某型壓縮空氣站自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

臧 壘，王建廣，康 虎，張景陽(yáng)，劉競(jìng)爭(zhēng)

(1.中國(guó)人民解放軍94857部隊(duì)77分隊(duì)，安徽 蕪湖 241007； 2.中國(guó)人民解放軍94857部隊(duì)55分隊(duì)，安徽 蕪湖 241007)

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某型壓縮空氣站自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

臧 壘1，王建廣1，康 虎1，張景陽(yáng)1，劉競(jìng)爭(zhēng)2

(1.中國(guó)人民解放軍94857部隊(duì)77分隊(duì)，安徽 蕪湖 241007； 2.中國(guó)人民解放軍94857部隊(duì)55分隊(duì)，安徽 蕪湖 241007)

針對(duì)某型壓縮空氣站日常維護(hù)保障需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了一款壓縮空氣站自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警器；該自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警器系統(tǒng)通過信號(hào)隔離變送器，實(shí)時(shí)采集滑油壓力信號(hào)、水溫油溫信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)、壓縮空氣壓力等信號(hào)，由系統(tǒng)微型控制器模塊進(jìn)行ADC采集、轉(zhuǎn)換并處理。系統(tǒng)微型控制器采用STC12單片機(jī)，運(yùn)行嵌入式控制程序，對(duì)采集到的各類信號(hào)進(jìn)行顯示、閾值判斷和報(bào)警等處理；該自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警器能實(shí)時(shí)監(jiān)控壓縮空氣站的多個(gè)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)并自動(dòng)報(bào)警，有利于壓縮空氣站的安全運(yùn)行與操作。

壓縮空氣站；自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警器；微型控制器

0 引言

某型壓縮空氣站來(lái)源于進(jìn)口，其滑油壓力、水溫油溫、轉(zhuǎn)速、壓縮空氣壓力等11個(gè)運(yùn)行參數(shù)是反映其運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)。該設(shè)備的裝備年限較長(zhǎng)，長(zhǎng)期工作，各類傳感器、模擬儀表的故障率較高；當(dāng)傳感器、模擬儀表發(fā)生故障時(shí)，難以及時(shí)找到可替代的國(guó)產(chǎn)部件進(jìn)行修復(fù)；其模擬儀表采用指針式顯示方式，讀取不直觀[1]；采用人工方式實(shí)時(shí)讀取運(yùn)行參數(shù)并進(jìn)行手工調(diào)整，若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)參數(shù)異常并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，則可能會(huì)發(fā)生影響設(shè)備及人身安全的重大人為差錯(cuò)。因此，鑒于上述原因，有必要研發(fā)一款能對(duì)該壓縮空氣站關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、不間斷地自動(dòng)采集、處理、顯示與告警的設(shè)備，使操作人員能夠?qū)崟r(shí)、直觀地獲取關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)及其告警信息，提醒其及時(shí)調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，確保該壓縮空氣站及人身的安全。

針對(duì)上述需求，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了某型壓縮空氣站自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警器[2]，能對(duì)該壓縮空氣站11個(gè)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理、顯示與告警。通過信號(hào)隔離變送器，實(shí)時(shí)采集滑油壓力信號(hào)、水溫油溫信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)、壓縮空氣壓力信號(hào)，由STC12單片機(jī)[3]對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，將各類信號(hào)值發(fā)送至數(shù)碼管進(jìn)行數(shù)字化顯示；STC12單片機(jī)對(duì)各類信號(hào)的數(shù)字量進(jìn)行實(shí)時(shí)判讀，當(dāng)超出允許值范圍時(shí)，由相應(yīng)的LED告警燈和蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。該監(jiān)控報(bào)警器能直觀地顯示關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，可以作為故障率較高的某些傳感器、模擬儀表的可靠備份；同時(shí)能實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)并自動(dòng)報(bào)警，有利于某型壓縮空氣站的安全操作。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警器由信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、參數(shù)及告警信號(hào)顯示模塊以及溫控PWM風(fēng)扇模塊四部分組成，其功能框圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警器功能框圖

