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1、毕业设计东方论文河南城建学院 前 言 煤炭资源是当今工业社会运行发展的基础能源和重要原料，煤炭产业在我国国民经济发展中占有举足轻重的地位。建国以来，煤炭作为一次能源在我国一直占有很大比重，并将在可预见的时期内保持其不可替代的主导地位。随着社会的发展，煤炭资源的开采与供给显得愈加重要，直接影响我国经济发展的速度，更是我国整个工业系统稳定运行的前提保证。近一段时期，煤炭安全生产屡出问题，已成为社会关注的焦点，也被国家重视。提升绞车是矿井生产的关键设备，它的安全运行是保证煤矿安全生产的重要环节。国家煤炭安全生产总局及各省市煤炭生产主管部门，都强制要求各煤炭开采企业安装提升绞车综合后备保护。 基于重大

2、的现实意义，我们选用单片机设计提升绞车综合后备保护器，是期望在现有综合后备保护器的基础上实现更强大的安全强制功能，完成自动减速功能和能够实施更精确的在线监视功能，为煤炭行业的安全生产提供更可靠的后备保护装置。中文摘要本套设计的煤矿提升绞车综合后备保护是为满足（煤矿安全规程）（2005版）。对平煤天安十矿的主井提升机的各项保护而专门设计的专用保护器，实现对矿井提升机的松绳，过卷，卡箕斗，深度指示器失效，以及自动减速保护，确保矿井提升绞车的安全运行，次设计采用霍尔传感器，集成电路，单片机等先进技术，软硬件结合，具有体积小，功能强，可靠性高等特点。关键词：提升绞车，综合后备保护，松绳，过卷，过速，卡

3、箕斗，深度指示器失效，霍尔传感器，单片机。 Chinese summaryA coal mine for design promote comprehensive spare protection of winch is for satisfy( safe rules distance of coal mine)(2005 versions).To an Anne of even coal ten the main well of the minerals promote various protections of the machines but the appropriation pro

4、tection machine of the specialized designs, the loose rope that realization promotes the machine to the mineral well, lead book, the card Dustpan , the depth indicator expiration, and decelerate the protection automatically, insure the mineral well to promote the winch safe to circulate, a design ad

5、option the huoer spreads the feeling machine, integrated circuit, a machine waits the advanced technique, the soft hardware combine, having the physical volume small, the function is strong, the credibility high etc. characteristics.Keyword:Promote the winch, synthesize the spare protection, loosen

6、the rope, lead book, lead soon, the card Dustpan, the depth indicator expiration, the huoer spreads the feeling machine, a machine.第一章 ： 国内外提升绞车综合后备保护器的现状与发展前景 5.第二章 ： 概述 6.第一节 ： 平煤天安十矿简介 6.第二节 ： 提升绞车运行速度图 7.第三章 ： 总体设计方安确定 8.第一节 ： 设计要求 : 提升绞车综合后备保护装置技术方案 8.第二节 ： 系统总体设计方案确定 : 提升绞车综合后备保护器设计方案 8.第四章 ：

7、硬件电路图设计 11.第一节 ： 控制方案选择确定 11.第二节 ： 系统功能框图 15.第三节 ： 8255接口电路设计及工作原理描述 15.第四节 ： 显示模块设计及工作原理描述 18.第五节 ： 输出报警电路 19.第六节 ： 方向鉴别电路设计 22.第七节 ： 继电器输出电路设计 23.第八节 ： 光电隔离抗干扰技术介绍 24.第九节 ： 霍尔传感器介绍 25.第五章 ： 电源模块设计 30.第一节 ： 线形直流稳压芯片简介。 30.第二节 ： 直流电源的组成及各部分的作用 35.第六章 ： 串行通信设计 40.第一节 ： 基本概念 40.第二节 ： 串行通信数据格式 44.第三节 ：

8、 串行通信标准RS232 44.第四节 ： 串行通信标准RS-485 47.第五节 ： 用PC机实现与89C51单片机的多点通讯 48.第六章 ： 软件程序设计 51.第一节 ： 软件设计任务 51.第二节 ：. 初始化的初值设置 51.第三节 ： 程序流程图 52.程序 ： 58.总结 ： 72. 附录 : 第一章 国内外提升绞车综合后备保护器的现状与发展前景国内外现行的提升机综合后备保护装置，一般均采用微机系统，常用的有单片机，单板机等。它是将监测的某一深度的对应速度与事先编程固化的设计速度包络线相比较，当提升机速度超过设计速度10%时，微机发出指令，声光报警当超过15%时，微机发出指令，

