【正文】 感謝老師和同學(xué)們對我的幫助，感謝培養(yǎng)我四年的母校。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。王老師淵博的學(xué)識、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。對于煤礦井下操作防爆柴油機(jī)的作業(yè)人員及時得知所處環(huán)境的 CO 以及 NOx 化 合物的濃度并采取措施起很大作用。同時本次設(shè)計也有很多不足，由于 CO 與 NOx化合物的有效監(jiān)測值很小，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》對井下各點(diǎn)有害氣體濃度規(guī)定的設(shè)計，足以滿足使用要求 [14]。PIC16F877 對信號進(jìn)行三方面的處理：一方面通過對 12864 對數(shù)碼管進(jìn)行動態(tài)掃描使氣體濃度值實時顯示出來，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，報警電路便進(jìn)行聲光報警。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 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)計流程 液晶顯示器與單片機(jī)的接口電路控制程序設(shè)計流程圖如圖 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 警 值啟 動 報 警 值返 回 監(jiān) 控 狀 態(tài)YN開 始 圖 542 報警控制程序流程圖 34 結(jié) 論 本設(shè)計從硬件和軟件 兩方面對煤礦井下防爆柴油機(jī)尾氣監(jiān)測及自動通風(fēng)系統(tǒng)以及報警裝置進(jìn)行了設(shè)計，包括數(shù)據(jù)采集、信號轉(zhuǎn)換，單片機(jī)控制，液晶顯示器顯示，聲光報警，電源電路設(shè)計幾個環(huán)節(jié)。為了能有效的克服偶然因素引起的波動干擾和隨機(jī) 干擾信號，可擦除由脈沖干擾所引起的采樣偏差值，所以本次設(shè)計采用數(shù)字濾波法。 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。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)。在數(shù)字信號的處理中，濾波占有極其重要的地位。為了進(jìn)行準(zhǔn)確的測量和控制，必須消除信號中的噪音和干擾，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，對于前者，采用硬件濾波電路能有校的消除其影響。 主流程設(shè)計圖 TLC2543 對傳感器檢測的氣體濃度進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，單片機(jī)對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行低通濾波、數(shù)據(jù)處理后，濃度顯示、以及報警。 TRIP 封鎖狀態(tài)， SET TRIP 有效時，該引腳為低電平表明輸出已被封鎖，可接 LED 指 示燈。 ZPPR 輸出調(diào)制波的頻率。 RB、 YB、 BB 控制三相逆變橋的三個下橋臂的開關(guān)管。 RESET 復(fù)位信號，禁止輸出 。 （ 2）輸入信號： CS 片選信號。 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： （ 1）與單片機(jī)的接口信號： 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。 (5)內(nèi)置“看門口”定時器以加強(qiáng)控制，從而提高了可靠性。 （ 2） SA4828 是由英國 MITEL 公司專門為電機(jī)控制電路設(shè)計的三相PWM 波形發(fā)生器，其本身功能要比其它同類產(chǎn)品，如英國 Mullard 公司生產(chǎn)的 HEF4752 和德國西門子公司生產(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。 經(jīng)過光電隔離的 PWM 信號直接輸入到 IR2233 中，并由它來驅(qū)動高電壓、高速率的功率元件，光電隔離電路如圖 432所示。直流電壓 +DC 來自三相橋式整流電路。其應(yīng)用電路如圖431 所示。 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)動芯片 IR2233 組成。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。 變頻調(diào)速系統(tǒng)通過連續(xù)改變變頻器輸出頻率來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的連續(xù)變化，使電動機(jī)工作在 轉(zhuǎn)差較小的范圍。（ 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。變頻裝置的特性保證了電機(jī)啟動和加速時具有消除啟動對電機(jī)的沖擊，可 以提高電機(jī)和機(jī)械的使用壽命。