乳化液泵站监测系统的设计.docx

0 前言
乳化液泵站作为液压支架的动力源，它直接影响到液压支架的工作效率并随着液压支架的发展而发展。对于乳化液泵站的研究国外进行得相对早一些，我国是从七十年代初开始的。当时煤科总院太原分院和大同矿务局合作，成功研制我国第一套液压支架，与此同时，也研制成功了公称压力为 10MPa，公称流量为 100L/min 的 RB100/10 型乳化液泵站，从而揭开了我国液压支架乳化液泵站研究发展的序幕[1]。
随着高产高效综合机械化工作面大流量电液控制液压支架的发展，乳化液泵站也不断更新换代，总的趋势是增大主要性能参数，提高结构可靠性，采用微机自动监控新技术[2]。乳化液工作压力普遍提高到 40MPa 以上，流量一般为 300L/min，最大达 500L/min。泵站的乳化液箱容积也不断增大，原伽立克乳化液箱容积达到 3785L。乳化液箱自动保护功能日益齐全。液箱上装有吸排液过滤器、磁力过滤装置和自动配液装置。泵站监控系统，通过传感器可实现液压系统流量和压力的连续监测和显示，自动控制电液卸荷阀的卸荷和加载。微机监控系统还有编程功能，可编制开停、补油、补液等程序。同时具有数据存储、故障诊断和自检记忆等功能。
目前国内外对相关泵的监测研究都较多，而且国外关于乳化液泵监控的相关产品已经研制出来，有的在我国少数煤矿得到应用，结果表明性能可靠、稳定，具有相当的实用价值。国内的大多数煤矿企业乳化液泵站在工作过程中缺乏相应的状态监测，在出现异常和故障情况时不能及时有效的停机和检修，从而给企业带来很大的浪费和损失。因而，如何将现代化的状态监测技术与乳化液泵站的这一传统的工程领域有机的结合起来，带动乳化液泵站向智能化、机电一体化方向发展，提高乳化液泵站工作时的安全性、可靠性，是当前面临的问题之一。

1 乳化液泵站监测系统总体设计
1.1 乳化液泵站基本组成
液压支架的工作液体是由乳化液泵站提供的。乳化液泵站一般由乳化液泵、乳化液箱配套而成，并具有完善的控制、过滤及安全保护。
乳化液泵一般采用卧式三柱塞往复泵的结构形式。具有工作压力高，结构简单、工作可靠、使用寿命长等特点。乳化液泵也可派生成喷雾灭尘泵，改用清水为工作介质，向工作面采煤机提供冷却水源和喷雾灭尘用水。近年来随着高压大流量乳化液泵的发展，也出现少数五柱塞式和个别变量乳化液泵。国外大功率乳化液泵的减速箱一般使用压力润滑并加装冷却风扇，而国产乳化液泵多用飞溅润滑。
乳化液箱是存储、回收、过滤和沉淀乳化液的设备，它与乳化液泵一起向工作面支架系统提供压力液体。
吸液过滤器和断路器分别用于过滤乳化液与防止乳化液箱的泄漏。

图1-1 乳化液泵站
Fig.1-1 Emulsion pump station
1.2 乳化液泵的工作原理与相关参数计算
1.2.1 乳化液泵的工作原理
根据设计要求，乳化液泵站采用卧式三柱塞往复定量泵。卧式三柱塞往复定量泵的三个柱塞水平放置，泵工作时电动机的旋转运动通过一对齿轮副减速后带动曲轴旋转，再通过连杆、十字头滑块将曲轴的旋转运动转化为柱塞在泵缸体中的往复运动。当这种曲柄连杆机构带动柱塞远离柱塞腔时为柱塞的吸液行程，这时柱塞腔内的密闭空间增大形成负压，乳化液在大气压力作用下打开吸液阀进入柱塞腔；曲柄连杆机构推动柱塞使柱塞腔容积减小时为柱塞的排液行程，乳化液在柱塞推力作用下打开排液阀进入支架液压系统。曲轴旋转一周完成柱塞的一个往复行程，即完成该柱塞的一个吸排液过程。卧式三柱塞泵的结构示意图如图 1-2。

图 1-2 柱塞泵的结构示意图
Fig.1-2 Ram pump's structure schematic drawing
1－曲轴 2－十字滑块 3－齿轮箱 4－电机 5－柱塞 6－单向阀

