单片机在矿井通风控制系统中的应用

本科毕业设计（论文）通过答辩优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！摘 要本文介绍了单片机在矿井通风控制系统中的应用方法。利用 51 系列单片机对矿井通风控制系统进行改造，实现了对矿井通风机电机转速的自动控制，达到了对矿井通风量大小调节和矿井信息检测的目的。设计内容由系统硬件设计、系统抗干扰设计、系统软件设计等部分组成。本设计系统结构简单，抗干扰能力强，断电时可对程序保护，具有数据信号输入、显示、故障报警功能，可实现在线监控和现场调试。另外，本设计系统还具有手动/自动转换、通风机电机过热保护功能，在不改变硬件情况下，通过外加输入设备或改变程序，可方便实现系统功能的扩展和改变。关键词：单片机，矿井通风，变频调速，传感器1MCU Application in the Control System of Mine Ventilation AbstractThis paper introduces MCU application method in the control system of mine ventilation. By the help of the transformation to using the 51 series MCU to the control system of mine ventilation, the paper has realized to the mechanical and electrical machine rotational speed automatic control, and has achieved to the mine pit ventilation size adjustment and the mine pit information examination goal. The design content is composed of the system hardware design, the system anti-jamming design, the system software design, and so on. The simple structure, the strong anti-jamming ability, the procedure protection when power failure, the data signal input and demonstration, the breakdown reporting function, the on-line monitoring and the scene debugging are the main advantages of the design. Moreover, this design system also has the manual and the automatic switching, the ventilator electrical machinery 2excessively hot protection function, and, in the condition of not changing in the hardware situation, may facilitate the realization system function the expansion and the change with the sur-input device or the change procedure.Keywords: MCU, Mine Ventilation, Variable-frequency Adjustable-speed, Sensor3目 录1 绪论 .12 设计要求 .13 系统设计方案与风量调节方法 .23.1 系统总体设计方案与工作原理 .23.2 矿井通风机风量调节方法 .24 变频器发展与变频调速注意事项 .44.1 变频器的发展 .44.2 变频调速注意事项 .45 硬件设计 .55.1 单片机类型的选择 .55.2 控制系统供电电源 .65.3 传感器检测 .65.4 报警电路 .75.5 掉电保护电路 .85.5.1 单片机掉电设计原理 .85.5.2 掉电持续供电电路 .95.5.3 复位与掉电检测电路 .105.6 输入/显示电路 .115.7 固态继电器电路 .125.8 A/D 转换电路设计 .135.9 D/A 转换电路 .145.10 电机控制原理 .146 抗干扰设计 .166.1 概述 .166.2 硬件抗干扰设计 .166.2.1 电源抗干扰措施 .166.2.2 传感器抗干扰措施 .176.3 软件抗干扰设计 .177 软件设计 .188 结束语 .20致谢 .20参考文献 .20附录 .2241 绪论随着我国国民经济的快速发展，安全意识不断加强，作为危险作业的矿井工人安全问题受到高度重视。近年来，尤其是我国煤矿矿井事故不断出现，有人为管理因素，但重要的还是技术落后。解决矿井安全的问题，首先是解决矿井的通风系统的问题。通风系统的关键是对通风机风量和其他通风辅助设备的控制。通风机风量的调节有两种基本方法：一是改变风门调节；二是改变通风机电机的转速。风门调节不易实现自动化，而对通风机电动机的转速控制较容易实现。现在对电动机的调速控制有变频器调速控制，PLC电控控制等。单独利用变频器调速控制，达不到对通风机实现自动控制，也不利于以后的系统扩展改造。应用PLC 的好处是控制方便，可靠性高，编程容易，但是综合成本高。随着单片机技术的发展，基于AT89C52的通风机监视仪的设计和应用已经成功，利用单片机对伺服电机的控制得到了应用，基于单片机进行的保证室内空气质量的通风机控制器设计已经实现。目前国外对单片机的应用相当普及，国内虽然从1980年开始才着手开发应用，但至今也已拥有数十家专门生产单片机开发系统的工厂或公司，并且在程序控制、智能仪表等方面已经涌现出大量的科技成果。这些技术为单片机在矿井通风控制系统中的应用提供了技术支持。本设计研究参照单片机的国内外应用现状，考虑到我国大多数矿井通风的实际情况，采用价格低，功耗小，结构简单，编程容易，性能价格比好的51系列单片机作为主控单元，通过变频器调速，固态继电器电路切换，达到对通风机电机的自动控制，既解决了矿井通风机风量自动调节问题，而且成本比较低，扩展性好，易于应用。2 设计要求（）系统电源电压要与单片机工作电压相匹配；（）要使单片机的性能价格比较优；（）传感器要有很好的抗干扰性；（）系统有很好的抗干扰性，断电时可以保存用户所设定的各种参数；（）系统具 有 手 动 /自 动 转 换 、 在 线 监 控 及 在 现 场 调 试 、驱动通风机的电机过热保护，故障报警等功能。依据矿井通风的特点，本控制系统对电机的控制功能包括：当有一台电机过热时，系统能够自动转换为另一台电机工作；当一台电机不能满足风量要求时，系统能够自动启动另一台电机工作；通风机电机在变频情况下启动，当一台电机工作风量达不到要求，启动另一台电机，第一台电机能够自动转换为工频运行，变频器控制第二台电机，第二台电机也具有变频转工频功能。53 系统设计方案与风量调节方法3.1 系统总体设计方案与工作原理本设计系统根据设计要求，其设计模块应该包括：单片机选择、控制系统供电电源、传感器检测、抗干扰设计、手 动 /自 动 转 换 、 电动机保护、输入/ 显示电路设计、A/D转换电路、D/A转换电路、故障报警、继电器控制电路和软件设计。按功能要求拟定设计方案。若采用先对各个输入/输出信号模块进行设计，然后再对单片机输入/输出口分配，不利于在现有单片机的情况下，应用单片机进行设计，假如先对单片机的I/O口进行分配，然后对各个功能模块进行设计，就能够充分发挥单片机的功用，是一种最简单的设计方案。本设计就采用这种方案，对系统进行设计。系统总体设计框图如图1所示。由图1可知，本设计系统以单片机作为控制核心，依靠传感器技术来采集矿井中的信息，包括矿井温度、矿井风速、矿井压力、瓦斯浓度和电机温度，经A/D 转换电路，送入单片机处理，再由D/A转换放大电路送给变频器模拟控制信号，经变频器变频对通风机电机进行调速。