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矿机车运行状态测控系统的设计
jiang_0514 发表于 2009/2/14 14:27:50 1396 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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本文作者宋继荣女士，华东理工大学信息学院硕士研究生；张晓光先生，博士研究生；林家骏先生，教授、博导。
关键词： 矿机车 运行状态 测控 黑匣子
煤矿井下架线式矿机车在井下担负着运送设备、材料、人员的任务，《煤矿安全规程》根据车辆在井下所处环境及车辆自身状况，对架线式矿机车运行速度有严格的要求。实际上，司机驾驶矿机车时常违章行驶，以至造成脱轨、追尾、轧人等事故的发生。传统的仪器设备不能记录运行过程中的一些状态及遏制司机违章，本文所介绍的监控仪以89C51单片机为主控制器，是一种把运行过程中瞬时平均速度、里程监测显示、存储记忆、超速语音灯光报警、连续超速一定时间自动控制矿机车电源断电等集于一体的多功能监控仪。它克服了不含单片机的数字式转速表电路复杂、测量范围与精确度不能兼顾的缺点，并增加了黑匣子和强制式矿机车断电控制功能，使用起来更方便、更实用、更经济。 一 功能简介 该智能型矿机车运行状态监控仪具有如下功能： (1)显示瞬时平均速度、总里程； (2)具有可设置的4档超速报警速度值； (3)具有灯光语音报警功能，当行驶速度超过设定速度值时，超速报警指示灯亮及由喇叭进行语音提示； (4)可存储停车前数百个瞬时平均速度值、数十个设定公里内的瞬时平均速度最大值(数值个数和距离长度也可根据实际情况设定)，并可调出显示，所存储数据在该仪表断电情况下可长期保持； (5)具有控制矿机车连续超速一定时间自动控制电源断电的功能； (6)该仪表设计为矿用一般型。 二 硬件构成 该监控仪的硬件结构框图如图1所示，它由CPU、传感器、稳压、数码管显示、“看门狗”、灯光语音报警、键盘、存储器、控制断电等几部分电路组成。电路结构设计结合应用软件方案综合考虑，尽可能由软件来实现功能以简化电路硬件。
CPU采用ATMEL公司的89C51单片机。它不仅在指令上与Intel公司的51系列指令兼容，而且其内部有4kB的EPROM，因此可不必再扩展EPROM就能满足测量和控制的需要。其主要作用是利用输入的脉冲信号计算瞬时平均速度、总里程，并进行存储，同时根据设定值进行判断是否需要报警。89C51的INT0接车轮脉冲信号；P1.5接灯光语音报警电路，控制报警；P1.7接“看门狗”电路，定期发脉冲信号，“看门狗”电路如定期未收到单片机电路系统所发的脉冲信号，则产生单片机复位信号，防止单片机内程序陷入死循环；P1.4接显示电路驱动芯片，用于显示驱动电路控制信号；P1.6接控制断电电路。 速度信号的采集来自霍尔传感器电路。这部分电路由高灵敏度霍尔开关元件、永久磁铁(磁钢)、电平转换电路、光电隔离电路组成，其功能主要是将车轮转动的情况转换为电脉冲信号，并进行整形送单片机电路。高磁性永久磁铁固定在矿机车的车轴上，霍尔开关元件固定在车身上。当矿机车开动时车轴转动，每当霍尔开关元件与永久磁铁由远离到靠近，电路产生一个电平脉冲变化；经过整形、光电隔离，送到单片机89C51的INT0。 数码管显示电路由数码管驱动芯片7218A和6个LED数码管组成。7218A集成电路内含位和段驱动电路及自动扫描电路，采用单一+5V电源供电，它还包括8×8位的静态存储器以及七段十进制显示码译码电路。数码管显示电路可存放8位LED显示数据，在计数器的控制下，显示数据和相应的位信号依次出现在输出口上，驱动LED数码管显示。显示数据命令和显示控制字命令是靠MODE端口加以区别的。数码管的后3位显示瞬时平均速度值，总里程的显示可根据数值大小用后两位至全部6位表示。