崔 峰

風阻參數(shù)綜合檢測儀的研制

崔 峰

新型的礦用風阻參數(shù)綜合檢測儀器集空氣壓力(絕對壓力和相對壓力)、風速、空氣溫濕度等參數(shù)的檢測于一體，并且具有功能集成性強、數(shù)據(jù)存儲容量大、可與上位計算機進行通信，操作簡單、便于攜帶等特點。與傳統(tǒng)測試儀器相比，提高了測量、處理的精度和效率。

檢測儀器；風阻參數(shù)；單片機；煤礦

1礦用測量儀器的現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)外在通用礦井負壓、風速測量等單個項目指標的測量方面都有比較成熟的技術，但是，對于礦井通風計算及礦井安全預報的精度還不能完全滿足要求。并且在綜合各類通風參數(shù)的儀器測定方面國內(nèi)外尚無實用產(chǎn)品。而本儀器根據(jù)目前礦井通風參數(shù)的要求，采用嵌入式單片機控制采集技術，實現(xiàn)對礦井通風參數(shù)的綜合數(shù)據(jù)采集的方法、研究煤礦巷道復雜環(huán)境數(shù)據(jù)采集、通信的抗干擾措施，研究了主從式串行通信技術在礦用便攜式采集儀之間及上位計算機間的通信應用，實現(xiàn)巷道風阻參數(shù)的本質(zhì)安全型自動測量。

2風阻參數(shù)綜合檢測儀的總體方案

風阻參數(shù)是指表示礦井中通風條件狀態(tài)的性能參量。它主要包括井下空氣壓力、空氣溫度、空氣濕度、井下風速和井中的瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)，目前較常用的是電測法。所謂風阻參數(shù)的電測法就是用相應的傳感器將被測的參數(shù)按照一定的函數(shù)關系轉(zhuǎn)換為電信號，并對其進行測量，以此來表示被測的參數(shù)量。多功能風阻參數(shù)檢測儀就是將傳感器技術、單片機技術、信息傳輸技術、電源技術與電氣防爆技術相結合，用于巷道多項風阻參數(shù)同時進行測量的儀器。

2.1風阻參數(shù)檢測儀的功能分析。

該儀器主要是針對礦井風阻參數(shù)測量的實際需要而開發(fā)的。它應具備以下功能：

(1)儀器應具有對甲烷、風速、空氣壓力、空氣濕度和溫度等模擬量監(jiān)測和累計檢測功能。

(2)具有甲烷濃度超限聲音報警功能。

(3)具有大容量的數(shù)據(jù)存儲功能。

(4)具有數(shù)據(jù)顯示功能。

(5)具有鍵盤控制和操作功能,以便于存儲點的設置、存儲數(shù)據(jù)的察看、參數(shù)修改和功能的調(diào)用等。

(6)該儀器主要是面向礦井通風參數(shù)的檢測，因此，它要具有良好的防爆功能。

(7)具有較強的抗干擾功能。

(8)具有與上位計算機的通信功能。

(9)采用可充電的鋰電池供電，具備4-8小時以上的使用時間。

2.2 風阻參數(shù)檢測儀總體方案的確定。

2.2.1 主要技術指標。

該儀器主要是面向礦井風阻參數(shù)檢測的，它主要完成數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示、存儲和預警等功能，并與上位計算機實現(xiàn)通信。其主要的技術指標如下：

(1)該儀器的工作指標：

采集通道數(shù)：1～8路可選

采集位數(shù)：12位

濕度：0～100%RH，精度±2%RH(25±2℃下)

溫度：-55～+150℃額定范圍，精度0.5℃(在+25℃時)

風速：0～15m/S，精度±(0.3m/S+3%讀數(shù))

壓力：0～500Pa, 精度：±1Pa

(2)該儀器的工作方式：采集存貯方式；數(shù)據(jù)傳送方式。

(3)與上位機的通訊接口：該儀器采用RS232串行接口與上位機之間進行通信，儀器的工作方式由上位機進行控制。

2.2.2 風阻參數(shù)檢測儀的硬件系統(tǒng)。

該儀器以單片機為控制核心，包括數(shù)據(jù)采集、存貯、掉電保護、鍵盤輸入、顯示輸出和通訊等模塊。儀器硬件系統(tǒng)組成框圖如圖2.1所示。

該儀器的設計緊密結合了技術的發(fā)展，采用先進的微處理器芯片。在硬件電路中，單片機采用Intel公司生產(chǎn)的51系列的ATMEL89C51作為主控芯片。A/D轉(zhuǎn)換器采用了TI公司生產(chǎn)的串行數(shù)據(jù)接口芯片TLC2543芯片。選用X25045可編程看門狗芯片；并設有RS232串行通訊接口，可實現(xiàn)較近距離的數(shù)據(jù)傳輸。

圖2.1 風阻參數(shù)檢測儀系統(tǒng)組成框圖

2.2.3 風阻參數(shù)檢測儀軟件。

該測試儀器軟件部分采用MCS-51系列單片機匯編語言編寫。軟件部分主要完成數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換、存貯、顯示以及通訊等功能。其程序設計可分為五大模塊。