9、通过电控回路进行安全制动；当以超过允许速度（一般为2m/s）超过最低停车点或最高停车点以上距离时，发出控制指令实现制动停车，避免过卷与墩罐事件发生。我国现行的提升机综合后备保护器，其检测提升容器在井筒中的准确位置是采用间接测量方法，即通过测量提升机滚筒或摩擦轮的回转量换算成提升容器的位置，优点是简单易行，缺点是未考虑到弹性伸长，打滑，蠕动以及滚筒或摩擦轮衬垫磨损的影响造成的行程测量误差，使得容器的实际减速，停车位置与标定的减速点，停车点相比较超前或滞后，从而可能引起后备保护装置的误动作。监测常用的传感器有霍耳式，光电式，轴编码器。国外监测提升容器在井筒中的准确位置是利用直接测量法。直接测量法包

10、括高频雷达，激光与红外测距，惯性导航以及钢丝绳磁性标记法。在国外他们用的比较普遍的是钢丝绳磁性标记法。磁性标记法就是在钢丝绳上安装磁性探头，随着钢丝绳的移动，微机通过记录磁性印记的数目和钢丝绳的运动方向就能准确监测到容器的实际位置，不受钢丝绳滑移或蠕动等影响。未来的综合后备保护器将采用红外激光位置传感器来适时监测提升机的位置和速度，实现高精度的后备保护。红外激光位置传感器原理是采用相位式红外激光测距原理。红外光谱作为载波，用以较低的调制频率对光波进行调制。直接监测调制光波在发送端和接受端的相位差，利用相位差确定两点间的距离。基于红外激光位置传感器的矿井提升机综合后备保护系统具有全自动化的操作功

11、能，不需要人工干预，安全性好，运行稳定等优点。第二章: 概 述第一节:平煤天安十矿简介 平顶山煤业（集团）有限责任公司十矿，位于平顶山市区东部，煤田面积22.5平方公里。东与十二矿相邻，西与一矿接壤，南临程平路，北靠平顶山，地势平坦，位置优越，靠近市区，交通便利。现有职工6399人， 固定资产1.08亿元，年产原煤超过200万吨。十矿是一座大型现代化矿井。1958年8月兴建，1964年2月投产，原设计年生产能力120万吨，采用一对立井开拓。1986年12月完成改扩建后，形成一二水平、南北两翼同时开采的生产格局，矿井年生产能力达到180万吨。1988年以来，该矿实际年生产能力已达到220万吨。

12、目前，十矿同时开采丁、戊、己组煤，煤种齐全，煤质优良，所产焦精煤具有“低灰、低硫、低磷、高热值”的特点，深受用户欢迎。十矿主井提升机主轴装置采用剖分式弹性结构卷筒，卷筒受力均匀，强度大，便于运输安装；盘式制动器为先进的油缸后置式，动作灵活，不油污制动盘，安全可靠；具有液压延时二级制动性能并在井口时可自动解除；双筒提升机设有径向齿块式液压调绳离合器；器系统采用隔爆型电性能并在井口时可自动解除；双筒提升机设有径向齿块式液压调绳离合器；器系统采用隔爆型电性能并在井口时可自动解除；双筒提升机设有径向齿块式液压调绳离合器；器系统采用隔爆型电机和BSJ1成套防爆电控装置，设有各种联锁保护装置，防爆性能安全

13、可靠可根据要求提供动力制动。电机功率为200KW，选用26-6X7光面钢丝绳,采用固定天轮,10T箕斗,自重5.3T,导轨采用38KG钢轨,井筒有效深度264.5m。技术参数：型 号JKB-2.0最大静张力（KN）4550 60最大静张力差（KN）4550 60减 速 比20 30卷筒个 数11直 径（m）2.02.0宽 度（m）1.51.5容 绳 量（m）10441044钢绳直 径（mm）24.524.5速度（m/s）3.883.46 2.59电机型 号JBR0450S8JBR0400L6 JBR0450S8功率（KW）185 185 外形尺寸（m）7.156.582.827.156.582