通过单片机控制固态继电器通断实现工频、变频电路转换和两台电动机的切换，达到对通风机风量调节的目的。系统由键盘输入单片机控制数据，由显示电路显示控制系统的运行情况，出现故障时，相应显示电路给以显示信息并且发声报警。图1 系统总体设计框图3.2 矿井通风机风量调节方法对通风机的控制，目的是对通风机风量的调节。它通过改变通风机本身的特性曲线或改变外部管网特性来进行，分为风机恒速时的风量调节和风机变速时的风量调节。通风机恒速时的风量调节对于轴流式通风机，通过增大叶片安装角度可以增大风压，也可以通过改变工作轮的级数或叶轮片数来调节通风量。单片机A/D FANGDAN矿井温度矿井风速矿井压力瓦斯浓度电机温度D/A固态继电器变频器报警M1、M2键盘显示6但这些调节一般需要在风机停机时才能进行，只适合较长阶段的风量调节，无法实现通风量的平滑调节和与实际通风量要求的随动。对于离心式风机，目前都是通过调节通风机口及风道或送风道中闸门的开启程度，人为地减小风道断面，增加通风阻力，改变通风管网的特性曲线，最终改变风机运行工况点，实现风量调节。这是一种很不经济的调节方法。通风机变速时的风量调节，是通过改变通风机的转速，实现通风机特性曲线的改变，从而改变通风量，这是离心式通风机节能运行的有效方法。调节风机转速与调节风门改变风量方法比较，风机运行的工况点和特性如下图2所示。HH2 B3 1H1 A 4 2H3 CO Q2 Q1 Q图2 风机运行的工况点的特性曲线曲线1为通风机在全速下风压 风量(HQ)的特性曲线，曲线2为风门全开时管网的特性曲线。上述两曲线的交点A代表自然运行工况点，其风压和风量分别为H 1和Q 1。如果矿井需要的实际通风量为Q 2，可以通过调节风门，改变管网的特性得到曲线3，它与曲线1的交于B点，取得要求的风量Q 2，但风压上升至H 2。也可以通过改变风机的转速而使风机的特性曲线变为曲线 4，它与管网的特性曲线2交于C点，同样取得要求的风量Q 2，同时，风压降至 H3。假定在上述3个不同的工矿点运行时，通风机、电器和机械传动系统的效率都相等，则在3个不同的工矿点运行时从电网吸收的功率P A、P B、P C应与相应工矿点的风量和风压的乘积成正比，即与图中AH 1OQ1、BH 2OQ2和 CH3OQ23个矩形的面积成正比。从图上可以清楚地看出，P B仅比P A略小，而P C远远小于P A。也就是说，调节通风机转速改变风量的运行方式所消耗的电能远远小于调节风门改变风量的运行方式 1。通风机属于负荷平稳，起动不频繁，仅需较小起动转矩的设备，采用母线供电，交流鼠笼电动机拖动的不调速电控系统，调节风门调节风量的工作方式是最简单、最可靠的。虽然这种工作方式能耗大，但设备简单，投资小，可靠性高，维修容易，能满足煤矿安全生产的需要。而在过去，各种交流调速拖动系统存在一定的缺陷和局限性，直流调速拖动系统又过于复杂和昂贵的情况下，经过技术上和经济上的比较，我国矿井通风机大多采用交流电动机不调速拖动，7调节风门调整风量的工作方式。随着科学技术的进步，交流变频调速通风机电控系统技术已日臻成熟，单片机应用研究成果不断出现，实现通风机的变频调速自动控制是通风机控制的必然发展方向。本设计就是采用单片机控制变频器调节通风机电机转速的方法调节风量的大小。4 变频器发展与变频调速注意事项4.1 变频器的发展通用变频器自20世纪80年代初问世以来至今的20多年里，共更新了五代。第一代是20世纪80年代初的模拟式通用变频器；第二代是80年代中期的数字式通用变频器；第三代是90年代初的智能型通用变频器；第四代是90年代中期的多功能通用变频器；第五代是现在的集中型通用变频器。通用变频器的应用范围不断扩大。已遍及工业生产的各个行业，甚至进入了家庭。其产品正朝着3个方向发展： （）向着无需调整便能得到最佳运行的多功能和高性能型发展；（）向通过简单控制就能运行的小型化和操作方便方向发展；（）向大容量，高电压，高起动转矩及具有环保功能方向发展。随着大功率高耐压半导体器件GTO、IGBT、IGCT技术的成熟，大功率中压(1kV 10 kV)变频器已成为系列产品。