煤矿井下水仓水位监控系统

1、摘要 本文主要论述了一种煤矿井下水位监测系统的设计与实现。系统主要由控制电路和液晶显示器组成，控制柜安装在井下水仓附近，外接多个传感器测量各项参数，控制电路以AT89C52单片机为核心，完成对被测信号的采集和处理等操作，当被测量超过允许值时，能够产生声光报警。电路板上配有键盘电路，当传感器初装或零点发生漂移时，可以通过按键调节零点，同时也可以设置每个被测量的报警值。液晶显示器实时显示现场模拟状态图，包括各个被测量的大小，并根据水位的高低有动态变化。系统采集的信号主要包括水泵电机的电流值、开停状态和轴承温度值，以及水仓水位值。其中，采用WB系列电量隔离传感器来测量电流;采用KGT9矿用机电设备开

2、停传感器来测量水泵电机的开停状态;采用数字温度传感器MAX6577测量水泵电机的温度;水位传感器为自行设计，探头采用MPM281压力传感器，根据压力与水位的关系，确定水位高度。系统采用彩色液晶显示器显示所有被测信息，如有报警可通过改变显示颜色予以提示。 软件部分采用C语言进行编程，对系统的各项功能进行了实验室调试和现场实验验证。整个系统对保证安全生产和提高生产效率起到了重要作用。关键词:井下水位，实时监测，单片机，传感器，液晶显示器Abstract The essay mainly discusses a kind of design and reality of the water-bunk

3、er levelmonitoring system underground coal mine. The system is comprised by a control circuit andLCD. The controller is installed in the vicinity of the water-bunker, which linked a number ofsensors to measure variousparameters.of the signalThe control circuit is in the core of AT89C52. Itcompletes

4、the measurementgathering and processing. When the index is beyondthe limit, it will produce the acoustics-optics alarm. The PCB has the key circuit. When thesensors are installed at the first time or the zero value is changed, we can set the zero by thekey, also we can set the alarm value by the key

5、. LCD display real time simulation of the scenestate graph including the size of all measurement, which has dynamic change in accordancewith the water level. The signals that the system collects include the current, on-off state and the bearingtemperature of the pump engine and the water-bunker leve

6、l. Among it, the measurement ofcurrent adopts WB series electric quantity isolation sensor. The measurement of on-off stateadopts KGT9 on-off sensor. The collecting of temperature is realized by the digitaltemperature sensor MAX6577. The water level sensor is designed by us with the MPM281pressing s

7、ensor as the probe to measure the water level according to the relationship betweenthe pressure and the water level. The system displays all the signals with color Liquid CrystalDisplay (LCD). If warning, the color of the display will be changed to tell the operator. The software part is programmed

8、using the C language and its every function is tested inthe laboratory and in the spot respectively. The whole system has run well since been installedin the datun coal mine. Both social and economic benefits are more obvious. It plays animportant role in ensure safety in production and improve prod

9、uction efficiency.Keywords: Water-bunker level, Real time monitoring, Single chip microcomputer,Sensor, LCD (Liquid Crystal Display)不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- II -目 录千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- 44 -第1章 绪 论1.1 课题背景 煤矿生产过程中，经常可以见到地下水流入巷道和工作面，这就是矿井水。矿井水的来源主要有大气降

10、水、地表水、断层水、含水层水和采空区水l。在煤矿地下开采的过程中，由于地层中含水的涌出，雨水和江河中水的渗透，水砂充填和水力采煤矿井的井下供水，将要有大量的水昼夜不停地汇集于井下。矿井涌水与采区的水文地质及当地的气象条件有关系，涌水量在不同的季节也呈现不同。在一些大水矿井，矿井涌水量可达到每秒17立方米，甚至超过每秒20立方米。另外，在煤炭开采过程中，由于地层结构被破坏，岩层断裂，使采区与储水层连通，发生突水事故，涌水量会突然增加。如果不能及时将这些积水排送到井上，井下生产就可能受到阻碍，井下安全就会得不到保障，严重者会造成重大事故，给人民的生命、国家的财产都带来了极大威胁。因此，井下排水就显

11、得尤为重要。井下排水系统的任务就是及时把流入井下煤矿巷道中的矿井积水排送至地表，确保煤矿的安全生产。 根据统计，每开采1吨煤就要排出2-7吨矿井水，有时甚至要排出30-40吨矿井水。井下排水设备所配备电机的功率，小的几千瓦到几十千瓦，大的几百千瓦到上千千瓦、在我国煤炭行业中，井下排水用电量占原煤生产总耗电量的18%-41，一般为20%左右。矿井排水方式一般分为两种:自流法排水和扬水法排水。前者是利用倾斜坑道将水排至露天的水沟;后者则利用排水设备扬至地面。排水设备一般由水仓、吸水井、多台水泵带电机及其吸水管充水装置、多趟排水管路、闸阀等组成。井下排水系统是煤矿生产中四大系统之一，担负着井下积水排

