露天條形煤堆防自燃監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張春光+李波+歐陽(yáng)興東+何楚峰+于欽祥+田新宇

摘 要：火電廠儲(chǔ)煤場(chǎng)會(huì)存在煤自燃問(wèn)題，煤的自燃與復(fù)雜環(huán)境和煤自身特性有關(guān)。無(wú)論何種原因，煤的自燃都會(huì)給電廠帶來(lái)重大損失，甚至對(duì)人員生命安全造成巨大危害。研究發(fā)現(xiàn)，煤自燃過(guò)程中的溫度變化非常明顯且具有代表意義。因此，有效的監(jiān)控儲(chǔ)煤溫度，對(duì)自燃臨界溫度進(jìn)行及時(shí)預(yù)警，可以使工作人員對(duì)儲(chǔ)煤進(jìn)行及時(shí)處理，從而達(dá)到消除自燃隱患、有效保證火電廠原料的生產(chǎn)安全及降低煤炭不必要的損耗。本文以煤堆溫度檢測(cè)和無(wú)線傳輸為主要設(shè)計(jì)重點(diǎn)。在設(shè)計(jì)中，采用STC89C52單片機(jī)控制DS18B20溫度傳感器和NRF24L01+無(wú)線數(shù)傳模塊。該系統(tǒng)精度高、測(cè)溫范圍廣、無(wú)線傳輸距離遠(yuǎn)。

關(guān)鍵詞：煤堆防自燃監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；單片機(jī)控制；無(wú)線模塊；溫度傳感器

中圖分類(lèi)號(hào)：P618 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0前言

我國(guó)是一個(gè)煤炭大國(guó)，火力發(fā)電在未來(lái)很長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)仍將是我國(guó)電力的主要來(lái)源。在我國(guó)，以煤炭為燃料的火力發(fā)電廠約占火電廠總數(shù)的70%，因此煤在火力發(fā)電企業(yè)中占據(jù)極其重要的地位。根據(jù)電力系統(tǒng)規(guī)定，為確保燃煤機(jī)組的正常運(yùn)行，火電廠必須要有一定的煤炭?jī)?chǔ)備量，一般應(yīng)爭(zhēng)取有不低于15天左右的煤炭庫(kù)存，而這些煤炭都必須由場(chǎng)地堆放，這也是儲(chǔ)煤場(chǎng)的作用所在。由此也引發(fā)了一些安全隱患，其中最突出的便是煤的自燃。煤的自燃如果處置不當(dāng)，不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)危及人員與設(shè)施的安全。因此，如何防止煤的自燃就成為火電廠儲(chǔ)煤場(chǎng)最為關(guān)心的問(wèn)題之一。

溫度變化是煤堆自燃的明顯標(biāo)志，也是防止煤自燃的主要監(jiān)測(cè)依據(jù)。然而，火電廠儲(chǔ)煤場(chǎng)工作條件和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境相對(duì)較為惡劣，工作人員不能長(zhǎng)時(shí)間停留在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)溫，如果能把煤堆的溫度傳輸?shù)脚c儲(chǔ)煤場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)有一定距離且環(huán)境較好的監(jiān)控室內(nèi)，就產(chǎn)生了數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。由于廠房大、需要傳輸數(shù)據(jù)多，使用傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸方式就需要鋪設(shè)很多很長(zhǎng)的通信線，浪費(fèi)資源，占用空間，可操作性差，出現(xiàn)錯(cuò)誤換線困難。為了防止這一系列不必要的問(wèn)題發(fā)生，本設(shè)計(jì)采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式，不用通信線，就從根本上避免了這些問(wèn)題。采用無(wú)線傳輸溫度這一方案，可以使得儲(chǔ)煤場(chǎng)工作人員擺脫原有的傳統(tǒng)煤堆溫度監(jiān)測(cè)方案，節(jié)省人力，同時(shí)也減少了儲(chǔ)煤現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜工況給監(jiān)測(cè)人員人身安全帶來(lái)的潛在威脅。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機(jī)為主控芯片，采用美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的溫度傳感器DS18B20作為溫度檢測(cè)元件，測(cè)溫范圍為-55～125℃，最高分辨率可達(dá)0.0625℃。發(fā)射與接收電路采用NRF24L01+作為發(fā)射與接收元件，傳輸距離可達(dá)2000m。顯示電路采用LCD1602顯示屏。按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能的要求，確定系統(tǒng)由6個(gè)模塊組成：主控制器、測(cè)溫電路、發(fā)送電路、接收電路、顯示電路和報(bào)警電路，如圖1所示。

