礦用本安型非接觸設備啟停監測儀設計

改造者：周 靜 陳昆侖

礦用本安型非接觸設備啟停監測儀設計

改造者：周 靜 陳昆侖

為了確保煤礦高效、安全的生產，煤礦井下機電設備開停狀態需要及時地上傳到整個監測系統中。采用磁場感應原理檢測機電設備的開停狀態，根據礦用設備相關標準的技術要求，對總體方案進行規劃，完成了礦用本安型非接觸設備啟停監測儀的軟硬件設計，其中主要是軟件的設計。監測儀與主機成功通信，實時監測井下重要設備的運行狀況，并將檢測結果及時上傳給監控分站。礦用本安型非接觸設備啟停監測儀的設計具有現實意義，安全穩定，可行性高。

隨著中國煤炭工業的快速發展，對井下各類災害的預警和防治有了更高的要求。井下環境復雜，各種機電設備的開停狀態影響著煤礦生產的安全。為了確保煤礦高效、安全的生產，需隨時全面了解全礦的生產、工作狀況，地面需要對全礦機電設備開停狀態進行集中連續自動的監測，便于統一調度指揮。所以，研究一款高性能的礦用本安型非接觸設備啟停監測儀具有重要的現實意義。

現今市場上應用的設備啟停監測儀已經非常落后，采用的傳感器與應用的芯片也跟不上發展，普遍存在精確度不高的問題。本課題研究一款礦用本安型非接觸設備啟停監測儀，使用高性能的傳感器，專門適用于煤礦井下特殊的環境參數，可隨時測量煤礦井下設備的啟停狀態，方便操作與攜帶，為保障煤礦井下安全生產做出了貢獻，具有良好的社會效益和經濟效益。

總體方案

根據煤礦井下對電纜電流的檢測要求，可以將檢測方式分為兩種，一種是直接接觸式檢測，另一種是間接非接觸式檢測。本課題對煤礦井下機電設備啟停狀態的檢測，采用間接非接觸式檢測，可以使被測電流與測量電路隔離，從而降低安全隱患。

礦用本安型非接觸設備啟停監測儀采用磁場感應原理檢測機電設備的開停狀態。通電的導體周圍必定產生磁場，測出電纜周圍有無磁場存在，即可測出電纜內有無電流通過，以此即可鑒別出機電設備的開停狀態。井下機電設備系三相供電，電纜內三相芯線有對稱與不對稱之分，而在電纜外皮上，總可找到一點與三相芯線呈不等距，該點形成的磁場以靠近的芯線起主導作用，設備供電電流越大，磁感應信號就越強。

當被檢測電纜中有電流通過時，電磁感應敏感元件感應出信號，經抗干擾、兩級放大、信號變換等處理，實現檢測并輸出電壓信號。并可由單片機將狀態信息轉換成智能RS485數字信號傳送至分站智能接口或其他信息傳輸設備，再上傳至地面中心站系統，從而實現在地面中心站對井下設備工作狀態的集中連續監測監控。

硬件設計

監測儀的硬件設計，包括傳感器調理電路、單片機外圍電路、地址電路、顯示電路、RS-485模塊的接口電路、電源電路等。

本課題選用霍尼韋爾傳感器HMC1021Z，可以滿足測量電纜0.3μT的工頻磁場的要求，工作溫度為-40℃～+125℃，適用于煤礦井下環境。為了使傳感器正常穩定地工作，需要搭建合理的外圍電路。外圍電路用瞬間閉合開關J1的方法，使外圍電路產生一個置位脈沖。

當電橋電源Vb=5V時，由于HMC1021Z的靈敏度為1.0mV/V/高斯，推算出傳感器檢測到磁場強度與輸出電壓的關系為：

由于檢測工頻磁場B為0.3uT，即B=0.003高斯，根據公式可求得傳感器輸出電壓為U=0.015mV。由于STC12C5620的I/O口檢測不出微弱信號，為了使電壓匹配，需要對傳感器輸出電壓進行兩級放大，本課題用LM258芯片構成兩級放大電路，放大倍數為100000倍。

圖1 監測儀原理框圖

STC12C5620單片機的外圍電路是能使單片機正常工作的最小外圍硬件組成的，包括晶振、復位電路、電源等。由于系統需要進行串行通信，為了系統能夠穩定工作，本課題采用11.0592MHz的外部晶體振蕩器作為時鐘的基準。由于外部本安電源供電的設備一般應能在9～24V范圍內正常工作，為了給系統提供穩定電源，需要穩壓芯片。本課題選用廣州金升陽科技有限公司的K7805-500R2。系統穩定電源為5V。

為了設置本機的設備地址，需要一個四位撥碼開關開關，和單片機STC12C5620的P0.0～P0.3引腳相連，此設備號在一開始用撥碼開關組進行設置，在程序運行時，每個設備都按規定設置好，一般不作改動，改動時重新設置開關即可。

顯示電路通過點亮LED燈完成，綠色LED和紅色LED的陰極分別接P2.0和P2.1端口，紅綠LED燈的陽極共接電源。使用P2口直接驅動LED時，外接的LED電路還必須使用電阻進行限流，否則不僅容易造成LED燈過熱損壞，還會損壞單片機端口。本課題為了有效保護單片機驅動輸出引腳，預留出一定的安全系數，最終限流電阻選用470Ω。