12、除的重要任务。然而，目前国内许多矿井井下主排水系统还采用人工控制，水泵的开停及选择切换均由人工完成，完全依赖于工人的责任心，也预测不了水位的增长速度，做不到根据水位和其他参数的实时显示，这种检测控制方法效率低，工人劳动强度大，且由于井下环境恶劣，故障率较高，严重阻碍了矿井排水泵的管理水平和经济效益。因此，能准确地获取水仓水位的高度信息以及排水泵的各项参数从而确定排水泵的开停，并且在水位超限等情况下产生报警，对于合理安排电机运转、保障排水具有重要的现实意义。1.2课题研究的现状 在许多发达国家里，矿井水资源管理己进入了系统化管理阶段，集中了规范化、统计化、实时化和运筹化管理水资源质量及水环境的优

13、点，运用系统论、信息论、控制论和计算机技术，建立起了水资源管理信息系统。他们在采区工作面水文地质探测，地下水动态观测，水害预测，应急堵截水方面和矿井水综合治理方面均有成熟的技术可以让我们借鉴。虽然这些国家没有将排水设备的自动化单独进行研究，但他们将这一方面的内容列入了矿山整体水资源管理的规划之中，将所有的控制信息包括水泵的运行都集中给中心控制室，进行统一控制，如俄罗斯针对矿山设备的研制，提出了采用以微处理技术为基础的自动控制和故障诊断系统以及保护和安全操作系统。 国内在优化排水方案、改造排水设备及巷道合理布置等方面也做了大量的研究。还有一些研究人员把智能控制理论用于煤矿井下排水系统当中，将规则

14、控制、模糊控制、神经网络方法、专家系统等智能型的控制方法用于排水系统的控制，能够实现实时控制、自动监测排水系统的运行状况，自动进行数据采集、自动记录、故障报警、事故分析、多台水泵软启动的自动切换及控制断电等，所得到的动态资料准确性高，控制的可靠性局。 在煤矿井下水位的检测技术方面，目前国内还处于摸索阶段，检测手段比较落后，可靠性差，检测系统不完善，检测煤泥水的传感器还没有好的产品。虽然现在也有一些传统的水位传感器，如压力式、浮子式等水位传感器用于煤泥水水位的测量，但是由于煤矿井下环境恶劣，这些传感器均因淤泥或煤泥堵塞受到影响，致使整个系统难以准确可靠地采集前端信号。过去对煤矿井下水的检测监控自

15、动化要求不高，但是随着近年来煤矿事故的频繁发生，煤矿安全问题日益引起了人们的广泛关注。现在，所有矿用产品都进行防爆送检和煤安认证，煤矿的安全要求越来越高，因此对煤矿井下水的监控要求也随之提高，具有高准确性、高可靠性的检测煤泥水的新型传感器也急切需要研制。目前国外的井下水仓静态水监测系统的前端信号采集传感器技术仍然为传统的压力式和浮子式，没有什么新的进展。1.3课题研究的意义 水是经济建设和人类赖以生存必不可少的自然资源。我国国土面积占世界第3位，但人均占有的淡水资源却仅为世界的第84位，而且水资源分布极不均衡，西北地区及相当一部分地区水资源十分贫乏。我国的煤炭绝大部分蕴藏在北方缺水地区，尤其是

16、西北干旱地区。目前储量较大的神府煤田、古交煤田就处在黄土高原的内蒙古、陕西、山西一带。干旱缺水大大地阻碍了煤炭能源基地的建设和发展。 我国是一个煤炭生产大国，随着国民经济的高速发展，对煤炭的需求量将进一步增长。煤炭是我国的主要能源，在一次能源构成中一直占70%以上，预计这个局面在今后二、三十年内不会有根本性的改变。目前，全国约75%的工业燃料和动力、85%的化工原料和绝大多数的民用燃料依靠煤炭。目前我国煤炭产量己突破12亿吨，居世界首位，而同时每生产1吨原煤将从地下抽排出2-4M3的地下水，即矿井水，平均每年将有2040亿m3的地下水抽排到地面，占全国地下水年开采量的5%，是我国城市年生活用水

17、量的40%，这些地下水绝大部分被排放掉，煤矿利用率仅为10%。 煤矿生产抽排的地下水，初始流入井筒均未受污染，而是在煤炭开采过程中，才被污染，呈现灰黑色。矿井水中主要污染物为采煤过程中悬浮煤粉和岩石粉渗入水中形成较高浓度的悬浮物(SS)、可溶性的无机盐类、井下使用的乳化液对矿井水的污染以及少量的有机污染物，所以水质较好，如果对其进行适当处理，完全可以达到工业和生活用水标准。比如，我国东北、华北矿区的矿井水水质特征基本为中性，矿化度低，不含有毒有害物质，经混凝、沉淀、分离和杀菌消毒工艺后，完全能够达到生活用水的指标。另一方面，我国地域辽阔，人口己逾13亿，人均占有水资源量远远低于世界的平均水平，

