基于AVR單片機(jī)的煤礦電氣設(shè)備性能試驗(yàn)裝置研制

【摘要】 煤礦井下安全生產(chǎn)一直是我國(guó)安全生產(chǎn)工作的重點(diǎn)。本文在分析井下安全生產(chǎn)現(xiàn)狀和AVR單片機(jī)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以AVR單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)礦用電氣設(shè)備特性試驗(yàn)裝置，裝置根據(jù)需要完成不同電壓等級(jí)、不同額定電流的電氣設(shè)備過(guò)載、短路、溫升等試驗(yàn)操作。

【關(guān)鍵詞】 煤礦 電氣設(shè)備 試驗(yàn) 特性

一、前言

目前國(guó)內(nèi)煤礦安全生產(chǎn)現(xiàn)狀良好，井下安全生產(chǎn)事故總數(shù)、死亡人數(shù)和百萬(wàn)噸死亡率逐年下降，但隨著開(kāi)采強(qiáng)度和深度的增加，煤礦安全生產(chǎn)面臨新的挑戰(zhàn)。如何從本質(zhì)上排除煤礦安全生產(chǎn)事故隱患是當(dāng)今煤礦安全生產(chǎn)工作和安全科技研究的重點(diǎn)。礦用隔爆兼本質(zhì)安全型多回路真空電磁起動(dòng)器、礦用隔爆兼本質(zhì)安全型真空饋電開(kāi)關(guān)和礦用隔爆型照明信號(hào)綜合保護(hù)裝置等電氣設(shè)備是煤礦井下輸配電及安全生產(chǎn)所必需的設(shè)備，其在過(guò)載、短路及漏電時(shí)產(chǎn)生的火花容易引起井下瓦斯等可燃性氣體爆炸，導(dǎo)致安全生產(chǎn)事故發(fā)生?？梢?jiàn)，開(kāi)展煤礦井下電氣設(shè)備性能試驗(yàn)裝置的研制，對(duì)于提高井下電氣設(shè)備質(zhì)量、排除安全生產(chǎn)事故隱患和保證井下生產(chǎn)工作的順利開(kāi)展具有十分重要的意義。

ATmegal 16L屬于在AVR單片機(jī)大家庭中一款新型高檔單片機(jī)，它的芯片內(nèi)部集成了較大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和豐富的硬件接口電路。

ATmegal 16L具備AVR高檔單片機(jī)系列產(chǎn)品的全部?jī)?yōu)良性能，但由于其采用了小引腳封裝形式，所以價(jià)格和低檔單片機(jī)相似，使其成為所有AVR單片機(jī)中內(nèi)部接口豐富、功能齊全、性能價(jià)格比最好的產(chǎn)品。ATmegal 16L單片機(jī)具有32個(gè)可編程I/O口，可以根據(jù)需求定義I/O口的輸入/輸出方向，輸出信號(hào)具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，能夠直接驅(qū)動(dòng)LED等大電流負(fù)載。

ATmegal 16L單片機(jī)的大部分I/0端口為復(fù)用端口，即可以作為通用數(shù)字I/O，還可以作為芯片內(nèi)部其他外圍電路的接口。

ATmegal 16L單片機(jī)具有三個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，不僅具有常規(guī)的計(jì)數(shù)和定時(shí)功能，還具有信號(hào)捕捉、比較、實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)及脈寬調(diào)制輸出等更為強(qiáng)大的功能。ATmegal 16L單片機(jī)具有8路10位ADC轉(zhuǎn)換器，可直接實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間的相互的轉(zhuǎn)換。

二、試驗(yàn)裝置研制

煤礦電氣設(shè)備性能試驗(yàn)裝置主要完成礦用電氣設(shè)備的溫升、過(guò)載和短路特性試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)將試品的三相串聯(lián)后通一試驗(yàn)電流，然后對(duì)試品特定部位的溫升或保護(hù)器的動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，最后結(jié)合相關(guān)國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試品的性能進(jìn)行判定。試驗(yàn)裝置主要由大電流發(fā)生器、調(diào)壓電源和控制系統(tǒng)三部分組成，其中大電流發(fā)生器用于為試品通試驗(yàn)電流，調(diào)壓電源用于為試品提供操作電源，控制系統(tǒng)以AVR單片機(jī)ATmegal 16L為核心，采用高精度多量程電流互感器、繼電器和計(jì)時(shí)器對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的變量進(jìn)行測(cè)量和顯示。

