煤矿副井称重系统

1、中国矿业大学China University of Mining and Technology科研训练学院机电工程学院专业机械工程及其自动化班级姓名学号指导教师煤矿副井称重系统1绪论1.1课题的提出背景及意义 随着市场经济的发展和矿井现代化、标准化建设的需要，提升机的运行质量越来越受到各级部门的重视。随着矿井生产的集中化和大型化的发展，提升能力不断加大，运行速度越来越高，提升高度不断加深，因此对提升机运行的可靠安全性要求也越来越高。目前矿井提升虽已采用多种电气和机械后备保护，但坠斗等事故仍时有发生1，造成设备损坏、煤矿停产，并伴随造成很大的经济损失。 在现代化的煤矿生产过程中，煤矿的运输系统主

2、要担负着煤炭运输和人员、材料、设备等物资运输这两大运输任务。煤矿辅助运输是指煤矿井下的运输除煤炭运输以外，人员、材料、设备等的运输任务。在煤矿生产过程中，需要不断的将各种设备和人员由地面运输到井下才可以维持各个生产环节的安全有效进行。因此，生产物资和人员的井下运输是除煤炭运输之外的一个重要环节2。随着经济的发展和社会生产的要求，煤矿的开采必须相应的加大生产效率以适应越来越多的需求。因此，除加快煤炭开采力度加大以外，还要相应的提升煤矿运输系统的效率，包括提高生产物资和人员等物资设备的运输效率。但是，随之而来也产生了一些问题，例如在加快提升的同时却忽略了提升的安全稳定性能，从而造成人力物力财力等不

3、必要的损失。煤矿副井提升罐笼称之为矿井的提升机。罐笼一般用于矿井的副井提升，主要用于提升人员、矿石、设备、材料等。对于中、小型矿井，罐笼也可以作为主井提升，作为提升煤炭使用，罐笼是矿井提升中的重要设备之一3。根据副井提升系统的分析，导致提升系统出现事故的原因有超载和超载重差、提升钢丝发生断绳事故、阻车器使用不当使得矿车从罐笼中侧滑甩出去等4。其中最严重的事故的主要因素就是超载和超载重差运行。根据煤矿安全规程对煤矿罐笼提升安全工作做出规定，提升装置(罐笼)的最大载重量和最大载重差应在井口公布，严禁超载和超载重差运行。每一个矿车的最大载重量是一定的，如果矿车承载的人员或者研石、设备过重会发生严重的

4、安全事故。装载矿车的罐笼出现超载或者超载重差提升，就有可能导致绞车两侧的罐笼发生倾斜的现象，导致运输提升时的不平衡，严重时会导致罐笼和矿车的坠落和甩出5。导致坠斗事故发生的因素很多，坠斗事故的发生不是偶然的，是由多个环节故障、缺陷或失误形成的，如超重差、绞车超载、滚筒摩擦衬垫与提升钢丝绳间的摩擦系数小、制动系统施加的制动力矩不够、提升司机发生人失误等。 现代化的煤矿生产要求兼顾效率与安全保证两个方面，课题研究的目的就是要在保障生产的效率的同时保证安全性。传统的管理方法更多的将管理重心放在采掘面的产量和质量上，而忽视了对运输环节的重视，从而使运输岗点成为了监管的薄弱部分。但是输送提升环节却是在煤

5、矿运行系统中隐患较大的环节。如何减少提升环节的事故发生率是一个非常关键的问题，存在很重要的实际应用问题。科学技术的发展，使得我们可以利用新技术，从更高效和人性化的角出发来解决这一技术难题，分析生产运输要求。因此我们设计了一种能够实时监测矿车重量的系统，分别在副井的井口和井底测量矿车的重量6，保证罐笼在提升时能够满足煤矿安全规程的要求，不至于出现罐笼超重以至罐笼坠落这种危险事故的发生。虽然现在煤矿安全系统上在广泛的应用罐笼防坠器，但是防坠器依然存在很大的安全隐患，甚至很多煤矿在做防坠器的安全实验时就出现了罐笼的坠落事故lgl。根据上面的分析，我们有足够的理由设计一种装置，这种装置可以确保加强副井

