基于單片機(jī)的煤礦井下水位測控系統(tǒng)

許清梅，李文強(qiáng)

(1.太原工業(yè)學(xué)院，山西太原，030008；2.中北大學(xué)，山西太原，030051)

0 引言

礦井內(nèi)涌水量是一個迫切需要解決的問題，如果可以做到實(shí)時(shí)監(jiān)測到井下水位的變化情況并且立即做出調(diào)整，那么煤礦就可以按照正常的方式進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)，同時(shí)保障了工人的生命安全。水位監(jiān)測與我們的生活息息相關(guān),比如礦井等地點(diǎn)，及時(shí)有效的監(jiān)測可以方便管理人員快速做出與之對應(yīng)的判斷處理。本文研究的煤礦井下水位控制系統(tǒng)，其功能是實(shí)現(xiàn)水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將檢測到的數(shù)據(jù)迅速反饋至用戶端。

1 總體設(shè)計(jì)方案

煤礦井下水位測控系統(tǒng)是由超聲波測距模、LCD1602顯示模塊、自動進(jìn)出水模塊和按鍵模塊組成，如圖1所示。首先，被檢測到的井下水位信息通過ST89C51單片機(jī)進(jìn)行采集，分析后轉(zhuǎn)至自動進(jìn)出水模塊的水泵進(jìn)行反饋處理，從而將水位調(diào)節(jié)到正常范圍內(nèi)。同時(shí)，水位數(shù)據(jù)將通過串口通信的方式傳送到電腦的上位機(jī)中，該系統(tǒng)既智能又方便，不僅能夠節(jié)省時(shí)間，而且保障了井下工人的生命安全。

圖1 煤礦井下水位測控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 自動進(jìn)出水模塊

水位自動控制模塊由水泵及其配套元件組成。根據(jù)超聲波測距模塊測到的值，與預(yù)先設(shè)定的水位上下限報(bào)警值比較，從而調(diào)節(jié)電機(jī)速率。選用L298N芯片控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動速率，也就是調(diào)節(jié)水泵，實(shí)現(xiàn)抽水或者排水的動作，使煤礦井下的水位始終保持在正常水平，最終完成水位的智能控制。

若要讓電機(jī)轉(zhuǎn)動，需要給電機(jī)加上合適的電壓，但是若要同時(shí)驅(qū)動多個電機(jī)，或者使用單片機(jī)程序去控制電機(jī)，不能通過用插拔電源來實(shí)現(xiàn)，所以應(yīng)選擇合適的“開關(guān)”，利用真值表約定高低電平，從而來控制開關(guān)的閉合。本文選擇L298N作為電機(jī)驅(qū)動模塊。L298N電機(jī)驅(qū)動模塊不僅能夠控制啟動的時(shí)間，而且能夠通過改變PWM波周期中高電平的占空比實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。L298N的輸入輸出關(guān)系如表1所示。

表1 L298N的輸入輸出關(guān)系

2.2 LCD顯示模塊

本文選用LCD1602完成系統(tǒng)的水位實(shí)時(shí)顯示，其低功耗較低和數(shù)字式接口的設(shè)計(jì)有利于系統(tǒng)的集成化封裝。如圖2所示，LCD1602共有16個引腳，引腳3與可調(diào)電阻R8相連接從而對顯示模塊的背光進(jìn)行調(diào)節(jié)；4和14引腳協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)水位信號的傳輸。

圖2 LCD1602顯示模塊原理圖

2.3 無線通信模塊

本系統(tǒng)選用數(shù)字射頻芯片NRF24L01進(jìn)行水位信息的通信，其外部設(shè)SPI接口，內(nèi)部寄存器通過SPI接口與單片機(jī)相連配置工作模式、初始地址、字節(jié)數(shù)、頻道等信息。

工作模式可為發(fā)送模式或接收模式。工作在發(fā)送模式時(shí)，利用單片機(jī)將檢測到的水位信息寫入后即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動發(fā)送；而工作在接收模式時(shí)，單片機(jī)可通過IRQ引腳的狀態(tài)判定數(shù)據(jù)接收是否完成，IRQ處于低電平狀態(tài)表明已完成水位信息的接收，工作原理圖如圖3所示。

圖3 無線通信模塊原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及仿真

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。首先進(jìn)行單片機(jī)初始化并將水位控制程序裝載入芯片中。LCD1602顯示器將實(shí)時(shí)顯示此刻的水位信息，通過按鍵設(shè)定水位報(bào)警的上下限。當(dāng)水位超過或者不足設(shè)定的上下限時(shí)，蜂鳴器發(fā)聲并快速啟動報(bào)警功能，提醒井下工人注意安全，與此同時(shí)通過水泵執(zhí)行抽水或者排水的動作，從而調(diào)整水位到達(dá)正常的水位值。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 系統(tǒng)仿真

根據(jù)AD設(shè)計(jì)的電路圖，采用Proteus進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真驗(yàn)證，系統(tǒng)的整體仿真圖如圖5所示。啟動仿真按鍵的時(shí)候，LCD1602顯示屏分別有兩個讀數(shù)：0.30m與0.90m，其分別對應(yīng)于實(shí)際煤礦井下報(bào)警水位的下限和上限值。按鍵模塊設(shè)有兩組，共4個按鈕，用來實(shí)現(xiàn)對上下限警報(bào)值的調(diào)節(jié)，從而模擬真實(shí)情況中應(yīng)對不同情況時(shí)需要對井下警戒水位進(jìn)行調(diào)整。由于用Proteus不能根據(jù)水位的變化而進(jìn)行讀數(shù)的自動變化，所以仿真中應(yīng)用手動控制滑動變阻器來模擬實(shí)際情況，通過改變阻值進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同水位對應(yīng)的不同讀數(shù)。超聲波測距模塊的精度為0.01m，量程為0-1m，符合設(shè)計(jì)要求。傳感器能自己檢測到水位因?yàn)殚]環(huán)調(diào)節(jié)降低或者升高，從而實(shí)現(xiàn)水位的閉環(huán)控制。通過調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速模擬了實(shí)際情況進(jìn)出水量的大小，值為負(fù)則表示是正在進(jìn)行進(jìn)水，值為正則表示正在執(zhí)行排水。當(dāng)水位測量模塊測得到井下水位并在液晶顯示屏中顯示出來時(shí)，操作人員可以遠(yuǎn)距離在電腦接收到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，不僅為操作人員的工作提供了方便，而且可以更快更準(zhǔn)的記錄水位信息，大大節(jié)省了人力物力。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的煤礦井下水位監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了煤礦井下水位的實(shí)時(shí)檢測。在單片機(jī)和設(shè)備終端之間，使用無線通信的方式，各個模塊之間不可分割，構(gòu)成一個環(huán)環(huán)相扣的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳輸通信。STC89C51單片機(jī)和各個模塊之間的相互協(xié)調(diào)配合，使得煤礦井下水位監(jiān)控更加智能化。

圖5 系統(tǒng)整體仿真圖

整個系統(tǒng)模擬了煤礦井下作業(yè)過程中水位會出現(xiàn)的各種情況，以及應(yīng)對各種突發(fā)情況要采取何種辦法，整體運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集可靠，有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。