2 無(wú)線傳輸電路模塊設(shè)計(jì)

NRF24L01+是一款工作在2.4～2.5GHz 世界通用ISM 頻段的單片無(wú)線收發(fā)器芯片。無(wú)線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、解調(diào)器、增強(qiáng)型SchockBurst模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器調(diào)制器。輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過(guò)SPI接口進(jìn)行設(shè)置。本設(shè)計(jì)采用AS01-ML01DP5無(wú)線通信模塊。AS01-ML01DP5是一款2.4GHz，100mW，高速（最高空中速率可達(dá)2Mbps）高穩(wěn)定性，工業(yè)級(jí)的無(wú)線收發(fā)一體數(shù)傳模塊，模塊采用NORDIC原裝NRF24L01+射頻芯片與RFX2401C功放芯片，內(nèi)建LNA，接收靈敏度提高10dBm，該模塊發(fā)射功率足，頻譜特性好，諧波小，頻道串?dāng)_小，體積小，符合工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

如圖2所示，在發(fā)送端將NRF24L01+的各引腳與52單片機(jī)P2口相連，電源接口選用3.3V。接收端，是與MCU的接口發(fā)生變化，連接了P1口。本質(zhì)上，發(fā)送和接收端的NRF24L01+模塊是完全一樣的，編程時(shí)進(jìn)行設(shè)置，使得一個(gè)芯片負(fù)責(zé)發(fā)送，另一個(gè)負(fù)責(zé)接收。

3 控制軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

如流程圖3所示，發(fā)送部分主程序設(shè)計(jì)思路是單片機(jī)先控制DS18B20采集溫度，接收到二進(jìn)制的溫度值后，再經(jīng)過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)，將處理后的溫度值送入NRF24L01+的發(fā)射部分，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。將這一過(guò)程設(shè)置為循環(huán)執(zhí)行內(nèi)容，便可實(shí)時(shí)檢測(cè)和發(fā)送溫度。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)由單片機(jī)控制1602顯示屏以及NRF24L01+無(wú)線接收部分，主要功能是接收下位機(jī)發(fā)送的溫度值，將溫度值在顯示屏上顯示出來(lái)，同時(shí)判斷溫度值是否達(dá)到報(bào)警溫度上限，如果溫度超限，就啟動(dòng)聲光報(bào)警。另外的按鍵電路主要是設(shè)置溫度上限值，在此流程圖4中不予顯示。

3.3 無(wú)線發(fā)送模塊程序設(shè)計(jì)

此模塊在開(kāi)始工作之前要先執(zhí)行初始化步驟，這一步的作用主要是配置單片機(jī)輸入/輸出口和SPI有關(guān)的各種寄存器，使得單片機(jī)可以和NRF24L01+通信。利用SPI總線，完成對(duì)無(wú)線芯片的設(shè)置使其進(jìn)入對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)，如圖5所示。

3.4無(wú)線接收模塊程序設(shè)計(jì)

無(wú)線接收模塊開(kāi)始工作，首先需要判斷是否接收到數(shù)據(jù)，這時(shí)就得借助NRF24L01+有關(guān)寄存器的狀態(tài)來(lái)判斷。如果接收到數(shù)據(jù)，那么進(jìn)行讀數(shù)據(jù)操作，然后發(fā)送到MCU中；若無(wú)數(shù)據(jù)接收，則繼續(xù)判斷等待。接收數(shù)據(jù)后，要進(jìn)行清除中斷以及清空寄存器操作，以便下次接收的進(jìn)行。流程如圖6所示。

結(jié)論

本文針對(duì)露天條形煤堆防自燃監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)利用STC89C52單片機(jī)控制DS18B20溫度傳感器測(cè)溫以及NRF24L01+無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)，然后在上位機(jī)顯示具體溫度，并且在溫度達(dá)到限值后報(bào)警。經(jīng)過(guò)實(shí)物測(cè)試，無(wú)線通信距離在500m以上，測(cè)溫精度高，報(bào)警反應(yīng)靈敏，能滿足現(xiàn)場(chǎng)的基本要求。

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