目錄1緒論.12設計要求.13系統(tǒng)設計方案與風量調(diào)節(jié)方法.23.1系統(tǒng)總體設計方案與工作原理.23.2礦井通風機風量調(diào)節(jié)方法.24變頻器發(fā)展與變頻調(diào)速注意事項.44.1變頻器的發(fā)展.44.2變頻調(diào)速注意事項.45硬件設計.55.1單片機類型的選擇.55.2控制系統(tǒng)供電電源.65.3傳感器檢測.65.4報警電路.75.5掉電保護電路.85.5.1單片機掉電設計原理.85.5.2掉電持續(xù)供電電路.95.5.3復位與掉電檢測電路.105.6輸入/顯示電路.115.7固態(tài)繼電器電路.125.8A/D轉(zhuǎn)換電路設計.135.9D/A轉(zhuǎn)換電路.145.10電機控制原理.146抗干擾設計.166.1概述.166.2硬件抗干擾設計.166.2.1電源抗干擾措施.166.2.2傳感器抗干擾措施.176.3軟件抗干擾設計.177軟件設計.188結(jié)束語.20致謝.20參考文獻.20附錄.2211緒論隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，安全意識不斷加強，作為危險作業(yè)的礦井工人安全問題受到高度重視。近年來，尤其是我國煤礦礦井事故不斷出現(xiàn)，有人為管理因素，但重要的還是技術落后。解決礦井安全的問題，首先是解決礦井的通風系統(tǒng)的問題。通風系統(tǒng)的關鍵是對通風機風量和其他通風輔助設備的控制。通風機風量的調(diào)節(jié)有兩種基本方法：一是改變風門調(diào)節(jié)；二是改變通風機電機的轉(zhuǎn)速。風門調(diào)節(jié)不易實現(xiàn)自動化，而對通風機電動機的轉(zhuǎn)速控制較容易實現(xiàn)?，F(xiàn)在對電動機的調(diào)速控制有變頻器調(diào)速控制，PLC電控控制等。單獨利用變頻器調(diào)速控制，達不到對通風機實現(xiàn)自動控制，也不利于以后的系統(tǒng)擴展改造。應用PLC的好處是控制方便，可靠性高，編程容易，但是綜合成本高。隨著單片機技術的發(fā)展，基于AT89C52的通風機監(jiān)視儀的設計和應用已經(jīng)成功，利用單片機對伺服電機的控制得到了應用，基于單片機進行的保證室內(nèi)空氣質(zhì)量的通風機控制器設計已經(jīng)實現(xiàn)。目前國外對單片機的應用相當普及，國內(nèi)雖然從1980年開始才著手開發(fā)應用，但至今也已擁有數(shù)十家專門生產(chǎn)單片機開發(fā)系統(tǒng)的工廠或公司，并且在程序控制、智能儀表等方面已經(jīng)涌現(xiàn)出大量的科技成果。這些技術為單片機在礦井通風控制系統(tǒng)中的應用提供了技術支持。本設計研究參照單片機的國內(nèi)外應用現(xiàn)狀，考慮到我國大多數(shù)礦井通風的實際情況，采用價格低，功耗小，結(jié)構(gòu)簡單，編程容易，性能價格比好的51系列單片機作為主控單元，通過變頻器調(diào)速，固態(tài)繼電器電路切換，達到對通風機電機的自動控制，既解決了礦井通風機風量自動調(diào)節(jié)問題，而且成本比較低，擴展性好，易于應用。2設計要求（）系統(tǒng)電源電壓要與單片機工作電壓相匹配；（）要使單片機的性能價格比較優(yōu)；（）傳感器要有很好的抗干擾性；（）系統(tǒng)有很好的抗干擾性，斷電時可以保存用戶所設定的各種參數(shù)；（）系統(tǒng)具有手動/自動轉(zhuǎn)換、在線監(jiān)控及在現(xiàn)場調(diào)試、驅(qū)動通風機的電機過熱保護，故障報警等功能。依據(jù)礦井通風的特點，本控制系統(tǒng)對電機的控制功能包括：當有一臺電機過熱時，系統(tǒng)能夠自動轉(zhuǎn)換為另一臺電機工作；當一臺電機不能滿足風量要求時，系統(tǒng)能夠自動啟動另一臺電機工作；通風機電機在變頻情況下啟動，當一臺電機工作風量達不到要求，啟動另一臺電機，第一臺電機能夠自動轉(zhuǎn)換為工頻運行，變頻器控制第二臺電機，第二臺電機也具有變頻轉(zhuǎn)工頻功能。23系統(tǒng)設計方案與風量調(diào)節(jié)方法3.1系統(tǒng)總體設計方案與工作原理本設計系統(tǒng)根據(jù)設計要求，其設計模塊應該包括：單片機選擇、控制系統(tǒng)供電電源、傳感器檢測、抗干擾設計、手動/自動轉(zhuǎn)換、電動機保護、輸入/顯示電路設計、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、故障報警、繼電器控制電路和軟件設計。