CN1664511A

CN1664511A - 矿井综合环境智能监控数据采集通讯装置

Info

Publication number: CN1664511A
Application number: CN 200510045627
Authority: CN
Inventors: 付华; 杜晓坤
Original assignee: Liaoning Technical University
Current assignee: Liaoning Technical University
Priority date: 2005-01-07
Filing date: 2005-01-07
Publication date: 2005-09-07

Abstract

本发明属矿井生产安全监控装置，特别涉及一种矿井，特别是煤矿井下生产综合环境智能监控数据采集通讯装置，由电源电路(1)、传感器电路(7)、模入通道电路(6)、声光报警电路(4)和执行器电路(8)组成，在系统中设置了中央处理器电路(2)、LCD驱动电路(5)和通信接口电路(3)；中央处理器电路(3)它包括：中央处理器U₁₃、软件监视器U₄、非门U₃A、晶体振荡器y₁、二极管D₁、开关S₁、电容C₂、C₄、C₅和电阻R₆、R₇；该装置对煤矿井下的瓦斯浓度、CO浓度、井下温度、粉尘浓度、通风情况、风机开停状态等参数实现实时检测，实现信息的交换和数据上传；传输速率高；对煤矿井下安全生产十分有利。

Description

矿井综合环境智能监控数据采集通讯装置

技术领域

本发明属矿井生产安全监控装置，特别涉及一种矿井，特别是煤矿井下生产综合环境智能监控数据采集通讯装置。

技术背景

近几年来，煤矿安全监控系统有很大发展，主要是基于调制解调器的DCS通信系统或者是RS232、RS485的通信系统。上述系统可以实现基本的通信，提高了矿井生产的安全系数，但是这些系统存在着许多不足，如网络结构与通信方式不规范，系统都有自己独立的通信系统，传输速率低，一般在4800B/S以下；缺乏统一的通信协议及信息交换标准；信号处理精度不高；传输线上数据的抗干扰能力低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种应用CAN总线的卓越性能和技术组建硬件系统，实现实时检测煤矿井下瓦斯浓度、CO浓度、井下温度、粉尘浓度、通风情况、风机开停状态等参数，并可以完成软件监控、超限声光报警、开关相关设备，特别是装置中加了符合CAN2.0B协议的通信控制器和收发器，能与上位机通信，实现信息的交换和数据上传的矿井综合环境智能监控数据采集通讯装置。

本发明解决技术问题采用的技术方案是：一种由电源电路、传感器电路、模入通道电路、声光报警电路和执行器电路组成的矿井综合环境智能监控数据采集通讯装置，其特点是在系统中设置了中央处理器电路、LCD驱动电路和通信接口电路；中央处理器电路它包括：中央处理器U₁₃、软件监视器U₄、非门U₃A、晶体振荡器y₁、二极管D₁、开关S₁、电容C₂、C₄、C₅和电阻R₆、R₇；U₁₃的1脚接R₇一端、U₃A的2脚和通信接口电路中的通信控制器U₁₄的17脚，2脚接模入通道电路中的采样保持器U₆的LC端，3、4、5脚分别接多路模拟开关U₂的9、10、11脚，6脚接U₆的OUT端，7脚接传感器电路的C₂₂、R₃₆的一端和光电耦合器A₁的4脚，8、9脚分别接LCD驱动电路中的LCD驱动芯片U₂₀的RD、WR端和U₁₄的5、6脚，11脚接C₂、D₁一端和+5V电源，12脚接R₆、S₁一端和地，S₁另一端接D₁另一端，R₆另一端接C₂、R₇另一端，13脚接C₄、y₁一端，14脚接U₁₄的3脚、y₁的另一端和C₅的一端，C₅另一端接C₄另一端和地，16脚接声光报警电路的R₁₀一端，19、20、21脚分别接执行器电路的R₄₀、R₃₈、R₄₂一端，25、28脚分别接U₂₀的DATA、CS端，29脚接U₄的6脚，30脚接U₁₄的4脚，31脚接C₁₁、C₇、C₆一端、U₁₄的15、21、8脚和地，32脚分别接R₁₆的一端、C₁₁、C₇、C₆的另一端、U₁₄的12、18、22、11脚和+5V电源，33～40脚分别接U₁₄的23～28、1、2脚；U₄的1脚接8脚，2脚接+5V电源，3、4脚接地，7脚接U₃A的1脚。

