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摘要 ： 針 對 現(xiàn) 有 礦 井 水 位 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 存 在 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 雜 和 不 能 遠(yuǎn) 程 監(jiān) 控 的 問 題 ， 設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)和ＬａｂＶＩＥＷ 的遠(yuǎn)程礦井水位監(jiān)控系統(tǒng) ， 詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件組成 、 上位機(jī)通信和下位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 。 該系統(tǒng)在現(xiàn)場利用單片機(jī)對水位進(jìn)行監(jiān)控并控制水泵， 采用 ＬａｂＶＩＥＷ 對水位進(jìn)行監(jiān)視并將水位信息存儲在數(shù)據(jù)庫中， 實(shí)現(xiàn)了對礦井水位的遠(yuǎn)程監(jiān)控 。
關(guān)鍵詞 ： 煤礦 ； 水位監(jiān)控 ； 液位傳感器 ； 單片機(jī) ； ＬａｂＶＩＥＷ
０ 引言
在我國煤礦生產(chǎn)事故中 ， 礦井水災(zāi)是僅次于瓦斯事故的第二大礦難。 通常 ， 水災(zāi)導(dǎo)致的人員傷亡慘重， 造成 的 經(jīng) 濟(jì) 損 失 也 非 常 巨 大 。 自 １９４９ 年 以來， 煤礦因水災(zāi)死亡 ３０ 人以上的事故近 ３０ 起 ， 死亡數(shù)千人。 僅 ２１ 世紀(jì)的前 ７ 年中 ， 全國煤礦因水災(zāi)死亡１０ 人以上的事故就有 ６１ 起 ， 死亡人數(shù)為 １１９５ 。如某煤礦發(fā)生 透 水 事 故， ３１ 人 被 困 井 下 ； 再 如 某 煤礦發(fā)生突水事故導(dǎo)致１２１ 人遇難 ， 直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)４５００萬元 。 數(shù)據(jù)可謂觸目驚心 。 因此 ， 設(shè)計(jì)完善的水位監(jiān)控系統(tǒng)是完全有必要的。 目前 ， 多數(shù)礦井水位監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 不能進(jìn)行遠(yuǎn)程水位監(jiān)控。針對以上系統(tǒng)存在的問題，本文設(shè)計(jì)了基于 單片機(jī)和 ＬａｂＶＩＥＷ 的水位監(jiān)控系統(tǒng) ， 在現(xiàn)場 利 用
單 片 機(jī) 對 水 位 進(jìn) 行 監(jiān) 控 并 控 制 水 泵 ， 采 用ＬａｂＶＩＥＷ 監(jiān)視與存儲水位信息 。 值班人員可通過ＬａｂＶＩＥＷ 監(jiān)視礦井 中 水 位 狀 況 ， 設(shè)置水位的下限和上限， 一旦水位異常 ， 單片機(jī)系統(tǒng)將報(bào)警并啟動(dòng)水泵抽水。 值班人員亦可及時(shí)發(fā)出警報(bào)并手動(dòng)控制水泵進(jìn)行抽水， 實(shí)現(xiàn)了對礦井水位的遠(yuǎn)程監(jiān)控 。
１ 系統(tǒng)組成
基于單片機(jī)和 ＬａｂＶＩＥＷ 的礦井水位監(jiān)控系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)２ 個(gè)部分 ， 如圖 １ 所示 。 上位機(jī)采用 ＬａｂＶＩＥＷ 進(jìn)行水位顯示與控制 ， 并存 儲 水位信 息， 下 位 機(jī) 以 單 片 機(jī) ＡＴ８９Ｃ５２ 為 核 心 。 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求， 下位機(jī)硬件部分主要包括數(shù)據(jù)采集輸入通道、 水位顯示 、 報(bào)警控制 、 水泵控制 、 鍵盤設(shè)置等部分。 另外 ， 考慮到單片機(jī)與上位機(jī)距離較遠(yuǎn) ，兩者之間采用 ＣＡＮ 總線進(jìn)行通信 。
考慮到傳感器現(xiàn)場工作環(huán)境較差 ， 需長期工作 ，因此， 選擇 ＣＹＢ３１ 型壓力液位變送器 。 該傳感器采用進(jìn)口不銹鋼隔離膜片及具有高精度、 高穩(wěn)定性的力敏芯片， 可 輸 出 標(biāo) 準(zhǔn) 的 ４ ～ ２０ ｍＡ 或 ０ ～ １０ ｍＡ信號 。 考慮 到電 橋 測 量 的 精 度 ， ＣＹＢ３１ 設(shè) 置 了專門的溫度補(bǔ)償電路。
