基于單片機(jī)的礦井摩擦提升機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖書分類號(hào)：密級(jí)：畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)基于單片機(jī)的礦井摩擦提升機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)DESIGN

OFSAFETYMONITORINGSYSTEMOFMINE

HOIST

FRICTION

BASEDONMCU畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)PAGEPAGEI學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用或參考的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)注。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。論文作者簽名：日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)協(xié)議書本人完全了解關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：本校學(xué)生在學(xué)習(xí)期間所完成的學(xué)位論文的知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸所擁有。有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文的紙本復(fù)印件和電子文檔拷貝，允許論文被查閱和借閱?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容提交至各類數(shù)據(jù)庫進(jìn)行發(fā)布和檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。論文作者簽名：導(dǎo)師簽名：日期：年月日日期：年月日PAGEPAGEII摘要我國的盤式提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)大都很古老，存在很大的安全隱患。筆者對(duì)礦井摩擦提升機(jī)系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了一定的解剖，設(shè)計(jì)了一套新的基于AT89S52單片機(jī)的提升機(jī)系統(tǒng)控制方案，并且在本文中給出了監(jiān)控系統(tǒng)的硬件選型和監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)部分的硬件控制電路，在電路圖的基礎(chǔ)之上編寫了系統(tǒng)的軟件程序。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦井提升機(jī)的提升速度、液壓站油壓和閘瓦間隙的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且能在提升機(jī)出現(xiàn)異常時(shí)發(fā)出報(bào)警，在閘瓦間隙超出安全范圍時(shí)能夠通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)，自動(dòng)調(diào)整間隙的大小。這套監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能夠適應(yīng)井下復(fù)雜的工作環(huán)境。關(guān)鍵詞礦井提升機(jī)；監(jiān)控系統(tǒng)；單片機(jī)；自動(dòng)控制AbstractThemonitoringsystemofdischoistisveryold,andtherearealotofsafetyhazards..

TheauthoroftheminefrictionliftingmachinesystemworkingprincipleofthecertainanatomicaldesignanewliftingmachinebasedonAT89S52SCMsystemcontrolschemeandmonitorandcontrolsysteminthispapergivesthehardwareselectionandmonitoringsystemoftheinternalpartsofthehardwarecontrolcircuit,programofthesystemwasdevelopedonthebasisofcircuitdiagram.

Thissystemrealizesthemineliftingmachinetoenhancethespeed,hydraulicandhydraulicbrakeclearanceofreal-timemonitoringstation,andhoistsappearsabnormalalarmandthebrakeclearancebeyondthesaferangecanisdrivenbythemotor,automaticallyadjustthegapsize.

Themonitoringsystemisstableandreliable,andcanadapttothecomplicatedworkingenvironmentofundergroundmine..KeywordsMinehoistMonitoringsystemSCMAuto-Control全套圖紙外文文獻(xiàn)扣扣1411494633PAGEPAGEI目錄4531摘要 I7256Abstract II22834目錄 I267441緒論 152721.1論文選題的背景和意義 1163981.2本課題國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 1135971.3論文的研究內(nèi)容 268621.4本章小結(jié) 2229312提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) 3210952.1礦井提升機(jī) 3313432.2監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控參數(shù) 3299462.3閘間隙控制方案設(shè)計(jì) 4283892.4本章小結(jié) 5164343系統(tǒng)硬件的電路設(shè)計(jì) 6235673.1硬件系統(tǒng)組成總體設(shè)計(jì) 6128903.2硬件選型 6261773.2.1單片機(jī)的選用 6186583.2.2LED數(shù)碼管顯示控制芯片 8322393.2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 9393.2.4位移傳感器 10114753.2.5速度傳感器 1016703.2.6壓力傳感器 11115723.3系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 12258583.3.1控制系統(tǒng)電路 1293453.3.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 13127963.3.3顯示電路 14254963.3.4位移傳感器電路 15181283.3.5報(bào)警電路 16252013.3.6通信電路 17305613.3.7速度傳感器電路圖 1766683.3.8系統(tǒng)總電路圖 187123.4本章小結(jié) 18140274軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19283634.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原則 19119374.2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框架及流程圖 19194024.3單片機(jī)的資源分配 20250244.4AD轉(zhuǎn)換子程序的設(shè)計(jì) 2133874.5顯示子程序的設(shè)計(jì) 21250004.6電機(jī)控制子程序的設(shè)計(jì) 24171394.7報(bào)警程序的設(shè)計(jì) 2566034.8系統(tǒng)抗干擾的設(shè)計(jì) 2686534.8.1硬件可靠性的設(shè)計(jì) 26118004.8.2軟件的可靠性設(shè)計(jì) 27323664.9本章小結(jié) 28182305系統(tǒng)殼體設(shè)計(jì) 29131065.1繪圖軟件簡介 293055.2三維實(shí)體建模 29293255.3本章小結(jié) 316369總結(jié) 3220832致謝 335471參考文獻(xiàn) 3428952附錄 3522079附錄1 3512168附錄2 36PAGEPAGE331緒論1.1論文選題的背景和意義礦井提升機(jī)的任務(wù)是提升或下放礦物和材料、升降工作人員和設(shè)備，它是煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一，是運(yùn)輸井上和井下貨物及人員的樞紐，常被人稱為礦井的咽喉部位，提升機(jī)的安全對(duì)礦井的生成運(yùn)輸和井下人員的安全都是至關(guān)重要的。我們國家盤式提升機(jī)制動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)一直使用的都是最古老的方法，這種方法有很大的弊端，如：誤差大、操作不變、穩(wěn)定性不高等。