改造者：周 靜 陳昆侖

礦用本安型非接觸設備啟停監(jiān)測儀設計

改造者：周 靜 陳昆侖

為了確保煤礦高效、安全的生產，煤礦井下機電設備開停狀態(tài)需要及時地上傳到整個監(jiān)測系統(tǒng)中。采用磁場感應原理檢測機電設備的開停狀態(tài)，根據礦用設備相關標準的技術要求，對總體方案進行規(guī)劃，完成了礦用本安型非接觸設備啟停監(jiān)測儀的軟硬件設計，其中主要是軟件的設計。監(jiān)測儀與主機成功通信，實時監(jiān)測井下重要設備的運行狀況，并將檢測結果及時上傳給監(jiān)控分站。礦用本安型非接觸設備啟停監(jiān)測儀的設計具有現實意義，安全穩(wěn)定，可行性高。

隨著中國煤炭工業(yè)的快速發(fā)展，對井下各類災害的預警和防治有了更高的要求。井下環(huán)境復雜，各種機電設備的開停狀態(tài)影響著煤礦生產的安全。為了確保煤礦高效、安全的生產，需隨時全面了解全礦的生產、工作狀況，地面需要對全礦機電設備開停狀態(tài)進行集中連續(xù)自動的監(jiān)測，便于統(tǒng)一調度指揮。所以，研究一款高性能的礦用本安型非接觸設備啟停監(jiān)測儀具有重要的現實意義。

現今市場上應用的設備啟停監(jiān)測儀已經非常落后，采用的傳感器與應用的芯片也跟不上發(fā)展，普遍存在精確度不高的問題。本課題研究一款礦用本安型非接觸設備啟停監(jiān)測儀，使用高性能的傳感器，專門適用于煤礦井下特殊的環(huán)境參數，可隨時測量煤礦井下設備的啟停狀態(tài)，方便操作與攜帶，為保障煤礦井下安全生產做出了貢獻，具有良好的社會效益和經濟效益。

總體方案

根據煤礦井下對電纜電流的檢測要求，可以將檢測方式分為兩種，一種是直接接觸式檢測，另一種是間接非接觸式檢測。本課題對煤礦井下機電設備啟停狀態(tài)的檢測，采用間接非接觸式檢測，可以使被測電流與測量電路隔離，從而降低安全隱患。

礦用本安型非接觸設備啟停監(jiān)測儀采用磁場感應原理檢測機電設備的開停狀態(tài)。通電的導體周圍必定產生磁場，測出電纜周圍有無磁場存在，即可測出電纜內有無電流通過，以此即可鑒別出機電設備的開停狀態(tài)。井下機電設備系三相供電，電纜內三相芯線有對稱與不對稱之分，而在電纜外皮上，總可找到一點與三相芯線呈不等距，該點形成的磁場以靠近的芯線起主導作用，設備供電電流越大，磁感應信號就越強。

當被檢測電纜中有電流通過時，電磁感應敏感元件感應出信號，經抗干擾、兩級放大、信號變換等處理，實現檢測并輸出電壓信號。并可由單片機將狀態(tài)信息轉換成智能RS485數字信號傳送至分站智能接口或其他信息傳輸設備，再上傳至地面中心站系統(tǒng)，從而實現在地面中心站對井下設備工作狀態(tài)的集中連續(xù)監(jiān)測監(jiān)控。

硬件設計

監(jiān)測儀的硬件設計，包括傳感器調理電路、單片機外圍電路、地址電路、顯示電路、RS-485模塊的接口電路、電源電路等。

本課題選用霍尼韋爾傳感器HMC1021Z，可以滿足測量電纜0.3μT的工頻磁場的要求，工作溫度為-40℃～+125℃，適用于煤礦井下環(huán)境。為了使傳感器正常穩(wěn)定地工作，需要搭建合理的外圍電路。外圍電路用瞬間閉合開關J1的方法，使外圍電路產生一個置位脈沖。

