基于STC單片機(jī)的礦用壓風(fēng)機(jī)綜合控制器設(shè)計(jì)

牛鑫

（濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系,河南濟(jì)源459000）

礦用壓風(fēng)機(jī)即空氣壓縮機(jī),是風(fēng)動(dòng)機(jī)械和風(fēng)動(dòng)工具的動(dòng)力源,它廣泛地應(yīng)用于礦業(yè)生產(chǎn),是煤礦生產(chǎn)不可缺少的機(jī)電設(shè)備之一.隨著生產(chǎn)發(fā)展,越來(lái)越多的空氣壓縮機(jī)應(yīng)用到煤礦安全生產(chǎn)中[1].大量的風(fēng)動(dòng)機(jī)械和風(fēng)動(dòng)工具,如風(fēng)鎬、氣動(dòng)鑿巖機(jī)、風(fēng)動(dòng)鉆機(jī)、風(fēng)動(dòng)扳手、噴漿機(jī)、鍛釬機(jī)等,對(duì)壓縮空氣的需求量進(jìn)一步增多,也對(duì)壓風(fēng)系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性提高了要求.

目前對(duì)于國(guó)內(nèi)的壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng),已有多種監(jiān)測(cè)和控制[2].實(shí)際生產(chǎn)中需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的要求對(duì)壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù).由于煤礦生產(chǎn)的進(jìn)步,對(duì)壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度及工作效率要求也逐步提高.空壓機(jī)系統(tǒng)不間斷運(yùn)行的要求提高,同時(shí)原有的單臺(tái)壓風(fēng)機(jī)已經(jīng)不能適應(yīng)生產(chǎn)面的需求,需要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)引入調(diào)度多臺(tái)壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行.還有壓風(fēng)機(jī)本身的更新?lián)Q代,帶來(lái)了許多新的問(wèn)題需要進(jìn)一步考慮.本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于STC12C5A60S2為核心的壓風(fēng)機(jī)綜合控制器,闡述了控制器的硬件原理,給出了部件軟件控制流程圖,同時(shí)針對(duì)控制功能完成了全項(xiàng)數(shù)據(jù)測(cè)試.

1 壓風(fēng)機(jī)控制器的硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件構(gòu)成

壓風(fēng)機(jī)綜合控制器通過(guò)對(duì)壓風(fēng)機(jī)各路信號(hào)的采集,實(shí)現(xiàn)對(duì)壓風(fēng)機(jī)設(shè)備綜合保護(hù)的目的.裝置的硬件部分包括基于STC12C5A60S2單片機(jī)控制核心、各種溫度的測(cè)量、數(shù)字量輸入輸出、故障保護(hù)、語(yǔ)音報(bào)警等電路.其主要核心器件是宏晶公司的基于51內(nèi)核的STC12C5A60S2芯片,顯示部分采用串行接線方式的OCM12864液晶模塊；溫度測(cè)量使用多路PT100溫度傳感器,AD轉(zhuǎn)換使用AD7715轉(zhuǎn)換芯片和CD4051多路選擇器.結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 壓風(fēng)機(jī)控制器結(jié)構(gòu)Fig.1 Pressure fan controller structure

1.2 STC12C5A60S2功能介紹

STC12C5A60S2單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘單片機(jī),是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的8051單片機(jī),多針對(duì)電機(jī)控制電路和強(qiáng)干擾場(chǎng)合[3].該單片機(jī)內(nèi)部集成60 K程序存儲(chǔ)器,1 280 KB內(nèi)部RAM,MAX810專用復(fù)位電路,2路16位PWM,8路高速10位AD轉(zhuǎn)換,內(nèi)部集成EEPROM,4個(gè)16位定時(shí)器,雙全雙工串口,工作頻率最高達(dá)35 MHz,由于是單機(jī)器周期單片機(jī),其最快工作速度可達(dá)420 MHz.

1.3 多路溫度信號(hào)采集

壓風(fēng)機(jī)共有6路溫度信號(hào)：風(fēng)包溫度、一級(jí)缸溫度、二級(jí)缸溫度、潤(rùn)滑油溫度、冷卻水進(jìn)（出）溫度,測(cè)試精度±1℃.多路溫度傳感器都使用的是PT100,由于測(cè)量的是大慣性的溫度信號(hào),并且其信號(hào)的變化量都比較小,單片機(jī)內(nèi)含AD轉(zhuǎn)換器達(dá)不到0.1度的精度.本設(shè)計(jì)中采用8選1模擬開關(guān)CD4051配合單通道高精度AD轉(zhuǎn)換器件AD7715對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,AD7715是ADI公司生產(chǎn)的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器[4],它具有高精度、很好的非線性、自帶片內(nèi)可編程增益放大器等特點(diǎn),同時(shí)允許差動(dòng)輸入以及和單片機(jī)的三線串行接口等優(yōu)點(diǎn),在設(shè)計(jì)中它和PT100配合可以滿足0.1度的測(cè)量要求.采集電路如圖2所示.

