毕业设计（论文）-提升机监控系统设计.doc

提升机监控系统的设计摘要矿井提升机是重要的矿山设备之一，它肩负着井上，井下联系的重要任务在整个矿井中占有非常重要的地位。由此可见，解决提升机行程、速度监视问题，是防止提升机严重事故的关键。但目前，国内矿山大多采用机械式装置监测提升机的提升速度和行程，但此类设备精度不高，可靠性差，维护量大，这些都与煤矿的安全形势和采矿业的发展不相适应。因此，研制高精度的矿井提升机监控系统是迫在眉睫的课题。本文从煤矿工业现场的实际情况出发，通过对矿井提升系统和矿井提升机监控系统功能的综合分析，提出了完整的设计方案。在硬件与软件的设计上均采用了模块化结构，在硬件设计上系统采用了微控制器80c51作为主处理器，由信号输入与处理模块、cpu处理模块、按键显示模块、串行通讯模块和电源模块构成；软件采用单片机汇编语言编制，由主程序和若干个子程序构成。设计中充分考虑到监控系统恶劣的使用环境，使整机性能稳定。系统对各个传感器产生的脉冲信号进行采样，由主处理器进行计算、判断，结果送入显示。当提升过程中出现超速等故障时，实现安全制动。本文设计的矿井提升机监控系统能基本满足矿山生产的需要，达到了预想的效果，今后的任务是要在此基础上对系统进行完善。关键词：提升机 状态监控 速度保护desing of monitoring system of mine hoistabstractbased on the coal industry situation， passing the comprehensive analysis to the function of the mine hoist monitoring system.it shows that route and speed monitoring is the key to preventing serious accidents. at present， however， most of the domestic moist use mechanical device to show the container position and velocity， but the accuracy of such equipment is not high， accidents because of the bad reliability occurred from time to time， all of these does not fit the development and safety requirement of the mining industry. therefore， the development of precise mine hoist monitoring system is an urgent issue.the mine hoist is one of the important mining equipments， it take the responsibility to contact the ground and the bottom of the mine. the mine hoist system has complex structure、large inertial mass、high speed， and the work condition usually converts alternately， so it is hard to control it. the mine hoist have some protection measure， so as to promotes the reliability of the machine， people have made many improvements in machine， electronics， maintenance， management， etc. but the bad environment condition including dust， water and whereabouts weights hit result in the damage of various machine spare parts and the electricity component， and the mistakes of the operation and research limitation of travel monitoring system， make the existing protection cant meet expectation， that is why the accident of the mine