煤矿井下压力监控系统.doc

1 目录 摘 要 III ABSTRACT IV 1 绪言 1 1 1 研究背景 1 1 2 煤矿监测监控技术的研究现状 1 1 3 本课题的主要工作 2 1 3 1 井下压力的在线监测系统 2 1 3 2 故障分析及报警系统 5 2 井下压力监控系统的概况 7 2 1 压力传感器原理 7 2 2 监控系统的概况 8 2 2 1 监控系统的系统用途 8 2 2 2 系统的主要技术指标与功能 8 2 2 3 系统组成及工作原理 10 3 压力检测系统的硬件电路 13 3 1 8051 单片机内部结构与外部引脚说明 13 3 1 1 内部结构 13 3 1 2 外部引脚说明 13 3 2 检测系统硬件原理 15 3 2 1 系统概述 15 3 2 2 检测系统连接方式及工作原理 16 3 3 单片机硬件电路 17 3 4 开关量输入 19 3 5 开关量输出 20 3 6 系统通讯 22 3 7 系统报警 复位电路 24 3 8 系统显示 25 3 9 系统的 A D 转换电路 25 4 压力检测系统软件流程图 27 2 4 1 显示 28 4 2 A D 转换 28 4 3 数据处理 29 4 4 单片机串口通讯软件 29 4 5 报警 31 4 6 VB 界面设计 31 4 6 1 显示界面 31 4 6 2 参考程序 31 5 结论 33 参考文献 34 致谢 35 3 摘 要 煤矿井下压力监控系统是煤矿信息管理的基础设施 它依托工业企业网的建设而 存在 是企业信息化建设最重要的一个组成部分 煤矿井下压力监控系统的集成化 网络化是目前控制领域的一个重要发展方向 它是一种综合的集成技术 涉及现场总 线技术 计算机技术 通信技术 数据库技术 多媒体技术 控制技术和网络技术等 从网络结构上 煤矿井下压力监控系统可分为信息网和控制网两层 信息网处于工业 企业网的上层 使企业数据共享与传输的载体 控制网处于工业企业网的下层 与信 息层紧密地集成在一起 服从信息网的操作 同时具有独立性和完整性 本课题主要研究了煤矿压力检测设备的实时监控系统 并将重点放在压力检测的 设计研究 主要是利用 8051 单片机系统对井下各种智能传感器所采集到的压力数据等进 行分析处理 再通过调制解调器传输给上位机 再通过上位机发出的控制信号以达到 报警 断电和自动开停等功能 课题针对国内煤矿现有的监控设备系统设计了网络化的监测系统软件及硬件的解 决方案 以 SCADA HMI 软件 WEB 网站为系统集成平台 通过 OPC Web Service X ML 技术 实现各种监控数据的网络共享 该方案包括不同类型信号的采 集 调理隔离 数据存贮传输 数据处理 设备运行状态的实时监测和网络化的实时 监控 关键词 矿井压力检测 智能传感器 单片机 A D 转换 4 1 绪言 1 1 研究背景 我国煤炭资源总量位居世界第一 可采储量为 2040 亿吨 位居世界第二 煤炭在 我国具有其它能源无可比拟的优势 煤炭约占我国化石能源的 95 储量 95 上世纪 八十年代以来 随着我国国民经济的快速发展 煤炭消费持续快速增长 2003 年我国 煤炭消费达到 16 亿吨 2004 年 2005 年 我国煤炭缺口更是分别达 0 4 亿吨 1 亿吨 左右 煤炭业一片欣欣向荣 我国煤炭产业每年事故死亡人数近万人 直接经济损失超过 40 亿元 而全世界其它所 有产煤国事故死亡人数不超过 800 人 仅云南全省煤矿 1991 年 2000 年十年间共发 生事故 1303 起 死亡 2394 人 国家一直非常重视煤矿安全问题 也投入了大量的财 力物力人力来解决这个问题 据悉 我国已经先后投入 40 亿国债资金 并于 2004 年 再投入 40 亿元解决原国有重点煤矿重大安全技术改造项目经费问题 但是在我国煤矿 2 8 万个煤矿中 仅有 0 4 万个大型国有煤矿 中小煤矿是个庞大 的 不该是个被忽略的群体 中小煤矿事故屡屡发生 究其原因除了从业人员技术素 质低 责任心不强 安全意识差之外 更重要的是由于设备简陋 工作环境恶劣 而 且由于一般煤矿矿井和矿井之间以及矿井和生产管理部门之间距离相对较远 致使煤 矿各级领导及有关业务管理部门不能随时获取矿井生产 安全 通风等现场状况 不 能及时做到生产过程的统一调度指挥 另外 传统的煤炭企业的生产和设备自动化程 度较低 管理方式粗放 特别是由于各方面的因素 短时间内难以全面更新设备条件 和生产方式 有必要通过采用信息处理的相关技术促进生产安全控制和管理水平的迅 速提高 因此对于中小型煤矿 在现有技术条件下 建立经济可靠的新型安全监控系统网 络 既能做到对煤矿井下压力进行实时准确地监测 又能为管理部门提供详细 准确 的第一手资料 便于动态地组织 指挥和管理生产 提高工作效率 是当前发展趋势 1 2 煤矿监测监控技术的研究现状 我国煤矿监测监控技术应用较晚 80 年代初 从波兰 法国 德国 英国和美国 等 如 DAN60 TF200 和 Senturion 200 引进了一批安全监控系统 装备了部分煤矿 在 引进的同时 通过消化 吸收并结合我国煤矿的实际情况 先后研制出 KJ2 KJ4 KJ8 KJ10 KJ13 KJ19 KJ38 KJ6 KJ75 KJ80 KJ92 等监控系统 在我国煤矿已大量使用 实践表明 安全监控系统为煤矿安全生产和管理起到了十分 