楊 洋，靳寶全，李鳳霞

（1.太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，太原 030024；2.太原理工大學(xué) 新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030024）

0 引言

煤礦井下積水過多會(huì)使采區(qū)及附近巷道空氣潮濕，影響工作效率，若超過正常排水能力，則會(huì)造成礦井水災(zāi)，危及生產(chǎn)安全[1]，因此，實(shí)現(xiàn)井下積水預(yù)警、排水自動(dòng)化具有重要意義。早期煤礦一般采用傳統(tǒng)的人員巡檢方式，每隔固定時(shí)間觀測(cè)水倉(cāng)積水情況，根據(jù)水倉(cāng)水位啟停排水泵，效率較低且浪費(fèi)人力。隨著控制技術(shù)和電子技術(shù)的快速發(fā)展，微控制器開始應(yīng)用于煤礦井下水位監(jiān)測(cè)。陳艷麗等采用單片機(jī)與A/D轉(zhuǎn)換芯片設(shè)計(jì)了水倉(cāng)水位采集、報(bào)警裝置，完成了對(duì)水倉(cāng)水位的自動(dòng)監(jiān)測(cè)[2～4]。袁小平等采用單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)井下排水設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及控制，實(shí)現(xiàn)了排水泵的自動(dòng)控制[5,6]。

近年來，水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與排水設(shè)備的自動(dòng)控制均獲得較大發(fā)展，但信息采集、控制電路可靠性仍需進(jìn)一步提高，功能也需進(jìn)一步綜合。綜上所述，本文設(shè)計(jì)了一種基于C8051F040單片機(jī)的井下積水水位監(jiān)控預(yù)警裝置，綜合了監(jiān)控、預(yù)警與自動(dòng)控制功能，解決積水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與排水自動(dòng)化問題。該裝置設(shè)計(jì)有信號(hào)采集、水泵狀態(tài)識(shí)別電路，可直接采集水位、壓力、排水泵狀態(tài)，并綜合上述信息進(jìn)行繼電控制，編程簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠；具有紅外遙控功能，調(diào)校靈活；且集成了RS485通信接口，組網(wǎng)方便；實(shí)現(xiàn)水倉(cāng)積水實(shí)現(xiàn)采集與顯示、自動(dòng)啟停排水泵及信息傳輸。

1 總體方案

井下積水水位監(jiān)控預(yù)警裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。裝置以微控制器為核心，配有控制繼電器，可控制排水泵、觸發(fā)報(bào)警設(shè)備，頻率信號(hào)采集電路直接采集傳感器輸出的壓力與水位，開停傳感器檢測(cè)到的水泵運(yùn)行情況由狀態(tài)識(shí)別電路進(jìn)行辨識(shí)，通過液晶顯示各種參數(shù)，并集成有RS485端口，便于進(jìn)行組網(wǎng)通信?？刂破骶C合水位值、排水泵狀態(tài)等條件自動(dòng)啟停排水泵。工作人員也可根據(jù)需要使用遙控器修改參數(shù)、啟停排水泵。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

2 裝置硬件設(shè)計(jì)

2.1 微控制器選擇

主控制器采用Silicon Laboratories的微控制器C8051F040芯片，具有64個(gè)數(shù)字I/O口引腳，可完全滿足信息采集與邏輯控制。通過編寫高效的程序和算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、控制設(shè)備并報(bào)警，實(shí)現(xiàn)水位的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.2 水位、壓力采集電路

水倉(cāng)水位和排水管壓力通過本安類型傳感器進(jìn)行采集，礦用傳感器輸出頻率信號(hào)通常為200Hz～1000Hz。采集本安信號(hào)時(shí)，先通過光電耦合器對(duì)輸入進(jìn)行光電隔離，防止其他器件影響傳感器的本安性質(zhì)，隔離后頻率信號(hào)經(jīng)施密特反向觸發(fā)器（74HC14N）轉(zhuǎn)換成矩形脈沖信號(hào)，即可通過控制器的I/O口進(jìn)行采集，電路如圖1所示頻率信號(hào)采集部分。頻率信號(hào)經(jīng)換算得到水位、壓力值。