18、仅为全世界人均水平的四分之一，是世界上严重缺水的国家。随着经济的飞速发展，人口的大量增加和人民生活水平的提高，用水量也在急剧增长，水资源也变的越来越紧张。尤其在我国的主要产煤区缺水更加严重，全国75%的矿区面临缺水，其中40%的矿区已达到严重缺水程度，缺水的状况有增无减，严重影响了煤炭生产和矿区人民的生活。全国矿区每年缺水量己达5亿m3，形成了地下水大量地浪费性排放与矿区生活生产用水严重不足的矛盾。过去很多煤矿对矿井排水没有充分加以利用，通常未经任何处理就直接排入江河、山沟、洼地中，造成严重的环境污染;有的矿区一方面用电力把矿井水排到地面污染地表水系，另一方面又在缺乏水源的情况下耗资打井取水或

19、远距离输水，这是对能源的极大浪费。 如果将矿井涌出水进行合理排放处理，使水质达到工业与生活用水标准，则为水资源紧缺的煤矿开辟出第二水资源，这将带来巨大的社会经济效益。近几年，我国北方大型煤矿区都开始了程度不同的矿井水开发利用工作，意识到矿井水资源化是一项开源增流的有效措施，作为水资源的一种补充来源，可以在某种程度上解决当地严重缺水这一经济发展的瓶预问题。 但是，更值得注意的一点是，现阶段我国煤矿矿难频繁发生，因之造成的人员伤亡和设备财产损失的数字是十分惊人的，煤矿安全问题也日益受到人们的关注。造成煤矿事故的原因是多方面的，比如顶板、运输、火药放炮、火灾等，但是以瓦斯爆炸和水灾害最为频繁，最为严

20、重。如果矿井水排放不畅，如此多的矿井涌出水在井下放任自流，将势必造成水灾，更严重的造成设备财产损失、人员伤亡、矿井坍塌等灾难性的后果。 矿井水害一直是制约煤矿安全生产的重大矿井灾害之一。煤矿水害事故的发生，不仅造成生产损失和人员伤亡，导致多种环境负效应，而且还威胁着大量煤炭资源不能开采，对矿井安全生产构成重大影响。 综上所述，不管是从矿井水的合理排放再利用方面，还是从矿井水的放任自流对煤矿开采的极大危害方面考虑，都需要把矿井水及时有效地排出矿井。因此，设计一套行之有效的煤矿井下水仓水位监测系统是不可或缺的。1.4课题研究的内容 本课题主要是对煤矿井下水位进行实时监测，为达到以上目的，本课题主要

21、做以下几个方面的工作: .设计水位传感器，实时测量井下水位。 .测量每个水泵电机的电流、开停状态和轴承温度。 .通过液晶显示器实时显示水仓水位、电机开停、电机电流和电机轴承温度等状态值。 .当水位超限(包括高限和低限)，电机电流超限(包括过流和欠流)，轴承温度超温时进行报警。2 系统设计方案2.1系统总体结构 本系统安装在煤矿井下水仓附近，对水仓水位及排水泵电机的各项参数进行实时监测并显示，因此，本监控装置设计为长方形翻盖式壳体，上盖内侧为液晶显示器，壳体内部为监控报警系统的控制线路板，壳体外侧是多个M16喇叭口，分别用于连接各个传感器以及电源输入。 本系统为每个水泵电机配备有两个温度传感器、

22、一个电流传感器和一个开停传感器，分别用于测量电机左右轴温度、电机工作电流和电机开停状态。另外还有水位传感器用于测量水仓当前水位。系统结构配置图如图2.1所示。 图2.1系统结构配置图2.2主控制柜的设计 本课题需要解决两个方面的关键问题:一是各种被测信号的采集和处理，二是对各种信息的实时显示。 系统将要对多种信号进行采集，包括水泵电机的电流值、开停状态和轴承温度值，以及水仓水位值。这些信号的类型比较多，需要用到多种传感器采集并进行信号放大等处理。 同时，系统需要将采集到的各种信息在液晶显示器上实时显示出来，并伴有动态模拟，因此如何实现微处理器与液晶显示器之间的通信，并通过命令操作进行动态显示是

23、要解决的一个关键问题。基于以上问题，主控制柜设计为以微处理器为核心的控制电路和液晶显示器组成。2.2.1微处理器(单片机)的选型 本系统中，对单片机的速度要求不是很高，而且显示器选用液晶显示器，因此，输出电平也不需要很大的驱动能力。从软件上讲，编程需要进行大量的数据运算，这对于编程复杂的PIC系列单片机和寄存器资源有限的AVR系列单片机也都不是很合适。此外，考虑到个人的熟练掌握程度和单片机的价格，本系统选用了当今最流行的八位单片机51系列的典型产品AT89C52。 AT89C52是ATMEL公司生产的一种低功耗、低电压、高性能的8位单片机，片内带有一个8KB的FLASH可编程可擦除只读存储器(