信號(hào)采集模塊[4]用于將滑油壓力信號(hào)、水溫油溫信號(hào)、壓縮空氣壓力信號(hào)等10個(gè)模擬量通過信號(hào)隔離變送模塊轉(zhuǎn)換為0～5 V的直流信號(hào)，并經(jīng)過一個(gè)模擬開關(guān)輪流發(fā)送至信號(hào)處理模塊進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換；將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)通過轉(zhuǎn)速信號(hào)隔離變送模塊轉(zhuǎn)換為同頻率的方波信號(hào)，并發(fā)送至信號(hào)處理模塊進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。

信號(hào)處理模塊用于對(duì)信號(hào)采集模塊的10個(gè)模擬量輪流進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，并對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)值進(jìn)行運(yùn)算處理；對(duì)信號(hào)采集模塊的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速方波信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速值；將上述數(shù)值發(fā)送至參數(shù)及告警信號(hào)顯示模塊的數(shù)碼管進(jìn)行顯示；當(dāng)某一信號(hào)值超過正常值范圍時(shí)，控制告警信號(hào)顯示模塊的LED告警燈進(jìn)行閃爍；讀取溫控PWM風(fēng)扇模塊中溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)值，并通過發(fā)送具有相對(duì)應(yīng)于當(dāng)前溫度值的占空比的PWM方波，控制PWM風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。

參數(shù)及告警信號(hào)顯示模塊用于接收信號(hào)處理模塊的參數(shù)值并通過數(shù)碼管進(jìn)行顯示，接收信號(hào)處理模塊的告警信號(hào)以控制LED告警燈的閃爍。

溫控PWM風(fēng)扇模塊通過溫度傳感器獲取當(dāng)前環(huán)境溫度并供信號(hào)處理模塊讀取，接收信號(hào)處理模塊的PWM方波信號(hào)以控制PWM風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)采集模塊

如圖2所示，為了采集發(fā)動(dòng)機(jī)及壓縮機(jī)滑油壓力信號(hào)，首先需要在滑油壓力傳感器的回路中串聯(lián)25 Ω電阻，將其直流電流信號(hào)變換為電壓信號(hào)，然后通過信號(hào)隔離變送模塊變換為0～5 V直流信號(hào)。

圖2 滑油壓力信號(hào)的變換原理圖

如圖3所示，為了采集發(fā)動(dòng)機(jī)水溫及壓縮機(jī)油溫信號(hào)，同時(shí)不影響原有水溫表及油溫表的顯示，本文在發(fā)動(dòng)機(jī)水箱及壓縮機(jī)滑油箱外表面粘貼PT100熱電阻，通過溫度信號(hào)隔離變送模塊將熱電阻ABB端的電阻值變換為0～5 V直流信號(hào)。

圖3 水溫油溫信號(hào)的變換原理圖

如圖4所示，通過在1～5級(jí)壓縮空氣及輸出壓縮空氣氣路中安裝三通轉(zhuǎn)接嘴，在各個(gè)三通轉(zhuǎn)接嘴上分別安裝采用內(nèi)含擴(kuò)散硅芯片的壓力信號(hào)隔離變送器，選擇1.5倍于該氣路最大壓力的量程級(jí)別，將6個(gè)通道的壓縮空氣壓力值變換為0～5 V直流信號(hào)。

圖4 壓力信號(hào)的變換原理圖

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器，是Vpp值小于50 V的正負(fù)正弦信號(hào)，其頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)。如圖5所示，本文通過轉(zhuǎn)速信號(hào)隔離變送模塊將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速正弦信號(hào)變換為幅值為5 V的方波信號(hào)，該方波信號(hào)的頻率與正弦信號(hào)相同。

圖5 轉(zhuǎn)速信號(hào)的變換原理圖

對(duì)10路模擬信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換[5]，若為每個(gè)模擬量都設(shè)置一個(gè)AD轉(zhuǎn)換器件，則電路復(fù)雜性增加或需占用單片機(jī)較多的ADC資源。因此，本文采用ADG1206模擬開關(guān)，通過向其地址引腳發(fā)送4路地址信號(hào)選通其某一通道，能使各路模擬信號(hào)依次輪流進(jìn)入AD器件。