俄罗斯电力研究院采用GTO 元件生产的变频器电压可达4.56 kV，电流可达 40006000 A，输出容量可达 10 MVA。美国Robicon公司生产的分离直流电源多重电源逆变器串联变频器，直接以6 kV或3 kV输出，输入输出波形都接近正弦波 2。目前我国已经有许多变频器生产厂家，功能越来越多，性能不断提高，价格相对下降，已经在风机、数控装置等设备中得到广泛应用。 4.2 变频调速注意事项风机类负载在过载能力方面的要求较低。由于负载转矩与转速的平方成正比，所以低速运行时负载较轻。煤矿矿井通风机容量一般较大，电动机一般为中压电动机(3 kV6 kV)。在技术改造时一般保留原电动机，根据电动机的电压和容量选用相应的中压变频装置即可。但鼠笼异步电动机由变频调速控制时，由于高次谐波的影响和电动机运行范围的扩大，将出现一些新问题。在旧设备改造留用原电动机时应注意以下几点：（）低速时的散热能力问题。通用标准鼠笼异步电动机的散热能力是按额定转速且冷却风机与电动机同轴条件下考虑冷却风量的。当使用变频调速后，电动机转速降低，冷却风量自动减小，散热能力变差。由于电动机的温升与冷却风量成反比，所以在额定转速以下连续运行时，应设置单独的恒速冷却风扇，8以改善电动机的低速运行散热能力。（）额定频率运行时有温升提高问题。由于变频器的三相输出电压波形都是SPWM 波，因此不可避免的在异步电动机的定子电流中含有高次谐波成分，高次谐波增加了电动机的损耗，使电动机的效率和功率因数变差，所以电动机的温升将会比变频调速改造前有所提高。高次谐波损耗基本与负载无关。通用变频器高次谐波分量越小，电动机的温升也越小。所以在选用变频器时，要注意选择高次谐波分量小的产品。（）电动机运行时出现噪声增大问题。这是SPWM变频器的载波频率与电动机铁芯的固有谐振频率发生谐振，引起电动机铁芯震动而发出的噪声。如果噪声过大或对同一控制柜内的其他控制设备有干扰时，可在一定范围内调整载波频率，降低噪声干扰。但应注意，调整载波频率会对变频器自身的特性产生影响，要慎重对待。变频器中逆变部分的SPWM 控制信号是具有陡变沿的脉冲信号，会产生很强的电磁干扰，干扰其他设备。电源滤波器和无线电噪声滤波器的作用就是抑制变频器的电磁干扰。变频器输出端串联安装的滤波器还能解决电动机过热和噪声问题。交流电抗器和直流电抗器的作用是改善变频器的功率因数和抑制输入电路中的浪涌电流，并削弱电源电压不平衡的问题。直流电抗器一般常配；交流电抗器在供电变压器容量500kVA或变压器容量超过变频器容量的10倍时考虑配置 2。本设计在考虑对风机的变频器调速的情况下，利用单片机对通风控制系统进行改造设计，给出了一种简单的满足设计要求的应用方法。5 硬件设计5.1 单片机类型的选择 单片机目前的生产厂家已达几十家，种类有几百种之多。知名的单片机生产厂商众多，主要有美国的INTEL、MOTOROLA、ZILOG、NS、MICROCHIP、ATMEL 和 TI 公司，日本的 NEC、TOSHIBA、FUJITSU 和 HITACHI 公司，荷兰的 PHILIP 公司，英国的 INMOS 公司和德国 SIEMEMS 公司等。MCS-51 单片机是美国 INTEL 公司于 1980 年推出的产品,产品型号较多，兼容性好，生产厂家多，是目前国内应用最为广泛的单片机系列之一，常见的主要有ATMEL、WINBOND、SYNMOS 和 PHILIP 等。其中，又以 ATMEL 的 51 系列单片机的应用最为广泛。ATMEL51 系列单片机与 MICROCHIP 公司 PIC 系列和 ATMEL AVR 系列单片机相比，可进行位处理且操作设置简单，采用HMOS 或 CHMOS 工艺，性能价格比好，容易购买，综合分析比较，本设计就9采用 ATMEL51 系列的单片机。考虑到应用系统本身对数据处理能力的要求，以及是否有其他方面的特殊需要（低功耗、工作温度、接口电路） ，功能是否全部满足规定的要求，例如控制速度、精度、控制端口的数量、驱动外设的能力、存储器的大小、软件编写的难易程度、开发工具的支持程度等。此外，考虑性价比的同时，并考虑元器件货源是否易得，是否便于安装操作，是否与供电电源相匹配。