6、的提升系统的安全性。轨道矿车称重系统就是根据煤矿的实际应用情况而设计的一种静态称重系统。当矿车进入副井之一前测量矿车的重量一次，当矿车到达井底时再次测量矿车的重量，同时两次的重量和重量差要符合煤矿的安全规程的规定0这样就能保证两侧装载矿车的罐笼的平衡性，不会出现倾斜的现象，对提升的系统的安全能够起到一定的保障作用。矿车轨道称重系统已经在大屯煤矿成功的实施应用，整个系统的运行良好。工人可以通过上位机的界面直接的了解到矿车的载煤重量，对于整个煤矿系统的良性运行都起到了了解和监控的作用。矿车轨道称重系统通过对矿车的监测，可以及时发现故障苗头，使问题刚刚出现就得到及时解决，对事故的发生和扩大将起到有效

7、地预防作用。因此，该课题的开发无论从煤矿安全生产考虑，还是从煤矿建设的标准化考虑都有着重要意义。1.2国内外研究状况 矿井提升机是煤矿主要设备之一，它的工作状态如何将直接关系到整个矿井的安全生产，矿井提升机在煤矿生产中所处的地位决定了其运行的合理性、安全性及可靠性成为矿井提升系统设计、使用及维护应考虑的首要问题。因此，国内外对矿井提升设备的安全性提出了极其严格要求，如何提高提升设备的安全性、可靠性成为确保煤矿安全生产的重要课题。长久以来矿车轨道称重都由于操作困难运行复杂而没有得到具体的实施。近年来由于科技的进步和技术的提升使得矿车称重的问题被提上日程，越来越多的研发机构开始涉足矿车轨道称重的项

8、目，并且很多的设备己经在部分煤矿得到了良好的运行，发挥了其应有的作用。但是绝大多数的称重装置较多考虑的是煤矿主井的煤重的测量，如何保证煤炭测量的准确性，如何防止逃避煤炭重量的测定等9。例如重庆大唐测控技术有限公司设计了一套矿车轨道式称重装置，采用基础板将钢轨、一体化传感器基础连接，形成坚固的机械结构，称重传感器引轨固定。称重传感器尽量安装在进口以外，且必须是出煤的唯一通道，为的就是防止逃避煤炭总量的测量。洛赛尔传感技术有限公司的矿车动态称重系统，当矿车用绞车拉着或由电机车拖动动态通过秤台时，矿车的每一根车轴上的两个轮子通过称台上的称重导轨，就把信号给了传感器，传感器首先测出重量信号，传给采集仪

9、，采集仪传给计算机，计算机分析该辆矿车每一轴的重量，然后累加这一排矿车的总重。计算机可以记下每时刻通过的重车重量和总重，并且可以将回去的空车去皮，保证重量的准确性。目前，国内研究的较多的对罐笼的保护装置，例如防坠落罐笼，罐笼防坠器等，这些装置主要是从缓冲装置方面进行的保护性措施，只能减少在意外发生时的伤害。目前，国内尚无定型、推广使用的防坠托罐装置。约80%的摩擦提升的矿井没有防坠托罐装置，缠绕式提升绝大多数矿井都没有防坠托罐装置。白世昌介绍了一种日本的逆止爪式的刚性防坠托罐装置，国内的一些设计院在工程设计时也采用结构类似的刚性防坠托罐装置，设计这种刚性防坠托罐装置时，其冲击载荷一般按提升容器

10、最大终端载荷的5倍进行计算。这种逆止爪结构型式的防坠托罐装置，在潞安矿务局常村矿、开滦矿务局钱家营等矿已使用，西德Vesterholt矿副井也装备了这种结构形式的防坠托罐装置，该矿井副井三层罐笼带平衡锤运行，有效载重3 0.45吨，最大终端载荷11吨。可以看出，采用这种刚性防坠托罐装置，它的冲击载荷将给矿井井塔(井架)结构及强度提出了较高要求。 综合以上可以看出，国内外研究主井提升系统安全和副井对罐笼的保护较多，但是系统地研究罐笼坠落事故的形成机理以及防止罐笼坠落的原因的较少。而后者是造成煤矿副井坠斗事故的主要因素，如何防患于未然，如何从根本上解决坠斗事故是亟待解决的问题。本论文就主要研究了导

11、致罐笼坠落的重要因素，也就是如何防止超重和超重差的问题。1.3课题的主要研究内容 本课题旨在研究一套具有测量井上井下矿车分重量、总重量和重量差并且能够实时监控的称重系统。 课题的研究主要包括系统硬件和软件的设计。其中硬件设计包括传感器的选取，上位机和下位机的电路设计，上位机和下位机的通信部分的设计;软件设计包括上位机界面的设计，数据采集，数据存储以及数据通信等。具体可以分为以下几个方面:(1)对煤矿副井罐笼和矿车工作的状态进行调研，根据煤矿生产现场的特点和系统的性能指标，明确系统的开发目标及需实现的功能，确定系统的研究设计方向和研究要点以及注意事项并依此制定科学合理的总体方案。(2)根据总体设