重要的作用 各局矿己作为一项重大安全装备 当时相当一部分监控系统由于技术水 平低 功能和扩展性能差 现场维修维护和技术服务跟不上等原因 或者已淘汰 或 5 者停产 因此造成相当一部分矿井无法继续正常使用已装备的系统 特别是近年来由 于老系统服务年限将至 已无继续维修维护的必要 系统面临更新改造的机遇 我国目前现有的监测系统仍存在很多问题 目前 对工作现场的压力检测主要有 三种方法 1 采用分离仪器 人工读表计数的方法 这种方法是根据传感器运行特性 和行业安全规程的要求 定期的其进行性能测试 2 采用压力自动测试系统 这种方 法只是对压力参数进行监测 3 采用压力在线监控系统 这种不仅监测压力参数 而 且根据采集到的参数判断运行工况点的情况 并在参数超出设定的范围时给出报警 人工读表计数监测是最早的一种方法简单 直接的方法 目前在很多地方还是采 用这种方法 这是一种人工读表计数方法只能在备用传感器运行的条件下进行 要求 测试人员具备专业的测试技术知识 试时需要多人配合才能完成 测试数据的处理也 需要花费较长时间 除上述局限性外 人工读表计数方法还有一个缺陷 即所得到的 结果有很大地主观性 甚至不同得测试组可能得到不同的结果 采用自动测试系统 以在线测试传感器的各个参数 能及时向负责维护工作的人 员提供压力参数 目前这种系统做的较多 但系统的功能单一 互不兼容 目前存在 的矿井监测系统均是针对某一特定的监测对象专门开发的 通用性较差 而且界面交 互性不好 在线监测系统能根据采集到的数据判断的运行工况情况 目前在某些行业都已采 用这种系统 这里将根据当前我国的技术水平 借鉴国内外的先进技术 研制适用于 我国国情的井下压力在线监控系统 1 3 本课题的主要工作 1 3 1 井下压力的在线监测系统 在线监测系统基于单片机 其监测终端 下位机 采用单片机 实现对压力参数实 时监测 所监测参数在终端LCD 液晶显示板上集成显示 并动态显示相关曲线 同时 监测参数通过通信模块传送到远程上位PC 机 实现远程在线监测 1 系统组成 系统设备由与井下压力监测有关的传感器 变送器 数据采集装置 数据传输及 控制装置 煤矿端计算机监控站设备以及监测监控和数据核定设计软件和信息联网软 件等部分组成 系统基本设备组成见方框图1 1 这些现场监测装置通过传输电缆将信 号传送到监控主站 6 煤矿端监控主站由监控计算机 打印机 传输及控制接口 UPS电源等设备组成 接口装置通过电缆与现场监控设备通讯 还用电缆与放置在井下的远程断电器相连 实现断电功能 图 1 1 井下压力监控系统 2 监测与通讯系统的组成 该系统由传感器 操作台和微机终端组成 各环节的设计充分考虑了煤矿环境的 特点 传感器将信号转换成电信号 操作台接收电信号后 一方面巡回显示各监测参 数 另一方面将电信号转换为数字信号通过通讯线路远传到微机终端 通过计算机采 集 处理显示和打印监测结果 系统原理如图 1 2 所示 操作台是监测系统中面向管理人员的界面 具有操作简 单 显示清晰 使用寿命长 操作精度高等特点 操作台总体电路由传感器变送器电 路 报警电路 显示仪表 报警显示 指示灯显示 信号隔离转换 处理电路组成 7 操作系统 压力参数 显示器打印机 后备电源 主控机 转 换 采 集 信 号 隔 离 转 换 处 理 报警显示 显示仪表状态显示 通讯口 控制台 图 1 2 压力在线检测 3 监测的软件系统 随着 Windows 操作系统主流地位的确立 PC 总线工控机在自动化领域的普及 基于 PC 总线和 Windows 平台的工控软件也越来越多 国外开发的软件功能较强 但 价格也贵 国内软件价格相对便宜但功能有限 因此最终我们选择了 Visual Basic6 0 自行开发软件部分 程序流程见图 1 3 4 监测与通讯系统的主要功能 1 现场实时监测数据的各种动态图形及数字显示 主要有直观及符合人们习惯的模 拟表盘和可以观察到各参数随时间变化趋势的 X Y 轴图形 2 监测数据的存储及查询 井下的监测参数定时存储以便用户进行数据报表的整月 打印 也便于管理部门 如调度室等 分析有关数据 强化管理 系统共保存距当天 61天 根据用户要求还可增加 的数据 并记录了一天内各种监测数据的平均值以及 一天24小时各参数的变化趋势图 3 工况点显示 事故报警及追忆功能 可在检测曲线上显示运行工况点 压力出现 异常时系统能在各相关界面给予报警提示并把距当前时刻一小时内的各种参数及日期 时间等进行记录以便事后分析 5 数字滤波 由于工业监测监控环境比较恶劣 干扰源比较多 如环境温度 电场 及磁场 振动等 为了减少对采样值的干扰 提高系统的性能 不仅对采样值进行数 字滤波 而且在应用程序中采用复合滤波算法即通过一定的计算程序对采样信号进行 加工 增强其有用信号 消除或减少各种干扰和噪音 以保证计算机系统的可靠性 6 完善的在线帮助系统 操作人员可随时查询帮助文件 解决操作中遇到的疑难问 题 8 7 系统能实现检测设备与管理部门的计算机联网 随时显示的检测数据可通过通讯 系统进入局域网以便管理部门进行调度及查阅 图 1 3 软件流程图 1 3 2 故障分析及报警系统 1 故障分析 设计出不平衡 不对中等几种故障设计出故障后 在实验室内利用试验台在不同 故障程度 不同性能干扰和不同现场干扰的各种工况下做试验 通过传感器来获取信 号 将采来的信号进行模数转换 