單片機在礦井空壓機控制系統(tǒng)中的應用

1、目 錄1 緒論12 主要功能及參數(shù)12.1 主要功能及特點12.2 主要工作參數(shù)及設定22.3 檢測原理及電路實現(xiàn)23 系統(tǒng)總體結構與設計33.1 各功能模塊概述54 硬件設計64.1 傳感器74.2 報警電路74.3 輸入/顯示電路74.4 固態(tài)繼電器電路94.5 變頻器設計94.5.1 變頻器選擇94.5.2 vfd-m系列變頻器選用104.5.3 變頻器參數(shù)設置104.6 d/a轉換電路114.7 電機控制原理115 軟件設計125.1 主程序模塊145.2 采集、計算程序模塊155.3 遠程控制與多機聯(lián)動175.4 調試及測控效果分析175.5 系統(tǒng)的抗干擾處理185.5.1 硬件抗干

2、擾設計185.5.2 軟件抗干擾設計186 結束語19致謝19參考文獻20附錄1 電路總圖21附錄2 程序清單221 緒論空氣壓縮機一般簡稱為空壓機或壓風機。由于空氣具有很好的可壓縮性，適宜做功能傳遞的介質，輸送方便，不凝結，對人體無害，對環(huán)境無污染，沒有起火危險，且處處都有，取之不盡，因而，空壓機在民用上，特別是煤礦中得到了廣泛的應用。在煤礦中，空壓機作為主要設備，為風動機具提供動力源 壓縮空氣，煤礦中常用的風動機有鑿巖機、風動裝巖機、風鎬、錨噴支護設備等等。它作為礦井重要生產(chǎn)設備之一，其工作狀態(tài)的好壞直接影響著煤礦的經(jīng)濟效益。煤礦安全規(guī)程1第403 條規(guī)定“使用油潤滑的空氣壓縮機時，應裝設

3、斷油保護或斷油信號，水冷式空氣壓縮機應有斷水保護或斷水信號?！倍諝鈮嚎s機常因為冷卻水中斷或排氣閥、氣缸出現(xiàn)故障導致排氣溫度和壓力過高，輕則造成氣缸和活塞報廢，重則造成風包爆炸，造成重大事故。因此煤礦使用的空壓機必須加裝斷水、超溫、超壓監(jiān)測保護裝置2。目前國內大量運行的空壓機大都采用一般的繼電器控制，其監(jiān)控、保護的技術水平低下，溫度和壓力的檢測采用電接點表和電接點溫度計，斷水保護也是觸點開關，故障率高，維護量大，運行極不可靠，難以達到煤礦安全規(guī)程對空壓機運行的規(guī)定要求1。為使空壓機正常工作，應對其主要參數(shù)如：風包溫度、一級排氣溫度、二級排氣溫度、一級排氣壓力、二級排氣壓力、潤滑油壓等，進行連續(xù)

4、監(jiān)測，當其參數(shù)超出極限值時，則報警，表示空壓機運轉有異常，并對空壓機進行卸荷，如仍超出極限值，則應自動切斷空壓機的電源，使其停機。為此，采用單片機at89c51為核心控制器件來實現(xiàn)空壓機的實時監(jiān)控，并提供rs-485通訊接口來構成485現(xiàn)場控制網(wǎng)，并以良好的屏幕界面對運行參數(shù)進行顯示，對各種運行參數(shù)進行存儲。以其良好的性能與準確、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)在線監(jiān)測，成功地實現(xiàn)了空壓機運轉過程中的各種安全保護。2 主要功能及參數(shù)2.1 主要功能及特點系統(tǒng)的具體功能特點為：（1）溫度監(jiān)測與保護 實時監(jiān)測空壓機運轉過程中的一級排氣溫度、二級排氣溫度、風包溫度，可實現(xiàn)超限聲、光報警，卸荷與延時停機保護。（2）壓力監(jiān)測

5、與保護 實時監(jiān)測空壓機運轉過程中的一級排氣壓力、二級排氣壓力、潤滑油壓力，可實現(xiàn)超限聲、光報警，卸荷與延時停機保護。（3）斷水指示與保護 空壓機運轉過程中出現(xiàn)斷水時，監(jiān)控系統(tǒng)可快速報警并停機。（4）空壓機群組集中控制 該系統(tǒng)完成空壓機群組（5臺、6臺或多臺）的集中控制。（5）手動/自動轉換 為了防止自動調節(jié)出現(xiàn)故障時，空壓機失控而無法正常工作，系統(tǒng)設置了手動和自動測量控制兩種工作方式。2.2 主要工作參數(shù)及設定空壓機微機監(jiān)控系統(tǒng)在工作過程中的主要監(jiān)測參數(shù)及其報警值的合理設定關系到設備的安全運轉，根據(jù)現(xiàn)場情況及煤礦安全規(guī)程的要求，提出如表1所列設定內容。表1 主要工作參數(shù)及設定臨測參數(shù)工作范圍設

