（安全技术及工程专业论文）煤炭自燃模拟试验监测系统的研究.pdf

煤炭自燃模拟试验监测系统的研究 a b s t r a c t a i m e da tt h es o l u t i o n o ft h e e x i s t i n gp r o b l e m i nt h em o n i t o rs y s t e mo fs i m u l a t e d s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o no fc o a l ，t h et h e s i sa d o p t sa d v a n c e dt e c h n o l o g yo fs e n s o r , d e t e c t i o na n d m i c r o c o m p u t e ra n dd e s i g n san e wm o n i t o rs y s t e m ，w h i c hc a nb eu s e dt oc o l l e c tt h ep a r a m e t e r s o f t h ee x p e r i m e n to fs i m u l a t e ds p o n t a n e o u sc o m b u s t i o no f c o a l ， t h ea u t o m a t i cc o l l e c t i o n ，a n a l y s i sa n dp r o c e s so fe a c hp a r a m e t e ri sr e a l i z e di nt h es y s t e m ， a n dd u r i n gt h es a m et i m e ，t h ec o l l e c t e dd a t ac a l lb ed i s p l a y e d i th a sa v o i d e dt h ee r r o ro f m a n - m a d eo nr e a d i n g ，c a l c u l a t i n ga n dm e m o r i z i n g ，h a sl i g h t e ne x p e r i m e n tp e r s o n n e l sl a b o r s i n t e n s i t y , a n dh a si m p r o v e de f f i c i e n c ya n dd e p e n d a b i l i t yo f g a t h e r i n gd a t a d u r i n gt h ed e s i g n ，i no r d e rt or e d u c et h ei n f l u e n c eo fi n t e r f e r e n c e ，am e t h o do fe l i m i n a t i n g e x t r e m e rd i g i t a lf i l t e ri sa d o p t e d i tm a k e st h ed a t ac l o s e rt oa c t u a lv a l u e t h es y s t e mh a sf r i e n d l yi n t e r f a c e s ，c o n v e n i e n to p e r a t i o n ，a n ds t e a d yr e l i a b l em e a s u r e m e n t c h a r a c t e r i s t i c s i tc a nb ea p p l i e di nt h es i m i l a re x p e r i m e n t ，a n dh a sh i g h e ru s i n gv a l u e k e y w o r d s ：m o n i t o r i n gs y s t e m ，o n e c h i pc o m p u t e r , s e n s o r , d a t ag a t h e r i i y7 7 6 7 5 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得一塞丝堡王：盍堂 或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 多t 羞k 签字日期：沙哆年了月西日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徽理王盔堂有保留、使用学 位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞微堡里 太生可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索、可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保 密的学位沦文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：乡d 巍 导师签名： 伽蝴 签字日期：艿年j 月话日签字臼期：乃哳广月妇 煤炭自燃模拟试验监测系统的研究 1 1 选题目的及意义 1 绪论 煤炭自燃火灾一直是我国煤矿的重大灾害之一，在我国的现有煤矿中，国有 重点煤矿5 4 9 的矿井有自燃发火的危险。