滤波 放大等处理后进行信号分析 提取故障征兆 为故障诊断库提供样本 矿用压力在线检测预警结构系统如图 1 4 所示 2 报警系统 系统特点 1 该系统采用嵌入式微控制器 可深入控制现场 具有较高的实时性和可靠性 2 该系统从控制现场到上位机的传输信息是数字信号 从而有较远的传输能力和 较高的抗干扰能力 3 系统采用了嵌入式工作站模式进行实时监测 故节约了大量的上位机资源 4 嵌入式微控制器采用了先进的防死机技术 避免了因系统死机造成的失控损失 5 嵌入系统与制控设备是近距离结构 从而减少了从设备到上位机传输线路中的 损耗 更有效的提高了测量精度 6 此系统避免了传统模式采用板卡的集中系统 占用大量计算机资源 实时性较 差 容易造成计算机死机 模拟信号传输距离远 抗干扰和可靠性明显下降的弊端 3 系统功能 本系统以国家标准和煤炭行业标准为依据 应用工业计算机检测技术对煤矿井下 压力状态进行连续在线测量与处理 以多种方式提供压力状态的各种数据 保障井下 开始 打开并初 始化窗口 启动 定时器 发送命令 接收数据 出错 数据处理 结束 Y N 9 的安全进行 并为多种功能扩充提供方便的条件 基本功能 a 集中定位显示在线测量与处理压力参数 并以指定的时间间隔刷新 便于 各种参数的直接定位观察和使用 b 以实时曲线图形显示在线测量与处理的压力参数 便于观察一小时内 或 其它指定长度 各种不同参数的变化趋势 c 以历史曲线图形显示测量与处理的压力行参数 并能查询任意历史时刻的 数据 历史数据在计算机数据库中的保留量为一个月或指定时间跨度 也可挎到磁盘 长期保存 便于查询分析 d 以报表形式查询显示在线测量与处理的压力参数的历史数据 便于值班人 员打印值班表及技术人员定量研究 分析和准备数据制作性能曲线 e 以多种形式对在线测量与处理的压力参数越报警 在参数集中显示画面变化显示 报警灯闪烁提示切换到报警窗口以报表 详细显示 蜂鸣器鸣叫提示 数据库中记录 f 风机性能现场测试和绘制压力变化的特性曲线 数据通信接口主机打印机 压力参数分站压力参数分站 智能传 感器 智能传 感器 智能传 感器 智能传 感器 图 1 4 压力在线检测预警结构系统示意图 安徽理工大学毕业设计 7 2 井下压力监控系统的概况 2 12 1 压力传感器原理 传感器是一种检测装置 能感受到被测量的信息 并能将检测感受到的信息 按 一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出 以满足信息的传输 处理 存 储 显示 记录和控制等要求 它是实现自动检测和自动控制的首要环节 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器 而我们通常使用的压力传感器 主要是利用压电效应制造而成的 这样的传感器也称为压电传感器 电阻应变片是一 种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件 它是压电式应变传感器的 主要组成部分之一 图 2 1 金属电阻应变丝的结构 电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种 金属电阻应变片 又有丝状应变片和金属箔状应变片两种 通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘 合在产生力学应变基体上 当基体受力发生应力变化时 电阻应变片也一起产生形变 使应变片的阻值发生改变 从而使加在电阻上的电压发生变化 这种应变片在受力时 产生的阻值变化通常较小 一般这种应变片都组成应变电桥 并通过后续的仪表放大 器进行放大 再传输给处理电路 通常是 A D 转换和 CPU 显示或执行机构 电阻应变片的工作原理 金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值 变化的现象 俗称为电阻应变效应 金属导体的电阻值可用下式表示 R P L S 式中 金属导体的电阻率 cm2 m S 导体的截面积 cm2 L 导体的长度 m 我们以金属丝应变电阻为例 当金属丝受外力作用时 其长度和截面积都会发生 变化 从上式中可很容易看出 其电阻值即会发生改变 假如金属丝受外力作用而伸 安徽理工大学毕业设计 8 长时 其长度增加 而截面积减少 电阻值便会增大 当金属丝受外力作用而压缩时 长度减小而截面增加 电阻值则会减小 只要测出加在电阻的变化 通常是测量电阻 两端的电压 即可获得应变金属丝的应变情况 从而测得压力值 2 2 监控系统的概况 2 2 1 监控系统的系统用途 本文参考的是 KJ4 煤矿安全生产监测系统 此系统用于对煤矿井下环境参数 通 风设备 采掘运输设备等的安全和生产工况参数进行实时监测与数据处理 并将环境 与生产信息传送给地面中心站 地面中心站将检测系统采集的数据信息经过分析处理后 在监视器上以图形或文 本的方式显示 并将设定的超限控制信号发送给井下检测系统 由井下检测系统发出 声光报警或控制断电 该系统不仅能够准确 及时 全面地记录环境参数 而且还能够应用趋势分析软 件 实行对等在害的早期预测 预报 同时 还可为生产调度及时提供煤矿各种设备 的运行状况 便于正确 安全 快速的指挥生产 2 2 2 系统的主要技术指标与功能 1 