就煤礦礦井提升機(jī)來說，其監(jiān)控系統(tǒng)的作用在于對(duì)礦井內(nèi)的環(huán)境狀況和電機(jī)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)管，并對(duì)收集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。一般來說，礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)由井上監(jiān)控系統(tǒng)和井下安全監(jiān)控系統(tǒng)兩個(gè)部分組成。井上監(jiān)控系統(tǒng)主要由：監(jiān)控軟件、監(jiān)控器、打印機(jī)、交換機(jī)及通信轉(zhuǎn)換接口等等，而井下安全監(jiān)控系統(tǒng)則由多個(gè)監(jiān)控傳感器組成，主要監(jiān)測：提升機(jī)加速度、提升機(jī)油壓、風(fēng)速及提升機(jī)運(yùn)行速度等，其作用是采集數(shù)據(jù)，并將之傳輸?shù)骄媳O(jiān)控系統(tǒng)中。所以，采集、傳輸、儲(chǔ)存、處理是礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的主要功用。監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控器和傳感器分別監(jiān)測各個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)，將其傳輸?shù)骄现鳈C(jī)內(nèi)，主機(jī)則處理收集到的信息，并進(jìn)行報(bào)警、停運(yùn)等一系列反應(yīng)，從而對(duì)礦井提升機(jī)進(jìn)行安全有效的監(jiān)測和控制。最近幾年，我國將“可靠性系統(tǒng)工程”的概念加入了煤礦生產(chǎn)領(lǐng)域中。煤礦生產(chǎn)安全越來越受到企業(yè)的重視，而作為礦山的咽喉部位，礦井提升機(jī)的安全穩(wěn)定性是煤礦安全生產(chǎn)的重中之重。然而，國內(nèi)的礦山在監(jiān)測提升機(jī)提升行程和提升速度反面大多都采用的是機(jī)械裝置檢測，但這種裝置可靠性差、精度不高、操作量大，很不利于礦井的安全生產(chǎn)。再者，國內(nèi)的礦井提升機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)又存在技術(shù)方面問題，各個(gè)廠家生產(chǎn)的設(shè)備沒有規(guī)范的系統(tǒng)，導(dǎo)致大多數(shù)系統(tǒng)存在不兼容等問題。因此研究高精度，自動(dòng)化的礦機(jī)提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是迫在眉睫的重要內(nèi)容。1.2本課題國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，從70年代初期開始微機(jī)技術(shù)已經(jīng)逐步滲入到煤礦產(chǎn)業(yè)，在礦井提升機(jī)的安全監(jiān)控中，越來越多的礦井采用微機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。在90年代初，ABB公司發(fā)布了一款基于價(jià)格高昂的PLC的閘控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了將監(jiān)控、控制、基準(zhǔn)值的預(yù)測等各項(xiàng)功能集中到微機(jī)控制板中。德國的西門子公司是世界提升機(jī)監(jiān)控方面的標(biāo)桿，它擁有最先進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)擁有制動(dòng)恒減速功能、自動(dòng)診斷功能、動(dòng)態(tài)顯示功能和提升鋼繩的動(dòng)態(tài)監(jiān)控功能，是目前最優(yōu)秀的監(jiān)控系統(tǒng)。瑞典采用的提升機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)的停運(yùn)，同時(shí)系統(tǒng)可靠，保護(hù)裝置齊全，并且在速度監(jiān)控和閘瓦監(jiān)控方面有獨(dú)特的保護(hù)環(huán)節(jié)。之后，我國也研發(fā)出了一款自創(chuàng)的KHT52提升機(jī)閘瓦間隙保護(hù)裝置，這款系統(tǒng)利用的是西門子的可編程控制器，其優(yōu)點(diǎn)是能在問題出現(xiàn)之后馬上就能發(fā)現(xiàn)。但該提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)價(jià)格高昂，維護(hù)困難，讓很多企業(yè)都望而卻步[1]。目前，國內(nèi)大多數(shù)礦井提升機(jī)采用的大多都是TKD系統(tǒng)，這種系統(tǒng)體積小、重量輕并且不用安裝短繩防墜裝置，但是該系統(tǒng)不能準(zhǔn)確反映提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，如：運(yùn)行速度、閘瓦間隙和制動(dòng)油壓等數(shù)據(jù)，在安全性和抗干擾方面也有很嚴(yán)重的缺陷，在提升機(jī)出現(xiàn)故障的時(shí)候不能及時(shí)的將故障信息反映給操作人員，也不能進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)制動(dòng)。同時(shí)，國內(nèi)的礦井監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)范性不夠高，大多數(shù)廠家采用各自的傳輸設(shè)備，有各自的通信協(xié)議和物理接口，所以國內(nèi)的提升機(jī)發(fā)展受到了很大限制。1.3論文的研究內(nèi)容隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，我國在礦井提升機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展面也有長足的發(fā)展，但是有一些顯著的問題，列如監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，提升機(jī)可能發(fā)生短繩的事故。本文主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)一款簡單、精度高、通用性好的監(jiān)控系統(tǒng)。本文主要工作有：1、設(shè)計(jì)單片機(jī)電路對(duì)提升機(jī)的提升速度、制動(dòng)間隙和制動(dòng)油壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警并將制動(dòng)間隙大小顯示在LED數(shù)碼管中；2、利用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)間隙自動(dòng)調(diào)控；3、完成系統(tǒng)殼體的設(shè)計(jì)；4、設(shè)計(jì)系統(tǒng)的流程圖并完成系統(tǒng)程序的編寫。1.4本章小結(jié)本章簡要的敘述了本文的選題背景和意義已經(jīng)國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，并且闡述了本文的主要研究內(nèi)容。2提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)2.1礦井提升機(jī)現(xiàn)今隨著礦井產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我國的礦井提升機(jī)類型也是多種多樣百花齊放，但其核心部分主要包括六個(gè)系統(tǒng)。以多繩摩擦式礦井提升機(jī)為例，提升機(jī)包括：工作系統(tǒng)、機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、操作觀測系統(tǒng)、自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)、拖動(dòng)系統(tǒng)，外加一些各式的輔助部分。提升機(jī)以鋼絲繩帶動(dòng)容器的升降，從而完成井上井下的輸送環(huán)節(jié)。由于容器在井筒中需要反復(fù)的運(yùn)動(dòng)和停止，所以制動(dòng)系統(tǒng)是提升機(jī)安全系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)[2]。圖2-1礦井提升機(jī)盤式制動(dòng)器提升機(jī)以鋼絲繩帶動(dòng)容器的升降，從而完成井上井下的輸送環(huán)節(jié)。由于容器在井筒中需要反復(fù)的運(yùn)動(dòng)和停止，所以制動(dòng)系統(tǒng)是提升機(jī)安全系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)。2.2監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控參數(shù)在礦井的日常工作時(shí)，會(huì)時(shí)常進(jìn)行減速、停運(yùn)以及緊急剎車，而實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)動(dòng)的設(shè)備正是礦井提升機(jī)的制動(dòng)系統(tǒng)。