當電橋電源Vb=5V時，由于HMC1021Z的靈敏度為1.0mV/V/高斯，推算出傳感器檢測到磁場強度與輸出電壓的關系為：

由于檢測工頻磁場B為0.3uT，即B=0.003高斯，根據公式可求得傳感器輸出電壓為U=0.015mV。由于STC12C5620的I/O口檢測不出微弱信號，為了使電壓匹配，需要對傳感器輸出電壓進行兩級放大，本課題用LM258芯片構成兩級放大電路，放大倍數為100000倍。

圖1 監(jiān)測儀原理框圖

STC12C5620單片機的外圍電路是能使單片機正常工作的最小外圍硬件組成的，包括晶振、復位電路、電源等。由于系統(tǒng)需要進行串行通信，為了系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，本課題采用11.0592MHz的外部晶體振蕩器作為時鐘的基準。由于外部本安電源供電的設備一般應能在9～24V范圍內正常工作，為了給系統(tǒng)提供穩(wěn)定電源，需要穩(wěn)壓芯片。本課題選用廣州金升陽科技有限公司的K7805-500R2。系統(tǒng)穩(wěn)定電源為5V。

為了設置本機的設備地址，需要一個四位撥碼開關開關，和單片機STC12C5620的P0.0～P0.3引腳相連，此設備號在一開始用撥碼開關組進行設置，在程序運行時，每個設備都按規(guī)定設置好，一般不作改動，改動時重新設置開關即可。

顯示電路通過點亮LED燈完成，綠色LED和紅色LED的陰極分別接P2.0和P2.1端口，紅綠LED燈的陽極共接電源。使用P2口直接驅動LED時，外接的LED電路還必須使用電阻進行限流，否則不僅容易造成LED燈過熱損壞，還會損壞單片機端口。本課題為了有效保護單片機驅動輸出引腳，預留出一定的安全系數，最終限流電阻選用470Ω。

在往常的實驗設計中，通常需要采用一片電源隔離模塊及3路光耦、RS-485收發(fā)器等器件才能實現帶隔離的RS-485電路，為了簡化設計，本課題采用一片RSM485CHT模塊實現以上功能。

圖2 兩級放大電路

圖3 主程序流程圖

軟件設計

基于STC12C5620單片機，在C語言平臺，采用模塊化設計方式編寫了檢測裝置的軟件程序，具體包括：主程序、數據采集及處理子程序、狀態(tài)顯示子程序、串行異步通信（RS-485）子程序等。

主程序設計

當監(jiān)測裝置上電后，磁阻傳感器開始工作，電信號經過處理電路接入單片機。STC12C5620單片機執(zhí)行程序，首先進行初始化：定義管腳，設置本機設備號，設置開門狗，開系統(tǒng)中斷，系統(tǒng)狀態(tài)為等待接收禁止發(fā)送，即CON=1，對串行口初始化，設置波特率與串行口中斷。系統(tǒng)一直對電信號采集及處理，通過分析比較，獲取設備狀態(tài)值，從而點亮相應的LED指示燈，并將獲得的狀態(tài)值進行存儲。當發(fā)生串行口中斷時，程序跳入中斷子程序，執(zhí)行RS485通信，與主機通信，響應主機指令發(fā)送狀態(tài)值。

看門狗

由于系統(tǒng)設立的外部晶振為11.059MHz，本系統(tǒng)只需看門狗溢出時間在100ms～200ms之間，故令PS2=0，PS1=0，PS0=1，令預分頻值P=2，根據看門狗溢出時間t的公式：

求得看門狗溢出時間t=142.4ms。因此，應設置看門狗控制寄存器WDT_CONTR=0x31。

設備地址

J1作為一個DIP-4開關，和單片機STC12C5620的P0.0～P0.3引腳相連，用于設置本機的設備號。此設備號在一開始用撥碼開關組進行設置，在程序運行時，每個設備都按規(guī)定設置好，一般不作改動，改動時重新設置開關即可。在讀取P0口獲取設備號之前，先將其位寄存器置1。即設P0=0xff，本機設備地址為addr=P0&00001111B= P0&0x0f。

