【導(dǎo)讀】塵，所以經(jīng)常被用作煤礦井下各種固定和移動(dòng)設(shè)備的防爆動(dòng)力裝置。染越來越嚴(yán)重，使得煤礦安全生產(chǎn)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。此次設(shè)計(jì)的主要課題。是針對(duì)防爆柴油機(jī)尾氣排放的監(jiān)測(cè)報(bào)警。故障后系統(tǒng)的自動(dòng)報(bào)警。文中首先闡述了CO和氮氧化合物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展。及狀況，其次著重介紹了單片機(jī)PIC16F877尾氣監(jiān)控報(bào)警器及通風(fēng)系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)的硬件電路包括濃度檢測(cè)，A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)顯示電路，及處理，動(dòng)態(tài)顯示及濃度控制等。通過軟件設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)CO及NOx濃度?？捎行У姆乐姑旱V井下中毒，對(duì)避免人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失有著

　　

【正文】 量直接關(guān)系到整個(gè)控制系統(tǒng)的效率和性能。根據(jù)控制系統(tǒng)的目標(biāo)需求，隊(duì)控制軟件進(jìn)行合理的劃分，再采用模塊化的設(shè)計(jì)原則，確定各個(gè)模塊所要完成的功能，整個(gè)控制軟件完成數(shù)據(jù)的輸入，顯示以及 PI 調(diào)整功能，整個(gè)控制軟件完成數(shù)據(jù)的輸入，顯示以及 PI 調(diào)整功能，整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)不但起到了控制作用而且充當(dāng)簡(jiǎn)單的上下位機(jī)的作用。 PI 控制器可以 使原系統(tǒng)更加穩(wěn)定準(zhǔn)確，環(huán)節(jié) P 用來使系統(tǒng)快速的動(dòng)作，但遺憾的是有余差存在；積分控制可以消除余差，但是容易使系統(tǒng)的控制過程產(chǎn)生振蕩，且時(shí)間延遲很長(zhǎng)，被控變量波動(dòng)幅度也很大，應(yīng)用 PI 控制，可以很好的改善以上單獨(dú)使用的不足，但是在本系統(tǒng)中，由于對(duì)壓力的控制要求不是十分嚴(yán)格，所以應(yīng)用 PI控制就可以很好的完成控制要求。對(duì)于 PI控制器的參數(shù)整定有多種方法，如臨界比例度法，衰減曲線法， PID 歸一參數(shù)法等方法。但是在工業(yè)中最長(zhǎng)使用的是經(jīng)驗(yàn)法。這種方法是工人師傅幾十年操作經(jīng)驗(yàn)的積累，逐步的反復(fù)的試湊，最后得到控制器的適合參數(shù) [13]。 變頻調(diào)速裝置在風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用 風(fēng)機(jī)的流量，運(yùn)行壓力，軸功率這三個(gè)基本參數(shù)與轉(zhuǎn)速的運(yùn)算公式及其復(fù)雜，同時(shí)風(fēng)機(jī)類負(fù)荷隨環(huán)境變化參數(shù)也隨之變化。在工程中一般根據(jù)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行曲線，進(jìn)行大致的參數(shù)運(yùn)算，通過改變風(fēng)機(jī)的管網(wǎng)特性曲線來實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)；通過改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)。取代曾經(jīng)依靠擋板改變流量的方式，達(dá)到節(jié)能效果：精確的調(diào)節(jié)速度和流量，保證工藝質(zhì)量；接受計(jì)算機(jī)的模擬或數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；動(dòng)態(tài)性能好，可實(shí)現(xiàn)“軟”啟動(dòng)。變頻裝置的特性保證了電機(jī)啟動(dòng)和加速時(shí)具有消除啟動(dòng)對(duì)電機(jī)的沖擊，可 以提高電機(jī)和機(jī)械的使用壽命。 25 變頻調(diào)速裝置的工作特點(diǎn) 系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（ 1）采用數(shù)字化控制，控制方法簡(jiǎn)單，人機(jī)界面友好，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)控制方式和聯(lián)網(wǎng)控制方式相互補(bǔ)充，可以實(shí)現(xiàn)最佳的控制效果。