一種STC 單片機(jī)松繩保護(hù)裝置

郝丁謀，史紀(jì)松

（山東黃金集團(tuán)赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古赤峰 024039）

0 引言

礦井提升系統(tǒng)是礦山生產(chǎn)中極其重要的環(huán)節(jié)，其正常運(yùn)行直接影響著礦井的安全生產(chǎn)。提升容器下放受阻會(huì)導(dǎo)致提升機(jī)出現(xiàn)松繩現(xiàn)象，對鋼絲繩形成沖擊載荷，甚至造成斷繩及容器墜井的惡性事故，國內(nèi)相關(guān)規(guī)程明確規(guī)定纏繞式提升絞車必須設(shè)置松繩保護(hù)裝置。

目前，國內(nèi)提升機(jī)松繩保護(hù)裝置種類繁多，實(shí)用類型多采用PLC 控制器，價(jià)格較高。本文采用廉價(jià)單片機(jī)作為控制核心，以測量光幕作為檢測手段，搭載彩色液晶觸摸屏和聲光報(bào)警器件，開發(fā)了一種先進(jìn)實(shí)用、造價(jià)低廉的松繩保護(hù)裝置。

1 系統(tǒng)組成

松繩保護(hù)裝置系統(tǒng)組成如圖1 所示，MCU 采用STC11F05E型1T 8051 單片機(jī)，該種單片機(jī)采用增強(qiáng)型內(nèi)核，一個(gè)時(shí)鐘就是一個(gè)設(shè)備周期，速度比傳統(tǒng)8051 單片機(jī)快7～12 倍。此類單片機(jī)內(nèi)置電壓監(jiān)視、復(fù)位、看門狗和RC 振蕩時(shí)鐘源，搭載大容量Flash 和E2PROM 存貯器，支持ISP/ISA。可借助PC 機(jī)串口方便地上傳、下載程序，還可以實(shí)現(xiàn)在線編程。具有獨(dú)特的上電復(fù)位、掉電喚醒功能、軟件定時(shí)和硬件事件捕捉功能。該單片機(jī)提供2 個(gè)獨(dú)立的高速UART 接口，方便硬件擴(kuò)展。

圖1 松繩保護(hù)裝置系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)利用MCU 的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)UART 接口擴(kuò)展一片全雙工RS422 芯片，作為連接測量光幕和上位機(jī)的主通信接口。對于光幕開關(guān)而言，程序設(shè)置單片機(jī)工作于主機(jī)狀態(tài)，采用Modbus-RTU 協(xié)議連接計(jì)量檢測光幕，可同時(shí)檢測4 臺(tái)光幕。各臺(tái)光幕的棧地址、波特率、通信數(shù)據(jù)格式都可以通過編程進(jìn)行設(shè)定，通信波特率最高可達(dá)115 200 bps，每幀數(shù)據(jù)都經(jīng)過CRC 循環(huán)冗余碼校驗(yàn)，具有較高的可靠性和實(shí)時(shí)性。對于上位機(jī)來說，本系統(tǒng)工作于從機(jī)狀態(tài)，根據(jù)上位機(jī)或PLC 的指令上傳系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

本文采用MYD 系列測量光幕，它由發(fā)光器和接收器組成，發(fā)光器發(fā)出的紅外線光束直射到接收器，形成光幕系統(tǒng)。穿過發(fā)光器和接收器之間的鋼絲繩將會(huì)阻擋一部分光線，使其不能照射到相應(yīng)的接收器上。MYD 系列測量光幕使用同步掃描來識(shí)別被擋的通道，首先一個(gè)發(fā)光器通道發(fā)出光脈沖，對應(yīng)的接收器來尋找該脈沖，當(dāng)接收器找到光脈沖后即完成一個(gè)通道的掃描，接著轉(zhuǎn)向下一個(gè)通道，直到所有通道的掃描都完成。當(dāng)一個(gè)周期掃描完成后，系統(tǒng)記錄哪些通道可通光、哪些通道被遮擋，根據(jù)系統(tǒng)定義輸出狀態(tài)信號，該信號可以是模擬量，也可以是開關(guān)量。本文使用了RS485 串口通信方式，具體接線如圖2 所示。