地方国有煤矿年产3 万吨以上的矿井 中2 9 1 有自然发火的危险。煤矿的自燃火灾占火灾总数的9 0 以上，给国家和 矿井带来了极大的危害及经济损失，其中有些自燃火灾区长期无法扑灭，大量 煤炭资源被冻结，昂贵的生产设备毁于火灾之中，严重干扰了矿井的正常生产 次序，还浪费了大量的人力、物力和财力，甚至造成人员伤亡，同时还给人类 赖以生存的大气环境造成严重污染”“。 因此，煤炭自然发火能够得到控制是防止煤炭自燃火灾的基本措施之一。 长期以来人们在不停地探索煤炭自燃的原因、过程、条件以及影响因素，试图 防止和控制煤炭的自燃，减少煤自燃引发的各种灾害：很早以前就有许多人进 行煤炭自然发火的实验研究，随着科学技术的发展，自然发火实验装置的监测 系统也日新月异。特别是随着计算机技术的迅猛发展，以单片机为主的嵌入式 系统已广泛应用于自然发火实验装置的监测系统，形成了智能化的测量控制系 统，但大多自然发火实验装置的监测系统都只是乖j 用一些简单的仪表对温度这 一重要的物理参数进行测量，不能完善地对煤炭自燃环境的各参数进行监控。 为了研究煤炭自燃的形成机理及其分布规律，必须忠实地反映煤炭自燃的物理 化学变化过程m 3 根据以往的研究得知煤的外在和内在水分以及空气中的水蒸汽对煤炭的低 温氧化起一定的影响，既有加速氧化的一面，也有阻滞氧化的因素。煤炭在自 燃的过程中，只有其水分降低到定值后，氧化速度才会加快，煤温才会急剧 升高；而在煤炭氧化过程中，风量起两方面的作用：一是向煤提供氧化所必须 的氧气，促进氧化发展；二是带走氧化生成的热量，降低煤温，抑制氧化的过 程发展。但这些物理和化学变化随外部条件的不同，其变化过程就有可能不一 样，以致结果有较大的差别。所以在模拟煤炭自然发火实验中，多参数的监控 就有一定的必要性。 煤炭自燃模拟实验多参数监控系统的研制不仅可以大大减轻实验人员的劳 动强度和工作量，也可促进矿山安全技术的发展，达到推进矿山技术进步、改 变矿山安全落后面貌、加快矿业发展的目的。它可通过对煤炭进行多点巡测， 全面监控多点温度、湿度等参数。对温度、湿度等参数的最高值、最低值以及 有自燃趋势的位置能一目了然，因此对温度、湿度各参数有总体上的了解，实 现实时监控的目的。本课题就是在解决此问题的基础上，对现有的煤炭自燃实 验装置的监控系统进行改进，使其具有多功能性，同时对煤炭自燃实验中的温 煤炭自燃模拟试验监测系统的研究 度、湿度、风速、压差、大气压力等参数进行监测监控。利用计算机的友好人 机界面，实现对煤炭自燃模拟实验各参数的自动控制，从软件、硬件方面改进 原有监控仪器的不稳定性、易干扰性，充分发挥单片机对数据处理的“智能化” 和计算机的监控能力。使煤炭自燃模拟实验更能真实的反映现场的煤炭自然发 火。由于系统增加了对湿度、风速、压差、大气压力等物理量的监测，解决了 目前煤炭实验监测系统测定参数的单一性，使得整个系统操作简单，性能可靠， 具有较强的实用性和理论意义。本课题主要针对煤炭自燃模拟实验多参数的监 控，通过对煤炭自燃实验过程中的温度、湿度、风量、大气压力等参数的实时 检测，根据煤炭自燃的理论、知识和已掌握的自燃发生规律，寻找一种煤炭温 度积聚升高的趋势，从而研制各参数对煤炭自燃的影响，使煤炭自燃得到控制， 减少巨大的经济损失和重大人员伤亡，所以该课题的研究具有非常好的应用前 景。 1 2 智能仪器的国内外研究现状 自燃发火模拟实验装置监测系统的主要组成部分是p c 机和智能化多参数 监控仪，智能化监控仪的先进性取决了检测系统的先进性。近几年的煤炭自然 发火实验装置的监测系统主要有两类内容，一是温度监测，二是气体成分监测。 针对温度监测，国内外大多自然发火实验一般只是采用传统的温度监控仪。这 种测量需要人工进行读数、劳动强度大、工作时问长、效率低、结果的精度和 可靠性也较低，而且实时性差，对于测试过程中的错误不易及时纠正。 传统的机械式温度监控仪在工矿企业中已经有上百年的历史。一般均具有 指示温度的功能，由于测温原理的不同，不同的仪表在报警、记录、控制变送、 远传等方面的性能差别很大。例如热电偶温度计，它的测温范围是2 0 0 6 5 0 ，测量准确，可用于低温或温差测量，能够指示报警、远传、控制变送，但 维护工作量大并且不能记录；光学温度计测温范围是3 0 0 3 2 0 0 ，携带使用 方便，价格便宜，但是它只能目测，也就是说必须熟练才能测准，而且不能报 警、远传、控制变送。目前采用的便携式温度测量仪携带方便，适用性好。但 它不能连续检测，若布置温度传感器多，费时费力。在煤炭自燃实验中，需要 测量温度的点较多，并要连续观钡9 温度变化，所以采用便携式测温仪将带来较 大的工作量。 近年来由于微电子学的进步以及计算机应用的日益广泛，智能化测量控制 仪表已经取得了巨大的进展。与传统的电子仪器相比较，智能仪表具有以下几 个主要特点”3 ： ( 1 ) 智能仪表使用键盘代替传统仪器中的旋转式或琴键式切换开关来实现对 仪器的控制。 ( 2 ) 微处理器的应用极大地提高了仪表的内部性能，可以利用处理器的运算 煤炭自燃横拟试验监测系统的研究 和逻辑处理能力，消除由于漂移、增益的变化和干扰等因素引起的误差，从而 提高了仪表的测量精度，而且可以进行复杂的数据处理。 ( 3 ) 智能仪表运用微处理器的功能，方便地实现自动切换、自动调零、自动 校准等功能，有力地改善了仪表的自动化测量水平。 ( 4 ) 智能仪表使使用人员只需通过键盘输入命令控制仪表的运行，通过显示 屏了解仪表的工作状态。 f 5 1 智能仪器一般都配置r s 2 3 2 c 或g p i b 接口，使智能仪器具有可程控操 作功能，从而可以方便地与计算机和其它仪器一起，组成用户所需要的自动测 量系统，来完成更复杂的测试任务。 7 0 年代以来，在新技术革命的推动下，尤其是微电子技术和微型计算机技 术的快速进步，使电子仪器的整体水平发生很大变化，先后出现独立式智能仪 器、g p i b 自动测试系统、插卡式智能仪器( 个人仪器) ，在此基础上，1 9 8 7 年 又问世了一种被称为2 1 世纪仪器的v x i 总线仪器系统，以及后来的p x i 总线 仪器系统。v x i 和p x i 系统集中了智能仪器、g p i b 总线、个人仪器的很多特 长，是一种完全开放的模块总线仪器系统，被公认为当前仪器发展的潮流。 随着仪器与系统硬件的不断完善以及新的仪器设计思想的发展，软件的重 要性越来越突出。最近几年来，在测试领域方面，软件占主体的虚拟仪器已经 占据了重要的地位，总观智能仪器的发展，可分为以下三个阶段： ( 1 ) 独立式智能仪器及自动测试系统 独立式智能仪器，也就是日常所说的智能仪器，自身带有微处理器，能独 立进行测试。智能仪器是现阶段智能化电子仪器的主体。 独立式智能仪器在结构上自成一体，因而使用灵活方便，并且仪器的技术 性能可以做的很高。这类仪器在技术上已经比较成熟，同时借助新技术、新器 件和新工艺的不断进步，这类仪器还在不断发展，不断地推陈出新。目前，不 仅大多数传统的电予仪器已有相应换代的智能仪器产品，而且还出现了不少全 新的仪器类型和测试系统，使现代电子测量与仪器发生了根本性的变化。 智能仪器都配置r s 2 3 2 c 或g p i b 通信接口。g p 。i b 是国际电工协会( i e c ) 1 9 7 8 年正式推荐的一种仪器标准接口总线，已被世界各国广泛采用。 从计算机系统结构的角度来看，由智能仪器组成的自动测试系统是一个分 布式多微机系统，系统内的智能仪器在任务级并行工作，它们各自具备完备 的硬件和软件，因而能相对独立的工作，相互间也可通讯，它们之间通过外部 总线松散耦合。 一个自动测试系统由计算机、多台可程控仪器以及r s 2 3 2 ( g p i b ) 三者组 成，计算机作为系统的控制者，通过执行测试软件，实现对测量整个过程的控 制和处理；各可程控仪器设备是测试系统的执行单元，具体完成采集，测量， 处理等任务；r s 2 3 2 ( g p - i b ) 由计算机及各程控仪器标准接口和标准总线两部 煤炭自燃模拟试验监捌系统的研究 分组成，它如同一个多功能的神经网络，把各种仪器设备有机的联结起来，完 成系统内的各种信息的变换和传输任务。 自动测试系统具有极强的通用性和多功能性，对于不同的测试任务，只需 增减或更换挂在它上面的仪器设备，编制相应的测试软件，而系统本身不变， 这种自动测试系统特别适用于要求测量时间极短而数据处理量极大的测试任务 中，以及测试现场对操作人员有害，或操作人员参与操作会产生人为误差的测 试场合。 ( 2 ) 个人仪器系统及v x i 、p x i 总线仪器系统 个人仪器是在智能仪器的基础上，伴随着个人计算机登上电子测试舞台而 创造出来的一种崭新的仪器品种，它是将原智能仪器中的测量部分配以相应的 接口电路制成的各种仪器卡，插入到p c 机的总线插槽或扩展箱内，而原智能仪 器所需的键盘、显示器以及存储器等均借助于p c 机的资源，就构成了个人仪器 ( p c 仪器) 。 个人仪器系统则是由不同功能的仪器卡，插槽箱和一台p c 机有机结合而构 成的自动测试系统。由于个人仪器和个人仪器系统充分地利用p c 机的软硬件资 源，因而相对传统智能仪器和由智能仪器构成韵g p - i b 总线仪器系统来说，极 大地降低了成本，大幅度地缩短了研制周期，显示了广阔的发展前景。 早期的个人仪器及系统存在两方面的缺陷。一个是个人仪器及系统是利用 p c 机的内部总线，因而仪器卡在p c 机内受到了严重的干扰。各仪器卡之间也 不能同步触发，无法传递模拟信号。为了克服这些方面的缺点，许多仪器厂家 生产专门的扩展仪器卡箱，并定义仪器总线，除此之外，早期的个人仪器强调 硬件最少，通常不含微处理器，而将各仪器的控制和处理工作统一由p c 来处理， 使得个人仪器系统的工作速度不高。随着功能强，价格低，集成度高的单片微 型机的出现，各厂家普遍将微处理器装入仪器插卡，构成多微机分白式结构， 这样不仅可以提高仪器系统的工作速度，还简化了系统的组建和测试软件的丌 发。这种高级的个人系统吸取了g p i b 仪器系统灵活的模块化结构的优点，同 时由于共享p c 机的外设和软件资源，仍能保持个人仪器系统性能价格比的优 势，这就使个人仪器系统发展进入一个新的阶段。 