32路温度巡检仪的设计与应用

32路温度巡检仪的设计与应用

山东科技大学工程学院　殷永贵　彭智娟

摘　要　针对目前温度检测仪表的现状及其存在的主要问题,设计了一种32路温度巡检仪,并分析了该装置的设计方案及其特点。

关键词　32路　温度巡回检测　数字式温度传感器

在工业生产中,温度的检测和控制都直接和安全生产、产品质量、生产效率、节约能源等重大技术指标相联系,温度检测类仪表作为温度计量工具,也因此得到广泛应用。目前多路温度巡检仪主要缺点是用模拟传感器,接线复杂,传送距离短且巡检路数不易增加。针对这些问题,设计了一种32路温度巡检仪,它可以巡回检测多个测试点的温度,不仅具有精度高、功耗低等优点,还可以及时报警、显示、打印和采取保护措施,使用相当方便。

1　系统的总体设计

系统实际上是一个专用的单片机,仪表内部除单片机以外的其它硬件部分均可看作是单片机的外设部分。在本系统中,CPU 在温度采集和处理时,主要是对温度值进行巡回检测、数据记录、数据计算、数据统计和整理、数据越限报警并对这些数据进行积累和实时分析。CPU 不直接参与控制,对生产过程不会直接产生影响。其总体设计思路如图1。

图1　总体设计思路图

温度经过采样、转换后以数字形式进入CPU,在其内部对这些输入数据进行必要的集中、加工和处理,在温度参数的测量和记录中则代替大量的常规显示和记录仪表,对整个环境温度进行集中监视。另外,添加存储器,预先存入各个测试点的温度极限值和其它的相关数据,以便在处理过程中可以进行越限报警、调整参数和维修调试等。

2　系统的硬件设计2.1　系统整体结构

系统采用了目前广泛应用的AT89C51作为CPU,以发展

层结构和强度等因素。在此,引入小变形的概念,在保证地面建筑物安全的条件下允许下沉盆地内出现小的变形,但其变形必须小于建筑允许的采动变形。

(2)采出厚度计算。当开采煤层全厚或多煤层预计的地

表变形超过建筑物允许的地表变形,并且采取建筑物保护措施有困难、而减少开采厚度又可行时,就可使用限厚开采措施。厚煤层分层开采时,控制每一分层的开采厚度,并使各个分层的回采保持足够的间隔时间,就可能安全采出建筑物压煤。一次允许的采出厚度,可利用有关的地表变形预计公式来计算。例如,某建筑物允许的地表最大水平变形值ε。应不大于预计地表最大水平变形值εmax ,按预计公式可得:

εmax =

ε=1.52b W max

r

于是允许一次采出厚度M 可由下式计算:M=

ε・H

1.52bq.tg β

式中:W max —地表最大下沉值,mm;

q —下沉系数;b —水平移动系数;r —主要影响半径,m;H —最大开采深度,m;

tg β—主要影响角正切。

因此,首先根据建筑物抗采动变形能力反算出允许的地表变形值,再通过地表变形值计算出最大开采厚度。

(3)设计原则。对于某一区域来说,采厚大小与采出煤

量有直接的关系。而在设计该区域采出煤量相同的条件下,限厚开采方案能够增加工作面长度,实现工作面不间断连续开采,消除或减少开采影响的不利迭加,比如,把采高5.0m 、采出率为60%的条带开采改进成采高为3.0m 、采出率为

100%的限厚开采。这样,万吨掘进率将会明显减少。4　结论

(1)引入了核心煤柱和外围煤柱概念,进行分区布置,可

安排长壁工作面,降低万吨掘进率。

(2)提出了限厚开采的“小变形”准则,挖掘建筑物承受

采动变形的能力,从而可安排限厚工作面开采,提高生产率。作者简介　李金洲　1963年生,男,工程师,现在协庄煤矿生产技术部从事矿井设计和技术管理工作。

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山东煤炭科技 2004年第2期

前景广阔的数字式温度传感器DS18B20作为温度检测元件,并配以PCF8563实时时钟电路、报警保护电路、打印机电路,采用了抗干扰技术,保证系统在技术上的先进性和工作时的可靠性。(如图2

)