如果制動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題，則可能發(fā)生機(jī)毀人亡事件。我國現(xiàn)多使用的提升機(jī)位多繩式盤式提升機(jī)，它有一個(gè)盤型閘，其主要用于提升機(jī)的正常減速和緊急制動(dòng)。一般的多繩摩擦式礦井提升機(jī)盤型閘的制動(dòng)器上有一個(gè)閘瓦間隙和一個(gè)碟簧疲勞指示器。當(dāng)閘瓦嚴(yán)和碟簧重磨損甚至于斷開時(shí)，制動(dòng)器會(huì)發(fā)出警報(bào)，并向系統(tǒng)反饋一個(gè)故障信號(hào)，系統(tǒng)查收到故障信號(hào)會(huì)停止提升機(jī)的下次工作，直到更換新的閘瓦或者碟簧提升機(jī)才能正常進(jìn)行工作。多繩摩擦式盤式制動(dòng)器有一個(gè)內(nèi)部油路，在制動(dòng)器松閘的時(shí)候，內(nèi)部油路提供一個(gè)高壓油，這時(shí)，制動(dòng)器的制動(dòng)閘瓦壓向制動(dòng)盤的壓力會(huì)減小，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器松閘。所以，本監(jiān)控系統(tǒng)主要對(duì)礦機(jī)提升機(jī)的閘瓦間隙、提升速度和液壓站的油壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證提升機(jī)能夠安全穩(wěn)定的進(jìn)行運(yùn)作，保護(hù)井下人員的安全。2.3閘間隙控制方案設(shè)計(jì)在《煤礦安全規(guī)程》一書中寫到：盤式制動(dòng)閘的間隙不能超過2mm[3]。所以在本課題的提升機(jī)的盤式制動(dòng)閘監(jiān)控裝置里，盤式閘的間隙選定為2mm。控制系統(tǒng)方案為：有位移傳感器監(jiān)控盤式閘的閘瓦間隙，組成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，反饋到單片機(jī)中，再由單片機(jī)來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，電動(dòng)機(jī)通過不同的旋轉(zhuǎn)方向調(diào)節(jié)油路中的油壓，從而控制碟簧，再由碟簧調(diào)節(jié)盤式閘的閘瓦間隙，傳動(dòng)系統(tǒng)方案圖如下圖2-2所示。圖2-2控制系統(tǒng)傳動(dòng)方案圖分析可得一下結(jié)論：輸入：由于單片機(jī)不能直接接受閘瓦間隙的信號(hào)，所以由傳感器把閘瓦間隙產(chǎn)生的信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器變成輸出信號(hào)，再由單片機(jī)接收[4]?？刂疲簡纹瑱C(jī)接收到數(shù)字信號(hào)之后，根據(jù)相關(guān)算法，比較對(duì)比，若超出或少于標(biāo)準(zhǔn)間隙量，則調(diào)節(jié)閘瓦間隙，讓之處于標(biāo)準(zhǔn)間隙量之中。（3）輸出：單片機(jī)通過調(diào)節(jié)電電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)控制油路油壓，從而通過油壓的大小控制碟簧的移動(dòng)，通過碟簧帶動(dòng)閘瓦移動(dòng)，以達(dá)到控制閘瓦間隙的目的[5]。在設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)考慮到礦井井內(nèi)條件惡劣、光線暗淡、噪音大、信號(hào)較弱等問題，所以監(jiān)控系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成。上位機(jī)主要有計(jì)算機(jī)和通信接口構(gòu)成，主要功能是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控和監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)雙向傳輸。下位機(jī)則是以微型控制器為主，對(duì)井下各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行收集和傳輸。2.4本章小結(jié)本章主要介紹了礦井提升機(jī)制動(dòng)原理和閘瓦控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，并且給出了閘瓦傳動(dòng)方案圖和工作原理圖為實(shí)現(xiàn)閘瓦間隙自動(dòng)調(diào)控奠定了基礎(chǔ)。

3系統(tǒng)硬件的電路設(shè)計(jì)3.1硬件系統(tǒng)組成總體設(shè)計(jì)圖3-1硬件系統(tǒng)組成本系統(tǒng)主要由：控制系統(tǒng)電路、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、顯示電路、傳感器電路、報(bào)警電路和通信電路。以完成：收集信息、處理信息、顯示數(shù)值、報(bào)警以及調(diào)控閘瓦間隙等的目的。一般情況下，位移傳感器會(huì)將檢測到的閘瓦間隙轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器再將信號(hào)由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)提供給控制器，控制器將接收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行一系列的處理，將得到的數(shù)據(jù)與給定的數(shù)值進(jìn)行比較，并將數(shù)值顯示在LED數(shù)碼管中，若收集到的數(shù)據(jù)不在給定范圍內(nèi)，則發(fā)出警報(bào)，同時(shí)，控制器在控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，讓電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)以調(diào)整閘瓦間隙。3.2硬件選型3.2.1單片機(jī)的選用單片機(jī)是整個(gè)提升機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的核心，所以，在選用時(shí)需要考慮到單片機(jī)的穩(wěn)定性和靈活性。在此筆者選用的是ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52單片機(jī)，該芯片有很高的性價(jià)比和兼容性，適合運(yùn)用在礦井監(jiān)控系統(tǒng)中。其管腳圖如下。圖3-2AT89S52管腳圖AT89S52單片機(jī)功耗低，性能強(qiáng)，含有8K可串行下載功能的Flash存儲(chǔ)器，主要參數(shù)如下[6]：·8k可串行下載Flash存儲(chǔ)器·兼容性好，能和MCS-51單片機(jī)兼容·內(nèi)部含有8個(gè)中斷源·低功耗，含有掉電模式·進(jìn)入掉電模式之后中斷可以喚醒·看門狗第十七·耐久度高，能進(jìn)行1000次擦寫周期·三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器·掉電標(biāo)識(shí)符·全雙工UART串行通道·雙數(shù)據(jù)指針AT89S52單片機(jī)還有以下優(yōu)點(diǎn)：因?yàn)樵贏T89S52單片機(jī)中還有8KFlash程序存儲(chǔ)器，所以在系統(tǒng)開發(fā)是能輕易的進(jìn)行修改，從而縮短了開發(fā)周期，同時(shí)在電源突然中斷時(shí)也能保存一些重要的數(shù)據(jù)。可進(jìn)行1000次擦寫，在程序發(fā)生錯(cuò)誤之后能進(jìn)行重新編寫。AT89S52單片機(jī)有靜態(tài)邏輯，有掉電模式，大大的節(jié)省能耗。3.2.2LED數(shù)碼管顯示控制芯片顯示控制芯片本系統(tǒng)選用的是比高集團(tuán)推出的BC7281A控制芯片，它是一款8/16位LED數(shù)碼管級(jí)鍵盤接口專用芯片，引腳圖如下。圖3-3BC7281A管腳圖BC7281A芯片最多能夠控制16位數(shù)碼管，也能控制128位獨(dú)立的LED。BC7281A采用的是高速二線接口，占用的I/O口和主機(jī)時(shí)間很少，并且兼容BC7281X，所以使用BC7281X系統(tǒng)的用戶在換成BC7281A時(shí)，不需要改動(dòng)軟硬件。BC7281A的參數(shù)性能如下：·特有光柱顯示模式，內(nèi)含多種編碼方式·采用DIP18式封裝，占用體積小·內(nèi)置接口程序并配有評(píng)估板·具有64鍵鍵盤接口·能夠驅(qū)動(dòng)8/16位數(shù)碼管·能夠獨(dú)立的控制兩條64段的光柱顯示·具有段尋址功能，能夠獨(dú)立控制LED，可以和多種驅(qū)動(dòng)電路兼容，適用于任何大小的數(shù)碼管·16位獨(dú)立控制閃爍，可以調(diào)節(jié)高速兩線串行接口·能夠獨(dú)處內(nèi)部顯示寄存器及控制吉春器，有鍵值鎖存功能3.2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片本課題的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用的是SGS公司的L298芯片，它具有穩(wěn)定性高、電路簡單、編程方便等優(yōu)點(diǎn)。芯片包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，有兩個(gè)H雙全橋式的大電流高電壓驅(qū)動(dòng)器，具有使輸入信號(hào)不能影響芯片的功效。