hoist system have occurred from time to time. once the hoist route out of control， not in accordance with a given velocity curves， it will result in over speed and over wind accident， may cause damage to the mines normal production， even make rope fell continuously and do damage to containers crashes and mechanical and electrical equipment， causing heavy casualties and equipment accidents. this has caused great economic losses to coal production.the design of the mine hoist monitoring system can meet the basic needs of mine production. this studying experience will be the basis for improving the system， add additional monitoring functions.key words：mine hoist；state monitoring；speed protection；iii目 录摘要iabstractii1 绪论11.1选题背景及意义11.2国内外发展状况21.3课题主要内容32 提升机系统介绍42.1提升机系统组成42.2提升机的构成42.2.1工作机构42.2.2制动系统42.2.3机械传动系统62.2.4润滑系统62.3提升机运行速度图72.4提升机速度保护环节83 系统硬件选型及设计93.1单片机测控系统概述及系统的总体设计93.2单片机选型103.3传感器113.4 a/d转换器的选择133.5各个硬件模块设计134软件系统设计194.1总体方案194.2软件结构19转换器数据的转化程序：255监控系统功能验证26全文总结28研究展望28参考文献29致谢311 绪论1.1选题背景及意义煤炭资源作为一种主要能源，在国民经济中起着非常重要的作用。近年来，煤炭的价格持续庵升，形成大力开采之势。与此同时，矿井事故也频繁发生，经济损失巨大，人员伤亡事故非常惨痛。煤矿安全日益成为重中之重，急待加强。矿井提升机作为采矿业的大型机电设备，是煤矿大型设备“四大件”之一，担负提升煤炭、矸石、下放材料、升降人员和设备的重要任务，素有“矿井咽喉”之称，是沟通矿井地面与井下的运输设备，在整个矿井中占有非常重要的地位，它的工作状态关系到整个矿井的安全生产，多年来发生的提升事故证明，现有的技术装备不能满足提升机安全运转的需要1。我国的交流提升机电控设备，几乎全部采用的是早期前苏联的kkx和我国自己研制的tkd系统。这些电控设备的共同特征就是采用继电器接触器电路组成的含有触点的控制方式，而且配有由磁放大器、自整角机、测速发电机等组成的速度控制环节，共同组成整个电控系统2。由于它接线繁琐，逻辑复杂，控制器件维护量大，系统故障率高，使用和维护难度大，安全可靠性差等原因，直接影响了矿山的安全生产和提升效率。提升机作为人员、设备和材料上下的运载工具，安全性对于它至关重要，最主要的就是保障人身安全，其次是保障设备安全，从而延长设备使用寿命，对于一个矿山企业来说这是保障生产的根本。因此提升机功能的强弱和性能的优劣，将直接关系到企业的产量和效益。作为一个机电控制系统来说，影响矿井提升机功能和性能的因素很多，如机械结构、控制方案等。随着机电一体化技术的发展，以微电子为基础的监控系统越来越成为机电控制系统的核心。一个先进可靠的监控系统可以提高矿井提升机的自动化程度、控制性能及安全可靠性，是矿井提升机安全高效运行的保证，也是矿山企业进一步发展的前提，且极大的提高了企业的效益。矿山企业对矿井提升机功能和性能要求的不断提高，决定了研究和改造矿井提升机监控系统的重要意义，同时也体现了本课题研究的意义。提升机的实时监测一直是提升技术的重要课题之一。当前，许多煤矿都未设置提升机的监控系统，国内外已有的监控系统大多数是对整个矿山的大型监控系统。国外研制的监控系统稳定性虽好，但价格过高，对于中小煤矿来说是难以承受的；国内研制的针对提升机的监控系统抗干扰能力差，性能不稳定，而且已开发的专家系统大部分仍工作在dos环境下，人机界面不友好，功能不完善，可扩展能力不强，系统一旦建立，修改起来具有相当的难度。当前，在以pc机为基础的测控软件中，随着计算机和微电子技术的发展，虚拟仪器很有可能成为下一代的仪器标准。