1.2.2 乳化液泵站相关参数计算
1) 乳化液泵理论排量、理论流量、流量脉动计算
(1) 理论排量 曲轴旋转一周柱塞缸体内容积的变化值称为泵的理论排量，试验中常把曲轴一转中泵空载时排出液体的体积当作理论排量。泵的理论排量可用下式计算：
（1-1）
式中：d 柱塞直径( cm )；r 曲柄半径( cm )；Z 柱塞数目
(2) 理论流量 泵无负载的情况下每分钟输出液体的体积称为泵的理论流量。
（1-2）
式中： 曲轴转速
实际流量 泵有负载时每分钟输出液体的体积称为泵的实际流量。
（1-3）
式中：泵的容积效率
(3) 流量脉动 实际上泵的流量并不是均匀的。由于柱塞的运动速度随时间成正弦变化，且泵压出区同时工作的柱塞数目也在变化，因此泵的流量也将瞬息变化，流量存在着脉动。为了度量流量脉动的大小，引入流量脉动率：
（1-4）
式中： 乳化液泵流量脉动率； 乳化液泵最大瞬时流量；
乳化液泵最小瞬时流量；乳化液泵的时间平均流量。
流量的脉动必然引起液压系统管道内的压力变化，从而导致压力脉动。压力和流量脉动易引起管道和阀的共振，在泵站液压系统中蓄能器就是为了削减压力和流量脉动而设置的。
2) 乳化液泵站额定压力计算
泵站压力必须满足立柱初撑力和千斤顶最大推力所要求的乳化液工作压力。若此工作压力不能兼顾时，可采用双压力供液系统。
所需的泵站工作压力为:
（1-5）
式中：根据立柱初撑力或千斤顶推力算得的工作压力
考虑从泵站到支架管路中的压力损失系数，一般取 1.1～1.2，支架管路长，且弯曲处多，应取大值。
3) 乳化液泵站流量计算
液压支架的移置速度应该大于采煤机的工作牵引速度，一般按一架支架全部立柱和千斤顶同时动作来估算所需泵站的流量，也就是乳化液泵的流量为：
（1-6）
式中：单台支架全部立柱和千斤顶同时动作所需的乳化液体积；
采煤机的最大牵引速度；
支架中心距；
考虑从泵站到支架管路泄漏损失系数，一般取 1.1～1.3。
4) 乳化液泵配套电机功率计算
驱动乳化液泵的电动机功率：
= （1-7）
式中：乳化液泵的总效率；
为乳化液泵的工作压力与流量。
5) 乳化液箱容积计算
乳化液箱应能容纳以下三部分液量：
(1) 乳化液泵 3min 的流量和箱底存液量:
=+ （1-8）
(2) 停泵时管路的最大回液流量：
= （1-9）
式中：和分别为主供液和回液管的内径和长度( cm )
(3) 煤层厚度变化造成的液量差：
= （1-10）
式中：立柱缸径； H 工作面煤层厚度变化量；
每架支架的立柱数； 同时动作的支架数。
乳化液箱的有效容积应为以上三部分之和，还应配备有足够量的副储液箱，以备清洗液箱及采高变化较大时储液用。
根据上述主要参数的计算即可进行乳化液泵站及其配套设备的选型。
1.3 乳化液泵主要元部件的结构及用途
1.3.1 传动端主要零部件
乳化液泵传动端主要包括箱体、曲轴、连杆、滑块等主要零部件。
1) 箱体
箱体是传动端主要零件之一。箱体的主要作用是：
(1) 为齿轮减速机构和曲柄连杆机构的支承定位及滑块运动导向。
(2) 承受或传递泵的作用力和力矩。往复泵中的作用力有内力如液压力、运动副摩擦力；外力如惯性力或惯性力矩两类。液力端缸体内的压力形成了对柱塞缸泵头大小相等而方向相反的作用力，作用在柱塞上的力经由柱塞、滑块、连杆、曲轴曲柄销和主轴径作用在轴承座上，而泵头体上的力经连接件作用在箱体上，因轴承座为箱体的一部分，因此这两个力在箱体上得到平衡。滑块与滑道之间的摩擦力与上述情况相似，通过箱体取得平衡。
(3) 作为液力端的支承并安装一些辅助设备。液力端泵头通过连接板与箱体连在一起，泵的辅助设备如润滑系统零部件，曲轴箱上的注油和放气装置等也装在箱体上。
(4) 作为电机、冷却风扇的支座。这种箱体的优点是：便于曲轴采用多支承结构，便于曲柄连杆机构的装、拆和维护。只要把箱盖打开，曲轴、连杆即可整体安装。缺点是：零件的数目增多，加工面增多。由于轴承座分成两个半圆，加工时必须机身、箱盖合套加工，加工量大，刚度也不如整体式箱体好。
2) 曲轴
曲轴在乳化液泵中用来把电动机的旋转运动转化为柱塞的往复运动。工作时它承受周期性的交变载荷，是曲柄连杆机构中最重要的受力零件之一。
乳化液泵用一对斜齿轮使电机主轴减速后带动曲轴。曲轴为三拐四点支承，这种曲轴的受力可简化为任意两支承间的简支梁状况，刚度和强度都较好。在相同几何尺寸的曲轴中，这种支承结构的曲轴可承受较大的柱塞力。
曲轴电机端主轴颈及曲轴中部支承颈均采用双列向心短圆柱滚子轴承支承，曲轴远离电机端加装了承载能力较大的短圆柱滚子轴承支承。如图 1-3 所示。
3) 连杆
连杆是传动端曲柄连杆机构中连接曲轴和滑块的部件。连杆的运动是一种平面运动，可以看成是沿缸体中心线移动和绕滑块销摆动的两种简单运动的合成。
连杆与曲轴相连的一头称为连杆大头，与滑块相连的一头称为连杆小头。为了便于拆装，连杆大头制成剖分式结构，即连杆大头由连杆盖和连杆体组成，并用两只连杆螺栓联结成一体。连杆螺栓加开口销防松。为了保证剖分式结构的连杆盖与连杆体的装配位置固定不变，在两者之间设有定位销。
连杆小头为整体式销连接。连杆小头内孔压配有整体衬套的滑动轴承，加工、装配简便易行。采用强迫润滑时，连杆杆体、连杆小头、滑块销与曲轴润滑油孔相通，以便对各运动副进行润滑。
4) 滑块
滑块一端与连杆小头销连接，一端直接与泵柱塞相连。它只作直线往复运动。滑块体径向开有油孔，使润滑油经连杆杆体中心油孔，连杆小头衬套，滑块销流入滑块，而润滑滑道运动表面。
滑块与柱塞外圆表面定位，通过柱塞连接螺杆进行连接。这种连接结构简单、重量轻。缺点是因加工、装配误差容易使柱塞与滑块中心产生偏斜，影响密封寿命和工作性能。
1.3.2 液力端结构形式
液力端是指往复泵上把柱塞从滑块处脱开一直到泵的进出口处的部件。液力端是液体流过的部分，它由泵头体、柱塞及密封填料箱、吸排液阀、泵头体压盖、集液器等组成。
1) 柱塞
乳化液泵使用陶瓷柱塞，其表面极光滑因而不易擦伤柱塞密封圈，且非常耐磨，大大提高了柱塞和柱塞密封的使用寿命。缺点是陶瓷柱塞性脆怕碰，在其端部加装了保护帽保护柱塞及其密封。
2) 吸、排液阀
乳化液泵的吸、排液阀采用下导向式的锥形阀结构。这种锥形阀流道平滑，过流能力强，密封性能好。吸、排液阀弹簧的作用在于增加阀上载荷，削弱阀运动惯性力，保证阀有较小的关闭速度和关闭滞后角，减小冲击和回流损失，延长了使用寿命。
3) 泵润滑系统
往复泵中凡有相对旋转和相对滑动的运动副处一般均需进行润滑。泵曲轴与连杆大头轴瓦，连杆小头轴承套与滑块销，滑块和滑道的润滑均采用压力润滑的方式进行。其优点是有利于连杆大头轴承处形成油膜，提高轴承承载能力，延长使用寿命。可有效地带走摩擦热，清洗工作表面金属磨屑。润滑油泵的轴与曲轴相连，由曲轴带动旋转。油泵的吸油口用软管与泵箱体内油池连通，油泵泵出的润滑油经过滤器过滤后，进入轴承座内的润滑油腔，再经曲轴，连杆大头轴瓦，连杆小头轴瓦和十字头滑道返回油箱。
4) 高压安全阀
高压安全阀直接安装在乳化液泵上，它是乳化液泵起过载保护作用的一个重要的安全设施。在液压系统正常工作的情况下，安全阀处于常闭状态，不起作用。但当液压系统压力突然升高，且大于卸载阀调定的卸载压力，而卸载阀又因故障未能及时作用时，安全阀开放，使泵的排液经安全阀的泄流口喷出。