能直接使用單片機(jī)的I/O口提供信號(hào)，便于PWM調(diào)速。L298芯片具有15個(gè)引腳，采用直插式封裝。其引腳圖和內(nèi)部電路圖見下圖。3-4L298引腳圖3-5L298芯片內(nèi)部邏輯電路L298內(nèi)部邏輯功能表見表3-1。表3-1L298邏輯功能表ENA(B)IN1(IN3)IN2(IN4)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)HHHLHL同IN2(IN4)XLH同IN1(IN3)X正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)快速停止停止3.2.4位移傳感器傳感器作為為處理器提供最原始數(shù)據(jù)的裝置，它的準(zhǔn)確可靠性直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。筆者在本設(shè)計(jì)中選用的是ST188但光速反射取樣非接觸式光電位移傳感器。這種傳感器由高靈敏的光電晶體管和高輸出的共外線光電二極管構(gòu)成，通過檢測反射光的強(qiáng)弱來確定被測裝置的距離。ST188傳感器具有體積小、可靠性高、構(gòu)成簡單等特點(diǎn)，并且能夠線性輸出[7]。其內(nèi)部電路圖如下3-6圖示。3-6ST188位移傳感器電路圖3.2.5速度傳感器本文除了檢測提升機(jī)的閘瓦間隙的同時(shí)還對(duì)提升機(jī)的提升下降速度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。在速度傳感器選用時(shí)，筆者選用的是CS3020霍爾傳感器。該傳感器采用的是霍爾效應(yīng)原理，即：將永久磁鋼固定在提升機(jī)的轉(zhuǎn)輪上，在轉(zhuǎn)盤周圍固定一個(gè)霍爾器件，當(dāng)轉(zhuǎn)盤進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，永久磁鋼也會(huì)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)盤上的霍爾元件收到磁鋼轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的磁場的影響會(huì)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，將該信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的計(jì)數(shù)器中，可以得到脈沖信號(hào)的周期，便可計(jì)算出提升機(jī)轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速，再通過系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成角速度，再由：線速度=角速度*轉(zhuǎn)輪周長，可以得到提升機(jī)的提升速度。CS3020傳感器的外形圖如圖3-7所示。該傳感器使用方便，它是一個(gè)3端元件，1引腳為電源引腳，2引腳是其接地引腳，只要將1、2引腳分別接電源和地CS3020就能正常的工作，3引腳是輸出引腳。CS3020霍爾傳感器具有壽命長、體積小、能直接接入集體管和TTL等邏輯電路。圖3-7CS3020速度傳感器3.2.6壓力傳感器系統(tǒng)在監(jiān)測制動(dòng)器油壓的時(shí)候需要用到壓力傳感器，監(jiān)控系統(tǒng)通過放置在液壓基站的壓力傳感器將收集到的油壓大小發(fā)送給單片機(jī)中，由單片機(jī)進(jìn)行判斷油壓是否過高或者過低。本系統(tǒng)中的壓力傳感器選用的是Honeywell公司ASDX001微型結(jié)構(gòu)壓力傳感器.其外形結(jié)構(gòu)圖和內(nèi)部電路圖分別如圖3-8和圖3-9所示[8]。圖3-8ASDX001外形圖圖3-9ASDX001內(nèi)部電路圖從ASDX001傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖可以看出其內(nèi)部主要包括：電橋傳感器、兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器、微控制器和多路分配器組成。由于其內(nèi)部已經(jīng)有兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所以在連接到單片機(jī)時(shí)，不需要其他額外的電器元件，在連接時(shí)急需要將ASDX001的VOUT引腳連接到AT89S52單片機(jī)的一個(gè)引腳上就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，電路連接非常的簡單直觀。3.3系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)3.3.1控制系統(tǒng)電路作為本系統(tǒng)的核心，AT89S52單片機(jī)在系統(tǒng)上電后需要對(duì)外圍器件進(jìn)行初始化操作，然后再檢測傳感器，并將檢測到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)顯示在數(shù)碼管中。當(dāng)檢測到的間隙距離超過標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，由蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)整閘閥間隙，直到間隙到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)值范圍。為了更有效的降低噪音，提升監(jiān)控系統(tǒng)的抗干擾能力，在選用外時(shí)鐘時(shí)，選用低頻的微控制器。下圖3-10是AT89S52系統(tǒng)的最小系統(tǒng)電路圖.圖3-10最小系統(tǒng)電路圖3.3.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路要想將主控芯片的指令轉(zhuǎn)化為實(shí)際活動(dòng)，需要設(shè)計(jì)一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。其作用是將指令通過L298電機(jī)控制芯片轉(zhuǎn)化為提升機(jī)活動(dòng)桿的實(shí)際位移。L298芯片有VSS和VS引腳，其中VS引腳連接+12V電源，用于用電，VSS引腳則接+5V電源，主要用于給L29芯片供電，并作為芯片的邏輯高電平。本系統(tǒng)中選用ENA接于高電平，IN1和IN2接受單片機(jī)發(fā)出的電機(jī)動(dòng)作指令，并且使用OUT1和OUT2來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，通過以上活動(dòng)，最終調(diào)節(jié)活動(dòng)桿的位移來實(shí)現(xiàn)間隙距離的調(diào)節(jié)。此外，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)是電路產(chǎn)生很大的磁場改變，從而產(chǎn)生電磁干擾，導(dǎo)致被控制對(duì)象不穩(wěn)定。因此，為了確保提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，監(jiān)控系統(tǒng)需要采用電磁隔離的方法切斷監(jiān)控系統(tǒng)與外圍設(shè)備的公共地線，以防止電磁干擾的存在影響單片機(jī)的穩(wěn)定工作。目前主流的隔離方式為數(shù)字隔離和模擬隔離兩種。由于模擬隔離價(jià)格高昂，國內(nèi)主要采用數(shù)字隔離方式。所以在本文的提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中筆者在單片機(jī)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)回路中使用三個(gè)數(shù)字耦合元件TLP521-1實(shí)現(xiàn)數(shù)字隔離，切斷單片機(jī)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)回路的關(guān)聯(lián)，保障了監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行。圖3-11電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3.3.3顯示電路通常在監(jiān)控系統(tǒng)中，為了讓監(jiān)控人員能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)控提升機(jī)的運(yùn)行狀況，需要將提升機(jī)的運(yùn)行狀況由單片機(jī)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后顯示在顯示器中。本系統(tǒng)中，閘瓦間隙量需要直接的讓監(jiān)控人員看到，所以設(shè)計(jì)一個(gè)顯示系統(tǒng)勢在必行。筆者選用的是現(xiàn)在常用的發(fā)光二極管LED，LED顯示器具有結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，在顯示重要數(shù)據(jù)中時(shí)時(shí)能看見它的身影。LED顯示器有兩種連接方式：共陽極和共陰極連接，當(dāng)有效輸入為低電平時(shí)為共陽極連接，反之為共陰極連接。