然而，上述性能的个人仪器系统的总线是由各生产厂家自行定义的，无统 一标准，使用户在组建个人仪器系统时难以在不同厂家产品中进行配套选择， 妨碍了个人仪器的推广和发展。为此，1 9 8 7 年，l i p ，泰克，n i 等五家公司在 经过一段扎实的工作后，联合提出了个人仪器系统标准化的接口总线标准v x i 以及后来的p x i 规范。、，x 1 总线及v x i 总线仪器系统开辟了测量和仪器领域一 个划时代的崭新阶段。 v x i 总线是一个开放式结构，它对所有仪器生产厂家和用户都是公开的， 即允许不同生产厂家生产的卡式仪器都可在同一机箱中工作，从而使v x i 总线 煤炭自燃模拟试验监测系统的研究 很快就成为测试系统的主导结构。v x i 总线系统( 即采用v x i 总线标准的个人 仪器系统) 一般由计算机，v x i 仪器模块和v x i 总线机箱构成，其结构如图l 一1 ： 脉f 国阻 图1 1 典型v x i 总线仪器系统 v x i 总线是面向模块式结构的仪器总线，与g p i b 总线相比其性能有了较 大幅度的提高，v x i 总线中的地址总线和数据总线可高至3 2 位，数据传输速率 的上限可高至4 0 mb y t e s ，此外，它还定义了多种控制线，中断线，时钟线， 触发线，识别线和模拟信号线等。由此可见，v x i 总线仪器集中了智能仪器， 个人仪器和g p i b 系统的很多特长，并具有使用灵活方便，标准化程度高，可 扩展性好，能充分发挥计算机的效能，以及便于构成虚拟仪器等诸多优点，因 而得到迅速发展和推广，被称为未来仪器和未来系统。 ( 3 ) 虚拟仪器 在新代的仪器系统中，计算机软件和测试仪器更加紧密的结合在一起， 为了使仪器的硬件设备尽量少，传统仪器的许多硬件乃至整个仪器，都己被计 算机软件所代替，只须配置相应的软件，就可实现多种仪器的功能。这大大地 突破了硬件的束缚，仪器的功能不只是有生产厂家定义，用户也可以根据自己 的意愿，设计出相应的功能模块，来满足自己的需要。 虚拟仪器，这种在7 0 年代中期就提出的仪器设计思想，在最近几年来得到 了迅猛的发展。虚拟仪器，指的是在通用计算机上添加几种带共性的基本仪器 硬件模块基础上，通过软件来组合成各种功能的仪器或系统的仪器设计思想。 其中激励信号可由微机来产生数字信号，再经d a 转换器产生所需的模拟信号。 大量的测试功能可以通过对被测信号的采样后，再经a d 转换得到测量结果， 许多功能还可以由软件来实现，这样就完全摆脱由硬件构成件件仪器再连成 系统的传统仪器的概念。因而在某种上说，计算机就是仪器，软件就是仪器。 在这方面，代表性的产品有：n i 公司的l a b v i e w ，h p 公司的v e e 等软件开发 系统，这些系统不仅可以管理v x i 仪器，还可以管理r s 2 3 2 仪器，g p i b 仪器。 1 3 课题的提出 在煤炭自燃模拟实验中参数的监测一直是重要的问题，目前采用的监控仪 共同的缺点，就是它监测的路数较少、数据的采集具有单一性以及不具有与计 煤炭自燃模拟试验监测系统的研究 算机进行通讯的功能。这些缺点制约了煤炭自燃发火实验装置监控系统的操作 的简单化，同时也阻碍了监控系统在实际应用过程中的自动化程度和测试精度。 随着生产力的发展，生产规模的扩大和对生产管理的自动化水平的要求越来越 高，目前的监控仪远远不能满足这些要求。本课题则主要针对这一点而提出。 随着单片机技术及其外围芯片、现场总线技术的发展越来越完善，使得设计多 测点、多参数的巡检仪成为可能。计算机的应用更使得实验人员无须亲临现场， 就能对现场一目了然，实现多参数的自动监控。 煤炭自燃模拟实验参数的监测是世界上近十年来迅速发展起来的一种新技 术，可用于煤炭自燃理论的研究。本课题的研究目的就是研制一种多点巡测的 煤炭自燃模拟实验监控系统，使其适用于不同规模的煤炭自燃试验装置的监控， 对煤炭的温度、流过风速、湿度等参数进行采集，由计算机进行实时监控，并 提出了在实际应用中应注意的主要问题与解决方法，提高了对煤炭自燃试验参 数监控的自动化程度，同时减少了人员的工作量，提高了测试精度。 1 4 本课题主要的研究内容 本论文的研究工作针对目前煤炭自燃实验多参数监控的发展趋势和存在的 问题，遵循先进性和实用性的思路。在收集、整理、分析了国内外大量与此相 关的文献的基础上，完成以下研究内容： l 、温度、湿度、压差和大气压等传感器的选择。 2 、确定仪器的功能，设计仪器的结构。 3 、研究压力、温度等物理量变化规律的数据处理及软件编写。 4 、实现p c 机与单片机通讯，并利用p c 机的强大功能对实验数据进行加 工处理。 5 、软件具有数据保存、参数分析、实时及历史曲线图形显示和打印输出等 功能。 6 、初步调试。 1 5 研究方法 该煤炭自燃监控系统由智能多参数巡检仪和上位机数据管理系统软件组 成。智能多参数巡检仪的研制采用了双c p u 结构，以8 0 3 1 单片机为核心，应 用先进的传感器技术，检测技术和微型计算机技术系统，来实现对煤炭自燃实 验的温度、湿度、大气压和风量等参数的检测。智能多参数巡检仪主要通过单 片机的i 0 口、定时器，计数器和外部中断来实现温度数值、湿度数值、大气压 数值和风量数值的读取。