最新基于单片机的矿井摩擦提升机安全监控系统设计Word格式.docx
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摘要
我国的盘式提升机监控系统大都很古老，存在很大的安全隐患。
笔者对矿井摩擦提升机系统的工作原理进行了一定的解剖，设计了一套新的基于AT89S52单片机的提升机系统控制方案，并且在本文中给出了监控系统的硬件选型和监控系统内部各个部分的硬件控制电路，在电路图的基础之上编写了系统的软件程序。
本系统实现了对矿井提升机的提升速度、液压站油压和闸瓦间隙的实时监控，并且能在提升机出现异常时发出报警，在闸瓦间隙超出安全范围时能够通过驱动电机，自动调整间隙的大小。
这套监控系统稳定可靠，能够适应井下复杂的工作环境。
关键词矿井提升机；
监控系统；
单片机；
自动控制
Abstract
Themonitoringsystemofdischoistisveryold,andtherearealotofsafetyhazards..
TheauthoroftheminefrictionliftingmachinesystemworkingprincipleofthecertainanatomicaldesignanewliftingmachinebasedonAT89S52SCMsystemcontrolschemeandmonitorandcontrolsysteminthispapergivesthehardwareselectionandmonitoringsystemoftheinternalpartsofthehardwarecontrolcircuit,programofthesystemwasdevelopedonthebasisofcircuitdiagram.
Thissystemrealizesthemineliftingmachinetoenhancethespeed,hydraulicandhydraulicbrakeclearanceofreal-timemonitoringstation,andhoistsappearsabnormalalarmandthebrakeclearancebeyondthesaferangecanisdrivenbythemotor,automaticallyadjustthegapsize.
Themonitoringsystemisstableandreliable,andcanadapttothecomplicatedworkingenvironmentofundergroundmine.
.KeywordsMinehoistMonitoringsystemSCMAuto-Control
1绪论
1.1论文选题的背景和意义
矿井提升机的任务是提升或下放矿物和材料、升降工作人员和设备，它是煤矿生产的关键设备之一，是运输井上和井下货物及人员的枢纽，常被人称为矿井的咽喉部位，提升机的安全对矿井的生成运输和井下人员的安全都是至关重要的。
我们国家盘式提升机制动监控系统一直使用的都是最古老的方法，这种方法有很大的弊端，如：
误差大、操作不变、稳定性不高等。
就煤矿矿井提升机来说，其监控系统的作用在于对矿井内的环境状况和电机设备的运行状态进行实时的监管，并对收集来的数据进行分析和处理。
一般来说，矿井安全监控系统由井上监控系统和井下安全监控系统两个部分组成。
井上监控系统主要由：
监控软件、监控器、打印机、交换机及通信转换接口等等，而井下安全监控系统则由多个监控传感器组成，主要监测：
提升机加速度、提升机油压、风速及提升机运行速度等，其作用是采集数据，并将之传输到井上监控系统中。
所以，采集、传输、储存、处理是矿井安全监控系统的主要功用。
监控系统中，监控器和传感器分别监测各个指标的数据，将其传输到井上主机内，主机则处理收集到的信息，并进行报警、停运等一系列反应，从而对矿井提升机进行安全有效的监测和控制。
最近几年，我国将“可靠性系统工程”的概念加入了煤矿生产领域中。
煤矿生产安全越来越受到企业的重视，而作为矿山的咽喉部位，矿井提升机的安全稳定性是煤矿安全生产的重中之重。
然而，国内的矿山在监测提升机提升行程和提升速度反面大多都采用的是机械装置检测，但这种装置可靠性差、精度不高、操作量大，很不利于矿井的安全生产。
