煤矿井下防爆柴油机排气污染监控系统设计煤矿井下防爆柴油机排气污染监控系统设计

1、煤矿井下防爆柴油机排气污染监控系统设计摘 要由于防爆柴油机可以在潜在爆炸性气体、可燃性气体、蒸汽及粉尘的环境下工作，具有防爆性能，在爆炸环境下工作不会点燃环境气体、蒸汽和粉尘，所以经常被用作煤矿井下各种固定和移动设备的防爆动力装置。然而随着煤矿井下防爆柴油机的使用量逐年增加，造成煤矿井下防爆柴油机排气污染越来越严重，使得煤矿安全生产面临着严峻的挑战。此次设计的主要课题是针对防爆柴油机尾气（co及nox）排放的监测报警。此次设计主要分两大部分来：一是防爆柴油机尾气的监测及自动通风系统，二是通风系统出现故障后系统的自动报警。文中首先阐述了co和氮氧化合物监测系统的发展及状况，其次着重介绍了单片机p

2、ic16f877尾气监控报警器及通风系统。本设计的硬件电路包括浓度检测，a/d转换，单片机系统，数据显示电路，报警电路，通风系统电路及各控制电路；软件设计包括浓度采集，数据转换及处理，动态显示及浓度控制等。通过软件设计可实现对co及nox浓度的监测并且当浓度超过设定值时可进行加强通风，当通风系统出现故障时进行自动报警。可有效的防止煤矿井下中毒，对避免人员伤亡及财产损失有着积极的作用1。关键词：co及nox报警系统 单片机 气敏传感器 通风系统 abstractbecause of explosion-proof diesel engine can be potentially explosiv

3、e gas, combustible gas, steam and dust under the environment of work, has the explosion protection performance, in the blast environments work never lit environment gas, steam and dust, so often used as coal mine explosion-proof power plant all kinds of fixed and mobile equipment. however, as the co

4、al mine explosion-proof diesel engine, due to the increasing use of coal mine explosion-proof diesel engine exhaust pollution caused more and more serious, makes the coal mine safety production facing the severe challenges the design main points of two parts: one is explosion-proof diesel engine exh

5、aust gas monitoring and automatic ventilation system, the second is the ventilation system failure after the automatic alarm system. firstly expounds the co and the development of nitrogen oxides monitoring system and condition, then introduces the microcontroller pic16f877 exhaust monitoring alarm.

6、 this design of hardware circuit including concentration detection, a/d conversion, single-chip microcomputer system, the data display circuit, alarm circuit, the ventilation system circuit and the control circuit; through the software design can be realized on the co and nox concentration monitorin

7、g .can effectively prevent coal mine poisoning, to avoid casualties and property losses has a positive role.key words: co and nox alarm system single chip microcomputer ventilation system and gas sensorsii目录摘 要iabstractii第 1 章 绪 论11.1 选题背景及意义11.2 国内外发展现状21.3课题的主要研究内容与要求4第2章系统功能介绍及方案设计62.1系统性能的描述62.2

8、系统方案的设计62.3风量的控制7第3章各部分的电路选择与设计93.1单片机的选择93.2电源电路的设计103.3电流、电压、采集电路的设计123.4信号调理电路的设计133.4.1滤波电路的设计133.4.2 a/d转换电路的设计153.5电机振荡监测系统电路设计173.6电机轴承温度检测电路183.7报警功能电路的设计193.8显示电路的设计21第4章 风机的变频调速234.1变频调速装置在风机上的应用244.2变频调速装置的工作特点254.3 变频调速的硬件部分25第5章软件的设计295.1 主流程设计图295.2滤波子程序设计305.3数据处理315.4显示子程序设计流程32结 论34

9、致 谢35参考文献36附录1 系统整体硬件电路图38附录2 各部分电源电路图39附录3 电流与电压检测电路图40附录4 风机变频调速整体电路图41附录4 单片机的部分程序42contentsabstractiabstractiichapter 1 introduction11.1 background and significance of topics11.2 the development of countries11.3subject of the main research contents and requirements4chapter 2 system function is i

10、ntroduced and program design62.1the description of the system performance62.2design of the system62.3air volume control7chapter 3 the selection and circuit design of each part93.1the selectiong of the single chip93.2the design of the power circuit103.3current voltage acquisition circuit design123.4d

11、esign of signal conditioning circuit133.4.1the design of filter circuit133.4.2 a/d conversion circuit design153.5motor vibration monitoring system for circuit design173.6motor bearing temperature detection circuit183.7alarm function of the circuit design193.8the design of display circuit21chapter 4

12、frequency control of motor speed of fan234.1application of variable frequency speed regulating device in the fan244.2the working characteristics of variable frequency speed regulating device254.3 frequency control hardware25chapter 5 software design295.1 main program design chart295.2filtering subpr