筆者在本課題中使用的是功能強(qiáng)大、價(jià)格低廉、外圍電路少、使用方便的BC7281A顯示管。外接74HC164位移寄存器，顯示位數(shù)是4位。電路圖如下圖。圖3-12顯示電路AT89S52單片機(jī)和BC728A數(shù)碼管智聯(lián)通過高速二線串行連接進(jìn)行通訊。BC7281A數(shù)碼管通過該線接收單片機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)，并且通過該線向單片機(jī)輸出數(shù)據(jù)。BC7281A的DAT引腳采用的是極開路輸出結(jié)構(gòu)，所以在使用時(shí)筆者加入了一個(gè)20KΩ左右電阻作為上拉電阻，使數(shù)碼管能可靠的輸出高電平。CLK引腳采用同步時(shí)鐘，直接由CPU控制，下降沿使其有效。3.3.4位移傳感器電路本系統(tǒng)采用ST188光電位移傳感器監(jiān)測提升機(jī)閘瓦間隙的大小。ST188光電傳感器通過接收的反射光強(qiáng)弱來確定被檢測器件的距離，發(fā)光管用于發(fā)射紅外線，接收器則接收被測物體的反射光，由于光的強(qiáng)弱程度取決于被測物體的距離，距離越近反射出來的光線越強(qiáng)，反之則越弱，接收器將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，從而量化被測物體的距離。紅外位移傳感器引腳的電路圖如圖3-6所示，ST188傳感器由電源提供+5V的工作電壓，ST188的輸出信號(hào)為模擬電壓，光電二極管發(fā)出紅外線，紅外線接觸被測器件后反射，反射的紅外線被晶體管接收觸發(fā)三極管導(dǎo)通，傳感器接收檢測信號(hào)。當(dāng)閘瓦間隙產(chǎn)生變化，傳感器就會(huì)檢測到反射紅外線強(qiáng)弱變化。傳感器接收到的模擬信號(hào)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，反饋給單片機(jī)。在ADC0809A/D轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)連接的時(shí)候需要在加入一個(gè)鎖存器，這里筆者選用的是PHILIPS公司的74ALS373寄存器，在這里就不詳細(xì)的介紹該芯片的功能了。圖3-13傳感器電路3.3.5報(bào)警電路當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控的參數(shù)不在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)時(shí)，需要產(chǎn)生警報(bào)，提醒監(jiān)控人員。所以報(bào)警系統(tǒng)也是監(jiān)控系統(tǒng)中不可缺少的一部分。本系統(tǒng)的報(bào)警系統(tǒng)由光報(bào)警和聲報(bào)警系統(tǒng)組成。光報(bào)警系統(tǒng)由數(shù)碼管的閃爍實(shí)現(xiàn)，聲音報(bào)警系統(tǒng)由蜂鳴器實(shí)現(xiàn)。聲報(bào)警系統(tǒng)電路圖如圖3-14所示，三極管的輸入端接P1.7，如果P1.7的輸出電平為高電平時(shí)，晶體管處于接通狀態(tài)，蜂鳴器被接上高電平，從而發(fā)聲。如果P1.7輸出電平為低電平時(shí)，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，蜂鳴器停止鳴叫。圖3-14報(bào)警電路3.3.6通信電路本系統(tǒng)才用MAXIM公司的MAX232芯片與AT89S52單片機(jī)進(jìn)行串行通信。MAX232芯片由驅(qū)動(dòng)器和接收器兩部分組成，其內(nèi)置了一個(gè)轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)?5V的電壓轉(zhuǎn)換成RS232正常輸出的-10V至+10V電壓[9]。在通信電路中，AT89S52單片機(jī)的串行口和微機(jī)的COM1串行口通信，AT89S52芯片將收集的數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)內(nèi)，上位機(jī)再對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。由于上位機(jī)發(fā)出的信號(hào)是一個(gè)基于+3V至+7V的電壓、-3V至-7V的脈沖鏈。這是一個(gè)RS232信號(hào)，這種信號(hào)一定要變成一個(gè)0V至5V的脈沖鏈才能被處理器識(shí)別[10]。而MAX232芯片正是用來實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的芯片。單片機(jī)和上位機(jī)的通信電路如下圖3-15所示。圖3-15通信電路3.3.7速度傳感器電路圖速度傳感器電路圖設(shè)計(jì)見圖3-16。圖中CS3020霍爾傳感器的三個(gè)引腳從左到右分別連接5V電壓、接地和脈沖輸出端口。電阻R1作為電路的限流電阻，電阻R2和電容C1在電路中起過濾高頻信號(hào)的作用。傳感器正常工作的時(shí)，若安裝在提升機(jī)轉(zhuǎn)盤附近的霍爾元件感受到永久磁鋼產(chǎn)生的磁場時(shí)，傳感器的3引腳輸出低電平，此時(shí)三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，AT89S52單片機(jī)的P3.4引腳收到高電平的脈沖信號(hào)；若安裝在提升機(jī)轉(zhuǎn)盤附近的霍爾元件沒有感受磁場，此時(shí)傳感器的3引腳輸出高電平，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，AT89S52單片機(jī)的P3.4引腳收到低電平的脈沖信號(hào)。圖3-16速度傳感器電路3.3.8系統(tǒng)總電路圖ASDX001壓力傳感器能夠直接采集數(shù)字信號(hào)，只要將其連接到AT89S52單片機(jī)上就可以檢測到油壓的大小。所以將上述電路圖及壓力傳感器連接到單片機(jī)的引腳上就組成了整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路圖。總系統(tǒng)圖見附錄1。3.4本章小結(jié)本章主要介紹了本系統(tǒng)的總體電路設(shè)想，并介紹了系統(tǒng)中選用的一些重要的電子元器件，通過對(duì)芯片的分析設(shè)計(jì)了基于AT89S52單片機(jī)的礦井提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)各個(gè)模塊的的硬件電路，為本系統(tǒng)提供了硬件基礎(chǔ)，并且為接下來的程序編寫整理好了思路。

4軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原則作為應(yīng)用系統(tǒng)的軟件，需要滿足生產(chǎn)生活的要求，作為一個(gè)優(yōu)秀的軟件系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)有以下的優(yōu)點(diǎn)：程序簡潔、明了、合理。程序模塊化，程序的每個(gè)功能應(yīng)當(dāng)有自己的模塊，便于以后程序的調(diào)試、修改和套用。程序數(shù)據(jù)定義準(zhǔn)確合理，合理的賦值能夠節(jié)省內(nèi)存空間，又便于編程操作。（4）合理的設(shè)置標(biāo)志。程序的各個(gè)功能模塊設(shè)置各自的標(biāo)志，方便查詢和調(diào)控。（5）程序應(yīng)當(dāng)有自診斷程序，用于檢測系統(tǒng)運(yùn)行是否正常，提高系統(tǒng)的可靠性[11]。4.2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框架及流程圖系統(tǒng)中體軟件框架如表格4-1所示。表4-1系統(tǒng)中體框架表格1.系統(tǒng)初始化：程序變量初始化、各個(gè)硬件系統(tǒng)的寄存器和芯片初始化2.系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)設(shè)定：閘瓦正常工作間隙、閘瓦位移量、提升機(jī)提升速度、液壓站油壓標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的監(jiān)測以及調(diào)控報(bào)警：輸入：①ST188光電傳感器將檢測到的閘瓦間隙信號(hào)轉(zhuǎn)變成模擬信號(hào)，再由ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)變器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)導(dǎo)入AT89S52單片芯片內(nèi)部；②CS3020霍爾速度傳感器將脈沖傳入單片機(jī)內(nèi)部；③ASDX001壓力傳感器將液檢測到的壓站油壓信號(hào)處理后將數(shù)字信號(hào)直接傳輸給單片機(jī)。2）調(diào)控：AT89S52單片機(jī)在接收信號(hào)后，在數(shù)碼管中顯示當(dāng)前閘瓦間隙，根據(jù)相關(guān)的計(jì)算方法，單片機(jī)將調(diào)控參數(shù)反饋，調(diào)整閘瓦間隙，使其在正常值范圍內(nèi)。3）輸出：由AT89S52單片機(jī)反饋的控制量控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而達(dá)到調(diào)控閘瓦間隙的最終目的。