矿井皮带运输动态智能报警系统关键技术研究

矿井皮带运输动态智能报警系统关键技术研究

摘要：煤矿井下皮带皮带机安全、高效循环运行依赖两条主线有效控制完成，

皮带智能监测系统的完善，可以帮助设备运行人员更好的操作设备，现有皮带运

输技术缺少多方面的监测环节。本文提出了一种基于CAN总线的皮带机的智能报

警系统的组网设计。以现场总线技术为基础，处理器为核心的智能组网设计，与

一般的组网设计相比具有明显的优点，有着广泛的应用前景。

关键词：煤矿；CAN总线；智能报警；皮带机

引言

皮带机智能报警系统(组网设计)，是一个下位机模块。系统以AT89S52为核心，基于CAN总线智能报警系统的组网设计，由键盘显示与报警电路、网络传输

模块组成。系统利用键盘显示电路模拟网络地址，当被监测点数据异常，系统将

报警信号传输到操作室同时发出进行报警信号；网络选用CAN现场总线，可以接

收主站发送过来的命令，根据不同的命令，系统会做出相应的处理。

本文主要是研制出一套适用与矿用胶带运输机的信息监测的装置。系统所实

现的功能是实时采集胶带机监测点数据并存储、显示、传输、报警与处置，因此

主要内容如下：矿用大型胶带机报警系统的硬件部分由数据采集模块、微控制器

模块、通信模块、报警电路模块，键盘显示模块、电源模块组成。利用Altium进

行电路原理图及印刷电路板的设计。

1皮带机智能报警系统的现状及CAN现场总线

目前，国外己有许多煤矿开采胶带机运输都己开始采用CAN总线来实现皮

带机内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。［1］CAN总线技术在我

国的应用起步比较晚，2000年开始皮带机监测系统才被引入大型矿井皮带机监测

机制中，2008年现代化大型矿井的建设，该项技术得以发展推广。现场总线是用

于过程自动化，将智能化现场设备与高层设备之间互联，实现全数字、串行、双

向传输的通信系统。现场总线主要有以下几种类型：基金会现场总线(FF)、LonWorks、ProfiBus、CAN、HART，而其中CAN即控制器局域网因为具有高性能、高可靠性以及独特的设计而越来越受到关注。

2系统结构设计

2.1系统结构

其基于CAN总线的皮带机智能报警系统总体结构图2.1所示。

图2.1基于CAN总线皮带机报警系统总体结构图

其中皮带机智能报警系统的组网硬件电路分为5大模块：电源模块、CAN总

线控制模块、显示模块、报警模块、单片机控制电路模块。

2.2系统开发的软件和硬件平台

硬件平台用两个单片机最小系统的开发板，两个CAN通信模块搭建整个组

网的模拟平台，以一个单片机开发系统的键盘模拟报警信号的输入信号，以便满

足软件的调试，在硬件电路设计好以后，软件设计则是最重要的一个设计部分，CAN总线所实现的智能化、集约化功能都是由软件来完成的。

软件开发环境：微处理器AT89S52可支持汇编语言和C语言，语言编程器Keil uVision4可以简化编程，可读性好，调试方便所以本系统软件主程序采用C

语言编写，将编辑好的程序编译后下载到单片机中实现软硬件的联调试。

3硬件电路设计

3.1系统硬件电路总体设计

根据系统的功能要求，硬件设计的基本思路是以单片机为核心，根据需要添

加相应的功能电路。本装置以AT89S52为核心，由5部分电路组成：电源模块、CAN总线控制模块、显示模块、报警模块、单片机控制电路模块。由以上5部分

组成本硬件电路智能报警系统的组网设计

3.2微处理器AT89S52

目前，总线接口电路的设计方法有如下两种：一种是带片内CAN控制器的

微控制器；另一种是微控制器与独立的CAN控制器。本文选择用ATmel公司生产的与MCS-51兼容的低功耗、高性能的CMOS8位微控制器AT89S52。

AT89S52具有如下特点：8kBytes Flash片内程序存储器，256bytes的随机存

取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2

层中断嵌套中断，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

3.3电源部分

电源变换电路原理图如图3.1所示，外接交流电220V经过变压器降压、桥

式整流电路得到12V直流电压。再经电容滤波电路、三端稳压器7805得到5V电压，用做系统电源。

图3.1 电源电路

3.4CAN总线的接口电路设计

硬件电路的设计主要是CAN通信控制器与微处理器之间和CAN总线收发器

与物理总线之间的接口电路的设计。CAN通信控制器是CAN总线接口电路的核心,主要完成CAN的通信协议,而CAN总线收发器的主要功能是增大信距离,提高系统

的瞬间抗干扰能力,保护总线,降低射频干扰(RFI),实现热防护等。

本文所设计的CAN总线接口电路是采用TJA1050作为微处理器，CAN总线

通信接口中采用PHILIPS公司的独立CAN通讯控制器MCP2515和高性能CAN总

线收发器TJA1050。CAN总线接口框图3.2所示。

图 3.2 CAN总线接口框图

MCP2515在电路中是一个总线接口芯片,通过它实现上位机与现场微处理器

之间的数据通信。该电路的主要功能是通过CAN总线接收来自上位机的数据命令，然后分析判断接收数据的内容，下位机将决定做出什么样的处理,当CAN总线接

口接收到下位机的上传数据, MCP2515就产生一个中断,引发微处理器产生中断,通

过中断处理程序接收每一帧信息并通过CAN 总线上传给上位机进行分析。

TJA1050是CAN总线接口电路的核心,其承担CAN 控制器的初始化、CAN的收发

控制等任务。

AT89S52是CAN总线接口电路的核心，其承担CAN控制器的初始化、CAN

的收发控制等任务。在电路图中，AT89S52单片机的P1.0-P1.4端分别控制

MCP2515的RST、CS、SO、SI、SCK端。MCP2515与单片机之间用SPI串行通信

方式，P1.1控制片选信号CS，当CS接到低电平时,MCP2515 被选中,CPU可对

MCP2515进行读/写操作。

3.5报警电路设计

声光报警电路主要由有源蜂鸣器、发光二极管及其驱动三极管组成。当被监

测的传感器接发出报警模拟信号, 蜂鸣器鸣叫, 同时发光二极管也亮起来。系统报

警电路由P2.0引脚驱动，当单片机判断有上面的情况发生时，P2.0输出低电平，