LCD驱动电路它包括：LCD驱动芯片U₂₀、晶体振荡器y₃、电容C₂₅～C₂₇和可调电阻R₃₂；U₂₀的OSCI端接y₃、C₂₆一端，OSCO端接C₂₅一端和y₃的另一端，C₂₅另一端接C₂₆另一端，VDD端接R₃₂的1脚、C₂₇一端和+5V电源，VLCD端接R₃₂的2、3脚，VSS端接C₂₇另一端和地。

通信接口电路它包括：CAN2.0B通信控制器U₁₄、CAN总线收发器U₁₈、发电隔离器U₁₅、U₁₆、CAN总线、晶体振荡器y₂、电容C₆、C₇、C₁₁、C₁₇～C₁₉和电阻R₁₆～R₂₀、R₂₂～R₂₄；U₁₄的9脚接y₂、C₁₈一端，10脚接y₂另一端、C₁₉一端，C₁₉的另一端接C₁₈另一端和地，13脚接R₁₇一端，19脚接R₁₉一端和U₁₆的6脚；U₁₅的2脚接+5V电源，3脚接R₁₇另一端，6脚接R₁₈一端和U₁₈的1脚，7脚接R₁₈另一端、+5V电源和U₁₆的2脚；U₁₆的3脚接R₂₀的一端，7脚接R₁₉的另一端和+5V电源；U₁₈的2脚接C₁₇、R₂₂一端和地，3脚接C₁₇另一端和+5V电源，4脚接R₂₀的另一端，6脚接CAN一边，7脚接CAN的另一边，8脚接R₂₂的另一端，CAN的两边端头分别接电阻R₂₃、R₂₄的两端。

本发明的有益效果是：该装置对煤矿井下的瓦斯浓度、CO浓度、井下温度、粉尘浓度、通风情况、风机开停状态等参数实现实时检测，并可以完成软件监控、超限声光报警、开关相关设备；特别是装置中加了符合CAN2.0B协议的通信控制器和接收器，能与上位机通信，实现信息的交换和数据上传；传输速率高；具有统一的通信协议及信息交换标准，信号处理精度高，传输线上数据抗干扰能力强。对煤矿井下安全生产十分有利。

附图说明

以下结合附图以实施例具体说明。

图1示矿井综合环境智能监控数据采集通讯装置的结构框图。

图2示图1的中央处理器电路、LCD驱动电路、通信接口电路原理图。

图3示图1的电源电路原理图。

图4示图1的声光报警电路原理图。

图5示图1的模拟通道电路原理图。

图6示图1的传感器电路原理图。

图7示图1的执行器电路原理图。

图中，1-电源电路；2-中央处理器电路；3-通信接口电路；4-声光报警电路；5-LCD驱动电路；6-模入通道电路；7-传感器电路；8-执行器电路；U₁-一氧化碳传感器；U₂-多路模拟开关；U₄-软件监视器；U₅、U₂₃、U₂₄-继电器；U₆-采样保持器；U₇-高精度集成稳压器；U₈-集成温度传感器；U₉-风速传感器；U₁₀、U₁₂-三端固定正稳压电源；U₁₁-三端固定负稳压电源；U₁₃-中央处理器；U₁₄-CAN总线收发器；U₁₅、U₁₆-光电隔离器；U₁₈-CAN总线收发器；U₁₇、AR₁～HR₄-运算放大器；U₁₉-高浓度甲烷传感器；U₂₀-LCD驱动芯片；U₂₁-开停传感器；U₂₂-粉尘传感器；U₂₃、U₂₄、U₂₅-固态继电器；Z₁、Z₂、Z₃-电池；y₁～y₃-晶体振荡器；S₁-开关；CAN-总线；T₁、T₂-变压器；D₇、D₈-整流桥；LS₁-蜂鸣器；DS₁-显示灯；SENSOR-瓦斯传感器；A-光电耦合器；Q₁～Q₄-三极管；C₁₆、C₂₈～C₃₀-电解电容；C₁～C₁₅、C₁₇～C₂₅-电容；D₁、D₅、D₆-二极管；D₂-稳压二极管；R₁～R₄、R₆～R₃₁、R₃₃、R₃₄、R₃₆、R₃₈～R₄₅-电阻；R₅、R₁₃、R₁₅、R₂₄、R₃₂、R₃₅、R₃₇-可变电阻；

