基于单片机的煤矿井下水位测控系统

2021-06-28许清梅李文强

电子测试 2021年6期

许清梅，李文强

(1.太原工业学院，山西太原，030008；2.中北大学，山西太原，030051)

0 引言

矿井内涌水量是一个迫切需要解决的问题，如果可以做到实时监测到井下水位的变化情况并且立即做出调整，那么煤矿就可以按照正常的方式进行生产作业，同时保障了工人的生命安全。水位监测与我们的生活息息相关,比如矿井等地点，及时有效的监测可以方便管理人员快速做出与之对应的判断处理。本文研究的煤矿井下水位控制系统，其功能是实现水位的实时监测，并将检测到的数据迅速反馈至用户端。

1 总体设计方案

煤矿井下水位测控系统是由超声波测距模、LCD1602显示模块、自动进出水模块和按键模块组成，如图1所示。首先，被检测到的井下水位信息通过ST89C51单片机进行采集，分析后转至自动进出水模块的水泵进行反馈处理，从而将水位调节到正常范围内。同时，水位数据将通过串口通信的方式传送到电脑的上位机中，该系统既智能又方便，不仅能够节省时间，而且保障了井下工人的生命安全。

图1 煤矿井下水位测控系统总体设计框图

2 系统硬件设计

2.1 自动进出水模块

水位自动控制模块由水泵及其配套元件组成。根据超声波测距模块测到的值，与预先设定的水位上下限报警值比较，从而调节电机速率。选用L298N芯片控制电机的转动速率，也就是调节水泵，实现抽水或者排水的动作，使煤矿井下的水位始终保持在正常水平，最终完成水位的智能控制。

若要让电机转动，需要给电机加上合适的电压，但是若要同时驱动多个电机，或者使用单片机程序去控制电机，不能通过用插拔电源来实现，所以应选择合适的“开关”，利用真值表约定高低电平，从而来控制开关的闭合。本文选择L298N作为电机驱动模块。L298N电机驱动模块不仅能够控制启动的时间，而且能够通过改变PWM波周期中高电平的占空比实现转速的调节。L298N的输入输出关系如表1所示。

表1 L298N的输入输出关系

2.2 LCD显示模块

本文选用LCD1602完成系统的水位实时显示，其低功耗较低和数字式接口的设计有利于系统的集成化封装。如图2所示，LCD1602共有16个引脚，引脚3与可调电阻R8相连接从而对显示模块的背光进行调节；4和14引脚协同作用实现水位信号的传输。

图2 LCD1602显示模块原理图

2.3 无线通信模块

本系统选用数字射频芯片NRF24L01进行水位信息的通信，其外部设SPI接口，内部寄存器通过SPI接口与单片机相连配置工作模式、初始地址、字节数、频道等信息。

工作模式可为发送模式或接收模式。工作在发送模式时，利用单片机将检测到的水位信息写入后即可实现数据的自动发送；而工作在接收模式时，单片机可通过IRQ引脚的状态判定数据接收是否完成，IRQ处于低电平状态表明已完成水位信息的接收，工作原理图如图3所示。

图3 无线通信模块原理图

3 系统软件设计及仿真

3.1 系统软件设计

系统整体软件设计流程图如图4所示。首先进行单片机初始化并将水位控制程序装载入芯片中。LCD1602显示器将实时显示此刻的水位信息，通过按键设定水位报警的上下限。当水位超过或者不足设定的上下限时，蜂鸣器发声并快速启动报警功能，提醒井下工人注意安全，与此同时通过水泵执行抽水或者排水的动作，从而调整水位到达正常的水位值。

图4 系统主程序流程图

3.2 系统仿真

根据AD设计的电路图，采用Proteus进行系统设计仿真验证，系统的整体仿真图如图5所示。启动仿真按键的时候，LCD1602显示屏分别有两个读数：0.30m与0.90m，其分别对应于实际煤矿井下报警水位的下限和上限值。按键模块设有两组，共4个按钮，用来实现对上下限警报值的调节，从而模拟真实情况中应对不同情况时需要对井下警戒水位进行调整。由于用Proteus不能根据水位的变化而进行读数的自动变化，所以仿真中应用手动控制滑动变阻器来模拟实际情况，通过改变阻值进而实现不同水位对应的不同读数。超声波测距模块的精度为0.01m，量程为0-1m，符合设计要求。传感器能自己检测到水位因为闭环调节降低或者升高，从而实现水位的闭环控制。通过调节水泵的转速模拟了实际情况进出水量的大小，值为负则表示是正在进行进水，值为正则表示正在执行排水。当水位测量模块测得到井下水位并在液晶显示屏中显示出来时，操作人员可以远距离在电脑接收到实时数据，不仅为操作人员的工作提供了方便，而且可以更快更准的记录水位信息，大大节省了人力物力。