基于STC单片机的矿用压风机综合控制器设计

牛鑫

（济源职业技术学院电气工程系,河南济源459000）

矿用压风机即空气压缩机,是风动机械和风动工具的动力源,它广泛地应用于矿业生产,是煤矿生产不可缺少的机电设备之一.随着生产发展,越来越多的空气压缩机应用到煤矿安全生产中[1].大量的风动机械和风动工具,如风镐、气动凿岩机、风动钻机、风动扳手、喷浆机、锻钎机等,对压缩空气的需求量进一步增多,也对压风系统的效率和稳定性提高了要求.

目前对于国内的压风机系统,已有多种监测和控制[2].实际生产中需要根据现场的要求对压风机进行监控和保护.由于煤矿生产的进步,对压风机系统的自动化程度及工作效率要求也逐步提高.空压机系统不间断运行的要求提高,同时原有的单台压风机已经不能适应生产面的需求,需要根据实际生产引入调度多台压风机运行.还有压风机本身的更新换代,带来了许多新的问题需要进一步考虑.本文设计并实现了基于STC12C5A60S2为核心的压风机综合控制器,阐述了控制器的硬件原理,给出了部件软件控制流程图,同时针对控制功能完成了全项数据测试.

1 压风机控制器的硬件设计

1.1 硬件构成

压风机综合控制器通过对压风机各路信号的采集,实现对压风机设备综合保护的目的.装置的硬件部分包括基于STC12C5A60S2单片机控制核心、各种温度的测量、数字量输入输出、故障保护、语音报警等电路.其主要核心器件是宏晶公司的基于51内核的STC12C5A60S2芯片,显示部分采用串行接线方式的OCM12864液晶模块；温度测量使用多路PT100温度传感器,AD转换使用AD7715转换芯片和CD4051多路选择器.结构框图如图1所示.

图1 压风机控制器结构Fig.1 Pressure fan controller structure

1.2 STC12C5A60S2功能介绍

STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟单片机,是高速、低功耗、超强抗干扰的8051单片机,多针对电机控制电路和强干扰场合[3].该单片机内部集成60 K程序存储器,1 280 KB内部RAM,MAX810专用复位电路,2路16位PWM,8路高速10位AD转换,内部集成EEPROM,4个16位定时器,双全双工串口,工作频率最高达35 MHz,由于是单机器周期单片机,其最快工作速度可达420 MHz.

1.3 多路温度信号采集

压风机共有6路温度信号：风包温度、一级缸温度、二级缸温度、润滑油温度、冷却水进（出）温度,测试精度±1℃.多路温度传感器都使用的是PT100,由于测量的是大惯性的温度信号,并且其信号的变化量都比较小,单片机内含AD转换器达不到0.1度的精度.本设计中采用8选1模拟开关CD4051配合单通道高精度AD转换器件AD7715对多路信号进行转换,AD7715是ADI公司生产的16位模数转换器[4],它具有高精度、很好的非线性、自带片内可编程增益放大器等特点,同时允许差动输入以及和单片机的三线串行接口等优点,在设计中它和PT100配合可以满足0.1度的测量要求.采集电路如图2所示.

图2 AD信号处理电路Fig.2 Processing circuit of AD signal

1.4 语音报警模块设计

压风机故障时不仅要及时切断电路,同时还要提醒人们注意并及时解决问题,本设计中采用语音提醒.语音芯片采用的是WTV040语音芯片[5],该芯片语音长达40 s,其内置16 bits DAC数字/仿真转换器、PSG语音合成器和音质优化算法器保证了音频质量,并具备按键控制、按键组合控制、并口控制及串口控制等多种模式.设计中采用三线串口模式,在三线串口工作模式下可分为207段语音,可用于播出6个温度、6路压力、4路断水等多达16种语音报警信号.放大电路采用TDA2030放大芯片来完成,在各种故障出现时循环播放不同的语音提醒人们注意,电路如图3所示.

图3 语音报警电路Fig.3 Circuit of voice alarm

1.5 开关量输入输出

压风机控制器有多路开关量,共有上风压电接点压力表提供的压力信号、润滑油电接点压力表提供的压力信号、水压电接点压力表提供的压力信号、开停机信号及报警清除信号等多路数字量输入信号,通过光电耦合器输入单片机；共有语音报警和故障保护、备用输出等数字信号也通过光电耦合器输出[6].

1.6 I/O口分配

经电路分析,对STC12C5A60S2管脚分配如表1所示.共有模拟器件AD7715控制信号3个,多路选择器4051管脚控制3个,液晶接口3个,运行和故障灯2个,按键2个,继电器输出2个,语音控制输出5个,风油压等信号输入7个,断水信号输入4个,共计31个.

表1 单片机管脚分配Tab.1 MCU pin assignment

2 软件设计

在整个软件设计过程中,采用主程序和定时器中断程序两部分.主程序主要用来对压风机启动、按键处理、AD数据处理、AD数据显示、语音报警处理和故障处理,流程如图4所示.定时器中断程序主要用来完成AD通道选择和I/O信号读取.

图4 主程序流程Fig.4 Main program flow

3 数据测试

打开主机电源,将6路温度传感器分别正确地安装于一级缸温度、二级缸温度、风包温度、冷却水进（出）温度和润滑油温度的监测点的位置,对应液晶屏位置将显示正确的温度值.如接线错误或短线,则其温度值为200℃.超温报警灯闪烁并显示故障报警,如表2所示.将风压电接点压力表安装于风压管路中、润滑油电接点压力表安装于润滑油管路中、将水压电接点压力表安装与水压管路中,并将各电接点调整到设定值,当压力超出各自范围,报警指示灯闪烁2 s后液晶屏出现当前故障状态并以相应的声音进行报警.

表2 温度测试表Tab.2 Temperature gauge ℃

4 结论

本文设计了基于STC12C5A60S2单片机的矿用压风机综合控制器,可对多达8路的温度信号进行模拟采样及运算,其12864液晶显示屏在使用中能更好的及时反映当前的各个开关点的状态及温度情况[7],通过WTV040语音芯片和TDA2030功放同时具有语音报警功能.设计采用STC12C5A60S2作为中央控制单元,可以简化电路,减少外部扩展模块,提高系统的可靠性,目前正在进一步产品化.

[1]李萍,王言堂,李治洲.矿用隔爆兼本质安全型高压软起动器研究[J].煤矿机电,2008（5）：34-36.

[2]鲍长福,杨传启.基于组态技术的矿用压风机远程在线监控系统[J].煤矿机械,2012,32（7）：236-238.

[3]宏晶科技.STC12C5A60S2增强型单片机数据手册[S/OL].[2012-12-10].http：//www.STCMCU.com.

[4]张培仁.基于C语言编程MCS-51单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社,2003：277-288.

[5]广州唯创电子有限公司.WTV系列语音芯片资料[S/OL].[2012-12-12].http：//www.w1999c.com.

[6]刘爱军,刘德顺,周知进,等.矿用风机叶轮加工过程资源环境属性分析[J].制造技术与机床,2009（7）：99-103.

[7]姚芳,李志刚,杨春稳.矿井风机应急供电电源三相逆变控制技术[J].低压电器,2011（22）：58-62.