具体实施方式

参照附图，该装置由电源电路1、传感器电路7、模入通道电路6、声光报电路4和执行器电路8组成，其特点是在系统中设置了中央处理器电路2、LCD驱动电路5和通信接口电路3；中央处理器电路3它包括：中央处理器U₁₃、软件监视器U₄、非门U₃A、晶体振荡器y₁、二极管D₁、开关S₁、电容C₂、C₄、C₅和电阻R₆、R₇；U₁₃的1脚接R₇一端、U₃A的2脚和通信接口电路中的通信控制器U₁₄的1 7脚，2脚接模入通道电路6中的采样保持器U₆的LC端，3、4、5脚分别接多路模拟开关U₂的9、10、11脚，6脚接U₆的OUT端，7脚接传感器电路7的C₂₂、R₃₆的一端和光电耦合器A₁的4脚，8、9脚分别接LCD驱动电路5中的LCD驱动芯片U₂₀的RD、WR端和U₁₄的5、6脚，11脚接C₂、D₁一端和+5V电源，12脚接R₆、S₁一端和地，S₁另一端接D₁另一端，R₆另一端接C₂、R₇另一端，13脚接C₄、y₁一端，14脚接U₁₄的3脚、y₁的另一端和C₅的一端，C₅另一端接C₄另一端和地，16脚接声光报警电路4的R₁₀一端，19、20、21脚分别接执行器电路8的R₄₀、R₃₈、R₄₂一端，25、28脚分别接U₂₀的DATA、CS端，29脚接U₄的6脚，30脚接U₁₄的4脚，31脚接C₁₁、C₇、C₆一端、U₁₄的15、21、8脚和地，32脚分别接R₁₆的一端、C₁₁、C₇、C₆的另一端、U₁₄的12、18、22、11脚和+5V电源，33～40脚分别接U₁₄的23～28、1、2脚；U₄的1脚接8脚，2脚接+5V电源，3、4脚接地，7脚接U₃A的1脚。

LCD驱动电路5它包括：LCD驱动芯片U₂₀、晶体振荡器y₃、电容C₂₅～C₂₇和可调电阻R₃₂；U₂₀的OSCI端接y₃、C₂₆一端，OSCO端接C₂₅一端和y₃的另一端，C₂₅另一端接C₂₆另一端，VDD端接R₃₂的1脚、C₂₇一端和+5V电源，VCCD端接R₃₂的2、3脚，VSS端接C₂₇另一端和地。

通信接口电路3它包括：CAN2.0B通信控制器U₁₄、CAN总线收发器U₁₈、发电隔离器U₁₅、U₁₆、CAN总线、晶体振荡器y₂、电容C₆、C₇、C₁₁、C₁₇～C₁₉和电阻R₁₆～R₂₀、R₂₂～R₂₄；U₁₄的9脚接y₂、C₁₈一端，10脚接y₂另一端、C₁₉一端，C₁₉的另一端接C₁₈另一端和地，13脚接R₁₇一端，19脚接R₁₉一端和U₁₆的6脚；U₁₅的2脚接+5V电源，3脚接R₁₇另一端，6脚接R₁₈一端和U₁₈的1脚，7脚接R₁₈另一端、+5V电源和U₁₆的2脚；U₁₆的3脚接R₂₀的一端，7脚接R₁₉的另一端和+5V电源；U₁₈的2脚接C₁₇、R₂₂一端和地，3脚接C₁₇另一端和+5V电源，4脚接R₂₀的另一端，6脚接CAN一边，7脚接CAN的另一边，8脚接R₂₂的另一端，CAN的两边端头分别接电阻R₂₃、R₂₄的两端。

