矿井粉尘浓度控制装置转让专利
申请号 : CN200810157203.6
文献号 : CN101369157B
文献日 : 2010-06-09
发明人 : 程学珍 , 王吉岱 , 李兆庆 , 刘玫 , 郝海涛 , 李亮报 , 李继明
申请人 : 山东科技大学
摘要 :
本发明公开一种矿井粉尘浓度控制装置，属于矿井安全检测设备领域，包括单片机控制器，单片机控制器与信号调理电路、CAN驱动和隔离电路、人机交互电路、通信转换电路和电源转换电路相连接，信号调理电路跟输入与输出接口相连接，通信转换电路与语音报警电路相连接，电源转换电路与电源相连接。其具有矿井粉尘浓度在线、实时检测、粉尘浓度在线控制等功能。
权利要求 :
1.矿井粉尘浓度控制装置，包括单片机控制器，单片机控制器与信号调理电路、CAN驱动和隔离电路、人机交互电路、通信转换电路和电源转换电路相连接，信号调理电路跟输入与输出接口相连接，通信转换电路与语音报警电路相连接，电源转换电路与电源相连接，其特征在于所述CAN驱动和隔离电路采用PCA82C250收发器，单片机控制器自身具有CAN控制器，CAN控制器引脚通过高速光耦6N137构成的隔离电路与PCA82C250收发器连接，高速光耦6N137构成的隔离电路所采用的电源通过DCM9S9隔离稳压器进行隔离。
2.根据权利要求1所述的矿井粉尘浓度控制装置，其特征在于所述单片机控制器采用AT89C51CC01，为8位微控制器，集成有10位ADC、1K XRAM和硬件看门狗WDT；采用静态模式；具有二倍速功能；三个定时/计数器，14个中断源/4级中断优先级。
3.根据权利要求1或2所述的矿井粉尘浓度控制装置，其特征在于所述输入与输出接口包括1路模拟量输入接口、2路开关量输入接口和2路开关量输出接口。
4.根据权利要求3所述的矿井粉尘浓度控制装置，其特征在于所述信号调理电路包括I/V转换电路和由TLP521构成的光电耦合隔离电路，模拟量输入接口通过I/V转换电路与单片机控制器连接，开关量输入、输出接口与单片机控制器之间通过TLP521构成的光电耦合隔离电路连接。
5.根据权利要求1所述的矿井粉尘浓度控制装置，其特征在于所述的通信转换电路通过AT89C51CC01单片机控制器实现不同的通信方式转换。
6.根据权利要求1或5所述的矿井粉尘浓度控制装置，其特征在于所述人机交互电路包括LED显示、按键和BCD拨码开关；LED显示采用4位LED数码管显示粉尘浓度，按键实现粉尘浓度阀值设定、最优风速设点、辅助喷雾时间设定和短时间内总粉尘浓度数据的查询功能，BCD拨码开关进行除尘控制输出方式的设置和分站地址设定功能。
7.根据权利要求1所述的矿井粉尘浓度控制装置，其特征在于所述语音报警电路包括中文语音合成芯片OSYNO6188、CD4053、RS-485总线驱动芯片SN75176和AT89C2051，语音报警电路连接有语音箱。
8.根据权利要求1所述的矿井粉尘浓度控制装置，其特征在于所述电源转换电路采用开关稳压电源调节器LM2576和线性稳压器件LM7805相结合的方式实现电源转换。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种矿井的安全检测控制装置，尤其涉及一种矿井粉尘浓度的安全检测控制装置。
背景技术
矿井开采过程中各个工序都会产生大量的粉尘，粉尘浓度高达1000～3000mg/m3，工人在此环境中作业，必将吸入大量粉尘而导致尘肺病，据煤矿统计资料表明平均每年死于尘肺病者比同期井下工人伤亡人数高一倍左右；另外粉尘具有爆炸性，严重威胁矿井的安全。为此必须采取有效措施，控制粉尘的扩散和飞扬，使巷道风流中的粉尘浓度降至安全值以下，以保证井下作业环境的卫生条件，保障工人的身体健康，促进矿井安全生产。在测尘方式方面，目前国内普遍采用人工、间断性、单地点检测总矿尘浓度的方式。这种方式测得的矿井粉尘浓度数据仅反应了测尘时间段内的粉尘状况，并不能全面、准确的反映煤矿井下空间的总体粉尘情况；在除尘控制方面，矿尘的防治是一项综合任务，需要从尘源点、悬浮空间以及降落点等诸多方面采取措施，目前国内煤矿在采煤机等设备上均配有除尘设施，并有除尘风机、除尘器、除尘水幕等除尘设备，但是井下空间仍然存在着相当大浓度的矿尘悬浮，这就需要进一步采取除尘措施。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种矿井粉尘浓度控制装置，其具有矿井粉尘浓度在线、实时检测、粉尘浓度在线控制等功能。