（ 2）調(diào)制波輸出頻率可調(diào)范圍寬，可以在 1Hz～ 2KHz 之間任意連續(xù)調(diào)節(jié)，提高了控制的靈活性。（ 3）驅(qū)動(dòng)芯片 IR2233 和 SA4828 專用模塊具有緊急停止功能，一旦故障發(fā)生，專用芯片可以跳過微處理器立即停止輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使得系統(tǒng)的安全性大大提高。 變頻調(diào)速系統(tǒng)通過連續(xù)改變變頻器輸出頻率來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的連續(xù)變化，使電動(dòng)機(jī)工作在 轉(zhuǎn)差較小的范圍。風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備都是采用變頻調(diào)速技術(shù)來實(shí)現(xiàn)節(jié)能的。這是一種理想調(diào)速控制方式，即提高了設(shè)備效率，又滿足了生產(chǎn)工藝要求，并且因此而大大減少了設(shè)備的維護(hù)、維修費(fèi)用，還降低了停產(chǎn)周期。直接和間接經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。 變頻調(diào)速的硬件部分 以 PIC16F877 單片機(jī)為核心的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要由高性能微處理器 PIC16F877 及 PWM 波專用發(fā)生芯片 SA4828 和智能驅(qū)動(dòng)芯片 IR2233 組成。 圖 431 驅(qū)動(dòng)芯片 IR2233 連接電路圖 26 系統(tǒng)的主要部件和功能： （ 1） IR2233 是 IR公司生產(chǎn) 的專為高壓、高速功率 IGBT 門極驅(qū)動(dòng)而設(shè)計(jì)的功率驅(qū)動(dòng)器件，是輸出高壓柵極智能驅(qū)動(dòng)模塊。其應(yīng)用電路如圖431 所示。此電路可將直流電壓 +DC 逆變?yōu)槿嘟涣鬏敵鲭妷海?U、 V、 W） 。直流電壓 +DC 來自三相橋式整流電路。逆變電路功率元件使用耐壓值為1200V 的 IGBT 元件 GPH50KD2。 經(jīng)過光電隔離的 PWM 信號(hào)直接輸入到 IR2233 中，并由它來驅(qū)動(dòng)高電壓、高速率的功率元件，光電隔離電路如圖 432 所示。 圖 432 光電隔離電路圖 由于六路隔離電路完全一樣，所以在此僅顯示了一路隔離電路，該驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部 集成了互相獨(dú)立的 3 組半橋驅(qū)動(dòng)電路，可為橋臂提供死區(qū)時(shí)間，特別適合于三相電源變換等方面的應(yīng)用，芯片的輸入信號(hào)與 5V 的 CMOS 或LSTTL 電路輸出信號(hào)兼容，因此可直接驅(qū)動(dòng)，而且內(nèi)部集成了獨(dú)立的運(yùn)算放大器，可通過外部橋臂電阻、取樣電流構(gòu)成模擬反饋輸入；具有故障電流保護(hù)功能和欠電壓保護(hù)功能，可關(guān)閉 6 個(gè)輸入通道。 （ 2） SA4828 是由英國(guó) MITEL 公司專門為電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)的三相PWM 波形發(fā)生器，其本身功能要比其它同類產(chǎn)品，如英國(guó) Mullard 公司生產(chǎn)的 HEF4752 和德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的 SLE4520 功能強(qiáng)大的多 ， SA4828的主要特點(diǎn)有： (1)具有增強(qiáng)型微處理器接口，可與多種型號(hào)單片機(jī)兼容； (2)SA4828 是全數(shù)字控制芯片，載波頻率最高可達(dá) 24kHz，輸出的調(diào)制 27 波頻率最高為 4kHz； （ 3）將調(diào)制波頻率的分辨率提高到 16 位。 （ 4）由于采用了可由用戶選擇的三相幅值獨(dú)立控制方式，因此使得三相逆變器可用于任意不對(duì)稱負(fù)載。 (5)內(nèi)置“看門口”定時(shí)器以加強(qiáng)控制，從而提高了可靠性。 (6)有 3種可供選擇的輸出波形，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)合。 SA4828 引腳功能介紹： SA4828 引腳圖 如圖 433所示，大體可分為三類 信號(hào)： （ 1）與單片機(jī)的接口信號(hào)： AD0～ AD WR、 RD、 ALE 可直接與地址、數(shù)據(jù)復(fù)用的單片機(jī)相連。