皮带运输机控监测系统设计.doc

河南理工大学毕业设计（论文）说明书摘 要皮带运输机是一种用于对物料进行输送的连续运输机械，被广泛应用在矿山、电厂、港口等领域中。皮带运输机在工作中容易出现打滑、跑偏、堆煤、断带、撕裂甚至着火等事故，从而影响正常生产和安全。所以实现皮带运输机运行自动检测、报警和保护具有重要意义。该系统采用AVR系列的ATmega16单片机作为主控芯片，设计了本设计监测范围广，不仅可以监测皮带运输机的打滑、跑偏、堆煤、纵向撕裂和烟雾等故障，而且同时监测电机轴承温度和皮带环境温度，可实现对运输机运行的实时监控。当多台运输机需要同时监测时，控制器电路设计中的网络通信扩展接口可以实现他们之间的通信。关键字：皮带运输机，监测，单片机AbstractBelt conveyor is a continuous transportation machinery, it is used in production line of mine，power plan，ports，iron and steel enterprises and light industry widely, it can transport the dispersed material, also can transport the items made into pieces. Such a system classifiles the object under investigation as one of numerous possible categories that in return for the current domestic this paper mostly the in-situ human control way to improve, and realize the automatic monitoring, alarm and control.The system uses high-grade microcontroller AVR series of ATmega16 as the master chip, and therefore solve the PLC system as the high cost. At the same time also solved the problem of 51 series singlechip low current, slow processing speed, peripherals circuit complex. The designing monitoring range ,such as monitoring of the belt conveyor skidding of wandering coal longitudinal tear and smoke failure ,and the temperature of Motor bearing and belt environmental . As to realize the transport operation to the real-time monitoring .And add the function that set the alarm temperature value by self,its strengthen the systems adaptability.the system also designed network communication expand interface for customers to choose.KEY WORDS: belt conveyor,monitoring, singlechip27目录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 国内外皮带运输机控监测技术现状11.1.1国外皮带运输机监测技术现状11.1.2国外皮带运输机监测技术现状11.2 皮带运输机监测系统的功能及意义21.2.1皮带运输机监测系统的功能21.2.2皮带运输机监测系统的设计意义31.3 课题研究的内容3第二章 皮带运输机监测系统结构设计42.1监测系统结构设计42.1.1 系统结构说明42.1.2 系统部件的布置及其功能52.2信号检测电路设计52.2.1 打滑检测62.2.2 跑偏检测72.2.3 堆煤检测82.2.4 温度检测92.2.5 烟雾检测102.2.6 撕裂检测112.3 保护装置122.3.1 