因此选基于labview的矿井提升机监控系统有很好的应用前景3。基于labview的提升机监控系统，能迅速地建立一个功能强大、性能稳定的监控系统，并且工作在windows系统下，界面直观形象。开发人员只需要理解各个图标的表示功能，在程序开发中只需要用连线连接各功能模块就能完成所需要的软件功能。该系统同时支持模块化与层次化设计，搭建程序非常清晰、可读，维护起来简单方便。不仅如此，labview也有很好的开放性和扩展性，使系统功能的扩展和完善变得非常容易。当前，我国有一大批老提升设备、机组，其服役已接近或超过其寿命期，进入“损耗故障期”，故障率增多，而要全部更新，经济负担很重，根本不可能。如何确保提升设备经常处于安全可靠的运行状态，除了在设计计算时合理选择运行参数外，关键在于对其进行状态监控。对提升机运行的主要参数进行连续不断的在线监测监控，使司乘人员随时了解提升机的运行情况，并在超限时做出故障报警，供司乘人员操作时参考。如提升机过速而造成的过卷、过放现象，制动器闸瓦的磨损，制动弹簧的疲劳引起的制动器失效等。通过对提升机各主要参数的监测监控，可以使司乘人员在接到这种报警信息时做出及时处理，可以大大减少事故的发生。因此，开发一套简单适用的计算机监控系统是非常必要的。1.2国内外发展状况鉴于矿井提升机在煤矿的重要作用，国内外对矿井提升系统的工况监测主要有：提升运行状态的监测；液压制动系统的监测；钢丝绳的监测：电动机及传动部分的监测等。(1)运行状态监测主要包括：提升方向、提升高度、提升速度、提升加/减速度、相对滑动距离，根据提升高度的变化和运行时间，可以计算出提升速度，根据提升速度的变化和运行时间，可计算出加/减速度。系统需要采集的信号为开停车信号、提升高度信号及相对滑速等。(2)液压制动系统的监测：对液压系统的监测有制动盘偏摆度、空动时间、闸瓦开贴闸油压、液压站残压、闸瓦间隙和液压油温监测等。采用油压传感器、电涡流位移传感器构成制动器的监测系统，油压传感器安装在液压站的总液压回路中，电涡流位移传感器可实现空动时间和闸瓦间隙的检测。(3)钢丝绳的监测主要有：钢丝绳张力的检测，断丝检测、钢丝绳绳径的检测、钢丝绳润滑的检测。监测的主要方法采用磁监测法。(4)电动机及传动部分监测内容有：工作电压、电流监测，减速器各轴瓦温度、主轴轴瓦温度监测，电动机负荷瓦、反负荷瓦、电机定子铁芯温度监测，减速器油压、油温、油质监测，振动监测。电流和电压的测量一般采用交流电压隔离传感器。其它项主要包括电控系统的状态监测，及各种监测设备的自检，一般由传感器直接读取，或者由人工定期测量。国外研制矿井计算机监控系统始于20世纪60年代，在提升机状态监护方面水平较高，提升机大多采用双套保护装置发展，即在原有的基础上再增加一套微机监控装置。目前，随着信息数字化、控制智能化的发展，国外的提升设备监控系统的功能和自动化程度有较大提高。特别是对闸控和速度监控系统等重要保护环节，设计更加合理，有些环节设置双重保护，如过速保护，过卷保护等，这些保护措施，对提升机的运行安全都是可靠的保证。我国有一些大型矿井引进了国外的提升系统，其监控系统稳定性虽好，但由于国外公司都有技术保密制度，其核心技术(如程序等)无法掌握， 在使用，维护和零配件的供应上都受到限制4。而对于大多数的中小型的矿井来说，其系统高昂的价格也难以承受。而国内针对提升机研制的监控系统与国外相比，其抗干扰能力差，性能不稳定，而且在开发测试系统的软硬件方面需花费相当的人力和时间，并且功能不完善，可扩展能力差等等，关系到矿井的安全生产和矿工的生命安全。1.3课题主要内容本论文分六章进行论述，第一章绪论，主要论述选题背景、意义、国内外发展状况以及课题主要内容；第二章是提升机系统介绍，主要介绍提升机机构组成及工作原理；第三章和第四章是监控系统的硬件选型、监控系统的软件设计，硬件选型和软件设计是提升机监控系统的关键，系统软件设计包括信号的采集、处理等。系统需要完成模拟信号、数字信号和脉冲信号的实时采集及处理，以及对各参数的动态显示和模拟仪表显示，通过将实际运行参数与系统各参数保护设定值进行比较，作为报警和控制的依据；第五章论述提升机监控系统在实际工作中的模拟；第六章是结论，主要对监控系统工作状态的总结。下面分章节进行论述。2 提升机系统介绍2.1提升机系统组成矿井提升设备的主要组成部分是：提升容器，提升钢绳，提升机，天轮和井架以及装卸附属装置等。常用的提升容器是罐笼和箕斗5。如下图2-1所示为竖井单绳罐笼提升设备示意图。重矿车在井底车场或中间中段车场被推入下方罐笼的同时，空矿车便正向井口车场被推入另一罐笼。两条钢绳2的一端分别与井口和井底罐笼相连，另一端分别绕过天轮3引至提升机房，固定并以相反的方向缠绕在提升机1的卷筒上。提升机运行时，这两个罐笼就沿着井筒做上下运动，以完成提升重矿车和下放空矿车的任务。