董文非

[摘 要]本文闡述通過設(shè)計(jì)基于嵌入式和無線收發(fā)模塊的水泵無線集中控制系統(tǒng)解決煤礦主排水泵房的啟停泵問題，此啟停泵方式，節(jié)省了水泵啟停操作的人員數(shù)量，又解決了人員啟停泵時(shí)避免與高壓開關(guān)直接接觸的不安全因素。

[關(guān)鍵詞]主排水泵房 集中控制 嵌入式 無線控制

中圖分陳類號(hào)：TP237 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）05-0241-01

1 礦井主排水泵房控制現(xiàn)狀

煤礦井下中央主排水泵房安裝設(shè)計(jì)一般為變電所和泵房分開布置，水泵安裝在泵房，水泵控制開關(guān)安裝在變電所。因排水泵和操作開關(guān)體積較大或數(shù)量較多，排水泵和控制開關(guān)相距較遠(yuǎn)，每臺(tái)水泵的啟停都需要值班人員和變電所人員配合完成操作。在變電所啟停水泵時(shí)需要使用打點(diǎn)信號(hào)聯(lián)系，開關(guān)操作人看不到泵的啟停狀態(tài)、是否上水，不能實(shí)時(shí)掌握泵的狀態(tài)，當(dāng)在泵房內(nèi)操作管路閘閥時(shí)，不能實(shí)時(shí)和開關(guān)操作人聯(lián)系，且操作人員需要手動(dòng)操作高壓開關(guān)時(shí)和高壓帶電體接觸，弊端較多。

2 無線遙控水泵控制方式原理

水泵的控制開關(guān)多為煤礦井下高壓真空電磁啟動(dòng)器，該啟動(dòng)器使用開關(guān)面板上的按鈕來控制開關(guān)斷路器的閉合、斷開等等動(dòng)作，經(jīng)拆解，開關(guān)面板后方使用一個(gè)常開按鈕控制開關(guān)斷路器的閉合、使用一個(gè)常閉的按鈕控制開關(guān)斷路器的斷開，現(xiàn)將此兩個(gè)按鈕分別并聯(lián)和串聯(lián)入兩個(gè)繼電器的常開和常閉觸點(diǎn)，通過控制繼電器動(dòng)作，相應(yīng)的控制了單臺(tái)高壓開關(guān)的動(dòng)作。因泵房的水泵較多，高壓開關(guān)對(duì)應(yīng)較多，將泵房內(nèi)每臺(tái)水泵操作開關(guān)的啟停使用無線遙控集中控制，操作人員可手持便攜式無線啟停控制器（如圖1-1），將水泵的開?？刂菩盘?hào)集中至無線信號(hào)接收板（如圖1-2）。信號(hào)接收板集成和控制開關(guān)啟動(dòng)停止按鈕連接的繼電器、無線收發(fā)裝置、程序處理模塊等，一旦控制板的無線接受裝置收到便攜式無線啟?？刂破靼l(fā)出的開停泵信號(hào)，程序處理模塊分析需要執(zhí)行的動(dòng)作，然后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繼電器動(dòng)作，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的水泵完成啟停動(dòng)作。

3、便攜式無線啟?？刂破骱蜔o線信號(hào)接收板的設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

便攜式無線啟?？刂破髟O(shè)計(jì)為手持式，選用的硬件電路及元器件需滿足低電壓、功耗低的條件，處理器這里選用STM32系列的STM32F103VCT6單片機(jī)，該單片機(jī)電源電壓為2.0-3.6V，內(nèi)部集256KB FLASH、48KB RAM 、12Bit A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、PWM、CAN、USB、SDIO、80個(gè)可編程輸入輸出端口等，片上資源完全滿足水泵開關(guān)控制及功能升級(jí)需求；無線收發(fā)模塊選用NRF24L01芯片，該芯片工作電壓1.9-3.6V，無線發(fā)送頻率為2.4GHz-2.5GHz的ISM 頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)2Mbps，完全滿足信號(hào)傳送需求；鍵盤采用4*4行列式鍵盤，鍵盤行線和列線直連設(shè)置為上拉輸出模式STM32的通用IO口；LCD顯示屏使用集成中文字庫的3.0-5.5V型LCD12864液晶顯示模塊，該模塊作為輸入指令和指令執(zhí)行情況的輸出顯示；蓄電池選用3.7V的鋰電池供電。