6、定值備注一級排氣壓力（mp）00.220.22超限告警二級排氣壓力（mp）00.750.75超限告警潤滑油壓力（mp）0.20.3上限0.3下限0.2超限告警超限告警一級排氣溫度（）0130130超限告警二級排氣溫度（）0160160超限告警風包溫度()0120120超限告警潤滑油溫度（）07070超限告警斷水指示“0”“1”正?！?”斷水“1”斷水告警2.3 檢測原理及電路實現(xiàn)空壓機需要檢測的狀態(tài)量主要有溫度、壓力和冷卻水等3。（1）溫度的檢測溫度的檢測采用熱電阻pt100。當溫度發(fā)生變化時，熱電阻的阻值發(fā)生相應圖1 溫度檢測電路的變化，為提高測量精度，采用了如圖1所示的溫度檢測電路。其中，

7、熱電阻的測量采用電橋電路，為了減少線路電阻對測量精度的影響，使用三線式連接技術。信號放大選用差動放大方式。（2）壓力檢測該系統(tǒng)選用遠傳壓力傳感器來測量壓力。該遠傳壓力傳感器將壓力信號轉換成一個電阻信號，系統(tǒng)只要測量出電阻值，就可以計算出對應的壓力數(shù)值。其檢測電路與圖1 所示的電路原理相似。（3）斷水檢測斷水檢測傳感器由2根相互絕緣的不銹鋼棒組成，將這2根金屬電極放入空壓機的冷卻水中(不能短路接觸)，與水構成1個電阻電路，其電阻值與是否有水有關。當無水時，2個電極相當于斷路，所以電阻無窮大；當有水時，2個電極通過水構成回路，電阻值較小4。缺水檢測電路如圖2所示。當有水時，比較器輸出低電平；當斷水

8、時，比較器輸出高電平。圖2 斷水檢測電路3 系統(tǒng)總體結構與設計本設計控制兩臺空壓機電機m1、m2，以單片機作為控制核心，依靠傳感器技術來采集礦井中的信息，包括風包溫度，一、二級排氣溫度及一、二級排氣壓力等，經(jīng)a/d轉換電路，送入單片機處理，單片機輸出經(jīng)d/a轉換放大電路的模擬控制信號送給變頻器，變頻器變頻對空壓機電機進行調速。通過單片機控制固態(tài)繼電器通斷實現(xiàn)工頻、變頻電路轉換和兩臺電動機的切換，從而達到對礦井空壓機控制調節(jié)的目的。本系統(tǒng)由鍵盤輸入單片機控制數(shù)據(jù)，由顯示電路顯示控制系統(tǒng)的運行情況，實現(xiàn)在線監(jiān)控和調試4。出現(xiàn)故障時，顯示電路給以顯示信息并且發(fā)聲報警。系統(tǒng)能夠表明故障的出現(xiàn)位置，方便

9、現(xiàn)場調試與維護。由于單片機的抗干擾能力比較弱，本設計對系統(tǒng)進行了抗干擾保護設計，保證系統(tǒng)運行時安全、可靠。本控制系統(tǒng)可使控制更加集中，操作簡便，功能擴展容易，易于維護，且控制部分體積小，如果投入實際可以節(jié)約控制成本。系統(tǒng)的結構框圖如圖3（a）所示。單片機風包溫度一級排氣溫度二級排氣溫度一級排氣壓力二級排氣壓力變頻器d/am1、m2a/d固態(tài)繼電器顯示鍵盤報警（a）單片機遠程pc智能測控模塊智能測控模塊 風包溫度一級排氣溫度二級排氣溫度一級排氣壓力二級排氣壓力油壓斷水保護 風包溫度一級排氣溫度二級排氣溫度一級排氣壓力二級排氣壓力油壓斷水保護 （b）圖3 系統(tǒng)結構圖本系統(tǒng)根據(jù)實際情況，采用了三層集

10、散式結構框架，即現(xiàn)場檢測元件、現(xiàn)場智能測控模塊(1臺空壓機需一塊智能測控模塊，用戶口現(xiàn)場為2臺空壓機，須2塊智能測控模塊)和中央管理計算機。由檢測元件(傳感器)對油壓，風包溫度，一、二級排氣溫度及一、二級排氣壓力，冷卻水流等信號量進行采樣，再通過壓力、溫度等變送器，將所測的量轉變成電量，送入智能測控模塊進行采集，由智能測控模塊完成被控設備的實時監(jiān)測、保護與控制，并通過485網(wǎng)與中央管理計算機相連，以實現(xiàn)集中管理5，6，系統(tǒng)結構圖如圖3（b）所示。中央管理計算機可通過電話網(wǎng)、電力(載波)網(wǎng)，或局域網(wǎng)、internet網(wǎng)等實現(xiàn)遠程監(jiān)控。3.1 各功能模塊概述（1）信號前端本系統(tǒng)要求進行4種保護：超

11、溫保護、潤滑油缺油保護、排氣保護和缺冷卻水保護，超溫保護用3個40204的溫度傳感器（一級排氣溫度、二級排氣溫度、風包溫度），潤滑油缺油保護用一個1mp量程的壓力傳感器測試油壓，排氣壓力保護采用2個壓力傳感器測試空壓機所排的氣體的壓力（一級排氣壓力、二級排氣壓力），缺水保護采用流量傳感器，檢測冷卻水的流量，低于下限值時停機。（2）下位機處理下位機主要由1個89c51單片機和信號處理模塊、a/d轉換模塊等組成，負責把傳感器的信號采集成數(shù)字量，送入上位機進行處理（棒圖顯示，報警判別），傳感器的信號是電流信號，在a/d轉化之前加一個高精度電阻，并把高精度電阻上的電壓標定在-5v+5v之間。信號前端處