標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)不在正常值范圍內(nèi)產(chǎn)生聲光報(bào)警：閘瓦間隙如果超過標(biāo)準(zhǔn)值，會(huì)導(dǎo)致提升機(jī)制動(dòng)失效，不能夠正常的運(yùn)行，甚至導(dǎo)致提升機(jī)墜落。閘瓦間隙低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致提升機(jī)能耗高，提升機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定等情況[12]。①當(dāng)閘瓦工作間隙不在正常范圍內(nèi)，監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行如下操作：a.LED數(shù)碼管開始閃爍，蜂鳴器運(yùn)作產(chǎn)生警報(bào)b.提升機(jī)停止運(yùn)行C.當(dāng)閘瓦間隙回到初始設(shè)定值時(shí)，提升機(jī)能后繼續(xù)工作②當(dāng)提升機(jī)提升速度不在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值時(shí)，LED數(shù)碼管開始閃爍，但蜂鳴器處于停止?fàn)顟B(tài)③當(dāng)液壓站的油壓不在標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)設(shè)定值時(shí)，LED數(shù)碼管正常顯示，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)蜂鳴器的控制：閘瓦間隙處和液壓站油壓在異常值時(shí)，蜂鳴器響1s,停1s。直到間隙和油壓回歸正常值。LED數(shù)碼管閃爍控制：當(dāng)閘瓦間隙和提升速度處在異常值時(shí)，LED數(shù)碼管亮1s，滅1s。直到閘瓦間隙和提升速度回歸正常值。LED顯示器控制：本系統(tǒng)中，BC7281提供4個(gè)LED數(shù)碼管用來顯示閘瓦間隙的大小以及在間隙處于異常值時(shí)產(chǎn)生報(bào)警。本系統(tǒng)的軟件需要實(shí)現(xiàn)通過AD傳喚器將收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，單片機(jī)進(jìn)行一系列的處理將數(shù)據(jù)顯示在LED數(shù)碼管中，同時(shí)軟件內(nèi)置報(bào)警標(biāo)志，報(bào)警標(biāo)志達(dá)到后進(jìn)行相應(yīng)的處理，單片機(jī)一直保持對(duì)數(shù)據(jù)的循環(huán)采集。下圖4-1為主程序流程圖。圖4-1主程序流程圖4.3單片機(jī)的資源分配由于單片機(jī)的接口有限，所以合理的分配單片的資源是很重要的課題，下面是本系統(tǒng)對(duì)AT89S52單片的接口分配[13]：P0口：本系統(tǒng)中，將P0.0-P0.7的所有引腳連接成總線與74ALS373鎖存器和ADC0809轉(zhuǎn)換器連接，用于單片機(jī)與LT188紅外距離傳感器進(jìn)行通訊，便于LT188傳感器將閘瓦間隙大小的信號(hào)傳輸給單片機(jī)。P1口：本系統(tǒng)中，將P1.3口作為電動(dòng)機(jī)的是能控制信號(hào)接口；電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)輸出端口1、2分別由P1.4和P1.5控制；BC7281A串行數(shù)據(jù)輸入端口由P1.0控制；P1.1控制BC7281A按鍵使能接口；P1.2是BC7281A串行時(shí)鐘信號(hào)；P1.6控制閘瓦位移量的脈沖信號(hào)端口；P1.7是控制蜂鳴器的端口。P2口：P2.0連接ASDX001芯片輸出端，用于單片機(jī)檢測提升機(jī)速度；P2.7作為ADC0809的片選信號(hào)端口，通過一個(gè)或非門啟動(dòng)ADC0809芯片；P2.1-P2.6暫時(shí)未使用，將來對(duì)此監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)，連接仿真芯片及其他芯片的預(yù)留接口。P3口：P3.0和P3.1分別連接MAX232芯片的輸入和輸出端口，用于單片機(jī)和上位機(jī)進(jìn)行通訊的功能。P3.4連接速度傳感器，用于收集CS3020芯片的脈沖信號(hào)；P3.6通過一個(gè)或非門控制74ALS373的地址鎖存使能；P3.7通過一個(gè)或非門，用于打開三態(tài)輸出鎖存器。4.4AD轉(zhuǎn)換子程序的設(shè)計(jì)在系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的時(shí)候，單片機(jī)首先發(fā)出傳送指令，這時(shí)A/D轉(zhuǎn)換器開始運(yùn)行，A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓的正常范圍值時(shí)0-5V,接口采用井口式，并遵循片外訪問RAM時(shí)序的設(shè)定，轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度為8位，即00H-FFH，采用1個(gè)LOOP進(jìn)行1次轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換周期[14]。A/D轉(zhuǎn)換子程序圖如下圖4-2所示。圖4-2A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖4.5顯示子程序的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用BC7281A芯片來顯示單片機(jī)接收處理后的閘瓦間隙數(shù)據(jù)，其中BC7281A芯片與單片機(jī)通過高速兩線串行口連接，占用AT89S52單片機(jī)的I/O口和主機(jī)時(shí)間很少，大大節(jié)約了單片機(jī)的資源[15]。作為本系統(tǒng)人機(jī)通訊的窗口，BC7281A芯片串行接口數(shù)據(jù)寬度為8位寬，要傳輸一條完整的指令需要兩個(gè)字節(jié)為一組，其中第一字節(jié)是命令字節(jié)，第二個(gè)字節(jié)是數(shù)據(jù)字節(jié)，BC7281A芯片串行接口的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見表4-2。表4-2命令字節(jié)數(shù)據(jù)字節(jié)D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0R/W00a4a3a2a1a0d7d6d5d4d3d2d1d0在BC7281A芯片中命令字節(jié)R/W是讀寫使能，如果R/W=0時(shí)，單片機(jī)會(huì)向BC7281A內(nèi)置的寄存器寫入數(shù)據(jù)；如果R/W=1時(shí)，單片機(jī)會(huì)讀取BC7281A內(nèi)置寄存器的數(shù)據(jù)。命令字節(jié)中的a0-a4作為目標(biāo)寄存器的5位地址，改地址的范圍是00H-19H，BC7281A的數(shù)據(jù)字節(jié)能寫入或者讀出寄存器的數(shù)據(jù)。在寫入時(shí)，單片機(jī)對(duì)BC7281A發(fā)出CLK脈沖信號(hào)，該信號(hào)稱為握手信號(hào)，BC7281A芯片接收到CLK脈沖信號(hào)之后，在DAT引腳向單片機(jī)反饋一個(gè)低電平，該低電平表示BC7281A芯片已經(jīng)可以接受單片機(jī)的信號(hào)。單片機(jī)在接受到BC7281A反饋信號(hào)之后，再在CLK線上發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，這時(shí)，BC7281A芯片接收到脈沖信號(hào)之后會(huì)將DAT線恢復(fù)成高電平，單片機(jī)檢測到DAT恢復(fù)成高地平是開始發(fā)送有效的數(shù)據(jù)。同樣，在讀取時(shí)，也需要發(fā)送一個(gè)握手信號(hào)，讀取的過程和上述寫入過程相似[16]。在本系統(tǒng)的顯示程序中，采用AT89S52單片機(jī)的I/O口以軟件模擬BC7281A芯片所需的時(shí)鐘信號(hào)，加上數(shù)據(jù)I/O口實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和顯示芯片之間的交流的。下圖4-3是本系統(tǒng)中AT89S52單片機(jī)對(duì)BC7281A顯示芯片發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)子程序的流程圖。圖4-3AT89S52對(duì)BC7281A單字節(jié)數(shù)據(jù)接收與數(shù)據(jù)發(fā)送子程序流程圖下圖4-4是ST89S52單片機(jī)讀寫B(tài)C7281A芯片的寄存器子程序流程圖。圖4-4AT89S52讀寫B(tài)C7281A芯片寄存器的子程序流程圖4.6電機(jī)控制子程序的設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中，直流電動(dòng)機(jī)需要進(jìn)行正反轉(zhuǎn)來控制閘瓦的間隙大小，要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，筆者將單片機(jī)芯片的P1.3引腳和P1.4引腳連接L298芯片，通過發(fā)送指令信號(hào)給L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，流程圖如下圖4-5所示[17]。