为解决上述技术问题，本发明矿井粉尘浓度控制装置，包括单片机控制器，单片机控制器与信号调理电路、CAN驱动和隔离电路、人机交互电路、通信转换电路和电源转换电路相连接，信号调理电路跟输入与输出接口相连接，通信转换电路与语音报警电路相连接，电源转换电路与电源相连接。
上述单片机控制器采用AT89C51CC01，为8位微控制器，自身具有CAN控制器，集成有10位ADC、1K XRAM和硬件看门狗WDT；采用静态模式；具有二倍速功能；三个定时/计数器，14个中断源/4级中断优先级。
上述输入与输出接口包括1路模拟量输入接口、2路开关量输入接口和2路开关量输出接口。
上述信号调理电路包括I/V转换电路和由TLP521构成的光电耦合隔离电路。模拟量输入接口通过I/V转换电路与单片机控制器连接，开关量输入、输出接口与单片机控制器之间通过TLP521构成的光电耦合隔离电路连接。
上述CAN驱动和隔离电路采用PCA82C250收发器，CAN控制器引脚通过高速光耦6N137构成的隔离电路与PCA82C250连接。高速光耦6N137构成的隔离电路所采用的电源通过DCM9S9隔离稳压器进行隔离。
上述的通信转换电路通过AT89C51CC01单片机控制器实现不同的通信方式转换。
上述人机交互电路包括LED显示、按键和BCD拨码开关。粉尘浓度控制装置采用4位LED数码管显示粉尘浓度。粉尘浓度控制装置采用按键实现粉尘浓度阀值设定、最优风速设点、辅助喷雾时间设定和短时间内总粉尘浓度数据的查询功能。粉尘浓度控制装置采用BCD拨码开关进行除尘控制输出方式的设置和分站地址设定功能。
上述语音报警电路包括中文语音合成芯片OSYNO6188、CD4053、RS-485总线驱动芯片SN75176和AT89C2051。语音报警电路连接有语音箱。
上述电源转换电路采用开关稳压电源调节器LM2576和线性稳压器件LM7805相结合的方式实现电源转换。
本发明的有益效果是：实现矿井粉尘浓度在线、实时检测与控制，人机交互、语音报警和除尘功能，同时将CAN总线应用于矿井监测监控系统，实现了数据的远距离传输；采用开关稳压电源调节器件LM2576和线性稳压器件LM7805相结合的方式实现电源转换，LM2576具有优良的工作性能、较高的转换效率，而且能够有效抑制电源干扰，LM7805具有较好的稳压特性，二者优势互补，提高了电源供电的效率和稳定性，同时可以借用煤矿井下的监控分站对电源转换电路进行供电，省去了电源。
为解决上述技术问题，本发明矿井粉尘浓度控制装置，包括单片机控制器，单片机控制器与信号调理电路、CAN驱动和隔离电路、人机交互电路、通信转换电路和电源转换电路相连接，信号调理电路跟输入与输出接口相连接，通信转换电路与语音报警电路相连接，电源转换电路与电源相连接。
上述单片机控制器采用AT89C51CC01，为8位微控制器，自身具有CAN控制器，集成有10位ADC、1K XRAM和硬件看门狗WDT；采用静态模式；具有二倍速功能；三个定时/计数器，14个中断源/4级中断优先级。
上述输入与输出接口包括1路模拟量输入接口、2路开关量输入接口和2路开关量输出接口。
上述信号调理电路包括I/V转换电路和由TLP521构成的光电耦合隔离电路。模拟量输入接口通过I/V转换电路与单片机控制器连接，开关量输入、输出接口与单片机控制器之间通过TLP521构成的光电耦合隔离电路连接。
