井下積水水位監控預警裝置設計

楊 洋，靳寶全，李鳳霞

（1.太原理工大學 電氣與動力工程學院，太原 030024；2.太原理工大學 新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室，太原 030024）

0 引言

煤礦井下積水過多會使采區及附近巷道空氣潮濕，影響工作效率，若超過正常排水能力，則會造成礦井水災，危及生產安全[1]，因此，實現井下積水預警、排水自動化具有重要意義。早期煤礦一般采用傳統的人員巡檢方式，每隔固定時間觀測水倉積水情況，根據水倉水位啟停排水泵，效率較低且浪費人力。隨著控制技術和電子技術的快速發展，微控制器開始應用于煤礦井下水位監測。陳艷麗等采用單片機與A/D轉換芯片設計了水倉水位采集、報警裝置，完成了對水倉水位的自動監測[2～4]。袁小平等采用單片機系統對井下排水設備進行狀態監測及控制，實現了排水泵的自動控制[5,6]。

近年來，水位的實時監測與排水設備的自動控制均獲得較大發展，但信息采集、控制電路可靠性仍需進一步提高，功能也需進一步綜合。綜上所述，本文設計了一種基于C8051F040單片機的井下積水水位監控預警裝置，綜合了監控、預警與自動控制功能，解決積水實時監測與排水自動化問題。該裝置設計有信號采集、水泵狀態識別電路，可直接采集水位、壓力、排水泵狀態，并綜合上述信息進行繼電控制，編程簡單、運行可靠；具有紅外遙控功能，調校靈活；且集成了RS485通信接口，組網方便；實現水倉積水實現采集與顯示、自動啟停排水泵及信息傳輸。

1 總體方案

井下積水水位監控預警裝置結構設計如圖1所示。裝置以微控制器為核心，配有控制繼電器，可控制排水泵、觸發報警設備，頻率信號采集電路直接采集傳感器輸出的壓力與水位，開停傳感器檢測到的水泵運行情況由狀態識別電路進行辨識，通過液晶顯示各種參數，并集成有RS485端口，便于進行組網通信。控制器綜合水位值、排水泵狀態等條件自動啟停排水泵。工作人員也可根據需要使用遙控器修改參數、啟停排水泵。

圖1 裝置結構設計示意圖

2 裝置硬件設計

2.1 微控制器選擇

主控制器采用Silicon Laboratories的微控制器C8051F040芯片，具有64個數字I/O口引腳，可完全滿足信息采集與邏輯控制。通過編寫高效的程序和算法對數據進行處理、控制設備并報警，實現水位的實時監控。

2.2 水位、壓力采集電路

水倉水位和排水管壓力通過本安類型傳感器進行采集，礦用傳感器輸出頻率信號通常為200Hz～1000Hz。采集本安信號時，先通過光電耦合器對輸入進行光電隔離，防止其他器件影響傳感器的本安性質，隔離后頻率信號經施密特反向觸發器（74HC14N）轉換成矩形脈沖信號，即可通過控制器的I/O口進行采集，電路如圖1所示頻率信號采集部分。頻率信號經換算得到水位、壓力值。

2.3 水泵狀態采集電路

水泵運行狀態經礦用開停傳感器KGT29采集，傳感器安裝在排水泵供電線路上，當排水泵運行時，傳感器輸出5mA電流，排水泵停止時，輸出1mA電流，傳感器斷線時，輸出為0。設計“11”、“01”、“00”三個代碼識別上述三種狀態，電路如圖1水泵狀態識別部分所示：傳感器輸出“+”、“-”通過電路“IN+”、“IN-”與串聯的電阻R1、R2構成回路，將光耦①串聯接入主回路，光耦②并聯在R2兩端，光耦輸出經施密特反相觸發器74HC14N整形反向后接控制器。工作原理如下：確定合適R1與R2阻值，使電流為5mA時兩路光耦導通，1mA時只有光耦①導通，斷線時光耦全部關斷，控制器即可通過I/O口（如P4.0、P5.0）對應采集到“11”、“01”、“00”三種代碼識別出水泵狀態。

電阻R1、R2是水泵狀態識別電路進行判斷的主要器件，R1用于穩定電路，R2阻值根據電路工作原理與光耦型號進行計算。

光耦選擇東芝公司TLP521-4，其正向電流與正向電壓的關系如圖2所示，可知光耦開啟電壓略大于0.9V，要使光耦②在I=1mA時不導通，可使光耦②兩端電壓U②得：

且光耦②在I=5 mA時導通，可使：

式(2)中R②為光耦2發光二極管電阻。

在光耦②導通時，可根據IF-VF曲線確定R②的大小，為保證光耦②可靠導通，可使流過R②的電流為3mA，通過圖2可知此時R②約為360Ω，由式(2)計算并綜合式(1)得：

2.4 紅外遙控電路

紅外遙控電路由本安遙控器、紅外接收探頭1838及紅外接收譯碼器BL9149組成。BL9149能根據探頭接收到的按鍵指令進行識別譯碼，遙控器按下某一按鍵時，BL9149的輸出引腳HP1-HP5中對應引腳電平會變為5V，其他引腳基本為0V。控制器經I/O口讀出按下的按鍵，編程實現各個按鍵對應的控制、調校功能。

2.5 控制、預警與顯示

裝置通過繼電器實現水泵的啟停及異常預警，電路如圖1所示繼電器輸出部分，由光耦、三極管及二極管組成，控制信號經光耦隔離并經三極管放大來驅動繼電器，二極管并聯在繼電器兩端用于續流，控制器輸出高電平使繼電器動作。

控制器發出啟動命令但未檢測到水管壓力，或發出停止信號，一段時間后水泵未停，則排水泵自動啟停異常；同時，當水位超限、傳感器損壞時，控制器都會驅動繼電器動作進行預警。