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)特性曲線來實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)；通過改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)。這種方法是工人師傅幾十年操作經(jīng)驗的積累，逐步的反復(fù)的試湊，最后得到控制器的適合參數(shù) [13]。對于 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。根據(jù)控制系統(tǒng)的目標(biāo)需求，隊控制軟件進(jìn)行合理的劃分，再采用模塊化的設(shè)計原則，確定各個模塊所要完成的功能，整個控制軟件完成數(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，整個單片機(jī)系統(tǒng)不但起到了控制作用而且充當(dāng)簡單的上下位機(jī)的作用。本選用以單片機(jī) PIC16F877 為核心、以 PWM 波專用發(fā)生芯片為主體、 24 同時運(yùn)用了智能化驅(qū)動芯片 IR2233 的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。對于現(xiàn)實PWM 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的要求越來越高、高頻化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、安全化成為其發(fā)展方向。在變頻 調(diào)速控制系統(tǒng)中產(chǎn)生可調(diào)電壓和可調(diào)頻率的逆變電路控制技術(shù)是變頻調(diào)速的核心技術(shù)。 變頻調(diào)速是現(xiàn)代微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)。 因此風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)對節(jié)能和提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的意義，只有保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，才能保證煤礦井下工人在通風(fēng)良好的環(huán)境下工作。風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時，電機(jī)處于大馬拉小車狀態(tài)，造成極大的能源浪費(fèi)。 22 圖 38 LCD12864 管腳圖 LCD 芯片的各個管腳功能特性如表 所示。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件結(jié)構(gòu)或顯示程序都要 簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊?？梢燥@示 8 4 行， 16 16 點(diǎn)陣漢字，也可完成圖形顯示。 在此系統(tǒng)設(shè)計中選擇 LCD12864，此模塊是一種具有 4 位或 8 位并行、2線或 3 線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為 128 8192 個 16 16 點(diǎn)漢字，和 128 個 16 8 點(diǎn) ASCⅡ 字符集。即用電壓的高低控制光的通過量，從而把電信號轉(zhuǎn)化成光像。當(dāng)外部光線通過液晶分子時，液晶分子的排列扭曲狀態(tài)不同，使光線通過的多少就不同，實現(xiàn)了亮暗變化，可重現(xiàn)圖像。在這里采用 LCD 液晶顯示電路。 本次設(shè)計通過紅色的 LED 發(fā)光二極管和一個蜂鳴器進(jìn)行報警 [11]。 20 因為其控制電路原理如圖 371 所示： 圖 371 光報警電路圖 聲光 動 報警器件 的 發(fā)光器件常用 發(fā) 光二極管。這種報警信號，通常有 兩 種類型：一是閃光報警，因為閃動的指示燈更能提醒人們注意；二是鳴音報警，發(fā)出特定的鳴音 ，作用于人的聽覺器官，易于引起和加強(qiáng)警覺，以上這 兩 種報警統(tǒng)稱聲光報警。 AD590 溫度傳感器不但可將溫度轉(zhuǎn)化成線性化電量進(jìn)行測量、而且具有精度高、應(yīng)用方便的特點(diǎn) [10]。 圖 36 軸承測溫電路圖 如圖 36為測量電機(jī)軸承溫度電路，整個電路系統(tǒng)主 要由集成溫度傳感器AD590、放大器芯片 LM32穩(wěn)壓管及一些電阻組成。 AD590 的測溫范圍是 55℃ —— +150℃，非線性誤差僅為 ℃～ +℃，而電機(jī)軸承最高溫度也在此范圍內(nèi)。集成溫度傳感器是將溫敏與相應(yīng)的輔助電路集成在同一塊芯片上， 它能直接給出正比于絕對溫度的理想線性輸出。輕則使?jié)櫥♂屄┏?,重則將軸承損壞 ,給用戶造成經(jīng)濟(jì)損失。 圖 35 ADXL202E 應(yīng)用電路圖 電機(jī)軸承溫度檢測電路 電動機(jī)運(yùn)行時 ,軸承外圈允許溫度不應(yīng)超過 95℃ ,如果超過這個值就是電動機(jī)軸承溫度過高 ,也稱電動機(jī)軸承發(fā)熱。