圖2 AD信號(hào)處理電路Fig.2 Processing circuit of AD signal

1.4 語(yǔ)音報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

壓風(fēng)機(jī)故障時(shí)不僅要及時(shí)切斷電路,同時(shí)還要提醒人們注意并及時(shí)解決問(wèn)題,本設(shè)計(jì)中采用語(yǔ)音提醒.語(yǔ)音芯片采用的是WTV040語(yǔ)音芯片[5],該芯片語(yǔ)音長(zhǎng)達(dá)40 s,其內(nèi)置16 bits DAC數(shù)字/仿真轉(zhuǎn)換器、PSG語(yǔ)音合成器和音質(zhì)優(yōu)化算法器保證了音頻質(zhì)量,并具備按鍵控制、按鍵組合控制、并口控制及串口控制等多種模式.設(shè)計(jì)中采用三線串口模式,在三線串口工作模式下可分為207段語(yǔ)音,可用于播出6個(gè)溫度、6路壓力、4路斷水等多達(dá)16種語(yǔ)音報(bào)警信號(hào).放大電路采用TDA2030放大芯片來(lái)完成,在各種故障出現(xiàn)時(shí)循環(huán)播放不同的語(yǔ)音提醒人們注意,電路如圖3所示.

圖3 語(yǔ)音報(bào)警電路Fig.3 Circuit of voice alarm

1.5 開關(guān)量輸入輸出

壓風(fēng)機(jī)控制器有多路開關(guān)量,共有上風(fēng)壓電接點(diǎn)壓力表提供的壓力信號(hào)、潤(rùn)滑油電接點(diǎn)壓力表提供的壓力信號(hào)、水壓電接點(diǎn)壓力表提供的壓力信號(hào)、開停機(jī)信號(hào)及報(bào)警清除信號(hào)等多路數(shù)字量輸入信號(hào),通過(guò)光電耦合器輸入單片機(jī)；共有語(yǔ)音報(bào)警和故障保護(hù)、備用輸出等數(shù)字信號(hào)也通過(guò)光電耦合器輸出[6].

1.6 I/O口分配

經(jīng)電路分析,對(duì)STC12C5A60S2管腳分配如表1所示.共有模擬器件AD7715控制信號(hào)3個(gè),多路選擇器4051管腳控制3個(gè),液晶接口3個(gè),運(yùn)行和故障燈2個(gè),按鍵2個(gè),繼電器輸出2個(gè),語(yǔ)音控制輸出5個(gè),風(fēng)油壓等信號(hào)輸入7個(gè),斷水信號(hào)輸入4個(gè),共計(jì)31個(gè).

表1 單片機(jī)管腳分配Tab.1 MCU pin assignment

2 軟件設(shè)計(jì)

在整個(gè)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中,采用主程序和定時(shí)器中斷程序兩部分.主程序主要用來(lái)對(duì)壓風(fēng)機(jī)啟動(dòng)、按鍵處理、AD數(shù)據(jù)處理、AD數(shù)據(jù)顯示、語(yǔ)音報(bào)警處理和故障處理,流程如圖4所示.定時(shí)器中斷程序主要用來(lái)完成AD通道選擇和I/O信號(hào)讀取.

圖4 主程序流程Fig.4 Main program flow

3 數(shù)據(jù)測(cè)試

打開主機(jī)電源,將6路溫度傳感器分別正確地安裝于一級(jí)缸溫度、二級(jí)缸溫度、風(fēng)包溫度、冷卻水進(jìn)（出）溫度和潤(rùn)滑油溫度的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置,對(duì)應(yīng)液晶屏位置將顯示正確的溫度值.如接線錯(cuò)誤或短線,則其溫度值為200℃.超溫報(bào)警燈閃爍并顯示故障報(bào)警,如表2所示.將風(fēng)壓電接點(diǎn)壓力表安裝于風(fēng)壓管路中、潤(rùn)滑油電接點(diǎn)壓力表安裝于潤(rùn)滑油管路中、將水壓電接點(diǎn)壓力表安裝與水壓管路中,并將各電接點(diǎn)調(diào)整到設(shè)定值,當(dāng)壓力超出各自范圍,報(bào)警指示燈閃爍2 s后液晶屏出現(xiàn)當(dāng)前故障狀態(tài)并以相應(yīng)的聲音進(jìn)行報(bào)警.

表2 溫度測(cè)試表Tab.2 Temperature gauge ℃

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于STC12C5A60S2單片機(jī)的礦用壓風(fēng)機(jī)綜合控制器,可對(duì)多達(dá)8路的溫度信號(hào)進(jìn)行模擬采樣及運(yùn)算,其12864液晶顯示屏在使用中能更好的及時(shí)反映當(dāng)前的各個(gè)開關(guān)點(diǎn)的狀態(tài)及溫度情況[7],通過(guò)WTV040語(yǔ)音芯片和TDA2030功放同時(shí)具有語(yǔ)音報(bào)警功能.設(shè)計(jì)采用STC12C5A60S2作為中央控制單元,可以簡(jiǎn)化電路,減少外部擴(kuò)展模塊,提高系統(tǒng)的可靠性,目前正在進(jìn)一步產(chǎn)品化.

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