系统的主要技术指标 1 系统容量 基本容量 64 个井下检测系统 可扩充到 128 个 模拟量输入 512 路 可扩充到 1024 路 开关量输入 512 路 可扩充到 1024 路 控制量输出 非本安型断电控制为 128 路 可扩充到 256 路 本安型断电控制为 128 路 可扩充到 256 路 报警控制为 256 路 可扩充到 512 路 2 模拟量输入信号制式 电流型 1 5mA 或 4 20mA 电压型 0 1V 或 0 5V 3 开关量和控制量 开关量输入 触点型或 5V 两个状态 控制量输出 非本安型断电控制 触点容量为 660V 1 5A 本安型断电控制和 报警控制 触点容量为 27V 2A 4 模拟量测量误差 不包括传感器 1 5 监测周期 地面中心站对井下检测系统的监测周期为 0 4s 安徽理工大学毕业设计 9 6 传输方式和传输距离 地面中心站与井下检测系统之间的通讯采用 FSK 移频键控方式 传输速率为 600 或 2400 波特 2 系统的主要功能 系统功能不仅取决于地面中心站计算机和井下检测系统硬件设备 还取决于地面 中心站和井下检测系统的监控应用软件 具体功能如下 全部传感器数据的采集和传输 对采集数据的处理和分析 超限报警与断电控制的处理 数据记录 存盘 终端屏幕显示 图形显示 输出报表 曲线 传感器的定义和修改 绘图编辑 执行操作员的命令 另外 系统工作具有通用性 灵活性和实用性 1 在系统检测的同时 按操作员的要求完成数据的记录 显示 超限控制 编辑和 绘图处理 还可按照操作员的要求完成各种传感器的定义 2 报警 断电控制门限值由地面中心站操作员设置 由井下检测系统实时执行 对 检测系统采取主队 从队巡回扫描方式 实现对重要地点的检测系统及传感器加强监 测和观察 3 系统的运行参数及运行报告记录存储 7 天 当运行状态改变时 系统根据定义自 动改变记录 4 系统数据存储一个月 形成趋势报告 并按操作员的要求完成屏幕显示 打印或 图形显示曲线 5 按操作员的要求编制报表 可以人工输入其他数据以完善报表 6 汉字显示和打印方式 7 联机定义系统中使用的各种传感器 设置各个检测系统和检测系统中的控制量 8 系统每个部分均有自诊断软件 便于排除故障和保证检测精度 9 交互式图形显示系统 操作员可以通过键盘联机完成图形的编辑 绘制 修改和 调用 10 地面中心站均为开放式系统 软硬件可以扩充 允许与上一级计算机联网或接成 多终端或接远程终端 安徽理工大学毕业设计 10 2 2 3 系统组成及工作原理 1 系统的配套设备 1 地面中心设备配置 工业控制计算机 串行通讯接口板 图形控制板 彩色图形监视器 汉字终端 汉字打印机 调制解调器 2 井下检测系统的相关设备配置 井下检测系统 防爆兼本安型电源箱 模拟量传感器 开关量传感器 断电控制器 通讯电缆 2 本次设计的煤矿压力监测系统的组成框图如图 2 2 汉字终端 工业计算机 上位机 彩色监视器调制解调器 汉字打印机 调制解调 器 安全管理系 统 分站选煤厂 调制解调 器 远程终端 调制解调 器 模拟盘 远程网络系统 KJ2007C C1 分站 AP2B电源 KJ2007D D1 分站 KF1022电源 KJ2007K分站 KF1066电源 KJ2007K分站 KDW6电源 地面以 下 智能传感器皮带控制系统 图 2 2 压力监测系统结构框图 3 系统的工作原理如图 2 3 所示 4 系统监控软件 煤矿安全生产监测系统监控软件为模块化结构 它由系统模块 SYSTEM 图形模 安徽理工大学毕业设计 11 块 WORK 用户模块 USER 和字库模块 UTILS 组成 其模块结构如图 2 2 在系统 的用户模块中 HKR 为可执行的监控软件 管理前后台的任务及数据的处理 分析和 显示功能 FDS DAT 为检测系统定义文件 SD SYSTEMUTILSUSER WORK WORLD KJ4 HKZ HKR FDS DAT 图 2 3 系统监控软件模块结构 系统软件在 iRMX86 或 iRMX for Windows 操作系统支持下构成一个实时多任务监 控系统 它可分为前台和后台两部分运行 前台是人机界面部分 前台任务流程如图 2 4 运行HKR 初始化 显示目录页 有无键盘命令 显示某页保留数据显示文件 显示目录 图形编辑 文件编辑 退出HKR 无有 图 2 4 前台任务流程图 后台的任务主要是负责数据的采集 分析 处理和记录 后台任务流程如图 2 5 系统软件的具体运行包括扫描队列的管理 继电器控制 运行报告 图形编辑及系统 诊断等操作 安徽理工大学毕业设计 12 初 始 化 数 据 采 集 根据定义决定是否记录各种 数据及报警 启动 睡 眠 图 2 5 后台任务流程 安徽理工大学毕业设计 13 3 压力检测系统的硬件电路 3 13 1 8051 单片机内部结构与外部引脚说明 3 1 1 内部结构 MCS 51 系列单片机的内部结构框图如图 3 1 所示 图 3 1 单片机的内部结构框图 3 1 2 外部引脚说明 MCS 51 系列单片机芯片均为 40 条引脚 HMOS 工艺制造的芯片用双列直插 DIP 方式封装 其引脚示意如图 3 2 所 示 各引脚功能说明如下 1 主电源引脚 Vcc 40 脚 接 5V 电源正端 Vss 20 脚 接 5V 电源地端 2 外接晶体引脚 XTAL1 19 脚 