1、提升机 2、提升钢绳 3、天轮 4、井架 5、罐笼图2-1 竖井单缆罐笼提升设备示意图2.2提升机的构成2.2.1工作机构主要是指主轴装置和主轴承等。主轴装置由主轴、卷筒、滚动轴承、支轮、制动轮、调绳离合器等组成6。2.2.2制动系统液压制动系统装置包括制动器和液压传动装置，是提升机不可缺少的重要组成部分之一，是提升机最为关键也是最后一道安全保障装置，制动装置的可靠性直接关系到提升机的安全运行7。提升机制动器的功能就是刹住提升机卷筒，使提升机停止转动，图2-2是制动系统简图。根据提升机的具体作业情况，制动装置的主要功能如下8：(1)当提升机停车时，可靠地闸住提升机，保证任何情况下均不能够转动：(2)当提升机减速或重载下放时，参与提升机速度控制，使提升机的运行状态不偏离预定要求，称为工作制动；(3)当发生突然性事故或意外情况时，迅速且合乎安全要求地闸住提升机，避免事故的恶性扩大和发展，为安全制动；(4)双滚筒提升机在更换水平、调节钢丝绳长度时，能够闸住提升机的游动滚筒并松开固定滚筒。液压传动装置的作用是作为制动力的能源，控制制动器的动作。即：根据运行需要，分别实现工作制动和安全制动。其功能为：(1)作制动和安全制动时，制动力矩不得小于提升或下放载荷时最大力矩的3倍；(2)当游动卷筒与主轴脱开时，制动系统作用在一个卷筒上的制动力矩应大于或等于空容器和钢丝绳重量之和在一个卷筒上所造成的静力矩的l.2倍；(3)制动系统下放重物时的安全制动的减速度不小于1.5米/秒2，提升重物时减速度不得大于5米/秒；工作制动与安全制动不应同时重合，以免产生过大的制动力矩；安全制动时，制动器空行程时间不得大于0.5秒；对于多绳磨擦式提升机，安全制动时的减速度不应使钢丝绳在主导轮磨擦衬垫上产生滑动。提升机运行制动过程中经常会出现一些制动失效等故障，经分析总结存在原因有：制动器闸瓦间隙过大或过小，过大造成制动力不足、制动时间过长、过小造成闸瓦磨损；闸盘温度过高，影响制动盘摩擦系数，从而影响制动力；制动器偏摆过大，致使闸瓦间隙过大或过小，严重影响制动效果；制动油压异常，油压过高易造成制动时间过长，残压过高易造成开闸延迟；回油路堵塞造成制动失灵。 制动瓦片滚筒图2-2 制动系统简图2.2.3机械传动系统机械传动系统，机械传动系统包括减速器和联轴器9，如图2-3所示。减速器的作用是减速和传递动力，联轴器是用来联接提升机的旋转部分，并传递动力。 减速器图2-3 机械传动系统简图2.2.4润滑系统润滑系统是在提升运行过程中，不间断地向轴承及啮合齿面压送润滑油，以保证轴承和齿轮的正常工作，图2-4是矿井提升机润滑系统结构框图。润滑系统必须与自动保护和电动机联锁，即润滑系统失灵时，主电动机断电，确保机器的正常工作。主电动机自动保护润滑系统齿轮轴承图2-4 润滑系统结构框图2.2.5观测和操纵系统观测和操纵系统包括斜面操纵台，深度指示器以及测速发电机装置10，如下图2-5所示。深度指示器的作用是：显示提升容器的运行位置；容器接近井口卸载位置和井底停车场时，发出减速信号；当提升机超速和过卷时，进行限速和过卷保护。 测速发电机深度指示器显示提升容器的运行位置进行限速和过卷保护发出减速信号图2-5 观测和操纵系统结构框图2.2.6拖动控制和自动保护系统拖动控制和自动保护系统包括主拖动电动机和微拖动电动机、电气控制系统和自动保护系统11。如图2-6，矿井提升机自动保护系统的作用是：在司机不参与的情况下，发生故障时能自动将主电动机断开并同时进行安全制动而实现对系统的保护。自动保护系统一般是由plc来控制，是提升机的第一道重要的安全保护装置。plc制动系统主电动机图2-6自动保护系统简图2.3提升机运行速度图以非对称五阶段速度图为例，其曲线图如图2-2所示：t1为加速时间，t2为匀速时间，t3为减速时间，t4为爬行时间，t5为制动停车时间。根据最新煤矿安全规程第424条和426条规定，立井中用罐笼升降人员时的加速度和减速度不得超过0.75m/s2，最大速度不得超过的0.5 (h为提升高度)，且不得超过12m/s；立井升降物料时，提升容器的最大速度不得超过0.6 (h为提升高度)。斜井提升容器的最大速度和最大加、减速度应符合下列要求：升降人员时的速度，不得超过6m/s，并不得超过人车设计的最大允许速度。升降人员时的加速度和减速度，不得超过0.5m/s2。用矿车升降物料时，速度不得超过5m/s。用箕斗升降物料时，速度不得超过7m/s；当铺设固定道床并采用大于或等于38kg/m钢轨时，速度不得超过9m/s12。为了保证提升机能够准确及平稳停车，对减速段的速度有所限制，v4=0.3-0.5米/秒。在爬行阶段，为了减轻提升机对井架的冲击以及有利于准确停车，一般速度为0.4米/秒-0.5米/秒。制动阶段的时间5t1秒12。