單片機(jī)在礦井通風(fēng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用畢業(yè)論文.doc

目錄1緒論.12設(shè)計(jì)要求.13系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與風(fēng)量調(diào)節(jié)方法.23.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案與工作原理.23.2礦井通風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)方法.24變頻器發(fā)展與變頻調(diào)速注意事項(xiàng).44.1變頻器的發(fā)展.44.2變頻調(diào)速注意事項(xiàng).45硬件設(shè)計(jì).55.1單片機(jī)類型的選擇.55.2控制系統(tǒng)供電電源.65.3傳感器檢測(cè).65.4報(bào)警電路.75.5掉電保護(hù)電路.85.5.1單片機(jī)掉電設(shè)計(jì)原理.85.5.2掉電持續(xù)供電電路.95.5.3復(fù)位與掉電檢測(cè)電路.105.6輸入/顯示電路.115.7固態(tài)繼電器電路.125.8A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì).135.9D/A轉(zhuǎn)換電路.145.10電機(jī)控制原理.146抗干擾設(shè)計(jì).166.1概述.166.2硬件抗干擾設(shè)計(jì).166.2.1電源抗干擾措施.166.2.2傳感器抗干擾措施.176.3軟件抗干擾設(shè)計(jì).177軟件設(shè)計(jì).188結(jié)束語(yǔ).20致謝.20參考文獻(xiàn).20附錄.2211緒論隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，安全意識(shí)不斷加強(qiáng)，作為危險(xiǎn)作業(yè)的礦井工人安全問(wèn)題受到高度重視。近年來(lái)，尤其是我國(guó)煤礦礦井事故不斷出現(xiàn)，有人為管理因素，但重要的還是技術(shù)落后。解決礦井安全的問(wèn)題，首先是解決礦井的通風(fēng)系統(tǒng)的問(wèn)題。通風(fēng)系統(tǒng)的關(guān)鍵是對(duì)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量和其他通風(fēng)輔助設(shè)備的控制。通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)節(jié)有兩種基本方法：一是改變風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)；二是改變通風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，而對(duì)通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制較容易實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制有變頻器調(diào)速控制，PLC電控控制等。單獨(dú)利用變頻器調(diào)速控制，達(dá)不到對(duì)通風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，也不利于以后的系統(tǒng)擴(kuò)展改造。應(yīng)用PLC的好處是控制方便，可靠性高，編程容易，但是綜合成本高。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于AT89C52的通風(fēng)機(jī)監(jiān)視儀的設(shè)計(jì)和應(yīng)用已經(jīng)成功，利用單片機(jī)對(duì)伺服電機(jī)的控制得到了應(yīng)用，基于單片機(jī)進(jìn)行的保證室內(nèi)空氣質(zhì)量的通風(fēng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。目前國(guó)外對(duì)單片機(jī)的應(yīng)用相當(dāng)普及，國(guó)內(nèi)雖然從1980年開(kāi)始才著手開(kāi)發(fā)應(yīng)用，但至今也已擁有數(shù)十家專門(mén)生產(chǎn)單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的工廠或公司，并且在程序控制、智能儀表等方面已經(jīng)涌現(xiàn)出大量的科技成果。這些技術(shù)為單片機(jī)在礦井通風(fēng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了技術(shù)支持。本設(shè)計(jì)研究參照單片機(jī)的國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀，考慮到我國(guó)大多數(shù)礦井通風(fēng)的實(shí)際情況，采用價(jià)格低，功耗小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，編程容易，性能價(jià)格比好的51系列單片機(jī)作為主控單元，通過(guò)變頻器調(diào)速，固態(tài)繼電器電路切換，達(dá)到對(duì)通風(fēng)機(jī)電機(jī)的自動(dòng)控制，既解決了礦井通風(fēng)機(jī)風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)問(wèn)題，而且成本比較低，擴(kuò)展性好，易于應(yīng)用。