接外部石英晶体的一 端 在单片机内部 它是一个反相放大器的 输入端 这个放大器构成了片内振荡器 当 采用外部时钟时 对于 HMOS 单片机 该引 脚接地 对于 CHMOS 单片机 该引脚作为 外部振荡信号的输入端 图 3 2 引脚示意图 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Vcc P0 0 AD0 P0 1 AD1 P0 2 AD2 P0 3 AD3 P0 4 AD4 P0 5 AD5 P0 6 AD6 P0 7 AD7 EA VDD ALE PROG PSEN P2 6 AD14 P2 5 AD13 P2 4 AD12 P2 3 AD11 P2 2 AD10 P2 1 AD9 P2 0 AD8 P2 7 AD15 P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 P1 4 P1 5 P1 6 P1 7 RESET RXD P3 0 TXD P3 1 INT0 P3 2 INT1 P3 3 T0 P3 4 T1 P3 5 WR P3 6 RD P3 7 XTAL2 XTAL1 Vss 安徽理工大学毕业设计 14 XTAL2 18 脚 接外部石英晶体的另一端 在单片机内部 它是片内振荡器的 反相放大器的输出端 当采用外部时钟时 对于 HMOS 单片机 该引脚作为外部振荡 信号的输入端 对于 CHMOS 单片机 该引脚悬空不接 3 输入 输出引脚 1 P0 口 39 至 32 脚 P0 0 至 P0 7 统称为 P0 口 在不接片外存储器与不扩 展 I O 口时 可作为准双向输入 输出口 在接有片外存储器或扩展 I O 口时 P0 口分 时复用为低 8 位地址总线和双向数据总线 2 P1 口 1 8 脚 P1 0 P1 7 统称为 P1 口 可作为准双向 I O 口使用 对于 52 子系列 P1 0 与 P1 1 还有第二功能 P1 0 可用作定时器 计数器 2 的计数脉冲输入 端 T2 P1 1 可用作定时器 计数器 2 的外部控制端 T2EX 3 P2 口 21 28 脚 P2 0 P2 7 统称为 P2 口 一般可作为准双向 I O 口使用 在接有片外存储器或扩展 I O 口且寻址范围超过 256 字节时 P2 口用作高 8 位地址总 线 下面是 P3 口第二功能的说明 引 脚 第二功能 P3 0 RXD 串行口输入 P3 1 TXD 串行口输出端 P3 2 INT0 外部中断 0 请求输入端 低电平有效 P3 3 INT1 外部中断 1 请求输入端 低电平有效 P3 4 T0 定时器 计数器 0 计数脉冲输入端 P3 5 T1 定时器 计数器 1 计数脉冲输入端 P3 6 WR 外部数据存储器写选通信号输入端 低电平有效 P3 7 RD 外部数据存储器读选通信号输入端 低电平有效 4 P3 口 10 至 17 脚 P3 0 至 P3 7 统称为 P3 口 除作为准双向 I O 口使用 外 还可以将每一位用于第二功能 而且 P3 口的每一条引脚均可以独立定义为第一功 能的输入输出或第三功能 4 控制线 1 ALE PROG 30 脚 地址锁存有效信号输入端 ALE 在每个机器周期内输 出两个脉冲 在访问片外程序存储器期间 下降沿用于控制锁存 P0 输出的低 8 位地址 在不访问片外程序存储器期间 可作为对外输出的时钟脉冲或用于定时目的 但要注 意 在访问片外数据存储器期间 ALE 脉冲会跳空一个 此时作为时钟输出就不妥了 对于片内含有 EPROM 的机型 在编程期间 该引脚用作编程脉冲 PROG 的输入端 2 PSEN 29 脚 片外程序存储器读选通信号输出端 低电平有效 当从外部 程序存储器读取指令或常数期间 每个机器周期该信号两次有效 以通过数据总线 P0 口读回指令或常数 在访问片外数据存储器期间 PSEN 信号将不再出现 安徽理工大学毕业设计 15 3 RST VPD 引脚 9 脚 RST 即为 RESET VPD 为备用电源 该引脚为单片 机的上电复位或掉电保护端 当单片机振荡器工作时 该引脚上出现持续两个机器周 期的高电平 就可实现复位操作 使单片机回复到初始状态 上电时 考虑到振荡器 有一定的起振时间 该引脚上高电平必须持续 10ms 以上才能保证有效复位 当Vcc发生故障 降低到低电平规定值或掉电时 该引脚可接上备用电源 VPD 5V 为内部 RAM 供电 以保证 RAM 中的数据不丢失 4 EA Vpp 31 脚 EA 为片外程序存储器选用端 该引脚有效 低电平 时 只选用片外程序存储器 否则单片机上电或复位后选用片内程序存储器 对于片内含有 EEPROM 的机型 在编程期间 此引脚用作 21V 编程电源 Vpp 的 输入端 综上所述 MCS 51 系列单片机的引脚可归纳为以下两点 A 单片机功能多 引脚数少 因而许多引脚都有第二功能 B 单片机对外呈现 3 总线形式 由 P2 P0 口组成 16 位地址总线 由 P0 口分时 复 用为数据总线 由 ALE PSEN RST EA 与 P3 口中的 INT0 INT1 T0 T1 WR RD 共 10 个引脚组成控制总线 由于是 16 位地址线 因此 可使片外存储器的寻址范围达到 64KB 51 单片机计数器 定时器的最高计数频率和定时频率分别为 CPU 