風阻參數(shù)綜合檢測儀的研制

崔 峰

風阻參數(shù)綜合檢測儀的研制

崔 峰

新型的礦用風阻參數(shù)綜合檢測儀器集空氣壓力(絕對壓力和相對壓力)、風速、空氣溫濕度等參數(shù)的檢測于一體，并且具有功能集成性強、數(shù)據(jù)存儲容量大、可與上位計算機進行通信，操作簡單、便于攜帶等特點。與傳統(tǒng)測試儀器相比，提高了測量、處理的精度和效率。

檢測儀器；風阻參數(shù)；單片機；煤礦

1礦用測量儀器的現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)外在通用礦井負壓、風速測量等單個項目指標的測量方面都有比較成熟的技術(shù)，但是，對于礦井通風計算及礦井安全預報的精度還不能完全滿足要求。并且在綜合各類通風參數(shù)的儀器測定方面國內(nèi)外尚無實用產(chǎn)品。而本儀器根據(jù)目前礦井通風參數(shù)的要求，采用嵌入式單片機控制采集技術(shù)，實現(xiàn)對礦井通風參數(shù)的綜合數(shù)據(jù)采集的方法、研究煤礦巷道復雜環(huán)境數(shù)據(jù)采集、通信的抗干擾措施，研究了主從式串行通信技術(shù)在礦用便攜式采集儀之間及上位計算機間的通信應(yīng)用，實現(xiàn)巷道風阻參數(shù)的本質(zhì)安全型自動測量。

2風阻參數(shù)綜合檢測儀的總體方案

風阻參數(shù)是指表示礦井中通風條件狀態(tài)的性能參量。它主要包括井下空氣壓力、空氣溫度、空氣濕度、井下風速和井中的瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)，目前較常用的是電測法。所謂風阻參數(shù)的電測法就是用相應(yīng)的傳感器將被測的參數(shù)按照一定的函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換為電信號，并對其進行測量，以此來表示被測的參數(shù)量。多功能風阻參數(shù)檢測儀就是將傳感器技術(shù)、單片機技術(shù)、信息傳輸技術(shù)、電源技術(shù)與電氣防爆技術(shù)相結(jié)合，用于巷道多項風阻參數(shù)同時進行測量的儀器。

2.1風阻參數(shù)檢測儀的功能分析。

該儀器主要是針對礦井風阻參數(shù)測量的實際需要而開發(fā)的。它應(yīng)具備以下功能：

(1)儀器應(yīng)具有對甲烷、風速、空氣壓力、空氣濕度和溫度等模擬量監(jiān)測和累計檢測功能。

(2)具有甲烷濃度超限聲音報警功能。

(3)具有大容量的數(shù)據(jù)存儲功能。

(4)具有數(shù)據(jù)顯示功能。

(5)具有鍵盤控制和操作功能,以便于存儲點的設(shè)置、存儲數(shù)據(jù)的察看、參數(shù)修改和功能的調(diào)用等。

(6)該儀器主要是面向礦井通風參數(shù)的檢測，因此，它要具有良好的防爆功能。

(7)具有較強的抗干擾功能。

(8)具有與上位計算機的通信功能。

(9)采用可充電的鋰電池供電，具備4-8小時以上的使用時間。

2.2 風阻參數(shù)檢測儀總體方案的確定。

2.2.1 主要技術(shù)指標。

該儀器主要是面向礦井風阻參數(shù)檢測的，它主要完成數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示、存儲和預警等功能，并與上位計算機實現(xiàn)通信。其主要的技術(shù)指標如下：

(1)該儀器的工作指標：

采集通道數(shù)：1～8路可選

采集位數(shù)：12位

濕度：0～100%RH，精度±2%RH(25±2℃下)

溫度：-55～+150℃額定范圍，精度0.5℃(在+25℃時)

風速：0～15m/S，精度±(0.3m/S+3%讀數(shù))

壓力：0～500Pa, 精度：±1Pa

(2)該儀器的工作方式：采集存貯方式；數(shù)據(jù)傳送方式。

(3)與上位機的通訊接口：該儀器采用RS232串行接口與上位機之間進行通信，儀器的工作方式由上位機進行控制。

2.2.2 風阻參數(shù)檢測儀的硬件系統(tǒng)。

該儀器以單片機為控制核心，包括數(shù)據(jù)采集、存貯、掉電保護、鍵盤輸入、顯示輸出和通訊等模塊。儀器硬件系統(tǒng)組成框圖如圖2.1所示。

該儀器的設(shè)計緊密結(jié)合了技術(shù)的發(fā)展，采用先進的微處理器芯片。在硬件電路中，單片機采用Intel公司生產(chǎn)的51系列的ATMEL89C51作為主控芯片。A/D轉(zhuǎn)換器采用了TI公司生產(chǎn)的串行數(shù)據(jù)接口芯片TLC2543芯片。選用X25045可編程看門狗芯片；并設(shè)有RS232串行通訊接口，可實現(xiàn)較近距離的數(shù)據(jù)傳輸。