图2-7 非对称五阶段速度图2.4提升机速度保护环节2.4.1等速阶段超速报警保护煤矿安全规程规定提升系统必须装设防过速装置：当提升速度超过最大速度15%时，必须能自动断电，并能使保险闸发生作用13。2.4.2减速阶段限速保护当提升机进入到减速段后，其速度按如下函数规律变化： (2-1)式中为提升机的额定速度；为减速行程；为减速阶段任一点的给定即时速度。若提升机的即时速度超过给定的速度，即10%时，减速段报警，煤矿安全规程规定提升装置必须装设减速功能保护装置：当提升容器(或平衡锤)到达设计减速位置时，能示警并开始减速13。2.4.3爬行阶段限速保护提升装置必须装设限速装置：提升速度超过3m/s的提升绞车必须装设限速装置，以保证提升容器(或平衡锤)到达终端位置时的速度不超过2m/s13。2.4.4过卷保护过卷保护是矿井提升机所有保护中的最后一道安全保护。提升装置必须装设防过卷装置：当提升容器超过正常终端停止位置(或出车平台)0.5m时，必须能自动断电，并能使保险闸发生制动作用13。3 系统硬件选型及设计在工业控制中，单片机以其体积小、指令丰富、控制技术成熟、修改方便、开发周期短、适应性强等优点得到广泛的应用14。硬件和软件设计是单片机系统的两个重要方面，本章主要论述该系统的硬件电路设计，本系统在硬件电路设计时主要从以下原则出发。 硬件电路设计与软件设计相结合以优化硬件电路。一些由硬件实现的功能可用软件来实现，反过来一些由软件实现的功能也可用硬件来完成。用软件来实现硬件的功能时，其响应时间比用硬件实现长，还要占用cpu时间。但是用软件实现硬件的功能可以简化硬件结构，提高硬件电路的可靠性，还可降低成本，因此在本系统的设计过程中，在满足可行性和实时性的前提下尽可能地将硬件功能用软件来实现。可靠性及抗干扰设计。根据可靠性设计理论，系统所用芯片数量越少，系统的平均无故障时间越长，而且所用芯片数量越少，地址数据总线在电路板上受干扰的可能性就越小。因此单片机应用系统的设计思想是在满足系统基本功能的情况下力争使用较少数量的芯片。灵活的功能扩展。通常情况下，一次设计往往不能完全考虑到系统的各个方面，系统需要不断完善，需要进行功能升级。功能扩展时系统应该在原有设计不需要很大改变的情况下，修改软件和少量硬件甚至不修改硬件就能完成，功能扩展是否灵活是衡量一个系统优劣的重要指标。3.1单片机测控系统概述及系统的总体设计测控包含“测”与“控”两个过程，所谓测就是实时采集被控对象的物理量，诸如温度、压力、流量、速度和转速等。这些量通常都是模拟量，即连续变化的物理量。这里的连续具有双重意义：第一是时间意义上的连续，二是数值意义上的连续，即量值本身连续变化。模拟量不能直接送给单片机，必须通过模数转换把它们转换成数字信号，才能送给单片机处理。所谓“控”就是把采集的数据经单片机计算、比较等处理后得出结论，以对被控对象实施校正控制。但经单片机处理后得到的是数字量结果，而绝大多数控制执行部件所需的事模拟量。因此，又需要通过数模转换将数字量转为模拟量15。被测参数位移传感器信号调理单片机 计算机 速度传感器温度传感器压力传感器显示位移显示速度显示温度显示压力图3-1 监控系统硬件构成图3.2单片机选型3.2.1单片机简介单片机是集成在一个芯片上的计算机，它是计算机技术、大规模集成电路技术和控制技术的综合产物。经过30多年的发展历史，单片机应用已经十分广泛和深入，所以可以豪不夸张地说，任何设备和产品的自动化、数字化和智能化都离不开单片机。现在，凡是电脑控制的设备和产品，必有单片机嵌入其中。这一切表明，单片机已成为人类生活中不可或缺的助手。早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是intel的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了mcs51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的windows和linux操作系统16。3.2.2单片机的特点(1）单片机集成度高。单片机包括cpu、4kb容量的rom（8031 无）、128 b容量的ram、 2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口。 (2）系统结构简单，使用方便，实现模块化； (3）单片机可靠性高，可工作到-小时无故障； (4）处理功能强，速度快17。3.2.3本系统所采用的单片机型号根据提升机工作环境、实现功能的要求以及性价比等方面考虑，拟采用8051系列单片机，如下图3-2所示，该单片机有256个ram单元以及4kb掩膜rom。图3-2 80c51单片机基本复位电路3.3传感器3.3.1 传感器简介传感器的主要功能是采集信号，也兼有信号转换功能，即把采集到的非电信号转换为电信号（电压或电流），以便后续处理。