井下积水水位监控预警装置设计

2014-01-25靳宝全李凤霞

制造业自动化 2014年12期

杨洋，靳宝全，李凤霞

（1.太原理工大学电气与动力工程学院，太原 030024；2.太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室，太原 030024）

0 引言

煤矿井下积水过多会使采区及附近巷道空气潮湿，影响工作效率，若超过正常排水能力，则会造成矿井水灾，危及生产安全[1]，因此，实现井下积水预警、排水自动化具有重要意义。早期煤矿一般采用传统的人员巡检方式，每隔固定时间观测水仓积水情况，根据水仓水位启停排水泵，效率较低且浪费人力。随着控制技术和电子技术的快速发展，微控制器开始应用于煤矿井下水位监测。陈艳丽等采用单片机与A/D转换芯片设计了水仓水位采集、报警装置，完成了对水仓水位的自动监测[2～4]。袁小平等采用单片机系统对井下排水设备进行状态监测及控制，实现了排水泵的自动控制[5,6]。

近年来，水位的实时监测与排水设备的自动控制均获得较大发展，但信息采集、控制电路可靠性仍需进一步提高，功能也需进一步综合。综上所述，本文设计了一种基于C8051F040单片机的井下积水水位监控预警装置，综合了监控、预警与自动控制功能，解决积水实时监测与排水自动化问题。该装置设计有信号采集、水泵状态识别电路，可直接采集水位、压力、排水泵状态，并综合上述信息进行继电控制，编程简单、运行可靠；具有红外遥控功能，调校灵活；且集成了RS485通信接口，组网方便；实现水仓积水实现采集与显示、自动启停排水泵及信息传输。

1 总体方案

井下积水水位监控预警装置结构设计如图1所示。装置以微控制器为核心，配有控制继电器，可控制排水泵、触发报警设备，频率信号采集电路直接采集传感器输出的压力与水位，开停传感器检测到的水泵运行情况由状态识别电路进行辨识，通过液晶显示各种参数，并集成有RS485端口，便于进行组网通信。控制器综合水位值、排水泵状态等条件自动启停排水泵。工作人员也可根据需要使用遥控器修改参数、启停排水泵。

图1 装置结构设计示意图

2 装置硬件设计

2.1 微控制器选择

主控制器采用Silicon Laboratories的微控制器C8051F040芯片，具有64个数字I/O口引脚，可完全满足信息采集与逻辑控制。通过编写高效的程序和算法对数据进行处理、控制设备并报警，实现水位的实时监控。

2.2 水位、压力采集电路

水仓水位和排水管压力通过本安类型传感器进行采集，矿用传感器输出频率信号通常为200Hz～1000Hz。采集本安信号时，先通过光电耦合器对输入进行光电隔离，防止其他器件影响传感器的本安性质，隔离后频率信号经施密特反向触发器（74HC14N）转换成矩形脉冲信号，即可通过控制器的I/O口进行采集，电路如图1所示频率信号采集部分。频率信号经换算得到水位、压力值。

2.3 水泵状态采集电路

水泵运行状态经矿用开停传感器KGT29采集，传感器安装在排水泵供电线路上，当排水泵运行时，传感器输出5mA电流，排水泵停止时，输出1mA电流，传感器断线时，输出为0。设计“11”、“01”、“00”三个代码识别上述三种状态，电路如图1水泵状态识别部分所示：传感器输出“+”、“-”通过电路“IN+”、“IN-”与串联的电阻R1、R2构成回路，将光耦①串联接入主回路，光耦②并联在R2两端，光耦输出经施密特反相触发器74HC14N整形反向后接控制器。工作原理如下：确定合适R1与R2阻值，使电流为5mA时两路光耦导通，1mA时只有光耦①导通，断线时光耦全部关断，控制器即可通过I/O口（如P4.0、P5.0）对应采集到“11”、“01”、“00”三种代码识别出水泵状态。

电阻R1、R2是水泵状态识别电路进行判断的主要器件，R1用于稳定电路，R2阻值根据电路工作原理与光耦型号进行计算。

光耦选择东芝公司TLP521-4，其正向电流与正向电压的关系如图2所示，可知光耦开启电压略大于0.9V，要使光耦②在I=1mA时不导通，可使光耦②两端电压U②得：

且光耦②在I=5 mA时导通，可使：

式(2)中R②为光耦2发光二极管电阻。

在光耦②导通时，可根据IF-VF曲线确定R②的大小，为保证光耦②可靠导通，可使流过R②的电流为3mA，通过图2可知此时R②约为360Ω，由式(2)计算并综合式(1)得：

2.4 红外遥控电路

红外遥控电路由本安遥控器、红外接收探头1838及红外接收译码器BL9149组成。BL9149能根据探头接收到的按键指令进行识别译码，遥控器按下某一按键时，BL9149的输出引脚HP1-HP5中对应引脚电平会变为5V，其他引脚基本为0V。控制器经I/O口读出按下的按键，编程实现各个按键对应的控制、调校功能。