２ 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)利用 ＬａｂＶＩＥＷ 作 為 上位 機(jī) 控 制 程 序 ， 利用單片機(jī)對現(xiàn)場１ 、 ２ 、 ３ 、 ４ 號水泵進(jìn)行監(jiān)測和控制 。在硬件控制 部 分， 利 用 ＡＴ８９Ｃ５２ 單片機(jī)對水位進(jìn)行監(jiān)控。 現(xiàn)場傳感器測量到的信號傳到單片機(jī) ， 與低限值進(jìn)行比較， 若高于低限值 ， 則開啟 １ 、 ２ 號兩臺水泵并進(jìn)行抽水， 同時(shí)進(jìn)行報(bào)警 ， 若現(xiàn)場水位已超過高限值， 則另 外 ２ 臺 水 泵 也 開 始 排 水 ， 同 時(shí) 繼 續(xù) 報(bào)警。 單片機(jī)電路共設(shè)置 ８ 個(gè)按鍵 ， 分別用來選擇系統(tǒng)的工作模式和現(xiàn)場手動(dòng)控制４ 臺水泵 。
本系統(tǒng)采用光電耦合器組成開關(guān)電路驅(qū)動(dòng)繼電器開合， 繼電器控制電路如圖 ２ 所示 。 該電路主要由光耦、繼電器開關(guān)以及水泵等組成。當(dāng)水位高于 上限時(shí)， 單片機(jī)給 Ｐ１．５ 送一個(gè)高電平 ， 此時(shí)導(dǎo)通光電耦合器， 通過光電耦合器驅(qū)動(dòng) Ｑ３ 使繼電器閉合 ，從而接通３８０Ｖ 的交流電使水泵抽水 。 根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況， 可以通過多路開關(guān)實(shí)現(xiàn)對多臺水泵的控制 ，從而在水量較大時(shí)實(shí)現(xiàn)快速排水。
3 下位機(jī)與上位機(jī)的通信
考慮到通信距離較遠(yuǎn)， 下位機(jī)與上位機(jī)間采用ＣＡＮ 總線進(jìn)行通信 。 ＣＡＮ 總線通信結(jié)構(gòu)如圖 ３所示。 圖 ３ 中 ， ８２Ｃ２５０ 為 ＣＡＮ 總線收發(fā)器 ， 負(fù)責(zé)將ＳＪＡ１０００信號轉(zhuǎn)換 為 符 合 ＣＡＮ 總線 的物 理 信 號 ；ＳＪＡ１０００為協(xié)議芯 片 ， 可 實(shí) 現(xiàn) ＣＡＮ 總線 信號 的 收發(fā)、 總線狀態(tài)檢測以及錯(cuò)誤處理 。 光電隔離將從站信號與總線隔離。
為了發(fā)揮總線傳輸速率快的優(yōu)勢 ， ＣＡＮ 總線與計(jì)算機(jī)的連接采用 ＣＡＮ ／ ＰＣＩ 卡的 ＰＣＩ － ５８１０Ｉ 單路接口卡。 ＰＣＩ － ５８１０Ｉ 集成 １ ～ ２ 路 ＣＡＮ 通道 ， 能利用 ＣＡＮ２．０Ｂ 協(xié) 議 實(shí)現(xiàn) ＣＡＮ 總線 與上 位 機(jī) 通 信 。ＰＣＩ－ ５８１０Ｉ 接 口 卡支 持 ５ｋｂｉｔ ／ ｓ ～ １Ｍｂｉｔ ／ ｓ 的 傳 輸速度， 使用非常簡單 。
４ 上位機(jī) ＬａｂＶＩＥＷ 設(shè)計(jì)
在上位機(jī) ＬａｂＶＩＥＷ 平臺下可對水位數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、 處理等操作 。 現(xiàn)場測量的水位信號 經(jīng)由 ＣＡＮ 總線傳輸 到 上 位 機(jī)，上位機(jī)將現(xiàn)場信號與 限值進(jìn)行對比， 并將數(shù)據(jù)顯示在實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)顯示表格中， 若超過下限設(shè)置值 ， 則報(bào)警燈將變成紅色 ，提醒值班人員水位發(fā)生異常。 同時(shí)處理過的數(shù)據(jù)將被存儲在數(shù)據(jù)庫中， 可隨時(shí)調(diào)用并顯示歷史水位狀況。 系統(tǒng) ＬａｂＶＩＥＷ 前面板設(shè)計(jì)如圖 ４ 所示 。
ＬａｂＶＩＥＷ 前 面 板對 應(yīng) 的 程 序 如 圖 ５ 所 示 ， 主要包含３ 個(gè)部分內(nèi)容 ： ① 讀取外部數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理和顯示； ② 針對礦井具體情況設(shè)置水位的高限和低限； ③ 對數(shù)據(jù)進(jìn) 行 存 儲 設(shè) 置 ， 以 便 能 夠 在 需 要 數(shù) 據(jù)時(shí)查詢和讀取數(shù)據(jù)。 通過歷史數(shù)據(jù)波形圖可了解歷史水位數(shù)據(jù)的變化。
５ 結(jié)語
利用單片機(jī)和 ＬａｂＶＩＥＷ 設(shè)計(jì)了礦井水位監(jiān)控系統(tǒng)， 該系統(tǒng)利用單片機(jī)作為下位機(jī)在現(xiàn)場對水位進(jìn)行監(jiān)控， 而上位機(jī)軟件采用 ＬａｂＶＩＥＷ ， 可以針對現(xiàn)場實(shí)際狀況開發(fā)更多的控制界面， 減少了硬件的投入， 同時(shí)也保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠 ， 實(shí)現(xiàn)了礦井水位的遠(yuǎn)程監(jiān)控。