启动与停止控制122.3.2 自动洒水装置12第三章 基于单片机的皮带运输机监测系统硬件设计143.1 单片机系统设计143.2 电源模块设计153.3 输入输出模块设计173.3.1 输入模块设计183.3.2 输出模块设计193.4 温度报警值设定模块设计213.5 显示模块设计22第四章 程序模块设计254.1 主程序254.2 各子程序模块274.2.1 故障处理子程序274.2.2 显示子程序294.2.3 速度检测子程序314.2.5 报警温度值设定子程序324.2.6 AD转换子程序334.2.7 温度监测子程序344.2.4 温度值获取子程序36总结41参考文献42第一章 绪论1.1 国内外皮带运输机控监测技术现状1.1.1国外皮带运输机监测技术现状国外皮带运输机技术的发展很快，带式输送机的功能多元化、应用范围扩大化，如高倾角带式运输机、管状带式运输机、空间转弯带式运输机等各种机型;而且带式皮带运输机本身的技术与装备有了巨大的发展，尤其是长距离、大运量、高带速等大型带式输送机已成为发展的主要方向，其核心技术是开发应用了皮带运输机动态分析与监控技术，提高了皮带运输机的运行性能和可靠性。随着计算机技术的飞速发展，90年代以来国外先进的矿井采用了工业电视以及运输系统的综合保护，利用现代信息技术与网络技术，传送皮带运输机的各种参数以及图像。实现井下皮带运输的集中监控、监测系统。目前，日本、美国、德国等一些制造皮带运输机的大公司都广泛使用高档的控制器，开发了先进的程序软件和完整的自动远程监控系统，实现了对煤矿井下皮带运输机进行实时数据采集、处理、存储、故障诊断及查询等功能。许多公司已经设计出用计算机来监测控制，利用了计算机计算精度高、存储信息量大、逻辑推理能力强和运算速度快等优点来代替人工设计造型及校核等工作。1.1.2国外皮带运输机监测技术现状我国生产制造的皮带运输机的品种、类型较多。近年来我国皮带运输机监测技术水平有了很大提高，煤矿井下用大功率、长距离皮带运输机的关键技术研究和新产品开发都取得了很大的进步。如大倾角长距离皮带运输机成套设备、高产高效皮带集控系统顺槽可伸缩皮带运输机等均填补了国内空白，并对皮带运输机的关键技术及其主要元部件进行了理论研究和产品开发，研制成功了多种软起动和制动装置以及以PLC为核心的可编程电控装置，驱动系统采用调速型液力偶合器和行星齿轮减速器，在皮带运输机状态监测、事故预警与故障诊断方面取得了瞩目的成就1。 国内对矿井皮带运输状态监测与事故预警的研究已经在一些故障机理、诊断方法及简易检测诊断仪器研制上取得了一定成就，监测、诊断与预警等技术水平得到了迅速的提高，但是目前还没有一种矿井皮带运输状态监测与事故预警系统。而且基于我国生产力发展还不太不均衡，大多数中小型煤矿技术和安全保障水平相对还没达到采用自动控制系统的水平。由于皮带运输机的使用性质而决定了其工作环境比较恶劣，皮带运输机在运行过程中经常会出现跑偏、打滑、纵向撕裂、燃烧、断带、堆煤等故障。据统计，我国有很多的皮带运输机控制系统方面还采用现场手动控制，当发生故障时，手动控制很多时候不能够在第一时间做出相应的控制动作，所以这种控制方式不仅存在着很大的安全隐患，也会给企业的经济效益带来很大的损失2。随着科学技术的发展，控制器的处理速度有了很大的提高，而且其价格也很便宜，所以许多公司都利用了计算机处理速度快，控制精度高等优点研发出了不少现代化的皮带运输机运行监测系统。将计算机控制技术、网络技术、工业电视技术、通信技术、电力电子技术，用于井下皮带运输机实现自动控制，自动测量，不紧大大的提高生产效率，增加了煤炭产量而且使设备的可靠性和利用率得到有效提高，劳动人员的安全得到可靠保证，工作环境得到进一步的改善，实现了安全、可靠、经济的运行。 近年来，国内自动化研究单位在皮带运输机控制方面作了大量的工作，研制出以单片机和可编程序控制器为主的主控机。以灯光、模拟盘、控制台等屏幕显示的皮带动输机监控监测装置。 1.2 皮带运输机监测系统的功能及意义1.2.1皮带运输机监测系统的功能监测系统主要由信号检测单元、信号处理单元和数字显示、预(报)警控制单元组成。在生产过程监控系统中,为了确保安全生产以及生产的质量和技术指标,设计中对超过设定值的信号进行报警,采用声光报警电路。系统的主要功能:皮带运输机在正常工作状况时,没有故障信号，各检测传感器不动作,故障信号灯熄灭,没有报警声; 1）手动处理优先级最高，即使控制继电器导通，当按下停止按钮后，电机立即停止运转，实现紧急停车并闭锁，只有再次按下启动按钮后电机才可以运转。2）当有断带、跑偏和堆煤信号输入时，控制器使继电器动作，电机停止并报警。