电源电路1(见附图3)它包括：三端固定正稳压电源U₁₀、U₁₂、三端固定负稳压电源U₁₁、变压器T₁、T₂、整流桥D₇、D₈、二极管D₅、D₆、电解电容C₁₆、C₂₈～C₃₀和电容C₈～C₁₀、C₁₃～C₁₅；T₁的1、2脚分别接220V电源，3、4脚分别接D₇的3、4脚；D₇的1脚接C₂₉的负极、C₁₄的一端和U₁₁的3脚，2脚接C₂₈的正极、C₁₃的一端和U₁₀的1脚；U₁₀的2脚接U₁₁的2脚、C₈、C₉、D₅、D₆一端、C₁₃、C₁₄另一端、C₂₈负极、C₂₉的正极和地，3脚接C₈、D₅另一端和+15/+12V电源；U₁₁的1脚接C₉、D₆的另一端和-15/-12V电源；T₂的1、2脚接220V电源，3、4脚分别接D₈的3、4脚；D₈的1脚接C₃₀、C₁₆负极、C₁₅、C₁₀一端、U₁₂的2脚和地，2脚接C₃₀正极、C₁₅另一端和U₁₂的1脚；U₁₂的3脚接C₁₀另一端、C₁₆的正极和+5V电源。

声光报警电路4(见附图4)它包括：运算放大器U₁₇、三极管Q₁、稳压二极管D₂、蜂鸣器LS₁、显示灯DS₁电容C₃、C₁₂可变电阻R₂₄和电阻R₈～R₁₀、R₂₁、R₂₅；U₁₇的1脚接R₂₄的2脚，2脚接R₂₁、C₁₂一端，C₁₂另一端接地，3脚接R₂₅、R₉一端，R₉另一端接地，4脚接C₁₃和-12V电源、C₃另一端和地，6脚接R₈一端，7脚接+12V电源和R₂₄的3脚；R₈、R₂₅另一端接R₂₁另一端和D₂一端、DS₁、LS₁一端；Q₁的基极接R₁₀的另一端，集电极接DS₁、LS₁的另一脚，发射极接D₂另一端和地。

模入电路6(见附图5)，它包括：多路模拟开关U₂、采样保持器U₆和电容C₁；U₂的1脚接传感器电路7的R₂₆、C₂₁的一端，C₂₁另一端接地，3脚接U₆的INPUT端，5脚接传感器电路7的AR₄的4脚和R₃₇2、3脚，6脚接+5V电源，7、8脚接地，12脚接传感器电路7的R₂₇的一端和U₉的OUT端，13脚接传感器电路7的AR₂的4脚和R₅的2、3脚，14脚接C₂₃、R₁的一端和SENSOR的负极，15脚接AR₃的4脚和R₁₅的2脚，16脚接+5V电源；U₆的V₊端接+15V电源，LO端接C₁一端和地；CH端接C₁另一端，V-端接-15V电源。