如圖6所示，本文使用ADG1206進(jìn)行10路模擬信號(hào)輸入切換，將變換后的滑油壓力信號(hào)、水溫油溫信號(hào)、壓縮空氣壓力信號(hào)輸入ADG1206的通道1～10，由信號(hào)處理模塊中的STC12單片機(jī)控制Address0～3地址線，依次輪流將ADG1206的10路輸入模擬信號(hào)切換至其28引腳，進(jìn)而進(jìn)入STC12單片機(jī)的ADC0進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。

2.2 信號(hào)處理模塊

為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、加快開發(fā)進(jìn)度，本文選用了性能穩(wěn)定、資源豐富的STC12單片機(jī)作為信號(hào)處理模塊的主控芯片。[1]

如圖7所示，STC12單片機(jī)通過P0.0～P0.3引腳向ADG1206發(fā)送Address0～3地址信號(hào)，依次輪流選通ADG1206的10個(gè)模擬輸入通道；當(dāng)某一通道被選通后，該通道的模擬信號(hào)經(jīng)過ADG1206進(jìn)入STC12單片機(jī)的ADC0并進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換；單片機(jī)主程序獲取AD轉(zhuǎn)換值并進(jìn)行相應(yīng)的換算，得到對(duì)應(yīng)于實(shí)際模擬量的數(shù)值。由于單片機(jī)的P1.0引腳默認(rèn)為弱上拉，當(dāng)此引腳沒有信號(hào)輸入時(shí)，AD轉(zhuǎn)換值為1023，不能與輸入5 V信號(hào)時(shí)的AD轉(zhuǎn)換值(也是1023)區(qū)分開；因此，本文將此引腳通過100 K電阻下拉，同時(shí)在軟件中將P1.0引腳設(shè)置為開漏(OpenDrain)，則當(dāng)此引腳沒有信號(hào)輸入時(shí)，AD轉(zhuǎn)換值為0。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速方波信號(hào)輸入STC12單片機(jī)的T0計(jì)數(shù)器并進(jìn)行計(jì)數(shù)；由T2定時(shí)器(CPP0)產(chǎn)生50 ms的定時(shí)中斷，當(dāng)定時(shí)中斷達(dá)到20次即累計(jì)歷時(shí)1 s時(shí)，計(jì)算此1 s內(nèi)TO的計(jì)數(shù)值，經(jīng)過相應(yīng)換算即可得到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速值。

圖7 信號(hào)處理模塊原理圖

2.3 參數(shù)及告警信號(hào)顯示模塊

如圖8所示，為了能同時(shí)顯示11個(gè)參數(shù)值，本文采用485總線的方式，在485總線上級(jí)聯(lián)11個(gè)數(shù)碼管(支持最多同時(shí)級(jí)聯(lián)256個(gè))，各個(gè)485總線數(shù)碼管設(shè)置不同的地址值；當(dāng)需要顯示某一參數(shù)值時(shí)，向相應(yīng)地址的485數(shù)碼管發(fā)送一系列指令即可。相比較于采用移位寄存器方式連接多個(gè)普通數(shù)碼管，485總線方式僅僅占用STC12單片機(jī)的串行口2及1個(gè)普通IO口，大大減少了占用的單片機(jī)IO口數(shù)量；同時(shí)，向485總線數(shù)碼管發(fā)送一次指令后，其顯示值能自動(dòng)保持，相比較于普通數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描方式，大大減少了占用的單片機(jī)指令周期數(shù)。

圖8 485總線電路原理圖

由于有16個(gè)LED告警信號(hào)需要顯示，為了不占用過多的單片機(jī)IO口數(shù)量，本文設(shè)計(jì)了2個(gè)74HC595移位鎖存寄存器級(jí)聯(lián)方式，通過3個(gè)單片機(jī)普通IO口，輸出16個(gè)LED告警信號(hào)。如圖9所示，單片機(jī)將LED告警信號(hào)輸入第一級(jí)74HC595的DS端，SHCP正跳變時(shí)告警信號(hào)上移一位；當(dāng)移至第一級(jí)74HC595的Q7時(shí)，由其Q7S端輸入至第二級(jí)74HC595的DS端；當(dāng)單片機(jī)發(fā)送完16個(gè)告警信號(hào)時(shí)，這16個(gè)信號(hào)依次出現(xiàn)在兩級(jí)74HC595的移位寄存器內(nèi)；此時(shí)單片機(jī)發(fā)送一個(gè)STCP正跳變，這16個(gè)信號(hào)同時(shí)轉(zhuǎn)存到兩級(jí)74HC595的Q7～Q0端。為了增強(qiáng)單片機(jī)IO口的驅(qū)動(dòng)能力，本文將74HC595的DS、SHCP、STCP端口做了上拉處理。

