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34 2014.18网络与信息工程 矿用排水监控系统的分析 徐维泽,程 海,燕 斌,王昊星,孙 乐 （中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西西安，710077） 摘要： 针对国内各大煤矿的需求， 设计了一种基于ATmega16的矿用排水监控系统， 该系统由信号采集模块、 can总线通讯模块、 电源模块、I/O 控制模块、 上位机模块组成， 实现了水压、 流量、 温度实时监测以及水泵启停控制等功能， 并配以自行设计的上 位机显示界面， 使整套开发系统兼备可视化与实时性的双重要求。 关键词 ： Atmega16 ； 水压 ； can 总线通讯 ； 监控 中图分类号 :TP216 文献标识码 :A Research on mine drainage control system Xu Weize,Cheng Hai,Yan Bin,Wang Haoxing,Sun Yue (Xi’an Research Institute of China Coal Technologywater pressure;can bus communication;real-time monitoring and controlling 0 引言 近年来， 随着我国煤炭行业的迅猛发展， 在追求煤炭高产量 的同时矿井灾害的预防也显得愈发的迫切， 在灾害事故中透水 事故占煤矿易发事故比例较大， 因此合理有效的预防透水事故发 生是保护工人安全作业的重要保证， 其中对于钻孔水压、 温度， 以 及明渠流量与管道流量的监测是预防透水事故发生的重要指标。 因此本篇论文以精确测量钻孔水压为核心， 通过对水压参数的监 测， 间接控制水箱中潜水泵的启停状态， 达到水文监测与控制的 双重目的。 同时， 上位机显示界面采用 SQL 数据库与 Delphi,C# 进行设 计， 界面友好， 易于操作。 不仅能实时显示数据变化， 而且还能对 数据进行存储， 绘制曲线， 打印报表等， 当发生故障时， 还可以及 时进行声光报警等。 综上， 从功能方面考虑， 该系统上位机与下位机均已达到煤 矿要求， 从安全方面考虑， 根据国家煤矿安全标准， 对其所规定的 监测项目进行相关实验， 实验结果表明系统在恶劣条件下工作安 全稳定， 因此该系统不仅在功能上满足要求而且在安全性能上也 满足要求， 为煤矿的安全生产提供强有力的保证。 1 矿用排水监控系统整体结构 矿用排水监控系统在设计上采用了模块化思想 , 由传感器 模块 （水压、 温度、 流量） 、 信号采集模块、CAN 总线通讯模块、 电 源模块、I/O 隔离模块、 主机与从机模块、 上位机显示模块组成， 系统结构框图如图 1 所示。 图 1 系统结构框图 主机的功能为 ： 向从机发送命令， 命令主要分为三种 ： 1、 控 制从机采集数据时间间隔 ； 2、 控制水泵启停 ； 3、 选择从机编号。 从机功能为： 采集4-20mA信号并对所采集的信号进行判断， 若达到上限值则进行启泵操作。 CAN 通讯模块的功能为 ： 将串口 232 协议转换成 CAN 信号协 议， 它是不同协议之间转换的一个桥梁。 35 2014.18网络与信息工程 其整体工作流程为 ： 首先， 上位机通过主机与 CAN 通信模块 向从机发送命令， 即选择从机编号， 当对应从机收到命令后则进 行电信号采集， 采集后进行判断比较， 如果达到上限则开启水泵 抽水， 直到抽取到设定下限位置， 相应的数据会通过 CAN 通信模 块与主机返回给上位机。 流程如图 2 所示。 图 2 工作流程图 同时， 上位机将接收到的数据存入 SQL 数据库中进行保存， 在主显示界面实时在线显示水压、 温度、 流量等数据信息， 根据用 户需要也可用曲线的方式进行显示， 并进行报表打印。 主机从机控制器如图 3 所示。 主机从机 图 3 主从控制器 2 矿用排水监控系统的硬件设计 2.1 ATmega16 的结构和性能特点 1997 年， 美国 ATMEL 公司挪威设计中心处于市场需求的考 虑， 将先进的 Flash 技术与 8051 单片机集合从而推出了全新配 置的精简指令集 8 位单片机， 简称为 AVR 单片机。