图1-3 乳化液泵结构图
Fig.1-3 Emulsion pump structure drawing
1-连杆体 2-曲轴 3-箱体 4-连杆头 5-空气滤清器 6-滑块 7-滑块密封
8-泵头体压盖 9-泵头体 10-集液器 11-柱塞
1.4 乳化液箱的结构与用途
乳化液箱的主要功用是储存系统所需的乳化液量，但由于煤矿井下的条件特殊，一般煤矿乳化液箱设计时均带有乳化油室，便于乳化液自动的配制。乳化液箱还具有散热、沉淀杂质、分离乳化液中的气泡等作用。
乳化液箱由乳化液室和乳化油室两个室组成。配制乳化液用的水经过进水过滤器过滤后和从油桶泵入的乳化油经乳化液自动配比机构配制成乳化液进入乳化液室。乳化油室容积 454L，乳化液室的总容积为 4090L，实际工作容积为 2728L。在乳化油室安有目测油位计，用于观测乳化油油量。
乳化液箱具有完善的保护设施，乳化液箱内装有液位开关阀，液位太低时使泵不能工作，保护泵。限最低液位容积 1023L。相对应安装高液位开关阀，控制主进水口流量，保持乳化液箱维持最高液位容积 2728L。在乳化液箱的最右端外侧顶部安装温度控制开关，用温度传感器，调整温度在 40℃。在温度控制开关下，安装有警铃。当电气保护设备发出信号，泵停止工作，同时警铃发出声响报警，提示工作人员对故障进行处理。
乳化液箱除了考虑到有足够的容积，满足工作面液压系统中乳化液的供应要求外，还具有下列特点：
1) 便于清洗及检查内腔，在液箱盖板及两侧面开了多处可拆窗口。盖板上装有三个放气塞便于排出液箱中的空气。乳化油箱上盖板也装有一个相同功能的放气塞。
2) 阀的卸载回液及工作面的回液经回液过滤器过滤后引入液箱前端，回液经磁过滤器过滤掉磨屑等磁性物质后进入主液箱。回液区与泵的吸液区用挡板隔开，增加了乳化液循环距离，使散热效果更为显著，同时供乳化液有充分时间分离气泡和沉淀杂质。
3) 液箱侧壁上安装有液位指示计，可方便地观察到液箱内液位的高低。
4) 液箱采用不锈钢钢板焊接成形，箱底成滑橇式结构，与四台泵组及液箱外监控设备组连接为动力站。