12、理如圖4所示。同時下位機預留端口，作為和控制柜的接口，上位機發(fā)過來的控制信息通過下位機去控制卸荷閥卸荷和延時停機。接收數(shù)據(jù)傳感器數(shù)模轉換高精度電阻數(shù)據(jù)顯示- 5v + 5v參量超標ny處理控制措施圖4 信號前端處理示意圖 圖5 上位機主程序框圖（3）上位機處理上位機選用工控機，主要負責把前端采集的信號還原成現(xiàn)場各實際參量的量綱顯示出來，棒圖顯示，設定報警標準和控制處理措施。根據(jù)采集到的信號量的水平發(fā)送相應的控制信息到下位機。上位機主程序框圖如圖5所示。4 硬件設計對于設計一個空壓機的監(jiān)控系統(tǒng)來說，首先要考慮的是穩(wěn)定性，目前有相當一部分空壓機采用可編程邏輯控制器plc進行設計，plc 本身的穩(wěn)定

13、性滿足了空壓機在這一方面的要求。但從價格和體積方面來說，單片機具有很大的優(yōu)勢，at89c51單片機的isp在線可編程串行寫入，速度更快，穩(wěn)定性更好，所以選用at89c51單片機，是空壓機控制器設計的一個良好的選擇。每臺空壓機采用一塊智能測控模塊，對7個參數(shù)進行實時監(jiān)測，其中6個為模擬量，1個數(shù)字量，6個模擬信號通過變送器轉變成420ma 電流信號，由6個通道輸入。采用420ma 的電流信號輸入的優(yōu)點是，可降低信號在輸入線上的損耗。通過采樣電阻(精密電阻)，將電流轉換成電壓信號，通過一級小信號放大及rc濾波，消除信號線上傳來的干擾，再由單片機控制模擬開關max4051(參見max 公司網(wǎng)站：ma

14、x4051資料)對6路模擬信號進行選擇，選出其中的一路信號與有源濾波、第二級放大及測量轉換器ad7895(參見ad公司網(wǎng)站：ad7895資料)連接進行測量，這樣，6路信號變?yōu)?路信號，簡化了電路，減少了元器件，降低了成本6。p1.3 rxdrst txdp1.1p1.5p1.6at89c51 p1.7p1.4p2.4 p2.0p2.5 p2.1p2.6 p2.2p2.7 p2.3rs-485接口電路max487電源監(jiān)測及wdtmax813控制、報警輸出固態(tài)繼電器開關量輸入rc濾波及第一級放大420ma輸入i/v轉換基準電壓mc1403sclk data busy conr a/d轉換 ad78

15、95有源濾波及第二級放大通道切換max4051圖6 系統(tǒng)硬件電路框圖ad 轉換器采用的是ad7895，它有12位的分辨率，只有8個引腳，與單片機串行傳送數(shù)據(jù)，只占用單片機的4根io口線，故其接線簡單，操作方便，體積也小。單片機將ad7895測量值與預置的極限值進行比較，以判斷是報警，還是啟動卸荷或停機。由單片機p1.6腳輸入高電平，使固態(tài)繼電器接通，再由固態(tài)繼電器去控制卸荷繼電器進行卸荷及聲光報警，也可以通過485網(wǎng)由上位機發(fā)出報警6。報警期間，不斷對該路有報警值的信號進行測量，在預定的時間內，測量的值仍超出極限值，則由單片機的p1.7口去控制另一固態(tài)繼電器，去斷開空壓機電源，使空壓機自動停機

16、。延時2 min后，再將本智能測控模塊電源斷開停止測量，其系統(tǒng)硬件電路框圖見圖6。4.1 傳感器空壓機監(jiān)控系統(tǒng)的主要傳感器為壓力傳器和溫度傳感器。其信號傳輸?shù)臏蚀_性與可靠性是本系統(tǒng)的關鍵。為此，選擇了能適應現(xiàn)場條件、可靠性高、并自身帶變送器、可直接輸出420ma標準信號的傳感器，以進一步減少分立元件與信號傳輸誤差，達到系統(tǒng)抗干擾的目的。壓力傳感器安裝在設備與系統(tǒng)的管路上，用于測量空壓機的一級排氣壓力、二級排氣壓力、潤滑油壓力和冷卻水壓力等技術參數(shù)，選擇了cyg01型壓阻式傳感器用于上述參數(shù)的測量。這種類型的傳感器能長期用于空壓機系統(tǒng)的在線監(jiān)測，精度很高，性能穩(wěn)定，且結構簡單、緊湊，便于安裝調試

17、，可滿足空壓機監(jiān)測控制系統(tǒng)的要求7。溫度傳感器安裝在空壓機機體上與風包上，主要用于主機工作時的一級排氣溫度、二級排氣溫度、風包溫度、潤滑油溫度和冷卻水進出水溫度等參數(shù)的測量，選擇了rt系列鉑電阻溫度變送器用于上述參數(shù)的測量。經(jīng)實踐證明，該變送器一體化免維修結構在測量現(xiàn)場惡劣環(huán)境下能長期高可靠性運行，其信號輸出與供電采用兩線制遠距離傳輸方式，具有很強的抗干擾能力。4.2 報警電路當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，控制系統(tǒng)應發(fā)出報警信號。本報警系統(tǒng)采用555振蕩芯片,把其輸出端和單片機的p1.6口線經(jīng)過邏輯與，驅動一個二極管和一個小喇叭。當空壓機的各工作狀態(tài)在界限值之內時，p1.6口輸出低電平，振蕩器無效。當某一