24、 EPROM)。它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器(NURAM)技术，而且其输出引脚和指令系统都与MSC-51兼容。片内的FLASH存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程，操作十分方便。目前，又很多的单片机都与AT89C52的管脚和功能兼容，可以在许多场合进行替换。2.2.2显示器的选型 对于采集数据的就地显示主要有两种方式:发光二极管显示器(LED)显示和液晶显示器(LCD)显示。LED显示与LCD显示相比，LED在亮度、可视角度和刷新速率等方面，都更具优势。但是，本系统中需要显示的数据量较大，若使用LED来显示，硬件电路会相当复杂，系统的功耗

25、也会很大，而且显示的数据观看起来不直观，认数据所代表的含义。寿命长、超薄、防振、液晶显示器作为现代高新技术产品，它体积小、功耗低、不容易辨无辐射、防爆，能够提供可视的人机对话界面，显示器所无法比拟的优点。为了显示的直观性以及容易辨认，器。具有LED显示器、CRT本系统选用彩色液晶显示2.3传感器的选型2.3.1温度传感器 温度是单片机应用系统中常见的一个测控参数，根据温度传感器的不同，其测控系统亦有较大差别。在满足应用场合需求的前提下，选择合适的温度传感器，同时兼顾测量温度误差小、电路简洁可靠是本设计考虑的主要内容。本系统需要实时监测水泵电机的温度，以确定其是否超限。温度的测量控制一般采用各式

26、各样的温度传感器，常用的温度传感器及其测温范围()为:热电偶(-184230)，热电阻(-200850)，热敏电阻(-55300)，半导体(-55150)。根据温度传感器输出方式及接口方式的不同，大体可以分为模拟温度传感器和数字温度传感器。模拟温度传感器输出的模拟信号，必须经过专门的接口电路转换成数字信号后才能由微处理器进行处理。数字温度传感器输出的数字信号，一般只需少量外部元器件就可直接送至微处理器进行处理。随着计算机及半导体技术的飞速发展，温度传感器尤其是具有数字接口的半导体温度传感器得到了广泛的应用和快速的发展。 DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，

27、螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。2.3.2电流传感器 水泵电机的电流最大可达到100A，不能直接进入微处理器测量。本系统将选用WB系列电量隔离传感器将其转化为0-5V标准信号，再通过V/F转换芯片AD654把标准电压信号转化为频率信号进入单片机。该电量隔离传感器采用特制隔离模块，对电网和电路

28、中的交流电流进行实时测量，将其变换为0-5V标准信号输出，具有高精度、高隔离、低功耗、低漂移、温度范围宽、抗干扰能力强等特点。WB系列电量隔离传感器是根据自动控制和数据采集技术发展的需要而研制成功的新一代高性能的电量检测产品，可以对电力线路中的电流、电压进行高速、高精度的隔离检测和变换，也可以对微弱的电量信号进行高速、高精度的隔离放大和传送，可以响应直流、交流和脉冲电量。WB系列电量隔离传感器可分别或同时提供跟踪电压输出、直流电压输出、电流源输出和频率输出，可以直接与各种A/D转换器或指示仪表、计算机系统匹配。与传统的电测产品相比，WB系列电量隔离传感器具有原理新颖、精度高、频响宽、体积小、功

29、能全等显著特点，使用该传感器可以解决自动控制及多路数据采集中的隔离、变换、传送和共地、共电源等关键技术问题，能有效克服共模干扰，提高系统性能，简化系统设计，降低系统成本。 WB系列传感器功能完整，主要表现在产品的调节功能、输出功能、供电方式和配套电路等方面。所有的WB电量隔离传感器都只需一组工作电源、自带调节和多种输出方式，除工作电源外，基本无需外接电路，特别是WB传感器都内含可灵活变化蝙出变换器，因而能提供不同或相同功能的多路输出形式。2.3.3开停传感器 开停传感器选用KGT9矿用机电设备开停传感器。KGT9型开停传感器主要用于监测煤矿井下机电设备(如采煤机、运输机、提升机、破碎机、局扇、

30、泵站、风机等)的开停状态，并把检测到的设备开停信号转换成各种标准信号传输给矿井监测系统(或其它向地面传送信息的载波设备等)，可实现由地面对全矿电气设备开停状态进行集中连续自动监测。2.4系统工作原理正常情况下，监控系统对各被测物理量进行不间断巡测。具体工作流程是这样的:首先，各类传感器将被测物理量转化为系统能够接受的电信号。其中，温度值、电流值、水位值均由相应的传感器把测得的数据转化为频率值进入控制电路，并且由模拟多路选择开关控制，由微处理器依次巡检。微控制器对读取的数据进行数据转化，处理，比较和存储后，送到液晶显示器上显示，当发生报警时能够发出声光报警信号。同时，能够随时接收调零设置按键的信