2.3 水泵狀態(tài)采集電路

水泵運(yùn)行狀態(tài)經(jīng)礦用開停傳感器KGT29采集，傳感器安裝在排水泵供電線路上，當(dāng)排水泵運(yùn)行時(shí)，傳感器輸出5mA電流，排水泵停止時(shí)，輸出1mA電流，傳感器斷線時(shí)，輸出為0。設(shè)計(jì)“11”、“01”、“00”三個(gè)代碼識(shí)別上述三種狀態(tài)，電路如圖1水泵狀態(tài)識(shí)別部分所示：傳感器輸出“+”、“-”通過電路“IN+”、“IN-”與串聯(lián)的電阻R1、R2構(gòu)成回路，將光耦①串聯(lián)接入主回路，光耦②并聯(lián)在R2兩端，光耦輸出經(jīng)施密特反相觸發(fā)器74HC14N整形反向后接控制器。工作原理如下：確定合適R1與R2阻值，使電流為5mA時(shí)兩路光耦導(dǎo)通，1mA時(shí)只有光耦①導(dǎo)通，斷線時(shí)光耦全部關(guān)斷，控制器即可通過I/O口（如P4.0、P5.0）對(duì)應(yīng)采集到“11”、“01”、“00”三種代碼識(shí)別出水泵狀態(tài)。

電阻R1、R2是水泵狀態(tài)識(shí)別電路進(jìn)行判斷的主要器件，R1用于穩(wěn)定電路，R2阻值根據(jù)電路工作原理與光耦型號(hào)進(jìn)行計(jì)算。

光耦選擇東芝公司TLP521-4，其正向電流與正向電壓的關(guān)系如圖2所示，可知光耦開啟電壓略大于0.9V，要使光耦②在I=1mA時(shí)不導(dǎo)通，可使光耦②兩端電壓U②得：

且光耦②在I=5 mA時(shí)導(dǎo)通，可使：

式(2)中R②為光耦2發(fā)光二極管電阻。

在光耦②導(dǎo)通時(shí)，可根據(jù)IF-VF曲線確定R②的大小，為保證光耦②可靠導(dǎo)通，可使流過R②的電流為3mA，通過圖2可知此時(shí)R②約為360Ω，由式(2)計(jì)算并綜合式(1)得：

2.4 紅外遙控電路

紅外遙控電路由本安遙控器、紅外接收探頭1838及紅外接收譯碼器BL9149組成。BL9149能根據(jù)探頭接收到的按鍵指令進(jìn)行識(shí)別譯碼，遙控器按下某一按鍵時(shí)，BL9149的輸出引腳HP1-HP5中對(duì)應(yīng)引腳電平會(huì)變?yōu)?V，其他引腳基本為0V。控制器經(jīng)I/O口讀出按下的按鍵，編程實(shí)現(xiàn)各個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)的控制、調(diào)校功能。

2.5 控制、預(yù)警與顯示

裝置通過繼電器實(shí)現(xiàn)水泵的啟停及異常預(yù)警，電路如圖1所示繼電器輸出部分，由光耦、三極管及二極管組成，控制信號(hào)經(jīng)光耦隔離并經(jīng)三極管放大來驅(qū)動(dòng)繼電器，二極管并聯(lián)在繼電器兩端用于續(xù)流，控制器輸出高電平使繼電器動(dòng)作。

控制器發(fā)出啟動(dòng)命令但未檢測(cè)到水管壓力，或發(fā)出停止信號(hào)，一段時(shí)間后水泵未停，則排水泵自動(dòng)啟停異常；同時(shí)，當(dāng)水位超限、傳感器損壞時(shí)，控制器都會(huì)驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作進(jìn)行預(yù)警。

顯示電路設(shè)計(jì)12864中文液晶模塊顯示水位、壓力、水泵狀態(tài)等參數(shù)，該模塊連接電路簡(jiǎn)單，且支持全中文，方便編程與操作。