主振时钟频率的 1 24 和 1 12 若 CPU 的主振时钟取典型值 6MHZ 则其定时的量化误差为 2 S 在正弦 信号频率为 1KHZ 时 相角的量化误差将达 0 72 3 23 2 检测系统硬件原理 3 2 1 系统概述 井下检测系统是煤矿安全生产监控系统的重要组成部分 它接收中心站发送的各种 命令 根据命令格式回送信息或对井下有关设备进行控制与回送信息 安装在煤矿井 下的压力检测系统 负责采集各种压力传感器监测的安全生产信息 经过压力检测系 统监控软件分析处理后 发送给地面中心站 主要参数 压力检测系统容量 模拟量输入 8 个 开关量输入 触点型或电流型 8 个 控制量输入 8 个 主要功能 可接入 8 路模拟量 安徽理工大学毕业设计 16 可接入 8 路开关量 如开关 设备开停等 可输出 8 组开关量触点信息 如断电 报警 每个压力检测系统受中心站控制 执行中心站的各种控制命令 并将压力检测系 统的监测参数和工作状态传送给中心站 压力检测系统在中心站初始化以后能独立工作 包括电源箱 实现就地报警 断电 控制功能 电源箱带 8Ah 备用电池 当交流电网断电时 备用电池供电 在最大负荷下可连 续工作 2h 井下压力检测系统和地面中心站间通讯距离可达 20km 与接入的传感器间的最远 距离为 2km 压力检测系统具有辅助复位电路 无论何种原因造成的压力检测系统 死机 都 会在数秒钟后被复位 重新启动 进入初始化程序 3 2 2 检测系统连接方式及工作原理 系统井下压力检测系统以单片机为中心 构成微型机算计系统 由主板和电源指 示板组成 模拟量输入 开关量输入和开关量输出均在主板上 电源指示板起电源电 缆的转接作用 压力检测系统连接方式如图 3 3 所示 电路原理结构如图 3 4 所示 图 3 3 检测系统电路板连接方式 下面就单片机 A D 部分 开关量输入 开关量输出 压力检测系统通讯 压力检 测系统复位辅助电路等进行介绍 主板 电源指示板 模拟量输入电源插座通讯插座报警输出 断电控制 开关量输出 模拟量输入 接电源箱 接通讯电缆接报警箱 断电控制器 开关量输入 安徽理工大学毕业设计 17 单单片片机机 8 80 05 51 1 地地址址锁锁 存存器器 地地址址 译译码码 器器 A A8 8 A A1 15 5 A AL LE E D DB B0 0 D DB B7 7 P P1 10 0 P P1 17 7 P P3 30 0 P P 3 37 7 A A1 12 2 A A1 15 5 使使能能输输 出出控控制制 复复位位部部分分R RE ES SE ET T 程序存 储器 27C32 图 3 4 8051 单片机电路原理框图 3 3 单片机硬件电路 单片机电路是井下压力检测系统的基本单元 由单片机 8051 地址译码器 74LS138 EPROM 程序存储器 27C32 地址锁存器 74HC373 及反相缓冲器 74LS05 等 组成 电路原理框图如图 3 4 所示 8051 单片机通过执行 EPROM 中的监控程序 进行数据采集 控制外围设备工作 状态 实现井下压力检测系统与地面中心站的数据通讯 8051 单片机使用方式 2 工作状态 片内的 128 字节 RAM 用于数据的存贮 8051 单片机的 P00 至 P07 均定义位输出口 其中 P00 至 P02 作为 8 路 A D 芯片的选通采 样地址 即根据 P00 P01 P02 三位电平的不同选通 8 路 A D 中的一路 P03 至 P06 四路用于直接控制继电器 J1 至 J4 的输出 P07 用于通讯电路的允许位 单片机的 PB0 PB1 PB2 定义为输入口 用于确定 8051 的工作方式 在复位时 PB0 至 PB2 三位设置为 010 时 令 P30 P31 为串行通讯输入 输出接口 其中 P30 为输入接口 与通讯接收电路部分相接 接收主机向压力检测系统发送的数据 P31 为输出接口 与通讯发送电路部分相接 用于单片机向井上主机发送数据 井下压力 检测系统使用这两个接口实现与地面中心站的数据通讯 8051 单片机上有 16 根地址线 A0 A15 A0 A7 为数据地址复用 使用地址锁存器 74HC373 完成单片机与程序存贮器 EPROM 及外围芯片的低八位地址锁存 EPROM 存贮器的容量为 4KB 字节 需 12 条地址线 由单片机的 A8 A9 A10 A11 提供高 四位地址 与 EPROM 存贮器芯片高四位地址线相接 8051 的地址选通端 ALE 作为地 址锁存器的使能端 当 ALE 0 时 8051 的 A0 A7 上的地址经过 74HC373 送到 EPROM 所对应的低八位地址线 A8 A11 地址线作为 EPROM 的高四位地址 8051 单 片机的 A12 A15 通过地址译码器选通相应的外围芯片 从而实现数据的输入和输出 控制 使能输 出控制 复位部分 地址 译码 器 单片机 地址 锁存 器 程序 存储 器 安徽理工大学毕业设计 18 程 序 存 储 器 调制解 调 TXD RXD 发送 接收 8051 驱动电路 地 址 开 关 开关量输入 1 4 开关量输入 5 8 P2 2 P2 3采样地址 断电 报警 继电器 输出 数据总线 地 址 开 关 开关量输出 继电器 输出 显示 数据缓冲器 A D转换电 路 模拟量输入 8路模拟量 输入 地 址 译 码 