3.3.2 传感器的静特性传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。 3.3.3传感器动态特性所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。3.3.4传感器的分辨率分辨率是指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨率时，其输出才会发生变化。 通常传感器在满量程范围内各点的分辨率并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨率的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。分辨率与传感器的稳定性有负相相关性18。3.3.5传感器的型号选择传感器的选择是实现高精度检测的关键，所以系统中必须选用灵敏度高及满度分辨率高、非线性误差和温漂系数小、受力稳定的高精度传感器19。温度传感器的型号是ds18b20，ds18b20是美国达拉斯公司的单线数字温度传感器芯片，与传统的热敏电阻不同，dsl8b20可直接将被测温度转换为串行数字信号，供单片机处理。通过编程，dsl8b20可以实现912位的温度读数，并可分别在93.75 ms和750 ms内完成9位和12位的数字量。其测温范围-55+125，最大分辨率为0.062 5，在-10+85范围内其测温准确度为0.5。ds18b20具有体积小、功耗低、抗干扰能力强、易与微处理器连结等特点，而且它无需任何外围硬件即可方便地进行温度测量，与单片机交换信息仅需要一根i/o口线，其读写及温度转换的功率也可来源于数据总线，而无需额外电源。在dsl8b20完成温度变换之后，温度值与储存在th和tl内的告警触发值进行比较，如果温度测量的结果高于th或低于tl，那么器件内告警标志将置位，每次温度测量都会更新此标志。只要告警标志置位，dsl8b20就将响应告警20。压力传感器的型号是zcl-yb型悬臂梁应变电桥传感器21-24。速度和位移传感器采用霍尔传感器。霍尔转速传感器是利用霍尔效应原理工作的：一个金属或半导体薄片置于磁场中，磁场垂直于薄片，当薄片通以电流时，在薄片的两侧面上就会产生一个微量的霍尔电压，如果改变磁场的强度，霍尔电压的大小亦随之改变，当磁场消失时，霍尔电压变为零。霍尔效应式转速传感器输出的信号是矩形脉冲信号，很适合于数字控制系统，抗干扰能力强。传感器输出电压信号稳定，只要存在磁场，霍尔元件总是产生相同的电压，并且输出信号电压的大小与转速无关，能够获得较高的检测准确度。3.4 a/d转换器的选择由于单片机只能处理数字信号，但是有些传感器采集到的是模拟信号，这就需要a/d转换器将传感器采集到的模拟信号转换成数字信号，以使得单片机能够对传感器采集到的数据经行处理。本系统采用的a/d转换芯片为adc0809。3.5各个硬件模块设计3.5.1cpu处理模块此监控系统cpu采用80c51单片机，并且采用40引脚双列直插式dip封装形式，各个i/o口分配如下：p0口led显示；p2.0-p2.1位移和速度传感器输入；p2.2温度传感器输入；p2.3作为压力传感器的输入；p3.0-p3.1用于串行通信；p3.2外部中断申请。3.5.2信号采集和处理模块信号的采集与处理电路位于系统的最前端，主要用于把传感器采集到的信号经过处理，送进cpu进行处理。我们要采集的主要信号包括：提升机位置、速度、油压和油温等。图3-2、图3-3、图3-4分别给出了被测量信号采集的电路接线图。图3-2 温度传感器与单片机连接电路图图3-3 速度位移传感器连接电路图pic12c508是microchip公司生产的8位otp单片机，仅有8个引脚，指令集仅33条单字节指令，易学易用，直接/间接/相对3种寻址方式。它是pic基本级单片机之一，特点是低功耗、多功能、高性能、体积小和售价低廉，已大量应用于汽车电子和航空仪表中。在系统电路中，将12c508的2、3脚定义为输入引脚，分别接速度传感器的两相脉冲信号，将6、7脚定义为输出引脚，与80c51的p2.1，p2.0相连。3.5.3串行通讯模块串行通信是cpu与外界进行信息交换的一种方式25。单片机内部有一个全双工串行接口。串行通信包括异步传送方式和同步传送方式26。由于异步通信按既定的字符格式和波特率传送数据，所以要求的硬件简单，实现方便。本设计采用的就是异步串行通信方式27。由于单片机输入、输出电平是ttl电平，而pc机配置的是rs232标准串行接口，二者的电气规范不一致，因此要完成单片机与pc机的数据通讯，必须对单片机输出的ttl电平进行电平转换28。以前常用的ttl与rs232电平转换芯片为mc1488和mc148929。