虽然A T89C51的功耗是8051的1/5，但是不支持ISP，必将被市场淘汰。目前， ATMEL已经停产AT89C51，推出了支持ISP 功能的AT89S51 。AT89S51 和AT89C51内核相同，但是，AT89S51针对AT89C51有明显的几个升级，如 表1所示。综合考虑，本设计选用AT89S51作为主控单元，它具有程序断电保护功能，可对程序进行保护。表1 AT89S51和AT89C51 比较型 号 AT89S51 AT89C51程序存储写入方式ISP在线可编程串行写入，速度更快，稳定性更好，烧写电压45V支持并行输入，同时需VPP烧写高压电源范围 45.5V 4.85.3V工作频率 最高 33MHz 最高 24MHz市场价格 较便宜 较贵兼容性 可兼容 89C51 可兼容加密功能 保密性更强 保密性弱抗干扰性 内部集成看门狗计时器 需外接看门狗计时器烧写寿命 更长 长5.2 控制系统供电电源本控制系统的供电电源分为单片机供电电源和变频器供电电源两部分，将变频器供电电源与单片机的供电电源分开供电，减少强电中出现的高次谐波对单片机的影响，使单片机的供电电源与变频器所要求的供电电源符合。由于通风机电机一般功率比较大，在选择变频器容量时，必须使变频器的容量大于电动机的功率，一般按变频器的容量与电动机的功率的比值为3 : 2选择变频器。单片机供电依靠变压器对交流电变压、整流与滤波后，变为直流电送给单片机。将变压器与单片机隔离，防止强电对单片机造成干扰。5.3 传感器检测10传感器是控制和获取外界信息的重要手段，也是单片机前向通道的关键部件。它能将非电量转换成电量，能对温度、压力等进行测量。传感器的种类繁多，其中，压力传感器主要用于各种压力如对静压、动压、绝对压力、真空压力、负压及压差的测量等。温度传感器包括热电阻、热电偶以及各种半导体测温元件等。由于在井下任意一个端面上，有静压能、重力位能和动能三种能量，通过静压和动压体现出来。只要有空气就有静压，动压只在有空气定向流动时才有，设某点的空气的密度为（kg/m 3） ，风速为V（ m/s）,则单位体积内空气所具有的动能Ev( J/m3)为:Ev= v2/2 （1）动能对外呈现的动压hv(Pa) 为:hv= v2/2 （2）由此看出其大小与该断面的平均风速的平方成正比（因为一般变化不大） ，即风速与动压成正比。通风压力是空气借于流动的压力，压差存在，决定了空气的流动，本设计就是根据通风压力的要求，选择精度高、稳定可靠，使用方便的KGY4 型负压传感器，用于检测矿井负压的大小。输出信号为频率2001000Hz，恒流420mA。经转换电路送给单片机，由单片机对通风机进行控制。矿井瓦斯浓度采用极高灵敏度和极快的响应速度且功耗低的KGS-20型可燃气体传感器，将检测信号经过转换电路送给单片机处理，控制通风机电机。矿井温度由温度传感器检测，经过转换和传输电路，送入单片机，由单片机对信号进行处理。当通风机电机过热时，由温度传感器检测的信号经过A/D 转换电路，通过接口将信号送入单片机。矿井风速检测采用智能风速传感器，将其输出信号经过转换送给单片机处理，控制通风机电机。传感器直接采集所得的信号小，往往无法进行A/D 转换，必须采用放大电路，对其信号进行放大。在矿井中，干扰、噪声比较大，故采用隔离放大器。根据隔离放大器的偶合的不同，隔离放大器可以分为变压器偶合隔离放大器和光偶合隔离放大器 3。由于光耦隔离放大器隔离效果好、频带宽等优点，本设计采用目前常用的ISO100型号的光偶放大器，对所采集的矿井压力、矿井温度、矿井风速和矿井瓦斯浓度信号进行放大。115.4 报警电路当系统出现故障时，控制系统应发出报警信号。本设计用压电式蜂鸣器作为报警信号，它的驱动电流约10mA，用一个晶体三极管作为驱动。驱动的输入接AT89S51的P2.6 。报警电路如图3所示。P2.6 接晶体管基极，当P2.6 输出高电平“1”时，晶体管导通，蜂鸣器报警。输出为低电平“0” 时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。对于三极管的基极控制集射极导通的电压大小的要求。