3）当烟雾传感器动作时，启动自动洒水装置并报警。4）电机转速低于一定值时，控制器使继电器动作，电机停止并报警5）其他故障用指示灯显示其故障类型，轴承温度和环温直接用LED数码管显示，当温度高于设定值时，发出报警并洒水，轴温或者环温中有一项高于65摄氏度时停止电机运转6）可以对轴温和环温报警值的设定，以增强系统的适应性报警可以提醒工作人员，工作人员可以根据现场情况来做出相应的故障处理措施，直至故障信号解除。1.2.2皮带运输机监测系统设计的意义皮带运输机系统复杂，环节多，运量大，所用的设备种类多，要求高。尤其是高产高效的现代化矿井的运输系统运行时就必须做到减少环节，消除煤流的停顿，实行不间断的运输连续化、检测、控制自动化，才能达到高产高效减员提效的目的。这样，除了安排少量的巡检人员外，可以不配备皮带运输机的操作人员和管理人员。以单片机为主控机的监测系统设计，可以用于皮带运输机实现自动控制，自动测量，这不紧可以提高生产效率、增加煤炭产量，而且使设备的可靠性和利用率得到有效提高，劳动人员的安全得到可靠保证，工作环境得到进一步的改善。选用单片机做主控芯片，它的价格低廉，这大大减小了系统的经济费用，实现了安全、可靠、经济的运行。本设计选用的事ATmega16单片机作为主控芯片，与PLC为核心的控制系统相比，它的成本更低；而且比51系列单片机能承受的电流大，处理速度快，外设电路简洁，信号传输抗干扰能力更强。1.3 课题研究的内容本文以矿井皮带运输机为背景，对煤矿皮带运输机控制系统进行了深入研究和具体完善，其主要研究工作如下：1）主要介绍本课题的背景、意义及国内外的发展状况。2）介绍皮带运输机运行监控系统的主要结构。3）监控系统的硬件设计。4）监控系统的软件实现。5）对全文进行总结，指出其特有研究的问题和今后的工作重点。课题主要研究的是皮带运输机在运行时对其运行状态的监测，通过对故障信号的采集，把采集到的故障信号传送给控制器，再由控制器对故障信号做以比较和判断，同时把采集到的温度值用LED数码管显示出来，构成一个简单的人机界面。一旦有故障发生，故障信号会及时的传送给控制器，控制器对故障信号做出分析判断，然后发出声光报警。当温度过高或者有烟雾发生时，系统会启动自动洒水装置来降温。当需要停止皮带运输机时，系统会使控制继电器动作，断开电机电源，来实现故障保护。第二章 皮带运输机监测系统结构设计2.1监测系统结构设计2.1.1 系统结构说明图2-1 系统结构框图各故障信号是以逻辑电平信号的形式传送给控制器，当有故障信号输入时，相应的指示灯点亮。故障信号输入到控制器后，经过程序控制，输出相应的控制信号并且显示实时温度值。当按下电源开关时，系统就开始工作，在没有故障发生时，继电器处于导通状态，这时启动按钮才能起作用，按下启动按钮，电机得电，皮带运输机开始工作。当有故障发生时，故障信号传送给控制器，控制器会关断继电器，使得交流接触器线圈失电，从而断开电机电源，皮带运输机停止工作并且发出故障报警信号。在故障解除之前继电器一直处于断开状态，实现了控制回路的安全闭锁。只有当故障解除之后，继电器才闭合，此时按下启动按钮后，电机才能工作。2.1.2 系统部件的布置及其功能1）每条皮带运输机的机头旁边都设有就地控制箱，启动和停止按钮则安装在控制箱内。2）所有皮带运输机都安装跑偏开关，每隔大约50米设置一对跑偏开关，严重跑偏时紧急故障停车。3）堆煤保护和纵向撕裂保护装置安装在每条皮带运输机的落煤点，出现事故时紧急停机，以防止皮带运输机事故的扩大化。4）烟雾传感器安装在皮带运输机运行的巷道内，特别是皮带运输机容易发生摩擦产生烟雾的部件旁边，用来检测烟雾浓度防止火灾事故的发生。5）速度传感器安装在皮带运输机的从动轮上，用来检测皮带的速度及防止打滑事故的发生。6）两个温度传感器分别安装在皮带运输机的电机轴和主滚筒上，随时检测滚筒的温度，并配备自动洒水装置，在温度值超过设定值时实现自动洒水使其降温。当温度高于65摄氏度时，控制器会自动关闭电机电源，防止温度过高而引起火灾。7）皮带运输机每隔大约100米设置启动预警装置，设备启动前发出预警信号，提示有关人员立即离开皮带运输机设备。8）在操作台上能集中显示皮带运输机的工作状态、故障类型和实时温度。2.2信号检测电路设计在使用传感器对物理量进行测量时，测量一个物理量，会有多种传感器可以选择，各种传感器在原理和结构上基本互不相同。传感器选型必须综合测量对象、测量目的、以及测量环境等因素，从而选择最为合理的传感器，这是在对某个量进行测量前要解决的首要问题。当选用的传感器确定以后，就可以确定与之相配套的测量方法和测量设备了。