基于STC89C52多功能斜井運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李亞韞

（山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程與自動(dòng)化系，山西 太原 030006）

0 引言

目前，煤礦斜井控制系統(tǒng)功能比較單一，大多依靠速度傳感器檢測(cè)運(yùn)輸?shù)V車的速度來(lái)控制斜井內(nèi)護(hù)欄的動(dòng)作，如果運(yùn)輸車超速，則護(hù)攔動(dòng)作，攔截小車。但是，由于現(xiàn)場(chǎng)中存在電氣及其他干擾，可能造成信號(hào)識(shí)辯的錯(cuò)誤，使護(hù)攔產(chǎn)生誤動(dòng)作。加上現(xiàn)場(chǎng)條件所限，工作人員無(wú)法直接觀察和掌握礦車的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程，造成護(hù)攔的起落不能及時(shí)與運(yùn)輸?shù)V車配合（如在車來(lái)時(shí)需要提升而不能及時(shí)提升，車過(guò)后需要落下而不能及時(shí)落下；出現(xiàn)跑車時(shí)不能及時(shí)攔截等），致使工作效率低下，事故時(shí)有發(fā)生。此外，在煤礦斜井運(yùn)輸時(shí)，要保證斜井內(nèi)交叉口運(yùn)輸車在同一時(shí)刻為單方向行駛，避免一條巷道內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)方向的小車這類危險(xiǎn)事故的發(fā)生。所以，隨著煤礦生產(chǎn)機(jī)械化、自動(dòng)化程度的不斷提高，原有斜井控制系統(tǒng)越來(lái)越不適應(yīng)安全生產(chǎn)的需要。本文重點(diǎn)介紹基于STC89C52的多功能斜井運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)是集監(jiān)測(cè)、顯示、報(bào)警于一體的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)的自動(dòng)化控制。

1 多功能斜井運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)組成

1．1 主控制電路

該系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)作為主控制芯片，利用可編程控制芯片8255擴(kuò)展并行I／O接口實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的有效輸出。輸入信號(hào)采用GUC100礦用接近傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采集?，F(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)以及輸出控制信號(hào)均采用光電耦合進(jìn)行隔離，有效實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，避免了干擾。多功能斜井運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1．1．1 輸入端信號(hào)采集

本系統(tǒng)中輸入端為GUC100礦用本安型接近傳感器（見圖2），它由震蕩器和整形放大器組成。振蕩器起震后，傳感器的感應(yīng)頭上產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，當(dāng)金屬體接近感應(yīng)區(qū)時(shí)，金屬體內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而吸收振蕩器能量，使其停振，經(jīng)整形放大后轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號(hào)。此傳感器的外形材質(zhì)為H62銅材，殼體內(nèi)有全密封傳感器機(jī)芯，它具有防爆特性，適用于礦井巷道內(nèi)安裝。傳感器使用及與單片機(jī)接口如圖3所示。

圖1 多功能斜井運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 GUC100礦用本安型接近傳感器

1．1．2 光電耦合

此監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的特殊性決定了輸入信號(hào)的采集以及輸出控制信號(hào)的作用大多在井下完成，這與主控系統(tǒng)之間不可避免地要進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸。如果相距較遠(yuǎn)的設(shè)備之間直接用電纜連接的話會(huì)因地線而產(chǎn)生電位差，從而引起環(huán)路電流，形成差模干擾電壓，導(dǎo)致傳輸信號(hào)發(fā)生畸變或失真。因此為了確保長(zhǎng)距離傳輸?shù)目煽啃?，本系統(tǒng)采用光電耦合隔離措施。將兩個(gè)電路的電氣連接隔開，切斷可能形成的環(huán)路，使他們相互獨(dú)立，提高電路系統(tǒng)的抗干擾性能。若傳輸線較長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)干擾嚴(yán)重，可通過(guò)兩級(jí)光電耦合將長(zhǎng)線完全“懸浮”起來(lái)，如圖4所示，這樣去掉了兩級(jí)之間的公共地線，能夠有效消除各電路的電流經(jīng)公共地線時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生的干擾，而且當(dāng)輸出端受控設(shè)備短路時(shí)還能保護(hù)系統(tǒng)不受損害，同時(shí)也一定程度上解決了長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)和阻抗匹配的問(wèn)題。

圖3 輸入傳感器使用及與單片機(jī)接口示意圖

圖4 長(zhǎng)距離傳輸兩級(jí)光電耦合

1．1．3 輸出端受控設(shè)備

系統(tǒng)中輸出端受控設(shè)備為以下3類：井下指示燈、護(hù)欄控制器、絞車房同步模擬顯示盤。CPU根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷，從而發(fā)出控制信號(hào)使相應(yīng)受控設(shè)備動(dòng)作。其中井下指示燈與絞車房模擬顯示盤為同步輸出信號(hào)。

1．2 電源電路

電源電路主要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換工作。電源電路的輸入是交流127V，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換分別輸出直流＋5V、＋12 V、＋24V電壓，供給主控芯片、電流環(huán)電路、報(bào)警電路、通訊電路，使其正常工作。

1．3 報(bào)警電路

報(bào)警電路由語(yǔ)音電路、功率放大電路和喇叭驅(qū)動(dòng)電路等組成。主控芯片輸出相應(yīng)控制信號(hào)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制，同時(shí)驅(qū)動(dòng)語(yǔ)音電路。