圖2.1 風阻參數(shù)檢測儀系統(tǒng)組成框圖

2.2.3 風阻參數(shù)檢測儀軟件。

該測試儀器軟件部分采用MCS-51系列單片機匯編語言編寫。軟件部分主要完成數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換、存貯、顯示以及通訊等功能。其程序設(shè)計可分為五大模塊。

(1)主程序：主要完成系統(tǒng)初始化，包括串行口、定時器方式、鍵盤以及顯示器等。

(2)采樣轉(zhuǎn)換模塊：主要完成對1～8路模擬量的采樣和A/D轉(zhuǎn)換。

(3)串行通訊模塊：主要完成接收數(shù)據(jù)串命令的分析判斷、根據(jù)控制命令字的信息向主機發(fā)送信息和數(shù)據(jù)。

(4)鍵盤處理模塊：主要完成鍵盤輸入信息的掃描和執(zhí)行。

(5)顯示輸出模塊：主要完成測量數(shù)據(jù)和儀器工作狀態(tài)的顯示。

3風阻參數(shù)綜合檢測儀的具體設(shè)計

風阻參數(shù)檢測儀以單片機為控制核心，主要由數(shù)據(jù)采集、串行通訊、數(shù)據(jù)存儲、掉電保護、顯示輸出和鍵盤輸入等幾大模塊，以及測量放大和RC濾波等電路組成。

3.1控制器的選擇。

我們選用了Intel公司生產(chǎn)的MCS-51系列的ATMEL89C51單片機作為本儀器的主控制芯片，它功能強大、價格低廉、體積小，是一種比較通用且經(jīng)濟實惠的產(chǎn)品。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊的選擇。

數(shù)據(jù)采集模塊主要由對各項參數(shù)進行測量的傳感器、放大電路、濾波電路以及A/D轉(zhuǎn)換器等組成?；谳斎胪ǖ?、轉(zhuǎn)換精度、速度和價格等方面考慮，我們選用了TI公司生產(chǎn)的TLC2543。其管腳布局如圖3.1所示。

圖3.1 TLC2543引腳排列

3.3 通訊模塊。

隨著測控技術(shù)的發(fā)展，目前許多測量儀器都帶有RS232串行總線接口。儀器通過標準的RS232接口轉(zhuǎn)換電路，用于實現(xiàn)與上位機的通訊，為上位機的分析與處理提供數(shù)據(jù)，而上位機軟件也通過標準的232串行接口與儀器通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和后續(xù)處理。

該儀器的控制器89C51單片機內(nèi)部帶有一個全雙工串行通訊接口，包含有串行發(fā)送器和串行接收器；有兩個物理上獨立的發(fā)送緩沖器和接收緩沖器。此外還有兩個特殊功能寄存器SCON和PCON分別用于控制串行口的工作方式以及波特率，定時器T1用作波特率發(fā)生器。該串行口可以工作在4種不同的方式下，波特率也可由軟件設(shè)置，本儀器設(shè)定串行口工作在方式1下。

3.4 數(shù)據(jù)存儲、掉電保護模塊。

以往，對風阻參數(shù)的檢測采用的大都是分立儀器，且需人工記錄，工作量大，誤差也大，而且檢測點有限。而該儀器，由于要完成對8路數(shù)據(jù)的采集與存儲，且數(shù)據(jù)量較大，所以，我們在該儀器的設(shè)計中采用了串行數(shù)據(jù)存儲器(AT24C64)，它具有8K的存儲空間。按一個檢測點用10個字節(jié)存儲，那么本儀器可連續(xù)對800個檢測點進行存儲。另外，在該儀器中設(shè)計有X25045可編程看門狗芯片，以X25045設(shè)計的看門狗電路為系統(tǒng)提供在異常情況下的復位能力，因此提高了系統(tǒng)的可靠性。

3.5 鍵盤輸入、顯示輸出模塊。

3.5.1 鍵盤的選擇與設(shè)計。

由于我們的儀器要求有較多的按鍵，因此在該儀器的設(shè)計中，我們選用了非編碼矩陣式鍵盤。在本儀器中，我們選用P2.0～P2.7作為鍵盤的輸入接口。鍵盤的板面如圖所示。

在鍵盤中，我們共設(shè)計了16個按鍵，10個數(shù)字鍵，5個功能鍵，一個小數(shù)位和4個第二功能鍵。數(shù)字鍵主要用于工作人員對檢測點代號手動的輸入；采集鍵主要用來對檢測點進行數(shù)據(jù)采集的控制健；保存鍵主要用來對采集數(shù)據(jù)以及采集點代號進行是否保存的控制；Shift鍵用于鍵盤第一功能和第二功能的切換；刪除鍵用于對采集點代號和存儲數(shù)據(jù)的修改；確定鍵主要用于判斷數(shù)據(jù)的輸入是否完成；清零鍵主要完成顯示器的清零；校準鍵用于儀器系統(tǒng)的復位；上翻和下翻鍵則用于對存儲數(shù)據(jù)的察看。這些鍵將會大大的方便用戶的操作。