信號(hào)接收板的處理器和無線收發(fā)模塊的選用與便攜式無線啟停控制器的相同，該設(shè)備使用時(shí)固定在泵房與變電所交匯處，使用時(shí)不需要移動(dòng)，因此在選用電源時(shí)考慮了開關(guān)電源模塊來滿足其供電的連續(xù)性。為確保啟動(dòng)水泵序號(hào)正確，在接收板處加裝LED數(shù)碼管來顯示操作的水泵序號(hào)，人員可根據(jù)LED顯示數(shù)字是否和自己的主關(guān)意圖對(duì)照。操作人員在使用便攜式無線啟?？刂破鲉⑼Ｋ脮r(shí)，距離信號(hào)接收板的距離較遠(yuǎn)，信號(hào)接收板輸出顯示采用尺寸較大的7寸紅光LED數(shù)碼管；因操作水泵控制開關(guān)需控制啟動(dòng)停止按鈕的閉合和斷開，這里使用外加繼電器的常開、常閉觸點(diǎn)分別并、串聯(lián)入水泵控制開關(guān)的啟動(dòng)、停止按鈕。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

因該設(shè)備是對(duì)煤礦井下主排水泵房的控制，其實(shí)時(shí)性和可靠性要求較高，傳統(tǒng)的大循環(huán)編程模式存在程序容易跑飛崩潰，可靠性低的弊端，后期功能升級(jí)可能面臨全部代碼重寫的可能性，故該系統(tǒng)的軟件部分均選用實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，經(jīng)比較，這里選用uCOS/II操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)為開放源碼、搶占式優(yōu)先級(jí)、實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)，適合于STM32單片機(jī)的嵌入式操作系統(tǒng)。發(fā)送端軟件設(shè)計(jì)思路為在uCOS/II系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)獲取4*4鍵盤的按鍵，鍵碼獲取后判斷鍵碼，輸出至LCD屏，等待接收啟動(dòng)或停止信號(hào)，按下啟動(dòng)停止信號(hào)后將鍵碼內(nèi)容通過SPI協(xié)議發(fā)送至NRF24L01，再由NRF24L01轉(zhuǎn)化為無線信號(hào)，接收端程序設(shè)計(jì)思路為在uCOS/II系統(tǒng)中使用中斷方式獲取NRF24L01的IRQ引腳發(fā)來的中斷信號(hào)，當(dāng)NRF24L01接收數(shù)據(jù)時(shí)，IRQ引腳變低，觸發(fā)STM32硬件中斷，此時(shí)系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)讀取NRF24L01數(shù)據(jù)口程序獲取發(fā)來的數(shù)據(jù)，接收到的數(shù)據(jù)輸出至LED數(shù)碼管并通過驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的IO口使繼電器動(dòng)作。

4、工作過程

當(dāng)人員需要啟停水泵，按下便攜式無線啟?？刂破?*4行列鍵盤，STM32通過鍵盤掃描子程序識(shí)別按下的鍵號(hào)，通過程序?qū)㈡I號(hào)轉(zhuǎn)換為水泵序號(hào)顯示在便攜式無線啟?？刂破鞯腖CD12864上，同時(shí)STM32通過通過SPI協(xié)議將鍵號(hào)發(fā)送至接收板，接收板接收到信號(hào)后同時(shí)顯示在7寸LED數(shù)碼管上，人員查看按下的兩設(shè)備上輸出的水泵序號(hào)是否正確，如果正確則可以按下啟動(dòng)或停止鍵進(jìn)行下一步操作，處理器接收的啟動(dòng)停止信號(hào)通過NRF24L01發(fā)送至接收板的NRF24L01模塊。接收板處理器讀取接受模塊啟動(dòng)停止信號(hào)后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繼電器動(dòng)作，繼電器最終驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的水泵開關(guān)動(dòng)作，完成集中無線控制水泵的啟停操作。

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