18、工作狀態(tài)值越限時，p1.6口輸出高電平，振蕩器有效，驅動發(fā)光二極管和小喇叭工作，給出聲音報警，同時顯示報警原因。報警輸出方式如圖7所示。4.3 輸入/顯示電路本設計用一個8位指撥開關，作為數(shù)據(jù)輸入，申請中斷。啟動系統(tǒng)，由指撥開關輸入數(shù)據(jù)，經(jīng)74ls166的8位并入串出，并送到at89c51的接受端rxd；at89c51經(jīng)uart的串行接受數(shù)據(jù)存入subf寄存器，并檢查當ri=1時，將此數(shù)據(jù)送至p1顯示。輸入/顯示電路如圖8所示。8 ne555147k2k0.01f47k10f+12v p1.6 圖7 故障報警電路指撥開關的8個開關分別與p1.0-p1.7對應，控制8個led發(fā)光二極管，本設計分

19、別為指撥開關1-6開關給于不同的用途，其功能分配如下： 鍵1用于啟動系統(tǒng)；鍵2用于風包溫度過大中斷輸入；鍵3用于礦井壓力不正常中斷輸入；p1.0p1.1p1.2p1.3p1.4p1.5 p2.5 p1.6 p1.7 at89c51rxd txd+5v 174ls166p0p1p2pl p3p4p5p6p7q7clk 1nh21 3 234 4 55667788圖8 輸入/顯示電路鍵4用于礦井溫度不正常中斷輸入；鍵5用于空壓機運行出現(xiàn)斷水中斷輸入；鍵6用于電機溫度過熱中斷輸入；在該系統(tǒng)中，發(fā)光管不但指示有指撥開關閉合，而且，當某路檢測信號出現(xiàn)故障時，通過程序控制，可顯示出那路出現(xiàn)問題，這就是該系

20、統(tǒng)具有在線監(jiān)控和現(xiàn)場調試的能力。在初始狀態(tài)，使p1.0為高電平，p1.1-p1.7為低電平，這使led發(fā)光管1不亮，2-8亮。啟動系統(tǒng)后，使p1.0為低電平，led1亮。有故障出現(xiàn)時，對應的發(fā)光管滅。4.4 固態(tài)繼電器電路本設計通過at89c51單片機的p1.6腳輸入高電平，使固態(tài)繼電器接通，再由固態(tài)繼電器去控制卸荷繼電器進行卸荷及聲光報警，報警期間，不斷對該路有報警值的信號進行測量，在預定的時間內，測量的值仍超出極限值，則由單片機的p1.7口去控制另一固態(tài)繼電器，去斷開空壓機電源，使空壓機自動停機。4.5 變頻器設計4.5.1 變頻器選擇國產(chǎn)機臺達m系列高功能低噪音迷你型變頻器，具有體積小、

21、低速力矩大、性能完善、使用方便等特點。可滿足復雜細致的動作要求，廣泛應用于小型恒壓供水系統(tǒng)、產(chǎn)業(yè)機械、工業(yè)自動化控制等各種應用領域。變頻器內建rs-485串聯(lián)通訊界面，通訊埠位于控制回路端子，通訊協(xié)議采用rs-485串行通訊，rs-485標準串行總線接口以差分平衡方式傳輸信號，具有很強的抗共模干擾的能力。本文通過單片機外接max485接口芯片進行電平轉換，與臺達vfd-m變頻器連接進行運行、監(jiān)視操作，取得了很好的效果。vfd-m系列變頻器簡介：采用16位微處理器，正弦波pwm控制；超低噪音，載波頻率可自115khz調整；具有簡易向量控制和v/f控制方式；內建串列通訊界面rs-485（速率384

22、00max）；具pid回授控制；簡易定位；多段速及自動程序運轉；自動偵測(autotunning)電機參數(shù)；由于變頻調速是通過改變電動機定子供電頻率以改變同步轉速來實現(xiàn)的，故在調速過程中從高速到低速都可以保持有限的轉差功率，本設計中選用變頻器規(guī)格型號為vfd015m21a，額定電流7.0a、電機功率7.5kw。因此具有高效率、寬范圍、高精度的調速性能。如圖9所示。圖9 臺達vfdm變頻器4.5.2 vfd-m系列變頻器選用（1）vfd-m系列變頻器優(yōu)秀的低速力矩特性；（2）同步控制器調整方便，所有參數(shù)均為數(shù)字設定，可通過編程設定顯示信息；（3）參數(shù)具自動記憶功能；（4）精度高，內部采用12位a