传感器电路7(见附图6)它包括：一氧化碳传感器U₁、高精度集成稳压器U₇、集成温度传感器U₈、风速传感器U₉、高浓度甲烷传感器U₁₉、开停传感器21、粉尘传感器U₂₂、运算放大器AR₁～AR₄、瓦斯传感器SENSOR、光电耦合器A₁、电池Z₁、Z₂、Z₃、电容C₂₀～C₂₄、可变电阻R₅、R₁₃、R₁₅、R₃₅、R₃₇和电阻R₁～R₄、R₁₁～R₁₅、R₂₆～R₂₈、R₃₃、R₃₄、R₃₆；U₁的1脚接AR₁的3脚，2脚接AR₁的1脚，3脚接R₂的一端；AR₁的2脚接+5V电源；AR₂的1脚接R₂的另一端和R₄的一端，R₄的另一端R₅的1脚，2脚接R₃、C₂₀一端，R₃、C₂₀的另一端接地，3脚接+15V电源，5脚接-15V电源；U₁₉的1脚接Z₁的正极，3脚接Z₁的负极，2脚接R₂₆的另一端，U₇的1脚接AR₃的3脚和+15V电源，2脚接R₁₂的一端，3脚接R₁₁的一端和地；AR₃的1脚接R₁₃的₂脚、R₁₄的一端和U₈的1脚，R₁₂另一端接R₁₃的1、3脚，R₁₄的另一端接R₁₅的1、3脚，2脚接R₁₁另一端，5脚接U₈的2脚和-15V电源；U₉的1脚接+5V电源，3脚接R₂₇的另一端和地；U₂₁的1脚接+15V电源，2脚接R₃₃的一端，3脚接地；A₁的1脚接R₃₃的另一端，2脚接+12V电源，3脚接地；R₃₆的另一端接C₂₂的另一端和地；U₂₂的1脚接R₃₅的1、3脚，2脚接Z₃的负极，Z₃的正极接R₃₅的2脚；AR₄的1脚接R₃₇、R₃₄的另一端和C₂₄一端，C₂₄另一端接地，2脚接R₂₈的一端，R₂₈的另一端接地，3脚接+15V电源，5脚接-15V电源。

执行器电路8(见附图7)它包括：固态继电器U₂₃、U₂₄、U₂₅、三极管Q₂～Q₄、电容C₂₄、C₂₅和电阻R₂₉～R₃₁、R₃₈～R₄₅；U₂₃的1脚接R₂₉一端，R₂₉的另一端接+5V电源，2脚接Q₂的集电极，3脚接R₄₄的一端，4脚接C₂₄的一端，C₂₄的另一端接R₄₄另一端；Q₂的基极接R₃₈的另一端和R₃₉的一端，发射极接R₃₉的另一端和地；U₂₄的1脚接R₃₀一端，R₃₀另一端接+5V电源，2脚接Q₃的集电极，3脚接R₄₅一端，4脚接C₂₅的一端，C₂₅另一端接R₄₅的另一端；Q₃的基极接R₄₀的另一端和R₄₁一端，发射极接R₄₁另一端和地；U₂₅的1脚接Q₄的集电极和R₃₁的一端，R₃₁的另一端接+5V电源，2脚接Q₄的发射极、R₄₃的一端和地；Q₄的基极接R₄₂、R₄₃另一端。

该装置系统工作原理：一氧化碳传感器U₁、高浓度甲烷传感器U₁₉、低浓度甲烷传感器SENSOR粉尘传感器U₂₂、温度传感器U₈、风速传感器U₉将井下对应参数转换为电信号，电信号再经滤波、放大、采样后，转换为中央处理器U₁₃可以接受的信号送入U₁₃的模拟信号输入口。U₁₃利用其内部的A/D转换器进行A/D转换。U₁₃将转换后的数据与其报警极限值比较，如果达到报警值则启动声光报警，显示灯DS₁会以一定频率内烁，蜂鸣器LS₁会发出“嘟、嘟”声响。同时U₁₃通过固态继电器U₂₅关断不安全设备。

风速传感器U₉用来监测井下的通风量，如果风量不足则U₁₃通过开/停传感器U₂₁读风机状态，如果风机为开，则通过继电器U₂₃打开备用风机，如果风机为关，则通过继电器U₂₄打开常用风机。

集成温度传感器U₈用来检测井下温度值，便干随时掌握井下的温度变化情况。

通信控制器U₁₄、光电隔离器U₁₅、U₁₆和CAN总线收发器U₁₈为CAN总线接口，用来实现监测节点与上位机的通信，一方面，上位机可以实时监测各节点处参数情况；另一方面井下各参数的报警极限值由上位机通过总线给井下中央处理器，可以根据监测点所放置的不同位置而赋予节点不同的极限值。

软件监视器U₄的作用是，如果监测系统程序跑飞或进入死循环，U₄可及时发现，并给出一个复位信号，同时施加中央处理器U₁₃和总线CAN通信控制器U₁₄上，实现系统重新启动。