13、ogram chart305.3data handing315.4display subroutine design flow chart32conclusion34apreciate35refrence documentation36addenda1 the whole system hardware circuit diagram38addenda2 the various parts of the power circuit diagram39addenda3 current and voltage detection circuir diagram40addenda4 frequenc

14、y hardware control diagram41addenda5 parts of program of the single chip42第 1 章 绪 论近年人们对环境质量要求逐渐提高和对自身健康的关注，如何改善煤矿井下大量使用无轨防爆柴油机车的现代化大型、高产、高效矿井的工作环境，逐渐成为研究重点。研究结果表明，除了控制防爆柴油机尾气排放外，合理的通风量也是改善井下环境的重要途径之一。1.1 选题背景及意义随着煤矿机械化程度的提高，以柴油机作动力的辅助运输车辆在煤矿中的使用越来越广泛。它们具有安全、灵活、经济等优点。但是其所排放的尾气中有害成分较多，主要有碳氢化合物、一氧化碳、二

15、氧化硫、氮氧化合物（nox)和微粒（pt）。尤其在煤矿井下巷道，尤其是在煤矿井下巷道，由于空间和通风条件的限制，柴油机排放的有害气体严重危害工人的健康。因此如何改善煤矿井下大量使用无轨防爆柴油机车的现代化大型、高产、高效矿井的工作环境，逐渐成为研究的重点。因此，对防爆柴油机排放的尾气进行控制和净化具有十分重要的意义。除了控制防爆柴油机尾气排放外，合理的通风量也是改善井下条件的重要之一。柴油机尾气排放物不仅气味怪异，而且令人头昏、恶心，影响人的身体健康。世界卫生组织专家认定柴油发电机尾气与石棉、砒霜等物质一样，具有高速致癌性。如何应对及处理柴油发动机排放的尾气在井下安全的重中之重。提高井下空气质

16、量的监测能力适当增加巷道通风量和合理的布置通风系统，其目的就是为了保护井下小环境，保证工人身心健康。为了保证井下空气质量，防爆柴油机尾气污染监控系统的设计也成为了我们经常探讨的一个话题。1.2 国内外发展现状为改善大气环境，保障人类的健康，世界各国对柴油机的尾气排放作出了严格的规定。19921998年nox的排放量规定为7.00（g/kw/h)、pm的排放量规定为0.15（g/kw/h),在20002008年期间nox的排放量规定为2.00 (g/kw/h)、pm的排放量规定为0.02（g/kw/h)。为了满足如此严厉的排放法规，柴油机采取了一系列措施。采用egr系统引入废气，降低缸内的峰值温

17、度，降低多余的o2限制nox的形成；应用电子燃油喷射控制措施，提高喷射油压，改善燃油在缸内的雾化，推迟喷油时刻和多次喷射来降低峰值温度；降低燃油中硫的含量，硫会形成pm，同时硫还会对发动机后处理系统中的催化剂中毒。当前降低co和nox排放的技术主要集中在scr，lnt,lnc三方面。2001年欧洲在一些大卡车上商业化使用该技术。目前该技术在汽车上的使用已经很成熟，研究该系统的焦点集中在如何降低尾气管里催化还原所需的温度和如何提高转化率。日本日产公司的hirata等人的研究成果是在scr系统前加doc用来产生no2，使其与no量一样，这样在低温环境下与nh3反应的效率更高。lnt系统很早就在燃烧

18、的柴油发动机上应用，该系统中采用碱土金属或碱金属作为吸附剂来提高储nox的能力。在稀薄条件下运行时，lnt中的铂将no转化成no2，而no2和碱土金属或碱金属和o2反应生成硝酸盐，发动机每隔50-60s加浓一次，这些储藏的nox和废气中的还原剂co，h2，hc在贵金属的作用下形成n2。该系统大概是在2000年应用在柴油发动机上。lnc系统也是比较具有吸引力的系统，该系统使用燃油作为还原剂，使用的催化剂（如银、沸石等）也比较便宜。但其在额外增加油耗的基础上（约6%），才获得相当于lnt的10%-30%的转化率。不过在lnc中只要有小量的h2（2%），就能在很宽的温度范围（200400），显著的提

19、高银基lnc的nox转化率2。近年来，国内外研究结果表明，尾气后处理技术大大降低了柴油机有害物的排放，尾气后处理技术从处理方法上不外乎化学方法和物理方法，化学方法主要是催化、净化处理方法，而高效催化剂的研制和开发是催化、净化技术的核心，用到氮氧化合物的催化还原、氮氧化合物的贮存还原、碳烟的催化燃烧等流程。物理方法是采用水洗法来降低柴油机颗粒物的排放。柴油机的尾气通过水洗箱时尾气中的颗粒沉淀在水洗箱内，同时还能降低排气温度。煤矿生产安全监控系统，是目前为止实际通风尾气管理工作中最重要和最有效的自动化手段，已经装备监控系统的煤矿的尾气易燃事故率大为下降，实践证明，煤矿生产安全监控系统对保障煤矿安全