可在设计时加入一个电阻，以满足三极管的要求。+5V PB2130UP002A 2SC1815图3 故障报警电路5.5 掉电保护电路5.5.1 单片机掉电设计原理以单片机为核心的实时数据采集系统和智能终端已广泛应用于很多领域，这些对数据安全性要求较高的单片机应用系统，常常要求存储器(RAM)中的数据在电源掉电时不被丢失，重新加电后系统能恢复原来的工作状态。掉电保护通常采用3种方法：（）加备用电源(如电池) ，使系统在掉电后仍能正常工作；（）用后备电池对RAM供电，掉电后只对RAM供电，系统停止工作；（）不采用备份电源，在掉电时将需要保护的数据存储到非易失存储器(如EEPROM和FLASH) 中，来电时将数据从非易失存储器中重新读出。第1种方法体积大，成本高，要经常更换电源，第2种方法在掉电时只能保存RAM中的数据；第3种方法联线简单而且芯片价钱便宜，FLASH写入次数有限(一般为 10万次 )，但是，即使按每天掉电50次计算，也可以使用5.5年。本研究采用第3种掉电保护方法，即单片机掉电保护电路。单片机系统中的掉电保护电路主要由IMP706SCSA芯片、复位电路、掉电持续T89S51P2.6 复位电路 MR RESET IMP706SCSAPF1 PFOVCCRESETAT89S51IRQ0VCC电源供电掉电持续供电 电压调整电路分压电路电压调整电路12+5V+5V +3.3V +1.8V图4 单片机掉电保护系统结构图供电电路和看门狗定时器电路组成。由于AT89S51 内有看门狗定时器，所以不在外接看门狗电路。有掉电保护的单片机系统结构图如图4所示。从硬件上考虑，系统正常工作时，由电源供电电路给单片机和其他电路提供工作电压。掉电持续供电电路主要由法拉电容(CD3和CD4)组成。系统掉电后，由掉电持续供电电路给单片机、IMP706SCSA芯片等提供工作电压。采用IMP706SCSA芯片检测电源电压的下降。掉电后，IMF706SCSA芯片的PFO端产生掉电中断信号，单片机的IRQO端与PFO端相连接收掉电中断信号，使系统执行掉电中断处理工作。从数据保存上考虑，采用非易失性存贮器(FLASH)保存数据，在FLASH 中开辟掉电信息存贮专用区，存贮区为200 kB，保证有足够的区域存贮掉电信息。只在掉电时，才将RAM 的数据和系统的运行状态保存到FLASH的掉电信息专用区中。从软件上考虑，在掉电发生时，掉电保护电路要能及时产生掉电中断信号给单片机，以便执行掉电中断处理程序，设置掉电标志，保存RA M中的数据和系统运行的状态。系统重新上电，主程序开始时先判别有无掉电标志，若有，则进行掉电恢复，即恢复RAM中的数据并恢复到掉电前的运行状态。5.5.2 掉电持续供电电路系统正常工作时，由电源供电电路提供+5V供电。当发生异常掉电后，掉电持续供电电源由法拉电容( CD2，CD3 )持续5V电压(+5V)供电，IMP706SCSA芯片的工作电压为+3.3V，用一片三端稳压芯片将+5 V转换为+3.3 V对其供电。同理，再用一片三端稳压芯片将+3.3V转换为+ 5V给 单片机等供电。掉电持续供电电路相应的实现电路如图5与图6所示 4。+5V D3 F1 1.5A +5VIN5817 + R5 2CD2 4.7F/2.7VD1 2.7V13+CD3 4.7F/2.7V R6 2D2 2.7V GND图5 掉电持续供电电路1AS117-3.3+5V 2 3 +3.3VC1 C3 C40.1F 22F 0.1F图6 掉电持续供电电路25.5.3 复位与掉电检测电路复位电路由复位按钮(SW1) 、电阻(Rl和R2)和电容(CD1)组成，与IMP706SCSA的l脚相连，其电路图如图 7所示。复位电路采用上电复位和手动复位两种方式。系统上电时瞬间电流变化使CD1导通，置 IMP706SCSA的l 脚为低电平，从而在RESET端产生复位信号给单片机，使系统复位。手动复位通过按钮( SW1)进行。3.3VR1 100KSW1 R2 100KCD1 +3.3V220FR3 10K+5V R4 4.7KVIN VOUTADJWR RESET VCCIMP706SCSAGNDPF1 FPO14C2 300Pf图7 掉电检测电路、复位电路本设计设置了专门的掉电检测电路，当出现掉电故障时，掉电检测电路将发出掉电信号。