3.5.2 顯示器的選擇。

顯示器的種類很多，常用的主要有數(shù)碼管(LED)和液晶顯示器(LCD)。液晶顯示器具有重量輕，體積小，功耗低、使用靈活方便等特點?？梢燥@示數(shù)字，英文大小寫字母，日語片假名等共計192個字符，且指令功能強，接口方便簡單。因此在該儀器中，我們選用了液晶顯示器(LCD)。

3.6 風阻檢測儀的軟件設(shè)計。

我們這種儀器的軟件部分采用MCS-51匯編語言編寫,主要完成數(shù)據(jù)的采集、預處理、存儲、顯示、通訊等功能。該儀器的主程序主要完成系統(tǒng)的初始化，包括定時器、顯示器、串行通信口及鍵盤接口等的初始化。根據(jù)工作流程，在不同的階段調(diào)用相應(yīng)的子程序，完成不同的操作。其主程序工作流程框圖如圖3.9所示。

圖3.9 主程序工作流程圖

4風阻參數(shù)檢測儀部分實驗數(shù)據(jù)

該儀器的主要實驗驗證參數(shù)是空氣壓力和空氣溫濕度。驗證的方法是將本儀器測量的數(shù)據(jù)與專用的測量儀器檢測的數(shù)據(jù)進行比較，通過比較，最后得出該儀器測量的可靠性及數(shù)據(jù)的精確性。

4.1 儀器空氣壓力測量實驗。

4.1.1實驗設(shè)計與實驗儀器。

在對空氣壓差的測量的實驗中，我們共選取了11個不同的測量點，6個壓力等級，從0pa～300pa，每個相鄰壓力等級間壓差為50pa，壓力測量專用儀器選用本校采礦系的專用壓力測量控制實驗臺。

4.1.2 實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析。

(1)此實驗總共分兩次進行，第一次測量時，取數(shù)據(jù)的上限值，第二次取下限值，然后將兩次數(shù)據(jù)取平均值。實驗數(shù)據(jù)如表1：(單位：pa)

表1 儀器的壓力測量值與專用儀器測量結(jié)果對照表

1—儀器測量上限值 2—儀器測量下限值 3—專用儀器測量值

(2)由以上測量數(shù)據(jù)看出，該儀器的測量結(jié)果基本上與專用儀器檢測結(jié)果一致，已達到了預期的設(shè)計指標，可以很好的應(yīng)用于當前礦業(yè)生產(chǎn)實際中。

4.2儀器空氣溫濕度測量實驗。

4.2.1 實驗設(shè)計及儀器。

在此實驗中，專用儀器選用專用溫濕度校驗箱。測量時，同樣我們選取了11個測量點，對溫度的測量中，設(shè)置了7個溫度等級，分別從-20℃～40℃；濕度的測量中，也設(shè)定了9個濕度等級，并每組都進行了兩次測量，然后取平均值，再與專用儀器檢測結(jié)果進行對比。

4.2.2 實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

(1)在對溫度的測量實驗中，選擇9個測量點，分9個溫度等級進行測量，共兩次。其測量數(shù)據(jù)如下表2所示。(單位：℃)

表2 校驗箱與儀器溫度測量結(jié)果對照表

(2)在對空氣濕度的測量實驗中，也同樣也選取9個濕度等級，從0～80，分兩次進行測量，其測量數(shù)據(jù)如表3所示。(單位: %RH)

表3 校驗箱與儀器測量值對照表

(3)從上面的測量數(shù)據(jù)我們可以看出該儀器對溫度和濕度的測量結(jié)果與專用儀器測量結(jié)果基本一致，因此，它能滿足我們實際應(yīng)用的需要，也達到了我們的設(shè)計目的。

5結(jié)論

本文針對當前礦用安全檢測儀器普遍存在的問題，采用嵌入式單片機技術(shù)，以單片機為控制核心，將現(xiàn)代傳感器技術(shù)、單片機技術(shù)、信息傳輸技術(shù)、電源技術(shù)與電氣防爆等技術(shù)有機的結(jié)合，研究開發(fā)適合當前礦業(yè)生產(chǎn)實際的新一代多功能安全檢測儀器。該儀器設(shè)計完成后，經(jīng)實驗，基本上達到了預期的設(shè)計指標。

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ClassNo.:TD178DocumentMark:A

(責任編輯：宋瑞斌)

DevelopmentofMeasuringInstrumentfortheParametersofAirResistance

Cui Feng

This paper introduces the design process of a integrated measuring instrument for air resistance. Since the instrument has many functions, such as the measurement of air pressure , temperature，humidity, and wind speed etc. Many characteristics of the new instrument can be found , such as an excellent functional integration , large data storage capability and so on. When the new instrument is put into use , according to the results of test, the accuracy and efficiency of measurement ,processing would be improved greatly compared with the traditional instruments .

measuring instrument；parameter of air resistance；SCM；coal mine

崔峰，助教，陜西省石油化工學校，陜西·西安。郵政編碼：710061

1672-6758(2011)03-0063-3

TD178

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