20、生产，提高煤矿生产率，提高煤矿自动化程度，以及促进煤矿管理现代化水平，都有着举足轻重的作用。如今我国煤炭系统的国统矿和地方矿都是现代化矿井，在前几年达标过程中，大部分都安装了一套安全生产调度监测系统或通风安全监测调度系统。用来及时掌握生产或通风系统各个环节的动态信息，这对发挥生产指挥的准确性、灵活性、快捷性起到重要的作用。但是目前的煤矿安全生产监控系统软件大多运行于dos平台或单机运行于windows平台。根本不能适应知识经济时代高速网络发展的需要，严重制约了煤矿企业企业信息化的发展。为了改变煤矿现有的指挥管理落后面貌，在煤矿系统中应用最新计算机软件及网络技术，改造和完善煤矿的现有管理系统，组

21、成技术先进，功能完善的现代化矿井计算机网络管理指挥生产安全监测系统是非常必要的。我国从八十年代初期开始引进煤矿生产安全监控系统，历经了直接引进、消化吸收、仿制配套、自主开发的过程，但迄今为止的产品大多都是面对大型矿井设计的，而且自身尚有一些有待解决的问题，如:造价高，系统最基本的配置过于庞大，运行费用大，传感器测量稳定性差，调校频繁，寿命短，系统安装、维护复杂，操作不便，人机界面较差，系统设备可靠性差，必须依赖专业的维护队伍，对人员技术，素质有较高的要求。国外的监控系统技术理论上讲高于国内发展水平，但应用于国内煤矿尚有一定的局限性，如煤矿管理模式生产方式的不同，价格过高不适于国内煤矿现有条件，

22、除在传感器技术方面可供借鉴外，其它仅具一定参考价值。综合来说，目前市场上的每种系统都可能存在检测量单一、量程小、体积大、功耗大、 需短期内校准、使用寿命短、无数据传输方式等其中某种或某几种缺点。因此，十分需要研制一种新型多功能煤矿检测仪以克服现有设备存在的各种问题，使其具有微型化、智能化、低功耗、无线化并能够准确的测量出井下的环境因素3。从现在的国家煤炭生产的现状及我国能源结构规划均可看出，在本世纪中叶以前，煤炭仍是支持我国国民经济发展的主要能源。但是煤炭工业的安全生产状况却不容乐观，中小型煤矿的情况尤为严重，已经直接威胁到整个煤炭工业的稳定生产，给国家财产和人民生命造成了很大的损失，柴油机尾

23、气排放的污染物已经引起了严重的矿井环境污染问题，对井下工作人员造成极大地威胁，尾气后处理是柴油机尾气污染治理必不可少和最有效的技术之一。因此研制煤矿井下柴油机尾气监测控制及报警系统对国家的煤矿井下良好的环境建设减少中毒事故发生有着及其重要的意义。这些装备和系统的推广与应用，丰富了我国煤矿安全监控产品的市场，改善了煤矿安全技术装备的面貌，缩小了我国与国外先进技术水平的差距4。1.3课题的主要研究内容与要求设计的主要内容与要求是：设计一个co与氮氧化合物安全监控系统，将co与氮氧化合物气体浓度许可值上限通过电脑程序输入系统中，在气体浓度的一定范围内进行安全检测，在气体浓度达到上限时进行自动加强通风

24、，如果通风系统出现故障，电路实现自动报警功能，及时通知矿内工作人员。这个单片机气体安全监控系统要实现以下功能：气体测试，超过设定的门限值后自动加强通风装置。气敏传感器检测仪检测气体浓度，再加上浓度监测与自动加强通风，通过显示器显示矿内co和氮氧化合物的浓度值5。第2章系统功能介绍及方案设计主要对防爆柴油机的尾气的浓度和风量的控制进行分析，对整体系统方案进行设计。2.1系统性能的描述在生活中如果有一个能及时发现有毒及易爆气体，并且能自动加强通风量而且还能报警，这无疑是给井下煤矿工人的工作环境的安全上了双重保险。基于这个思路，设计了co与氮氧化合物监测自动通风报警系统。能够较为准确科学的检测防爆柴