接电源 接断电控制器 去地面中心站 A0 A11 DB0 DB7 图 3 5 压力检测系统 8051 单片机的读写信号用于控制数据在数据总线上的传输方向 当读写信号为 1 时 且 E 1 CPU 进行读操作 E 信号线是 8051 单片机的总线控制线 E 可作为总线 同步器件的输出时钟 它与 TTL 兼容 XTAL1 及 XTAL2 是时钟输入端 8051 单片机内部设有振荡电路 外部接入 2 4576MHz 的石英晶体和电容后 就构成了一个完整的时钟振荡器 在井下压力检测系统的监控程序中 8051 单片机使用了四种中断 即复位中断 屏蔽中断 SCI 串行接口的接收中断和输出比较定时中断 复位中断 压力检测系统开机后 立即产生一个复位脉冲 使 CPU 进入复位中 断服务程序 即存在于 EPROM 中的工作程序 对压力检测系统进行初始化设 置 屏蔽中断 此中断线直接于压力检测系统的复位按钮 AN 相连 在执行监控程 序时 每按动一次按钮 AN 监控程序就中断一次 在中断矢量地址上 存放 跳转到压力检测系统监控程序入口的指令 故按一下 AN 后 程序就从头开始 执行 SCI 串行通讯口的接收中断 在程序执行的过程中 主机向压力检测系统发出 安徽理工大学毕业设计 19 命令 压力检测系统通过接收中断服务程序进行接收处理 主机向压力检测系统发出 的命令有固定的命令格式 每接收到主机发来的一个字节数据 压力检测系统 CPU 就 执行一次接收中断服务程序 每一组命令有八个字节 只有当 CPU 接收主机发出的八 个字节后 才接收并执行这个命令 而后根据命令类型执行相应的操作 并回送相应 数据 第一组第二组第三组第四组第五组第六组第七组第八组 其实标志 压力检测 系统号 原码 压力检测 系统号 反码 压力检测 系统类型 主机命令类 型 D S R I 继电器状 态量 继电器状 态检验 CR 表 3 1 主机向压力检测系统发送命令格式表 主机向压力检测系统发出的命令有四种类型 即 D 命令 R 命令 S 命令 I 命令 D 命令 是主机用来检查压力检测系统是否能正常工作的命令 R 命令 是主机用来控制继电器的工作状态的命令 当压力检测系统接收 R 命 令时 就根据主机的要求 控制各继电器的工作状态 S 命令 是主机用来了解压力检测系统当前外围设备工作状态的命令 I 命令 是地面中心站主机用来对井下压力检测系统进行初始化的命令 压力检测系统正确接收到主机发出的命令后 立即执行相应指令 并将交直流供 电状态 8 个模拟量输入 A D 的采样值 第 8 路模拟量的累计量 8 个开关量输入状态 闭合次数及闭合时间 继电器控制输出状态及其校验值向主机发送 监测系统软件中 地面中心站的监控程序命令和手控命令级别高于井下压力检测 系统的监控程序命令 当系统设定的监控程序或井下压力检测系统监控程序控制外围 设备不能满足地面中心站计算机管理人员的要求时 管理人员可以通过手控命令改变 外围设备工作状态 取消监控程序命令 井下压力检测系统监控程序固化在 EPROM 存贮器中 当压力检测系统电源被开 启后 监控程序开始运行 其过程是先检查压力检测系统地址开关状态 并送显示块 显示压力检测系统地址编号 最后显示 表示压力检测系统已执行完初始化程序 进入正常的监控 循环程序 正常监控程序首先是判断压力检测系统是否接收到符合命 令格式的中心站命令 若是 即根据命令要求转入不同的子程序 回送信息或监控外部 设备 反之 则对 8 路模拟量输入及 8 路开关量输入依次采样 并且将采样值报警限 值进行比较 若超过报警限值 则控制报警器发出报警 若超过断电限值 则控制断 电器动作 使设备断电 单片机硬件电路图如图 3 5 所示 安徽理工大学毕业设计 20 3 4 开关量输入 检测系统设有 8 个开关量输入 可采集附近 2KM 范围内各种设备的开停信号 开 关量输入电路由光电耦合输入电路 显示电路 数据锁存电路等组成 其工作原理框 图如图 3 6 所示 光电耦合输入电路直接与开停状态检测传感器相接 接收到的电流信号或触点信 号经光电隔离转换成标准的 TTL 电平信号 此信号送入二极管显示电路 同时页送到 缓冲电路 当单片机对缓冲电路使能时 缓冲器内的开停状态信息经数据总线送单片 机处理 当开关量输入接收到 5mA 电流时 耦合器 IC1 导通 输出端 1 位低电平 表示 设备开 当开关量输入端接收到 5mA 电流时 耦合器 IC2 导通 输出端 2 位低电平 表示设备停 当开关量输入端无电流输入时耦合器 IC1 IC2 的输出端均为高电平 表 示传感器或连接电缆损坏 因此 双耦合器开关量输入可监测设备的接通 断开 断 线三种状态其原理图如图 3 7 所示 图 3 6 开关量输入电路 图 3 7 光电耦合输入电路 IC1 与 IC2 接在同一个与非门的输入端 IC1 输出端直接联在另一个数据缓冲器上 只有 IC1 与 IC2 输出均为高电平 开入口无电流时 与非门输出低电平 表示故障状 态 IC1 输出端电平高低表示设备开 停 其信息直接经缓冲器 2 送到数据总线 被 MPU 接收 在开入口电路中接入了一组发光二级管显示电路 各路二极管的状态随所测设备 的开停而变化 设备处于开的状态 发光二极管亮 设备处于停的状态 发光二极管 灭 开入口电路 数据锁存电路 显 示 电 路 数据总线 开 入 1 开 入 2 开 入 8 