掉电检测电路图如图7所示。掉电检测电路采用IMP706SCSA的PFO端给单片机的IRQ0端送掉电中断信号，使系统执行掉电中断处理；IMP706SCSA的RESET端给单片机的RESET端送复位信号，使单片机复位。当系统掉电时，IMP706SCSA 芯片的PFI 端电压降到1.25V以下，PFO端产生低电平使系统执行掉电中断处理程序。当IMP706SCSA的MR端为低电平时，RESET端产生低电平，给CPU送复位信号。5.6 输入/显示电路本设计用一个8位指拨开关，作为数据输入，申请中断，启动系统。由指拨开关输入数据，经74LS166的8位并入串出，并送到AT89S51的接受端RXD。 AT89S51经UART的串行接受数据存入SUBF寄存器，并检查当RI=1时，将此数据送至P1 显示。电路如图所示。指拨开关的8个开关分别与P1.0P1.7对应，控制8个LED发光二极管，本设计分别为指拨开关15 开关给于不同的用途，其功能分配如下： 键1用于启动系统；键2用于瓦斯浓度过大中断输入；键3用于矿井压力不正常中断输入；键4用于矿井温度不正常中断输入；键5用于矿井风速不正常中断输入；键 6 电机温度过热中断输入。在该系统中，发光管不但指示有指拨开关闭合，而且，当某路检测信号出现故障时，通过程序控制，可显示出那路出现问题，这就是该系统具有的在线监控和现场调试的能力。在初始状态，使P1.0 为高电平，P1.1P1.7为低电平，这使LED 发光管1不亮， 28亮。启动系统后，使P1.0为低电平，LED1亮。有故障出现时，对应的发光管灭。+5V 174LS1662 13 23 3P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5 P2.5 P1.6 P1.7 AT89S51RXDTXDP0P1P2PL P3P4P5P6P7Q7CLK 1NH154 45 5677 88图8 输入/显示电路5.7 固态继电器电路固态继电器（SSR）是一种无触点通断功率型电子开关。当施加触发信号后，其主回路呈导通状态；无信号时，呈阻断状态。它利用电子技术实现了控制回路（输入端）与负载回路（输出端）之间的电隔离和信号耦合，而没有任何可动部件或触头，实现了相当于电磁继电器的功能，而且，它具有体积小、开关速度快、无机械触点和机械噪声、开关无电弧、耐冲击、抗有害气体腐蚀、寿命长等优点，因而本设计利用AT89S51型单片机控制固态继电器来改变通风机电机供电电路。故态继电器输入510mA电流时通，而输入小于1mA时断；输入端工作电压通态一般不低于3V，断态一般不小于 1V。本设计采用交流过零型固态继电器，它能防止高次谐波的干扰。图9是采用的驱动方式。+5V电源图9 SSR输入端驱动方式在使用固态继电器时，要注意以下事项： （）由于电源上电时RC回路的充放电会产生误动作，通风机电机功率较大，这就需要选用大功率的固态继电器，而大功率的固态继电器无RC吸收保护网络环节。为此，可采用压敏电阻保护。（）由于负载断路、浪涌电流等易造成固态继电器器件损坏，应按额定电流的10倍以上浪涌电流值来选择合适的固态继电器。可采用快速熔断器或电SSSR负载 16源中串接限流电抗器加以保护。（）固态继电器的负载能力受工作环境温度影响较大，温度升高，负载能力随之下降。故在选用时应留一定余量，并注意散热处理。本设计通过AT89S51的P3.0、P3.1 、P3.3、3.4、P3.5输出控制信号，控制固态继电器的通断，达到电路切换目的。如图10所示，给出了单片机通过固态继电器驱动一台通风机电机的控制电路。在图10中，由P3.0口输出的控制信号，其它端口的输出信号与固态继电器的接法相同。在电路中，固态继电器起交流接触器的作用，能够控制电机接入那一路电源。单片机的抗干扰能力弱，采用固态继电器可减小对单片机的干扰。UVW+5V 270P3.0 RM（压敏电阻）图10 通过故态继电器的通风机电机控制5.8 A/D 转换电路设计本设计由 AT89S51 单片机作为 A/D 转换产品的主机， A/D 转换芯片选用目前常用的 ADC0809 芯片。