传感器的选用是否合理，这对测量结果和系统的可实现性都是至关重要的。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能参数。矿井皮带运输机的工作运量大、运输距离长、连续运输性能要求较高，为保障矿井的安全生产，提高生产效率，速度故障处理时间，就必须对矿井皮带运输机实施可靠的控制。传感器的选型直接关系到矿井皮带运输机系统的正常运行，任意传感器出故障都图2-2 故障信号采集会影响体统的正常运行，轻则造成系统频繁误动作，加速系统老化，重则造成设备和人工伤亡，因此传感器的选型和质量都极其重要。由于矿井的环境十分恶劣，传感器必须选用低故障率、高灵敏度、长寿命，具有三防功能的产品。2.2.1 打滑检测皮带打滑通常是由于皮带在与主动滚筒相遇点上的实际张力大于皮带两端张力的极限值而造成的。如果皮带和滚筒的速度不相等，那么皮带就存在打滑现象。本设计选用KGX-SI速度传感器。它是一种将皮带运输机的运行速度检测出来，变成电脉冲信号运输给保护装置，使装置能够根据速度大小来确定运行状态，可同时解决皮带运输机低速运转、打滑和断带等问题的智能传感器。KGX-SI矿用本安型速度传感器为本质安全型电气设备，主要适用于煤矿井下有瓦斯、煤尘爆炸危险的环境。与皮带运输机电气控制装置配套，用作输送带皮带速度（加速度）检测、低速打滑和超速保护。皮带速度不出现打滑时，两脉冲同时输入单稳态电路，变换后电子开关端输出高电平；若出现打滑现象，从动轮速度下降，霍尔元件发出的正脉冲将不能与前一脉冲触发的正脉冲同步，经过一段时间延迟后电子开关端输出低电平，低速指示灯亮。磁钢以一定的转速划过检测面，按动标定按钮，此时标定的为正常转速（视为100%），当转速50%70%倍的转速在10s左右速度传感器动作，当转速小于等于50%或大于等于110% 的转速时，速度传感器应立即输出控制信号时启动器动作。安装时只需将磁钢固定到从动轮端面，将速度传感器固定到机架上，感应端靠近磁钢。皮带机正常运转后，按下标定按钮即可。当速度传感器靠近磁钢时，速度传感器上的接近开关产生一个正脉冲信号，与从动轮转速成反比的正脉冲信号，每个正脉冲触发单稳态电路，产生一定脉宽的正脉冲，此时的正脉冲与接近开关发出的同时输入另一单稳态电路。KGX-SI速度传感器主要参数： 输入电压 ：DC12V 工作电流35mA输出频率（FO）：方波输出。3.0V 高电平输出状态，拉出电流为2mA时，输出电压3.0V低电平输出状态，灌入电源为2mA时，输出电压0.5V输出频率值FO=130VX,允许误差5，其中VX为胶带机速度ms，负载电流5mA 测速范围：0.1_4.0ms；频率输出范围：13520Hzs2.2.2 跑偏检测皮带运输机运行时皮带跑偏是最常见的故障，皮带跑偏轻则造成撤料、皮带磨损，重则由于皮带与机架剧烈摩擦引起电机过载，皮带软化、烧焦甚至引起火灾，造成整个生产线停产，因而，正确地处理好皮带跑偏关系到整个生产系统的正常运转。1） 跑偏传感器的主要用途跑偏传感器主要用于检测实际运行中带式皮带运输机的偏移状态来发出信号，实现带式皮带运输机跑偏后自动报警和自动停机功能，来防止因皮带运输机偏移倾斜使物料撒落。其常态为闭合状态，动作时断开。当皮带运输机在运行过程中发生严重偏移时，则传感器输出停机信号。2） 跑偏传感器的选型与安装选用GEJ25/35矿用本质安全型跑偏传感器，如图3-3所示。GEJ系列跑偏传感器是带式皮带运输机必备的安全保护装置。它彻底改变了传统跑偏传感器机械设计不合理、使用寿命短的缺点，其具有防砸、防腐、坚硬及柔韧性强等特点，适合在不同的恶劣环境中使用。跑偏传感器由立辊、复位手柄(调偏再启动)、凸轮及行程开关等组成。传感器分别安装于带式输送机机头部与机尾部两侧的机架上。传感器轴辊在正常状态下（无跑偏时），轴辊与皮带边缘线正交（垂直），两者间距离大约在5cm。当皮带因偏载而发生跑偏时，皮带与轴辊相互摩擦，并迫使轴辊发生偏移，当轴辊摆动角度25时，第一级微动开关动作，发出预警信号，当轴辊摆动角35时，第二级微动开关动作，切断皮带输送机控制回路停机或向监控站发出跑偏故障信号。来有效的防止皮带因跑偏而导致的洒煤、摩擦或撕裂而引起的皮带着火，以免运输系统皮带运输机运输系统的事故发生。当故障排除后，传感器轴辊自动又恢复到正常状态。GEJ25/35跑偏传感器主要参数：输入电压 ：DC12V工作电流35mA输出频率（FO）：方波输出。3.0V高电平输出状态，拉出电源为2mA时，输出电压3.0V 低电平输出状态，灌入电源为2mA时，输出电压0.5V频率输出范围：13520Hz/s 出线嘴数量：1只;允许电缆的最大外经11mm2.2.3 堆煤检测监测卸载点是否有堵煤现象，一般将传感器吊挂在皮带卸载处或机头的煤仓内。