23、/d、d/a轉換器，分辨率可達0.1%；（5）系統(tǒng)穩(wěn)定性較此前機械式調速大大提高；（6）rs-485通訊接口，支持modbus協(xié)議等。4.5.3 變頻器參數(shù)設置臺達vfd-m變頻器的主要參數(shù)設定內容如下：p00：主頻率輸入來源。此處設定為d02，主頻率輸入由rs485串聯(lián)通訊輸入；p01：運轉指令來源。設定為d03，運轉指令由rs485串聯(lián)通訊控制，鍵盤stop鍵有效；p02：電機停車方式設定。d00：以減速煞車方式停止；p88：rs485通訊位址。本系統(tǒng)中只用到一個變頻器，此處設定為d01，即本變頻器通訊地址為1，以保證計算機發(fā)出的命令能準確送到選定的變頻器；p89：資料傳輸速率。本文設定為

24、d01，取9600bps；p92：通訊資料格式。設定為d03，8，n，2。即無奇偶校驗位，8位數(shù)據(jù)位，2位停止位。實驗證明這樣設置會降低誤碼率。圖10 參數(shù)設定的操作動作說明：如圖10所示，當自動程序運轉指令一下達，交流電機驅動器就依照各參數(shù)的設定運轉，直到第七段完成后自動停止。若要再次啟動，則將自動程序運轉指令off再on即可。4.6 d/a轉換電路本設計d/a轉換芯片采用目前國內用得最普遍的dac0832轉換器8。直接與at89c51的p0口相連，外接放大器，輸出電壓，控制變頻器。輸出電壓的大小，由dac0832的8位數(shù)字量輸入來控制。d/a轉換電路如圖11所示。di0 rfb di1 d

25、i2 iout1 di3 iout2 di4 agnd di5 uccdi6 ile di7 wr1 uref wr2 dgndp0.0p0.1p0.2p0.3at89c51 p0.4p0.5p0.6p0.7wr - -+5v-5v圖11 d/a轉換電路4.7 電機控制原理根據(jù)檢測到的信息，經(jīng)過單片機處理后，由d/a轉換電路輸出模擬信號，經(jīng)過放大，送給變頻器的模擬電壓輸出端，控制變頻器變頻調速。為了使空壓機具有雙向自動控制功能，本設計將單片機的p3.3、p3.4、p3.5與變頻器的fwd、rev、reset相接。用來實現(xiàn)電機的正轉、反轉和變頻器的自動復位控制。由于單片機的輸出數(shù)字信號弱，所以連

26、接放大電路，使放大后送給變頻器的電壓達到+5v。同時，根據(jù)檢測信息，由單片機控制固態(tài)繼電器的通斷，選擇工頻與變頻電路，當一臺空壓機的壓力不能滿足要求時，通過控制固態(tài)繼電器，將電機m1切換的工頻運行狀態(tài)，將電機m2與變頻器連接，進行變頻調速。當電機的變頻調速達到最大時，通過接觸器控制，自動轉換為工頻運行狀態(tài)。當電機m1過熱時，系統(tǒng)自動切換到m2運行。如圖12是變頻器控制電路，輸入信號來自單片機，對電動機進行控制，按鈕開關起手控制作用。其控制電路圖如圖13所示，圖13（a）為工、變頻控制電動機主電路，u、v、w為工頻電路，r、s、t為變頻電路，通過固態(tài)繼電器的切換，來改變電路。圖13（b）為手動的

27、工、變頻切換電路，通過開關來切換電路。圖中熱繼電器具有對電動機的熱保護功能。r u s v t w +5vvrffwdrevresetcm 模擬變頻信號 正轉信號sb1反轉信號km5復位信號sb2 km6 sb3 km7圖12 變頻器控制電路5 軟件設計系統(tǒng)軟件是由5個相對獨立的功能模塊組成的，它們是主程序模塊如圖11所示；鍵盤程序模塊，顯示程序模塊，中斷程序模塊，采集、計算程序模塊如圖12所示。系統(tǒng)軟件完成的主要任務是：（1）pid調節(jié)。系統(tǒng)通過軟件編程，可實現(xiàn)對空壓機排氣壓力的pid自動調節(jié)，大大提高了空壓機排氣壓力的穩(wěn)定性。（2）監(jiān)測報警。系統(tǒng)可取代所有測量儀表，實現(xiàn)對空壓機油壓、水壓、

28、吸排氣溫度、壓力等各項參數(shù)的瞬時監(jiān)測，并能定時打印記錄，當溫度、壓力超出允許范圍時發(fā)出報警信號。uvwr s t km1 km2 km3 km4 fr fr m2 m1 （a）控制主電路fr sb5 sb4 km1 km2 km2 sb6km2 km1km1 sb7 km4 km3 km3 sb8km3 km4 km4 （b）手動工、變頻切換控制電路圖13 單片機變頻控制電路（3）聯(lián)鎖控制。啟動空壓機前，系統(tǒng)對空壓機油壓、水壓進行檢測，若達不到啟動要求時，空壓機不能啟動；空壓機運行過程中，有關參數(shù)超出或低于設計范圍時，系統(tǒng)將與控制柜聯(lián)鎖，停止空壓機運行9。（4）手動/自動。為了防止自動調節(jié)出現(xiàn)

