中煤科工集團重慶研究院有限公司 郭洪祥

基于單片機的通風阻力參數測試儀的設計

中煤科工集團重慶研究院有限公司 郭洪祥

【摘要】本文介紹了基于單片機C8051F060的礦井通風阻力參數測試儀的設計，給出了系統(tǒng)結構設計、元器件的選型以及軟件流程。該儀器具有功能齊全，測量準確度高等優(yōu)點，在煤礦井下通風阻力的測量中得到了廣泛應用。

【關鍵詞】通風阻力；MS5540C；C8051F060

1 引言

風流在井巷中作沿程流動時，由于流體層間的摩擦和流體與井巷壁面之間的摩擦所形成的阻力稱為摩擦阻力［1］。由于摩擦阻力的原因，因此礦井在通風過程中產生通風阻力。井巷通風阻力是引起風壓損失的主要根源，降低井巷通風阻力，特別是降低摩擦阻力就能用較少的風壓消耗而通過較多的風量。因此，礦井在生產過程中需對巷道通風阻力等參數進行測定，以便優(yōu)化、改進和調節(jié)礦井通風網絡，保障礦井巷道的通風安全；同時通過優(yōu)化通風網絡，還可起到節(jié)約通風能耗的作用。本文設計基于單片機C8051F060的礦井通風阻力參數測試儀的設計，給出了系統(tǒng)結構設計、元器件的選型以及軟件流程。該儀器具有功能齊全，測量準確度高等優(yōu)點。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)選用C8051F060單片機作為核心器件，通過定時對傳感器MS5540C、SHT75等數據的采集，然后經通過數據處理后通過液晶模塊進行顯示；同時為了實現存儲的數據掉電不丟失，選用AT24C1024作為ROM存儲芯片，然后通過RS232的通訊方式實現應用軟件與單片機中的存儲數據進行交換。為了實現儀器工作計時，選用自帶電池的時鐘芯片SD2405，該芯片是一種具有內置晶振、支持IIC串行接口的高精度實時時鐘芯片，單片機可使用該接口通過5位地址尋址來讀寫片內32字節(jié)寄存器的數據。系統(tǒng)總體實現形式如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總體設計圖

2.2 器件選型

由于儀器需要測量的溫度、濕度、風速、大氣壓等眾多參數而且為便攜式儀器，因此在開發(fā)過程中儀器的整體功耗、體積、供電電池選型是首要考慮的問題。

儀器選用C8051F060單片機作為核心控制芯片。該單片機具有C51內核、3.3V低電壓供電、100個引腳且引腳可以編程復用、內部設有多個定時計數器和中斷源等特點［2］。

對于絕壓的測量，選用進口高精度、低電壓低功耗的絕壓元器件MS5540C，通過單片機對其進行數據采集的方式實現，此芯片采用3.3V直流供電，直接提供16位二進制的數值轉換結果，大大節(jié)省了單片機引腳的使用數量。

對于溫濕度的測量，由于溫度和濕度在測量過程中具有相關性，同時考慮到精度和供電的具體要求，選用SHT75作為溫濕度一體化的測量元器件。該元器件具有引腳少、精度高、數字化的優(yōu)點，通過I2C總線的方式對溫度、濕度的測量值進行傳輸。

對于存儲芯片，選用AT24C1024芯片。該芯片是24C系列E2PROM存儲器中存儲容量最大的一種， 具有I2C總線接口功能、功耗小、電源電壓寬（2.7～5.5v）、工作電流和靜態(tài)電流小等特點，其存儲容量為1M位。

對于時鐘芯片，選用自帶內置晶振、支持IIC串行接口的高精度實時時鐘芯片SD2405。該芯片可保證時鐘精度為±5ppm（在25℃下），即年誤差小于2.5 分鐘；內置的一次性工業(yè)級電池或充電電池可保證在外部掉電情況下時鐘使用壽命為5～8年時間；內部具備電源切換電路，當芯片檢測到主電源VDD掉到電池 電壓以下，芯片會自動轉為由備電電池供電。

對于風速的測量，采用葉片式風表表頭加裝紅外對管的形式，通過單片機對脈沖頻率計數的方式進行風速的測量。

3 單片機軟件設計

在單片機的編程過程中由于涉及到溫度、濕度、大氣壓力、風速等多參數的測量且鍵盤操作涉及到數據存儲、刪除、瀏覽以及均風與多次測風的相互切換，因此整個流程相對較為復雜，為了既實現響應時間的快速性又能達到實現整體功能的目的，在編程過程中采用中斷、定時、查詢等多種方式相結合形式：對于數據的存儲、刪除、瀏覽等項的操作采用中斷的方式；對于風速的測量采用定時計數的方式；對于均風與多次測風的相關操作采用查詢的方式。軟件的運行首先進入單位名稱及圖標的開機畫面顯示，然后進入各測量參數、電量、時間等分項的顯示，其各部分流程設計如圖2～圖5所示：

圖2 MS5540C編程流程圖

圖3 數據存儲流程圖

圖4 數據刪除流程圖

圖5 數據瀏覽流程圖

4 系統(tǒng)軟件設計

本軟件采用VC++語言進行編程，能夠通過RS232串口讀取測

試儀內存儲的數據，具有將各相關數據的人工輸入，刪除等處理，能嚴格按照標準MT/T440-2008《礦井通風阻力測定方法》的計算公式來處理測試數據得到計算結果，并能進行數據存儲、讀取及打印等，軟件界面如圖6所示。

圖6 軟件主界面圖

5 結束語

本測試儀選用高精度傳感器進行測試儀硬件設計開發(fā)，操作簡單、體積小、存儲容量大、便于攜帶等優(yōu)點，不但可以用于大氣壓力、風速、溫度、濕度等參數的單獨測試，而且能夠通過氣壓計基點測定法或氣壓計同步測定法兩種方式［3］，通過應用軟件，計算出巷道通風阻力，且該產品已在實際生產中得到了大量的應用。

參考文獻

［1］蔡永樂，胡創(chuàng)義.礦井通風與安全［M］.北京∶化學工業(yè)出版社（第二版），2013.

［2］張培仁，孫力.基于C語言C8051F系列微控制器原理與應用［M］.北京∶清華大學出版社，2007.

［3］國家安全生產監(jiān)督管理總局.MT/T440-2008《礦井通風阻力測定方法》［S］.北京∶煤炭工業(yè)出版社出版，2009.

作者簡介：

郭洪祥（1974—），男，工程師，主要從事檢測技術研究工作。