(1)主程序：主要完成系統(tǒng)初始化，包括串行口、定時器方式、鍵盤以及顯示器等。

(2)采樣轉(zhuǎn)換模塊：主要完成對1～8路模擬量的采樣和A/D轉(zhuǎn)換。

(3)串行通訊模塊：主要完成接收數(shù)據(jù)串命令的分析判斷、根據(jù)控制命令字的信息向主機發(fā)送信息和數(shù)據(jù)。

(4)鍵盤處理模塊：主要完成鍵盤輸入信息的掃描和執(zhí)行。

(5)顯示輸出模塊：主要完成測量數(shù)據(jù)和儀器工作狀態(tài)的顯示。

3風阻參數(shù)綜合檢測儀的具體設計

風阻參數(shù)檢測儀以單片機為控制核心，主要由數(shù)據(jù)采集、串行通訊、數(shù)據(jù)存儲、掉電保護、顯示輸出和鍵盤輸入等幾大模塊，以及測量放大和RC濾波等電路組成。

3.1控制器的選擇。

我們選用了Intel公司生產(chǎn)的MCS-51系列的ATMEL89C51單片機作為本儀器的主控制芯片，它功能強大、價格低廉、體積小，是一種比較通用且經(jīng)濟實惠的產(chǎn)品。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊的選擇。

數(shù)據(jù)采集模塊主要由對各項參數(shù)進行測量的傳感器、放大電路、濾波電路以及A/D轉(zhuǎn)換器等組成。基于輸入通道、轉(zhuǎn)換精度、速度和價格等方面考慮，我們選用了TI公司生產(chǎn)的TLC2543。其管腳布局如圖3.1所示。

圖3.1 TLC2543引腳排列

3.3 通訊模塊。

隨著測控技術的發(fā)展，目前許多測量儀器都帶有RS232串行總線接口。儀器通過標準的RS232接口轉(zhuǎn)換電路，用于實現(xiàn)與上位機的通訊，為上位機的分析與處理提供數(shù)據(jù)，而上位機軟件也通過標準的232串行接口與儀器通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和后續(xù)處理。

該儀器的控制器89C51單片機內(nèi)部帶有一個全雙工串行通訊接口，包含有串行發(fā)送器和串行接收器；有兩個物理上獨立的發(fā)送緩沖器和接收緩沖器。此外還有兩個特殊功能寄存器SCON和PCON分別用于控制串行口的工作方式以及波特率，定時器T1用作波特率發(fā)生器。該串行口可以工作在4種不同的方式下，波特率也可由軟件設置，本儀器設定串行口工作在方式1下。

3.4 數(shù)據(jù)存儲、掉電保護模塊。

以往，對風阻參數(shù)的檢測采用的大都是分立儀器，且需人工記錄，工作量大，誤差也大，而且檢測點有限。而該儀器，由于要完成對8路數(shù)據(jù)的采集與存儲，且數(shù)據(jù)量較大，所以，我們在該儀器的設計中采用了串行數(shù)據(jù)存儲器(AT24C64)，它具有8K的存儲空間。按一個檢測點用10個字節(jié)存儲，那么本儀器可連續(xù)對800個檢測點進行存儲。另外，在該儀器中設計有X25045可編程看門狗芯片，以X25045設計的看門狗電路為系統(tǒng)提供在異常情況下的復位能力，因此提高了系統(tǒng)的可靠性。

3.5 鍵盤輸入、顯示輸出模塊。

3.5.1 鍵盤的選擇與設計。

由于我們的儀器要求有較多的按鍵，因此在該儀器的設計中，我們選用了非編碼矩陣式鍵盤。在本儀器中，我們選用P2.0～P2.7作為鍵盤的輸入接口。鍵盤的板面如圖所示。

在鍵盤中，我們共設計了16個按鍵，10個數(shù)字鍵，5個功能鍵，一個小數(shù)位和4個第二功能鍵。數(shù)字鍵主要用于工作人員對檢測點代號手動的輸入；采集鍵主要用來對檢測點進行數(shù)據(jù)采集的控制?。槐４骀I主要用來對采集數(shù)據(jù)以及采集點代號進行是否保存的控制；Shift鍵用于鍵盤第一功能和第二功能的切換；刪除鍵用于對采集點代號和存儲數(shù)據(jù)的修改；確定鍵主要用于判斷數(shù)據(jù)的輸入是否完成；清零鍵主要完成顯示器的清零；校準鍵用于儀器系統(tǒng)的復位；上翻和下翻鍵則用于對存儲數(shù)據(jù)的察看。這些鍵將會大大的方便用戶的操作。

3.5.2 顯示器的選擇。

顯示器的種類很多，常用的主要有數(shù)碼管(LED)和液晶顯示器(LCD)。液晶顯示器具有重量輕，體積小，功耗低、使用靈活方便等特點。可以顯示數(shù)字，英文大小寫字母，日語片假名等共計192個字符，且指令功能強，接口方便簡單。因此在該儀器中，我們選用了液晶顯示器(LCD)。