2.6 通信接口

裝置集成RS485接口，可與監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行通信。RS485是當(dāng)前礦用電氣設(shè)備通信的主要方式，可有效利用原有通信網(wǎng)絡(luò)。RS485芯片采用帶隔離RS485收發(fā)器ADM2483， 接口電路如圖1RS485部分所示，ADM2483收發(fā)器與控制器的連接簡(jiǎn)單，只需連接控制器串口和控制收發(fā)的I/O引腳。AB之間接120Ω匹配電阻，AB分別接1K的上拉電阻、下拉電阻用于穩(wěn)定總線數(shù)據(jù)，并經(jīng)TVS管接地，防止總線電壓過高對(duì)總線造成傷害。

3 裝置軟件設(shè)計(jì)

3.1 水位、壓力計(jì)算

水位、壓力的大小根據(jù)采集到的頻率值進(jìn)行換算。應(yīng)用較為普遍的頻率計(jì)算方法是定時(shí)計(jì)數(shù)法，即使用定時(shí)器定時(shí)一段時(shí)間后，根據(jù)計(jì)數(shù)器計(jì)入脈沖的個(gè)數(shù)計(jì)算頻率，這種方式盡管計(jì)算精確，但每一路頻率需要2個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，占用資源較多。本裝置需要計(jì)算多路水位信號(hào)和壓力信號(hào)，采用定時(shí)計(jì)數(shù)法計(jì)算復(fù)雜，所以設(shè)計(jì)電平翻轉(zhuǎn)法計(jì)算頻率，其原理為：設(shè)計(jì)I/O引腳檢測(cè)電平，當(dāng)電平翻轉(zhuǎn)時(shí)計(jì)數(shù)值加1，不變時(shí)不加，在定時(shí)器固定時(shí)間t內(nèi)得到電平翻轉(zhuǎn)次數(shù)m，則頻率信號(hào)的周期為：

頻率為：

對(duì)于低頻信號(hào)，控制器I/O口完全能檢測(cè)到電平的翻轉(zhuǎn)變化，用電平翻轉(zhuǎn)法進(jìn)行多路測(cè)頻時(shí)，只用到一個(gè)定時(shí)器，節(jié)省資源。

水位、壓力的大小與頻率值成正比，若頻率范圍為200Hz～1000Hz，則水深或壓力值為：

式中A為水位或壓力傳感器的權(quán)值。

設(shè)計(jì)C8051F040的定時(shí)器T0作為定時(shí)設(shè)定，T0工作在 16位定時(shí)器模式，時(shí)鐘選用外部時(shí)鐘（22.1184MHz）48分頻，設(shè)定定時(shí)器從0計(jì)數(shù)到65536后進(jìn)入定時(shí)中斷。頻率計(jì)算公式推導(dǎo)：

式中Fsys為外部時(shí)鐘頻率，F(xiàn)T0為定時(shí)器頻率，N為定時(shí)器計(jì)數(shù)長(zhǎng)度，VT0為定時(shí)時(shí)間。

由式(5)得頻率計(jì)算式為：

代入式(6)得：

3.2 水泵控制模式

井下水位受多種因素影響，水位時(shí)刻在變化。為滿足井下排水泵的啟停要求，裝置采用兩種工作模式對(duì)排水泵進(jìn)行控制：

1)自動(dòng)模式

自動(dòng)模式下，水位正常時(shí)不啟動(dòng)水泵；當(dāng)水位上升到警戒值時(shí)，啟動(dòng)一臺(tái)停止?fàn)顟B(tài)的水泵排水；若水位繼續(xù)上升，則啟動(dòng)多臺(tái)水泵排水并發(fā)出涌水報(bào)警信號(hào)。

2)手動(dòng)模式

當(dāng)水位傳感器故障時(shí)，裝置不能根據(jù)水位啟停排水泵，工作人員可切換到手動(dòng)模式，使用遙控器啟停水泵。裝置連接上位機(jī)后，也可在上位機(jī)通過啟停按鈕啟停水泵。