31、号，对相应电流及水位值进行调零，并且设置各项参数的报警值。3水位传感器的设计3. 1传感器结构原理本系统监测的一项重要数据就是水仓的水位值，为此专门设计了水位传感器。探头采用MPM281压力传感器。MPM281系列压阻式OEM产品是一种带隔离、并经过精密补偿的高稳定性硅压阻式压力测量元件。其中硅压阻式敏感元件采用高稳定性扩散硅元件，外壳采用外19mm的316L全不锈钢结构进行封装。被测压力经过316L隔离膜片和内部介质传递到硅压阻式敏感元件上，实现了压力到电信号的精确转换。该传感器可广泛应用于各种高性能要求的压力测量场合，如工业过程控制、液压测量等。压力传感器外观图如图3.1所示。 图3. 1

32、压力传感器外观图MPM281压力传感器是压阻式压力敏感元件，内部核心器件是电桥，该电桥由4个等值力变电阻构成，如图3.2所示。电桥有恒压源供电和恒流源供电两种供电方式。当不受压力作用时，该电桥处于平衡状态，无电压信号输出。传感器置于水中，电桥受液体压强而失去平衡，有电压信号输出，便可测到对应所加压力的电压信号，即水位与探头的输出电压信号有一一对应关系，根据探头的参数便可计算出水深与电压的数量关系式，从而达到测量水位的目的。图3.2压力传感器原理图MPM281压力传感器的电气管脚图如图3.3所示。图3.3 MPM281压力传感器输出放大电路如图3.4所示，该电路是典型的仪表放大电路，由三个运算放

33、大器组成，它具有高差模增益和高共模抑制比，而且输入阻抗高，可以调整电路的偏置。电路的差模放大主要由OP07-1完成，OP07-2用来防止运放的反馈电路流入传感器的负端。在零压力时，传感器的2脚和4脚之间的电压之差为零。OP07-1的输出电压随压力传感器2脚和4脚的共模电压变化，该电压由OP07-3完成二次放大，我们可以通过调整电位器Rp的值来改变电压的发放大倍数，输出电压Vout与压力传感器2脚和4脚的电压差(V1-V2)满足公式: Vout=(1+2R/Rp) (V1-V2)。 图3.4压力传感器输出放大电路图3.2 V/F转换电路 本系统中选用的V/F转换芯片是AD654，功能框图如图3.

34、5所示，该芯片是美国模拟器件公司生产的一种低成本，8脚封装的电压频率(V/F)转换器。它由低漂移输入放大器、精密振荡器系统和输出驱动级组成，使用时只需一个RC网络，即可构成应用电路。AD654既可以使用单电源供电，也可使用双电源供电，且工作电压范围很宽。输出为频率受控于输入电压的方波。可用于信号源、信号调制、解调和A/D变换等。主要性能参数:(1)单电源供电电压: 4.5-36V(2)双电源供电电压: 5-18V(3)输出频率范围:0-500Hz(4)线性误差:0.06% (250KHz时)(5)输入阻抗:250M (6)输入电压范围:单电源O-Vs-4V (7)双电源:-Vs-Vs-4V (

35、8)静态电流:2.OmA (Vs = 30V时)3.2.1工作原理 AD654的典型应用电路如图3.6所示，模拟输入电压Vin由放大器的同相端4脚输入，由输入放大器和NPN管跟随器组成的输入级把模拟输入电压Vin转换成一个驱动电流It: It=Vin/R2 该驱动电流同时向定时电容C充电，多谐振荡器的振荡频率(输出频率)与这个充电电流成正比。输出频率由Vin,凡和C共同确定，其关系为: Fout=Vi/(10vR2C)图3. 5 AD654功能框图 图3. 6 AD654典型应用电路图NPN管跟随器的最大驱动电流为2mA，但为获得最佳性能，应使满度输入电压时的驱动电流为1 mA。因此，当满度输

36、入电压为lOV时，R2应取10K。如果C=0.OOIF,则满度输出频率为100KHz。3.2.2应用电路 系统中由AD654构成得V/F用转化电路原理图如图3.7所示。其中，输入电压为Vin，输出频率为Fout。运算放大器OP07构成一个输入加法电路，实现传感器的零点调节。在此电路中，输入电压为Vin和输出频率Fout满足关系为:Fout=(Vin-Vp)/(10R2C) 图3. 7 AD654构成得V/F转化电路原理图4监控主机的设计4.1硬件结构 控制电路以高性能低功耗的单片机为核心，外围配有传感器信号采集电路、报警电路、显示电路、存储电路、设置电路和复位电路等电路。仪器与传感器之间全部采

37、用接插连接，安装调试方便。控制电路与液晶显示器驱动模板之间通过串口连接。硬件结构如图4.1所示。4.2微处理器 4.2. AT89G52的优点 (1)含FLASH程序存储器，在系统开发过程中可以十分容易地进行程序修改，大大缩短了开发的周期。同时，在系统工作的过程中，能有效的保存一些数据，即使外界电源损坏也不影响信息的保存。(2)程序错误也无废品。其可擦写次数可达1000次，错误之后可以重新编程。(3)可以反复系统试验。每次实验可以写入不同的程序，随用户的需要和发展进行修改，直至达到系统最优。此外，AT89C52设有静态逻辑，可以在低到零频率下工作，支持两种可选的省电模式。在闲置模式下，CPU停