2 AT89S52单片机介绍
Atmel公司把EEPROM和Flash技术巧妙相结合形成特殊的存储器电路，使其应用领域扩大，在开发应用过程中可以非常方便的进行程序设计和修改程序。在系统工作过程中能有效的保存数据信息不丢失。也就是说，系统掉电不会丢失数据。这就是AT产品的特色。AT89S系列单片机采用静态时钟方式，可节电，对便携式产品类低功耗特别有利。AT89S系列适应温度范围宽，抗干扰能力强，应用非常广泛。
与MCS-51系列单片机相比，AT89S52系列的运算速度有了很大的提高，在功能上新增加了双数据指针、看门狗等，能更好的满足各种不同的应用需要。AT89S52单片机指令可以与MCS-51指令集兼容，共有111条指令，其中单字节指令有49条，双字节指令有45条，三字节指令有17条。单字节指令对应的机器码占三个字节。如果按照指令的执行时间分类，单周期指令有64条，双周期指令有45条，四周期指令有2条。单周期指令的执行时间最短，双周期指令次之。指令的周期数越多，对应指令的执行时间越长。
AT89S52单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。Atmel公司的封装是按军工标准进行的，具有很高的质量标准和产品稳定性。单片机片上Flash允许存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单片机芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多应用控制系统提供高灵活、超有效的解决方案。
2.1 AT89S52单片机的主要特性
下面将对AT89S52的芯片组成、主要性能特点和引脚功能进行介绍。
2.1.1 AT89S52的芯片组成[6]
AT89S52单片机组成框图如图2-1所示，他主要由一个高性能的8位CPU寄存器、算术/逻辑单元（ALU）、累加器ACC、B寄存器、暂存器TMP1和TMP2、程序状态字PSW，以及一些外围子系统构成。AT89S52单片机的CPU 8位字长，主要包括运算器和控制器两部分。
算术/逻辑单元ALU是运算器的核心部件，用来完成基本的算术运算、逻辑运算和位处理操作。AT89S52单片机的ALU与8051的ALU完全兼容，具有极强的“位”处理功能，为用户提供了丰富的指令系统和极高的指令执行速度。