12、计方案分模块完成任务。首先确定系统需要的上位机和下位机个数，根据实际的需要明确下位机所要完成的任务，然后依照这个目标选取合适的传感器，进而完成下位机的电路设计，完成信号的采集、处理、存储、显示等。 (3)根据系统的监控要求设计上位机，实现人机交互界面、数据的通信等任务。(4)进行功能的实验室调试，确保系统的上位机和下位机通信正常，能够各自达到技术指标要求。本课题所要达到的预期目标有:设计称重系统参数检测的硬件电路，编写上位机和下位机应用软件程序，调试整机系统的各功能模块，模块整合后能够完成现场测量煤矿矿车重量的实时重量，同时兼具本地监控和远程监控功能。设计出较好的人机界面，方便煤矿工作管理人员

13、以及有关技术服务人员掌握矿车的装载状态，保证矿车重量在允许的范围之内，防止事故的发生。2系统整体设计方案2.1系统的整体结构 该仪器主要用于矿车称重，可装在副井的上下口，或井下煤仓入口，或地面矿车货场。根据安装方式的不同，可对一节矿车或两节矿车称重，实时显示当前的矿车重量，以便安全提升或下放。还可根据需要，累计出每班或每天的装运或提升重量。其主要作用是了解矿车重量，尤其是对重载矿车，如运送综采支架的平板车等，防止因过重造成提升或下放的安全事故。若用在井下煤仓入口，可对煤矿煤炭产量进行精确累计或统计。 仪器设有四只(对单节矿车)或八只(对双节矿车)称重传感器，均匀安装在轨道下面。当矿车行进到此处

14、时，监测分机便测量出各压力传感器的重量值，并进行累加，将结果显示在主机的显示器上。每只传感器独立工作，主机可以单独显示某一只传感器的重量，也可以显示所有传感器的总重量。主机可以同时进行传感器调零，以防止发生零漂，包括初次安装后的道轨自重。系统的总体结构如图2.1所示。 由系统整体结构图可以看出系统分为两套监测分机(四个)和一个上位主机，四个监测分机分别装在煤矿副井的上井口和下井口，其中上井口左右各一台监测分机，下井口左右各一台监测分机。每个监测分机上连接有八个传感器，这八个传感器用来测量两辆矿车的重量。两个监测分机为一组分别检测绞车所提升的上下两个罐笼的重量和重量差，然后位于井口的分机再通过R

15、S-485总线与上位主机进行数据的通信。 以其中一组监测分机为例，当矿车进入罐笼之前在轨道上进行称重，上井口和下井口同时进行测量，并且将上下井口轨道上的重量、总重量和总重量差通过总线的方式传递给上位主机，由煤矿副井的操作工人确定左右两侧提升和下放的重量差是否过大。根据煤矿安全规程对煤矿罐笼提升安全工作做出规定，提升装置(罐笼)的最大载重量和最大载重差应在井口公布，严禁超载和超载重差运行。如果上井口比下井口的重量差过大，那么就要减少上井口处矿车的重量或者增大下井口处矿车的重量，防止在提升时由于两侧重量的偏差出现罐笼的坠落事故。2.2系统的设计方案 系统的设计方案包括上位主机和监测分机的设计。上位

16、主机的主要功能就是显示由监测分机通过总线送进来的数据，并由人工判断数据是否在合理的范围之内。轨道矿车称重最重要的一部分设计就是井下和井口的监测分机的设计。监测分机要完成多项任务，包括信号的采集和转换、信号的存储与显示、监测分机与上位主机的通信等。其具体的结构框图如图2.2所示。由外部的传感器检测转换而来的频率信号经过信号的整形等处理之后进入单片微处理器，这时候微处理器要完成大量的运算和处理工作，例如信号的计算变换，将有效信号存入外部存储器中，同时将这些数据显示在数码管或者液晶屏上。监测分机还配有专门的看门狗单元，防止系统陷入死循环中。利用通信模块与上位机进行通信，将上位机所需要显示的数据实时的