2.5 控制、预警与显示

装置通过继电器实现水泵的启停及异常预警，电路如图1所示继电器输出部分，由光耦、三极管及二极管组成，控制信号经光耦隔离并经三极管放大来驱动继电器，二极管并联在继电器两端用于续流，控制器输出高电平使继电器动作。

控制器发出启动命令但未检测到水管压力，或发出停止信号，一段时间后水泵未停，则排水泵自动启停异常；同时，当水位超限、传感器损坏时，控制器都会驱动继电器动作进行预警。

显示电路设计12864中文液晶模块显示水位、压力、水泵状态等参数，该模块连接电路简单，且支持全中文，方便编程与操作。

2.6 通信接口

装置集成RS485接口，可与监控主机进行通信。RS485是当前矿用电气设备通信的主要方式，可有效利用原有通信网络。RS485芯片采用带隔离RS485收发器ADM2483，接口电路如图1RS485部分所示，ADM2483收发器与控制器的连接简单，只需连接控制器串口和控制收发的I/O引脚。AB之间接120Ω匹配电阻，AB分别接1K的上拉电阻、下拉电阻用于稳定总线数据，并经TVS管接地，防止总线电压过高对总线造成伤害。

3 装置软件设计

3.1 水位、压力计算

水位、压力的大小根据采集到的频率值进行换算。应用较为普遍的频率计算方法是定时计数法，即使用定时器定时一段时间后，根据计数器计入脉冲的个数计算频率，这种方式尽管计算精确，但每一路频率需要2个定时/计数器，占用资源较多。本装置需要计算多路水位信号和压力信号，采用定时计数法计算复杂，所以设计电平翻转法计算频率，其原理为：设计I/O引脚检测电平，当电平翻转时计数值加1，不变时不加，在定时器固定时间t内得到电平翻转次数m，则频率信号的周期为：

频率为：

对于低频信号，控制器I/O口完全能检测到电平的翻转变化，用电平翻转法进行多路测频时，只用到一个定时器，节省资源。

水位、压力的大小与频率值成正比，若频率范围为200Hz～1000Hz，则水深或压力值为：

式中A为水位或压力传感器的权值。

设计C8051F040的定时器T0作为定时设定，T0工作在 16位定时器模式，时钟选用外部时钟（22.1184MHz）48分频，设定定时器从0计数到65536后进入定时中断。频率计算公式推导：

式中Fsys为外部时钟频率，FT0为定时器频率，N为定时器计数长度，VT0为定时时间。

由式(5)得频率计算式为：

代入式(6)得：

3.2 水泵控制模式

井下水位受多种因素影响，水位时刻在变化。为满足井下排水泵的启停要求，装置采用两种工作模式对排水泵进行控制：

1)自动模式

自动模式下，水位正常时不启动水泵；当水位上升到警戒值时，启动一台停止状态的水泵排水；若水位继续上升，则启动多台水泵排水并发出涌水报警信号。

2)手动模式

当水位传感器故障时，装置不能根据水位启停排水泵，工作人员可切换到手动模式，使用遥控器启停水泵。装置连接上位机后，也可在上位机通过启停按钮启停水泵。

3.3 通信方式设计

设计装置为RS485主从方式下从站模式，主机每隔固定时间向所有从机发送带地址的数据包，从机一直处于接收状态，当从机收到主站发送的与其地址匹配的数据包时，就会对该数据包进行接收处理并向主机发送信息。装置通信流程示意图如图3所示。

图3 通信流程示意图

4 装置调试与试验结果

4.1 硬件电路测试

针对频率信号采集电路，经示波器测得水位、压力输出的频率信号经采集电路整形前后的波形如图4所示。处理后信号近似标准方波，满足控制器I/O口采集要求。

图4 频率信号采集电路处理波形

对水泵状态识别电路，取R1阻值1K，R2选择满足式(3)的常用阻值750Ω，电路测试结果如表1所示，U①、U②分别为光耦①、②两端电压，P4.0、P5.0为控制器I/O口。由表1知，控制器可通过I/O口识别水泵状态。

表1 水泵状态识别电路测试结果

4.2 软件测试

针对电平翻转法测频率计算水位、压力，对不同水位值，计算频率值与传感器实际输出频率值如图5所示。由于单片机所测得m为整数，且测频程序不一定在频率信号的上升沿或下降沿恰好开始计数，所以m会比实际值略大，由式(9)可知，可通过降低时钟频率Fsys来提高计算精度，但会影响控制器运算速度，所以Fsys不宜太低，且由图5知，计算值在误差允许范围内，不影响水位或压力的计算。

针对通信接口，设计一个主机向装置发送数据包，利用串口调试助手进行监视，图6列出了主站发送(上方框内)与装置响应(下方框内)的数据包，可知装置可对主站进行响应，实现组网通信。