P2.0~2.7
P0.0~0.7

GND
VCC
RST
/
VPP
ALE/

XTAL1
XTAL2
P0口驱动器
P2口驱动器
P0口锁存器
RAM
RAM地址寄存器
P2口锁存器
Flash
ACC
SP

指令译码器
TMP1
ALU
PSW
B寄存器
振荡器

定时与控制
中断、串行定时、计数器端口模块

指令寄存器
看门狗
TMP2
程序地址寄存器
P1口锁存器
程序计数器（PC）
P3口锁存器
缓冲器
ISP口
程序增量器（PC）
双数据指针
P1口驱动器
P3口驱动器
编程逻辑
P3.0~P3.7
P1.0~P1.7

图2-1 AT89S52组成框图
Fig.2-1 The block diagram of AT89S52

AT89S52的主要性能特点如下：
·8位字长的CPU；
·可在线ISP编程的8KB片内Flash存储器；
·256B的片内数据存储器；
·可编程的32根I/O口线（P0~P3）；
·4.0V~5.5V电压操作范围；
·3个可编程定时器；
·双数据指针DPTR0和DPTR1；
·具有8个中断源、6个中断矢量、2级优先权的中断系统；
·可在“空闲”和“掉电”两种低功耗方式运行；
·3级程序锁定位；
·全双工的UART串行通信口；
·1个看门狗定时器WDT；
·具有断电标志位POF；
·振荡器和时钟电路的全静态工作频率为0~30MHZ；
·与MCS-51单片机产品完全兼容。
2.1.2 AT89S52单片机的CPU
AT89S52单片机的CPU 8 位字长，主要包括运算器和控制器两部分。运算器的功能是进行算术逻辑运算、位处理操作和数据的传送，主要包括算术/逻辑运算单元ALU、累加器ACC、B寄存器、暂存器TMP1和TMP2、程序状态字PSW等。
1) 算术/逻辑运算单元ALU
算术/逻辑运算单元ALU是运算器的核心部件。AT89S52单片机的ALU与8051的ALU完全兼容，具有极强的“位”处理功能，为用户提供了丰富的指令系统和极高的指令执行速度，除可以进行基本的加法、减法、乘法和除法运算外，还可以进行与、非、异或、左移、右移、半字节交换、BCD码运算、位处理、位检测等。
2) 暂存器TMP1和TMP2
从原理结构图中可以看到，运算器中包括的两个暂存器TMP1和TMP2作为ALU的两个输入，暂时存放参加运算的数据。
3）累加器ACC
累加器ACC是一个8位寄存器，是CPU工作过程中使用频度最高的寄存器。ACC既是ALU运算所需数据的来源之一，同时CPU的数据传送大多是通过累加器ACC实现的，因此ACC又是数据传送的中间站。
4) 寄存器B
执行乘法和除法指令时，使用寄存器B。执行乘法和除法指令前，寄存器B用来存放乘数或者除数，ALU的另外一个输入来自于累加器ACC。乘法或除法指令执行完成后，寄存器B用来存放乘积高8位或除法的余数。
5) 程序状态字寄存器 PSW
程序状态字寄存器PSW是一个8位的标志寄存器，用来存放当前指令执行后的有关状态，为以后执行指令提供状态条件，因此一些指令的执行结果会影响PSW的相关状态标志。
CPU中控制器是控制读取指令、识别指令并根据指令的性质协调、控制单片机各组成部件有序工作的重要部件，是CPU乃至整个单片机的中枢神经。控制器由指令寄存器IR、指令译码器ID、程序计数器PC、堆栈指针SP、双数据指针DPTR0和DPTR1、定时及控制逻辑电路等组成。控制器的主要功能是控制指令的读入、译码和执行，并对指令的执行过程进行定时和逻辑控制。根据不同的指令协调单片机各个单元进行有序的工作。
1) 程序计数器PC
AT89S52单片机中的程序计数器PC是一个16位计数器，存放下一条将要执行程序的地址，寻址范围为0000H-FFFFH，可对64KB的程序存储器空间进行寻址，是控制器中最重要和最基本的寄存器。系统复位时PC的内容为0000H，表示程序必须从程序存储器0000H单元开始执行。
2) 指令寄存器IR
指令寄存器IR是专门用来存放指令代码的专用寄存器。从程序存储器读出指令代码后，被送至指令寄存器中暂时存放，等待送至指令译码器中进行译码。
3) 指令译码器ID
指令译码器的功能是根据送来的指令代码的性质，通过定时逻辑和条件转移逻辑电路产生执行此指令所需要的控制信号。
4） 堆栈指针SP
堆栈是一组编有地址的特殊的存储单元，其栈顶的地址由堆栈指针SP指示。AT89S52单片机在片内数据存储器RAM中开辟栈区，允许用户通过软件定义片内RAM的某一连续区域单元作为堆栈区域。
堆栈指针SP是一个8位的增量寄存器，所能够指示的深度为0-255个存储单元。堆栈操作按照“先进后出”原则进行，数据进栈时SP首先自动加1，然后将欲进栈的数据压入由SP指示的堆栈单元；数据出栈时，将SP所指示的堆栈存储单元的数据推出栈，然后将SP自动减1。
上电或复位后，堆栈指针SP的初始值为07H，指示栈底为08H单元。堆栈指针SP的初始值07H与工作寄存器组重叠，必须通过软件对SP重新进行定义，在内部数据存储器RAM中开辟一个合适的堆栈区域。
5) 双数据指针寄存器DPTR0和DPTR1
在AT89S52单片机中，内含2个16位的数据指针寄存器DPTR0和DPTR1。数据指针寄存器DPTR0和DPTR1是两个独特的16位寄存器，即可以用作16位的数据指针使用，也可分开以8位的寄存器单独使用（DP0L、DP0H、DP1L、DP1H）。
2.1.3 引脚功能[7]
AT89S52采用40引脚的PDID封装，如图2-2所示。引脚功能见表2-1。