17、传递过去。3.1微处理器的选型自从1971年第一颗单片机诞生以来，单片机大致经历了MCS-48, MCS8031, 80C51三个阶段。随着单片机的不断发展，它的体型越来越小，功耗和成本越来越低，应用范围越来越广，近年来它向旋风一样横扫全球，将单片机的应用扩大到电子产品的每一个领域。经过四十多年的发展，单片机己经遍及现代经济工业的各个方面。现在常用的八位单片机具有成本低、体积小、内部结构简单等优点，在各种控制系统广泛使用。目前，虽然所使用的单片机功能越来越多，位数也越来越多，但是八位单片机仍然占有很大的市场份额。因此，本系统的微控制器采用功能足够但是使用方便的八位单片机。八位单片机种类繁多，并

18、且特点各异，因此其具体的应用场合和选择种类随其特点也有所不同【10。下面是对目前常用的比较流行的几种八位单片机做的大致比较。AVR系列单片机具有高性能、低功耗和高速度、简单易学，费用低廉，等显著特点。AVR是直接在电路板上进行的程序烧录、修改等操作，这样对于产品的升级来说是非常方便的。另外AVR单片机还具有预取指令的功能，也就是在执行当前的一条指令时，预先会把下一条指令读取进来，这样就使得指令会在一个时钟周期内执行。PIC单片机是美国微芯公司的产品。它具有低功耗、低工作电压、一次性编程、较大的直接驱动能力、小体积等特点，适用于档次不是很高的产品。但是它的位操作指令一般会限制在存储体0区间(00

19、-7FH)，数据的逻辑运算和传送基本上都得通过内部的工作寄存器W来进行。而相对于PIC单片机，51系列单片机可以通过寄存器直接传送，因而PIC单片机在使用过程中不是很方便，这一点在编程过程中感受比较明显11。51系列单片机是目前应用最广泛的八位单片机应该首推Intel公司的51系列单片机。51系列单片机的优点之一是它有一套十分完整的按位操作的系统。它所处理的对象不是字也不是字节而是位。它不光能对位进行逻辑运算，还能对片内的部分特殊功能寄存器的某一位进行如置位、传送、测试、清零等的处理，使用起来非常的方便。虽然其他种类的单片机有一些也具有位处理的功能，但可以进行位逻辑运算的却很少见。51系列在片

20、内RAM中还有一个具有两种功能的地址区间，在这个区间中既可进行字节处理，也可进行位处理，这一功能给程序的编写提供了极大的方便，因为一个较大较复杂的程序在编写过程中会遇到很多小的分支，这个时候就需要建立很多的标志位，51单片机只需用使用一条位操作指令。另外，51系列单片机具有可以直接使用的乘法和除法指令，在编写程序过程中相当方便，但是51系列单片机高电平输出时没有驱动能力，而且在进行各种运算时过于依赖累加器A而影响了运算的速度。综合上面的分析和介绍，结合本系统的具体使用性能和特点的要求，选用51系列的AT89S52单片机。因为本系统对单片机要求不是很高，所使用的外围电路也是相对来说比较简单，功耗

21、不高，所需要的电路驱动能力通过对vo口外接电阻就可以实现，并且AT89S52单片机的成本较低，编写程序比较简单，这些功能完全能够满足系统的需求。AT89S52单片机是MCS-51单片机的升级版。AT89S52是一种高性能、低功耗的八位CMOS微控制器。在单芯片上，拥有在系统可编程Flash和灵巧的8位CPU，使得AT89S52可以为多种领域的嵌入式控制系统提供高效灵活稳定的解决方案。如同其他系列的单片机一样，AT89S52单片机能够正常工作至少需要合适的供电电压、稳定的时钟信号、有效的复位信号三部分，也就是平常说的最小系统。3.2传感器模块的选择与设计3.2.1传感器设计的原则在进入信息社会的

22、今天，人们对信息的提取、处理和传输的要求更加迫切。传感器是信息的源头，只有拥有众多性能良好的传感器，刁一能开发性能更加优越的检测仪器。传感器技术的发展在很大程度上代表了科学技术的发展水平12。传感器一般位于整个检测系统或者对象的最前端，是获取与检测信息的出发点，通过它将检测对象转换为较易处理的电流电压或者频率等其他信号。它所获取的信息与信号是否正确、稳定和可靠，直接关系到检测系统乃至整个系统的好坏，所以传感器是检测系统的首要也是重要的环节。随着技术的不断发展与创新，现在的传感器在原理、结构和应用范围上是千差万别，那么如何根据检测的目的测量对象、检测系统所在的环境而进行合理的选择传感器就变得相当