再者，国内的矿井提升机安全监控系统又存在技术方面问题，各个厂家生产的设备没有规范的系统，导致大多数系统存在不兼容等问题。
因此研究高精度，自动化的矿机提升机监控系统是迫在眉睫的重要内容。
1.2本课题国内外发展现状及趋势
伴随着科学技术的发展，从70年代初期开始微机技术已经逐步渗入到煤矿产业，在矿井提升机的安全监控中，越来越多的矿井采用微机自动监控系统。
在90年代初，ABB公司发布了一款基于价格高昂的PLC的闸控系统，实现了将监控、控制、基准值的预测等各项功能集中到微机控制板中。
德国的西门子公司是世界提升机监控方面的标杆，它拥有最先进的监控系统，该系统拥有制动恒减速功能、自动诊断功能、动态显示功能和提升钢绳的动态监控功能，是目前最优秀的监控系统。
瑞典采用的提升机能够实现自动的停运，同时系统可靠，保护装置齐全，并且在速度监控和闸瓦监控方面有独特的保护环节。
之后，我国也研发出了一款自创的KHT52提升机闸瓦间隙保护装置，这款系统利用的是西门子的可编程控制器，其优点是能在问题出现之后马上就能发现。
但该提升机监控系统价格高昂，维护困难，让很多企业都望而却步[1]。
目前，国内大多数矿井提升机采用的大多都是TKD系统，这种系统体积小、重量轻并且不用安装短绳防坠装置，但是该系统不能准确反映提升机的运行状态，如：
运行速度、闸瓦间隙和制动油压等数据，在安全性和抗干扰方面也有很严重的缺陷，在提升机出现故障的时候不能及时的将故障信息反映给操作人员，也不能进行自动调节和自动制动。
同时，国内的矿井监控系统的规范性不够高，大多数厂家采用各自的传输设备，有各自的通信协议和物理接口，所以国内的提升机发展受到了很大限制。
1.3论文的研究内容
随着现代科学技术的快速发展，我国在矿井提升机的监控系统发展面也有长足的发展，但是有一些显著的问题，列如监控系统运行不稳定，提升机可能发生短绳的事故。
本文主要内容是设计一款简单、精度高、通用性好的监控系统。
本文主要工作有：
1、设计单片机电路对提升机的提升速度、制动间隙和制动油压进行实时监控和报警并将制动间隙大小显示在LED数码管中；
2、利用单片机驱动电机实现制动间隙自动调控；
3、完成系统壳体的设计；
4、设计系统的流程图并完成系统程序的编写。
1.4本章小结
本章简要的叙述了本文的选题背景和意义已经国内外的发展现状，并且阐述了本文的主要研究内容。
2提升机监控系统
。
3系统硬件的电路设计
4软件系统设计
4.1系统软件设计原则
作为应用系统的软件，需要满足生产生活的要求，作为一个优秀的软件系统应当有以下的优点：
（1）程序简洁、明了、合理。
（2）程序模块化，程序的每个功能应当有自己的模块，便于以后程序的调试、修改和套用。
（3）程序数据定义准确合理，合理的赋值能够节省内存空间，又便于编程操作。
（4）合理的设置标志。
程序的各个功能模块设置各自的标志，方便查询和调控。
（5）程序应当有自诊断程序，用于检测系统运行是否正常，提高系统的可靠性[11]。
4.2软件系统设计总体框架及流程图
系统中体软件框架如表格4-1所示。
表4-1系统中体框架表格
1.系统初始化：
程序变量初始化、各个硬件系统的寄存器和芯片初始化
2.系统标准参数设定：
闸瓦正常工作间隙、闸瓦位移量、提升机提升速度、液压站油压
3.标准参数的监测以及调控报警：
1）输入：
①ST188光电传感器将检测到的闸瓦间隙信号转变成模拟信号，再由ADC0809模数转变器将模拟信号转变成数字信号导入AT89S52单片芯片内部；
②CS3020霍尔速度传感器将脉冲传入单片机内部；
③ASDX001压力传感器将液检测到的压站油压信号处理后将数字信号直接传输给单片机。
2）调控：
AT89S52单片机在接收信号后，在数码管中显示当前闸瓦间隙，根据相关的计算方法，单片机将调控参数反馈，调整闸瓦间隙，使其在正常值范围内。
3）输出：
由AT89S52单片机反馈的控制量控制电机运转，从而达到调控闸瓦间隙的最终目的。
4.标准参数不在正常值范围内产生声光报警：
闸瓦间隙如果超过标准值，会导致提升机制动失效，不能够正常的运行，甚至导致提升机坠落。
闸瓦间隙低于标准值时，会导致提升机能耗高，提升机运行不稳定等情况[12]。