25、油机尾气排放的浓度，当气体达到一定门限值时就会自动通风，如果通风系统出现故障则会自动报警，从而达到实时安全监控作用。2.2系统方案的设计总体方案：图2-2 系统框图该设计采用pic16f877作为单片机进行控制，传感信号包括co气敏传感器mgs1100和氮氧化合物检测仪型号选择m314919，其中mgs1100是一种新型的专门设计定位于家庭用途的co气体检测器。在微型结构硅桥结构中嵌入的加热器上制作一层sno2薄膜，由于硅膜减少了热传导的热损失，从而大大降低了功耗。此传感器温度是随着可燃气体浓度的升高而线性升高的。气敏传感器输出的信号送给tlc2543转换成数字量送给单片机,监测电路可靠工作。

26、气体检测电路的主要功能是监测气体浓度值。设置气体浓度临界值，超过临界值通风系统电路工作，当通风系统出现故障，报警电路响应。这种系统的可靠性强且容易实现，而且方便操作，完全实现监测、控制、处理、报警一体化6。2.3风量的控制改变井下工作小环境，除了控制防爆柴油机本身有害物的排放外，另一个更重要的手段就是适当增加和合理配置井下的通风量和布置合理的通风系统，强制稀释发动机排出的多种废气成分。按照mt990-2006矿用防爆柴油机通用技术条件的要求，矿用井下防爆柴油机在mt220规定的工况条件下，未经稀释的排气中，其有害成分的体积浓度不能超过下列许可值：一氧化碳（co）为0.1%；氮氧化合物（nox)

27、为0.08%。对于国内增压中冷柴油机，一般经济油耗率为206225g/(kwh),标定工况下耗油率为270290g/(kwh),因此，增压中冷柴油机在标定工况下需要的新鲜空气量m1。如式（2-2-1）所示。 m1=agbl0=0.152kg/(kwmin) （2-2-1）在20时，1标准大气压下空气的密度为1.24kg/m；则需要的空气量m1=0.152 /1.24=0.123m/(kwmin)。由以上计算可知，对于一台100kw的发动机，需要的空气量m。如式（2-2-2）所示。 m=100 m1=12.3m3/min （2-2-2）其中 a为过量空气系数。如式（2-2-3）所示。 a=l/l

28、0= m1/(gbl0) （2-2-3）m1为每循环进入气缸的实际空气量；gb为每循环喷油量；l0为1kg燃油完全燃烧所需的理论空气量，轻柴油l0=14.3kg。按照规定的要求，矿用柴油机车在煤矿井下正常运行时，排气中的co和nox的排放浓度被巷道中风流稀释后，井下空气中的co、nox不得超过下列规定：一氧化碳（co）为0.0024%；氮氧化物（nox）（换算成no2）：25%。关于煤矿井下使用柴油机设备的通风要求，按煤矿工程设计手册的要求，每千瓦需配风3.84m/min。由式（2-2-2)计算可知，稀释柴油机废气需要的空气量远大于柴油机本身工作需要的空气量。因此，在计算整个井下供风系统时，防

29、爆柴油机本身工作需要的空气量可以忽略不计7。第3章各部分的电路选择与设计3.1单片机的选择目前，在各种单片机设计中所使用的通用单片机芯片以intel的51系列和microchip的pic系列为主，而由于51系列单片机指令系统复杂，外围接口功能较弱，所以整个硬件系统的设计决定采用microchip公司推出的新型处理芯片pic16f877，它的指令系统精炼实用。可以重复烧录程序适合教学、开发新产品等用途；而其内建icd(in circuit debug)功能，可以让使用者直接在单片机电路或产品上，进行如暂停微处理器执行、观看缓存器内容等，让使用者能快速地进行程序除错与开发。 图3-1 pic16f

30、877引脚图pic16f877属于闪控式(flash)单片机，可以重复烧录，其rom的容量总共是8k words，以2k为一个page，区分为4个pages；内部ram总共有512个字节(00f1ffh)，以128个字节为一个bank，共区分为4个bank，每个bank的前半段都有其特殊用途，分别连接到其特殊功能模块，例如i/o、ccp、timer、usart、mssp等。 pic16f877属于内嵌功能较多的单片机，除了cpu、pom、ram、i/o等基本构造外，还包括以下各种功能，简介如下：a/dconverter：模拟数字转换器，最多可以读取8组模拟输入讯号。ccp：capture、co

31、mpare、pwm，用于控制直流马达。timer，内部定时器，有timer0、timer1、timer2等。usart（universalsynchronousasynchronousreceivertransmitter），同步/异步串行传输，如rs232、rs485等。mssp：mastersynchronousserialport，两线式(i2c)与三线式(spi)标准同步串行传输协定，常用于eeprom内存资料的烧录与读取，或是与其它集成电路沟通与联系，形成多芯片网络。pic单片机之所以能够获得广泛应用，是因为它具有一系列特点，例如pic的哈佛双总线结构、risc指令系统、单周期指令、