在往常的實驗設計中，通常需要采用一片電源隔離模塊及3路光耦、RS-485收發器等器件才能實現帶隔離的RS-485電路，為了簡化設計，本課題采用一片RSM485CHT模塊實現以上功能。

圖2 兩級放大電路

圖3 主程序流程圖

軟件設計

基于STC12C5620單片機，在C語言平臺，采用模塊化設計方式編寫了檢測裝置的軟件程序，具體包括：主程序、數據采集及處理子程序、狀態顯示子程序、串行異步通信（RS-485）子程序等。

主程序設計

當監測裝置上電后，磁阻傳感器開始工作，電信號經過處理電路接入單片機。STC12C5620單片機執行程序，首先進行初始化：定義管腳，設置本機設備號，設置開門狗，開系統中斷，系統狀態為等待接收禁止發送，即CON=1，對串行口初始化，設置波特率與串行口中斷。系統一直對電信號采集及處理，通過分析比較，獲取設備狀態值，從而點亮相應的LED指示燈，并將獲得的狀態值進行存儲。當發生串行口中斷時，程序跳入中斷子程序，執行RS485通信，與主機通信，響應主機指令發送狀態值。

看門狗

由于系統設立的外部晶振為11.059MHz，本系統只需看門狗溢出時間在100ms～200ms之間，故令PS2=0，PS1=0，PS0=1，令預分頻值P=2，根據看門狗溢出時間t的公式：

求得看門狗溢出時間t=142.4ms。因此，應設置看門狗控制寄存器WDT_CONTR=0x31。

設備地址

J1作為一個DIP-4開關，和單片機STC12C5620的P0.0～P0.3引腳相連，用于設置本機的設備號。此設備號在一開始用撥碼開關組進行設置，在程序運行時，每個設備都按規定設置好，一般不作改動，改動時重新設置開關即可。在讀取P0口獲取設備號之前，先將其位寄存器置1。即設P0=0xff，本機設備地址為addr=P0&00001111B= P0&0x0f。

數據采集及處理

啟動轉換時，START信號設置為START=0，START=1，START=0，以產生一個正脈沖信號，脈沖上升沿將內部寄存器全部清0，在其下降沿開始轉換。8路數據量輸出端與P1口相連，將數據通過P1口讀入，經數據處理后，與設定的設備開機值比較，從而判斷設備啟停狀態信息。

由于模擬量輸入基準電壓為5V，所選外部A/D轉換模塊ADC0809的轉換精度為8位，因此數據轉換公式為：

圖4 數據采集處理子程序流程圖

式中，Volt為采樣電壓值，Adval為A/D轉換值。由于檢測工頻磁場為0.3μT時傳感器輸出電壓為U=0.015mV，通過兩級放大器放大100000倍后，確定設備開機值為1.5V。為了方便編程時數值的計算，5V電壓數值定義為500，因此1.5V電壓數值相應為150。最終設定設備開機值為150。

狀態顯示子程序

根據顯示電路，要點亮紅燈或是綠燈，P2.0和P2.1的端口必須處于低電平狀態。根據A/D采樣比較結果，將設備狀態定義為：設備開——紅燈滅，綠燈亮（10）；設備停——紅燈亮，綠燈滅（01）。

串行異步通信

由于系統設立的外部晶振為11.0592MHz，即fosc=11.0592MHz，本課題所需的波特率為9600bit/s，可得定時器初值X=253=0xfd。

數據幀的內容包括起始字節、地址字節、類型字節、數據字節、校驗和字節。主機發送的數據幀是指令幀，數據字節為0字節，即數據幀結構依次為特征碼字節、地址字節、類型字節、校驗和字節。從機發送的數據幀，只是一個單純的數據字節，數據字節為1字節。避免其他從機對指令幀的干擾，定義所有從機發送的數值轉換成BCD碼進行傳送。由于BCD碼是不會出現A、B、C、D、E、F這幾個數碼的二進制數，因此，定義特征碼字節的數值為0x1A。

本設備與主控機關系密切，它需要根據主控機的指令執行相應的操作，以達到通信的目的。從機一直收集設備的狀態信息，當從機收到主控機發送來的幀，便立即進入中斷子程序。進入中斷程序后，立即關串行口中斷。RI軟件清零，并將接收到第一字節，即特征碼字節，存入字符數組a的第一個元素a［0］中，判斷第一字節是否為特征碼，如果不是，則立即跳出中斷，等待接收特征碼；如果是，當RI為1時，繼續接收第二字節，即地址字節，存入a，判斷此字節與此設備設立的設備號是否符合？如果不符合，便立即跳出中斷。符合，繼續接收第三、第四字節，分別存入a、a中，通過第四字節，即校驗和字節判斷傳送的幀是否正確，接收是否成功，如果成功，判斷第三字節即類型字節的值，收到讀設備狀態信息指令“GETDATA”時即主機要數據，將CON=0，系統處于等待發送禁止接收狀態，將已有的狀態信息發送上報。

結語

本文從我國煤礦開采安全現狀出發，結合我國煤礦安全監測監控技術現狀，研制了一種新型的礦用本安型非接觸設備啟停監測儀。監測儀可以準確、穩定地檢測三相電纜芯線不對稱處的磁場，檢測精度也基本滿足井下的檢測需求。通過虛擬仿真，驗證了本課題礦用本安型非接觸設備啟停監測儀的技術方案可行。

周 靜 陳昆侖

中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院

周靜（1990-）女，漢族，重慶人，機電與信息工程學院，大學本科，研究方向為電氣工程與自動化。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.035