①当闸瓦工作间隙不在正常范围内，监控系统自动进行如下操作：
a.LED数码管开始闪烁，蜂鸣器运作产生警报
b.提升机停止运行
C.当闸瓦间隙回到初始设定值时，提升机能后继续工作
②当提升机提升速度不在标准设定值时，LED数码管开始闪烁，但蜂鸣器处于停止状态
③当液压站的油压不在标准准设定值时，LED数码管正常显示，蜂鸣器发出警报
5.蜂鸣器的控制：
闸瓦间隙处和液压站油压在异常值时，蜂鸣器响1s,停1s。
直到间隙和油压回归正常值。
6.LED数码管闪烁控制：
当闸瓦间隙和提升速度处在异常值时，LED数码管亮1s，灭1s。
直到闸瓦间隙和提升速度回归正常值。
7.LED显示器控制：
本系统中，BC7281提供4个LED数码管用来显示闸瓦间隙的大小以及在间隙处于异常值时产生报警。
本系统的软件需要实现通过AD传唤器将收集到的数据转换成数字信号，转换后的数据传输到单片机中，单片机进行一系列的处理将数据显示在LED数码管中，同时软件内置报警标志，报警标志达到后进行相应的处理，单片机一直保持对数据的循环采集。
下图4-1为主程序流程图。
图4-1主程序流程图
4.3单片机的资源分配
由于单片机的接口有限，所以合理的分配单片的资源是很重要的课题，下面是本系统对AT89S52单片的接口分配[13]：
P0口：
本系统中，将P0.0-P0.7的所有引脚连接成总线与74ALS373锁存器和ADC0809转换器连接，用于单片机与LT188红外距离传感器进行通讯，便于LT188传感器将闸瓦间隙大小的信号传输给单片机。
P1口：
本系统中，将P1.3口作为电动机的是能控制信号接口；
电动机驱动控制信号输出端口1、2分别由P1.4和P1.5控制；
BC7281A串行数据输入端口由P1.0控制；
P1.1控制BC7281A按键使能接口；
P1.2是BC7281A串行时钟信号；
P1.6控制闸瓦位移量的脉冲信号端口；
P1.7是控制蜂鸣器的端口。
P2口：
P2.0连接ASDX001芯片输出端，用于单片机检测提升机速度；
P2.7作为ADC0809的片选信号端口，通过一个或非门启动ADC0809芯片；
P2.1-P2.6暂时未使用，将来对此监控系统进行扩展时，连接仿真芯片及其他芯片的预留接口。
P3口：
P3.0和P3.1分别连接MAX232芯片的输入和输出端口，用于单片机和上位机进行通讯的功能。
P3.4连接速度传感器，用于收集CS3020芯片的脉冲信号；
P3.6通过一个或非门控制74ALS373的地址锁存使能；
P3.7通过一个或非门，用于打开三态输出锁存器。
4.4AD转换子程序的设计
在系统采集数据的时候，单片机首先发出传送指令，这时A/D转换器开始运行，A/D转换器的输入电压的正常范围值时0-5V,接口采用井口式，并遵循片外访问RAM时序的设定，转换器的转换精度为8位，即00H-FFH，采用1个LOOP进行1次转换的转换周期[14]。
A/D转换子程序图如下图4-2所示。
图4-2A/D转换子程序流程图
4.5显示子程序的设计
本系统采用BC7281A芯片来显示单片机接收处理后的闸瓦间隙数据，其中BC7281A芯片与单片机通过高速两线串行口连接，占用AT89S52单片机的I/O口和主机时间很少，大大节约了单片机的资源[15]。
作为本系统人机通讯的窗口，BC7281A芯片串行接口数据宽度为8位宽，要传输一条完整的指令需要两个字节为一组，其中第一字节是命令字节，第二个字节是数据字节，BC7281A芯片串行接口的数据结构见表4-2。
表4-2
命令字节
数据字节
D7D6D5D4D3D2D1D0
R/W00a4a3a2a1a0
d7d6d5d4d3d2d1d0
在BC7281A芯片中命令字节R/W是读写使能，如果R/W=0时，单片机会向BC7281A内置的寄存器写入数据；
如果R/W=1时，单片机会读取BC7281A内置寄存器的数据。
命令字节中的a0-a4作为目标寄存器的5位地址，改地址的范围是00H-19H，BC7281A的数据字节能写入或者读出寄存器的数据。
在写入时，单片机对BC7281A发出CLK脉冲信号，该信号称为握手信号，BC7281A芯片接收到CLK脉冲信号之后，在DAT引脚向单片机反馈一个低电平，该低电平表示BC7281A芯片已经可以接受单片机的信号。
