基于單片機的煤礦井下水位測控系統

許清梅，李文強

(1.太原工業學院，山西太原，030008；2.中北大學，山西太原，030051)

0 引言

礦井內涌水量是一個迫切需要解決的問題，如果可以做到實時監測到井下水位的變化情況并且立即做出調整，那么煤礦就可以按照正常的方式進行生產作業，同時保障了工人的生命安全。水位監測與我們的生活息息相關,比如礦井等地點，及時有效的監測可以方便管理人員快速做出與之對應的判斷處理。本文研究的煤礦井下水位控制系統，其功能是實現水位的實時監測，并將檢測到的數據迅速反饋至用戶端。

1 總體設計方案

煤礦井下水位測控系統是由超聲波測距模、LCD1602顯示模塊、自動進出水模塊和按鍵模塊組成，如圖1所示。首先，被檢測到的井下水位信息通過ST89C51單片機進行采集，分析后轉至自動進出水模塊的水泵進行反饋處理，從而將水位調節到正常范圍內。同時，水位數據將通過串口通信的方式傳送到電腦的上位機中，該系統既智能又方便，不僅能夠節省時間，而且保障了井下工人的生命安全。

圖1 煤礦井下水位測控系統總體設計框圖

2 系統硬件設計

2.1 自動進出水模塊

水位自動控制模塊由水泵及其配套元件組成。根據超聲波測距模塊測到的值，與預先設定的水位上下限報警值比較，從而調節電機速率。選用L298N芯片控制電機的轉動速率，也就是調節水泵，實現抽水或者排水的動作，使煤礦井下的水位始終保持在正常水平，最終完成水位的智能控制。

若要讓電機轉動，需要給電機加上合適的電壓，但是若要同時驅動多個電機，或者使用單片機程序去控制電機，不能通過用插拔電源來實現，所以應選擇合適的“開關”，利用真值表約定高低電平，從而來控制開關的閉合。本文選擇L298N作為電機驅動模塊。L298N電機驅動模塊不僅能夠控制啟動的時間，而且能夠通過改變PWM波周期中高電平的占空比實現轉速的調節。L298N的輸入輸出關系如表1所示。

表1 L298N的輸入輸出關系

2.2 LCD顯示模塊

本文選用LCD1602完成系統的水位實時顯示，其低功耗較低和數字式接口的設計有利于系統的集成化封裝。如圖2所示，LCD1602共有16個引腳，引腳3與可調電阻R8相連接從而對顯示模塊的背光進行調節；4和14引腳協同作用實現水位信號的傳輸。

圖2 LCD1602顯示模塊原理圖

2.3 無線通信模塊

本系統選用數字射頻芯片NRF24L01進行水位信息的通信，其外部設SPI接口，內部寄存器通過SPI接口與單片機相連配置工作模式、初始地址、字節數、頻道等信息。

工作模式可為發送模式或接收模式。工作在發送模式時，利用單片機將檢測到的水位信息寫入后即可實現數據的自動發送；而工作在接收模式時，單片機可通過IRQ引腳的狀態判定數據接收是否完成，IRQ處于低電平狀態表明已完成水位信息的接收，工作原理圖如圖3所示。

圖3 無線通信模塊原理圖

3 系統軟件設計及仿真

3.1 系統軟件設計

系統整體軟件設計流程圖如圖4所示。首先進行單片機初始化并將水位控制程序裝載入芯片中。LCD1602顯示器將實時顯示此刻的水位信息，通過按鍵設定水位報警的上下限。當水位超過或者不足設定的上下限時，蜂鳴器發聲并快速啟動報警功能，提醒井下工人注意安全，與此同時通過水泵執行抽水或者排水的動作，從而調整水位到達正常的水位值。

圖4 系統主程序流程圖

3.2 系統仿真

根據AD設計的電路圖，采用Proteus進行系統設計仿真驗證，系統的整體仿真圖如圖5所示。啟動仿真按鍵的時候，LCD1602顯示屏分別有兩個讀數：0.30m與0.90m，其分別對應于實際煤礦井下報警水位的下限和上限值。按鍵模塊設有兩組，共4個按鈕，用來實現對上下限警報值的調節，從而模擬真實情況中應對不同情況時需要對井下警戒水位進行調整。由于用Proteus不能根據水位的變化而進行讀數的自動變化，所以仿真中應用手動控制滑動變阻器來模擬實際情況，通過改變阻值進而實現不同水位對應的不同讀數。超聲波測距模塊的精度為0.01m，量程為0-1m，符合設計要求。傳感器能自己檢測到水位因為閉環調節降低或者升高，從而實現水位的閉環控制。通過調節水泵的轉速模擬了實際情況進出水量的大小，值為負則表示是正在進行進水，值為正則表示正在執行排水。當水位測量模塊測得到井下水位并在液晶顯示屏中顯示出來時，操作人員可以遠距離在電腦接收到實時數據，不僅為操作人員的工作提供了方便，而且可以更快更準的記錄水位信息，大大節省了人力物力。

4 結論

本文設計的基于單片機的煤礦井下水位監控系統，實現了煤礦井下水位的實時檢測。在單片機和設備終端之間，使用無線通信的方式，各個模塊之間不可分割，構成一個環環相扣的系統，實現遠距離的傳輸通信。STC89C51單片機和各個模塊之間的相互協調配合，使得煤礦井下水位監控更加智能化。

圖5 系統整體仿真圖

整個系統模擬了煤礦井下作業過程中水位會出現的各種情況，以及應對各種突發情況要采取何種辦法，整體運行穩定，數據采集可靠，有很高的實際應用價值。