圖2 接線原理

MCU 的另一個(gè)UART 接口以TTL/CMOS 電平方式直接驅(qū)動(dòng)彩色液晶觸摸屏。本裝置搭載DMT64480T056_03WT 觸摸屏，640×480 點(diǎn)陣，K600+內(nèi)核，16 位色DGUS 彩屏，4 線阻容式觸摸檢測。觸摸屏內(nèi)置640 KBytes 變量存儲(chǔ)器，560 MBytes Flash 圖片和字體存貯器，內(nèi)置不間斷日歷時(shí)鐘、背光調(diào)節(jié)和蜂鳴器等功能，借助DGUS軟件可輕松開發(fā)多窗體畫面。本裝置以圖文形式顯示鋼絲繩上下跳動(dòng)的動(dòng)態(tài)曲線，自動(dòng)保存并顯示事故報(bào)警/跳閘記錄，設(shè)有專門的跳閘和語音實(shí)驗(yàn)窗體，參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)智能判斷，并配有語音提示。

松繩跳閘和報(bào)警是本系統(tǒng)的主要任務(wù)。對于數(shù)控提升機(jī)，可以利用RS422 通信接口上傳系統(tǒng)數(shù)據(jù)，由上位機(jī)或PLC 進(jìn)行二次處理，以實(shí)現(xiàn)鋼絲繩跳動(dòng)數(shù)據(jù)顯示和報(bào)警。對于傳統(tǒng)繼電控制提升機(jī)，擴(kuò)展了2 路大電流雙向可控硅輸出，該電路采用MOC3041 芯片進(jìn)光耦隔離，在BAT16 系列雙向可控硅回路中，可直接串接交流中間繼電器或接觸器，進(jìn)而將接點(diǎn)串接在提升機(jī)電控安全回路中。

本系統(tǒng)燈光報(bào)警和指示，擴(kuò)展了一片8 端口MAX6977 恒流源LED 驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)4 個(gè)雙色發(fā)光二極管。該芯片帶有LED故障檢測功能，提供8 個(gè)開漏極、恒流吸收端口，所有恒流輸出均由一個(gè)外部電阻設(shè)置，每路最大55 mA，采用5 V 電源供電。MAX6977 采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)4 線串口進(jìn)行控制，最大波特率達(dá)25 Mbps，由于STC11F05E 單片機(jī)沒有SPI 端口，所以采用軟件方式模擬SPI 通信。此外，該芯片還可以軟件設(shè)置LED 自動(dòng)閃光報(bào)警占空比和開啟時(shí)刻。

2 系統(tǒng)開發(fā)

2.1 電路板與程序開發(fā)

電路原理圖和電路板設(shè)計(jì)采用Altium Designer 13 軟件設(shè)計(jì)，形成電路板加工圖后外協(xié)加工電路板。電路板自行焊接調(diào)試。箱體利用AutoCAD 設(shè)計(jì)，由開關(guān)廠家制作。

本系統(tǒng)單片機(jī)軟件采用KEIL4.0 C51 開發(fā)。為追求系統(tǒng)小型化，MCU 芯片采用STC11F05E 型，為DIP20 封裝，因此其芯片程序容量只有6 KBytes，故不宜采用C51 高級語言開發(fā)，而選擇匯編語言開發(fā)程序，節(jié)約存儲(chǔ)空間。STC 單片機(jī)完全兼容MCS-51 匯編語言，只是增加了一些特殊功能寄存器，例如用于控制通信波特率的專用寄存器，用于定義雙端口通信、事件捕捉、掉電喚醒、軟件定時(shí)等功能的專用寄存器，此外還增加了一些中斷向量，中斷源多達(dá)13 個(gè)。

