中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 郭洪祥

基于單片機(jī)的通風(fēng)阻力參數(shù)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 郭洪祥

【摘要】本文介紹了基于單片機(jī)C8051F060的礦井通風(fēng)阻力參數(shù)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)，給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件的選型以及軟件流程。該儀器具有功能齊全，測(cè)量準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦井下通風(fēng)阻力的測(cè)量中得到了廣泛應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】通風(fēng)阻力；MS5540C；C8051F060

1 引言

風(fēng)流在井巷中作沿程流動(dòng)時(shí)，由于流體層間的摩擦和流體與井巷壁面之間的摩擦所形成的阻力稱為摩擦阻力［1］。由于摩擦阻力的原因，因此礦井在通風(fēng)過(guò)程中產(chǎn)生通風(fēng)阻力。井巷通風(fēng)阻力是引起風(fēng)壓損失的主要根源，降低井巷通風(fēng)阻力，特別是降低摩擦阻力就能用較少的風(fēng)壓消耗而通過(guò)較多的風(fēng)量。因此，礦井在生產(chǎn)過(guò)程中需對(duì)巷道通風(fēng)阻力等參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，以便優(yōu)化、改進(jìn)和調(diào)節(jié)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，保障礦井巷道的通風(fēng)安全；同時(shí)通過(guò)優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，還可起到節(jié)約通風(fēng)能耗的作用。本文設(shè)計(jì)基于單片機(jī)C8051F060的礦井通風(fēng)阻力參數(shù)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)，給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件的選型以及軟件流程。該儀器具有功能齊全，測(cè)量準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用C8051F060單片機(jī)作為核心器件，通過(guò)定時(shí)對(duì)傳感器MS5540C、SHT75等數(shù)據(jù)的采集，然后經(jīng)通過(guò)數(shù)據(jù)處理后通過(guò)液晶模塊進(jìn)行顯示；同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)掉電不丟失，選用AT24C1024作為ROM存儲(chǔ)芯片，然后通過(guò)RS232的通訊方式實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件與單片機(jī)中的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行交換。為了實(shí)現(xiàn)儀器工作計(jì)時(shí)，選用自帶電池的時(shí)鐘芯片SD2405，該芯片是一種具有內(nèi)置晶振、支持IIC串行接口的高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，單片機(jī)可使用該接口通過(guò)5位地址尋址來(lái)讀寫片內(nèi)32字節(jié)寄存器的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)形式如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

2.2 器件選型

由于儀器需要測(cè)量的溫度、濕度、風(fēng)速、大氣壓等眾多參數(shù)而且為便攜式儀器，因此在開發(fā)過(guò)程中儀器的整體功耗、體積、供電電池選型是首要考慮的問(wèn)題。

儀器選用C8051F060單片機(jī)作為核心控制芯片。該單片機(jī)具有C51內(nèi)核、3.3V低電壓供電、100個(gè)引腳且引腳可以編程復(fù)用、內(nèi)部設(shè)有多個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器和中斷源等特點(diǎn)［2］。

對(duì)于絕壓的測(cè)量，選用進(jìn)口高精度、低電壓低功耗的絕壓元器件MS5540C，通過(guò)單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的方式實(shí)現(xiàn)，此芯片采用3.3V直流供電，直接提供16位二進(jìn)制的數(shù)值轉(zhuǎn)換結(jié)果，大大節(jié)省了單片機(jī)引腳的使用數(shù)量。

對(duì)于溫濕度的測(cè)量，由于溫度和濕度在測(cè)量過(guò)程中具有相關(guān)性，同時(shí)考慮到精度和供電的具體要求，選用SHT75作為溫濕度一體化的測(cè)量元器件。該元器件具有引腳少、精度高、數(shù)字化的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)I2C總線的方式對(duì)溫度、濕度的測(cè)量值進(jìn)行傳輸。

對(duì)于存儲(chǔ)芯片，選用AT24C1024芯片。該芯片是24C系列E2PROM存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)容量最大的一種， 具有I2C總線接口功能、功耗小、電源電壓寬（2.7～5.5v）、工作電流和靜態(tài)電流小等特點(diǎn)，其存儲(chǔ)容量為1M位。