32、快速的执行速度、简单的寻址方式、程序和数据分开存储的模式、i/o引脚的独立编程能力和较大的驱动能力、丰富的功能部件、多种编程方式以及一系列微控制特性等。这些特性都是使pic单片机得到迅速推广应用的技术基础8。3.2电源电路的设计在此设计中电源电路是为各个部分硬件电路最基本的供电电路，依据以上各个硬件电路设计情况以及所需电压值一共设计出三种电源电路：5v、12v、15v。5v电源电路设计如3-2-1所示：图3-2-1 5v电源设计图此电源电路采用lm7805芯片，它采用的是三端正电源稳压电路。它有一系列的电压输出，应用非常的广泛这中类型由于内部电流的限制，以及过热保护和安全工作区的保护，使它基本

33、不会受到损坏。如果能够提供足够的散热片，它就能提供大于1.5a的输出电流。12v电源电路设计如图3-2-2所示：图3-2-2 12v电源设计图lm7815与lm7915三端稳压ic来组成稳压电源所需的外围元件极少，电流内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠方便而且价格便宜。15v电源电路设计如图3-2-3所示：图3-2-3 15v电源设计图3.3电流、电压、采集电路的设计电流互感器和电压互感器在电路中的作用就是“检测元件”，我们对大电流和高电压直接测量起来不方便、也不安全，就开发了这种电器当作人们的“眼睛”，随时监视着电路的电流和电压。电流互感器的作用就是用于测量比较大的电流。电流

34、互感器把大电流按一定比例变为小电流，提供各种仪表使用和继电保护用的电流，并将二次系统与高电压隔离。它不仅保证了人身和设备的安全，也使仪表和继电器的制造简单化、标准化，提高了经济效益。（将很大的一次电流转变为标准的5安培；2、为测量装置和继电保护的线圈提供电流；3、对一次设备和二次设备进行隔离。）输入电流时次级会产生一个与变比相应的输出电流。通过运算放大器将电流信号转化成电压信号，调节反馈电阻的值在输出端得到所要求的电压输出。电容及可调电阻用来补偿相移。本设计采用微型ct作为系统电器参量的采集与系统隔离，防止系统干扰的侵入。本设计中采用星格公司的sct254ax精密电流互感器，该互感器小巧轻便，

35、隔离度高，耐冲击性强。输入额定电流为5a，额定输出电流为2.5ma。图 3-3-1-1电流互感器电压互感器的作用就是把高电压按比例关系变换成100v或更低等级的标准二次电压，供保护、计量、仪表装置使用，同时使用电压互感器可以将高电压与电气工作人员隔离。电压互感器虽然也是按照电磁感应原理工作的设备，但是它的电磁机构关系与电流互感器相比正好相反。电压互感器二次回路是高阻抗回路，二次电流的大小由回路阻抗决定。当二次负载阻抗减小时，二次电流增大，使得一次电流自动增大一个分量来满足一、二侧之间的电磁平衡关系。可以说，电压互感器是一个被限定结构和使用形式的特殊变压器。本次设计选用的电压互感器的型号为jlb

36、v11，此电压互感器采用的是闭环零磁通磁平衡式，电压直接输入的工作原理。主要用于测量直流、及其它任意波形电压，它精度高、线性好、反应快、低温漂、频带宽、抗干扰能力强。额定输出电压5v，电流25ma。图 3-3-1-2电压互感器3.4信号调理电路的设计3.4.1滤波电路的设计在一个实际的电子系统中，它的输入信号往往因受干扰等原因而含有一些不必要的成分，应当设法将它衰减到足够小的程度。在另外一些场合，我们需要的信号和别的信号混在一起，应当设法把前者挑选出来。为此我们必须采用滤波电路，这是抗干扰所必不可少的措施。滤波电路分为无源滤波电路和有源滤波电路。前者又分为lc滤波电路和rc滤波电路。lc滤波电

37、路有较好低通滤波特性，但电感的重量和体积过大，既不容易制作而且成本也高，有时还需要加磁屏，给制造和安装带来不便。rc滤波电路虽然没有lc滤波电路那些缺点，但是rc滤波电路中的电阻不仅消耗我们希望抑制的那些信号的能量，而且消耗我们希望顺利通过的信号的能量。所以rc滤波电路的性能较差。而由rc网络和集成运算放大器组成的有源滤波电路却克服了无源滤波电路的缺点，它具有以下的优点：1.不使用电感元件，因此体积小，重量轻，不需要加磁屏蔽。2.有源滤波电路中的集成运放可加电压串联负反馈，使输入阻抗很高，输出阻抗很低。输入与输出之间具有良好的隔离，因此只要将几个低阶滤波串联起来，就可以得到高阶滤波电路，一般不