图2-2 AT89S52引脚定义
Fig.2-2 The feet definition of AT89S52

表2-1 AT89S52引脚功能表
Tab.2-1 The feet’s function of AT89S52
引脚名称
引脚序号
功能说明
P0口
32~39
8位并行双向的I/O口,访问外部存储器时,可作为低8位地址线/数据总线复用
P1口
1~8
用户使用的通用I/O口,准双向8位,编程和校验时作为低8位地址线,P1.0和P1.1引脚另有第二功能
P2口
21~28
通用8位准双向I/O口,访问外部存储器时,可作为高8位地址线
P3口
10~17
8位、准双向I/O口,还提供了一些第二功能
RST
9
复位信号输入端,高电平有效
/VPP
31
访问芯片内部和芯片外部程序存储器的选择信号

29
外部程序存储器读选通信号,低电平有效
ALE/
30
低8位地址锁存信号/编程脉冲输入
XTAL2
XTAL1
18~19
芯片内振荡器反相放大器的输出端和输入端
VCC
40
电源电压的输入引脚,4.0~5.5V
GND
20
电源地引脚
2.2 AT89S52的存储器和I/O接口电路
1) AT89S52单片机的存储器
AT89S52单片机芯片内配置有8KB的Flash程序存储器和256B的数据存储器RAM，根据需要可外扩最大64KB的程序存储器和64KB的数据存储器，因此AT89S52的存储器结构可分为4部分：片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器。
2) I/O接口电路[8]
CPU的数据处理速度要远高于外围设备，同时各外围设备的数据处理速度也不尽相同，因此在CPU与外围设备之间进行信息交换时要解决处理速度的匹配问题，以有效地提高CPU的工作效率；与此同时还要对外围设备进行驱动，I/O接口电路正是为了上述问题而设计的。
AT89S52单片机内部集成4个可编程的并行I/O口（P0~P3）,每个输出接口电路都具有锁存器和驱动器，输入接口电路都具有三态门控制，这是接口电路的基本特征。
2.3 AT89S52单片机引脚
1. 多功能I/O口引脚P0~P3
1) P0口39~32引脚
8位并行、双向、开漏输出的I/O口，作为输出时可驱动8个TTL负载。该口内无上拉电阻，由两个MOS管串接，既可断开漏极输出又可处于高阻状态，因此称为双向、漏极开路I/O口。对片外程序存储器和数据存储器进行访问时，该口作为低8位地址线和数据总线复用。对片内Flash存储器编程时，该口接收指令的字节代码，而对程序进行校验时该口输出指令的字节代码，程序校验时需要外接10的上拉电阻。
该口作为通用I/O口使用时，需要外接上拉电阻。作为输入口使用，需对每个引脚写入1成为高阻抗输入口，这时该口为准双向I/O口。
2) P1口1~8引脚
具有内部上拉电阻的8位、准双向I/O口，可驱动4个TTL负载，当编程和校验程序时定义为低8位的地址线。用作输入时需要先将每个引脚置成1。
引脚P1.0同时还是定时/计数器T2的外部计数输入，引脚P1.1同时还是定时/计数器T2捕捉/重装操作的控制信号。
3) P2口21~28引脚
具有内部上拉电阻的8位、准双向I/O口，可驱动4个TTL负载。
访问片外16位地址的程序存储器和数据存储器时，该口作为高8位地址线。而当只需要8位地址时，该口将输出特殊功能寄存器P2中的内容。编程和校验程序时，该口接收高字节地址和一些控制信号。
4) P3口10~17引脚
具有内部上拉电阻的8位、准双向I/O口，可驱动4个TTL负载。作为普通I/O口的输入口使用时，应该先将该口的各引脚写1。除此之外，P3口还提供了一些第二功能，如表2-2所示。
表2-2 AT89S52单片机P3口的第二功能
Tab.2-2 The second function of P3 mouth of AT89S52
引脚
第二功能
说明
P3.0
RXD
串行数据接收
P3.1
TXD
串行数据发送
P3.2