38、止工作，但片内RAM、定时/计数器、串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并冻结振荡器，禁止其它片内控制单元功能，直到下一次硬件复位为止。4.3输入接口电路 传感器是连接被测对象和监测系统的接口，给系统提供处理和显示所必需的原始信息，直接决定了系统的功能和精确度。本系统涉及的数据量主要有温度、电流和水位，因此，所选择的传感器的类型比较多，以下对所用到的传感器的性能特点和工作原理进行一下介绍。4.3.1温度传感器4.3.1.1 MAX6577介绍 美国 DALLAS 公司最新推出的 DS18B20 单总线数字式温度传感器 DS18B20 是 DS1820 的更新产品，它与传统的热

39、敏电阻温度传感器不同，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现 9-12 位的数字值读数方式，可以分别在 93.75ms 和 750ms 内将温度值转化 9 位和 12 位的数字量. 因此，使用 DS18B20 可使系统结构更简单，可靠性更高. DS18B20 温度传感器具有如下特点 主要性能特点: （1） 采用单总线技术，与单片机通信只需一根 I/O 线；（2） 传输串行数据不需要其他外围元件； （3） 通过比较系列号可以在一根线上挂接多个 DS18B20；（4） 低压供电，电源范围从 35V，也可以直接从数据线上窃取电源；（5） 测温范围为-55 至+125 度，在-1

40、0 到+85 度范围内误差为正负 0.5 度；（6） 数据位可编程 9-12 位，转换 12 位温度时间为 750ms（最大）；（7） 用户可自设定预报警上下限温度；（8） 报警搜索命令可识别和寻址哪个器件的温度超出预定值.一般体积较小的硬件需要相对复杂的软件进行补偿,由于DS18B20与单片机间采用串行数据传送,因此,它们之间有严格的时序概念.单线信号包括复位脉冲,响应脉冲,写/00,写/10,读/10.所以系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行,否则将无法读取测温结果.操作协议为:初始化DS18B20(发复位脉冲)y发ROM功能命令y发存储器操作命令y数据处理. DS18B20单总线

41、上所有处理均由初始序列开始.图4.3 温度采集系统原理框图4.3.2电流传感器 本系统中需要测量水泵电机的电流，从而判断电机是否处于过流等状态，防止电机电流过大等情况的发生。然而，电机正常工作时电流能够到达几十安培，信号过大不能直接进入监测系统，在此选用了WB系列电量隔离传感器将大电流转化为标准的0-5V电压信号进入系统。4. 3. 2. 1 WB系列电量隔离传感器简介 WB系列电量隔离传感器具有如下特点: (1)多种隔离原理类型:光电隔离型、电磁调制隔离型、霍尔效应型，使得输入、输出及电源之间互相隔离。 (2)可靠性强:平均无故障工作时间长，大于50000小时。 (3)过载能力强:穿心输入传

42、感器30倍标称输入可持续5秒;接线输入传感器10倍标称输入可持续5秒。安装方便:DIN导轨式安装或PCB插针式安装。多种结构类型:A型、B型、C型、D型、E型、F型、S型、U型、R型、G型。 (6)宽量程:电流:0-1000A，电压0-1000V (DC, AC). (7)宽频响:特别适合工频至中频的电压电流检测。 (8)原边与副边之间高度绝缘，隔离电压2.5KV 。 (9)输出信号可选:电流或电压跟踪输出:0-20mA DC, 4-20mA DC, 0-5V DC,1-5V DC, 0-I0V DC, RS485输出，也可选用频率输出:0-5KHz, 0-I0KHz, 1-5KHz等。 另外

43、，本系列产品具有精度高、体积小、功耗低、通频带宽、性价比高等特点。4.3.2.2工作原理 WB系列电量隔离传感器主要分为两类，即WBV电压隔离传感器和WBI电流隔离传感器。二者的工作原理，除输入电路略有不同外，其它都相同，原理框图如图4.4所示。输入电压Vin(或电流Iin)信号送至输入电路，后者将信号转换成某种标准电压，并赋予较强的驱动能力;光电隔离电路实现输入信号的线性变换及隔离处理;输出电路将信号进一步放大，同时实现整个传感器的量程调节，输出是跟踪输入信号、具有较强的驱动能力的标准化电压，方便用户使用。传感器内部还配备了DC/DC转换器，从辅助电源+E提取能量，供输入电路使用。 图4.4

