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基于CAN总线的煤矿瓦斯与环境监测系统设计

时间:2011-05-11作者:李涛, 李辉来源:中国论文库
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  摘要:针对传统的井下瓦斯监测因采用人工检测方式而导致非实时性及易出错等问题,结合井下生产环境复杂、传输距离长、监测范围广  的特点,提出了一种基于CAN总线的煤矿

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  摘要:针对传统的井下瓦斯监测因采用人工检测方式而导致非实时性及易出错等问题,结合井下生产环境复杂、传输距离长、监测范围广

  的特点,提出了一种基于CAN总线的煤矿瓦斯与环境监测系统的设计方案。该系统以AT89S52单片机为下位机系统核心,利用单总线及多传感器技

  术对井下温度、风速、瓦斯浓度等多种环境参数进行自动监测,并通过CAN总线将数据实时传送给上位机。实验结果表明,该系统具有较高的稳定

  性、可靠性和抗干扰能力。

  关键词:矿井;瓦斯监测;环境监测; CAN总线;单总线技术;多传感器

  0 引言

  井下瓦斯灾害的预防问题一直是煤矿安全生产的重点和难点。实践证明,预防瓦斯灾害的关键在于及时掌握井下瓦斯浓度的变化情况。目前

  ,许多煤矿特别是中小型煤矿仍主要采用人工现场定时检测瓦斯浓度的传统模式。该模式具有非实时性和易受检测人员主观因素影响而出现错误

  等弊端,不利于瓦斯灾害的预防工作。因此,采用更加准确、可靠的瓦斯监测技术手段已势在必行。

  CAN总线技术具有抗干扰能力强、节点多、通信速度快、传输距离长等优点,因此,CAN总线网络具有良好的安全性和抗干扰性,且组网成本低

  ,可以有效地实现分布式与实时控制,特别适用于复杂的生产环境[1]。本文利用CAN总线技术的这些特性,以CAN总线技术为基础构建一种以井上

  PC机为上位机、AT89S52单片机系统为下位机的煤矿瓦斯与环境监测系统。该系统利用单总线技术[2],通过多种传感器对井下重点区域的温度、

  风速、瓦斯浓度等重要参数进行实时监测,并将检测结果实时传送给上位机,同时还可在数据超限时自主发出安全警报,以达到预防瓦斯灾害的目

  的。

  1 系统硬件设计

  基于CAN总线的煤矿瓦斯与环境监测系统主要由以PC机为核心的井上上位机部分、以AT89S52单片机为核心的下位机系统和以CAN总线技术为

  核心的通信环节三个部分组成,如图1所示。其中上位机负责数据的分析、处理、存储及对下位机的控制等任务;下位机系统主要实现各重点监控

  区域各种数据的采集及危险报警功能;CAN总线用于实现上位机与下位机、下位机之间的组网功能,使其成为一个高效的系统。系统硬件主要包括

  下位机系统和CAN总线接口电路等部分。

  1.1 下位机系统

  下位机系统可分为现场传感器检测、模数转换单元、通信转换接口及声光报警等部分,其主要功能是实时采集现场环境的重要参数,并将数

  据传送给上位机,同时在数据超限时起到自动报警作用。其基本结构如图2所示。

  下位机系统以AT89S52为核心,通过CAN总线接口与上位机通信,同时利用单总线与多传感器数据采集系统连接,实现对井下现场瓦斯浓度

  、风速、温度等重要信息的实时监测功能。分布在现场的各传感器采集现场数据,通过单总线AD转换器DS2450将其转换为数字信号并发送到单总

  线上。

  根据主从结构原理,在系统工作时,只有当AT89S52呼叫某一单总线器件时,单总线器件才能响应,并将数据经串行接口单总线驱动器DS2480B

  传给AT89S52[3-5]。AT89S52在对数据进行初步处理后,将全部数据经CAN总线传送给上位机进行后续分析处理。当AT89S52监测到数据超限时,在

  及时向上位机传送数据的同时,立即发出声光警报信号,提醒井下工作人员及时采取相应措施。

  1.2 CAN总线接口电路

  CAN总线接口电路是连接下位机系统与上位机并进行数据传递的关键环节。本系统中CAN总线接口电路主要由CAN总线控制器SJA1000、CAN驱

  动器PCA82C250及光电隔离电路组成,具体电路如图3所示。在信息传送时,AT89S52先通过其P0口输出到CAN总线通信接口SJA1000,SJA1000的TX0

  和RX0口通过高速光电耦合器6N137与CAN驱动器PCA82C250相连,组成了下位机系统与CAN总线的通信通道[6-7]。

  2 系统软件设计

  系统软件主要包括CAN总线信息处理和下位机系统程序两部分。

  2.1 CAN总线信息处理部分

  该部分主要完成CAN节点模块的软件设计,主要包括SJA1000初始化、数据发送、数据接收这3个程序。其中SJA1000初始化主要包括工作方式

  设定、接收屏蔽寄存器(AMR)和接收代码寄存器(ACR)设置、总线时序寄存器设置、输出模式寄存器和中断寄存器设置等。数据发送程序先将待

  发送数据从存储区中取出,以主机ID地址为帧头组成信息帧,并将其发送到SJA1000的发送缓冲区。在接收到主机的发送请求后,发送程序启动发

  送命令。

  在数据接收程序中,由SJA1000自动将接收数据转入其接收缓冲区,接收程序只需从接收缓冲区读取信息并将其存储在数据存储区即可。

  2.2 下位机系统程序

  下位机系统程序主要包括数据采集处理、数据传送及报警等子程序,其流程如图4所示。

  3 结语

  设计的基于CAN总线的煤矿瓦斯与环境监测系统采用分布式系统结构,可实现对井下瓦斯浓度、温度、风速等参数的实时监测功能,同时还能

  有效降低组网成本和系统维护费用。实验证明,该系统具有较高的稳定性、可靠性和抗干扰能力,对于井下安全监控系统向数字化、网络化、实

  时化及无人职守方向发展具有积极作用。

  参考文献:

  [1] 程希明.CAN现场总线数据采集系统设计方案[J].自动化仪表,2004,25(6):21-25.

  [2] 陈志英,李光辉.单总线技术及其应用[J].电气时代,2003(7):74-75.

  [3] 陈进,程楠,崔晶晶,等.基于CAN总线的分布式水文参数实时监测系统[J].自动化仪表,2008,29(8):44-46.

  [4] 骆文涛,付子义,张宇.CAN总线在井下供电测控系统的应用研究[J].自动化技术与应用,2008,27(9):92-94,115.

  [5] 尹积婷,李西平,严斌,等.基于CAN总线的矿用智能传感器研究[J].测控技术,2006,25(11):6-8,20.

  [6] 丁刚,严辉,夏巍.基于CAN总线的煤矿瓦斯报警节点系统的设计[J].工矿自动化,2008(2):63-65.

  [7] 孙丽丽,丁学文,丁远翔.基于CAN总线的数据采集与处理系统的设计[J].可编程控制器与工厂自动化,2008(9):71-72,101.

 

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