14、.82主机重量（Kg）2362923629第二节：提升绞车运行速度图 第三章：总体设计方安确定第一节：设计要求提升绞车综合后备保护装置技术方案一 适用范围：本标准适用于煤矿竖井提升机综合后备保护装置（以下简称后备保护装置）。二 技术要求综合后备保护装置应具备的基本功能：（1）提升容器的位置显示值应与提升容器的实际位置一致，位置测量精度不大于0.1m，位置显示分辨率不大于0.1m. （2）提升容器速度显示值与提升容器实际速度一致，显示分辨率为0.1m/s；当采用频率法原理测速时，速度显示值滞后实际速度的时间应不大于0.33s。（3）按设定的提升高度自动发送减速信号，控制提升机减速运行，应有灯光信

15、号显示。（4）提升容器在等速段的运行速度超过最大提升速度15%时，实现安全制动，并有声光报警信号。（5）当原速度限制器不能有效的限制速度时实现安全制动，并有声光报警信号，保证容器在接近终端停车位置时速度小于2m/s。（6）提升容器超过正常停车位置过卷0.5m应能安全制动，并有声光报警信号。（7）当深度指示器不能正常指示容器实际位置时，发出声光报警，报警点死区不大于3m，容器运行到接近终端停车位置时，速度不大于2m/s时实现安全制动。（8）主井箕斗被卡阻不能顺利退出卸载曲轨位置时，应能实现安全制动，发出声光报警信号。第二节：系统总体设计方案确定提升绞车综合后备保护器设计方案一 各项功能的实现方法

16、1.提升容器的位置显示：在电机轴上安装适量的磁钢，在距磁钢23mm处安装霍尔探头，当电机轴转动时带动磁钢旋转，霍尔探头受到感应产生一系列电平脉冲信号。微机设置为查询方式，适时查询电平脉冲个数。根据查询到的电平脉冲信号，记算出提升容器的实际位置，在每次开车时都利用软件方式把计数器设置为加数器或减数器。根据现场数据按设计精度要求，计算确定的 磁钢数目如下：滚筒半径：r=2米 直径：D=4米 可求周长: C1=2r=12.56 当把磁钢贴在滚筒时，按显示分辨率0.1m考虑，需贴磁钢数为：12.56/0.1=125.6126个由于电机与滚筒传动比为11.51，所以电机轴上应贴磁钢数目：126/11.5

17、10.96=11个电机轴周长为C2=940mm,故两个磁钢的间距为：940/1185.5mm用计数器记下脉冲个数n，可求出提升容器的实际深度H：H=ndC1/KC2n:脉冲个数 d:磁钢间距 C1：滚筒周长 K：电机与滚筒传动比。2.深度指示器失效检测：在深度指示器丝杠上安装适当的磁钢，在距磁钢23mm处安装霍尔探头，当丝杠转动时带动磁钢旋转，霍尔探头感应产生一系列电平脉冲信号。微机通过查询方式一直检测丝杠处霍尔探头送来的电平脉冲信号。根据电机转动与丝杠转动的传动关系，依据现场实际数据计算得出：电机轴上磁钢与丝杠上磁钢的传动比例关系为19：1，利用此传动比例关系可用来检测深度指示器是否失效。当

18、电机轴霍尔探头检测到19个电平脉冲时，丝杠霍尔探头应检测到一个电平脉冲信号，若此信号未到，则微机就判断为深度指示器失效。微机发出声光报警，并发出安全回路继电器动作指令，后备保护器完成深度指示器失效保护功能。依据实际现场数据确定磁钢数目如下：井深h=264.5m 丝杠周长C1=130mm提升绞车从提升到停车（或下放到停车）丝杠转动28.5圈，故丝杠每转动一周提升容器位移为264.5/28.5=9.28m利用套筒把丝杠周长扩大为175mm。按贴5个磁钢计算，得两磁钢间距为：175/5=35mm（满足两磁钢间距30mm要求），每个磁钢的动作行程距离为9.28/5=1.856m(满足最大行程死区3m)