44、电量隔离传感器工作原理图该传感器的输入端与输出端完全隔离，可以解决自动检测及多路数据采集中的隔离、变换、传送和共地、共电源等关键技术问题，有效克服共模干扰，提高系统精度，简化系统设计，降低系统成本。4.3.2.3应用分析WB系列电量传感器典型应用如图4.5所示。 图4. 5 WB系列电量传感器典型应用原理图传感器与后续设备靠近，输出端可接至设备的高速A/D等电路，信号由单片机等控制采样、处理。 传感器典型的传递函数可近似表达为K=Vg/X，或Vg=KXo 这里X表示输入电量，可以是交流、直流或交直流混合的电流、电压信号。Vg是有标准输出量程的电压量。一般地，K是一个与要求有关的正常数，即输出紧

45、紧跟踪输入电量的变化。当输入信号频率高时，K不可再简化为一个常数，而与输入频率有关。 若实现公式Vg=-K X，其中K为正常数，即输出量与输入量正好反向，需要将输入信号的两端反接即可。 若实现公式Vg-K X+A，其中K, A为正常数，即输出量为在KX的基础上再向上平移A大小的电压。例如，可将双向直流电量转换成单向直流电压，将交流电量转换成同样波形的直流电压，该变换有利于直接与A/D转换器相连。 若实现公式Vg=-K X+A，其中K, A为正常数，即输出量为在一KX的基础上再向上平移A大小的电压。例如，需要输入电压X变化范围是0- l 0V，要求输出对应电压是5-l0V。由上式得，取K=0.5

46、和A=5V即可。 一般来讲，上述公式中的参数K, A，出厂前己调校。但如需要临时对K, A作一些微调，也可自行打开传感器进行调整。4.3.3开停传感器 对水泵运行状态，系统采用开停传感器进行实时监测，开停传感器选用KGT9矿用机电设备开停传感器，该传感器采用磁场感应测试原理实时监测设备运行工况状态，通电导体周围产生磁场，通过感应测试电缆周围磁场的有无来确定电缆有无电流通过，鉴别设备的开停状态。 KGT9型开停传感器主要用于监测煤矿井下机电设备(如采煤机、运输机、提升机、破碎机、局扇、泵站、风机等)的开停状态，并把检测到的设备开停信号转换成各种标准信号传输给矿井监测系统(或其它向地面传送信息的载

47、波设备等)，可实现由地面对全矿电气设备开停状态进行集中连续自动监测。该传感器是确保矿井安全生产，实时监测矿井生产状况实用可靠的自动化装备，也可作为统计各种机电设备运转好坏、运转时间长短及设备利用率的依据。KGT9型开停传感器采用新型优化设计，具有结构新颖、安装使用方便、功耗低、适应性强、性能稳定可靠、免维护等特点。输出形式已形成系列，适合与国内外各种监测系统配套。KGT9型传感器系防爆型式为矿用本质安全型，使用条件及各项参数为:环境温度:-5+400相对湿度:95%(+25 )大气压力:80106KPa工作电压:本安直流824V工作电流:10mA被测设备电流载量:5A输出信号传输距离:2KmK

48、GT9型传感器具有连续工作的方式，直接输出TTL电平作为开关量，无电位接点处于常闭或者常开状态。根据现场的工作环境系统采用四线传输:传感器供电电源与输出信号使用四芯电缆，二芯作本安输入电源线，二芯作输出信号线，输出形式为无电位继电器接点。安装时，将开停传感器直接卡在水泵电机的电缆上，输出相当于开关量，原理示意图如图4.6所示，其中，1, 2, 3, 4为开停传感器的节点，1, 2分别接电源，3, 4之间相当于无电位继电器接点，5, 6为单片机系统的信号端。当电机运行，电缆有电流通过时，会在电缆的周围产生一定的磁场，此时传感器检测到周围的磁场，内部的干簧管会处于闭合状态，输出信号相当于K键闭合，

49、即5, 6短接，6为高电平，表示电机处于运行状态;反之，当电机停止，电缆无电流通过时，周围没有磁场，传感器内部的干簧管处于断开状态，输出信号相当于K键断开，5, 6断路，6为低电平，表示电机处于停止状态。图4.6开停传感器原理图 4.4电源管理电路 本系统使用开关电源供电，所需电压有+12V和十5V两种。+12V由外置开关电源模块提供，进入主控板后，+12V一方面为液晶显示器提供逻辑电源和背光电源，另一方面，经过三端稳压芯片LM7805后，产生+5V电压。+5V对主控板所有芯片提供电源，电源电路原理图如图4.7所示。 图4.7电源电路原理图4.5通道选择电路本系统中监测量比较多，有多个输入量进

50、入单片机，因此需要对多个输入通道进行选择控制，使得每一时刻只有一个输入量被单片机处理。本系统选择CD4051和CD4067作为多路选择芯片。CD4051是八选一模拟开关，相当于一个单刀八掷开关，引脚功能如图4.8所示。开关接通哪一通道，由3位地址码ABC来决定，当A=0,B=0, C=0时，选通通道0;当A=1, B=0,C=0时，选通通道1;当A=0, B=1, C=1时， 图4.8 CD4051管脚图选通通道7。 INH”是禁止端，当“INH -l时，各通道均不选通。CD4067是十六选一模拟开关，相当于一个单刀十六掷开关，原理与CD4051相同，只不过地址码为4位，通过单片机的1/0口控

