(jù)現(xiàn)場的要求對壓風機進行監(jiān)控和保護.由于煤礦生產的進步,對壓風機系統(tǒng)的自動化程度及工作效率要求也逐步提高.空壓機系統(tǒng)不間斷運行的要求提高,同時原有的單臺壓風機已經(jīng)不能適應生產面的需求,需要根據(jù)實際生產引入調度多臺壓風機運行.還有壓風機本身的更新?lián)Q代,帶來了許多新的問題需要進一步考慮.本文設計并實現(xiàn)了基于STC12C5A60S2為核心的壓風機綜合控制器,闡述了控制器的硬件原理,給出了部件軟件控制流程圖,同時針對控制功能完成了全項數(shù)據(jù)測試.

1 壓風機控制器的硬件設計

1.1 硬件構成

壓風機綜合控制器通過對壓風機各路信號的采集,實現(xiàn)對壓風機設備綜合保護的目的.裝置的硬件部分包括基于STC12C5A60S2單片機控制核心、各種溫度的測量、數(shù)字量輸入輸出、故障保護、語音報警等電路.其主要核心器件是宏晶公司的基于51內核的STC12C5A60S2芯片,顯示部分采用串行接線方式的OCM12864液晶模塊；溫度測量使用多路PT100溫度傳感器,AD轉換使用AD7715轉換芯片和CD4051多路選擇器.結構框圖如圖1所示.

圖1 壓風機控制器結構Fig.1 Pressure fan controller structure

1.2 STC12C5A60S2功能介紹

STC12C5A60S2單片機是宏晶科技生產的單時鐘單片機,是高速、低功耗、超強抗干擾的8051單片機,多針對電機控制電路和強干擾場合[3].該單片機內部集成60 K程序存儲器,1 280 KB內部RAM,MAX810專用復位電路,2路16位PWM,8路高速10位AD轉換,內部集成EEPROM,4個16位定時器,雙全雙工串口,工作頻率最高達35 MHz,由于是單機器周期單片機,其最快工作速度可達420 MHz.

1.3 多路溫度信號采集

壓風機共有6路溫度信號：風包溫度、一級缸溫度、二級缸溫度、潤滑油溫度、冷卻水進（出）溫度,測試精度±1℃.多路溫度傳感器都使用的是PT100,由于測量的是大慣性的溫度信號,并且其信號的變化量都比較小,單片機內含AD轉換器達不到0.1度的精度.本設計中采用8選1模擬開關CD4051配合單通道高精度AD轉換器件AD7715對多路信號進行轉換,AD7715是ADI公司生產的16位模數(shù)轉換器[4],它具有高精度、很好的非線性、自帶片內可編程增益放大器等特點,同時允許差動輸入以及和單片機的三線串行接口等優(yōu)點,在設計中它和PT100配合可以滿足0.1度的測量要求.采集電路如圖2所示.

圖2 AD信號處理電路Fig.2 Processing circuit of AD signal

1.4 語音報警模塊設計

壓風機故障時不僅要及時切斷電路,同時還要提醒人們注意并及時解決問題,本設計中采用語音提醒.語音芯片采用的是WTV040語音芯片[5],該芯片語音長達40 s,其內置16 bits DAC數(shù)字/仿真轉換器、PSG語音合成器和音質優(yōu)化算法器保證了音頻質量,并具備按鍵控制、按鍵組合控制、并口控制及串口控制等多種模式.設計中采用三線串口模式,在三線串口工作模式下可分為207段語音,可用于播出6個溫度、6路壓力、4路斷水等多達16種語音報警信號.放大電路采用TDA2030放大芯片來完成,在各種故障出現(xiàn)時循環(huán)播放不同的語音提醒人們注意,電路如圖3所示.

圖3 語音報警電路Fig.3 Circuit of voice alarm

1.5 開關量輸入輸出

壓風機控制器有多路開關量,共有上風壓電接點壓力表提供的壓力信號、潤滑油電接點壓力表提供的壓力信號、水壓電接點壓力表提供的壓力信號、開停機信號及報警清除信號等多路數(shù)字量輸入信號,通過光電耦合器輸入單片機；共有語音報警和故障保護、備用輸出等數(shù)字信號也通過光電耦合器輸出[6].

1.6 I/O口分配

經(jīng)電路分析,對STC12C5A60S2管腳分配如表1所示.共有模擬器件AD7715控制信號3個,多路選擇器4051管腳控制3個,液晶接口3個,運行和故障燈2個,按鍵2個,繼電器輸出2個,語音控制輸出5個,風油壓等信號輸入7個,斷水信號輸入4個,共計31個.

表1 單片機管腳分配Tab.1 MCU pin assignment

2 軟件設計

在整個軟件設計過程中,采用主程序和定時器中斷程序兩部分.主程序主要用來對壓風機啟動、按鍵處理、AD數(shù)據(jù)處理、AD數(shù)據(jù)顯示、語音報警處理和故障處理,流程如圖4所示.定時器中斷程序主要用來完成AD通道選擇和I/O信號讀取.

圖4 主程序流程Fig.4 Main program flow

3 數(shù)據(jù)測試

打開主機電源,將6路溫度傳感器分別正確地安裝于一級缸溫度、二級缸溫度、風包溫度、冷卻水進（出）溫度和潤滑油溫度的監(jiān)測點的位置,對應液晶屏位置將顯示正確的溫度值.如接線錯誤或短線,則其溫度值為200℃.超溫報警燈閃爍并顯示故障報警,如表2所示.將風壓電接點壓力表安裝于風壓管路中、潤滑油電接點壓力表安裝于潤滑油管路中、將水壓電接點壓力表安裝與水壓管路中,并將各電接點調整到設定值,當壓力超出各自范圍,報警指示燈閃爍2 s后液晶屏出現(xiàn)當前故障狀態(tài)并以相應的聲音進行報警.

表2 溫度測試表Tab.2 Temperature gauge ℃

4 結論

本文設計了基于STC12C5A60S2單片機的礦用壓風機綜合控制器,可對多達8路的溫度信號進行模擬采樣及運算,其12864液晶顯示屏在使用中能更好的及時反映當前的各個開關點的狀態(tài)及溫度情況[7],通過WTV040語音芯片和TDA2030功放同時具有語音報警功能.設計采用STC12C5A60S2作為中央控制單元,可以簡化電路,減少外部擴展模塊,提高系統(tǒng)的可靠性,目前正在進一步產品化.

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