19、。3.速度显示： 利用单片机和其内部计数器完成速度显示功能，单片机控制其内部计数器在单位时间内（单位时间为1秒）对电机轴的电平脉冲个数进行计数，并在计数完毕后读取计数值，根据记下的脉冲个数值，按照一定的控制算法，换算出提升容器的速度值。井深h=264.5m 滚筒周长C1=12.56m 电机与滚筒的传动比K=11.5:1 电机轴上的磁钢数为11个按以下公式可算出提升容器整个行程的脉冲个数：n=11hk/C1=11264.511.5/12.56=2657个每米需脉冲个数：2654/264.510个，故每个脉冲的分辨率为0.1m,（满足0.1m/s的设计要求）。按如下公式可算出提升容器瞬时速度:v=

20、C1N/11K C1:滚筒周长 N: 单位时间内测得的脉冲个数 K:传动比 常数11：电机上的磁钢个数4 减速点的控制在井深230米（或35米）两点，提升绞车进入减速运行阶段，为完成综合后备保护减速功能，在深度指示器相应位置安装霍耳传感器，当提升容器运行到减速点时，霍耳传感器就发出电平脉冲给微机，微机接收到信号后发出指令，控制提升机减速运行，后备保护器完成自动减速保护功能。5过速保护按照提升容器在等速段运行时的速度的115%，减速段运行速度的110%，整定出提升容器运行包络线，并把此包络线装入微机，当提升容器在此包络线以内运行时，是安全运行速度，当运行速度值超出此运行速度包络线时，视为超速危险

21、运行，此时微机发出指令，使安全回路动作，并声光报警，后备保护器完成过速保护功能。6 防过卷保护在提升容器正常停车位置过0.5米处安装限位开关，当提升容器过0.5米时，限位开关动作，发出一个电平脉冲给微机，微机接收到此电平脉冲时发出指令使安全回路动作，并声光报警，后备保护器完成过卷保护功能。7卡箕斗保护在提升容器正常停车位置过4.5米处安装限位开关，箕斗上提或下放时第一次经过同步开关到停车时的工作状况以被微机记忆存储，当箕斗再次下放或上提，若位置量过4.5米仍没有接受到同步开关发出的电平信号，说明箕斗被卡，微机发出指令使安全回路动作，并发出声光报警，后备保护器完成卡箕斗保护功能。8 防松绳保护在

22、钢丝缆绳下安装两位置开关，两位置开关的传动杆用细钢丝绳拉紧，当钢丝缆绳松弛时，钢丝缆绳会下坠到细钢丝绳上，此时两位置开关由常闭到常开，发出电平脉冲信号给微机，微机接收到此信号时发出指令，使安全回路动作，并声光报警，后备保护器完成松绳保护功能。第四章：硬件电路图设计第一节：控制方案选择确定：早期的控制系统是由模拟式自动化仪表组成的自动控制系统，称为仪表式自动控制系统。系统实现自控，是通过具体的模拟硬件，依据控制原理，对各种输入量进行模拟转换，最终实现调节输出量，实现自动控制。随着大规模集成电路的发展，组成微型计算机的各种功能部件：中央处理器，存储器，串/并输入输出接口，定时器/记数器，中断控制器

23、，以及许多特殊功能单元，如：A/D，D/A转换器，告诉输入输出部件，DMA，浮点运算等已集成在一块半导体晶体芯片上，构成一完整的微型计算机-单片机。计算机的发展正迅速渗透各行各业，其迅猛和普及之势是始料不及的，微机技术的发展又以网络化，模块化和微机化为特征，为其应用开辟了广阔的前景。由于单片机具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点，因此特别适合于工业控制或与控制有关的数据处理系统，愈来愈广泛地应用于自动控制，智能仪表，数据采集，军工产品以及家用电器等各个领域。单片机的发展是源自于1971年11月Intel公司首先设计出集成度为200只晶体管/片的4位微处理机Intel4

24、004，并配有RAM，ROM和移位寄存器，而后又推出8位微处理器，Intel8008，以后各大公司相继推出自己的8位微处理器，从此拉开了研制单片机的序幕。1976年1983年，是低性能单片机阶段，以Intel公司推出的MCS-48系列为代表，采用8位CPU，8位并行I/O接口，8位定时/记数器，RAM/ROM等集成于一块半导体芯片上的单片机结构，寻址范围4KB，无串行I/O，RAM和ROM容量小，中断系统也较简单，功能可满足一般工业控制和智能化仪器，仪表等的需要。1980年1983年，是高性能单片机阶段，高性能8位单片机普遍带有串行口，有多种中断处理系统，多个16位定时记数器，片内ROM，RO