上述CAN驱动和隔离电路采用PCA82C250收发器，CAN控制器引脚通过高速光耦6N137构成的隔离电路与PCA82C250连接。高速光耦6N137构成的隔离电路所采用的电源通过DCM9S9隔离稳压器进行隔离。
上述的通信转换电路通过AT89C51CC01单片机控制器实现不同的通信方式转换。
上述人机交互电路包括LED显示、按键和BCD拨码开关。粉尘浓度控制装置采用4位LED数码管显示粉尘浓度。粉尘浓度控制装置采用按键实现粉尘浓度阀值设定、最优风速设点、辅助喷雾时间设定和短时间内总粉尘浓度数据的查询功能。粉尘浓度控制装置采用BCD拨码开关进行除尘控制输出方式的设置和分站地址设定功能。
上述语音报警电路包括中文语音合成芯片OSYNO6188、CD4053、RS-485总线驱动芯片SN75176和AT89C2051。语音报警电路连接有语音箱。
上述电源转换电路采用开关稳压电源调节器LM2576和线性稳压器件LM7805相结合的方式实现电源转换。
本发明的有益效果是：实现矿井粉尘浓度在线、实时检测与控制，人机交互、语音报警和除尘功能，同时将CAN总线应用于矿井监测监控系统，实现了数据的远距离传输；采用开关稳压电源调节器件LM2576和线性稳压器件LM7805相结合的方式实现电源转换，LM2576具有优良的工作性能、较高的转换效率，而且能够有效抑制电源干扰，LM7805具有较好的稳压特性，二者优势互补，提高了电源供电的效率和稳定性，同时可以借用煤矿井下的监控分站对电源转换电路进行供电，省去了电源。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明所述AT89C51CC01单片机控制器的电路原理图；
图3为本发明所述输入与输出接口的电路原理图；
图4为本发明所述信号调理电路的电路原理图；
图5为本发明所述CAN驱动和隔离电路的电路原理图；
图6为本发明所述通信转换电路的电路原理图；
图7为本发明所述人机交互电路的电路原理图；
图8为本发明所述电源转换电路的电路原理图；
图9本发明所述语音报警电路原理图。
下面结合附图对本发明进行说明：
图2为本发明所述AT89C51CC01单片机控制器的电路原理图；
图3为本发明所述输入与输出接口的电路原理图；
图4为本发明所述信号调理电路的电路原理图；
图5为本发明所述CAN驱动和隔离电路的电路原理图；
图6为本发明所述通信转换电路的电路原理图；
图7为本发明所述人机交互电路的电路原理图；
图8为本发明所述电源转换电路的电路原理图；
图9本发明所述语音报警电路原理图。
下面结合附图对本发明进行说明：
具体实施方式
如附图所示，本发明矿井粉尘浓度控制装置包括AT89C51CC01单片机控制器，AT89C51CC01单片机控制器是一款功能强大的8位微控制器，兼容8051系列单片机，周期时间为300ns，集成有CAN控制器、A/D转换和硬件看门狗WDT等功能，适用于作为CAN总线智能网络节点实现现场监控。AT89C51CC01单片机控制器是整个控制装置的核心部分，主要实现对粉尘数据的实时检测和控制。
AT89C51CC01单片机控制器通过信号调理电路与输入与输出接口相连接。输入与输出接口包括1路模拟量输入接口、2路开关量输入接口和2路开关量输出接口。模拟量输入接口主要是与风速传感器进行连接。而2路的开关量输入接口主要是连接红外和流量传感器。2路开关量输出接口主要是控制喷雾洒水除尘和通风除尘。信号调理电路包括I/V转换电路和TLP521构成的光电耦合隔离电路。风速传感器输出的1～5mA直流模拟电流信号不能直接由A/D转换器转换，要将1～5mA电流信号转换成A/D允许的0～Vref电压信号。因此，系统选用美国MAXIM公司生产的MAX472集成电流/电压转换芯片，MAX472可以通过一个输出电阻Rout将电流转化为对地电压输出，实现I/V转换。在开关量输入电路中采用光耦隔离环节，光电耦合器件采用TLP521-2。由于输入端和输出端仅采用光来耦合，因而在电性能上是隔离的，这是采用光藕的优点之一；光电藕合器的另一优点是能够强有力地抑制尖脉冲及各种噪音干扰，并具有无触点、速度快、耗能少等特点。