23、的重要13。测量结果是否准确，也很大程度上取决于传感器选定的好坏。虽然市面上的传感器的使用原理、内部结构、应用目的、现场环境条件存在很大差异，但是对传感器的主要性能指标的要求都是一致的，高灵敏度、高精度、工作稳定性好、可靠性高、抗干扰性能好、线性度高、使用方便、便于安装与维护等14。在使用时应根据实际的指标与使用要求，确保主要性能指标，适当降低对次要性能指标的要求，选择能完成检测任务但是又不会有过高要求的传感器。随着检测技术和自动控制的发展，传感器技术的应用研究越来越得到各行各业的重视，由于各个行业的测量对象和控制系统的要求不同，所以设计研究传感器检测应用系统，要根据具体的应用背景、检测对象和

24、目标，确定所要选择传感器的性能指标。一般设计传感器依据以下几项原则:(1根据检测对象与测量环境确定所需的传感器的类型 要进行一次具体的工作，首先要确定的是需要采用完成什么样功能的传感器。市面上的传感器很多，根据不同的测定功能分为压力传感器、温度传感器、光线传感器等。即使是测量同一物理量，也有很多传感器可以选择，还需要考虑传感器的大小、量程的大小、是接触式还是非接触式、信号线的引出方法等15。考虑清楚上述问题之后才一能确定传感器大概的类型。然后再根据具体的指标进一步确定。 (2)灵敏度 通常人们希望传感器在可适用的范围内灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，对被测量量的反映也就越灵敏。但是实际上灵敏度

25、过高的话也会引入较多的信号杂质，也会影响系统的测量准确性和稳定性。这时就要选择信噪比较高的传感器，减少干扰信号的影响。 (3)稳定性和适应性 传感器应用现场的环境复杂程度直接影响到测控系统的可靠性16。因此，传感器的设计特别要考虑现场电磁场的干扰、机械振动、噪声、粉尘、温度变化等的影响。在一些对环境要求较高的场所，就需要传感器能够足够稳定，可以接受环境的考验。 (4)性能价格比高 根据系统的功能及性能要求，合理选择器材及元器件，以保证系统有极高的性价比。 (5)结构简单，便于安装，操作和维护方便。3.2.2传感器的选择与电路设计本课题所使用的传感器类型为压力传感器，它能将感受到的压力转换成可用

26、的信号输出。为了使信号稳定可靠的输出，能够适应矿井粉尘等的环境，我们选择了液压传感器作为信号采集的最一前端。液压传感器的工作原理是外界物体的压力直接作用在传感器的膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻发生变化，用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这个压力的标准信号17。 在称重过程中，当矿车停留在装有液压传感器的轨道上时，会对轨道下的液压传感器产生压力，这种压力直接压迫传感器内部的液体使其产生压强。传感器的电子电路中的力敏电阻就会感受到压力的变化，会引起后续电路中各种参数的变化。实际设计传感器硬件电路图如图3.3所示: 当外界压力作用到一定面积上时，该面积上所受到的

27、平均垂直压力通常称为压强，该压力要垂直作用于受力面积，或者受力面积为等效该压力垂直作用的面积。因此，设计时要考虑到外界压力与压力转换器受力面的角度。它们之间的关系式: 外界压力作用于压力转换器受力面时，必须让该压力变化与电信号变化有一定的关系，即该压力产生的压强变量与电信号变量的关系，最好是线性关系。考虑到力敏电阻的特性:力敏电阻受到不同压力时其电阻值也不一样，正好符合该设计要求18。为了保证信号的灵敏度和准确度，本设计又采用了常用的桥式电路。电桥中的力敏电阻受到外界压力而使电阻阻值发生变化从而加在该电阻上的电压也跟着发生了变化，因而达到了外界压力与压力转换器内部的电压信号有了一定的关系。电桥

28、电路如图3.4所示。 同时为了与后面放大器AD623的输入一致，在此采用了差模信号的输出。外界压力作用于该桥式电路就产生了相应的电压19，因此它们有如下关系式:3.2.3传感器信号调理电路 传感器信号调理电路是频率信号从传感器输出之后进行信号的处理的部分，为了避免这些输出的频率信号与其它系统上的集成模块相互干扰，通常需要在进入微处理器之前设计信号调理电路，这样可以使得电路板之外引入的外界信号与电路板内的各种信号相互隔离。常用的隔离方法光祸隔离、变压器隔离等方式24。如图3.7所示为传感器信号调理电路，所使用的方式为光祸隔离。 当传感器使用电路板内部电源时J1接入三根线;当传感器使用外部电源是，

29、只需要用中间两个接入点。ICI是光电祸合器，光电祸合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光祸合器一般由三部分组成:光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管(LED)，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电一光一电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用25。由于光藕合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光祸合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。