正常的煤流运动应不能碰击堆煤传感器。但当卸载点发生堆煤故障时，滞留的积煤应能触及堆煤传感器，使它发生动作。本文选用GLU50型煤位探测传感器为矿用本质安全型设备。在结构设计上电极探头采用不锈钢重锤式结构，因此结构紧凑，坚固耐用，安装方便，使用灵活，性能稳定。本产品由不锈钢重锤式电极探头、不锈钢钢丝绳和本安控制电路接线盒等组成，接线盒里放电路板和接线端子。将电极探头固定在适当位置上，当煤仓中的煤触及相应高度位置的电极探头时与本安电路控制信号输入端构成回路，经电路转换，输出控制信号。当传感器用于溜槽上时，本安电源给本安控制电路接线盒输入DC24V，并将本安控制电路接线盒外壳与溜槽连接，当煤等物料发生堵塞时，煤等物料就会出现异常增高的堆料现象，此时当煤等物料触及到电极探头时，电极通过煤的煤阻与检测电路形成检测信号回路，其信号传送、转换、控制等过程与应用在煤仓煤位时相同。它除了可以用于监测矿井煤位之外，还可以用以监测煤湿度。它具有以下特点：a. 外壳坚固，密封性能好，能在恶劣环境中使用；b. 动作灵敏，可靠，安装方便；c. 传感器能延时动作，延时时间可调，避免由于大块物料撞击引起的误动作；主要性能及技术参数工作电压：DC24V； 工作电流：30mA；2.2.4 温度检测集成模拟温度传感器，具有灵敏度高、线性度好、响应时间快等优点，而且它还将驱动电路、信号处理电路和必要的逻辑控制电路集成在IC上，有实际尺寸小、使用方便等优点。图2-3 DS18b20外部接线方式本文选用LTM8877数字化温度传感器，其内部核心芯片是DALLAS公司生产的DS18b20型温度传感器，测温范围 55+125，固有测温分辨率0.5, 温度数字量转换时间仅需200ms（典型值）,实时性非常强，同时用户可定义的非易失性温度报警设置。独特的一线接口，只需要一条口线通信，简化了分布式温度传感应用,无需外部元件，可直接用数据总线供电，电压范围为3.0 V至5.5 V 无需备用电源。DS18B20的数字温度计提供9至12位（可编程设备温度读数）精度，当不设置时默认为12位，最小分辨率为0.0625。信息被发送到DS18B20 通过1线接口，所以控制器与DS18B20只有一条口线连接。为读 写以及温度转换可以从数据线本身获得能量，不需要外接电源。 因为每一个DS18B20的包含一个独特的序号，多个DS18b20s可以同时存在于一条总线。较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此 ，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。2.2.5 烟雾检测当皮带运输机由于摩擦等原因造成烟雾发生时，悬挂在巷道内的烟雾传感器起作用发出报警声，同时故障信号传送到控制器，控制器会切断电机电源，同时启动洒水装置进行洒水，起到烟雾保护作用。烟雾传感器就是通过检测烟雾的浓度来实现火灾防范的器件。本文选用GQQ0.1型烟雾传感器，其内部电路图如图3-8所示。GQQ0.1型烟雾传感器主要适用于煤矿井下有瓦斯、煤尘爆炸性气体等恶劣的环境中，用于皮带运输机因摩擦发热或其他原因而产生的烟雾进行检测保护。该传感器可配接声光报警装置和断电装置，实现断电和报警控制，也可以与各种生产、安全监控系统配套使用。接上电源后，传感器上的红灯每秒一次闪烁，表示传感器预热延时，约 1012 分钟后，停止闪烁，进入正常检测，这时按试验按钮，红灯连续闪烁，频率加快，同时输出继电器动作保护。此传感器采用双气敏探头，对烟雾具有一定的选择性，其信号通过专用电路处理后，送给电控箱。当动作后，其输出高电平变成低电平送给电控箱动作，同时烟雾传感器内的红灯快速闪烁，并发出报警声音。由于此传感器设置了两个出线口，温度引线可以从其内引出，以简化路线连接。此传感器的安装位置应选择皮带运输机机关传动部件或容易发生摩擦产生烟雾的部件旁边，一旦有烟雾产生，烟雾进入感烟探头后，传感器立即动作。GQQ0.1型烟雾传感器工作参数：电网电压允许波动范围: -25% +10%;工作电压：DC12V、工作电流：150mA;传感器到主机的传输距离不得大于1000m（单芯截面积1.5mm2）传感器的输出信号制应符合MT209-1990第5.3条的规定并应在无烟检测为（5-10V），有烟报警0.5V当烟雾浓度为0.1mg/m3时，传感器的其响应时间30s 。传感器灵敏度为II级。图2-4 GQQ0.1型烟雾传感器内部电路图2.2.6 撕裂检测皮带运输机撕裂故障是皮带运输机最严重的一种故障。