2設(shè)計(jì)要求（）系統(tǒng)電源電壓要與單片機(jī)工作電壓相匹配；（）要使單片機(jī)的性能價(jià)格比較優(yōu)；（）傳感器要有很好的抗干擾性；（）系統(tǒng)有很好的抗干擾性，斷電時(shí)可以保存用戶所設(shè)定的各種參數(shù)；（）系統(tǒng)具有手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換、在線監(jiān)控及在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、驅(qū)動(dòng)通風(fēng)機(jī)的電機(jī)過(guò)熱保護(hù)，故障報(bào)警等功能。依據(jù)礦井通風(fēng)的特點(diǎn)，本控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的控制功能包括：當(dāng)有一臺(tái)電機(jī)過(guò)熱時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)換為另一臺(tái)電機(jī)工作；當(dāng)一臺(tái)電機(jī)不能滿足風(fēng)量要求時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)啟動(dòng)另一臺(tái)電機(jī)工作；通風(fēng)機(jī)電機(jī)在變頻情況下啟動(dòng)，當(dāng)一臺(tái)電機(jī)工作風(fēng)量達(dá)不到要求，啟動(dòng)另一臺(tái)電機(jī)，第一臺(tái)電機(jī)能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)換為工頻運(yùn)行，變頻器控制第二臺(tái)電機(jī)，第二臺(tái)電機(jī)也具有變頻轉(zhuǎn)工頻功能。23系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與風(fēng)量調(diào)節(jié)方法3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案與工作原理本設(shè)計(jì)系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，其設(shè)計(jì)模塊應(yīng)該包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)選擇、控制系統(tǒng)供電電源、傳感器檢測(cè)、抗干擾設(shè)計(jì)、手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換、電動(dòng)機(jī)保護(hù)、輸入/顯示電路設(shè)計(jì)、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、故障報(bào)警、繼電器控制電路和軟件設(shè)計(jì)。按功能要求擬定設(shè)計(jì)方案。若采用先對(duì)各個(gè)輸入/輸出信號(hào)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后再對(duì)單片機(jī)輸入/輸出口分配，不利于在現(xiàn)有單片機(jī)的情況下，應(yīng)用單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，假如先對(duì)單片機(jī)的I/O口進(jìn)行分配，然后對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，就能夠充分發(fā)揮單片機(jī)的功用，是一種最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方案。本設(shè)計(jì)就采用這種方案，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。由圖1可知，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)以單片機(jī)作為控制核心，依靠傳感器技術(shù)來(lái)采集礦井中的信息，包括礦井溫度、礦井風(fēng)速、礦井壓力、瓦斯?jié)舛群碗姍C(jī)溫度，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路，送入單片機(jī)處理，再由D/A轉(zhuǎn)換放大電路送給變頻器模擬控制信號(hào)，經(jīng)變頻器變頻對(duì)通風(fēng)機(jī)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。通過(guò)單片機(jī)控制固態(tài)繼電器通斷實(shí)現(xiàn)工頻、變頻電路轉(zhuǎn)換和兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的切換，達(dá)到對(duì)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)的目的。系統(tǒng)由鍵盤(pán)輸入單片機(jī)控制數(shù)據(jù)，由顯示電路顯示控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況，出現(xiàn)故障時(shí)，相應(yīng)顯示電路給以顯示信息并且發(fā)聲報(bào)警。圖1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖3.2礦井通風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)方法對(duì)通風(fēng)機(jī)的控制，目的是對(duì)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)節(jié)。