29、故障時，空壓機失控而無法正常工作，系統(tǒng)設置了手動和自動測量控制兩種工作方式。（5）內容查詢修改。系統(tǒng)編有參數(shù)查詢修改程序，針對不同型號的設備或用戶的特殊要求，少量修改部分參數(shù)，硬件部分不變或稍加改動，即可投入使用，極大地縮短了設計周期，減少了重復設計，節(jié)省了人力、物力和財力。（6）通信。該系統(tǒng)在完成自身測控任務的同時還可與其它系統(tǒng)或上位機通信，傳送或接收數(shù)據(jù)指令，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)測控。在軟件設計過程中，著重提高程序的質量和可靠性及抗干擾能力和數(shù)據(jù)采集精度。（1）軟件的質量和可靠性 做到程序盡可能簡潔，對各模塊的入口參數(shù)、各模塊使用的標志、各子程序的入口參數(shù)和使用的標志以及各種輸入狀態(tài)進行多重判斷，設立

30、雙重標志等方法，并做出相應的出錯處理，提高了可靠性。（2）抗干擾能力 在各模塊間、各子程序間以及各子程序重要的跳轉處，加入若干條空操作指令和一條轉移指令，該措施可以使受干擾的程序迅速恢復正常工作，對外界強干擾則由程序監(jiān)視器來校正軟件的運行軌跡。采用程序監(jiān)視器，自動拉回飛跑的程序。（3）數(shù)據(jù)采集精度 對信號進行多次采集雙重數(shù)字濾波濾除干擾成分，對超限和故障參數(shù)則進行延時的連續(xù)采集和多重確認。下面著重介紹主要程序模塊和采集、計算模塊和構成特點。5.1 主程序模塊如圖14所示由三部分組成。（1）準備程序1）、初始化：將系統(tǒng)中所有的命令以及有關的存儲單元置成初始狀態(tài)。2）、系統(tǒng)測試：利用測試程序檢查數(shù)

31、據(jù)存儲器以及硬件功能是否正常。3）、提示符顯示：當完成初始化設置和系統(tǒng)測試正常以后，在顯示器上顯示正常標記，等待鍵掃描，若測試不正常，可再次初始化，進行系統(tǒng)測試或用手動按鈕使系統(tǒng)強行復位。（2）鍵分析、鍵服務程序當系統(tǒng)完成系統(tǒng)測試并顯示正常標記后，系統(tǒng)便進入鍵掃描等待階段，對所有按鍵進行查詢，沒有鍵按下時，繼續(xù)顯示提示符；當有鍵按下時，便進入鍵分析和鍵服務程序10。開中斷。啟動定時器建立運行計算條件置控制字輸出標志開 始初始化系統(tǒng)測試顯示提示符鍵盤分析鍵盤服務(a)開中斷修改/顯示參數(shù)？正 常？ny清控制字輸出標志采樣，計算(a)循環(huán)采樣次數(shù)等空壓機運行標志？n手動標志？自動標志？n自動標志？

32、 輸出控制字清自動標志y油壓標志？n水壓標志？ n圖14 主程序框圖（3）測控程序主要功能有：手動/自動的轉換；數(shù)據(jù)的采集、計算顯示、打印；控制字的輸出。測控程序通過判斷、轉移指令，將上述功能有機地連在一起，有時可使程序返回到顯示提示符狀態(tài)10。5.2 采集、計算程序模塊采集程序框圖如圖15所示。該程序采集的量有溫度、壓力、流量等，需要pid運算的只有空壓機最后一級所排出的氣體的壓力，其它的量經(jīng)采集后只需送到顯示緩沖區(qū)，經(jīng)處理后顯示即可，這里主要介紹一下pid運算：在模擬系統(tǒng)中，pid算法的表達式為：其中，p(t)為調節(jié)器的輸出信號，e(t)為調節(jié)器的偏差信號，kp、ti、td分別為調節(jié)器的比

33、例系數(shù)、積分時間和微分時間。圖15 采集程序框圖pid調節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)中技術最成熟、應用最廣泛的調節(jié)方式。其實質是根據(jù)輸入的偏差量，按比例、積分、微分的函數(shù)關系進行運算，其運算結果是其輸入的比例、積分、微分的函數(shù)，用于輸出控制。由于pid控制結構簡單，參數(shù)容易調整，不必求出被控對象的數(shù)學模型便可以調節(jié)，因此模擬調節(jié)器和數(shù)字調節(jié)器大都采用pid調節(jié)規(guī)律。pid運算程序是以模擬pid調節(jié)器控制規(guī)律為基礎，根據(jù)時刻的偏差計算控制量。將采樣周期t取得足夠小，使被控過程與連續(xù)控制過程十分接近，采用增量式輸出，易于實現(xiàn)手動、自動間的無沖擊切換。在單片機發(fā)生故障時，由于執(zhí)行裝置本身有寄存作用，可保持原位狀態(tài)1

34、0。該程序的參數(shù)設置極為方便，操作者可通過鍵盤直接送進t、p、i、d等參數(shù)，通過現(xiàn)場調試整定得到符合該系統(tǒng)的參數(shù)值，也可將這些值通過串行口發(fā)送出去，固定在上位機的軟盤。在每次開機時，再通過串行口將這些參數(shù)接收回來，存放在2816a里，這樣可省去每次開機時輸入?yún)?shù)的鍵盤操作，也可將這些對數(shù)直接固化在eprom里。如圖16所示為計算程序框圖。計算 uir40h4eh計算uir40h4eh計算ei+iei+dei更新ei-1計算deir49h4bh計算eir49h4bh計算ii+ier4fh4eh計算ier4fh4eh開 始由回路數(shù)查出相應回路參數(shù)并送31h起始的ram單元中計算er4ch4eh計算