圖4-5電動(dòng)機(jī)控制子程序流程圖當(dāng)閘瓦的間隙小于設(shè)定安全值范圍時(shí)，單片機(jī)P1.3引腳發(fā)送一個(gè)高電平給L298芯片的IN1口，單片機(jī)的P1.4引腳發(fā)送一個(gè)低電平給L298芯片的IN2口，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)；當(dāng)閘瓦的工作間隙大于設(shè)定安全值范圍時(shí)，單片機(jī)的P1.3發(fā)送一個(gè)低電平給L298芯片的IN1口，單片機(jī)的P1.4引腳發(fā)送一個(gè)高電平給L298芯片的IN2口，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)。4.7報(bào)警程序的設(shè)計(jì)當(dāng)閘瓦工作間隙不正常時(shí)，.LED數(shù)碼管開始閃爍，蜂鳴器運(yùn)作產(chǎn)生警報(bào)；當(dāng)提升機(jī)提升速度不在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值時(shí)，LED數(shù)碼管開始閃爍，但蜂鳴器處于停止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)液壓站的油壓不在標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)設(shè)定值時(shí)，LED數(shù)碼管正常顯示，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)[18]。由于系統(tǒng)設(shè)定了LED數(shù)碼管顯示程序，所以在數(shù)碼管的閃爍需要一個(gè)內(nèi)部高優(yōu)先級(jí)的中斷程序。報(bào)警子程序流程圖見圖4-6。圖4-6報(bào)警子程序流程圖4.8系統(tǒng)抗干擾的設(shè)計(jì)4.8.1硬件可靠性的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)用于礦井生產(chǎn)，安全穩(wěn)定是系統(tǒng)的一個(gè)重要的參考標(biāo)準(zhǔn)，而礦井井下存在各種各樣的干擾，所以本系統(tǒng)一定要有抗干擾的設(shè)計(jì)。作為一個(gè)合理可靠的電路系統(tǒng)，合理的布線是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。要設(shè)計(jì)一個(gè)價(jià)格低廉、安全可靠的線路板，一般遵循以下原則：合理的布局：首先，合理的選用PCB的尺寸，如果PCB的選用尺寸太大，會(huì)導(dǎo)致成本增加，同時(shí)印制的線條太長，線路板的阻抗增大，線路板抗干擾能力低。但是，如果PCB尺寸過大，會(huì)導(dǎo)致電路板的散熱性能不好，同時(shí)，線條相鄰太近，容易產(chǎn)生相互干擾。選定PCB合理的尺寸之后，在確定一些重要原件的放置位子。最后，根據(jù)剩下電器原件的大小數(shù)量對(duì)全電路板進(jìn)行布局。①根據(jù)電路圖安放各個(gè)重要的功能原件，布局要合理，要使信號(hào)交流通暢，并盡量使信號(hào)有統(tǒng)一的方向。②根據(jù)每一個(gè)功能原件為中心，安放其他原件，安放時(shí)要遵循整齊、緊湊、均勻的原則，盡可能的縮短各個(gè)元器件的連接距離，并減少元器件連接的引線。③為了防止干擾，輸入元器件和輸出元器件之間應(yīng)當(dāng)盡量保持較遠(yuǎn)的距離。④電路板應(yīng)當(dāng)事先流出印制板定位孔以及固定支架的位置，方便固定和印制[19]。布線應(yīng)當(dāng)遵循以下原則：①輸入端和輸出端用的導(dǎo)線盡量不要采用平行相鄰的方式布線。②根據(jù)絕緣基板和導(dǎo)線之間的粘附強(qiáng)度與通過他們的電流大小決定印制導(dǎo)線的最小寬度。一般導(dǎo)線選用寬度為1.5mm，但是，對(duì)于數(shù)字電路，一般選用0.02mm-0.3mm導(dǎo)線寬度。但是，只要允許，盡可能使用較寬的線，特別是選用電源線和底線的時(shí)候。③一般在印制導(dǎo)線拐角的地方采用圓弧形，因?yàn)椴捎弥苯腔蛘邐A角方式在高頻電路中可能會(huì)對(duì)電氣性能產(chǎn)生影響。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)避免較大面積的使用銅箔，因?yàn)殡娐钒逶谙到y(tǒng)運(yùn)行過程中可能會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，由于長時(shí)間的受熱，銅箔容易出現(xiàn)膨脹、脫落等現(xiàn)象。如果在某些特定情況必須大面積使用銅箔時(shí)，需要用柵格狀的地線，有利于排出電路板受熱揮發(fā)出的氣體。其他能提高可靠性的方法：在設(shè)定參考電壓端口和模擬電壓輸入線的時(shí)候應(yīng)當(dāng)盡可能的遠(yuǎn)離數(shù)字電路的信號(hào)線；為了防止干擾，石英晶體下方已經(jīng)一些敏感的元器件下方不要走線；去耦電容和元器件的引腳盡可能的要短；晶體振蕩器的外殼需要有一根接地線；一些不用的或者備用的門電路應(yīng)當(dāng)設(shè)置測試點(diǎn)。4.8.2軟件的可靠性設(shè)計(jì)AT89S52單片機(jī)在受到電磁干擾時(shí)，內(nèi)部的控制器、控制寄存器和運(yùn)算器很容易受到干擾。當(dāng)單片機(jī)的運(yùn)算器受到干擾時(shí)，其內(nèi)部CPU可能會(huì)執(zhí)行錯(cuò)誤的執(zhí)行指令，會(huì)導(dǎo)致得到錯(cuò)誤的運(yùn)算結(jié)果和引起錯(cuò)誤的動(dòng)作；如果單片機(jī)的控制寄存器受到噪音干擾，會(huì)導(dǎo)致程序在初始化時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。所以，系統(tǒng)軟件的可靠性設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，它是抑制外界干擾的重要手段。可靠性的設(shè)計(jì)主要的方法有：開機(jī)自動(dòng)檢測設(shè)計(jì)、指令冗余、程序的“跑飛”檢測設(shè)計(jì)、程序運(yùn)行轉(zhuǎn)臺(tái)標(biāo)志、“看門狗”設(shè)計(jì)、輸入多次采集、輸出口刷新等等。開機(jī)自動(dòng)檢測在系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，單片機(jī)首先對(duì)硬件和軟件的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測，如果發(fā)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)錯(cuò)誤，馬上進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。其中，開機(jī)自動(dòng)檢測檢測的內(nèi)容包括：ROM、RAM、I/O等進(jìn)行檢測]。（2）指令冗余AP89S52單片機(jī)的CPU選取指令首先是取操作碼，然后在選取操作數(shù)。如果CPU受到干擾發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，程序就會(huì)出現(xiàn)一系列的錯(cuò)誤，出現(xiàn)“亂飛”狀態(tài)，如果亂飛到一個(gè)雙字節(jié)的指令，CPU在取指令的時(shí)候落在了操作數(shù)上，可能會(huì)將操作數(shù)誤認(rèn)為操作碼，這時(shí)程序?qū)?huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤；如果亂飛到了某個(gè)三字節(jié)的指令時(shí)，程序出現(xiàn)錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)將會(huì)更大。指令冗余是指：人為的在一些關(guān)鍵性的地方加入一些單字節(jié)的指令，或者是將兩個(gè)字節(jié)以上的NOP插入到一些雙字節(jié)指令和三字節(jié)的指令之中。由于NOP的存在，即便是亂飛到了操作數(shù)時(shí)，也能避免之后的一些指令繼續(xù)被當(dāng)做操作數(shù)，這時(shí)程序會(huì)自動(dòng)的正常執(zhí)行。另外，可以在：RET、RETI、JC、LJMP、LCALL等重要指令之前插入NOP指令，這些NOP指令能確保這些重要指令的正確執(zhí)行]。輸出端口刷新AT89S52單片機(jī)的I/O口容易受到外界的干擾信號(hào)，所以輸出口的狀態(tài)可能因?yàn)橥饨绺蓴_導(dǎo)致錯(cuò)誤。在主程序中適當(dāng)?shù)募尤胼敵龆丝谒⑿轮噶?，可以有效地減少外界干擾對(duì)輸出口狀態(tài)的影響。在系統(tǒng)程序中選定RAM墊片輸出口單片存儲(chǔ)當(dāng)時(shí)應(yīng)處的狀態(tài)，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)這些事先選定的RAM單元內(nèi)容去刷新I/O口。輸入多次采樣外界干擾可能會(huì)導(dǎo)致輸入信號(hào)的瞬間采集錯(cuò)誤。一般，為了消除外界干擾，在程序中通常使用加權(quán)平均和重復(fù)采集的方法“看門狗”的設(shè)計(jì)所謂的“看門狗”是為了防止系統(tǒng)出現(xiàn)無法正常進(jìn)行的錯(cuò)誤，設(shè)置的一種專門用于檢測單片機(jī)程序運(yùn)行狀態(tài)的芯片，俗稱“看門狗”（WatchDog）。