圖9 LED告警燈電路原理圖

2.4 溫控PWM風(fēng)扇模塊

為了應(yīng)對(duì)壓縮空氣站的高溫環(huán)境，本文設(shè)計(jì)了溫控PWM風(fēng)扇模塊，能根據(jù)環(huán)境溫度高低自動(dòng)調(diào)整散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。如圖10所示，采用DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20溫度傳感器進(jìn)行溫度檢測(cè)，單片機(jī)通過單總線數(shù)據(jù)通信讀取其內(nèi)部RAM數(shù)據(jù)暫存器中第1、2個(gè)字節(jié)的溫度數(shù)據(jù)值。散熱風(fēng)扇采用PWM雙滾珠風(fēng)扇，其轉(zhuǎn)速受方波的占空比調(diào)節(jié)控制。單片機(jī)連續(xù)地檢測(cè)環(huán)境溫度，根據(jù)環(huán)境溫度值的高低采用某一算法由定時(shí)器T3(CPP1)發(fā)送某一占空比的PWM方波調(diào)整風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，這樣既有助于監(jiān)控報(bào)警器的散熱，又使風(fēng)扇工作在適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速狀態(tài)，延長(zhǎng)了風(fēng)扇的使用壽命。

圖10 溫控PWM風(fēng)扇電路原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件編譯器選用RealView MDK V2.38，C語(yǔ)言編程。編譯后的代碼通過CH340T模塊連接STC12單片機(jī)的串行口1進(jìn)行下載和調(diào)試(將定時(shí)器T1用做串行口1的波特率發(fā)生器)。

3.1 模擬信號(hào)采集處理

通過STC12單片機(jī)的引腳向ADG1206發(fā)送4位地址碼，依次選通ADG1206的模擬輸入通道1～10，輪流將通道1～10的模擬信號(hào)發(fā)送至單片機(jī)的ADC0進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。其運(yùn)行流程圖如圖11所示。

圖11 模擬信號(hào)采集處理代碼流程圖

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖計(jì)數(shù)

采用STC12單片機(jī)的計(jì)數(shù)器T0對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速方波信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，由定時(shí)器T2的定時(shí)中斷累計(jì)1 s，在主函數(shù)中通過獲取1 s內(nèi)T0計(jì)數(shù)值，計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速值。其運(yùn)行流程圖如圖12所示。

圖12 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖計(jì)數(shù)代碼流程圖

3.3 485總線數(shù)碼管顯示

在主函數(shù)中，依次更新顯示各個(gè)參數(shù)值，通過串口2輪流向地址為1～11的485總線數(shù)碼管發(fā)送特定指令，數(shù)碼管就能更新并保持相應(yīng)的顯示內(nèi)容。其運(yùn)行流程圖如圖13所示。

圖13 485總線數(shù)碼管顯示代碼流程圖

3.4 LED告警信號(hào)顯示

單片機(jī)將LED告警信號(hào)由低位開始輸入第一級(jí)74HC595的DS端，每輸入一位告警信號(hào)后發(fā)送一個(gè)SHCP正跳變；當(dāng)16位LED告警信號(hào)全部發(fā)送結(jié)束后，再發(fā)送一個(gè)STCP正跳變，這16個(gè)信號(hào)就同時(shí)轉(zhuǎn)存到兩級(jí)74HC595的Q7～Q0端。其運(yùn)行流程圖如圖14所示。

3.5 溫控PWM風(fēng)扇

單片機(jī)首先讀取DS18B20的溫度值，之后采用某一算法，根據(jù)溫度值計(jì)算相應(yīng)的PWM占空比，定時(shí)器T3(CPP1)發(fā)送某一占空比的PWM方波以調(diào)整風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。其運(yùn)行流程圖如圖15所示。