30、所以它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性26。光藕合器的主要优点是信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。 IC 1具体使用的是4N25光电祸合器，它是由砷化嫁红外发光二极管和硅光电晶体管检测器光祸合构成，是一种发光二极管和光电晶体管面对面封装的单回路、内光路光电祸合器，也是一种晶体管输出六引脚DIP封装光电祸合器。该器件具有体积小、寿命长、无触点、抗干扰性能强等优点，是开关电路、逻辑电路、微控制器的隔离电路

31、等领域中的最佳选择。它的发光二极管的反向电压为3V，正向电流为60mA o另外R1的作用是限流，防止烧坏光祸。R2的作用是抬高电压，防止电压不稳定。3.3存储与显示电路3.3.1存储单元的设计 AT89S52单片机内部有256字节的片内数据存储器，但是在实时数据采集系统当中仅靠这256字节的片内存储器是远远不够的，这时就需要外扩存储器。这里我们选用常用的数据存储器E2PROM-93 C46 0 93 C46是64 X 16 (1024)位串行存储的电擦除可编程的只读存储器，其主要性能特点有: (1)在线改写数据和自动擦除功能; (2)电源关闭，数据也不会丢失; (3)输入、输出口与TTL兼容;

32、 (4)片内有编程电压发生器，可以产生擦除和写入操作时所需的电压; (5)片内有控制和定时发生器，擦除和写入操作由此定时电路自动控制; (6)具有整体编程允许和截止功能，以增强数据的保护能力; (7)单5V电源供电; (8)在等待状态时，电流为1.5-3mA; (9) 100万次写入/擦除周期，100年数据保存寿命; (10)存储器可选择8位或者16位结构。 AT93 C46是一种可以定义为16位或者定义为8位(当ORG引脚接Vcc是16位，当ORG引脚接GND时是8位)的1K串行EEPROM，它可以通过DO引脚或DI引脚进行读出或写入的动作。AT93C46是采用先进的CMOS E2PROM浮

33、动门工艺加工的器件，片内数据保存寿命达到高达100年，最多可以经受100万次的写入/擦除操作29。AT93C46与AT89S52单片机连接电路原理图如图3.9所示。AT93C46采用的是3线制串行总线，3线串行总线由SK、DI、DO这三条信号线组成，其中SK是串行时钟线，DI是数据输入线，DO是数据输出线。这里所谓的数据输入或输出是对E2PROM芯片而一言的，而不是对单片机而言的。在实际应用中，要实现对AT93C46的数据读写，最关键的有两点:一点是建立恰当的串行数据传送的硬件逻辑接口;另一点是用单片机的程序模拟AT93 C46的数据传送时序。3.3.2显示电路 系统的下位机需要显示实时采集到

34、的各路信号的频率值，因此需要设计数据显示模块。现在最常用的显示方式有两种:一种是利用发光二极管进行显示，也就是常说的LED显示，另一种是利用液晶显示屏进行显示，俗称LCD。这两种显示方式各有利弊。LED在亮度、可视角度、刷新频率等方面都要优胜于LCD, LED可以达到160。的可视视角，在强光和暗处使用也可以照用不误，但是LED的功耗较大 30。 发光二极管显示器具有性能可靠，价格低，使用寿命长等优点，另外发光二极管是主动式发光，在光线较差的煤矿井下，有利于工作人员观看数据，由于本系统的分机是在环境恶劣的煤矿井下使用，所以本系统的显示电路采用了发光二极管作为显示器。 数码管是一种半导体发光器件

35、，其基本单元是发光二极管。按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到十SV,当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮 31。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。这两种显示方式是一样的，所不同的是显示所需的字码相反。数码管要正常

36、显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 (1)静态显示驱动:静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。 (2)动态显示驱动: 数码管动态显示是单片机中应用最为广泛的一种显示方式。动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a-h的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共端COM端增加位选通控制电路，位选通由各个数码管独立的I/O线控制。当单片机

37、输出字形码时，所有数码管都接收到该字形码，但究竟是哪一个数码管会显示出字形，则取决于单片机的位选通电路，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制端打开，该位就显示出接收到的字形，没有打开选通端的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的选通控制COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1-2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉作用，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的 I/O端口，而且功耗更低。 常用的发光二极管驱动