外部中断0请求
P3.3

外部中断1请求
P3.4
T0
定时器0外部事件计数输入
P3.5
T1
定时器1外部事件计数输入
P3.6

外部RAM写选通
P3.7

外部RAM读选通
2. 复位、控制和选通引脚
共有4根控制信号线，RST、/VPP、和ALE/。
1) RST（9脚）
该引脚为复位信号输入端，高电平有效。在振荡器稳定工作情况下，该引脚被置成高电平并持续2个机器周期以上时系统复位。
当定时监视器WDT（看门狗）溢出时，该引脚置成高电平并持续98个震荡周期。
2) /VPP（31脚）
为访问芯片内部和芯片外部程序存储器的选择信号。为低电平（接地）时，对程序存储器的操作限定外部程序存储器进行，地址0000H~FFFFH。为高电平（接电源电压）VCC 时，CPU首先从芯片内程序存储器（0000H~1FFFH）的0000H单元开始读取所存储的指令代码；若芯片外部有扩展的程序存储器，则CPU在执行完芯片内部程序存储器中的程序后，自动转向去执行外部程序存储器中的程序。
Vpp 为片内Flash存储器的编程电压。对片内Flash存储器进行编程时，该引脚接编程电压Vpp（5V或12V）；对程序进行校验时，该引脚接电源电压Vcc。
3) ALE/（30脚）
低字节地址锁存允许信号/编程脉冲输入端。ALE为低字节地址锁存信号，当系统扩展时ALE的下降沿将P0口输出的低8位地址锁存信号到外接地址锁存器中，以实现低字节地址和数据的分时复用。当对Flash存储器编程时，该引脚用作编程脉冲（）输入端；在非访问外围器件期间，ALE连续输出1/6振荡频率的正脉冲，可作为外部计数器或时钟信号。
4) （29脚）
为外部程序存储器读选通信号，低电平有效。CPU读取外部程序存储器中的指令代码时，被读取的指令代码被送至P0口；读写片外数据存储器RAM时，无效。
5) 外部晶振引脚
XTAL1（19脚）：芯片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端。
XTAL2（18脚）：芯片内振荡器反相放大器的输出端。
2.4 复位操作和复位电路
复位操作是使单片机的CPU以及系统各部件处于初始状态，并从这个状态开始运行。单片机在运行过程中可能会受到外界的干扰使程序陷入死循环或“跑飞”，发生这种情况时需要将单片机复位，以重新启动运行[12]。
RST引脚是复位信号的输入端口，高电平有效。在时钟振荡器稳定工作情况下，该引脚若由低电平上升到高电平并持续2个机器周期。
复位操作有手动复位和上电复位，图2-3（a）为一种上电自动复位电路，图（b）为具有上电自动复位和手动复位两种操作方式的复位电路。

（a） （b）
图2-3 两种复位电路
Fig.2-3 Two clear circuit
在复位电路上电的瞬间，RC电路充电，RST引脚出现高电平。RST引脚出现的高电平将会随着对电容C的充电过程而逐渐回落，为了保证RST引脚出现的高电平持续两个机器周期以上的时间，须合理地选择其电阻和电容的参数值，而电阻和电容参数的取值随着时钟频率的不同而变化。本文中选择图（b）复位电路。
2.5 振荡器、时钟电路
在AT89S52芯片内部，有一个振荡器电路和时钟发生器，引脚XTAL1和XTAL2之间接入晶体振荡器和电容后构成内部时钟方式。也可以使用外部振荡器，由外部振荡器产生的信号直接加载到振荡器的输入端，作为CPU的时钟源，称为外部时钟方式。大多数的单片机均采用内部时钟方式，图2-4为两种方式的电路连接，本文选用的是片内振荡器接法。采用外部时钟方式时，外部振荡器的输出信号接至XTAL1，XTAL2悬空。