35、eir4fh51h更新ei-1將r4c4eh置零ei(給定值)?返 回將有關參數(shù)送外部ram取ui整數(shù)n更新ui-1y圖16 計算程序框圖5.3 遠程控制與多機聯(lián)動利用at89c51單片機的usart，通過rs-485總線增加通訊功能，能夠對空壓機進行遠程控制和多機聯(lián)動運行。遠程控制使得空壓機的操作更加簡單、方便，工作人員人員不必經(jīng)常進入現(xiàn)場，減小工作負擔。而多機聯(lián)動功能對于空壓機站以及煤礦冶金等需要大功率、穩(wěn)定的供氣系統(tǒng)場合非常必要6。多機聯(lián)動系統(tǒng)一般有一臺主空壓機、多臺輔空壓機和一臺上位機構成。一般情況下，主機一直運行，通過檢測現(xiàn)場的壓力、溫度控制輔機的運行與關閉，這樣能夠在最大節(jié)約能源的

36、情況下提供穩(wěn)定的氣動力。5.4 調試及測控效果分析在系統(tǒng)調試中，利用軟、硬件的模塊化功能，采用循序漸進的分步調試方法。撇開計算機控制系統(tǒng)，對電氣控制部分進行調試，將控制面板上“手動/自動”轉換開關打到“手動”位置，先測試各設備手動啟停按鈕是否正常，再由操作人員分別按空壓機啟停步驟手動啟動和停止空壓機運行。啟動監(jiān)控系統(tǒng)，關掉工控機，將控制面板上“手動/自動”轉換開關打到“自動”位置，系統(tǒng)下位機工作正常傳感器采集信號送到電氣控制箱進行監(jiān)控，實現(xiàn)對空壓機實時監(jiān)控、超限報警、卸荷、延時停機。這一步正常后說明，萬一計算機部分出現(xiàn)故障系統(tǒng)也能實現(xiàn)正常的監(jiān)控。啟動工控機，計算機能實時顯示所有機組狀態(tài)參數(shù)，能

37、遠程控制機組的卸荷、停機，顯示故障點。全套系統(tǒng)調試完投入使用，值班操作人員在值班室就可知道空壓機的運行狀況，當需要時還可將壓力運行曲線打印出來以供技術人員分析。5.5 系統(tǒng)的抗干擾處理系統(tǒng)運行的電氣環(huán)境較差，高電壓、大電流、強電磁場等干擾很嚴重，并且變頻裝置本身內部主電路功率開關元件工作在大電流的高頻通斷狀態(tài)，由此也可產(chǎn)生高頻電磁輻射。由于單片機抗干擾能力弱，且應用在濕度高，有震動，空氣灰塵多，并含有腐蝕性氣體的場合，必須對抗干擾能力給予足夠的重視。為了保證空壓機系統(tǒng)的穩(wěn)定性需求，在硬件軟件設計上均采取了相關的抗干擾措施。干擾源有外部干擾源和內部干擾源兩種。外部干擾與產(chǎn)品結構無關，主要是電磁干

38、擾。內部干擾則是由產(chǎn)品結構布局、生產(chǎn)工藝等決定。本設計從硬件和軟件兩方面進行了抗干擾的設計。5.5.1 硬件抗干擾設計在硬件上，電源采取數(shù)字電源、模擬電源、信號電源、通信電源、控制電源各自獨立分開，且數(shù)字地、信號地、模擬地、通訊地各地分開，再以一點連接，減少地之間的串流。rs-485網(wǎng)及固態(tài)繼電器控制回路均采用光電隔離，隔離模塊內外電通路，防止干擾入侵。在信號回路中采用rc濾波及有源濾波和二級放大，處理信號中的干擾，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。485通訊線路采用屏蔽雙絞線。5.5.2 軟件抗干擾設計在軟件的編程上，通過設置程序口令、自檢程序、多重條件判斷、采集、計算程序模塊等措施，提高程序的質量和可靠性及

39、抗干擾能力和數(shù)據(jù)精度，保證系統(tǒng)的正常運行。本設計對軟件進行了抗干擾設計措施。具體措施如下：（1）指令冗余技術。在程序的關鍵地方插入一些空操作（nop）指令，失控的程序遇到該指令后，轉入正常的運行軌道，保證接下來的指令完整的執(zhí)行,不被拆散。插入方法為：在各種轉移指令前插入nop指令；在較重要的指令前,插入nop指令；每隔若干條指令插入nop指令。（2）當程序跳轉到一個臨時構成的死循環(huán)中時，指令冗余與陷阱設置將失效，系統(tǒng)將“死機”。為此，系統(tǒng)采用程序監(jiān)視器，自動拉回飛跑的程序。（3）對于控制系統(tǒng)的變量，采用循環(huán)采樣和重復輸出方式可提高系統(tǒng)檢測的準確性和控制的可靠性。（4）設置電機起/停、正/反轉等