38、芯片有8279 8155 MAX7219 74HC164 HD7279等，在综合考虑设计的复杂程度、芯片的价格等各方面的因素之后选择管理键盘和LED显示器专用的智能控制芯片HD7279。HD7279是专用的驱动LED显示器的芯片，该芯片采取的是串行接口的方式，可以直接驱动8位共阴极数码管或者64位独立的发光二极管，同时可以监视8X8的矩阵键盘，并且具有自动消抖并识别按键的功能。本系统里面只用到了驱动8位数码管的功能。 HD7279具有如下几个主要特点: (1)与微处理器之间是串行接口的方式，可以有效的增加I/O口的使用效率; (2)自身带有译码器，可以直接使用BCD码或者16进制的数据; (3

39、)自身带有驱动器，无需再添加外围的驱动电路，使用起来非常方便; (4)内部有级联功能，可以轻松的完成大于8个数码管或者多于64个独立发光二极管的显示; (5)具有可以直接使用的循环左移和循环右移的指令。(6)有DIP和SOIC两种封装形式可供选择，设计人员可根据实际情况自行选择。 因为电路中采取的是循环扫描的方式，如果采用一般的数码管可能造成显示的亮度不够，这时候可以选用显示亮度为高亮的数码管。数码管的尺寸也不宜过大，这里选用的是0.5英寸的数码管。HD7279需要外接一个RC振荡电路才能工作，外接的RC振荡电路的元件典型值为R=l.5KS2, C=15pF。复位端RESET直接电源VCC，系

40、统上电后或者复位后有低电平变为高电平，HD7279大约需要20ms左右的时间就会进入到正常的工作状态。3.4看门狗电路 煤矿井下环境非常恶劣，矿车在轨道上运行时的各种颠簸、井下大量的粉尘、潮湿的环境，加之矿井下长期使用的各种大功率生产设备，势必会是系统受到外界环境的影响和干扰。这种外界干扰信号轻则导致系统内部数据紊乱，重则严重影响整个系统的运行，比较典型的是出现程序“跑飞”现象，或使程序陷入“死循环”。 看门狗定时器对微处理器提供了一种因外界干扰而引起程序陷入死循环或者跑飞状态的保护功能。看门狗(Watch Dog Timer，简称为WDT)技术是最常见的抗干扰技术。看门狗W DT有硬件看门狗

41、和软件看门狗之分，无论是硬件看门狗还是软件看门狗实际上都是一个可清零的定时计数器。如果该定时计数器用MCU芯片增加的外部电路实现，则为硬件看门狗，如果该定时计数器用MCU芯片内部定时器/计数器实现，则称为软件看门狗32。软件看门狗不需要增加外部电路，成本较低，但是软件看门狗需要占用内部定时器/计数器资源，这在很多场合是不允许的。而且软件看门狗本身也可能会因为干扰而失效，所以其可靠性相对于硬件看门狗来说比较低。本系统采用的是硬件看门狗技术。硬件看门狗必须通过两根信号线与单片机连接，其中一根信号线用于检测单片机工作状态33。当单片机正常工作时，单片机通过该信号线不断的用小于看门狗定时时间的周期脉冲

42、信号输入看门狗电路，使看门狗定时器复位。当单片机受到干扰而陷入死循环的时候，无法使看门狗电路定时器复位，定时时间到以后，看门狗通过另一根信号线输出复位信号，使单片机复位，系统重新启动，从而恢复正常。 看门狗的监控思路是:单片机正常运行时，软件被设计成定时清除看门狗定时器，而一旦单片机死机，单片机将不再发出清除脉冲，看门狗定时器溢出，这时会自动复位单片机33。3.5通信接口电路的设计3.5.1 RS-485和RS-232C的比较 RS-232C是美国电子工业协会EIA ( Electronic Industry Association)制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，2

43、32为标识号。RS-232C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232C采用负逻辑电平，规定DC (-3-15V)为逻辑“1 " DC (+3-+15V)为逻辑“0"o RS-232C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m;若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232C属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此

44、一般用于20m以内的通信。RS-232C的接口电平值较高，容易损坏接口电路的芯片，与TTL和MOS电平不兼容而需要使用电平转换电路。 RS-485的电气特性是驱动输出电平DC (-1.5-6V)为逻辑“1 " DC (+3-+15V)为逻辑“0"，接收器输入差分电压在一200mV以下时为逻辑“1"，在+200mV以上时为逻辑“0"。接口信号电平比RS-232C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接31a RS-485的数据最高传输速率可达1 OMbps oRS-485工作于半双工模式，接口采用的是平衡驱动器和差

45、分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。 在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485串行总线。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有一抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。 RS-232C是单端输入输出，双工工作时至少需要数字地线、发送线和接受线三条线异步传输)，