2.1大電流發(fā)生裝置

大電流發(fā)生裝置采用多磁路組合產(chǎn)生不同容量的電流，通過(guò)萬(wàn)能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)切換到不同的組合方式，本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置共包含四個(gè)磁路，分別為兩個(gè)15KW和兩個(gè)30KW的磁路，其中一個(gè)15KW磁路的輸出電流值可調(diào)，另外一個(gè)15KW磁路和兩個(gè)30KW磁路輸出電流為固定值，通過(guò)不同的組合方式可以產(chǎn)生0-90KW的電流值，萬(wàn)能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的檔位和輸出功率如下所示：

第1個(gè)“0”位：全部斷開(kāi)；“1”位：可投入0～15KW可調(diào)；

第2個(gè)“0”位：全部斷開(kāi)；“2”位：可投入0～15KW可調(diào)+15KW全壓；

第3個(gè)“0”位：全部斷開(kāi)；“3”位：可投入0～15KW可調(diào)+30KW全壓；

第4個(gè)“0”位：可投入30KW全壓；“4”位：可投入0～15KW可調(diào)+15KW全壓+30KW全壓；

第5個(gè)“0”位：可投入30KW全壓；“5”位：可投入0～15KW可調(diào)+30KW全壓+30KW全壓；

第6個(gè)“0”位：可投入30KW全壓+30KW全壓；“6”位：可投入0～15KW可調(diào)+其余全壓，此時(shí)大電流發(fā)生裝置滿負(fù)荷。

操作面板上具有升壓、降壓開(kāi)關(guān)，用于調(diào)整可調(diào)15KW磁路的輸出，從而調(diào)整到所需的輸出功率，可預(yù)調(diào)或帶流調(diào)整。在總電源接通時(shí)和磁路組合調(diào)整開(kāi)關(guān)調(diào)到“0”位或越過(guò)“0”位時(shí)，該可調(diào)繞組的電壓將自動(dòng)回零，以防止瞬間過(guò)載。

在自動(dòng)回零過(guò)程中輸出電流調(diào)整按鈕中的升壓（紅色）按鈕會(huì)亮起警示，并輸出電流調(diào)整按鈕失效，同時(shí)該可調(diào)繞組不會(huì)被投入。電壓回零后且磁路組合調(diào)整開(kāi)關(guān)不在“0”位時(shí)，紅鈕燈熄滅轉(zhuǎn)入正常。

2.2 煤礦電氣設(shè)備性能試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)

煤礦電氣設(shè)備性能試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)主要由AVR單片機(jī)最小系統(tǒng)、電流測(cè)量單元、信號(hào)轉(zhuǎn)換單元、IGBT、電機(jī)、操作按鈕和顯示單元組成（如圖1所示）。其中，AVR單片機(jī)最小系統(tǒng)是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的核心，主要用于電流計(jì)算及發(fā)送控制指令給IGBT；電流測(cè)量單元是指多量程電流互感器，試驗(yàn)線路導(dǎo)線從互感器的中心穿過(guò)，主要用于測(cè)量試品的電流值；信號(hào)轉(zhuǎn)換單元用于將電流互感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以識(shí)別的信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波；IGBT用于控制電機(jī)的起動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)和停止；電機(jī)的主軸和大磁路發(fā)生裝置相連接，通過(guò)電機(jī)旋轉(zhuǎn)調(diào)整大電流發(fā)生裝置的輸出；操作按鈕用于外界向單片機(jī)輸入控制指令；顯示單元用來(lái)顯示試品的電流，同時(shí)也可以用于顯示試驗(yàn)時(shí)間。

三、結(jié)束語(yǔ)

煤礦電氣設(shè)備的性能直接制約煤礦井下安全生產(chǎn)工作能否順利開(kāi)展。本文結(jié)合AVR單片機(jī)開(kāi)發(fā)煤礦電氣設(shè)備性能試驗(yàn)裝置，并對(duì)大電流發(fā)生裝置的原理進(jìn)行分析，最后設(shè)計(jì)了煤礦電氣設(shè)備性能試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)。試驗(yàn)裝置能夠按照標(biāo)準(zhǔn)要求完成礦用電氣設(shè)備特性試驗(yàn)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定及可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。