2 控制要求

巷道模擬控制如圖5所示。

（1）若A處有車通過(guò)時(shí)，傳感器檢測(cè)信號(hào)送單片機(jī)輸入口，該處指示燈由綠燈變?yōu)榧t燈，表明此道已占用，不允許上行車進(jìn)入，同時(shí)絞車房模擬顯示盤相應(yīng)位置的信號(hào)燈亮。在規(guī)定時(shí)間內(nèi)護(hù)攔1打開，礦車正常運(yùn)行；若沒有打開，則報(bào)警且發(fā)出急停信號(hào)。

（2）若同時(shí)J處有上行車通過(guò)時(shí)，傳感器檢測(cè)信號(hào)送單片機(jī)輸入口，模擬顯示盤相應(yīng)位置信號(hào)燈亮，提示打開護(hù)攔4。在規(guī)定時(shí)間內(nèi)護(hù)攔4打開，礦車正常運(yùn)行；若護(hù)攔沒有打開，則報(bào)警且發(fā)出急停信號(hào)。護(hù)欄4打開后，要檢測(cè)H或I處是否有車通過(guò)。若H處有車通過(guò)，模擬顯示盤相應(yīng)位置信號(hào)燈亮，則報(bào)警且發(fā)出急停信號(hào)，I處有車則正常運(yùn)行。

（3）當(dāng)D處的傳感器檢測(cè)到有車通過(guò)時(shí)，給單片機(jī)接口送入信號(hào)，模擬顯示盤相應(yīng)位置信號(hào)燈亮，且A燈滅。同時(shí)判斷護(hù)攔2的狀態(tài)，若是打開的，則正常運(yùn)行；若不是，則報(bào)警且發(fā)出急停信號(hào)。

（4）當(dāng)F處的傳感器檢測(cè)到有車通過(guò)時(shí)，給單片機(jī)接口送入信號(hào)，模擬顯示盤相應(yīng)位置信號(hào)燈亮，且D燈滅。同時(shí)判斷護(hù)攔3的狀態(tài)，若是打開的，則正常運(yùn)行；若不是，則報(bào)警且發(fā)出急停信號(hào)。

（5）當(dāng)?shù)V車經(jīng)過(guò)H處時(shí)，有信號(hào)送入單片機(jī)接口，模擬顯示盤上相應(yīng)位置的信號(hào)燈點(diǎn)亮，且F燈滅。同時(shí)判斷護(hù)攔4是否打開，若打開，則礦車正常運(yùn)行；若沒有，則報(bào)警且發(fā)出急停信號(hào)。

（6）當(dāng)?shù)V車下行經(jīng)過(guò)J處時(shí)，給單片機(jī)接口送入信號(hào)，讓模擬顯示盤相應(yīng)位置的信號(hào)燈點(diǎn)亮，且H燈滅。提示護(hù)攔4落下。

（7）上行過(guò)程與此相似。礦車經(jīng)過(guò)傳感器的檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，模擬顯示盤相應(yīng)位置的信號(hào)燈亮，且前一處的信號(hào)燈滅。若護(hù)欄1、4采用自動(dòng)控制，當(dāng)車上行經(jīng)過(guò)B處時(shí)，給計(jì)算機(jī)接口送入信號(hào)，讓模擬顯示盤相應(yīng)位置的信號(hào)燈點(diǎn)亮，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示現(xiàn)場(chǎng)工作人員本次運(yùn)輸結(jié)束，同時(shí)護(hù)欄1、4自動(dòng)落下。若采用手動(dòng)控制，只發(fā)出報(bào)警信號(hào)，不能自動(dòng)落下。

（8）若下行時(shí)C處有車通過(guò)，模擬顯示盤相應(yīng)位置的信號(hào)燈亮，該路綠燈滅紅燈亮，執(zhí)行過(guò)程同上，但在第2步驟，當(dāng)檢測(cè)到I處有車通過(guò)時(shí)，其對(duì)應(yīng)燈亮，并報(bào)警且發(fā)出急停信號(hào)；若H處有車，則正常工作。

圖5 巷道模擬控制圖

3 技術(shù)參數(shù)

該系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如下：

工作電壓：AC220V／AC127V±15%；

工作電流： ＜5A；

報(bào)警工作電壓： DC24V；

報(bào)警功率： ≥5W。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)應(yīng)用STC89C52單片機(jī)作為主控制芯片，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和邏輯判斷，從而控制護(hù)攔動(dòng)作和報(bào)警裝置，并實(shí)時(shí)顯示礦車的運(yùn)行位置。利用可編程控制芯片8255對(duì)單片機(jī)I／O口進(jìn)行并行擴(kuò)展，同時(shí)輸入、輸出通過(guò)光電隔離電流環(huán)進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸，解決了普通電纜傳輸高速數(shù)據(jù)可靠性低的問(wèn)題。系統(tǒng)中增加語(yǔ)音功能，能夠準(zhǔn)確提示運(yùn)輸過(guò)程中可能出現(xiàn)的故障。在軟件設(shè)計(jì)中采用冗余措施及WATCHDOG來(lái)解決干擾問(wèn)題?？傊到y(tǒng)運(yùn)行以來(lái)發(fā)出的控制信號(hào)及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠，極大地提高了現(xiàn)場(chǎng)工作的可靠性，而且能耗低，符合煤礦安全生產(chǎn)的需要，實(shí)現(xiàn)了井下工作的自動(dòng)控制。

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