3.6 風阻檢測儀的軟件設計。

我們這種儀器的軟件部分采用MCS-51匯編語言編寫,主要完成數(shù)據(jù)的采集、預處理、存儲、顯示、通訊等功能。該儀器的主程序主要完成系統(tǒng)的初始化，包括定時器、顯示器、串行通信口及鍵盤接口等的初始化。根據(jù)工作流程，在不同的階段調(diào)用相應的子程序，完成不同的操作。其主程序工作流程框圖如圖3.9所示。

圖3.9 主程序工作流程圖

4風阻參數(shù)檢測儀部分實驗數(shù)據(jù)

該儀器的主要實驗驗證參數(shù)是空氣壓力和空氣溫濕度。驗證的方法是將本儀器測量的數(shù)據(jù)與專用的測量儀器檢測的數(shù)據(jù)進行比較，通過比較，最后得出該儀器測量的可靠性及數(shù)據(jù)的精確性。

4.1 儀器空氣壓力測量實驗。

4.1.1實驗設計與實驗儀器。

在對空氣壓差的測量的實驗中，我們共選取了11個不同的測量點，6個壓力等級，從0pa～300pa，每個相鄰壓力等級間壓差為50pa，壓力測量專用儀器選用本校采礦系的專用壓力測量控制實驗臺。

4.1.2 實驗數(shù)據(jù)及結果分析。

(1)此實驗總共分兩次進行，第一次測量時，取數(shù)據(jù)的上限值，第二次取下限值，然后將兩次數(shù)據(jù)取平均值。實驗數(shù)據(jù)如表1：(單位：pa)

表1 儀器的壓力測量值與專用儀器測量結果對照表

1—儀器測量上限值 2—儀器測量下限值 3—專用儀器測量值

(2)由以上測量數(shù)據(jù)看出，該儀器的測量結果基本上與專用儀器檢測結果一致，已達到了預期的設計指標，可以很好的應用于當前礦業(yè)生產(chǎn)實際中。

4.2儀器空氣溫濕度測量實驗。

4.2.1 實驗設計及儀器。

在此實驗中，專用儀器選用專用溫濕度校驗箱。測量時，同樣我們選取了11個測量點，對溫度的測量中，設置了7個溫度等級，分別從-20℃～40℃；濕度的測量中，也設定了9個濕度等級，并每組都進行了兩次測量，然后取平均值，再與專用儀器檢測結果進行對比。

4.2.2 實驗數(shù)據(jù)及結果分析

(1)在對溫度的測量實驗中，選擇9個測量點，分9個溫度等級進行測量，共兩次。其測量數(shù)據(jù)如下表2所示。(單位：℃)

表2 校驗箱與儀器溫度測量結果對照表

(2)在對空氣濕度的測量實驗中，也同樣也選取9個濕度等級，從0～80，分兩次進行測量，其測量數(shù)據(jù)如表3所示。(單位: %RH)

表3 校驗箱與儀器測量值對照表

(3)從上面的測量數(shù)據(jù)我們可以看出該儀器對溫度和濕度的測量結果與專用儀器測量結果基本一致，因此，它能滿足我們實際應用的需要，也達到了我們的設計目的。

5結論

本文針對當前礦用安全檢測儀器普遍存在的問題，采用嵌入式單片機技術，以單片機為控制核心，將現(xiàn)代傳感器技術、單片機技術、信息傳輸技術、電源技術與電氣防爆等技術有機的結合，研究開發(fā)適合當前礦業(yè)生產(chǎn)實際的新一代多功能安全檢測儀器。該儀器設計完成后，經(jīng)實驗，基本上達到了預期的設計指標。

[1]何延山.礦井通風及安全[M].湖南:湘潭大學出版社，2009.

[2]楊幫文.傳感器與變送器實用手冊[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008.

[3]賈民平，張洪亭.測試技術(第2版)[M].北京:高等教育出版社，2009.

[4]薛小玲，劉志群，賈俊榮.單片機接口模塊應用與開發(fā)實例詳解[M].北京:北京航空航天大學出版社，2010.

[5]唐統(tǒng)一，趙偉.電測與儀表技術的回顧與展望[J].電測與儀表，2000，37(1)：5～9.

[6]張鑫.單片機原理及應用(第2版)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2010.

ClassNo.:TD178DocumentMark:A

(責任編輯：宋瑞斌)

DevelopmentofMeasuringInstrumentfortheParametersofAirResistance

Cui Feng

This paper introduces the design process of a integrated measuring instrument for air resistance. Since the instrument has many functions, such as the measurement of air pressure , temperature，humidity, and wind speed etc. Many characteristics of the new instrument can be found , such as an excellent functional integration , large data storage capability and so on. When the new instrument is put into use , according to the results of test, the accuracy and efficiency of measurement ,processing would be improved greatly compared with the traditional instruments .

measuring instrument；parameter of air resistance；SCM；coal mine

崔峰，助教，陜西省石油化工學校，陜西·西安。郵政編碼：710061

1672-6758(2011)03-0063-3

TD178

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