风阻参数综合检测仪的研制

崔 峰

风阻参数综合检测仪的研制

崔 峰

新型的矿用风阻参数综合检测仪器集空气压力(绝对压力和相对压力)、风速、空气温湿度等参数的检测于一体，并且具有功能集成性强、数据存储容量大、可与上位计算机进行通信，操作简单、便于携带等特点。与传统测试仪器相比，提高了测量、处理的精度和效率。

检测仪器；风阻参数；单片机；煤矿

1矿用测量仪器的现状

近年来，国内外在通用矿井负压、风速测量等单个项目指标的测量方面都有比较成熟的技术，但是，对于矿井通风计算及矿井安全预报的精度还不能完全满足要求。并且在综合各类通风参数的仪器测定方面国内外尚无实用产品。而本仪器根据目前矿井通风参数的要求，采用嵌入式单片机控制采集技术，实现对矿井通风参数的综合数据采集的方法、研究煤矿巷道复杂环境数据采集、通信的抗干扰措施，研究了主从式串行通信技术在矿用便携式采集仪之间及上位计算机间的通信应用，实现巷道风阻参数的本质安全型自动测量。

2风阻参数综合检测仪的总体方案

风阻参数是指表示矿井中通风条件状态的性能参量。它主要包括井下空气压力、空气温度、空气湿度、井下风速和井中的瓦斯浓度等参数，目前较常用的是电测法。所谓风阻参数的电测法就是用相应的传感器将被测的参数按照一定的函数关系转换为电信号，并对其进行测量，以此来表示被测的参数量。多功能风阻参数检测仪就是将传感器技术、单片机技术、信息传输技术、电源技术与电气防爆技术相结合，用于巷道多项风阻参数同时进行测量的仪器。

2.1风阻参数检测仪的功能分析。

该仪器主要是针对矿井风阻参数测量的实际需要而开发的。它应具备以下功能：

(1)仪器应具有对甲烷、风速、空气压力、空气湿度和温度等模拟量监测和累计检测功能。

(2)具有甲烷浓度超限声音报警功能。

(3)具有大容量的数据存储功能。

(4)具有数据显示功能。

(5)具有键盘控制和操作功能,以便于存储点的设置、存储数据的察看、参数修改和功能的调用等。

(6)该仪器主要是面向矿井通风参数的检测，因此，它要具有良好的防爆功能。

(7)具有较强的抗干扰功能。

(8)具有与上位计算机的通信功能。

(9)采用可充电的锂电池供电，具备4-8小时以上的使用时间。

2.2 风阻参数检测仪总体方案的确定。

2.2.1 主要技术指标。

该仪器主要是面向矿井风阻参数检测的，它主要完成数据的采集、处理、显示、存储和预警等功能，并与上位计算机实现通信。其主要的技术指标如下：

(1)该仪器的工作指标：

采集通道数：1～8路可选

采集位数：12位

湿度：0～100%RH，精度±2%RH(25±2℃下)

温度：-55～+150℃额定范围，精度0.5℃(在+25℃时)

风速：0～15m/S，精度±(0.3m/S+3%读数)

压力：0～500Pa, 精度：±1Pa

(2)该仪器的工作方式：采集存贮方式；数据传送方式。

(3)与上位机的通讯接口：该仪器采用RS232串行接口与上位机之间进行通信，仪器的工作方式由上位机进行控制。

2.2.2 风阻参数检测仪的硬件系统。

该仪器以单片机为控制核心，包括数据采集、存贮、掉电保护、键盘输入、显示输出和通讯等模块。仪器硬件系统组成框图如图2.1所示。

该仪器的设计紧密结合了技术的发展，采用先进的微处理器芯片。在硬件电路中，单片机采用Intel公司生产的51系列的ATMEL89C51作为主控芯片。A/D转换器采用了TI公司生产的串行数据接口芯片TLC2543芯片。选用X25045可编程看门狗芯片；并设有RS232串行通讯接口，可实现较近距离的数据传输。