ATmega16 是 该公司在 2002 年推出的一款新型 AVR 高档单片微处理器。 其主要的优点为 ： 1） 芯片本身自带 1kB 的 SRAM 数据存储器、16kBFlash 程序 存储器、512B 的 EEPROM。 2） 集成丰富的外设， 看门狗电路、I2C、SPI、RTC 以及 8 通 道 10 位 A/D 转换、PWM 发生器等 ； 3）I/O 驱动能力强， 可直接驱动 LED。 4) 采用 RISC 指令系统 CPU， 采用哈佛结构的流水线技术。 2.2 电源模块 由于井下要求为防爆电源， 为 127V 交流电， 所以选用深圳星 德科技 KDW0.1/660 型号的电源， 此电源输出为 18V 与 12V，18V 为传感器电源，12V 为控制器电源， 由于 ATmega16、CTM8251T、 SJA1000 所需电压均为 5V， 所以 DC-DC 模块选择 MORNSUN 公司的 PWB2405CS-2W 型号。 其外接电路如下 ： C1、 C2 为 10uF,Cout 为 100uF, 根据实际情况此电阻可不接， 3 脚电路也可不接 （R） 图 4 电源电路原理图 2.3 键盘模块和显示模块 通过键盘模块设置相关参数， 如传感器线长、 水位标高等， 并 将这些工作参数存储于 Atmega16 的数据存储器中。 当下次使用 时 , 不需要用户再次输入相关参数 , 使该系统具有记忆功能。 显示模块采用 PC 机， 正常运行时显示水位、 温度、 流量、 电源 供电情况、 串口使用以及波特率的设置情况。 发生故障时以模块 化进行显示、 如 AD 模块是否工作、 电源模块是否供电、 通讯模块 是否正常等， 以便于在出错的情况下进行维修， 并且当串口线接 触不严的情况下， 采用声光报警， 以提醒人们进行连接。 2.4 I/O 隔离模块 IDP1404LD 是广州周立功推出的数据通道和电源通道双隔 离的 I/O 隔离模块 （IDP 系列） 。 根据其自身的特点主要应用在输 入输出需要信号隔离和电源隔离的情况， 例如时钟信号隔离， 数 字信号隔离，GPIO 隔离。 IDP 系列 I/O 隔离模块具有隔离特性好， 共模抑制能力强， 体积小巧、 使用温度范围宽， 简单易用等特点， 其电路原理图见图 5。 图 5 I/O 隔离模块原理图 36 2014.18网络与信息工程 2.5 CAN 通讯模块 CAN 通 信 模 块 采 用 SJA1000+CTM8251T 的 芯 片 组 合。 CTM8251T 是一款带隔离通用 CAN 收发芯片， 该芯片内部集成了 所有必需的 CAN 隔离及收、 发器件， 这些都被集成在不到 3 平方 厘米的芯片上。 芯片的主要功能是将 CAN 控制器的逻辑电平转换 为 CAN 总线的差分电平， 并且有 DC2500V 的隔离功能。 2.6 信号采集模块 ZCM2000 系列隔离变送器， 是一种前级 4-20mA 电流信号输 入， 后级多种类型信号输出的有源信号隔离变送器。 内部采用电 磁隔离技术， 实现 4-20mA 标准信号的高精度线性度隔离。 模块内 部嵌入一个高效微功率电源， 可以向信号输入级提供一路隔离电 源。ZCM20XX 系列模块电源输入、 信号输入、 信号输出与配电输 出相互隔离， 隔离电压高达 3000V DC， 精度和线性度达到 0.1%。 其电路原理图以 ZCM2001D 为例如图 6 所示。 图 6 信号调理模块原理图 2.7 硬件电路改进 1) 针对电路接触不严等问题， 采取 PCB 板代替实验板， 并在 PCB 制板过程中采取了抗干扰措施， 例如数字地和模拟地分开布 线 ； 电源线和地线独占一层 ； 采用 0 欧电阻进行隔离 ； 合理配置 去耦电容等。 2) 针对微处理器死机、 复位等问题， 采取软硬相结合的措 施。 硬件方面 ： 采用光电隔离技术 ； 软件方面 ： 关键出口验证 ； 设 置标志位 ； 在 RAM 中设定上电复位标志 ； 对通信发送指令等采用 指令冗余技术。 3 矿用排水监控系统的软件设计 3.1 下位机主程序设计 矿用排水监控系统的软件设计也采用模块化的思想， 用 C 语 言编程实现。 