38、需要象lc滤波电路那样考虑级间相互影响。3.除了滤波用用外，还可以将信号放大，而且放大倍数容易调节。本设计采用了一阶低通rc有源滤波电路来对输入信号进行滤波，电路如图3-3-4-1所示：图3-3-4-1 一阶低通滤波电路低通滤波器主要用在信号处于低频，并且需要消弱高次谐滤或较高的干扰和噪声等场合。一阶低通滤波器的传递函数为：式中a为运放的放大倍数，若令s=jw, w0=1/rc=20式中p为截止频率，p=0=1/2rc 其频率响应特性如图3-3-4-2 所示：图3-3-4-2 一阶低通频率响应特性图从图可以看出一阶低通滤波器的衰减斜率为-20db/+倍频程。本系统的截止频率为1/(230010

39、00-1210-12)=530hz。3.4.2 a/d转换电路的设计数据采集系统由采样保持器，多路开关和a/d转换器所组成。为简化电路的硬件结构，本设计采用模数转换器tlc2543对采到的数据进行数字滤波，并计算有效值。tlc2543是ti公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成a/d转换过程。是串行输入结构，且价格适中，分辨率较高，因此在仪器表中有较为广泛的应用。tlc2543有十一路模拟输入通道，在工作温度范围内10us转换时间，3路内置自测试方式；采样率为66kbps;线性误差1lsbmax;有转换结束输出eoc；具有单双极性输出；可编程的msb和lsb前导；可编程输出数

40、据长度。它将多路开关、基准电源，内部时钟等集成于一个芯片内，大大提高了集成性与可靠性，此部分电路将信号输入电路传来的信号进行 a/d 变换，将模拟输入量变成数字量，送给单片机进行处理。图3-4-2-1 tlc2543引脚图在tlc2543引脚中，ain0ain10为模拟量输入端。11路输入信号由内部多路器选通。对于4.1mhz的i/o clock，驱动电源阻抗必须小于或等于50欧姆，而且用60pf的电容来限制模拟输入电压的斜率。引脚datainput为串行数据输入端。由4位的串行地址输入来选择模拟量输入通道，而data out为a/d转换结果的三态串行输出端。其中eoc为转换结束端。在最后的i

41、/o clock 下降沿之后，eoc从高电平变为低电平并保持到转换完成和数据准备传输为止。作为输入输出的时钟端的i/o clock接受串行输入信号。ref+为正基准电压端，相反ref-为负基准电压端。图3-4-2-2 tlc2543与cpu连线图3.5电机振荡监测系统电路设计发电机运行异常可以从数据上体现出来，根据振动信号进行监测与诊断是目前风机设备维护管理的主要手段，振动系统由从机和主机两部分组成，从机即传感器模块安装在风机的表面和内部，负责对振动数据进行采集、滤波和标定，并将数据上传主机。主机位于控制室内，包括分析报警模块和pc机，前者主要负责接受数据，合成x、y轴振动并判断振动矢量的幅值

42、是否超限，若超限则触发报警装置，同时将数据转发pc机；pc机配置从机和分析报警模块的参数，并用图标实时显示振动情况。传感器是从机的核心，它的特性和接口方式决定了从机的硬件和软件设计。选用高性能、低功耗双轴加速度传感器adxl202e。它可测量x轴和y轴两相互正交方向上、平行于芯片平面的加速度矢量，包括动态加速度（如振动）和静态加速度（如引力），它有模拟和数字两种接口，每种接口都输出x轴和y轴2路振动信号。adxl202e为8脚lcc封装，st为自测试引脚，应用时悬空；xfilt和yfilt为模拟信号输出引脚，通过电容接地；xout和yout是数字信号输出引脚，t2引脚通过电阻rset接地，用于

43、设定数字信号周期。使用1008电阻或磁珠串联在adxl202e的电源线上可提供更好的电源去藕效果。xfilt和yfilt引脚的外接电容c与芯片内部集成电阻构成低通滤波器，可确定输出模拟信号的带宽，同时滤除噪声，抑制零点漂移9。图3-5 adxl202e应用电路图3.6电机轴承温度检测电路电动机运行时,轴承外圈允许温度不应超过95,如果超过这个值就是电动机轴承温度过高,也称电动机轴承发热。轴承发热是电动机最常见的故障之一。轻则使润滑脂稀释漏出,重则将轴承损坏,给用户造成经济损失。本次系统采用的是一种ad590集成温度传感器。集成温度传感器是将温敏与相应的辅助电路集成在同一块芯片上，它能直接给出正