圖15 溫控PWM風(fēng)扇代碼流程圖

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了確保監(jiān)控報(bào)警器能及時(shí)準(zhǔn)確顯示各類參數(shù)值并自動(dòng)報(bào)警，本文在壓縮空氣站各種典型運(yùn)行狀態(tài)下反復(fù)實(shí)際運(yùn)行監(jiān)控報(bào)警器并調(diào)試了其參數(shù)設(shè)置。最終試驗(yàn)結(jié)果記錄如表1所示。

從表1可以看出，監(jiān)控報(bào)警器顯示參數(shù)值相比較于實(shí)際值的相對(duì)誤差較小，都在可接受范圍內(nèi)，同時(shí)所有參數(shù)報(bào)警功能正常。

5 結(jié)論

本文針對(duì)某型壓縮空氣站各類傳感器、模擬儀表的故障率較高，模擬儀表的指針顯示方式不直觀，人工實(shí)時(shí)讀取參數(shù)并調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)時(shí)可能易發(fā)生人為差錯(cuò)的狀況，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了某型壓縮空氣站自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警器。該自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警器通過信號(hào)隔離變送器，實(shí)時(shí)采集滑油壓力信號(hào)、水溫油溫信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)、壓縮空氣壓力信號(hào)，經(jīng)過模擬開關(guān)依次循環(huán)發(fā)送至STC12單片機(jī)的ADC通道，由STC12單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，依次將各個(gè)信號(hào)值發(fā)送至相應(yīng)的數(shù)碼管進(jìn)行數(shù)字化顯示；STC12單片機(jī)對(duì)各個(gè)信號(hào)數(shù)字量進(jìn)行實(shí)時(shí)判讀，當(dāng)超出允許值范圍時(shí)，由相應(yīng)的LED告警燈和蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。目前，該監(jiān)控報(bào)警器已成功試用，效果良好。實(shí)踐證明，該監(jiān)控報(bào)警器能直觀地顯示關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，可以作為故障率較高的某些傳感器、模擬儀表的可靠備份；同時(shí)能實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)并自動(dòng)報(bào)警，提醒操作人員及時(shí)調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，有利于某型壓縮空氣站的安全操作。

表1 最終試驗(yàn)結(jié)果

[1] 李 奇，王擁軍，彭 文，等. 高壓空氣站壓縮機(jī)組技術(shù)狀態(tài)劣化分析[J]. 設(shè)備管理與維修, 2015, 1:44-46.

[2] 蔡麗麗，雷天友. 空氣壓縮機(jī)站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2007：748-750.

[3] 吳 霞，王燕杰，李弘洋. 基于STC單片機(jī)的紫外火焰探測(cè)器設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014, 22(12): 4091-4093.

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Design of Automatic Monitoring Alarm System for a Certain Type of Compressed Air Station

Zang Lei1, Wang Jianguang1, Kang Hu1, Zhang Jingyang1, Liu Jingzheng2

(1.77 Sub Unit of 94857 PLA Troops,Wuhu 241007,China;2.55 Sub Unit of 94857 PLA Troops,Wuhu 241007,China)

An automatic monitoring alarm system is designed to meet the requirements for the maintenance security requirements of a certain type of compressed air station. The automatic monitoring alarm system use signal isolation transmitter to acquire lubricating oil pressure signals oil temperature, water temperature, rotational speed signals, compressed air pressure, etc. The acquired signals is converted into digital signals and transmitted by microcontroller module. The automatic monitoring alarm system use STC12 as microcontroller. An embedded control program is operating in STC12 to implement process of signals display, threshold judgment and alarm. The automatic monitoring alarm system can monitor some key operation parameters of the compressed air station in real-time which is benefit for safe operation of the compressed air station.

compressed air station; automatic monitoring alarm system; micro controller

2015-11-24；

2015-01-19。

臧 壘(1972-)，男，江蘇泰興人，工程師，博士，主要從事電氣設(shè)備設(shè)計(jì)及檢測(cè)方向的研究。

1671-4598(2016)03-0076-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.021

TP3

A