5V 输出端2 输出端 1 IC1 IC2 5V 数据总线 数据锁存电路 显 示 电 路 开入口电路 开 入 开 入 开 入 输出 1 输出 2 安徽理工大学毕业设计 21 当开入口接入触点信号时 只需将相应输入口上的光电耦合器的输入与输出用跳 接线短接即可 3 5 开关量输出 系统的开关量输出中有 4 路由单片机 I O 口直接控制 另外 4 路由数据总线进行 控制 开关量输出主要由驱动器 显示电路和继电器电路组成 电路原理框图如图 3 8 所示 图 3 8 开关量输出电路原理图 为了保证控制有效 采用双在组触点继电器作为开关量输出控制 一组触点对外 图 3 9 触点状态电路 继电器继电器 驱动器 数据锁存器 驱动器 单片机I O口 数据锁存器 开出1 4 数据总线 开出5 8 RLY 5V NC NO C BX 安徽理工大学毕业设计 22 控制 另一组触点将继电器状态信息回送单片机 由单片机再送给地面中心站计算机 回送信息的触点状态电路如图 3 9 所示 图中 NO 为常开触点 NC 为常闭触点 BX 为数据总线上的一位 C 为控制触点 通常 控制触点 C 与常闭触点 NC 相接 当 MPU 不对 RLY 使能时 RLY 为高电平 无论控制触点接在常开触端还是常闭触端 二极管均不能导通 因此 其触点状态信 息不可能送到数据总线上去 当 MPU 对 RLY 使能时 没有吸合继电器的控制点 C 仍 与常闭点 NC 相接 此路二极管 D 导通 使其所对应的总线上的这一位为低电平 吸 合继电器的控制点 C 与常开触点 NO 相接 此路二极管 D 不导通 所对应的总线上的 这一位为高电平 因此 当 RLY 使能时 8 位数据线上的高低电平代表了 8 个继电器 的触点的工作状态 由单片机 I O 口直接控制的前 4 路继电器是由并联的一对驱动器 7407 所驱动 7407 时集电极开路的正向输出缓冲器 输出端可驱动 30V DC 在本电路中缓存器输 出端最高电压为 12V DC 如图 3 10 所示 图 3 10 并联驱动原理图 图 3 11 总线控制继电器原理图 当 MPU 输出低电平时 则在继电器两端产生 12V 压降 使继电器动作 由单片 机经过数据总线控制的后 4 路继电器电路如图 3 11 所示 由于数据总线不可能为继电器锁存信息 在反相驱动器 7406 与数据总线之间设置一级 数据锁存器 由 4D 触发器 74HC175 构成 当 MPU 对数据锁存器低电平使能时 当前数据总线上的内容被触发器锁存在锁存 器的输出端 继电器动作 经反相驱动器控制 由于 7406 是反相的输出缓冲器 只有 对应数据总线位为高电平的继电器动作 而对应数据总线位为低电平的继电器不动作 显示电路是由 8 个发光二极管组成 发光二极管的亮灭与继电器的被控制状态相 J 12V 2 7407 J 数据总线 B0B1 B2 B3 DIG0 RESET 12V 2 7406 安徽理工大学毕业设计 23 一致 3 6 系统通讯 调制解调器是煤矿安全生产监测系统的一个重要组成部分 用于实现地面中心站 计算机与井下压力检测系统之间电气上的连接 调制解调器将地面中心站计算机发送给井下压力检测系统的 RS 232C 标准串行数 据进行调制 变成正弦波载波信号向井下压力检测系统发送 其次 它接收井下压力 检测系统发来的经调制的信号 送给地面中心站计算机 实现地面中心站计算机与井 下压力检测系统之间的通讯联络 井下压力检测系统调制解调器的主要作用有两点 一是接收井上中心站计算机发 送的经井上调制解调器调制后的信号 并将其解调成标准的 RS 232C 信号 传送给单 片机 二是接收单片机发出的 RS 232C 信号 并加以载波调制 以正弦波信号形式传 送到井上调制解调器加以解调 传送给地面中心站计算机调制单元电路使用的是 MC14412 芯片 解调单元电路使用的是 XR2211 芯片 图 3 12 和 3 13 分别为调制和解 调的电路原理图 图 3 12 解调器电路原理图 C3 C1 C2 C4 R5 R1 R9 R7 R2 R4 R10 R8 R11W1 R6 R3 5V 12 V 5V 5V 12 V RDATA LISTEN BCD 2 3 4 5 6 7 10 13 14 12 8 11 1 XR2211 安徽理工大学毕业设计 24 T TD DA AT TA A T TA AL LK K V V3 3 V V2 2 C C3 3 C C1 1 C C2 2 C C5 5 C CH H V V4 4 R R3 3 R R4 4 R R9 9 R R1 12 2 R R2 2 R R7 7 R R1 10 0 R R1 1 R R8 8 R R6 6 R R1 11 1 R R5 5 E E1 10 0 1 11 1 7 74 4L LS S 0 05 5 1 12 2 1 14 4 3 3 4 4 2 2 8 8 1 13 3 1 15 5 1 10 0 9 9 5 5 M MC C1 14 44 41 12 2 5 5V V 1 12 2V V 1 12 2V V 1 12 2V V 5 5V V C C4 4 R RL LY YT TA AL LK K 输输入入 图 3 13 调制器电路原理图 3 7 系统报警 复位电路 鸣音报警有两种方法 单频音报警和音乐报警 二者各有自己的特色 均能收到