它由数据采集模块、数据存储模块、键盘扫描模块、 输出显示模块和通讯模块组成，能定时完成煤炭自燃环境参数的采集、存储、 显示浏览等功能；上位机数据管理系统软件能与智能多参数巡检仪进行信息交 6 煤炭自燃模拟试验监测系统的研究 换，实现煤炭自燃实验中各参数的显示、查询、数据存储及各参数变化曲线的 显示。由于系统利用了计算机的友好性，增加了对湿度、风速、压差、大气压 力等物理量的监测，解决了目前监测仪测定参数的单一性和烦琐性，使得整个 系统操作简单，性能可靠，具有较强的实用性和理论意义。与其它监控方法相 比具有高度集成和多功能、高可靠性、高效率、操作简单、抗干扰能力强等优 点。 1 6 技术路线 进行煤炭自燃模拟实验监控系统研究的技术路线如图1 2 。 本论文在结构上将分为硬件设计、软件设计、通讯接口及其程序设计三部 分来详细介绍智能多参数巡监仪的开发过程，并在最后一章进行了实验的介绍、 传感器的标定及上位机的控制界面。 煤炭自燃模拟实验监控系统研究i 、 现有监控系统监控方式 系统总体设计目标 硬件选型与原理图设计 软件模块程序设计 系统程序调试 实验室系统联机调试 实验测试，总结经验 图1 - 2 技术路线 煤炭自燃模拟试验监测系统的研究 1 7 本论文的创新点 把对湿度、风量、大气压力等参数的测定与对温度的测定结合起来，利用 计算机的监控能力，开发自动监控平台，实现对煤炭自燃模拟实验的实时动态 监控在国内还很少见。 充分应用了先进的单片机技术实现对煤炭自燃模拟实验的多参数的采集， 并利用高速发展的计算机编程、大规模集成电路技术，选用先进的传感器来实 现煤炭自燃模拟实验监控系统的准确、快速、稳定可靠的运行，在技术上是可 行的。 上位机提供功能齐全的强大数据库支持软件，用户可以通过上位机轻松实 现与下位机的通讯，把对温度、湿度、风量、大气压力等多参数利用自动监控 平台进行监测，不仅是对煤炭自燃模拟实验监控系统的一个创新，同时对煤炭 安全生产也具有一定的实际应用价值。 煤炭自燃模拟试验监测系统的研究 2 系统的硬件设计 煤炭自燃模拟实验多参数监控系统对数据采集、处理的精度和实时性要求 都很高。根据系统的设计思路，熬个硬件系统是指多参数巡检仪的硬件系统， 可分成四个部分：一是主处理器部分，主要包括处理器、存储器扩展电路和输 入输出接口电路组成；二是数据处理部分，主要包括d 转换电路和有关的模 拟信号处理电路组成；三是人机联系部分，为了操作人员能够对监控系统进行 干预以及了解监控系统的运行状态，主要包括键盘、显示电路：四是通信接口 部分，实现上位机和下位机的通信。 2 1 系统的整体结构与功能 该系统是一个实时监控系统，整个系统由测试温度、湿度、风速、压差、 大气压力等各种物理量的传感器、信号调理板、多路选择开关、a d d 转换器、 主从单片机和p c 机的组成。大气压传感器、压差传感器、热球风速变送器以及 湿度传感器的信号，都经过信号调理和多路开关选择，再转换成数字信号，出 主单片机进行处理，而温度传感器( 热电偶) 主要是采集煤炭实验中每个煤炭 测试点的温度值，单片机按照预先设定的采样周期，定时进行巡回检测，并通 过并行通讯传输给主单片机，并存储在主单片机扩展的r a m 中，由p c 机定时 读取主单片机r a m 中的数据进行处理、显示或打印。硬件的功能是完成数据 的物理信号采集、转换与处理，按照其完成的功能，其整体结构框图如图2 - 1 。 压差传感器 大气压传感器 热球风速变送器 湿度变送器 温度变送器 ( 冷端补偿) 信 号 调 理 通 道 选 择 a ，d 转换 温度传感器组 信 号 调 理 通 道 选 择 a ，d 转换 图2 - l 系统整体结构图 9 键衙 显示 存储 哪1辜蓑竺翥 煤炭自燃模拟试验监测系统的研究 硬件是完成功能的实体的基础。硬件功能的实现不是单独一个元件完成的， 而是靠所有元件的集合，它与各部分的密切配合是分不开的。如果某一元件选 用不恰当，将会使整个系统的功能受到影响。因此，要完成整个系统的设计， 在保证功能能够完成的同时，应使各元件互相协调，充分利用各元件的功能， 使系统更加合理”“。 本系统采用模块化设计，模块化设计有利于设计、制造、使用和维护，模 块化使每个硬件模块具有相对独立的功能，各模块之间通过各种连线连接起来。 硬件的模块化不仅对设计有利，对于生产和维护也极为有利。 2 2 硬件的选型及其接口 22 10 p u 的选取 下位机的主要功能是实现对现场的模拟量进行采集和控制。随着单片机芯 片技术的迅速发展，单片机的种类越来越多，1 9 7 6 年，美国i n t e l 公司研制出第 - 4 48 位单片机m c s 一4 8 系列，1 9 8 0 年推出第二代8 位增强型单片机m c s 5 l 系列，1 9 8 3 年又推出了1 6 位单片机m c s 一9 6 系列等，m c s 9 6 系列单片机是新 一代的单片机，虽然在性能上高于4 8 、5 1 系列，但由于价格昂贵，且与目前广 泛使用的8 位i o 接口芯片匹配较为复杂，所以在使用上受到较大的限制。 目前广泛流行的高性能8 位单片机无论从功能或成本来看，都非常适宜于 本系统。