51、制地址码ABCD来选通十六个通道。在本系统中，一共有八个温度、四个电流、四个开停和一个水位共十七个点作为输入量进入单片机。用一片CD4051和一片CD4067组合可以作为二十三路模拟开关进行选择，满足系统要求，如图4.9所示。八个信号输入至CD4051, CD4051的输出做为一路输入同另外九路信号一起再被CD4067选通，其中，CD4051的地址码ABC由单片机的P0.0, POA, P0.2控制，CD4067的地址码ABCD由单片机的P0.3, POA, P0.5, P0.6控制。 图4.9通道选择电路原理图4.6自动复位电路为了防止系统在执行过程中产生的“死机”、“程序跑飞”等现象，需要

52、设计复位电路使其正常工作。复位电路通常是在有规律的时间间隔中进行更新的硬件，更新一般由单片机来完成，一定间隔内没能更新看门狗，看门狗将产生复位信号，重新复位单片机。更新看门狗的具体形式多是给看门狗芯片相关引脚提供一个电平上升沿或读写它的某个寄存器。使用看门狗电路将在单片机发生故障进行死机状态时，重新复位单片机。看门狗电路的工作原理是:当系统工作正常时，CPU将每隔一定时间输出一个脉冲给看门狗，即“喂狗”，若程序运行出现问题或硬件出现故障时而无法按时“喂狗”时，看门狗电路将迫使系统自动复位而重新运行程序。本系统采用CD4060分频计来产生复位脉冲，CD4060是14位二进制串行计数器，由一振荡器

53、和14级二进制串行计数器位组成，振荡器的结构可以是RC或晶振电路。RST为高电平时，计数器清零且振荡器使用无效，所有的计数器位均为主从触发器。在CP1(和CPO )的下降沿计数器以二进制进行计数，在时钟脉冲线上使用施密特触发器对时钟上升和下降时间无限制。微控制器复位电路如图4.10所示，系统上电后，AT89C52的复位引脚将产生l00ms的高电平。看门狗复位电路由计数器CD4060构成，CD4060的定时常数由图中C3和R3决定，经14分频后产生一个复位脉冲，因此，复位周期T=2凡C3 X罗。如果系统正常工作，在程序的适当出安排复位指令，单片机每隔一定时间给RST (12脚)一个脉冲，使CD4

54、060复位，则Q14 (3脚)不会送出脉冲让单片机复位，如果系统工作不正常，在T时间内CD4060没能复位，那么它将对系统产生复位脉冲。图4.10复位电路原理图4.7存储电路 电擦除可编程只读存储器EZPROM是一种重要的半导体存储器，兼有RAM和ROM二者的优点，既能实现在线改写，又具有掉电数据保存功能，因此在智能化仪器仪表、控制系统、信息处理、系统加密等方面获得了广泛的应用。AT93C46是64 X 16(1024)位串行CMOS EZPROM;它具有数据在线改写和掉电保存能力，重复擦写次数可达十万次，数据保存期在一百年以上;当采用+5V单电源工作时，输入输出电平与TTL兼容;片内有定时发

55、生器，擦除和写入操作均由此定时电路自动控制;具有整体编程使能和禁止功能，增强了数据的保护能力。主要性能特点:(1)高速度操作，速率可达I MHz(2)低功耗工艺(3)宽电源电压，1.8伏到6.0伏(4)存储器可选择8位或者16位结构(5)写入时自动清除存储器内容(6)硬件和软件写保护(7)慢上电写保护(8) 100万次写入/擦除周期，100年数据保存寿命AT93C46与单片机连接电路原理图如图4.11所示。 图4.11 AT93C46与单片机连接电路原理图AT93 C46采用的是3线制串行总线，3线串行总线由CLK, DI, DO这三条信号线组成，其中CLK是串行时钟线，DT是数据输入线，DO

56、是数据输出线。在此，所谓的数据输入或输出是对EZPROM芯片而言的，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AT93C46的数据传送时序。4.8调零设置电路系统运行长时间之后需要对电流、水位等监测值的零点进行重新调整，并且随着环境以及现场实际情况的变化，各个监测值的报警值也可能发生改变，这时就需要进行报警设置以满足新的要求。本系统采用独立式按键，每个按键开关均采用了上拉电阻，这是为了保证在按键断开时，各I/O口有确定的高电平。独立式按键就是个按键相互独立、每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键是否按下不会影响其他输入线上的工作状态。因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键被按下了。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单。调零设置电路由两个按键及编码盘组成，两个按键分别连接单片机的P3.2, P3.3引脚，为选择键和确认键。调零设置时，将编码盘上的数值调至“00，按下选择键，则屏幕上电流和水位显示的下方出现测得相应信号的频率值，光标显示在1号电机的电流频率处，通过多次按下选择键将光标移至需要设置的地方，按下确认键，设置即完成。报警设置时，将编码盘的数值调至要设置的大小，按