mc1488将ttl电平转换为rs-232电平，其供电电压为12vmc1489则把rs-232标准电平转换为ttl，供电电压为+5v，因此电路中除系统的+5v电源外，另需12v电源。这对于不具备12v电源的单片机系统很麻烦，因此本电路用一种标准的rs-232芯片max232。max232是maxi公司生产的芯片，使用单一电源电压vcc，该芯片与单片机的接口电路非常简单，只需外接5个0.1f的电容，即可实现ttl与rs-232两种电平的转换30。图3-4 单片机与计算机串口通讯电路3.5.4电源模块电源是系统必不可缺的重要组成部分，其性能优劣直接关系到系统的技术指标和能否安全可靠的工作，系统电源需要5v、12v两种，如80c51的工作电压为5v，传感器、继电器需要12v直流电源。电源要求效率高，稳定性好，抗干扰能力强。由于cpu对5v电源要求较高，一方面要使输出的电压恒定，另一方面还要考虑系统的抗干扰能力，故采用集成脉冲宽度调制开关稳压电路和相关的抗干扰电路来实现39。原理图如图3-3所示：图3-5 +5伏电源电路原理图电源的核心器件lm26745.0是一个脉宽调制型开关稳压器件，具有效率高、外围器件少、应用简单、输出电压可调、误差小、输出电流大、转换速度快、保护功能强等特点特别适合小型开关电源。lm26745.0内部由控制电路、开关管、lc滤波电路和取样电路组成。控制电路包括比较放大器、比较器、基准电压和三角波电压发生器组成。采用ptc热敏电阻器r1来进行限流保护。ptc热敏电阻器主要用于系统的过流过热保护，直接串联在负载电路中，在线路出现异常状况时，能够自动限制过电流或阻断电流，当故障排除后又恢复原态。它的原理：将ptc热敏电阻器r1串联在电源回落中，当电路处于正常状态时，流过r1的电流小于额定电流，r1处于常态，阻值很小，不会影响系统的正常工作，当电路电流大大超过额定电流时，r1陡然发热，阻值骤增至高阻态，从而限制或阻断电流，保护电路不受损坏。电流回复正常后，r1亦自动回复至低阻态，电路恢复正常工作。图中的电容c1、c2，在正常工作时起到滤波的作用，而电源也在不断地为其充电，当电源突然掉电时，电容可以继续为芯片供电，以保证程序能够再执行一次。+12v电源主要给传感器、继电器供电，由于不像+5v电源高，所以采用集成稳压器mc7812ctd，它是低电流正电压稳压器，适合于需要100ma电流的场合，5%的误差，固定输出电压为+12v，成本低，以上是选用它的主要原因。此外，它还具有内部拥有短路电流限制和热过敏保护、适应的温度范围大等优点。3.5.5显示模块图3-6 led显示电路连线图(1) 下位机显示模块采用led晶体管显示，这是使现场工作人员获得提升机系统参数的方法其具体电路如图3-7所示。(2)上位机虚拟元件显示模块所谓虚拟仪器(vlrtua lnistrument，简称vi)，就是用户在通用计算机平台上，根据需求定义和设计仪器的测试功能，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台他自己设计的测试仪器一样。虚拟仪器概念的出现，打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的工作模式，使得用户可以根据自己的需求，设计自己的仪器系统，在测试系统和仪器设计中尽量用软件代替硬件，充分利用计算机技术来实现和扩展传统测试系统与仪器的功能。它具有传统仪器所具备的信号采集、信号分析、信号输出的功能，其基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口和(或)测控仪器。“软件就是仪器”是虚拟仪器概念最简单，也是本质的表述。影响最大的虚拟仪器编程语言是美国ni公司的labviwe和labwindows/cvi。lbaviwe是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言g(语一言)，使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，使用图标表示功能模块，使用图标之间的连线表示各模块间的数据传递。同时，labviwe继承了高级编程语言的结构化和模块化编程的优点，支持模块化与层次化设计，这种结构的设计增强了程序的可读性。图3-7 上位机显示面板4软件系统设计4.1总体方案软件设计是矿井提升机监控系统的另一个重要组成部分，是控制策略和方法应用的载体，系统运行和性能的优劣主要取决于软件设计的应用。矿井提升机监控器的软件部分主要包括下位机程序和上位机程序。4.1.1系统软件模块划分根据系统任务分析，程序分为程序初始化、中断处理、参数设置、显示、等模块。显示模块：完成速度、行程、温度及压力有关信号的显示；键盘输入模块。