使用 1008電阻或磁珠串聯(lián)在 ADXL202E 的電源線上可提供更好的電源去藕效果 。它可測量 X 軸和 Y 軸兩相互正交方向上、平行于芯片平面的加速度矢量，包括動態(tài)加速度（如振動）和靜態(tài)加速度（如引力），它有模擬和數(shù)字兩種接口，每種接口 18 都輸出 X 軸和 Y 軸 2 路振動信號。 傳感器是從機(jī)的核心，它的特性和接口方式?jīng)Q定了從機(jī)的硬件和軟件設(shè)計。 17 圖 3422 TLC2543 與 CPU 連線 圖 電機(jī)振蕩監(jiān)測系統(tǒng)電路設(shè)計 發(fā)電機(jī)運(yùn)行異?？梢詮臄?shù)據(jù)上體現(xiàn)出來，根據(jù)振動信號進(jìn)行監(jiān)測與診斷是目前風(fēng)機(jī)設(shè)備維護(hù)管理的主要手段，振動系統(tǒng)由從機(jī)和主機(jī)兩部分組成，從機(jī)即傳感器模塊安裝在風(fēng)機(jī)的表面和內(nèi)部，負(fù)責(zé)對振動數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、濾波和標(biāo)定，并將數(shù)據(jù)上傳主機(jī)。作為輸入輸出的時鐘端的 I/O CLOCK 接受串行輸入信號。其 中 EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束端。引腳DATAINPUT 為串行數(shù)據(jù)輸入端。 11 路輸入信號由內(nèi)部多路器選通。 它將多路開關(guān)、基準(zhǔn)電源，內(nèi)部時鐘等集成于一個芯片內(nèi)，大大提高了 集成性與 可靠性，此部分電路將信號輸入電路傳來的信號進(jìn)行 A/D 變換，將模擬輸入量變成數(shù)字量， 送 給單 16 片機(jī) 進(jìn)行處理。 1LSBmax。 TLC2543 有十一路模擬輸入通道， 在工作溫度范圍內(nèi) 10us 轉(zhuǎn)換時間， 3路內(nèi)置自測試方式；采樣率為 66kbps。 TLC2543 是 TI 公司的 12 位串 行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過程。 A/D 轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由采樣保持器，多路開關(guān)和 A/D轉(zhuǎn)換器所組成。一階低通濾波器的傳遞函數(shù)為： ? ? ? ?? ?01011VsT s AsVs W?? ? 式中 A 為運(yùn)放的放大倍數(shù)，若令 S=jw, W0=1/RC=2π?0 15 ? ?011/pT j f f? ? 式中 ?P為截止頻率， ?P=?0=1/2πRC 其頻率響應(yīng)特性如圖 3342 所示： 圖 3342 一階低通頻率響應(yīng)特性圖 從圖可以看出一階低通濾波器的衰減斜率為 20dB/+倍頻程。 ，還可以將信號放大，而且放大倍數(shù)容易調(diào)節(jié)。 ，使輸入阻抗很高，輸出阻抗很低。所以 RC 濾波電路的性能較差。 LC 濾波電路有較好低通濾波特性，但電感的重量和體積過大，既不容易制作而且成本也高，有時還需要加 磁屏，給制造和安裝帶來 14 不便。 濾波電路分為無源濾波電路和有源濾波電路。在另外一些場合，我們需要的信號和別的信號混在一起，應(yīng)當(dāng)設(shè)法把前者挑選出來。額定輸出電壓 5V，電 流 25mA。 本次設(shè)計選用的電壓互感器的型號為 JLBV11，此電壓互感器采用的是閉環(huán)零磁通磁平衡式，電壓直接輸入的工作原理。當(dāng)二次負(fù)載阻抗減小時，二次電流增大，使得一次電流自動增大一 13 個分量來滿足一、二側(cè)之間的電磁平衡關(guān)系。電壓互感器雖然也是按照電 磁感應(yīng)原理工作的設(shè)備，但是它的電磁機(jī)構(gòu)關(guān)系與電流互感器相比正好相反。輸入額定電流為 5A，額定輸出電流為 。 本設(shè)計采用微型 CT 作為系統(tǒng)電器參量的采集與系統(tǒng)隔離，防止系統(tǒng)干擾的侵入。通過運(yùn)算放大器將電流信號轉(zhuǎn)化成電 壓信號，調(diào)節(jié)反饋電阻的值在輸出端得到所要求的電壓輸出。（將很大的一次電流轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的5安培； 為測量裝置和繼電保護(hù)的線圈提供電流； 對一次設(shè)備和二次設(shè)備進(jìn)行隔離。電流互感器把大電流按一定比例變?yōu)樾‰娏鳎峁└鞣N儀表使用和繼電保護(hù)用的電流，并將二次系統(tǒng)與高電壓隔離。 15V 電源電路設(shè)計如圖 323 所示： 圖 323 15V 電源設(shè)計圖 電流、電壓、采集電路的設(shè)計 電流互感器和電壓互感器在電路中的作用就是“檢測元件”，我們對大 12 電流和高電壓直接測 量起來不方便、也不安全，就開發(fā)了這種電器當(dāng)作人們的“眼睛”，隨時監(jiān)視著電路的電流和電壓。如果能夠提供足夠 11 的散熱片，它就能提供大于 的輸出電流 。 5V 電源電路設(shè)計如 321 所示： 圖 321 5V 電源設(shè)計圖 此電源電路采用 LM7805 芯片，它采用的是三端正電源穩(wěn)壓電路。這些特性都是使 PIC