此時(shí)總線選擇信號(hào) MUL 接 +5V，地址 /數(shù)據(jù)、引腳 RS 不用。 （ 2）輸入信號(hào)： CS片選信號(hào)。 CLK 時(shí)鐘信號(hào)，最高頻率為 。 RESET 復(fù)位信號(hào)，禁止輸出 。 SET TRIP 關(guān)斷信號(hào)，高電平時(shí)刻快速關(guān)斷全部 SPWM 信號(hào) （ 3）輸出信號(hào) RT、 YT、 BT 控制三相逆變橋的三個(gè)上橋臂的開關(guān)管。 RB、 YB、 BB 控制三相逆變橋的三個(gè)下橋臂的開關(guān)管。 它們是標(biāo)準(zhǔn)的 TTL 信號(hào)，有 12mA 的驅(qū)動(dòng)能力，可直接驅(qū)動(dòng)光耦。 ZPPR 輸出調(diào)制波的頻率。 WSS 輸出采樣波形。 TRIP 封鎖狀態(tài)， SET TRIP 有效時(shí)，該引腳為低電平表明輸出已被封鎖，可接 LED 指 示燈。 28 圖 433 SA4828 引腳圖 29 第 5章軟件的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中軟件要解決的問題是用氣體傳感器檢測(cè) CO 和 NOx 濃度的信號(hào)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)處理、濃度顯示，以及報(bào)警器報(bào)警。 主流程設(shè)計(jì)圖 TLC2543 對(duì)傳感器檢測(cè)的氣體濃度進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，單片機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行低通濾波、數(shù)據(jù)處理后，濃度顯示、以及報(bào)警。 主程序設(shè)計(jì)圖如圖 5— 1 所示： 開 始程 序 初 始 化數(shù) 據(jù) 采 集數(shù) 據(jù) 處 理是 否 超 過 設(shè) 定值結(jié) 束 按 鍵結(jié) 束控 制 子 程 序YNNY 圖 51 主程序設(shè)計(jì)流程圖 30 濾波子程序設(shè)計(jì) 一般微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)前向通道中，輸入信號(hào)均含有各種噪音和干擾，它來自被測(cè)信號(hào)源，傳感器，外界干擾等。為了進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量和控制，必須消除信號(hào)中的噪音和干擾，噪音有兩大類：一類為周期性的，另一類為不規(guī)則隨機(jī)性的，對(duì)于前者，采用硬件濾波電路能有校的消除其影響。 讀 取 數(shù) 值有 效 值 計(jì) 算生 成 一 階 低 通 頻 率 相 應(yīng)曲 線結(jié) 束開 始 圖 52 數(shù)字濾波程序流程圖 所謂數(shù)字濾波，就是通過程序計(jì)算或判斷來減少干擾在有用信號(hào)中的比重，實(shí)際是一種程序?yàn)V波。在數(shù)字信號(hào)的處理中，濾波占有極其重要的地位。與模擬濾波相比，數(shù)字濾波盡管在時(shí)間上存在延遲，但仍具有很多突出的優(yōu)點(diǎn)，它可以滿足濾波器對(duì)幅度和相位特性的嚴(yán)格要求，可以避免模擬濾波器無法克服的電壓漂移、溫度漂 移和噪聲等問題。另外數(shù)字濾波除了具有穩(wěn)定性好、精度高、不受環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)外，還具有靈活性好的特點(diǎn)。用單片機(jī) 31 實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波可通過修改濾波器的參數(shù)方便的改變?yōu)V波 。 目前數(shù)字濾波的方法較多，如限幅濾波、中位值濾波法、算數(shù)平均濾波法、遞推平均濾波法、中位值平均濾波法等。 所謂限幅濾波法，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，確定兩次采樣允許的最大偏差值 A，每次檢測(cè)到新值時(shí)判斷：如果本次值與上次值之差小于等于 A，則本次值有效，如果本次值與上次值之差大于 A，則本次值無效，放棄本次值，用上次值代替本次值。為了能有效的克服偶然因素引起的波動(dòng)干擾和隨機(jī) 干擾信號(hào)，可擦除由脈沖干擾所引起的采樣偏差值，所以本次設(shè)計(jì)采用數(shù)字濾波法。 數(shù)據(jù)處理 本次設(shè)計(jì)采用的是 MGS1100 傳感器的溫度是隨著可燃?xì)怏w濃度的升高而線性升高的，因此輸入單片機(jī)的電壓由溫度值轉(zhuǎn)換也是隨之升高的。