软件的各个功能模块之间通过入口和出口参数相互 联系， 可以缩短开发周期。 以下分别为水泵启停中断服务函数如 图 7 所示、 启泵状态检测函数如图 8 所示以及主程序流程图如图 9 所示。 图 8 启泵状态检测函数 图 7 水泵启停中断服务函数 图 9 主程序流程图 （下转 3 页） 3 2014.18设计与研发 （上接 36 页） 用中， 尤其要注重从三维效果的角度来进行园林规划设计， 这样 更能够体现出园林规划设计的特色。 3.4 推动观赏价值与商业价值融合 观赏价值是园林能否吸引公众的关键， 而商业价值则是园林 能否得到长期发展的重要因素。 在基于 AutoCAD 设计的电子沙盘 应用中， 除了注重设计的美感、 整体效果之外， 还应该注重园林规 划设计的商业价值， 使之更符合现代商业交流的审美价值取向， 这样才能够为园林带来更多的商业价值， 使之促进园林经济价值 的实现， 进而带动园林所在区域的经济发展， 从而推动园林规划 设计运用到更多先进的设计软件。 4 结束语 基于 AutoCAD 设计的电子沙盘应用的园林规划设计， 能够 将园林更好地展现出来， 让公众不只能够看到园林的植物搭配， 而且还能够让公众更为深入地看到园林景观设计的内涵、 文化价 值与商业价值， 这些在现代社会显得尤为重要。 在 AutoCAD 设计 的电子沙盘应用中， 除了要在具体的园林植物搭配方面运用相应 的技巧之外， 在文化内涵、 观赏价值、 商业价值以及辅助材料等方 面， 都应该考虑到园林规划设计的范畴之内， 这样能够更为直观 有效地体现出这一设计软件的特色， 使得园林规划富有更多的附 加值。 参考文献 [1] 郭岚 , 杜建丽 . 电子沙盘的概念及其制作方法的比较与分 析 [J]. 测绘科学 ,2009 （1）. [2] 余俊 . 浅析 AutoCAD 在园林规划设计中的应用 [J]. 安徽农 业科学 ,2004 （2）. [3] 左伟 . 基于 RS、GIS 技术电子沙盘的研制 [J]. 地图 ,2001 （3）. [4] 王晨光 . 风景园林专业 《电脑辅助软件应用》 课程浅析 [J]. 现代园艺 ,2012 （16）. 其主程序流程为 ： 首先， 单片机各个 I/O 口初始化，AD 采集 数据， 然后对 CAN 总线发来的信息进行判断， 如果启泵标识位为 1， 则开始启泵状态检测， 检测状态如果正常则发送采集到的数据 给主机， 如果水泵状态异常则进行停泵操作， 如果停泵标识符为 1， 则进行停泵操作， 然后发送数据给主机， 最后判断采集到的数 据是否达到水位上限值， 如果到了则进行启泵操作， 然后启泵状 态检测， 正常则发送数据， 故障则停泵。 3.2 上位机显示模块程序 系统软件基于 Windows NT 多任务、 多线程操作系统的图形 用户软件， 系统软件功能强大， 适用性强， 操作简单， 界面友好。 系 统采用 Microsoft 基于 Windows NT 数据库系统 SQL Server 管 理和维护现场实时监测数据， 系统具有极高的可靠性和运行效 率。 系统可方便地扩展到多级管理模式， 扩大系统的应用范围。 系 统实时性强， 因对所有的监测数据进行数据库管理， 系统提供快 捷、 方便、 灵活的报表打印功能以及相应的数据备份、 恢复等高级 数据库管理功能。 如图 10 所示 ： 4 结语 本次设计， 以模块化的思想对电路进行设计， 分为信号采集 模块、can 总线通讯模块、 电源模块、I/O 控制模块、 上位机显 示模块等， 经过实验室 3 个月的实验， 期间没有出现故障现象， 但 测量精度上有较小波动， 有效减小误差可以作为我们后续研究主 题， 为后续现场实验奠定基础。 参考文献 [1] 潘 朝 霞 , 殷 慧 中 , 王 毅 . 基 于 Atmega16 单 片 机 的 电 磁 敏 感 测 量 系 统 的 研 究 [J]. 自 动 化 技 术 与 应 用 ,2005,24(2):63~65. [2] 王幸之 , 翟成 , 王闪 . 单片机应用系统抗干扰技术 [M]. 北京航空航天大学出版社 ,2000:56~57 [3] 于彭波 . 电子式电能表的硬件抗干扰电路设计 [J]. 仪表技 术 ,2008,(8): 60~64. 图 10 上位机界面