3.3 通信方式設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)裝置為RS485主從方式下從站模式，主機(jī)每隔固定時(shí)間向所有從機(jī)發(fā)送帶地址的數(shù)據(jù)包，從機(jī)一直處于接收狀態(tài)，當(dāng)從機(jī)收到主站發(fā)送的與其地址匹配的數(shù)據(jù)包時(shí)，就會(huì)對(duì)該數(shù)據(jù)包進(jìn)行接收處理并向主機(jī)發(fā)送信息。裝置通信流程示意圖如圖3所示。

圖3 通信流程示意圖

4 裝置調(diào)試與試驗(yàn)結(jié)果

4.1 硬件電路測(cè)試

針對(duì)頻率信號(hào)采集電路，經(jīng)示波器測(cè)得水位、壓力輸出的頻率信號(hào)經(jīng)采集電路整形前后的波形如圖4所示。處理后信號(hào)近似標(biāo)準(zhǔn)方波，滿足控制器I/O口采集要求。

圖4 頻率信號(hào)采集電路處理波形

對(duì)水泵狀態(tài)識(shí)別電路，取R1阻值1K，R2選擇滿足式(3)的常用阻值750Ω，電路測(cè)試結(jié)果如表1所示，U①、U②分別為光耦①、②兩端電壓，P4.0、P5.0為控制器I/O口。由表1知，控制器可通過I/O口識(shí)別水泵狀態(tài)。

表1 水泵狀態(tài)識(shí)別電路測(cè)試結(jié)果

4.2 軟件測(cè)試

針對(duì)電平翻轉(zhuǎn)法測(cè)頻率計(jì)算水位、壓力，對(duì)不同水位值，計(jì)算頻率值與傳感器實(shí)際輸出頻率值如圖5所示。由于單片機(jī)所測(cè)得m為整數(shù)，且測(cè)頻程序不一定在頻率信號(hào)的上升沿或下降沿恰好開始計(jì)數(shù)，所以m會(huì)比實(shí)際值略大，由式(9)可知，可通過降低時(shí)鐘頻率Fsys來提高計(jì)算精度，但會(huì)影響控制器運(yùn)算速度，所以Fsys不宜太低，且由圖5知，計(jì)算值在誤差允許范圍內(nèi)，不影響水位或壓力的計(jì)算。

針對(duì)通信接口，設(shè)計(jì)一個(gè)主機(jī)向裝置發(fā)送數(shù)據(jù)包，利用串口調(diào)試助手進(jìn)行監(jiān)視，圖6列出了主站發(fā)送(上方框內(nèi))與裝置響應(yīng)(下方框內(nèi))的數(shù)據(jù)包，可知裝置可對(duì)主站進(jìn)行響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)通信。

5 結(jié)束語

主要設(shè)計(jì)了井下積水水位監(jiān)控預(yù)警裝置，介紹了積水水位參數(shù)的采集、排水控制、異常預(yù)警及通信接口的硬件及軟件實(shí)現(xiàn)方法，并對(duì)各功能進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)表明，該裝置運(yùn)行可靠，能夠頻率值/Hz實(shí)現(xiàn)煤礦井下積水水位的無人監(jiān)控，保證生產(chǎn)安全，提高生產(chǎn)效率。

[1]白玉杰.礦井水害原因分析及防治技術(shù)[J].煤炭技術(shù),2009,(11):85 -86.

[2]陳艷麗,劉小燕,李長(zhǎng)青,等.基于AT89C51單片機(jī)的井下水位監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)[J].煤礦安全,2012,(3):66-68.

[3]趙海濤,程杰,李珊珊,等.水倉(cāng)水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].煤礦安全,2008,(10):72-74.

[4]王立強(qiáng).煤礦井下中央泵房水倉(cāng)水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2009,(12):136-137.

[5]袁小平,白楠,王澤林,等.煤礦井下排水泵監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化,2010,(3):113-114.

[6]胡江浦.煤礦井下排水自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中州煤炭,2011,(10):27-29.