将89C51的A14、WR端相与后，再通过门电路接在7218A的WR端口，89C51的P1.4接7218A模式控制信号端MODE。 灯光语音报警电路主要由一次性可编程语音集成芯片A5012、功放电路及报警器组成。芯片A5012使用起来非常方便，它可按需要分段，每段的时间可设定，分段数和各段的声音可在编程时自行设定，总时间为12s。语音是事先录制的人的发音，通过专门设备固化在芯片里。芯片是一次性的，采用电平触发，当报警时由单片机P1.5通过反相器接至其电平触发控制端；单片机有一管脚输出电流信号，通过发光二极管(在播放语音时，驱动该报警指示灯亮)输出至由TDA2003构成的音频功放电路，驱动报警器进行语音报警提示。其工作电压为2.4～6.0V，功耗极小。由TDA2003组成的功放电路不仅音质好，而且所需外围器件少，电压在5V时也能正常工作，非常适合体积小的仪器使用。 键盘电路主要是由八总线收发器74HC245和两个键盘组成。89C51的A13端接74HC245的有效端，用来控制查询键盘状态。一个键盘在仪表面板上，完成复位、查看总里程；另一个键盘通过接口接至仪表，用来查询存储停车前的数百个瞬时平均速度值和数十个一定里程内的瞬时平均速度的最大值，还可选定4个最大速度限定值中的一个。数据存储器采用DALLS1220-200，该存储器为2kB带掉电保护静态RAM，内部有锂电池；该存储器存储数据后，在外部掉电情况下数据可保持达10年之久。 控制断电电路由光电隔离、驱动电路和继电器组成。当连续超速5s时，89C51的P1.7口电平由高到低，通过光电隔离及功放三极管，将继电器常闭接点断开，使矿机车逆变电源的晶闸管触发脉冲信号断路，从而起到控制矿机车电源断电的作用。 三 软件设计 本程序在设计上主要具有以下特点： (1)在软件的抗干扰措施上，采用了数字滤波方法、断电数据保护； (2)在软件结构上，各功能程序实现了模块化、子程序化； (3)在存储、显示方式上，采用动态循环存储、显示队列。 本监控仪软件采用了模块化程序设计，按功能分为主程序、键处理子程序、显示子程序、计算子程序、数字滤波及存储子程序。 主程序流程如图2所示。在主程序中用来对仪器进行初始化，将仪器中所有的命令状态以及有关的存储单元置位成初始状态，设置89C51的堆栈指针、存储单元标志，然后查询键的状态，对采集的数据进行处理、判断、存储、送显示等。
在存储停车前数百个瞬时平均速度和数十个瞬时平均速度的最大值(在行驶每一固定距离内的)时，软件采用环形指针，如指针所指单元为m，下一次存储时，指针指向m+1，指针始终指向0～N－1单元(N为存储、显示数据个数)；对于环满情况，即在N－1单元已满的情况下，设置满标志，然后从0单元开始。使用这种方法能正确存储、显示所应显示的数据个数，具有算法简单、速度快的优点。 数字滤波及存储子程序的作用是：(1)防止由于仪器存在随机脉冲干扰而造成的测量误差；(2)防止在电源通断瞬间往存储器读写错误。对于随机干扰，比较瞬时平均速度相邻采样值Vn和Vn-1，根据经验确定两次采样的最大误差，如果两次采样值的误差超过了允许的最大偏差范围，则认为发生了随机干扰，并认为后一次采样值Vn为非法值，应予剔除；另外，根据经验Vn不可能超过12m/s，如超过也认为是非法值，应予剔除，只有正常采样值才能往存储器存储数据。在电源系统通断瞬间，往数据存储器DALLS 1220-200读写不能正常，这样在下次调出显示时往往会不正常，为此采用读写校验子程序。在读写子程序中，往某一固定单元送取一定数据，在存储前读该固定单元，如读取数据不正确，则认为系统有错，暂缓或放弃存储。 该监控仪具有体积小、成本低、工作可靠、使用方便、系统整体结构简单、功能较完善等优点，采样、显示、存储可同时工作。由于该系统工作条件十分恶劣，以及矿机车电源通断的猝发性，在设计上通过软硬件综合考虑，实现全面抗干扰设计。经在山西潞安矿务局使用，证明该系统可靠性较高，效果明显。