如圖 確 定 溫 度 與 氣 體 濃 度的 線 性 函 數(shù)將 溫 度 轉(zhuǎn) 化 為 電 壓 值然 后 濾 波 讀 取求 出 對(duì) 應(yīng) 濃 度 值 送 入液 晶 屏 顯 示開 始 圖 53 數(shù)據(jù)處理流程圖 32 顯示子程序設(shè)計(jì)流程 液晶顯示器與單片機(jī)的接口電路控制程序設(shè)計(jì)流程圖如圖 541 所示 ： 程 序 初 始 化初 始 化 液 晶 控 制 器調(diào) 液 晶 顯 示 控 制 子 程 序判 斷 顯 示 類 型子 程 序 返 回開 始 圖 541 顯示子程序流程圖 報(bào)警子程序的設(shè)定流程圖如圖 542 所示： 33 讀 取 氣 體 濃 度 值是 否 大 于 報(bào) 警 值啟 動(dòng) 報(bào) 警 值返 回 監(jiān) 控 狀 態(tài)YN開 始 圖 542 報(bào)警控制程序流程圖 34 結(jié) 論 本設(shè)計(jì)從硬件和軟件 兩方面對(duì)煤礦井下防爆柴油機(jī)尾氣監(jiān)測(cè)及自動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)以及報(bào)警裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)采集、信號(hào)轉(zhuǎn)換，單片機(jī)控制，液晶顯示器顯示，聲光報(bào)警，電源電路設(shè)計(jì)幾個(gè)環(huán)節(jié)。通過檢測(cè) CO 濃度傳感器 MGS1100 和檢測(cè)氮氧化合物的檢測(cè)儀 M314919 的檢測(cè)，并通過TLC2543 使模擬量轉(zhuǎn)換成被主控單元 PIC16F877 識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。PIC16F877 對(duì)信號(hào)進(jìn)行三方面的處理：一方面通過對(duì) 12864 對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描使氣體濃度值實(shí)時(shí)顯示出來，第二方面與通風(fēng)系統(tǒng)相連當(dāng) CO 或者氮氧化合物氣體只要有一種達(dá)到濃度值上限時(shí)便使通風(fēng)系統(tǒng)加 大通風(fēng)量，第三方面當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，報(bào)警電路便進(jìn)行聲光報(bào)警。 在此設(shè)計(jì)中 TLC2543 是集采集與轉(zhuǎn)換信號(hào)于一體的芯片，這直接為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提高了很多的效率。同時(shí)本次設(shè)計(jì)也有很多不足，由于 CO 與 NOx化合物的有效監(jiān)測(cè)值很小，難免由于外界因素干擾而產(chǎn)生誤差，但是根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》對(duì)井下各點(diǎn)有害氣體濃度規(guī)定的設(shè)計(jì)，足以滿足使用要求 [14]。 本設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)、即可在礦井的采掘工作面、回風(fēng)巷道定點(diǎn)使用，也可供通風(fēng)管理人員、流動(dòng)作業(yè)人員攜帶使用。對(duì)于煤礦井下操作防爆柴油機(jī)的作業(yè)人員及時(shí)得知所處環(huán)境的 CO 以及 NOx 化 合物的濃度并采取措施起很大作用。 35 致 謝 在做此畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，我得到了王麗老師的悉心指導(dǎo)，在王老師的指導(dǎo)下明確了自己的研究方向研究方法，使得最終的設(shè)計(jì)能夠順利的完成。王老師淵博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)風(fēng)范、敏銳的開拓思維和勇于創(chuàng)新的精神將使我終身受益。從指導(dǎo)老師身上我不僅學(xué)到扎實(shí)寬廣的專業(yè)知識(shí)，也學(xué)到做人的道理。在論文的研究中給予我太多的幫助，她一絲不茍的作風(fēng)一直是我學(xué)習(xí)的榜樣。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到順利完成，有多少可敬的師長(zhǎng)、同學(xué)、朋友給了我無言的相助，最后向我的 指導(dǎo)老師致以最崇高的敬意和衷心的感謝。感謝老師和同學(xué)們對(duì)我的幫助，感謝培養(yǎng)我四年的母校。 36 參考文獻(xiàn) [1]王斌，張翠平，趙明崗 .煤礦用防爆柴油機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) [A].礦山機(jī)械， 20xx， 143. 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