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单片机在矿井通风控制系统中的应用毕业论文.doc

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单片机在矿井通风控制系统中的应用毕业论文.doc

目录1绪论12设计要求13系统设计方案与风量调节方法231系统总体设计方案与工作原理232矿井通风机风量调节方法24变频器发展与变频调速注意事项441变频器的发展442变频调速注意事项45硬件设计551单片机类型的选择552控制系统供电电源653传感器检测654报警电路755掉电保护电路8551单片机掉电设计原理8552掉电持续供电电路9553复位与掉电检测电路1056输入/显示电路1157固态继电器电路1258A/D转换电路设计1359D/A转换电路14510电机控制原理146抗干扰设计1661概述1662硬件抗干扰设计16621电源抗干扰措施16622传感器抗干扰措施1763软件抗干扰设计177软件设计188结束语20致谢20参考文献20附录2211绪论随着我国国民经济的快速发展,安全意识不断加强,作为危险作业的矿井工人安全问题受到高度重视。近年来,尤其是我国煤矿矿井事故不断出现,有人为管理因素,但重要的还是技术落后。解决矿井安全的问题,首先是解决矿井的通风系统的问题。通风系统的关键是对通风机风量和其他通风辅助设备的控制。通风机风量的调节有两种基本方法一是改变风门调节;二是改变通风机电机的转速。风门调节不易实现自动化,而对通风机电动机的转速控制较容易实现。现在对电动机的调速控制有变频器调速控制,PLC电控控制等。单独利用变频器调速控制,达不到对通风机实现自动控制,也不利于以后的系统扩展改造。应用PLC的好处是控制方便,可靠性高,编程容易,但是综合成本高。随着单片机技术的发展,基于AT89C52的通风机监视仪的设计和应用已经成功,利用单片机对伺服电机的控制得到了应用,基于单片机进行的保证室内空气质量的通风机控制器设计已经实现。目前国外对单片机的应用相当普及,国内虽然从1980年开始才着手开发应用,但至今也已拥有数十家专门生产单片机开发系统的工厂或公司,并且在程序控制、智能仪表等方面已经涌现出大量的科技成果。这些技术为单片机在矿井通风控制系统中的应用提供了技术支持。本设计研究参照单片机的国内外应用现状,考虑到我国大多数矿井通风的实际情况,采用价格低,功耗小,结构简单,编程容易,性能价格比好的51系列单片机作为主控单元,通过变频器调速,固态继电器电路切换,达到对通风机电机的自动控制,既解决了矿井通风机风量自动调节问题,而且成本比较低,扩展性好,易于应用。2设计要求(1)系统电源电压要与单片机工作电压相匹配;(2)要使单片机的性能价格比较优;(3)传感器要有很好的抗干扰性;(4)系统有很好的抗干扰性,断电时可以保存用户所设定的各种参数;(5)系统具有手动/自动转换、在线监控及在现场调试、驱动通风机的电机过热保护,故障报警等功能。依据矿井通风的特点,本控制系统对电机的控制功能包括当有一台电机过热时,系统能够自动转换为另一台电机工作;当一台电机不能满足风量要求时,系统能够自动启动另一台电机工作;通风机电机在变频情况下启动,当一台电机工作风量达不到要求,启动另一台电机,第一台电机能够自动转换为工频运行,变频器控制第二台电机,第二台电机也具有变频转工频功能。23系统设计方案与风量调节方法31系统总体设计方案与工作原理本设计系统根据设计要求,其设计模块应该包括单片机选择、控制系统供电电源、传感器检测、抗干扰设计、手动/自动转换、电动机保护、输入/显示电路设计、A/D转换电路、D/A转换电路、故障报警、继电器控制电路和软件设计。