Claims

1、一种矿井综合环境智能监控数据采集通讯装置，由电源电路(1)、传感器电路(7)、模入通道电路(6)、声光报警电路(4)和执行器电路(8)组成，其特征在于在系统中设置了中央处理器电路(2)、LCD驱动电路(5)和通信接口电路(3)；中央处理器电路(3)它包括：中央处理器U₁₃、软件监视器U₄、非门U₃A、晶体振荡器y₁、二极管D₁、开关S₁、电容C₂、C₄、C₅和电阻R₆、R₇；U₁₃的1脚接R₇一端、U₃A的2脚和通信接口电路中的通信控制器U₁₄的17脚，2脚接模入通道电路6中的采样保持器U₆的LC端，3、4、5脚分别接多路模拟开关U₂的9、10、11脚，6脚接U₆的OUT端，7脚接传感器电路(7)的C₂₂、R₃₆的一端和光电耦合器A₁的4脚，8、9脚分别接LCD驱动电路(5)中的LCD驱动芯片U₂₀的RD、WR端和U₁₄的5、6脚，11脚接C₂、D₁一端和+5V电源，12脚接R₆、S₁一端和地，S₁另一端接D₁另一端，R₆另一端接C₂、R₇另一端，13脚接C₄、y₁一端，14脚接U₁₄的3脚、y₁的另一端和C₅的一端，C₅另一端接C₄另一端和地，16脚接声光报警电路4的R₁₀一端，19、20、21脚分别接执行器电路8的R₄₀、R₃₈、R₄₂一端，25、28脚分别接U₂₀的DATA、CS端，29脚接U₄的6脚，30脚接U₁₄的4脚，31脚接C₁₁、C₇、C₆一端、U₁₄的15、21、8脚和地，32脚分别接R₁₆的一端、C₁₁、C₇、C₆的另一端、U₁₄的12、18、22、11脚和+5V电源，33～40脚分别接U₁₄的23～28、1、2脚；U₄的1脚接8脚，2脚接+5V电源，3、4脚接地，7脚接U₃A的1脚。

2、根据权利要求1所述的矿井综合环境智能监控数据采集通讯装置，其特征在于LCD驱动电路(5)它包括：LCD驱动芯片U₂₀、晶体振荡器y₃、电容C₂₅～C₂₇和可调电阻R₃₂；U₂₀的OSCI端接y₃、C₂₆一端，OSCO端接C₂₅一端和y₃的另一端，C₂₅另一端接C₂₆另一端，VDD端接R₃₂的1脚、C₂₇一端和+5V电源，VCCD端接R₃₂的2、3脚，VSS端接C₂₇另一端和地。

3、根据权利要求1所述的矿井综合环境智能监控数据采集通讯装置，其特征在于通信接口电路(3)它包括：CAN2.0B通信控制器U₁₄、CAN总线收发器U₁₈、发电隔离器U₁₅、U₁₆、CAN总线、晶体振荡器y₂、电容C₆、C₇、C₁₁、C₁₇～C₁₉和电阻R₁₆～R₂₀、R₂₂～R₂₄；U₁₄的9脚接y₂、C₁₈一端，10脚接y₂另一端、C₁₉一端，C₁₉的另一端接C₁₈另一端和地，13脚接R₁₇一端，19脚接R₁₉一端和U₁₆的6脚；U₁₅的2脚接+5V电源，3脚接R₁₇另一端，6脚接R₁₈一端和U₁₈的1脚，7脚接R₁₈另一端、+5V电源和U₁₆的2脚；U₁₆的3脚接R₂₀的一端，7脚接R₁₉的另一端和+5V电源；U₁₈的2脚接C₁₇、R₂₂一端和地，3脚接C₁₇另一端和+5V电源，4脚接R₂₀的另一端，6脚接CAN一边，7脚接CAN的另一边，8脚接R₂₂的另一端，CAN的两边端头分别接电阻R₂₃、R₂₄的两端。