皮带运输机输煤系统有许多设备组成，但是皮带自身的安全却往往是一个薄弱环节，一条运煤皮带的成本占整个机器成本的40%以上，因此监测皮带撕裂现象发生非常重要。皮带撕裂的原因和现象主要有以下几种： 抽芯撕裂皮带在强烈的冲击力作用下，造成皮带中心的钢丝芯断裂，经过长时间的磨、压、拉等外力作用，断裂的钢丝芯断头露出来。 皮带跑偏造成撕裂皮带运输机在运行过程中，皮带发生跑偏，往单侧偏移幅度较大时，就容易形成折叠，受到设备结构摩擦很容易刮伤皮带，造成皮带撕裂，这一般发生在皮带的两侧。 异物划伤皮带这种损伤通常发生在溜槽下部，根据运煤流程的需要，相邻的两条皮带首尾衔接处应该有一定的高度，这样才能使上部皮带运输机的煤产生一定的势能。当落到下部皮带运输机时就达到一定的速度，但是如果下落的煤中混有尖锐物体，在接触皮带时由于惯性作用，尖锐物体就会划伤皮带，导致皮带在运动过程中造成撕裂。 煤炭卡压堵塞引起的撕裂这是由于皮带下面的缓冲托辊是间隔分布的，平且溜槽前端和皮带表面的距离有限，当较大物料下落时，落于托辊之间，将砸破皮带导致撕裂。另外当装载点处上料量突然增大时，也会使皮带装料堵塞，经过长时间摩擦，导致皮带撕裂。本文选用ZS-1型皮带撕裂传感器，如图3-9所示，适用于煤矿有瓦斯、煤尘爆炸等危险环境，与皮带运输机电气控制装置配套使用，用作皮带运输机检测与保护。当皮带运输机的皮带被尖锐物体穿透后，物料落到传感器上，这时传感器将信号传到信号箱，控制继电器动作，发出报警和停车信号，从而实现保护皮带的作用。2.3 保护装置2.3.1 启动与停止控制本系统采用交流接触器的自锁来切断电机电源而实现电机的急停,控制继电器直接串联到控制回路中。启动按钮是不闭锁的常开自动复位开关，启动按钮串联在交流接触器的线圈回路中。停止按钮为常闭型自动复位开关，直接串联到交流接触器的线圈回路中。当启动按钮按下时，接触器线圈得电，常开触电闭合，线路实现自锁，接触器正常工作，电机得电。当停止按钮按下时，线圈回路断开，接触器复位，使电源断开，电机停止工作。控制继电器直接串联在启动按钮回路，所以只有当控制继电器导通时，启动按钮才可以起作用，这样回路直接由控制继电器的通断来控制。而控制继电器是由单片机来控制的，所以电源电路的控制直接由单片机来实时控制。控制原理图如图2-5所示：图2-5 主控制电路图2.3.2 自动洒水装置本设计选用的是DFB-20/10矿用隔爆型电磁阀做自动洒水装置，当有洒水信号时，电磁阀开始工作。结构特征与工作原理：1、DFB-20/10矿用隔爆型电磁阀为直控二位二通常闭式结构,阀体上部为特种电磁铁。作为直接开闭阀门的动力源。阀体的下部为阀座，由进水口、出水口、导水阀口和活动铁芯等部件组成。通电后，在电磁效应的作用下，活动铁芯产生足够大的提升力克服弹簧和介质压力，使活动铁芯脱离导水阀口，阀口打开，介质即流通。反之，断电时，在弹簧和介质压力的作用下，活动铁芯将导水阀口关闭，介质不能流通。2、DFB-20/10矿用隔爆型电磁阀在公称压力范围内和流量接近于零或进出口压差为零的情况下均能正常开阀，因此工作可靠性高。3、电磁阀的进水口内置有高效网状过滤器，能有效地阻挡介质中直径大于0.5mm的杂质流经阀体，从而避免有害杂质造成不良影响。4、根据用户需要，可在省去控制装置的电源箱和传感器的情况下，电磁阀在接通36V或127V电源后，周期性地自动打开和关闭。打开和关闭的时间，用户在订货时可自行确定。选用DFB-20/10型矿用隔爆型电磁阀。它主要适用于煤矿井下含有煤尘和爆炸性气体的危险环境中作为降温、除尘洒水之用。可以作为井下自动及其它管路中控制全开或全闭之用，与系统控制设备配合构成皮带运输机控制系统，达到保护人体健康和安全生产的目的。本电磁阀分为上部阀体和下部阀座两部分结构，上部阀体为圆筒形结构，内部有电磁体，作为控制阀门开闭的动力源，下部阀座内有导水阀口，过滤器等部件，其中过滤器能有效阻挡直径大于1mm的有害杂质通过，这样既可以避免了喷头堵塞，又降低了井下工作人员的劳动强度。其工作原理是：不通电时，阀芯为初始态，导水阀口关闭，水不能流通，通电之后，在电磁效应的作用下，电磁体能产生足够的推力，克服水的压力，使阀芯脱离水阀口，水便流通，洒水装置自动洒水。第三章 基于单片机的皮带运输机监测系统硬件设计3.1 单片机系统设计图3-1 ATmega16最小系统本设计选用的主控芯片是ATMEL公司研发的AVR单片机ATmega16，AVR单片机有多种频率的内部RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，使得电路设计变得非常简单，并且内部资源丰富，集成模/数转换器、SPI、PMW、USART、TWI通信口和丰富的中断源等。