i n t e l 公司生产的m c s 一5 1 单片机功能强、可靠性高，用它作为本系统 监控部分的核心部件在许多方面具有优点“”。 ( 1 ) 硬件结构简单。本系统要求大量的i o 口，并且需要有定时、记数和通 信功能。m c s 5 1 单片机本身具有1 6 3 2 位i o 线，两个1 6 位定时器计数器， 还有一个全双工串行口，这样在使用m c s 5 1 后，将大大的简化本系统的硬件 结构，降低造价；并且5 1 单片机可与i n t e l 公司生产的各种接口芯片直接接口， 扩充方便、容易，且接口逻辑电路十分简单。 ( 2 ) 运算速度高。本系统要求在几秒内完成一个周期的测量、计算、输出操 作；能对测量对象的参数进行实时测量显示。这就对下位机的运算能力和运算 速度提出了较高的要求，而m c s 一5 1 的时钟可达1 2 m h z ，大多数运算指令执行 时间仅l u s ，并具有硬件乘、除法指令，运算速度高。 ( 3 ) 控制功能强。系统的测量过程和各种绷量电路均由微机来控制的，由于 m c s 一5 l 单片机具有布尔处理能力，包括一整套位处理指令、位控制转移指令和 位控制i o 功能，这使它适用于本系统的控制。 可见，5 1 单片机具有非常突出的优点，它不仅可以寻址6 4 k 的程序空问， 还可寻址6 4 k 的数据空间，即在物理结构上可以具有两个寻址空间，这点对于 要求测量控制过程较为复杂、程序或表格较为庞大、测量数据较多、实时数据 煤炭自燃模拟试验监铡系统的研究 处理较为复杂的场合尤为适用。现在m c s 5 1 系列单片机已有许多品种，典型 的为，8 0 3 1 、8 0 5 l 和8 7 5 1 。8 0 3 l 片内无r o m ，必须外接e p r o m 才能应用；8 0 5 】 片内具有4 k b 字节的掩膜r o m ；而8 7 5 1 片内具有4 k b 的紫外线可擦除电可 编程的e p r o m 。8 7 5 1 最适合于开发样机、小批量生产和需要现场进一步完善 的场合，8 0 5 1 适合于低成本、大批量生产的场合，而8 0 3 1 则适用于能方便灵活 地在现场进行修改和更新程序存储器的场合。本系统下位机选用8 0 3 l 单片机。 由于8 0 3 1 内部没有片内数据存储器，系统需要大量的数据存储，所以必须外接 外部存储器才可以满足系统的要求。 2 22 数据采集转换模块的功能及其接口电路 数据采集转换模块是对采集到的信号进行等间隔的a d 转换，得到一个电 压、电流序列，以便单片机对其进行数据处理，计算出相应的电量参数求得温 度、湿度以及大气压等值。该系统要完成对外界参数的测量并控制某些参数变 化的任务，所以模拟量的输入与输出在本系统中占有很重要的位置”1 。 传感器采集到的各种外界物理量以微弱的电信号形式输出，这种电信号需 要经多路开关选通，再经过多级放大调理后，送a d 转换成数字量，输送到单 片机进行计算处理。1 。本系统选用的是自制的t 分度的热电偶式温度传感器， 测温范围为0 - 4 0 0 ，其灵敏度是毫伏级，所以为了使变化信号测量准确，在 系统采用o p 0 7 运放组成低漂移高精度前置放大器，前置放大器的输出为毫伏级 信号，再接一级由运放l m 3 2 4 构成的续接放大器就可将毫伏级信号放大到需要 的幅度。o p 0 7 具有较好的温度特性，工作时间的延长以及温度的变化都对其工 作性能的影响不大，并且始终可以保证稳定的偏置和增益8 。 本系统中采用了双c p u 结构，主单片机主要完成大气压、风量、湿度参数 的采集，利用四位半双积分的a d 转换器i c l 7 1 3 5 进行a d 转换，具有精度高、 价格低的优点。从单片机主要完成温度参数的采集，在此选用m c l 4 4 3 3 a d 转换 器，它是一种三位半、双积分式的a d 转换器，具有精度高、抗干扰性能好等 优点。i c l 7 1 3 5 与m c l 4 4 3 3 的主要技术指标如表2 1 所示。 表2 - 1i c l 7 1 3 5 与m c l 4 4 3 3 的主要技术指标 芯片i c l 7 1 3 5 m c l 4 4 3 3芯片i c l 7 1 3 5m c l 4 4 3 3 型号 型号 分辨率4 位半3 位半数字输下r l 电平 t t l 电平 ( 位数)( b c d 码)( b c d 码) 出电平 转换 l o o m s 大于等于工作电 + 5 v v r f 为量 时间左右 1 0 0 m s 压( v e t ) 和5 v 程值 转换l l s b 1 l s b 基准电 + 5 v v r e f 为1 2 误差 压( v r e f ) 和5 ”量程值 煤炭自燃模拟试验监测系统的研究 出于m c l 4 4 3 3 转换结果的输出是连续的，所以必须通过并行接口与从8 0 3 l 相连。每次转换结束，在e o c 端产生正脉冲信号，作为从单片机8 0 3 1 的外部中 断请求信号i n t i ，选用边沿触发方式。