A/D 转换如图 11 所示 。AT89S51 借助于程序启动 A/D 转换器(ADC0809)中任一路通道，进行转换工作，现取 IN0IN5 通道被启动工作， D0D5 为数据输出端，直接与 AT89S51数P2.0P2.1P2.2P2.5AT89S51P0 口PSENALEINT1 WRD0 IN0D1 IN1D2 IN2D4 IN5AB C ADC0809 OESTARTALEEOCD Q4Q3ALE Q2 74SL373 M1+AC SSR-J 17图 11 A/D 转换据总线接口相连。供电电压与单片机相同，即 Ucc 为+5V ，GND 接地。由A、B、C 选择模拟量输入通道中的那一个。地址锁存信号（ALE）和启动转换信号及输出允许信号都由软件产生。转换完成信号 EOC 送 INT1 输入端，AT89S51 在相应的中断服务程序读入经 ADC0809 转换后的数据送到内部 RAM中。6 个通道的信号输入分别为：IN0瓦斯浓度；IN1矿井压力；IN2矿井温度；IN3矿井风速；IN4电机 M1 温度；IN5电机 M2 温度。检测所得信号通常比较弱，需经放大后送入 A/D 转换电路。5.9 D/A转换电路本设计D/A转换芯片采用目前国内用得最普遍的DAC0832转换器。直接与AT89S51的P0 口相连，外接放大器，输出电压，控制变频器。输出电压的大小，由DAC0832的8位数字量输入来控制。D/A转换电路如图 12所示。-+5V-5V图12 D/A转换电路5.10 电机控制原理根据检测到的信息，经过单片机处理后，由D/A转换电路输出模拟信号，P0.0P0.1P0.2P0.3AT89S51 P0.4P0.5P0.6P0.7WRDI0 Rfb DI1 DI2 IOUT1 DI3 IOUT2 DI4 AGND DI5DI6 Ucc DI7 ILE WR1 Uref WR2 DGND18经过放大，送给变频器的模拟电压输出端，控制变频器变频调速。为了使通风机具有送风和抽风的双向自动控制功能，本设计将单片机的P3.3、P3.4 、P3.5与变频器的FWD、REV、RESET相接。用来实现电机的正转、反转和变频器的自动复位控制。由于单片机的输出数字信号弱，所以连接放大电路，使放大后送给变频器的电压达到+5V。同时，根据检测信息，由单片机控制固态继电器的通断，选择工频与变频电路，当一台通风机通风量不能满足要求时，通过控制固态继电器，将电机M1切换的工频运行状态，将电机 M2与变频器连接，进行变频调速。当电机的变频调速达到最大时，通过接触器控制，自动转换为工频运行状态。当电机M1过热时，系统自动切换到M2运行。其控制电路如图13所示。图13（a ）是变频器控制电路，输入信号来自单片机，对电动机记进行控制，按钮开关起手控制作用，图13（b）为工、变频控制电动机主电路，U 、V 、W为工频电路，R、S 、T为变频电路，通过固态继电器的切换，来改变电路。图13（c）为手动的工、变频切换电路，通过开关来切换电路。图13中热继电器具有对电动机的热保护功能。模拟变频信号正转信号SB1反转信号KM5复位信号SB2 KM6 SB3KM7(a) 变频器控制电路UVWR S T R U S V T W +5VVRFFWDREVRESETCM19KM1 KM2 KM3 KM4FR1 FR2（b）控制主电路FR1FR2SB5SB4 KM1 KM2KM2SB6KM2 KM1KM1SB7 KM4 KM3KM3SB8KM3 KM4KM4 （c）手动工、变频切换控制电路图13 单片机变频控制电路6 抗干扰设计6.1 概述单片机控制系统长期工作在恶劣的工作现场，并且变频装置本身内部主电路功率开关元件工作在大电流的高频通断状态，由此也可产生高频电磁辐射。由于单片机抗干扰能力弱，且应用在湿度高，有震动，空气灰尘多，并含有腐蚀性气体的场合，必须对抗干扰能力给予足够的重视。要求我们给以解决。干M1M220扰源有外部干扰源和内部干扰源两种。外部干扰与产品结构无关，主要是电磁干扰。内部干扰则是由产品结构、工艺等