图2.1 风阻参数检测仪系统组成框图

2.2.3 风阻参数检测仪软件。

该测试仪器软件部分采用MCS-51系列单片机汇编语言编写。软件部分主要完成数据的采集转换、存贮、显示以及通讯等功能。其程序设计可分为五大模块。

(1)主程序：主要完成系统初始化，包括串行口、定时器方式、键盘以及显示器等。

(2)采样转换模块：主要完成对1～8路模拟量的采样和A/D转换。

(3)串行通讯模块：主要完成接收数据串命令的分析判断、根据控制命令字的信息向主机发送信息和数据。

(4)键盘处理模块：主要完成键盘输入信息的扫描和执行。

(5)显示输出模块：主要完成测量数据和仪器工作状态的显示。

3风阻参数综合检测仪的具体设计

风阻参数检测仪以单片机为控制核心，主要由数据采集、串行通讯、数据存储、掉电保护、显示输出和键盘输入等几大模块，以及测量放大和RC滤波等电路组成。

3.1控制器的选择。

我们选用了Intel公司生产的MCS-51系列的ATMEL89C51单片机作为本仪器的主控制芯片，它功能强大、价格低廉、体积小，是一种比较通用且经济实惠的产品。

3.2 数据采集模块的选择。

数据采集模块主要由对各项参数进行测量的传感器、放大电路、滤波电路以及A/D转换器等组成。基于输入通道、转换精度、速度和价格等方面考虑，我们选用了TI公司生产的TLC2543。其管脚布局如图3.1所示。

图3.1 TLC2543引脚排列

3.3 通讯模块。

随着测控技术的发展，目前许多测量仪器都带有RS232串行总线接口。仪器通过标准的RS232接口转换电路，用于实现与上位机的通讯，为上位机的分析与处理提供数据，而上位机软件也通过标准的232串行接口与仪器通讯，实现数据的接收和后续处理。

该仪器的控制器89C51单片机内部带有一个全双工串行通讯接口，包含有串行发送器和串行接收器；有两个物理上独立的发送缓冲器和接收缓冲器。此外还有两个特殊功能寄存器SCON和PCON分别用于控制串行口的工作方式以及波特率，定时器T1用作波特率发生器。该串行口可以工作在4种不同的方式下，波特率也可由软件设置，本仪器设定串行口工作在方式1下。

3.4 数据存储、掉电保护模块。

以往，对风阻参数的检测采用的大都是分立仪器，且需人工记录，工作量大，误差也大，而且检测点有限。而该仪器，由于要完成对8路数据的采集与存储，且数据量较大，所以，我们在该仪器的设计中采用了串行数据存储器(AT24C64)，它具有8K的存储空间。按一个检测点用10个字节存储，那么本仪器可连续对800个检测点进行存储。另外，在该仪器中设计有X25045可编程看门狗芯片，以X25045设计的看门狗电路为系统提供在异常情况下的复位能力，因此提高了系统的可靠性。

3.5 键盘输入、显示输出模块。

3.5.1 键盘的选择与设计。

由于我们的仪器要求有较多的按键，因此在该仪器的设计中，我们选用了非编码矩阵式键盘。在本仪器中，我们选用P2.0～P2.7作为键盘的输入接口。键盘的板面如图所示。

在键盘中，我们共设计了16个按键，10个数字键，5个功能键，一个小数位和4个第二功能键。数字键主要用于工作人员对检测点代号手动的输入；采集键主要用来对检测点进行数据采集的控制健；保存键主要用来对采集数据以及采集点代号进行是否保存的控制；Shift键用于键盘第一功能和第二功能的切换；删除键用于对采集点代号和存储数据的修改；确定键主要用于判断数据的输入是否完成；清零键主要完成显示器的清零；校准键用于仪器系统的复位；上翻和下翻键则用于对存储数据的察看。这些键将会大大的方便用户的操作。