m c l 4 4 3 3 和8 0 3 1 相连的接口原理如图2 2 所示： 图2 - 2m c l 4 4 3 3 与8 0 3 1 的连接图 i c l 7 1 3 5 转换的结果输出也是动态的，因此也必须通过并行接口与主c p 0 连接，i c l 7 1 3 5 的接口连线如图2 3 所示： f 5 v r h b l p o l3 b l y r e f u n o d v e e r r 臻 2 y 6 be 3 a3 y b 4 2 l a a 4 y i c l 7 1 3 5 b 2 g d 1 o o 5 1 7 4 1 5 7 p ”厂 i n h 0d 2 d 3p o6 7 - i n l o 器 p ot b 图2 - 3i c l 7 1 3 5 的连接图 p oi p o2 p o3 煤炭自燃模拟试验监测系统的研究 2 2 3 数据存储模块的功能及其接口电路 单片机系统中最常用的存储器有只读存储器r o m ( 程序存储器) 和随机存 取存储器r a m ( 数据存储器) 。只读存储器用来存储仪表的管理程序和常用运 算子程序、常数和表格。r o m 是通过掩膜编程的，只能一次性将程序装入，以 后不能更改。e p r o m 是可以用e p r o m 擦除器擦除后再次编程。使用极其方便 灵活。由于8 0 3 l 单片机内部没有片内程序存储器以及内部数据存储器只有 1 2 8 2 5 6 b ，在用于实时数据采集和处理时，为了满足系统的需要，不可避免地 要扩展外部程序存储器和数据存储器，所以本系统中主c p u 系统采用一片8 k b 的e p r o m 2 7 6 4 作为外部程序存储器，便于在调试或使用过程中根据需要修改 程序，一片3 2 k b 的静态数据存储器6 2 2 5 6 作为外部数据存储器存放采集的数 据。8 0 3 1 单片机在进行存储器扩展时，分别可扩展6 4 k b 的r o m 和6 4 k b 的 r a m 。虽然在地址上重叠，但控制信号不同，数据存储器的控制线使用r d 、w r ， 而程序存储器是用p s e n 控制的，因此不会因为地址重叠而发生混乱”。 主c p u 的存储器扩展接口图如图2 - 4 所示。 图2 。4 主单片机存储器扩展图 根据上图，扩展的数据存储空间为o o o o h 7 f f f h 。仪器参数的存放格式 煤炭自燃模拟试验监测系统的研究 为：热电偶校正系数a 、系数b ，风速校正系数a 、系数b ，湿度校正系数a 、 系数b 和压差校正系数a ，系数b 。每个通道占用八个字节，规定0 0 0 0 h 0 1 7 f h 用做参数存放，在传感器标定后进行设定。0 1 7 f h 0 1 8 2 h 四个字节空间存放数 据块的始末地址指针。采集数据的存放地址从0 2 0 0 h 7 f f f h 。数据存放格式 为：测点编号( 占2 个字节) 、测定时间( 占3 个字节) 、采集的数据值( 占2 个字节) ， 存放一个测点的采样需要7 个字节。 对于从c p u 的数据存储器扩展采用了一片2 k b 的静态r a m 芯片6 1 1 6 ， 程序存储器扩展采用了一片e p r o m 2 7 6 4 。其连接图如图2 5 所示。 图2 - 5 从单片机存储器扩展图 2 2 4 键盘扫描及输出显示模块 一、键盘与显示输出 1 键盘 在单片机监控系统中为了控制系统的工作状态以及向系统进行参数设置， 键盘和显示器的设置是不可缺少的。它们的设置可以实现人机对话，借助键盘 可以向系统输入命令、设置参数、控制程序的执行走向等“。 键盘是一组按键的组合，有编码式键盘和非编码式键盘两类。编码式键盘 除了按键之外，还包括了产生键码的硬件电路、去抖动电路和多键、串键保护 4 煤炭自燃模拟试验监测系统的研究 电路。这种键盘使用方便，接1 2 1 程序简单，但是需要较多的硬件电路，价格较 贵，一般的单片机应用系统较少采用。非编码式键盘仅由排成行、列矩阵形式 的按键组成，按键的作用只是简单的实现接点的接通或断开，键的去抖动、键 的编码的形成和键的识别等均由软件来完成。由于它经济实用，在单片机应用 系统中广泛使用。因此，在本系统中采用非编码式键盘。 非编码式键盘分为独立式键盘和行列式键盘。独立式按键是各按键相互独 立地接通一条输入数据线，每个按键的工作状态不影响其他数据线上的工作状 态。这种键盘的特点是结构简单、单片机进行处理时十分方便，缺点是当键数 较多时要占用较多的i o 数据线。在本系统中，根据键功能设计，采用了一个3 x 6 的行列式键盘。 2 显示器 单片机应用系统中，使用的显示器主要有l e d ( 发光二极管显示器) 和l c d ( 液晶显示器) 。 l e d 显示块是由发光二极管显示字段的显示器件，它是智能化测量控制仪 表中简单而常用的输出设备，通常用来指示机器的状态或其它信息。最常用的 有七段数码管和点阵式l e d 显示器。七段数码管只能显示不同的数字，而点阵 式l e d 显示器则可以显示大小写字母、数字和其它字符。点阵式的成本显然高 于七段数码管。七段数码管的优点是耗电省、配置灵活、接口方便、价格底、 寿命长，对电流电压的要求不高及容易实现多路等，因而在智能化测量控制仪 表中获得了广泛的应用“。 l c d 是一种被动式显示器，它本身不发光，只是调节光的亮度。l c d 是利 用液晶的扭曲一向列效应原理制成的，可得到黑底白字或白底黑字的显示形式。 由于它的功耗极低、抗干扰能力强，因而在低功耗的单片机系统中大量使用。 