AVR单片机最小系统如图3-1，由最小系统图可以看出AVR单片机的最小系统显得非常简洁，外设电路简单，这就大大的提高了它的抗干扰性能。当系统不需要外部时钟时，外部晶振也可以省略。其主要特性有：1） AVR单片机采用了具有独立的数据总线和程序总线的哈弗结构，采用流水线方式执行，大大提高了指令的执行效率，大部分指令可以在一个时钟周期内完成。2） AVR单片机I/O结构的设计使得外部电子元件数量可达到最小化，其I/O线具有可设置的上拉电阻、可单独设定为输入或输出、可设定（初值）高阻输入、驱动能力强（输出/输入可达20mA）等特性，可直接驱动数码管、LED、小型继电器等。3） AVR单片机内嵌高质量的Flash程序存储器，擦写方便，可反复擦写100010000次，支持ISP和IAP，便于产品的调试、开发、生产、更新。内嵌长寿命的EEPROM可长期保存关键数据，避免断电丢失。片内大容量的RAM有效地支持使用高级语言开发的系统程序。4） AVR单片机片内有多种独立的时钟分频器，可通过软件设定分频系数，提供多种档次的定时时间。AVR单片机中的定时器/计数器可双向计数产生三角波，再与输出比较匹配寄存器，产生占空比可变。频率可变、相位可变的脉冲调制输出PWM。5） 片内有多通道10位A/D转换器，处理模拟量时得心应手；串行异步通信USART不占用定时器和SPI传输功能；具有多个固定的中断向量入口，因此可快速响应中断5。相对于51系列单片机，它具有高性能、低功耗、处理速度快，内部电路丰富等特点。执行速度是传统的80C51单片机的十倍左右。3.2 电源模块设计系统所需电压有+12V和+5V，220V的交流电源通过电源开关直接供给12V变压器，变换为12V交流电，此时的电压波形是一个方向和大小都随时间变化的正弦波，波形如图3-4.1，再经过单相桥式全控整流电路后，输出波形如图3-4.2，此时已经滤掉了负电压，再经过电容滤波和LM7812稳压后，输出较为平稳的+12V直流电，波形如图3-4.3。图3-2 单相桥式全控整流电路应用LM78XX系列三端稳压来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、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，所以在电子电路中经常用来作为电源电路设计芯片。设计中选用了LM7812和LM7805，输出电压分别为12V和5V,但当稳压管温度过高时其稳压性能就会变差，所以在设计中给稳压管安装了散热器。经过LM7805稳压(如图3-3)的5V直流电源直接给单片机和温度值设定模拟电位器以及显示电路板进行供电。由LM7812稳压(图3-5)后输出的12V直流电源供电给输出电路部分，来驱动控制继电器。图3-3 7805稳压电路原理图图3-4.1图3-4.2图3-4.3图3-5 7812稳压电源电路图3.3 输入输出模块设计控制系统所用的电路板是一个8输入8输出的多用板，板上可以直接输入8个12V左右的直流电压信号。而输出部分也是由LM7812输出的+12V电直接驱动八个继电器作为输出。输入输出部分都采用PC817光耦隔离开关来实现单片机系统与外部电路的完全隔离。使用PC817不仅可以简化电路的设计，而且可以减小电路干扰，增加安全性。图3-6 PC817内部框图PC817工作原理：当输入端加电信号时，发光器发出光线，照射在受光器上，受光器接受光线后导通，产生光电流从输出端输出，从而实现了“电-光-电”的转换。普通光电耦合器只能传输数字信号（开关信号），不适合传输模拟信号。线性光电耦合器是一种新型的光电隔离器件，能够传输连续变化的模拟电压或电流信号，这样随着输入信号的强弱变化会产生相应的光信号，从而使光敏晶体管的导通程度也不同，输出的电压或电流也随之不同。图3-7 外部扩展通信模块另外系统还设置了外部通信接口以供选择，原理图如图3-2所示。当有多台皮带运输机需要监测时，需要应用外部扩展，即可使用此通信接口进行联网，形成网络控制，实现数据联网共享。3.3.1 输入模块设计故障信号以逻辑电平形式直接传送到控制器，加上阻容滤波整形后，直接输入到光电耦合开关PC817的控制端。当PC817导通时，74HC14输入口拉低，经过74HC14 的反向后，直接输出5V正电压，作为输入信号送到单片机I/O口，直接控制I/O口的状态。当信号输入高电平时，I/O口接收到的也是高电平。图3-8 输入模块原理图（1/8）由PC817传输过来的电压信号，再通过74HC14的反相整形，输入到单片机上的就是整形后的正脉冲信号，直接送至单片机。