開發(fā)STC 單片機(jī)無需仿真器和芯片燒寫裝置，直接利用KEIL4.0 編譯程序，借助PC 機(jī)的串口配合KEIL 或單片機(jī)廠家提供的程序下載軟件直接下載程序。程序下載操作需要注意兩點(diǎn)：①要在電路板上預(yù)留并焊接連接串口信號的三線插座，包括TxD、RxD 和GND 信號；②單片機(jī)只能接受TTL/CMOS 電平，PC 機(jī)串口為RS232C 電平，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)換。STC 單片機(jī)程序下載電路如圖3 所示。

圖3 STC11F05E 程序下載電路

2.2 MYD 型測量光幕

本系統(tǒng)選用2 套MYD 型測量光幕，24 光束，根據(jù)鋼絲繩直徑選用20 mm 光軸距離，采用Modbus 協(xié)議的RS485 串口輸出信號。根據(jù)Modbus 協(xié)議，MCU 發(fā)出單字節(jié)代碼03H 后，則棧地址為03H 的光幕返回?cái)?shù)據(jù)幀如表1 所示。

表1 光幕返回?cái)?shù)據(jù)幀

第0 個(gè)字節(jié)為棧地址；第1 個(gè)字節(jié)為所用測量光幕的光束總數(shù)，本系統(tǒng)光幕為24 光束，所以讀得18H；第2 字節(jié)為光束返回的單幀數(shù)據(jù)字節(jié)總數(shù)，MDY 固定為10（0AH）；第3 字節(jié)到第7 字節(jié)為光點(diǎn)描述字節(jié)，每個(gè)字節(jié)的每一位代表一個(gè)光點(diǎn)，因此本系統(tǒng)所用光幕第3、第4、第5 共3 個(gè)字節(jié)（24 bit）有效，第3字節(jié)的MSB 為光點(diǎn)1，第5 字節(jié)的LSB 為光點(diǎn)24，第6 字節(jié)、第7 字節(jié)為00H；第8 字節(jié)和第9 字節(jié)為CRC 循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。該校驗(yàn)碼采用CRC16 算法，原始數(shù)據(jù)采用8 個(gè)字節(jié)，即采用第3、第4、第5 字節(jié)，又補(bǔ)加了5 個(gè)數(shù)值為00H 的字節(jié)。

2.3 DGUS 彩色液晶觸摸屏

DGUS 屏把CUI 分解成控件并按頁面來配置，控件顯示直接由變量控制，再通過PC 軟件配置好控件文件（14.BIN）并下載到DGUS 屏后，用戶僅僅需要通過串口改寫變量值即可實(shí)現(xiàn)控件顯示的相應(yīng)改變。

觸摸屏錄入過程，通過PC 軟件按照頁面定義的觸控文件（13.BIN）來控制，用戶軟件僅需要定時(shí)來讀取錄入變量值即可。本系統(tǒng)設(shè)定觸控元件參數(shù)變量改變時(shí)上傳到單片機(jī)，觸發(fā)串口中斷進(jìn)行分析處理。

總的來說，DGUS 的開發(fā)過程就是先用PS 或者OFFICE 軟件繪制圖片，利用Windows 畫筆等工具將圖片轉(zhuǎn)換為640×480×24 位色點(diǎn)陣的BMP 文件，再用DGUS 配置軟件增添觸控和顯示控件，最后用DWIN_OS 或者單片機(jī)串口進(jìn)行讀寫操作。