4.1.2汇编语言的选择现在单片机的编程语言主要有三种：汇编语言、c语言和plm语言，其中c语言和plm语言都使属于高级语言，它们的优点是本身具有丰富的库函数和数据类型封装，程序编制起来比较简单，可读性强，缺点是程序生成机器代码的效率低。汇编语言的特点则与它们相反。本系统对机器代码的效率有较高的要求，故选用51汇编语言进行软件程序的编制。键盘模块程序设计。4.2软件结构4.2.1主程序软件主程序实现系统的主工作流程。开机以后首先进行初始化，然后程序进入主循环，周期性的对外部输入信号进行采集，经运算处理后结果送显示，判断是否有故障发生，同时负责管理和调用各个子程序。主程序的流程如下所示：开始初始化数据采集数据处理显示 图4-1 下位机主程序流程图 ny开始初始化数据通信数据处理是否出现故障？报警停止设定参数图4-2 上位机主程序流程图在下位机主程序中数据处理主要完成对提升速度、行程的计算及其他数据处理，并将监控数据以led显示器经行动态显示。提升速度及行程根据输入脉冲数来计算，计算公式如下：（1）行程计算电机轴每转一周，提升容器的行程为，式中i减速箱变比；d滚筒直径；每个脉冲表示的行程式中p电机轴圆周上分布的磁钢个数；提升容器在一个采样周期的行程，式中m在采样周期内读取的脉冲数；（2）速度计算根据单片机在规定的采用时间t内读取的脉冲数m可以很方便的求出提升容器的运行速度。式中t采样周期；（3）提升方向的判定在监控系统中，为判别提升方向，本系统采用电机轴或者滚筒轴安装增量式旋转编码器，旋转编码器输出的两路脉冲出现的时间先后不同。电机轴顺时针方向旋转时，a脉冲先于b脉冲出现；反之，电机轴逆时针方向旋转，b脉冲先于a脉冲出现。利用这一时间上的差异，就可实现提升方向的判别。（4）其他数据处理，防止温度和压力过高。4.2.2显示模块（1）下位机动态显示模块在本系统的设计中，显示部分主要完成对不断循环检测到的行程值、速度值的显示和提升状态显示，作为实现上述功能的基本程序就是这个显示子程序，led显示器采用静态显示，显示子程序流程如下图所示： 开始查表将数据送入缓冲区指针加1读完了吗？开显示返回ny图4-3 下位机显示程序框图（2）上位机虚拟元件显示模块上位机主要实现对监控系统的指挥和控制，参数的设定和提升机工作状态的监视，应依照有良好的人机画面，简单的操作方法设计。 ynyn开始接受数据是否串行通信？显示数据？温度显示压力显示位移显示速度显示 返回等待图4-4 上位机显示程序框图串行通信程序：org 0023hajmp bcintorg 8030hmov tmod,#20hmov thod,#20h ;设置定时器t1为工作方式2mov th1,#0f3h ;定时器t1技术初值mov tl1,#0f3h ;计数值重装setb ea;中断总允许clr es;禁止串行中断mov pcon,#00h;波特率不增倍setb tr1;启动定时mov scon,#50h;设置串行口方式1，ren=1mov dbtr,#5000h;数据存放首地址mov r7，#20h;接受数据个数sin1:jnb r1，$;等待clr r1;清接受中断标志mov a,sbuf;接收数据首地址高位movx dptr,a;村存首地址高位inc dptrsin2：jnb ri,$clr rimov a,sbuf;接收数据需首地址低位movx dptr,a;存首地址低位inc dptrsin3:jnb ri,$clr rimov a,sbuf;接收数据区末地址高位movx dptr,a;存末地址高位inc dptrsin4:jnb ri,$clr rimov a,sbuf;接收数据区末地址低位movx dptr,a;存末地址低位inc dptrsetb es;开放串行中断bhalt:ajmp $;等待中断转换器数据的转化程序：org 0000hmov r0，#20h；数据区首址mov dptr，#0fff8hmovx dptr，a ；启动a/d转换loop：jb p3.0，loop；转换是否结束，未结束，等待movx a，dptr ；读高8位数据mov r0，a；存高8位数据inc r0inc dptrmovx a，dptr；读低4位数据anl a，#ofh ；屏蔽高4位mov r0，a ；存低4位数据end5监控系统功能验证在初步完成系统硬件部分和软件部分的设计后，对系统经行模拟仿真以及进行相应的功能测试，并对关键技术指标进行测试，以验证硬件结构的合理性和软件是否功能达到设计要求，由于矿山现场生产环境恶劣，安装调试困难，所以我们在实验室环境下经行模拟，已达到提升机现场工作的各种工况，来完成监控系统在实验室的初步调试。根据硬件设计方案，进行线路连接，并且编入程序，已达到对系统硬件及软件系统的测试。根据提升机正常工作情况，选定信号发生器，模拟提