它通過(guò)改變通風(fēng)機(jī)本身的特性曲線或改變外部管網(wǎng)特性來(lái)進(jìn)行，分為風(fēng)機(jī)恒速時(shí)的風(fēng)量調(diào)節(jié)和風(fēng)機(jī)變速時(shí)的風(fēng)量調(diào)節(jié)。通風(fēng)機(jī)恒速時(shí)的風(fēng)量調(diào)節(jié)對(duì)于軸流式通風(fēng)機(jī)，通過(guò)增大葉片安裝角度可以增大風(fēng)壓，也可以通過(guò)改變工作輪的級(jí)數(shù)或葉輪片數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)通風(fēng)量。但這些單片機(jī)A/DFANGDAN礦井溫度礦井風(fēng)速礦井壓力瓦斯?jié)舛入姍C(jī)溫度D/A固態(tài)繼電器變頻器報(bào)警M1、M2鍵盤(pán)顯示3調(diào)節(jié)一般需要在風(fēng)機(jī)停機(jī)時(shí)才能進(jìn)行，只適合較長(zhǎng)階段的風(fēng)量調(diào)節(jié)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)通風(fēng)量的平滑調(diào)節(jié)和與實(shí)際通風(fēng)量要求的隨動(dòng)。對(duì)于離心式風(fēng)機(jī)，目前都是通過(guò)調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)口及風(fēng)道或送風(fēng)道中閘門(mén)的開(kāi)啟程度，人為地減小風(fēng)道斷面，增加通風(fēng)阻力，改變通風(fēng)管網(wǎng)的特性曲線，最終改變風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)。這是一種很不經(jīng)濟(jì)的調(diào)節(jié)方法。通風(fēng)機(jī)變速時(shí)的風(fēng)量調(diào)節(jié)，是通過(guò)改變通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)特性曲線的改變，從而改變通風(fēng)量，這是離心式通風(fēng)機(jī)節(jié)能運(yùn)行的有效方法。調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)改變風(fēng)量方法比較，風(fēng)機(jī)運(yùn)行的工況點(diǎn)和特性如下圖2所示。HH2B31H1A42H3COQ2Q1Q圖2風(fēng)機(jī)運(yùn)行的工況點(diǎn)的特性曲線曲線1為通風(fēng)機(jī)在全速下風(fēng)壓風(fēng)量(HQ)的特性曲線，曲線2為風(fēng)門(mén)全開(kāi)時(shí)管網(wǎng)的特性曲線。上述兩曲線的交點(diǎn)A代表自然運(yùn)行工況點(diǎn)，其風(fēng)壓和風(fēng)量分別為H1和Q1。如果礦井需要的實(shí)際通風(fēng)量為Q2，可以通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)，改變管網(wǎng)的特性得到曲線3，它與曲線1的交于B點(diǎn)，取得要求的風(fēng)量Q2，但風(fēng)壓上升至H2。也可以通過(guò)改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速而使風(fēng)機(jī)的特性曲線變?yōu)榍€4，它與管網(wǎng)的特性曲線2交于C點(diǎn)，同樣取得要求的風(fēng)量Q2，同時(shí)，風(fēng)壓降至H3。假定在上述3個(gè)不同的工礦點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，通風(fēng)機(jī)、電器和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的效率都相等，則在3個(gè)不同的工礦點(diǎn)運(yùn)行時(shí)從電網(wǎng)吸收的功率PA、PB、PC應(yīng)與相應(yīng)工礦點(diǎn)的風(fēng)量和風(fēng)壓的乘積成正比，即與圖中AH1OQ1、BH2OQ2和CH3OQ23個(gè)矩形的面積成正比。從圖上可以清楚地看出，PB僅比PA略小，而PC遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于PA。也就是說(shuō)，調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變風(fēng)量的運(yùn)行方式所消耗的電能遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)改變風(fēng)量的運(yùn)行方式1。通風(fēng)機(jī)屬于負(fù)荷平穩(wěn)，起動(dòng)不頻繁，僅需較小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的設(shè)備，采用母線供電，交流鼠籠電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的不調(diào)速電控系統(tǒng)，調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)風(fēng)量的工作方式是最簡(jiǎn)單、最可靠的。雖然這種工作方式能耗大，但設(shè)備簡(jiǎn)