单片机在接受到BC7281A反馈信号之后，再在CLK线上发出一个脉冲信号，这时，BC7281A芯片接收到脉冲信号之后会将DAT线恢复成高电平，单片机检测到DAT恢复成高地平是开始发送有效的数据。
同样，在读取时，也需要发送一个握手信号，读取的过程和上述写入过程相似[16]。
在本系统的显示程序中，采用AT89S52单片机的I/O口以软件模拟BC7281A芯片所需的时钟信号，加上数据I/O口实现单片机和显示芯片之间的交流的。
下图4-3是本系统中AT89S52单片机对BC7281A显示芯片发送数据和接收数据子程序的流程图。
图4-3AT89S52对BC7281A单字节数据接收与数据发送子程序流程图
下图4-4是ST89S52单片机读写BC7281A芯片的寄存器子程序流程图。
图4-4AT89S52读写BC7281A芯片寄存器的子程序流程图
4.6电机控制子程序的设计
在本系统中，直流电动机需要进行正反转来控制闸瓦的间隙大小，要实现电动机的正反转，笔者将单片机芯片的P1.3引脚和P1.4引脚连接L298芯片，通过发送指令信号给L298电机驱动芯片来实现直流电动机的正反转，流程图如下图4-5所示[17]。
图4-5电动机控制子程序流程图
当闸瓦的间隙小于设定安全值范围时，单片机P1.3引脚发送一个高电平给L298芯片的IN1口，单片机的P1.4引脚发送一个低电平给L298芯片的IN2口，以实现电动机的正转；
当闸瓦的工作间隙大于设定安全值范围时，单片机的P1.3发送一个低电平给L298芯片的IN1口，单片机的P1.4引脚发送一个高电平给L298芯片的IN2口，以实现电动机的反转。
4.7报警程序的设计
当闸瓦工作间隙不正常时，.LED数码管开始闪烁，蜂鸣器运作产生警报；
当提升机提升速度不在标准设定值时，LED数码管开始闪烁，但蜂鸣器处于停止状态；
当液压站的油压不在标准准设定值时，LED数码管正常显示，蜂鸣器发出警报[18]。
由于系统设定了LED数码管显示程序，所以在数码管的闪烁需要一个内部高优先级的中断程序。
报警子程序流程图见图4-6。
图4-6报警子程序流程图
4.8系统抗干扰的设计
4.8.1硬件可靠性的设计
本系统用于矿井生产，安全稳定是系统的一个重要的参考标准，而矿井井下存在各种各样的干扰，所以本系统一定要有抗干扰的设计。
作为一个合理可靠的电路系统，合理的布线是很重要的一个环节。
要设计一个价格低廉、安全可靠的线路板，一般遵循以下原则：
（1）合理的布局：
首先，合理的选用PCB的尺寸，如果PCB的选用尺寸太大，会导致成本增加，同时印制的线条太长，线路板的阻抗增大，线路板抗干扰能力低。
但是，如果PCB尺寸过大，会导致电路板的散热性能不好，同时，线条相邻太近，容易产生相互干扰。
选定PCB合理的尺寸之后，在确定一些重要原件的放置位子。
最后，根据剩下电器原件的大小数量对全电路板进行布局。
①根据电路图安放各个重要的功能原件，布局要合理，要使信号交流通畅，并尽量使信号有统一的方向。
②根据每一个功能原件为中心，安放其他原件，安放时要遵循整齐、紧凑、均匀的原则，尽可能的缩短各个元器件的连接距离，并减少元器件连接的引线。
③为了防止干扰，输入元器件和输出元器件之间应当尽量保持较远的距离。
④电路板应当事先流出印制板定位孔以及固定支架的位置，方便固定和印制[19]。
（2）布线应当遵循以下原则：
①输入端和输出端用的导线尽量不要采用平行相邻的方式布线。
②根据绝缘基板和导线之间的粘附强度与通过他们的电流大小决定印制导线的最小宽度。
一般导线选用宽度为1.5mm，但是，对于数字电路，一般选用0.02mm-0.3mm导线宽度。
但是，只要允许，尽可能使用较宽的线，特别是选用电源线和底线的时候。
③一般在印制导线拐角的地方采用圆弧形，因为采用直角或者夹角方式在高频电路中可能会对电气性能产生影响。
同时，应当避免较大面积的使用铜箔，因为电路板在系统运行过程中可能会产生大量的热量，由于长时间的受热，铜箔容易出现膨胀、脱落等现象。
如果在某些特定情况必须大面积使用铜箔时，需要用栅格状的地线，有利于排出电路板受热挥发出的气体。
（3）其他能提高可靠性的方法：
在设定参考电压端口和模拟电压输入线的时候应当尽可能的远离数字电路的信号线；