但是必须借助外界的光才能显示“”。 在本系统中只需要显示6 位数字形式的点号、通道和温度，所以选用七段 数码管作为显示器。 二、键盘功能设计 根据设计思想，下位机监控仪的键盘应该完成有关参数的设嚣，如需要测 量的点数、热电偶的分度号以及补偿号等参数。 仪器的键盘与显示器面板图如图2 - 6 所示。 煤疲白燃模拟试验监测系统的研究 图2 6 仪器键盘与显示器面板图 显示器前两位显示通道号，后四位显示数据。 1 、各功能键功能如下： 每个按键都有一个确定的含义，当按下时即执行相应的子程序。 ( 1 ) f ：进入上一个测点的参数设定。对应的键号为0 捍，键内码为0 0 h 。 ( 2 ) l ：进入下一个测点的参数设定。对应的键号为1 撑，键内码为0 1 h 。 ( 3 ) 一：使仪表退出运行，参数设定时，按此键依次按通道数、分度号、补 偿号的顺序进行设定。对应的键号为3 群，键内码为0 3 h 。 ( 4 ) 确认：该按键根据先前按下的键来判断当前要运行的功能。对应的键号 为4 # ，键内码为0 4 h 。 ( 5 ) 复位：按此键，仪表处于复位状态，仪表首先自检设定的各参数，如没 有非法码，则仪表显示： 匾亚衄 数秒后进入巡检状态。如自检出现非法码，则自动进入设定状态。对应的 键号为5 # ，键内码为0 5 h 。 ( 6 ) 设置参数：该键功能是设置各参数，按通道数、分度号、补偿号的顺序 进行设定，对应的键号为醑，键内码为0 6 h 。 ( 7 ) 参数保存：在设定状态下按此键既将当前点正在设定的参数保存到内存 罩。对应的键号为7 # ，键内码为0 7 h 。 ( 8 ) 删除：删除键，对应的键号为8 # ，键内码为0 8 h 。 ( 9 ) 0 9 ：数字键，主要是一魑数据的输入，对应的键号为9 群1 8 社，键内 码为0 9 h 1 2 h 。 2 、各参数的设定 ( 1 ) 通道数的设定： 按设置参数键，六只数码管显示为： 1 6 煤炭自燃模拟试验监测系统的研究 匾工 x x 为前次设定的测量点数；按数字键修改x x 值，使之成为需要测量的点数； 按保存键即可将设定的值存入内存中，按一进入分度号设置。 ( 2 ) 分度号的设定： 分度号是传感器型号的一种代码，仪表根据这个代码确定量程，进行非线 性修正等，所以分度号必须根据每一点所配接的传感器进行设定，设定不正确 就不能正常工作。 按一键，六只数码管显示为： 匾亚皿 x x 为上次设定的0 1 点的分度号；按数字键修改x x 值，使之成为当前0 l 点的 分度号；按保存键即可将设定的值存入内存中，按一进入补偿号的设置。 分度号定义如表3 1 所示。 在本系统中选用了t 分度热电偶，所以分度号应该设为4 0 。 ( 3 ) 补偿号的设定： 当用热电偶测温度时，热电偶的冷端温度需要补偿，本表可在某一点接上 热电阻，热电阻和热电偶的冷端放在一起，用热电阻来测量热电偶冷端的温度， 折合成m v 后，在与热电偶实际输出的m v 相加，再计算成温度值。补偿号就 是用来测量热电偶冷端温度的热电阻的点号。例如l 2 0 点接的是热电偶，2 1 点是测量1 2 0 点热电偶冷端温度的热电阻，即l 一2 0 点的补偿号设为2 1 。这 样，当巡测时，会自动将2 l 点所测温度换算成m v 加到巡测点的m v 数上。这 种补偿方法安装简单，经济准确。 按一键，六只数码管显示为： 叮工皿 x x 为上次设定的0 1 点的补偿号；按数字键修改x x 值为2 1 ，就使2 1 点成为 当前0 1 点的补偿号；按保存键即可将设定的值存入内存中，同时由i 键进入下 一点的设定或由确认键保存并返回复位巡测状态。本实验中选用p t l 0 0 作为冷 端补偿电阻，所以补偿号设为3 1 ，冷端的分度号设为7 0 。 煤炭自燃模拟试验监测系统的研究 表2 - 2 分度号的定义 t 分度号分度号代码量程传感器输出零点值满度值 k3 09 9 1 0 0 0 0 ( m v )4 1 2 9 ( m v ) t4 09 9 4 0 0 o ( m v )2 0 8 6 9 ( m v ) e5 09 9 8 0 0 0 ( m v )6 1 0 2 2 ( m v ) g6 0- 9 9 9 1 5 0 0 5 3 q8 67 9 q c u 5 06 1- 9 9 9 1 5 0 0 5 0 q8 21 3 q p t l 0 07 0 9 9 9 2 0 0 0 1 0 0 q1 7 5 8 6 q b a l6 2- 9 9 9 1 5 0 0 4 6 07 2 7 8 q b a 27 1 - 9 9 9 2 0 0 ，0 1 0 0 n1 5 82 lq 三、8 2 7 9 芯片及其接口电路 8 2 7 9 是i m e l 公司生产的专用可编程键盘和显示器i o 接口芯片。它的 d 0 - d 7 八位数据总线直接与单片机的数据总线连接，用于c p u 和8 2 7 9 之间传 送命令、数据和状态，r d 、w r 与单片机的r d 、w r 连接，片选c s 与单片机 的一条地址线连接。利用8 2 7 9 可实现对键盘显示器的自动扫描，并识别键盘 上闭合键的键号，不仅可以大大节省c p u 对键盘，显示器的操作时间，从而减轻 c p