數據采集及處理

啟動轉換時，START信號設置為START=0，START=1，START=0，以產生一個正脈沖信號，脈沖上升沿將內部寄存器全部清0，在其下降沿開始轉換。8路數據量輸出端與P1口相連，將數據通過P1口讀入，經數據處理后，與設定的設備開機值比較，從而判斷設備啟停狀態(tài)信息。

由于模擬量輸入基準電壓為5V，所選外部A/D轉換模塊ADC0809的轉換精度為8位，因此數據轉換公式為：

圖4 數據采集處理子程序流程圖

式中，Volt為采樣電壓值，Adval為A/D轉換值。由于檢測工頻磁場為0.3μT時傳感器輸出電壓為U=0.015mV，通過兩級放大器放大100000倍后，確定設備開機值為1.5V。為了方便編程時數值的計算，5V電壓數值定義為500，因此1.5V電壓數值相應為150。最終設定設備開機值為150。

狀態(tài)顯示子程序

根據顯示電路，要點亮紅燈或是綠燈，P2.0和P2.1的端口必須處于低電平狀態(tài)。根據A/D采樣比較結果，將設備狀態(tài)定義為：設備開——紅燈滅，綠燈亮（10）；設備?！t燈亮，綠燈滅（01）。

串行異步通信

由于系統(tǒng)設立的外部晶振為11.0592MHz，即fosc=11.0592MHz，本課題所需的波特率為9600bit/s，可得定時器初值X=253=0xfd。

數據幀的內容包括起始字節(jié)、地址字節(jié)、類型字節(jié)、數據字節(jié)、校驗和字節(jié)。主機發(fā)送的數據幀是指令幀，數據字節(jié)為0字節(jié)，即數據幀結構依次為特征碼字節(jié)、地址字節(jié)、類型字節(jié)、校驗和字節(jié)。從機發(fā)送的數據幀，只是一個單純的數據字節(jié)，數據字節(jié)為1字節(jié)。避免其他從機對指令幀的干擾，定義所有從機發(fā)送的數值轉換成BCD碼進行傳送。由于BCD碼是不會出現A、B、C、D、E、F這幾個數碼的二進制數，因此，定義特征碼字節(jié)的數值為0x1A。

本設備與主控機關系密切，它需要根據主控機的指令執(zhí)行相應的操作，以達到通信的目的。從機一直收集設備的狀態(tài)信息，當從機收到主控機發(fā)送來的幀，便立即進入中斷子程序。進入中斷程序后，立即關串行口中斷。RI軟件清零，并將接收到第一字節(jié)，即特征碼字節(jié)，存入字符數組a的第一個元素a［0］中，判斷第一字節(jié)是否為特征碼，如果不是，則立即跳出中斷，等待接收特征碼；如果是，當RI為1時，繼續(xù)接收第二字節(jié)，即地址字節(jié)，存入a，判斷此字節(jié)與此設備設立的設備號是否符合？如果不符合，便立即跳出中斷。符合，繼續(xù)接收第三、第四字節(jié)，分別存入a、a中，通過第四字節(jié)，即校驗和字節(jié)判斷傳送的幀是否正確，接收是否成功，如果成功，判斷第三字節(jié)即類型字節(jié)的值，收到讀設備狀態(tài)信息指令“GETDATA”時即主機要數據，將CON=0，系統(tǒng)處于等待發(fā)送禁止接收狀態(tài)，將已有的狀態(tài)信息發(fā)送上報。

結語

本文從我國煤礦開采安全現狀出發(fā)，結合我國煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控技術現狀，研制了一種新型的礦用本安型非接觸設備啟停監(jiān)測儀。監(jiān)測儀可以準確、穩(wěn)定地檢測三相電纜芯線不對稱處的磁場，檢測精度也基本滿足井下的檢測需求。通過虛擬仿真，驗證了本課題礦用本安型非接觸設備啟停監(jiān)測儀的技術方案可行。

周 靜 陳昆侖

中國礦業(yè)大學（北京）機電與信息工程學院

周靜（1990-）女，漢族，重慶人，機電與信息工程學院，大學本科，研究方向為電氣工程與自動化。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.035