本系統(tǒng)采用的AT89S52單片機(jī)內(nèi)部自帶了“看門狗”通過對(duì)相應(yīng)的特殊功能寄存器的設(shè)置就可以實(shí)現(xiàn)“看門狗”的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用的是定時(shí)器T0監(jiān)控定時(shí)器T1，利用定時(shí)器T1監(jiān)控主程序，再有主程序監(jiān)控定時(shí)器T0，這種“看門狗”設(shè)計(jì)有很好的抗干擾能力，能夠大大的提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以適應(yīng)情況復(fù)雜、干擾情況嚴(yán)重的礦井生產(chǎn)。通過以上的軟件系統(tǒng)可靠性的設(shè)計(jì)，最大程度的降低外界的干擾，確保單片機(jī)及整個(gè)系統(tǒng)能夠在礦下復(fù)雜的情況中安全可靠的運(yùn)行，在出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)能夠及時(shí)的恢復(fù)及報(bào)警。4.9本章小結(jié)本章主要對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)，參考硬件電路系統(tǒng)分配了AT89S52單片機(jī)的各個(gè)引腳資源，并且繪制了主流程圖及其各個(gè)模塊的子流程圖，在最后介紹了系統(tǒng)在抗干擾方面的處理。

5系統(tǒng)殼體設(shè)計(jì)5.1繪圖軟件簡介作為實(shí)用型系統(tǒng)，本課題的最終目的是要將設(shè)計(jì)的電路投入到真正的煤礦生產(chǎn)生活中。當(dāng)然電路板不能直接暴露在外面，所以設(shè)計(jì)一個(gè)能夠安裝電路板的殼體也是本可以的一個(gè)重要的內(nèi)容。在繪制系統(tǒng)的殼體圖時(shí)本人使用的繪圖軟件是UG6.0。它是西門子公司推出的一款多功能繪圖軟件。UG集成了CAD、CAM系統(tǒng)，能夠輕松的繪制復(fù)雜的二維和三維圖紙，并且能夠直接導(dǎo)入到數(shù)控加工機(jī)床，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)控加工。本系統(tǒng)的殼體圖由電路板、下殼體和上殼體以及一些電器元件組成，這里就可以用到UG6.0的裝配模塊。只要事先將需要的零件圖繪制完成，然后新建一個(gè)裝配圖，使用UG自帶的一些裝配約束就可以很簡單的將零件圖組裝起來，并且UG6.0自帶爆炸圖模塊，可以使用爆炸圖將各個(gè)零件拆分開來，這樣既能夠方便的將零件組裝起來又可以很直觀的看到各個(gè)零件的使用狀況，大大的節(jié)省了繪制殼體的工序減少了繪圖人員的工作量，也能夠方便看圖人員對(duì)裝配圖的理解。5.2三維實(shí)體建模打開UG6.0，先繪制電路板及其安裝在電路板的各個(gè)元器件，這樣可以預(yù)先知曉電路板的大小，方便在設(shè)計(jì)殼體時(shí)計(jì)算殼體大小。圖5-1電路板圖然后根據(jù)電路板的大小設(shè)計(jì)可以的大小，在分別繪制出上下殼體。在繪制時(shí)要注意留心裝配關(guān)系和預(yù)留的接線口。然后將得到的三個(gè)部分根據(jù)裝配關(guān)系利用UG裝配模塊進(jìn)行組裝，得到組裝圖，再生成爆炸圖。圖5-2殼體三維圖圖5-3殼體三維爆炸圖5.3本章小結(jié)本章主要建檔的講解了下UG6.0，并且給出了監(jiān)控系統(tǒng)的裝配圖、電路板圖和殼體爆炸圖，方便觀看并為為生產(chǎn)加工打下基礎(chǔ)。

總結(jié)采礦產(chǎn)業(yè)是我國的支柱產(chǎn)業(yè)之一，同時(shí)它也是機(jī)械行業(yè)的命脈。礦井提升機(jī)作為礦井的咽喉，它的安全性能關(guān)系著千千萬萬井下作業(yè)人員的性命。在了解和分析了目前國內(nèi)外礦井提升安全監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀和單片機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)之上，本課題設(shè)計(jì)了一款新的基于單片機(jī)的礦井摩擦提升機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)。并且得到了以下的結(jié)論：本系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)的監(jiān)控提升機(jī)的制動(dòng)器間隙小大小、提升速度和制動(dòng)器的油壓的大小，并且能夠在LED數(shù)碼中實(shí)時(shí)顯示制動(dòng)器間隙大小，還能夠在油壓、速度、間隙處于異常值時(shí)及時(shí)的發(fā)出警報(bào)。本設(shè)計(jì)通過單片機(jī)連接外接芯片能夠?qū)崿F(xiàn)閘瓦間隙自動(dòng)調(diào)控的操作，減少滑繩等安全事故，更加可靠的保障了作業(yè)人員的安全，并且減少了維修人員的工作量。通過使用UG6.0，成功的繪制了監(jiān)控系統(tǒng)的外殼圖，方便在以后的生產(chǎn)后能夠適應(yīng)礦井的工作環(huán)境。目前我國的采礦業(yè)還處在很落后的水平上，很多礦井的監(jiān)控系統(tǒng)早已老化被淘汰，礦井事故每年都在發(fā)生，這嚴(yán)重影響著我國礦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，現(xiàn)代礦產(chǎn)業(yè)迫切的需要新的、廉價(jià)可靠的安全監(jiān)控系統(tǒng)。所以本系統(tǒng)的推廣能夠更加可靠的保障礦井生產(chǎn)人員的安全，會(huì)刺激礦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為國家?guī)盹@著的社會(huì)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。本文雖然成功的完成了主要設(shè)計(jì)目標(biāo)，但是也存在一些補(bǔ)助之處。沒有速度和油壓大小顯示模塊，沒有涉及到上位機(jī)的設(shè)計(jì)，自動(dòng)調(diào)控模塊缺乏實(shí)際的計(jì)算數(shù)據(jù)。由于本人的能力有限，在本文中一定會(huì)存在一些不足之處，希望能夠不吝賜教，以便我能夠在以后的工作生活中能夠越走越遠(yuǎn)。

致謝

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附錄附錄1附錄2#include<AT89X51.h>#include"lcd1602.h"#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintuchart0,t1,t2;uchardatadisdata;uintjianxi;//間隙大小ucharbiao;//間隙正負(fù)標(biāo)志charc=0;chara=5;ucharb;sbitDQ=P1^7;//ds18b20與單片機(jī)連接口sbitred=P3^5;sbitgreen=P3^6;sbitbaojin=P3^7;voiddelay_18B20(unsignedinti)//延時(shí)1微秒while(i--);}voidds1820rst()//ds1820復(fù)位{unsignedcharx=0;DQ=1;//DQ復(fù)位delay_18B20(4);//延時(shí)DQ=0;//DQ拉低delay_18B20(100);//精確延時(shí)大于480usDQ=1;//拉高delay_18B20(40);}uchards1820rd()//讀一字節(jié)數(shù)據(jù){unsignedchari=0;unsignedchardat=0;for(i=8;i>0;i--){DQ=0;//給脈沖信號(hào)dat>>=1;DQ=1;//給脈沖信號(hào)if(DQ)dat|=0x80;delay_18B20(10);}}voidds1820wr(ucharwdata)//寫一字節(jié)數(shù)據(jù){unsignedchari=0;for(i=8;i>0;i--){DQ=0;DQ=wdata&0x01;delay_18B20(10);DQ=1;wdata>>=1;}}read_temp()/*讀取閘瓦間隙值并轉(zhuǎn)換*/{uchara,b;ds1820rst();ds1820wr(0xcc);//*跳過讀序列號(hào)*/ds1820wr(0x44);//*啟動(dòng)間隙轉(zhuǎn)換*/ds1820rst();ds1820wr(0xcc);//*跳過讀序列號(hào)*/ds1820wr(0xbe);//*讀取間隙寄存器等（共可讀9個(gè)寄存器）前兩個(gè)就是間隙*/a=ds1820rd();//低位b=ds1820rd();//高位wendu=b;wendu<<=8;wendu=wendu|a;if(wendu<0x0fff)biao=0;else{wendu=~wendu+1;biao=1;}wendu=wendu*(0.625);//間隙值擴(kuò)大10倍，精確到1位小數(shù)return(wendu);}voidds1820disp()//間隙值顯示{ucharflagdat;disdata[0]=wendu/1000+0x30;//百位數(shù)disdata[1]=wendu%1000/100+0x30;//十位數(shù)disdata[2]=wendu%100/10+0x30;//個(gè)位數(shù)dis