AT89C51CC01单片机控制器内部的CAN控制器只是协议控制器，不能提供物理层驱动功能，所以AT89C51CC01单片机控制器连接有CAN驱动和隔离电路，该电路采用PCA82C250收发器，实现对总线的差动发送和接收功能。为了提高粉尘浓度控制装置的抗干扰能力，CAN控制器引脚通过高速光耦6N137构成的隔离电路与PCA82C250连接，这样可以很好的实现总线上各节点的电气隔离。高速光耦6N137构成的隔离电路所采用的电源通过DCM9S9隔离稳压器进行隔离。
AT89C51CC01单片机控制器还连接有通信转换电路。通信转换电路通过AT89C51CC01单片机控制器和开关CD4053来实现RS232和RS485之间的通信转换。AT89C51CC01单片机控制器通过RS232通信主要实现粉尘浓度的采集，通过RS485通信主要实现对语音报警电路的通信。
通信转换电路与语音报警电路相连接。语音报警电路包括中文语音合成芯片OSYNO6188、CD4053、RS-485总线驱动芯片SN75176和AT89C2051。语音报警电路连接有语音箱。
AT89C51CC01单片机控制器还连接有人机交互电路。人机交互电路包括LED显示、按键、和BCD拨码开关。粉尘浓度控制装置采用4位LED数码管显示粉尘浓度。粉尘浓度控制装置采用按键实现粉尘浓度阀值设定、最优风速设点、辅助喷雾时间设定和短时间内总粉尘浓度数据的查询功能。粉尘浓度控制装置采用BCD拨码开关进行除尘控制输出方式的设置和分站地址设定功能。
电路板上单片机及外围器件需要DC5V和DC9V电压，因此，需要由电源转换电路实现电压变换。单片机控制器作为井下监控分站的核心器件，需要较稳定的工作电压才能可靠工作，在一般条件下，大部分应用均采用线性稳压器件(如78xx系列三端稳压器件)作为电压调节和稳压器件，为单片机提供电源。本发明采用开关稳压电源调节器件LM2576和线性稳压器件LM7805相结合的方式实现电源转换。LM2576具有优良的工作性能、较高的转换效率，而且能够有效抑制电源干扰，LM7805具有较好的稳压特性，结合二者的优点，可以提高监控分站供电的效率和稳定性
本发明的工作原理为：以AT89C51CC01单片机控制器为核心，实现现场粉尘的实时检测、处理与控制功能。AT89C51CC01单片机控制器通过RS232通信方式采集粉尘浓度，而且AT89C51CC01单片机控制器连接有3个传感器实现现场信号的采集：风速传感器用于检测现场的通风情况，红外传感器用于喷雾除尘时检测现场有无人员经过，水流传感器用于检测喷雾时防尘管路的供水情况；除尘控制输出包括两路开关量输出，可根据设定的除尘方式用于控制喷雾或除尘设备进行除尘；传感器信号和除尘控制输出信号要经过放大或隔离处理，这些功能由信号调理电路完成；语音提示模块在浓度超标、控制器动作以及系统故障的情况下发出语音提示；人机交互部分实现监控分站的数据查询和参数设定，包括总矿尘浓度值的实时显示和短期数据查询、浓度阈值设定、最优风速设定、辅助喷雾时间设定，以及除尘控制输出方式的设置；AT89C51CC01单片机控制器通过CAN总线通信接口的驱动和隔离电路来进行粉尘浓度的传输。
当然，本发明的保护范围并不局限于上述实施例，只要是本领域的普通技术人员，根据本发明所作出的未经创造性地改进，就应在本发明保护范围之内。