44、比于绝对温度的理想线性输出。在众多温度传感器中，集成温度传感器因其线性好，精确度高和易于实现计算机在线测试与数据处理等优点，在生活中有着广泛的应用，ad590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。ad590的测温范围是-55+150，非线性误差仅为-0.3+0.3，而电机轴承最高温度也在此范围内。电源电压范围为430v，可以承受44v正向电压和20v反向电压，因而器件即使反接也不会损坏。图3-6 轴承测温电路图如图3-6为测量电机轴承温度电路，整个电路系统主要由集成温度传感器ad590、放大器芯片lm324、稳压管及一些电阻组成。稳压管d2钳制了由电源提供的电流和电压，经可调电阻r5

45、4调节后保持电压。ad590温度传感器不但可将温度转化成线性化电量进行测量、而且具有精度高、应用方便的特点10。3.7报警功能电路的设计当通风系统超负荷运行时或风扇出现故障时，为了使操作人员不致忽视，以便及时采取措施，往往还需要有某种更能引人注意和提醒警觉的报警信号。这种报警信号，通常有两种类型：一是闪光报警，因为闪动的指示灯更能提醒人们注意；二是鸣音报警，发出特定的鸣音，作用于人的听觉器官，易于引起和加强警觉，以上这两种报警统称声光报警。蜂鸣器，发光二极管的极限电压均比较低，则都加一个适当的电阻与之串联，以降低电路电流。因为其控制电路原理如图3-7-1所示：图3-7-1 光报警电路图声光动报

46、警器件的发光器件常用发光二极管。因为发光二极管不仅耗电小，而且有多种颜色可供选择，便于用闪光颜色区分不同报警信息。本次设计通过红色的led发光二极管和一个蜂鸣器进行报警11。图3-7-2 声报警电路图3.8显示电路的设计煤矿有毒气体的监测装置的显示方式有，仪表显示，数字显示，声光显示和位移显示器。在这里采用lcd液晶显示电路。lcd是新型平板显示器件，显示器中的液晶体并不发光，而是控制外部光的通过量。当外部光线通过液晶分子时，液晶分子的排列扭曲状态不同，使光线通过的多少就不同，实现了亮暗变化，可重现图像。液晶分子扭曲的大小由加在液晶分子两边的电压差的大小决定，因而可以实现电到光的转化。即用电压

47、的高低控制光的通过量，从而把电信号转化成光像。虽然亮度，显示效果不及led显示屏，但是功耗却远远小于led，而且零辐射、散热小，不存在超高压器件，不至于由于高压导致的x射线超标。在此系统设计中选择lcd12864，此模块是一种具有4位或8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864.内置8192个1616点汉字，和128个168点asc字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行，1616点阵汉字，也可完成图形显示。低电压低功耗又是其显著的一个特点。由该模块构成的液

48、晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。此模块的通讯方式是串行、并口可选，内置dc-dc转换电路，无需外加负压，无需片选信号，简化软件设计，工作的温度大约在055，存储温度在-206012。图3-8 lcd12864管脚图lcd芯片的各个管脚功能特性如表3.8所示。管脚号管脚名称电平管脚功能1vss0v电源地2vcc3.0+5v电源正3v0-对比度亮度调整4rs（cs）h/lrs=“h”，表示 db7db0为显示数据rs=“l”，表示db7db0为显示指令数据5r/w（sid）h/lrw=“h”,e=“h”

49、,数据被读到db7db0 rw=“l”,e=“hl”,db7db0的数据被写到ir或dr6e(sclk)h/l使能信号7-14db0-db7h/l三态数据线15psbh/lh:8位或4位并口方式，l:串口方式16nc-空脚17h/l复位端，低电平有效18vout-lcd驱动电压输出端19avdd背光源正端（+5v）20kvss背光源负端表3.8 lcd管脚功能第4章 风机的变频调速在煤矿井下应用的通风机，由于用风量的要求，往往需要在大负荷下运行，因此风机轮翼直径一般设计的都比较大，大都在1米以上，这样为了克服风机的大启动力矩，风机所配置的拖动电机功率也非常大。风机在运行时，电机处于大马拉小车状

50、态，造成极大的能源浪费。另外由于异步电动机为固定转速，风量的调节靠调节风机的入口的挡板的宽度来完成，小风量时，风机挡板开度很小，造成风机的振动非常大，装置无法实现低负荷运行。因此风机变频调速系统对节能和提高系统的稳定性有很大的意义，只有保证系统的稳定运行，才能保证煤矿井下工人在通风良好的环境下工作。变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频调速是现代微电子技术基础上发展起来的新技术。变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向，已广泛地应用于