表3-1：74HC14真值表Input输入output输出AYLHHL74HC14是一款高速CMOS器件，其引脚兼容低功耗肖特基TTL(LSTTL)系列，可以实现6路施密特触发反相器，可以将缓慢变化的输入信号转换成清晰、无抖动的输入信号，它主要用于将上下沿较缓的数字信号变为方波形式以利数字信号接收电路识别，比如遗传高频数字信号方波经过一个普通光耦后可能畸变使后级电路不能识别，这时加一个74HC14就可以使其变换为一个清晰、无抖动的方波信号。图3-9 74HC14引脚功能3.3.2 输出模块设计输出模块原理图如图3-10所示：控制信号由单片机I/O口输出低电平，光电耦合隔离开关PC817导通，使得+12V电源与ULN2803导通，电压经过ULN2803的反向作用后输出低电平，使继电器导通，来实现输出端的控制。该电路为反向输出型，即I/O口输出低电平电压，输出端才能导通工作。图3-10 输出模块原理图（1/8）ULN2803是有8个NPN达林顿晶体管，连接在阵列非常适合逻辑接口电平数字电路（例如TTL，CMOS或POMS上/NMOS）和较高的电流/电压，如灯，电磁阀，继电器，打印锤或其他类似的负载。ULN2803采用DIP-18或SOP-18塑料封装。1至8脚为8路输入，18到11脚为8路输出。驱动能力500mA50V。应用时9脚接地，要是驱动感性负载，10脚接负载电源正极。输入的电平信号为0或者5V。输入0时，输出达林顿管截止；输入5V电平时，输出达林顿饱和。输出负载家在电源V+和输出口上，当输入为高电平时，输出负载工作。ULN2803的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下他能与TTL和CMOS相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据：图3-11 ULN2803引脚图图3-12 ULN2803内部电路图（1/8单元）ULN2803工作电压高、电流大，灌电流可达500mA,并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行，其功能参数表如表3-1：表3-2：ULN2803功能参数表Rating 参数符号数值单位 Outputvoltage 输出电压VO 50 V Inputvoltage 输入电压VI 30 V Collector CurrentContinuous集电极电流-连续IC 500 mA Base CurrentContinuous 基极电流-连续IB 25 mA Operating Ambient Temperature Range 操作环境温度范围TA 0 +70 Storage Temperature Range 储存温度范围Tstg -55 +150 Junction Temperature 结温TJ 125 3.4 温度报警值设定模块设计报警值的设定是通过两个5.6K的电位器，直接输入一个模拟电压值给单片机PA6和PA7口，AVR单片机内部带有AD转换器，所以这大大的减少了硬件电路的设计，经过内部的ADC转换，使得模拟信号转换为数字信号，再经过程序转换，直接输出到数码管上显示。在设定模式下，数码管显示当前设定值。退出设定模式时，处理器会自动保存当前设定值。当温度值高于设定值时，系统会发出报警信号并且启动自动洒水装置，进行降温处理。当温度持续升高到65时，系统会启动保护，断开主控继电器。图3-13 温度值设定模块原理图3.5 显示模块设计对于检测到的轴温和环温分别用三位数码管显示，此显示模块只需从单片机I/O口引出三条数据线，这三条数据线分别引入数据锁存芯片74HC595的ST_CP、SH_CP和DS引脚，再通过对74HC595发送控制脉冲即可实现温度值的显示。此显示模块由三个74HC595分别来控制三位数码管的显示，每个74HC595的八位并行输出端分别接至七段LED数码管。当需要多个显示时，直接可以从从电路板上引出五条数据线进行级联即可。图3-14 74HC595引脚表3-3：74HC595引脚说明图符号引脚描述Q0Q7第15脚17并行数据输出GND第8脚地Q7第9脚串行数据输出MR第10脚主复位（低电平）SHCP第11脚移位寄存器时钟输入STCP第12脚存储寄存器时钟输入OE第13脚输出有效（低电平）DS第14脚串行数据输入VCC 第16脚电源74HC595是硅结构的CMOS器件， 兼容低电压TTL电路，遵守JEDEC标准。将串行输入的8位数字，转变为并行的8位