AT89C51CC01单片机控制器通过信号调理电路与输入与输出接口相连接。输入与输出接口包括1路模拟量输入接口、2路开关量输入接口和2路开关量输出接口。模拟量输入接口主要是与风速传感器进行连接。而2路的开关量输入接口主要是连接红外和流量传感器。2路开关量输出接口主要是控制喷雾洒水除尘和通风除尘。信号调理电路包括I/V转换电路和TLP521构成的光电耦合隔离电路。风速传感器输出的1～5mA直流模拟电流信号不能直接由A/D转换器转换，要将1～5mA电流信号转换成A/D允许的0～Vref电压信号。因此，系统选用美国MAXIM公司生产的MAX472集成电流/电压转换芯片，MAX472可以通过一个输出电阻Rout将电流转化为对地电压输出，实现I/V转换。在开关量输入电路中采用光耦隔离环节，光电耦合器件采用TLP521-2。由于输入端和输出端仅采用光来耦合，因而在电性能上是隔离的，这是采用光藕的优点之一；光电藕合器的另一优点是能够强有力地抑制尖脉冲及各种噪音干扰，并具有无触点、速度快、耗能少等特点。
AT89C51CC01单片机控制器内部的CAN控制器只是协议控制器，不能提供物理层驱动功能，所以AT89C51CC01单片机控制器连接有CAN驱动和隔离电路，该电路采用PCA82C250收发器，实现对总线的差动发送和接收功能。为了提高粉尘浓度控制装置的抗干扰能力，CAN控制器引脚通过高速光耦6N137构成的隔离电路与PCA82C250连接，这样可以很好的实现总线上各节点的电气隔离。高速光耦6N137构成的隔离电路所采用的电源通过DCM9S9隔离稳压器进行隔离。
AT89C51CC01单片机控制器还连接有通信转换电路。通信转换电路通过AT89C51CC01单片机控制器和开关CD4053来实现RS232和RS485之间的通信转换。AT89C51CC01单片机控制器通过RS232通信主要实现粉尘浓度的采集，通过RS485通信主要实现对语音报警电路的通信。
通信转换电路与语音报警电路相连接。语音报警电路包括中文语音合成芯片OSYNO6188、CD4053、RS-485总线驱动芯片SN75176和AT89C2051。语音报警电路连接有语音箱。
AT89C51CC01单片机控制器还连接有人机交互电路。人机交互电路包括LED显示、按键、和BCD拨码开关。粉尘浓度控制装置采用4位LED数码管显示粉尘浓度。粉尘浓度控制装置采用按键实现粉尘浓度阀值设定、最优风速设点、辅助喷雾时间设定和短时间内总粉尘浓度数据的查询功能。粉尘浓度控制装置采用BCD拨码开关进行除尘控制输出方式的设置和分站地址设定功能。
电路板上单片机及外围器件需要DC5V和DC9V电压，因此，需要由电源转换电路实现电压变换。单片机控制器作为井下监控分站的核心器件，需要较稳定的工作电压才能可靠工作，在一般条件下，大部分应用均采用线性稳压器件(如78xx系列三端稳压器件)作为电压调节和稳压器件，为单片机提供电源。本发明采用开关稳压电源调节器件LM2576和线性稳压器件LM7805相结合的方式实现电源转换。LM2576具有优良的工作性能、较高的转换效率，而且能够有效抑制电源干扰，LM7805具有较好的稳压特性，结合二者的优点，可以提高监控分站供电的效率和稳定性
本发明的工作原理为：以AT89C51CC01单片机控制器为核心，实现现场粉尘的实时检测、处理与控制功能。AT89C51CC01单片机控制器通过RS232通信方式采集粉尘浓度，而且AT89C51CC01单片机控制器连接有3个传感器实现现场信号的采集：风速传感器用于检测现场的通风情况，红外传感器用于喷雾除尘时检测现场有无人员经过，水流传感器用于检测喷雾时防尘管路的供水情况；除尘控制输出包括两路开关量输出，可根据设定的除尘方式用于控制喷雾或除尘设备进行除尘；传感器信号和除尘控制输出信号要经过放大或隔离处理，这些功能由信号调理电路完成；语音提示模块在浓度超标、控制器动作以及系统故障的情况下发出语音提示；人机交互部分实现监控分站的数据查询和参数设定，包括总矿尘浓度值的实时显示和短期数据查询、浓度阈值设定、最优风速设定、辅助喷雾时间设定，以及除尘控制输出方式的设置；AT89C51CC01单片机控制器通过CAN总线通信接口的驱动和隔离电路来进行粉尘浓度的传输。
当然，本发明的保护范围并不局限于上述实施例，只要是本领域的普通技术人员，根据本发明所作出的未经创造性地改进，就应在本发明保护范围之内。