2.4 語音模塊

可以通過并口控制WT558D 語音芯片，也可以通過三線制、二線制或一線制串口控制。在本系統(tǒng)中，單片機(jī)共用三個(gè)端口連接WT558D 芯片。P3.2 腳作為輸出端控制芯片的復(fù)位端，控制芯片的復(fù)位；INT1 作為輸入端接收芯片的BUSY 信號，該信號在開始播放語音時(shí)電平出現(xiàn)正跳變，播放完畢出現(xiàn)負(fù)跳變，而STC 單片機(jī)接收到正負(fù)電平跳變都可以觸發(fā)中斷，這一點(diǎn)對控制多段語音連續(xù)播放很重要。單片機(jī)P3.4 端連接芯片DATA 端，即通過一根數(shù)據(jù)線發(fā)送串口數(shù)據(jù)。一線串口可以實(shí)現(xiàn)控制語音播放、停止、音量調(diào)節(jié)和直接觸發(fā)語音等功能。在此情況下，芯片的P00～P10的按鍵可以選擇屏蔽或者任意觸發(fā)方式。一線串口控制模式固然節(jié)省端口，但是芯片沒有休眠狀態(tài)，語音停止后靜態(tài)電流大約有5 mA，電池供電時(shí)請慎重選用；一線串口控制的另一個(gè)缺點(diǎn)是，發(fā)送的每個(gè)比特都需要幾百微秒延時(shí)，占用CPU 的時(shí)間較長。但本系統(tǒng)軟件全部采用中斷觸發(fā)模式，因此影響不大。在中斷服務(wù)程序中要發(fā)送語音命令，應(yīng)放在子程序的最后進(jìn)行，首先“假裝”退出中斷子程序，把發(fā)送命令安排在主程序段里。具體編程如下：

在Sound_Send 子程序中，軟件采用延時(shí)的方法發(fā)動(dòng)命令字節(jié)。

一線串口只通過一條數(shù)據(jù)通信線控制時(shí)序，依照電平占空比不同來代表不同的數(shù)據(jù)位。先發(fā)拉低RESET 復(fù)位信號5 ms，然后置于高電平等待大于17 ms 的時(shí)間，再將數(shù)據(jù)信號拉低5 ms，最后發(fā)送數(shù)據(jù)。高電平與低電平數(shù)據(jù)占空比1∶3 即代表數(shù)據(jù)位0，高電平于低電平數(shù)據(jù)位占空比為3∶1 代表數(shù)據(jù)位1。高電平在前，低電平在后。數(shù)據(jù)信號先發(fā)低位再發(fā)高位。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，無需先發(fā)送命令碼再發(fā)送指令。D0～D7 表示一個(gè)地址或者命令數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中的00H～DBH 為地址指令，對應(yīng)待播放的220 段語音；E0H～E7H 為音量調(diào)節(jié)命令，E0 為靜音，E7 為最大音量；F2H 為循環(huán)播放命令，F(xiàn)EH 為停止播放命令。詳細(xì)時(shí)序如圖4 所示。

圖4 詳細(xì)時(shí)序

報(bào)警和提示語音需要分段錄制編輯。安裝GoldWave 或CoolEdit 等音頻編輯軟件，根據(jù)需要錄制單聲道2200 Hz 的語音段，然后進(jìn)行適當(dāng)?shù)木庉?，例如增添背景音樂、連接某些現(xiàn)成音頻、消除噪聲等。制作好的音頻文件可以通過專用下載器或者Flash 讀寫器加載到WT558D 語音芯片。

3 結(jié)論

本系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)簡潔明快，選用元器件廉價(jià)但技術(shù)先進(jìn)、功能齊全。程序編寫嚴(yán)謹(jǐn)縝密，通信波特率、液晶亮度、LED 燈亮度、語音音量、光幕上下限等參數(shù)均可程控設(shè)定，自動(dòng)檢測光幕和板卡所載所有器件的運(yùn)行狀態(tài)，故障自動(dòng)報(bào)警。與光幕傳感器通信設(shè)計(jì)合理，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，參數(shù)和動(dòng)態(tài)曲線顯示方便、直觀，可以作為專業(yè)松繩保護(hù)裝置推廣。