按功能要求擬定設計方案。若采用先對各個輸入/輸出信號模塊進行設計，然后再對單片機輸入/輸出口分配，不利于在現(xiàn)有單片機的情況下，應用單片機進行設計，假如先對單片機的I/O口進行分配，然后對各個功能模塊進行設計，就能夠充分發(fā)揮單片機的功用，是一種最簡單的設計方案。本設計就采用這種方案，對系統(tǒng)進行設計。系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。由圖1可知，本設計系統(tǒng)以單片機作為控制核心，依靠傳感器技術來采集礦井中的信息，包括礦井溫度、礦井風速、礦井壓力、瓦斯?jié)舛群碗姍C溫度，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路，送入單片機處理，再由D/A轉(zhuǎn)換放大電路送給變頻器模擬控制信號，經(jīng)變頻器變頻對通風機電機進行調(diào)速。通過單片機控制固態(tài)繼電器通斷實現(xiàn)工頻、變頻電路轉(zhuǎn)換和兩臺電動機的切換，達到對通風機風量調(diào)節(jié)的目的。系統(tǒng)由鍵盤輸入單片機控制數(shù)據(jù)，由顯示電路顯示控制系統(tǒng)的運行情況，出現(xiàn)故障時，相應顯示電路給以顯示信息并且發(fā)聲報警。圖1系統(tǒng)總體設計框圖3.2礦井通風機風量調(diào)節(jié)方法對通風機的控制，目的是對通風機風量的調(diào)節(jié)。它通過改變通風機本身的特性曲線或改變外部管網(wǎng)特性來進行，分為風機恒速時的風量調(diào)節(jié)和風機變速時的風量調(diào)節(jié)。通風機恒速時的風量調(diào)節(jié)對于軸流式通風機，通過增大葉片安裝角度可以增大風壓，也可以通過改變工作輪的級數(shù)或葉輪片數(shù)來調(diào)節(jié)通風量。但這些單片機A/DFANGDAN礦井溫度礦井風速礦井壓力瓦斯?jié)舛入姍C溫度D/A固態(tài)繼電器變頻器報警M1、M2鍵盤顯示3調(diào)節(jié)一般需要在風機停機時才能進行，只適合較長階段的風量調(diào)節(jié)，無法實現(xiàn)通風量的平滑調(diào)節(jié)和與實際通風量要求的隨動。對于離心式風機，目前都是通過調(diào)節(jié)通風機口及風道或送風道中閘門的開啟程度，人為地減小風道斷面，增加通風阻力，改變通風管網(wǎng)的特性曲線，最終改變風機運行工況點，實現(xiàn)風量調(diào)節(jié)。這是一種很不經(jīng)濟的調(diào)節(jié)方法。通風機變速時的風量調(diào)節(jié)，是通過改變通風機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)通風機特性曲線的改變，從而改變通風量，這是離心式通風機節(jié)能運行的有效方法。調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速與調(diào)節(jié)風門改變風量方法比較，風機運行的工況點和特性如下圖2所示。HH2B31H1A42H3COQ2Q1Q圖2風機運行的工況點的特性曲線曲線1為通風機在全速下風壓風量(HQ)的特性曲線，曲線2為風門全開時管網(wǎng)的特性曲線。上述兩曲線的交點A代表自然運行工況點，其風壓和風量分別為H1和Q1。如果礦井需要的實際通風量為Q2，可以通過調(diào)節(jié)風門，改變管網(wǎng)的特性得到曲線3，它與曲線1的交于B點，取得要求的風量Q2，但風壓上升至H2。也可以通過改變風機的轉(zhuǎn)速而使風機的特性曲線變?yōu)榍€4，它與管網(wǎng)的特性曲線2交于C點，同樣取得要求的風量Q2，同時，風壓降至H3。假定在上述3個不同的工礦點運行時，通風機、電器和機械傳動系統(tǒng)的效率都相等，則在3個不同的工礦點運行時從電網(wǎng)吸收的功率PA、PB、PC應與相應工礦點的風量和風壓的乘積成正比，即與圖中AH1OQ1、BH2OQ2和CH3OQ23個矩形的面積成正比。從圖上可以清楚地看出，PB僅比PA略小，而PC遠遠小于PA。也就是說，調(diào)節(jié)通風機轉(zhuǎn)速改變風量的運行方式所消耗的電能遠遠小于調(diào)節(jié)風門改變風量的運行方式1。通風機屬于負荷平穩(wěn)，起動不頻繁，僅需較小起動轉(zhuǎn)矩的設備，采用母線供電，交流鼠籠電動機拖動的不調(diào)速電控系統(tǒng)，調(diào)節(jié)風門調(diào)節(jié)風量的工作方式是最簡單、最可靠的。雖然這種工作方式能耗大，但設備簡