为了防止干扰，石英晶体下方已经一些敏感的元器件下方不要走线；
去耦电容和元器件的引脚尽可能的要短；
晶体振荡器的外壳需要有一根接地线；
一些不用的或者备用的门电路应当设置测试点。
4.8.2软件的可靠性设计
AT89S52单片机在受到电磁干扰时，内部的控制器、控制寄存器和运算器很容易受到干扰。
当单片机的运算器受到干扰时，其内部CPU可能会执行错误的执行指令，会导致得到错误的运算结果和引起错误的动作；
如果单片机的控制寄存器受到噪音干扰，会导致程序在初始化时出现错误，严重时还会导致整个系统的崩溃。
所以，系统软件的可靠性设计在本系统中是一个重要的环节，它是抑制外界干扰的重要手段。
可靠性的设计主要的方法有：
开机自动检测设计、指令冗余、程序的“跑飞”检测设计、程序运行转台标志、“看门狗”设计、输入多次采集、输出口刷新等等。
（1）开机自动检测
在系统开始运行时，单片机首先对硬件和软件的运行状态进行检测，如果发现运行状态出现错误，马上进行相应的动作。
其中，开机自动检测检测的内容包括：
ROM、RAM、I/O等进行检测]。
（2）指令冗余
AP89S52单片机的CPU选取指令首先是取操作码，然后在选取操作数。
如果CPU受到干扰发生错误时，程序就会出现一系列的错误，出现“乱飞”状态，如果乱飞到一个双字节的指令，CPU在取指令的时候落在了操作数上，可能会将操作数误认为操作码，这时程序将会出现错误；
如果乱飞到了某个三字节的指令时，程序出现错误的机会将会更大。
指令冗余是指：
人为的在一些关键性的地方加入一些单字节的指令，或者是将两个字节以上的NOP插入到一些双字节指令和三字节的指令之中。
由于NOP的存在，即便是乱飞到了操作数时，也能避免之后的一些指令继续被当做操作数，这时程序会自动的正常执行。
另外，可以在：
RET、RETI、JC、LJMP、LCALL等重要指令之前插入NOP指令，这些NOP指令能确保这些重要指令的正确执行]。
（3）输出端口刷新
AT89S52单片机的I/O口容易受到外界的干扰信号，所以输出口的状态可能因为外界干扰导致错误。
在主程序中适当的加入输出端口刷新指令，可以有效地减少外界干扰对输出口状态的影响。
在系统程序中选定RAM垫片输出口单片存储当时应处的状态，在系统运行时，根据这些事先选定的RAM单元内容去刷新I/O口。
（4）输入多次采样
外界干扰可能会导致输入信号的瞬间采集错误。
一般，为了消除外界干扰，在程序中通常使用加权平均和重复采集的方法
（5）“看门狗”的设计
所谓的“看门狗”是为了防止系统出现无法正常进行的错误，设置的一种专门用于检测单片机程序运行状态的芯片，俗称“看门狗”（WatchDog）。
本系统采用的AT89S52单片机内部自带了“看门狗”通过对相应的特殊功能寄存器的设置就可以实现“看门狗”的设计。
本设计采用的是定时器T0监控定时器T1，利用定时器T1监控主程序，再有主程序监控定时器T0，这种“看门狗”设计有很好的抗干扰能力，能够大大的提高系统的稳定性，以适应情况复杂、干扰情况严重的矿井生产。
通过以上的软件系统可靠性的设计，最大程度的降低外界的干扰，确保单片机及整个系统能够在矿下复杂的情况中安全可靠的运行，在出现错误时能够及时的恢复及报警。
4.9本章小结
本章主要对监控系统的软件进行了分析设计，参考硬件电路系统分配了AT89S52单片机的各个引脚资源，并且绘制了主流程图及其各个模块的子流程图，在最后介绍了系统在抗干扰方面的处理。
5系统壳体设计
5.1绘图软件简介
作为实用型系统，本课题的最终目的是要将设计的电路投入到真正的煤矿生产生活中。
当然电路板不能直接暴露在外面，所以设计一个能够安装电路板的壳体也是本可以的一个重要的内容。
在绘制系统的壳体图时本人使用的绘图软件是UG6.0。
它是西门子公司推出的一款多功能绘图软件。
UG集成了CAD、CAM系统，能够轻松的绘制复杂的二维和三维图纸，并且能够直接导入到数控加工机床，实现自动化数控加工。
本系统的壳体图由电路板、下壳体和上壳体以及一些电器元件组成，这里就可以用到UG6.0的装配模块。
只要事先将需要的零件图绘制完成，然后新建一个装配图，使用UG自带的一些
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