图2　温度巡检仪的结构框图

2.2　温度巡检仪的硬件构成

DS18B20在本系统中主要完成检测温度、向单片机输出

数字式温度值等任务,具有测量精度高、转换速率快、可以方便的设置温度报警值等优点,并且由于它是一种单总线方式下的元器件,因而具有良好的抗干扰性。特别是选用

DS18B20作为温度检测元件后,电路中不必使用A ΠD 转换

器,无论从硬件还是软件方面都大大简化了设计任务。

单片机按单总线协议规定的时序和信号波形对DS18B20进行初始化、识别器件和进行数据交换。其顺序为:复件ϖ

ROM 功能命令ϖ存储器功能命令ϖ执行Π数据。其命令由复

位、多个读时隙或Π和写时隙等基本时序单元组成。

PCF8563是PHILIPS 公司推出的一款工业级的具有极低

功耗的CMOS 多功能实时时钟Π日历芯片。在系统中它主要是为电路提供一个实时时钟和定时以便单片机控制打印机工作。PCF8563采用两线制I 2C 总线通讯方式,不但是外围电路极其简洁,而且也增加了芯片的可靠性,其性价比极高。

AT89C51内部没有I 2

C 总线接口,所以本系统采用虚拟I 2

C 总线方式。PCF8563带有虚拟I 2

C 总线方式下的子程序,

编程十分方便。单片机按其唯一的器件地址OA2H 在总线上对它进行时钟的读取和写入。

为保证掉电后时钟的正常运行,PCF8563需要后备电源,在电源电压正常的情况下,由正电源对芯片供电且应对电池进行涓流充电;在电源电压出现故障的情况下,切换到由电池对时钟芯片供电。

X5045是Xicor 公司的产品,它把三种常用的功能:看门

狗定时器、电压监控和EEPROM 组合在单个封装之内。

本系统中X5045由三根线分别与AT89C51的三根I ΠO 口线相连。芯片选择线CS 有效时,X5045和AT59C51之间才能在串行时钟信号SCK 的节拍下通过数据线进行数据传输。至于数据是从数据输入线SI 输入还是从数据输出线SO 输出,就需要根据操作时序上具体提供的读命令READ 或写命令WRITE 来决定。

键盘采用独立式按键结构,由功能键,回连键,增量键,

减量键组成。操作主要在现场修改、查询各路温度报警值时使用,另外在需要CPU 认定温度传感器位置序号时使用。这样,系统采用少量按键来设置现场参数,具有较强的对话性和可操作性。而且仅占用单片机的4条I ΠO 口线,采用软件去抖动措施,使得硬件电路极为简单。

4位LED 数码管用来显示路数与温度,其驱动电路采用

普通I ΠO 口模拟串行口加双向移位寄存器74LS164构成一个或多个并行输入Π输出口的电路结构。考虑到全双工串行通信口要为以后扩展的与其它单片机、PC 机串行通信技术预留出来,所以,选用其它的I ΠO 口线,模拟串行口的时钟输出和数据输入、输出的工作方式。

由于74LS164在输出低电平时,允许通过的电流达8mA,故不必添加驱动电路,亮度也较理想。这种电路属于静态显示,与动态扫描相比较,无须CPU 不停地扫描,频繁的为显示

服务,节省了CPU 的时间,软件设计也较简单。

本系统采用带有汉字库的微型打印机,可根据需要打印温度值,并用打印机实时跟踪故障的位置与时间,使系统具有较好的可维护性。具体要求是立刻打印出现故障的路数与对应的温度值及记录故障产生的时间,能在任意时刻打印所有温度值,也可通过键盘定时从而能够自动隔时打印。

在本系统中,报警电路能在温度异常时送出指示信号和跟踪定位。当单片机检测到故障时,将对应的I ΠO 口置O,使发光二极管发光,达到指示故障的目的;另外,将三极管对应的I ΠO 口置O,T 1截止,T 2导通,有电流流过继电器,继电器动作,达到跟踪定位的目的。考虑到继电器单凭单片机本身的I ΠO 口线的输出电流不能产生动作,所以在它们之间增加了两个反向驱动器———三极管T 1和T 2。

本系统采用了由交流电经变压、整流、滤波、稳压而形成的直流电源。其中电源变压器主要为打印机工作时的5V 直流电源以及多路温度检测仪提供5V 直流电源,因此总电流大约450mA,考虑裕量设计,选择变比为220V Π9V,功率为12～15W 的变压器。稳压部分选用了W78××系列的三端固定式集成稳压器双绕组扼流圈的滤波线路,它对高频干扰信号阻抗很大,使整个电子系统与供电网间得到一定程度的高频隔离,对于外界空间电磁场的干扰,也起一定的抑制作用。

3　系统的软件设计

软件包括系统的主程序、初始化子程序、温度采集子程序、数值滤波子程序、对X5045读写子程序、对PCF8563读写子程序、显示子程序、打印子程序、键盘子程序和报警子程序等。

4　巡检仪的特点

(1)采用高性能的单片机为核心,扩展的外围芯片全部

采用串行接口芯片,使整个系统体积小,功耗低;(2)现场安

装配线简单,调试简捷方便;(3)系统具有较强的对话性和可操作性;(4)具有极好的可维护性和较强的抗干扰性能。

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