46、还可以加其它控制线完成同步等功能。RS-485只能半双工工作，发收不能同时进行，但它只需要一对双绞线。由于RS-485比RS-232C传输信号距离长、速度快，而且可带多个负载设备，因此RS-485在各种智能化仪器仪表中将起到越来越重要的作用。4监测分站软件设计软件编程是实现仪器功能必不可少的一部分。开发单片机系统所使用的编程语言一般用汇编语言和c语言两种。本设计选用Keil软件公司的C51作为监测下位机的C语言编程环境。 本系统的软件设计采用自顶而下、模块化、结构化的程序设计方案，把总的软件程序分解成一个个相互独立的程序功能模块，每个模块可以承担实现某个具体的任务或功能。模块化程序设计的优点是

47、:单个模块功能较简单，这样程序就比较容易编写、调试;一个功能模块可被多个任务调用而不会影响程序的进程;当需要对程序的功能或者参数进行修改时只需修改这个模块的功能和参数，就可实现整个软件系统程序的功能的修改;模块化程序设计使程序设计变得更加的简单明了，各个模块的功能能够一目了然，为程序设计者阅读、修改和移植程序都提供了很大的方便。5监控上位机的软硬件设计本系统上位机的主要工作内容是用来显示下位机传来的数据。系统的主要功能可以归结为两类:数据通信和数据显示。5.2.1通信模块硬件设计5.2.2通信模块软件设计6系统设备安装系统设备的安装是非常重要的一部分，下面以一个简易的示意图来介绍一下设备的安装

48、。简易安装示意图如图6.1所示。 系统设备是用在煤矿副井轨道矿车称重系统中，顾名思义，称重过程是在轨道上完成的，因此需要将矿车停稳在轨道上才能进行称重。如图中所示，左右两侧各有一个罐笼，其中对侧为一组，也就是AlA2为一组，B1B2为一组，每一组的两个罐笼分别对应着两个监测分机。分机将检测到的数据通过RS485总线传给上位机，上位机上需要显示每个监测分机的总值和当前工作的两个分机的称重的重量差。当1#罐笼在上2#罐笼在下时，使用2#, 3#监测分机，重量差显示的是2#, 3#监测分机的;当2#罐笼在上1#罐笼在下时，使用1#, 4#监测分机，重量差显示的是1 #, 4#监测分机的，四个分机不会

49、同时工作。传感器安装示意图如图6.2所示:一个罐笼内有两个矿车，两个矿车是同时在轨道上称重的。一侧的轨道安装4只传感器，两侧共8只，需要一个监测分机监测8只传感器的总重量。上下井口同时测量矿车的重量，左右两侧罐笼中的总重量不应差距过大，否则会因为一侧过重而出现险情，尤其是位于下方的罐笼不能过重。7总结与展望本课题是以江苏大屯煤电公司为研究对象，根据煤矿副井提升的具体情况设计的一套称重设备。该称重设备主要是用于煤矿副井提升或者下放之一前对矿车的称重。称重时监测分机利用传感器采集压力信号，然后进行一系列的转化之后得到最终的重量值，该重量值可以通过通信模块传至上位监控机，工人师傅可以直接从监控主机的

50、液晶显示器上读取矿车的重量，以确保矿车不会超重或者上下井口的重量差不会过大，这样会有效的提高提升或者下放过程中的安全性能。 本课题主要是从以下几个方面进行了阐述:第一大部分从全局出发，介绍了课题的提出的背景和意义、国内外的研究现状以及本课题的主要研究内容，提出了系统设计的整体结构上的要求，对系统的设计方案进行了详细的叙述。第二大部分主要是对系统的下位机也就是监测分机的软件和硬件设计做了详细的介绍。论文中对各个电路模块的实现分别进行了介绍，叙述了各个电路的设计理念、工作原理。在软件部分主要针对比较重要的软件部分进行了详细的分析，包括频率信号的测量、显示子程序、存储子程序以及通信子程序。第三大部分主要是介绍了监控上位机的工作原理。上位机主要是用来显示监测分机采集到的数据，让工人对上位机显示器_上数据能够有明确的感受。上位机主要显示上下井口的各个传感器的重量、上下井口各自的总重量以及上下井口重量的差值。工人师傅通过上位机直观的数据就可以判断是否出现超重和超载重差。论文的最后是对系统设备安装的描述。目前该设备在已经在工业现场运行，在运行过程中能够对矿车准确的进行称重。安装于上井口和下井口的监测分机可以循环显示各个传感器测得的重量值，