（a）使用片内振荡器接法 （b）使用片外振荡器接法
图2-4 AT89S52振荡器的连接方式
Fig.2-4 The placement of oscillator of AT89S52
3 系统硬件设计
3.1 硬件电路的整体设计
3.1.1 硬件电路设计的基本要求
对系统硬件电路的设计，提出如下要求：
1）系统的可维护性要好。这个要求对任何系统来说都是很重要的，这不仅要求系统设计能方便操作人员使用，还要求操作简便快捷。
2）系统的可扩充性要好。随着用户要求的不断提高，系统应能够不断升级，扩充功能，或控制新对象。
3）系统的可靠性要高。实时控制系统的可靠性是极为重要的，一旦系统出现故障就可能影响乳化液泵和采煤工作面正常安全工作。因此系统要注意抗干扰设计，提高系统可靠性。
4）系统的防爆性能要好。由于本系统工作在含瓦斯和煤尘的环境中，因此要求该系统设计应严格满足国家煤炭生产防爆标准。
整个硬件电路最终实现的功能包括：
1）乳化液泵站工作关键参数信号的采集：包括泵输出端口压力、曲轴箱润滑油油温、油位、乳化液箱乳化液液温、液位五个关键参数信号的采集；
2）压力温度参数的实时动态显示：把采集到的压力、温度参数在LED显示屏上显示出来，同时可以通过按键切换显示状态，及时显示需要观察的参数；
3）超限报警：当传感器监测的参数超限时，控制系统及时进行声光报警。
3.1.2 硬件电路的结构组成框图
硬件电路的结构组成框图如图3-1所示。该系统采用模块化设计，控制器核心采用AT89S52单片机。硬件电路包括单片机电路、信号采集电路、LED显示电路、报警处理电路以及电源电路等组成。
其中信号采集电路是将各个传感器采集到的模拟信号或者数字信号，进行调理处理后送入单片机。
单片机电路是包括单片机本身在内的，用来保证单片机能正常运行的电路，其中包括时钟电路和调试接口电路等。

图3-1 硬件电路结构组成框图
Fig.3-1 Block diagram of the hardware circuit
LED显示电路是利用4位LED数码管显示把采集到的压力和温度参数实时的显示出来；
报警处理电路是通过声光报警器来实现系统在异常状态下能发出报警；
电源电路是将输入的工作电压转换成系统所需的+12v、+9v、-9V以及+5V电压。
3.2 电源模块设计
控制系统能否稳定、可靠的工作，电源的设计非常重要，它为系统提供稳定的直流
供电电压。
本系统液位传感器电压为+12V，温度调理电路要用到+9V、-9V电压，而系统芯片供电电压为+5V，因此需要进行电压转换，如图3-2为电源模块电路原理图。

图3-2 电源电路图
Fig.3-2 Power circuit
本电源模块选用7812、7809、7909、7805芯片作为调压电路核心。7812负责把电压转换为+12V，7809的作用是把电压转换为+9V，7909负责把电压转换为-9V。7805负责把电压转换为+5V。
3.3 A/D转换器与单片机的连接
由于AT89S52单片机中不含有A/D转换器，并且温度与压力传感器输出量是模拟量，因而在传感器与单片机之间需要一个A/D转换器进行连接，本设计选用的是ADC0809转换器。
3.3.1 ADC0809的简介
0809是具有8个通道的模拟量输入线，可在程序控制下对任意通道进行A/D转换，得到8位二进制数字量。0809与单片机AT89S52的连接如图3-3所示。

图3-3 ADC0809的连接图
Fig.3-3 The connect chart of ADC0809
ADC0809主要技术指标如下：
电源电压：5V 分辨率：8位 时钟频率：640KHZ 转换时间100us 未经调整误差：1/2LSB和1LSB 模拟量输入电压范围：0～5V 功耗：15mW
ADC0809芯片有28条引脚，下面说明各引脚功能。IN0～IN7：8路模拟量输入端。2-1～2-8：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。START： A／D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。EOC： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间为低电平）。OE：