顯示電路設計12864中文液晶模塊顯示水位、壓力、水泵狀態等參數，該模塊連接電路簡單，且支持全中文，方便編程與操作。

2.6 通信接口

裝置集成RS485接口，可與監控主機進行通信。RS485是當前礦用電氣設備通信的主要方式，可有效利用原有通信網絡。RS485芯片采用帶隔離RS485收發器ADM2483， 接口電路如圖1RS485部分所示，ADM2483收發器與控制器的連接簡單，只需連接控制器串口和控制收發的I/O引腳。AB之間接120Ω匹配電阻，AB分別接1K的上拉電阻、下拉電阻用于穩定總線數據，并經TVS管接地，防止總線電壓過高對總線造成傷害。

3 裝置軟件設計

3.1 水位、壓力計算

水位、壓力的大小根據采集到的頻率值進行換算。應用較為普遍的頻率計算方法是定時計數法，即使用定時器定時一段時間后，根據計數器計入脈沖的個數計算頻率，這種方式盡管計算精確，但每一路頻率需要2個定時/計數器，占用資源較多。本裝置需要計算多路水位信號和壓力信號，采用定時計數法計算復雜，所以設計電平翻轉法計算頻率，其原理為：設計I/O引腳檢測電平，當電平翻轉時計數值加1，不變時不加，在定時器固定時間t內得到電平翻轉次數m，則頻率信號的周期為：

頻率為：

對于低頻信號，控制器I/O口完全能檢測到電平的翻轉變化，用電平翻轉法進行多路測頻時，只用到一個定時器，節省資源。

水位、壓力的大小與頻率值成正比，若頻率范圍為200Hz～1000Hz，則水深或壓力值為：

式中A為水位或壓力傳感器的權值。

設計C8051F040的定時器T0作為定時設定，T0工作在 16位定時器模式，時鐘選用外部時鐘（22.1184MHz）48分頻，設定定時器從0計數到65536后進入定時中斷。頻率計算公式推導：

式中Fsys為外部時鐘頻率，FT0為定時器頻率，N為定時器計數長度，VT0為定時時間。

由式(5)得頻率計算式為：

代入式(6)得：

3.2 水泵控制模式

井下水位受多種因素影響，水位時刻在變化。為滿足井下排水泵的啟停要求，裝置采用兩種工作模式對排水泵進行控制：

1)自動模式

自動模式下，水位正常時不啟動水泵；當水位上升到警戒值時，啟動一臺停止狀態的水泵排水；若水位繼續上升，則啟動多臺水泵排水并發出涌水報警信號。

2)手動模式

當水位傳感器故障時，裝置不能根據水位啟停排水泵，工作人員可切換到手動模式，使用遙控器啟停水泵。裝置連接上位機后，也可在上位機通過啟停按鈕啟停水泵。

3.3 通信方式設計

設計裝置為RS485主從方式下從站模式，主機每隔固定時間向所有從機發送帶地址的數據包，從機一直處于接收狀態，當從機收到主站發送的與其地址匹配的數據包時，就會對該數據包進行接收處理并向主機發送信息。裝置通信流程示意圖如圖3所示。

圖3 通信流程示意圖

4 裝置調試與試驗結果

4.1 硬件電路測試

針對頻率信號采集電路，經示波器測得水位、壓力輸出的頻率信號經采集電路整形前后的波形如圖4所示。處理后信號近似標準方波，滿足控制器I/O口采集要求。

圖4 頻率信號采集電路處理波形

對水泵狀態識別電路，取R1阻值1K，R2選擇滿足式(3)的常用阻值750Ω，電路測試結果如表1所示，U①、U②分別為光耦①、②兩端電壓，P4.0、P5.0為控制器I/O口。由表1知，控制器可通過I/O口識別水泵狀態。

表1 水泵狀態識別電路測試結果

4.2 軟件測試

針對電平翻轉法測頻率計算水位、壓力，對不同水位值，計算頻率值與傳感器實際輸出頻率值如圖5所示。由于單片機所測得m為整數，且測頻程序不一定在頻率信號的上升沿或下降沿恰好開始計數，所以m會比實際值略大，由式(9)可知，可通過降低時鐘頻率Fsys來提高計算精度，但會影響控制器運算速度，所以Fsys不宜太低，且由圖5知，計算值在誤差允許范圍內，不影響水位或壓力的計算。

針對通信接口，設計一個主機向裝置發送數據包，利用串口調試助手進行監視，圖6列出了主站發送(上方框內)與裝置響應(下方框內)的數據包，可知裝置可對主站進行響應，實現組網通信。

5 結束語

主要設計了井下積水水位監控預警裝置，介紹了積水水位參數的采集、排水控制、異常預警及通信接口的硬件及軟件實現方法，并對各功能進行了測試。試驗表明，該裝置運行可靠，能夠頻率值/Hz實現煤礦井下積水水位的無人監控，保證生產安全，提高生產效率。

[1]白玉杰.礦井水害原因分析及防治技術[J].煤炭技術,2009,(11):85 -86.

[2]陳艷麗,劉小燕,李長青,等.基于AT89C51單片機的井下水位監控裝置設計[J].煤礦安全,2012,(3):66-68.

[3]趙海濤,程杰,李珊珊,等.水倉水位自動監測報警系統的設計[J].煤礦安全,2008,(10):72-74.

[4]王立強.煤礦井下中央泵房水倉水位監測系統的設計[J].煤礦機械,2009,(12):136-137.

[5]袁小平,白楠,王澤林,等.煤礦井下排水泵監控系統的設計[J].工礦自動化,2010,(3):113-114.

[6]胡江浦.煤礦井下排水自動監控系統的設計[J].中州煤炭,2011,(10):27-29.