40、輸出狀態(tài)寄存器，當檢測到的實際輸出狀態(tài)與設置輸出狀態(tài)不符時，將輸出的寄存器的內容重新輸出來進行糾正。（5）設置自檢程序，在單片機的特定位或內存單元設狀態(tài)標志，在系統(tǒng)運行時不間斷循環(huán)測試，從而保證系統(tǒng)信息存儲、傳輸、運算的可靠性。6 結束語采用at89c51單片機設計的礦井空壓機控制器具有外圍電路簡單，靈敏度高、體積小、低功耗、控制功能強、性能可靠、操作簡單、成本低、穩(wěn)定性高等特點。輔之以rs-485總線，通過上位機可以實現(xiàn)多機聯(lián)動。可以為各種以空壓機為動力的設備提供穩(wěn)定可靠動力來源。該系統(tǒng)進行了模擬調試，能夠較準確地監(jiān)測各路警點，有警時，能夠及時發(fā)出報警信號, 實現(xiàn)對空壓機的多點同時進行監(jiān)測報

41、警功能。如果進一步研究，再利用電話網(wǎng)、局域網(wǎng)、多媒體寬帶網(wǎng)或電力網(wǎng)進一步組網(wǎng)，則可進行遠程監(jiān)控。因此，該系統(tǒng)對提高空壓機運行的自動化水平和管理水平有其重要的作用，對提高了礦山的生產(chǎn)效率，具有較好的應用前景。致謝回首幾年的大學生活，想到自己的大學生活即將結束，想起各位老師的諄諄教導，想起同窗好友談笑風生感慨不舍！幾年來，在院系領導的關心支持下，在老師的諄諄教誨和細心指導下，我在團結、溫馨的集體中順利的走過了大學生活，在此謹向各位領導和老師表示誠摯的謝意！指導老師具有嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，豐富的實踐經(jīng)驗，在治學及做人方面使我受益匪淺。強調我對基礎知識要融會貫通，要廣開思路，要有端正、謙謹?shù)膶W風。盡心培養(yǎng)

42、我獨立思考和解決一般工程問題的能力以及書寫一般論文的能力。在本文的寫作過程中，從指導老師身上學到的不僅是前沿的知識理論，更重要的是做事做人。從問題提出到框架布局，思路整理到標點句讀，指導老師無不悉心指導。老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和求真務實的作風對我產(chǎn)生了深刻的影響。設計以及論文的整理程中，得到多位同學的幫助，相互之間對問題的學習、探討都使我受益非淺。畢業(yè)之際，謹以此表示對尊敬的老師和各位同學由衷的感謝！參考文獻1馮全斌,郁青林,岳朝柱等.空壓機群組微機監(jiān)控系統(tǒng)j.山東煤炭科技，2000，28（3）：24252李海軍,馮曉艷,李海成等.空氣壓縮機綜合保護裝置的研制j.煤礦機械，20023張毅剛,修林成

43、,胡振江等.單片機應用設計m. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，19904張建生,葉佳卓.空壓機綜合保護及控制系統(tǒng)研制j.煤礦機械，2003 5蘇娟,葉佳卓,楊貴等.一種基于單片機的空氣壓縮機監(jiān)控系統(tǒng)j.測控技術與設備，2003（3）6韓建海,趙書尚,曲新峰等.基于pic單片機的小型空氣壓縮機的控制裝置j.工業(yè)儀表與自動化裝置，2004，26（1）：3493527 韓建海,則次俊朗.小型空壓機直接驅動型氣動位置控制系統(tǒng)j.機械工程學報，2003，32（6）：49528王言榮,韋巍.基于pic單片機的螺桿式空氣壓縮機小型控制器j.工業(yè)控制計算機，2005，34（5）：2322469于子捷,吳春燕,

44、錢毅,陳周靈等.空壓機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)j.工礦自動化，2003（8）10于志方,姜雪艷,孔令超等.空壓機單片機測控系統(tǒng)j.工礦自動化，1995（4）11李華,孫曉民,李紅青等.mcs-51系列單片機實用接口技術m. 北京：北京航空航天出版社，199912瞿國棟.煤礦用空壓機發(fā)展前景j.壓縮機技術，1996（2）13賈傳圣.壓縮機常見故障及自動保護裝置的應用j.礦山機械，1995（11）14孫文杰.微型計算機硬件接口實用編程m.北京：北京航空航天出版社，199615李朝青.pc機及單片機數(shù)據(jù)通信技術m.北京：北京航空航天出版社，200016microchip pic18f6x/8x2x data s

45、heet17王幸之,王雷,翟成等.單片機應用系統(tǒng)抗干擾技術m.北京：北京航空航天大學出版社，2000附錄1 電路總圖uvwr s t km1 km2 km3 km4 fr frm2m1 （a）控制主電路+-fr sb5 sb4 km1 km2 km2 sb6km2 km1km1 sb7 km4 km3 km3 sb8km3 km4 km4 （b）手動工、變頻切換控制電路附錄2 程序清單 org 0003hajmp startlcall szorg 0040hajmp mainorg 0090hstart：mov a, r0mov r1, aclr aibc：mov r1, ainc r1djnz r7, ibc nopretclr p1.0nopsetb p1.1setb p1.2setb p1.3setb p1.4setb p1.5setb p1.6setb p1.7nopmain：mov scon，#00hclr p1.0lcall delay1clr rinopwdt：mov 0a6h, #01ehret