51、工业生产和日常生活的各个领域。在变频调速控制系统中产生可调电压和可调频率的逆变电路控制技术是变频调速的核心技术。在变频调速的控制方法中，脉宽调制（pwm）技术以优良的调压和调频性能，在扁平调速系统中得到广泛应用。对于现实pwm变频调速控制系统的要求越来越高、高频化、数字化、网络化、安全化成为其发展方向。最近几年的时间微处理器的工作性能不断提高，产生pwm信号的大规模集成电路不断出现，与此同时，智能化驱动器件的特性也得到持续改善，将这些新技术、新工艺相结合，不仅可以进一步提高变频调速的控制性能，使数字化、安全化成为可能，而且也符合变频调速控制系统的发展方向。本选用以单片机pic16f877为核心

52、、以pwm波专用发生芯片为主体、同时运用了智能化驱动芯片ir2233的变频调速控制系统。系统软件是计算机控制系统的一个关键组成部分，软件的质量直接关系到整个控制系统的效率和性能。根据控制系统的目标需求，队控制软件进行合理的划分，再采用模块化的设计原则，确定各个模块所要完成的功能，整个控制软件完成数据的输入，显示以及pi调整功能，整个控制软件完成数据的输入，显示以及pi调整功能，整个单片机系统不但起到了控制作用而且充当简单的上下位机的作用。pi控制器可以使原系统更加稳定准确，环节p用来使系统快速的动作，但遗憾的是有余差存在；积分控制可以消除余差，但是容易使系统的控制过程产生振荡，且时间延迟很长，

53、被控变量波动幅度也很大，应用pi控制，可以很好的改善以上单独使用的不足，但是在本系统中，由于对压力的控制要求不是十分严格，所以应用pi控制就可以很好的完成控制要求。对于pi控制器的参数整定有多种方法，如临界比例度法，衰减曲线法，pid归一参数法等方法。但是在工业中最长使用的是经验法。这种方法是工人师傅几十年操作经验的积累，逐步的反复的试凑，最后得到控制器的适合参数13。4.1变频调速装置在风机上的应用风机的流量，运行压力，轴功率这三个基本参数与转速的运算公式及其复杂，同时风机类负荷随环境变化参数也随之变化。在工程中一般根据风机的运行曲线，进行大致的参数运算，通过改变风机的管网特性曲线来实现对风

54、机的风量调节；通过改变风机的转速来实现风机的风量调节。取代曾经依靠挡板改变流量的方式，达到节能效果：精确的调节速度和流量，保证工艺质量；接受计算机的模拟或数字信号，进行实时控制；动态性能好，可实现“软”启动。变频装置的特性保证了电机启动和加速时具有消除启动对电机的冲击，可以提高电机和机械的使用寿命。4.2变频调速装置的工作特点系统具有以下特点：（1）采用数字化控制，控制方法简单，人机界面友好，同时现场控制方式和联网控制方式相互补充，可以实现最佳的控制效果。（2）调制波输出频率可调范围宽，可以在1hz2khz之间任意连续调节，提高了控制的灵活性。（3）驱动芯片ir2233和sa4828专用模块具

55、有紧急停止功能，一旦故障发生，专用芯片可以跳过微处理器立即停止输出驱动信号，使得系统的安全性大大提高。变频调速系统通过连续改变变频器输出频率来实现转速的连续变化，使电动机工作在转差较小的范围。风机、泵类等设备都是采用变频调速技术来实现节能的。这是一种理想调速控制方式，即提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且因此而大大减少了设备的维护、维修费用，还降低了停产周期。直接和间接经济效益非常明显。4.3 变频调速的硬件部分以pic16f877单片机为核心的变频调速控制系统主要由高性能微处理器pic16f877及pwm波专用发生芯片sa4828和智能驱动芯片ir2233组成。图4-3-1 驱动芯片i

56、r2233连接电路图系统的主要部件和功能：（1）ir2233是ir公司生产的专为高压、高速功率igbt门极驱动而设计的功率驱动器件，是输出高压栅极智能驱动模块。其应用电路如图4-3-1所示。此电路可将直流电压+dc逆变为三相交流输出电压（u、v、w）。直流电压+dc来自三相桥式整流电路。逆变电路功率元件使用耐压值为1200v的igbt元件gph50kd2。经过光电隔离的pwm信号直接输入到ir2233中，并由它来驱动高电压、高速率的功率元件，光电隔离电路如图4-3-2所示。图4-3-2 光电隔离电路图由于六路隔离电路完全一样，所以在此仅显示了一路隔离电路，该驱动芯片内部集成了互相独立的3组半桥驱动电路，可为桥臂提供死区时间，特别适合于三相电源变换等方面的应用，芯片的输入信号与5v的cmos或lsttl电路输出信号兼容，因此可直接驱动，而且内部集成了独立的运算放大器，可通过外部桥臂电阻、取样电流构成模拟反馈输入；具有故障电流保护功能和欠电压保护功能，可关闭6个输入通道。（2）