對(duì)于時(shí)鐘芯片，選用自帶內(nèi)置晶振、支持IIC串行接口的高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片SD2405。該芯片可保證時(shí)鐘精度為±5ppm（在25℃下），即年誤差小于2.5 分鐘；內(nèi)置的一次性工業(yè)級(jí)電池或充電電池可保證在外部掉電情況下時(shí)鐘使用壽命為5～8年時(shí)間；內(nèi)部具備電源切換電路，當(dāng)芯片檢測(cè)到主電源VDD掉到電池 電壓以下，芯片會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)為由備電電池供電。

對(duì)于風(fēng)速的測(cè)量，采用葉片式風(fēng)表表頭加裝紅外對(duì)管的形式，通過(guò)單片機(jī)對(duì)脈沖頻率計(jì)數(shù)的方式進(jìn)行風(fēng)速的測(cè)量。

3 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

在單片機(jī)的編程過(guò)程中由于涉及到溫度、濕度、大氣壓力、風(fēng)速等多參數(shù)的測(cè)量且鍵盤操作涉及到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、刪除、瀏覽以及均風(fēng)與多次測(cè)風(fēng)的相互切換，因此整個(gè)流程相對(duì)較為復(fù)雜，為了既實(shí)現(xiàn)響應(yīng)時(shí)間的快速性又能達(dá)到實(shí)現(xiàn)整體功能的目的，在編程過(guò)程中采用中斷、定時(shí)、查詢等多種方式相結(jié)合形式：對(duì)于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、刪除、瀏覽等項(xiàng)的操作采用中斷的方式；對(duì)于風(fēng)速的測(cè)量采用定時(shí)計(jì)數(shù)的方式；對(duì)于均風(fēng)與多次測(cè)風(fēng)的相關(guān)操作采用查詢的方式。軟件的運(yùn)行首先進(jìn)入單位名稱及圖標(biāo)的開機(jī)畫面顯示，然后進(jìn)入各測(cè)量參數(shù)、電量、時(shí)間等分項(xiàng)的顯示，其各部分流程設(shè)計(jì)如圖2～圖5所示：

圖2 MS5540C編程流程圖

圖3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程圖

圖4 數(shù)據(jù)刪除流程圖

圖5 數(shù)據(jù)瀏覽流程圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本軟件采用VC++語(yǔ)言進(jìn)行編程，能夠通過(guò)RS232串口讀取測(cè)

試儀內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，具有將各相關(guān)數(shù)據(jù)的人工輸入，刪除等處理，能嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)MT/T440-2008《礦井通風(fēng)阻力測(cè)定方法》的計(jì)算公式來(lái)處理測(cè)試數(shù)據(jù)得到計(jì)算結(jié)果，并能進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、讀取及打印等，軟件界面如圖6所示。

圖6 軟件主界面圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本測(cè)試儀選用高精度傳感器進(jìn)行測(cè)試儀硬件設(shè)計(jì)開發(fā)，操作簡(jiǎn)單、體積小、存儲(chǔ)容量大、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，不但可以用于大氣壓力、風(fēng)速、溫度、濕度等參數(shù)的單獨(dú)測(cè)試，而且能夠通過(guò)氣壓計(jì)基點(diǎn)測(cè)定法或氣壓計(jì)同步測(cè)定法兩種方式［3］，通過(guò)應(yīng)用軟件，計(jì)算出巷道通風(fēng)阻力，且該產(chǎn)品已在實(shí)際生產(chǎn)中得到了大量的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

［1］蔡永樂(lè)，胡創(chuàng)義.礦井通風(fēng)與安全［M］.北京∶化學(xué)工業(yè)出版社（第二版），2013.

［2］張培仁，孫力.基于C語(yǔ)言C8051F系列微控制器原理與應(yīng)用［M］.北京∶清華大學(xué)出版社，2007.

［3］國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.MT/T440-2008《礦井通風(fēng)阻力測(cè)定方法》［S］.北京∶煤炭工業(yè)出版社出版，2009.

作者簡(jiǎn)介：

郭洪祥（1974—），男，工程師，主要從事檢測(cè)技術(shù)研究工作。