25、M的容量加大，寻址范围可达64KB，个别片内还带有A/D转换接口。其典型为1980年Intel公司推出的MCS-51系列单片机，这类单片机拓宽了其应用范围，使之能用于智能终端，局部网络的接口等。1983年80年代末是16位单片机阶段。1983年Intel公司推出的高性能16位单片机MCS-96系列，采用了最新的制造工艺，使芯片集成度高达12万只晶体管/片。CPU16位，支持16位算术逻辑运算，并具有32位除16位的除法运算功能，片内RAM，ROM容量更进一步增大，除两个16位定时/记数器外，还可设定4个软件定时器，具有8个中断源，片内带有多通道高精度A/D转换器和高速输入，输出部件（HSIO）

26、，运算速度和控制功能也大幅度提高，具有很强的实时处理能力。90年代至今，单片机在集成，功能，速度，可靠性，应用领域等全方位向更高水平发展。如：CPU位数有8位，16位，32位，而结构上更进一步采用双CPU结构或内部流水线结构，以提高处理能力和运算速度，时钟频率高达20MHZ，使指令执行速度相对加快，提供新型的串行总线结构，为系统的扩展与配置打下了良好的基础，增加了新的特殊功能部件（如：PWM输出，监视定时器WDT，可编程记数器阵列PCA，DMA传输，调制解调器，通信控制器，浮点运算单元等），半导体制造工艺的不断改进，使芯片向高集成化，低功耗方向发展等等。以上这些方面的发展，使单片机在大量数据的

27、实时处理，高级通信系统，数字信号处理，复杂工业控制，高级机器人以及局域网络等方面得到大量应用。结合上面的综述，针对我们的控制系统比较简单，实现功能，采集工作不太复杂，我们选用AT89C51单片机以及8255A接口芯片，作为控制芯片。A T 89C51 是由北京集成电路设计中心在MCS- 51 单片机的基础上精心设计, 由美国生产的至今为止世界上最新型的高性能八位单片机。1特点:A T 89C51 与MCS251 系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容;片内有4k 字节在线可重复编程快擦写程序存储器;全静态工作, 工作范围: 0Hz 24MHz;三级程序存储器加密;1288 位内部RAM ;32

28、 位双向输入输出线;两个十六位定时器计数器;五个中断源, 两级中断优先级;一个全双工的异步串行口;间歇和掉电工作方式。2功能描述:A T 89C51 是一种低损耗、高性能、CMO S八位微处理器, 片内有4K字节的在线可重复编程快擦快写程度存储器, 能重复写入擦除解1000 次, 数据保存时间为十年。它与MCA 251系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容, 不仅可完全代替MCS251 系列单片机, 而且能系统具有许多MCS251 系列产品没有的功能。A T 89C51 可构成真正单片机最小应用系统,缩小系统体积, 增加系统的可靠性, 降低了系统成本。只要程序长度小于4k, 四个I/O 口全部提

29、供给用户。可用5V 电压编程, 而且擦写时间仅需10 毫秒, 仅为8751 的擦除时间的百分之一, 与8751 的12V 电压擦写相比, 不易损坏器件, 没有两种电源的要求,改写时不拔下芯片,适合许多嵌入式控制域。工作电压范围宽2.7V6V ,全静态工作,工作频率宽,在0Hz24MHz 内, 比8751等51系列的6MHz12MHz更具有灵活性,系统,能快能慢。A T 89C51芯片提供三级程序存储器加密,提供了方便灵活而可靠的硬加密手段,能完全保证程序或系统不被仿制,另外,AT89C51还具MCS251系列单片机的所有优点.1288位内部RAM,32位双向输入输出线,两个十六位定时计时器,5个中断源,两级中断优先级,一个全双工异步串行口及时钟发生器等。3管脚功能:AT89C51单片机为40引脚芯片如下图所示：1) I/O 口线: P0、P1、P2、P3 共四个八位口：P0 口是三态双向口, 通称数据总线口, 因为只有该口能直接用于对外部存储器的读写操作。P0 口也用以输出外部存储器的低8 位地由于是分时输出, 故应在外部加锁存器将此地址数据锁存, 地址锁存信号用AL E。P1 口是专门供用户使用的I/O 口, 是准双向口。P2 口是从系统扩展时作高8 位地址线用。不扩展