按功能要求拟定设计方案。若采用先对各个输入/输出信号模块进行设计,然后再对单片机输入/输出口分配,不利于在现有单片机的情况下,应用单片机进行设计,假如先对单片机的I/O口进行分配,然后对各个功能模块进行设计,就能够充分发挥单片机的功用,是一种最简单的设计方案。本设计就采用这种方案,对系统进行设计。系统总体设计框图如图1所示。由图1可知,本设计系统以单片机作为控制核心,依靠传感器技术来采集矿井中的信息,包括矿井温度、矿井风速、矿井压力、瓦斯浓度和电机温度,经A/D转换电路,送入单片机处理,再由D/A转换放大电路送给变频器模拟控制信号,经变频器变频对通风机电机进行调速。通过单片机控制固态继电器通断实现工频、变频电路转换和两台电动机的切换,达到对通风机风量调节的目的。系统由键盘输入单片机控制数据,由显示电路显示控制系统的运行情况,出现故障时,相应显示电路给以显示信息并且发声报警。图1系统总体设计框图32矿井通风机风量调节方法对通风机的控制,目的是对通风机风量的调节。它通过改变通风机本身的特性曲线或改变外部管网特性来进行,分为风机恒速时的风量调节和风机变速时的风量调节。通风机恒速时的风量调节对于轴流式通风机,通过增大叶片安装角度可以增大风压,也可以通过改变工作轮的级数或叶轮片数来调节通风量。但这些单片机A/DFANGDAN矿井温度矿井风速矿井压力瓦斯浓度电机温度D/A固态继电器变频器报警M1、M2键盘显示3调节一般需要在风机停机时才能进行,只适合较长阶段的风量调节,无法实现通风量的平滑调节和与实际通风量要求的随动。对于离心式风机,目前都是通过调节通风机口及风道或送风道中闸门的开启程度,人为地减小风道断面,增加通风阻力,改变通风管网的特性曲线,最终改变风机运行工况点,实现风量调节。这是一种很不经济的调节方法。通风机变速时的风量调节,是通过改变通风机的转速,实现通风机特性曲线的改变,从而改变通风量,这是离心式通风机节能运行的有效方法。调节风机转速与调节风门改变风量方法比较,风机运行的工况点和特性如下图2所示。HH2B31H1A42H3COQ2Q1Q图2风机运行的工况点的特性曲线曲线1为通风机在全速下风压风量HQ的特性曲线,曲线2为风门全开时管网的特性曲线。上述两曲线的交点A代表自然运行工况点,其风压和风量分别为H1和Q1。如果矿井需要的实际通风量为Q2,可以通过调节风门,改变管网的特性得到曲线3,它与曲线1的交于B点,取得要求的风量Q2,但风压上升至H2。也可以通过改变风机的转速而使风机的特性曲线变为曲线4,它与管网的特性曲线2交于C点,同样取得要求的风量Q2,同时,风压降至H3。假定在上述3个不同的工矿点运行时,通风机、电器和机械传动系统的效率都相等,则在3个不同的工矿点运行时从电网吸收的功率PA、PB、PC应与相应工矿点的风量和风压的乘积成正比,即与图中AH1OQ1、BH2OQ2和CH3OQ23个矩形的面积成正比。从图上可以清楚地看出,PB仅比PA略小,而PC远远小于PA。也就是说,调节通风机转速改变风量的运行方式所消耗的电能远远小于调节风门改变风量的运行方式1。通风机属于负荷平稳,起动不频繁,仅需较小起动转矩的设备,采用母线供电,交流鼠笼电动机拖动的不调速电控系统,调节风门调节风量的工作方式是最简单、最可靠的。虽然这种工作方式能耗大,但设备简单,投资小,可靠性高,维修容易,能满足煤矿安全生产的需要。而在过去,各种交流调速拖动系统存在一定的缺陷和局限性,直流调速拖动系统又过于复杂和昂贵的情况下,经过技术上和经济上的比较,我国矿井通风机大多采用交流电动机不调速拖动,调节风门调整风量的工作方式。随着科学技术的进步,交流变频调速通风机电控系统技术

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