3.5.2 显示器的选择。

显示器的种类很多，常用的主要有数码管(LED)和液晶显示器(LCD)。液晶显示器具有重量轻，体积小，功耗低、使用灵活方便等特点。可以显示数字，英文大小写字母，日语片假名等共计192个字符，且指令功能强，接口方便简单。因此在该仪器中，我们选用了液晶显示器(LCD)。

3.6 风阻检测仪的软件设计。

我们这种仪器的软件部分采用MCS-51汇编语言编写,主要完成数据的采集、预处理、存储、显示、通讯等功能。该仪器的主程序主要完成系统的初始化，包括定时器、显示器、串行通信口及键盘接口等的初始化。根据工作流程，在不同的阶段调用相应的子程序，完成不同的操作。其主程序工作流程框图如图3.9所示。

图3.9 主程序工作流程图

4风阻参数检测仪部分实验数据

该仪器的主要实验验证参数是空气压力和空气温湿度。验证的方法是将本仪器测量的数据与专用的测量仪器检测的数据进行比较，通过比较，最后得出该仪器测量的可靠性及数据的精确性。

4.1 仪器空气压力测量实验。

4.1.1实验设计与实验仪器。

在对空气压差的测量的实验中，我们共选取了11个不同的测量点，6个压力等级，从0pa～300pa，每个相邻压力等级间压差为50pa，压力测量专用仪器选用本校采矿系的专用压力测量控制实验台。

4.1.2 实验数据及结果分析。

(1)此实验总共分两次进行，第一次测量时，取数据的上限值，第二次取下限值，然后将两次数据取平均值。实验数据如表1：(单位：pa)

表1 仪器的压力测量值与专用仪器测量结果对照表

1—仪器测量上限值 2—仪器测量下限值 3—专用仪器测量值

(2)由以上测量数据看出，该仪器的测量结果基本上与专用仪器检测结果一致，已达到了预期的设计指标，可以很好的应用于当前矿业生产实际中。

4.2仪器空气温湿度测量实验。

4.2.1 实验设计及仪器。

在此实验中，专用仪器选用专用温湿度校验箱。测量时，同样我们选取了11个测量点，对温度的测量中，设置了7个温度等级，分别从-20℃～40℃；湿度的测量中，也设定了9个湿度等级，并每组都进行了两次测量，然后取平均值，再与专用仪器检测结果进行对比。

4.2.2 实验数据及结果分析

(1)在对温度的测量实验中，选择9个测量点，分9个温度等级进行测量，共两次。其测量数据如下表2所示。(单位：℃)

表2 校验箱与仪器温度测量结果对照表

(2)在对空气湿度的测量实验中，也同样也选取9个湿度等级，从0～80，分两次进行测量，其测量数据如表3所示。(单位: %RH)

表3 校验箱与仪器测量值对照表

(3)从上面的测量数据我们可以看出该仪器对温度和湿度的测量结果与专用仪器测量结果基本一致，因此，它能满足我们实际应用的需要，也达到了我们的设计目的。

5结论

本文针对当前矿用安全检测仪器普遍存在的问题，采用嵌入式单片机技术，以单片机为控制核心，将现代传感器技术、单片机技术、信息传输技术、电源技术与电气防爆等技术有机的结合，研究开发适合当前矿业生产实际的新一代多功能安全检测仪器。该仪器设计完成后，经实验，基本上达到了预期的设计指标。

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ClassNo.:TD178DocumentMark:A

(责任编辑：宋瑞斌)

DevelopmentofMeasuringInstrumentfortheParametersofAirResistance

Cui Feng

This paper introduces the design process of a integrated measuring instrument for air resistance. Since the instrument has many functions, such as the measurement of air pressure , temperature，humidity, and wind speed etc. Many characteristics of the new instrument can be found , such as an excellent functional integration , large data storage capability and so on. When the new instrument is put into use , according to the results of test, the accuracy and efficiency of measurement ,processing would be improved greatly compared with the traditional instruments .

measuring instrument；parameter of air resistance；SCM；coal mine

崔峰，助教，陕西省石油化工学校，陕西·西安。邮政编码：710061

1672-6758(2011)03-0063-3

TD178

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