電力載波通信的噴霧降塵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：基于電力載波通信設(shè)計(jì)了噴霧降塵控制系統(tǒng)。以ATmega88單片機(jī)作為主控制器，根據(jù)采煤機(jī)和支架工作產(chǎn)生煤塵的狀況自動(dòng)調(diào)節(jié)噴霧模式。該系統(tǒng)具有LED照明功能，耗電低，壽命長(zhǎng)，耗水少，降塵效果明顯。
關(guān)鍵詞：噴霧降塵；電力載波；ATmega88；LED照明

引言
    煤礦粉塵主要存在于采煤、掘進(jìn)、運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)場(chǎng)所，其中采煤工作面產(chǎn)塵量約占45％～80％，是粉塵濃度最高的場(chǎng)所。隨著采煤機(jī)械化程度的提高，產(chǎn)塵量也在增大。煤礦粉塵濃度高容易引起火災(zāi)和爆炸，造成安全事故。另外，粉塵對(duì)礦工身體健康危害很大，使礦工患上職
業(yè)塵肺病。傳統(tǒng)的噴霧降塵方法是采用人工控制或固定模式液控來實(shí)現(xiàn)，該方法降塵效果不好，耗水量大，影響作業(yè)環(huán)境。
    近年來，電力載波通信技術(shù)和LED井下照明技術(shù)發(fā)展迅速。本文利用這些技術(shù)，根據(jù)礦井實(shí)際環(huán)境的各種要求，設(shè)計(jì)了一套實(shí)用有效的自動(dòng)噴霧降塵控制系統(tǒng)。

1 噴霧降塵控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    基于電力載波通信的煤礦噴霧降塵控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)有若干個(gè)噴霧降塵控制器和執(zhí)行電磁閥組成。每個(gè)控制器控制兩個(gè)電磁閥，控制器之間通過電力載波通信?？刂破饕来伟惭b在采煤工作面支架上，當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)，安裝在采煤機(jī)上的紅外定位裝置發(fā)射定位信號(hào)，接收到采煤信號(hào)的控制器作為主控制器控制其他控制器動(dòng)作，電磁閥完成噴霧降塵任務(wù)。

2 噴霧降塵控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 噴霧降塵控制器硬件結(jié)構(gòu)
    如圖2所示，噴霧降塵控制器包括電源模塊、電力載波通信模塊、噴霧時(shí)間設(shè)定模塊、控制器地址設(shè)定模塊、移架和放煤信號(hào)接收模塊、采煤機(jī)塵源跟蹤紅外定位信號(hào)接收模塊、LED照明、電磁閥驅(qū)動(dòng)控制模塊等。電源模塊給單片機(jī)、電磁閥和大功率LED供電。通信模塊負(fù)責(zé)將主控制器的控制信號(hào)發(fā)送給其他控制器，通過電力線載波來實(shí)現(xiàn)?？刂破魃系亩ㄎ恍盘?hào)接收模塊負(fù)責(zé)接收來自采煤機(jī)、支架和放煤手柄上的信號(hào)，并做出相應(yīng)的動(dòng)作，開啟電磁閥實(shí)施噴霧作業(yè)。

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2．2 噴霧降塵控制器硬件電路
    噴霧降塵控制器硬件電路圖如圖3所示。控制器選用AVR系列高性能、低功耗的8位AVR微控制器ATmega88。它具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)和8 KB系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash，數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS／MHz，可以緩解系統(tǒng)功耗和處理速度之間的矛盾；工作溫度范圍比較寬(-40～85℃，完全滿足井下環(huán)境要求；控制器電路具有地址設(shè)定和噴霧模式設(shè)定模塊。

    電力載波通信模塊硬件電路如圖4所示。采用載波信號(hào)調(diào)制解調(diào)器BWP08。它是一款單相電力線載波調(diào)制解調(diào)器，采用5～12 V寬電壓設(shè)計(jì)，載波波特率為100～600 bps可調(diào)；有多種按口方式可供選擇，包括UART、SPI等接口，可以方便地與單片機(jī)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。模塊采
用擴(kuò)頻編碼方式，抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸可靠，通信距離在200 m內(nèi)。控制信號(hào)從單片機(jī)的串口發(fā)送給調(diào)制解調(diào)器，調(diào)制后的信號(hào)通過功率放大，然后輸出耦合到電力線上；電力線上的載波信號(hào)通過輸入耦合、濾波、放大后，經(jīng)過調(diào)制解調(diào)器解調(diào)后送至單片機(jī)的串口。

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    紅外定位信號(hào)發(fā)射電路如圖5所示。當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)，通過安裝在采煤機(jī)上的紅外定位裝置發(fā)射紅外定位信號(hào)，控制器上的接收部分接收到信號(hào)后即可確定采煤機(jī)的位置。接收到采煤機(jī)信號(hào)的控制器作為主控制器，控制位于采煤工作面下風(fēng)向的控制器實(shí)施噴霧降塵作業(yè)。紅外
定位電路選用了Silicon Labs公司的C8051F330單片機(jī)、紅外發(fā)射二極管和一體化接收頭，功耗低，工作穩(wěn)定且信號(hào)方向性好。

    礦井下的照明情況關(guān)系到煤礦的安全生產(chǎn)，LED燈屬節(jié)能、隔爆兼本安型，與礦井傳統(tǒng)照明方式相比，具有明顯優(yōu)勢(shì)。照明電路選擇1 W的大功率LED，采用降壓型恒流驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)芯片SD42524效率高，可達(dá)96％以上，在輸入／輸出電壓變化時(shí)全電壓范圍輸出電流變化控制在±1％之內(nèi)；內(nèi)置溫度保護(hù)電路、限流電路、PWM調(diào)光電路。SD42524采用電流模式控制，能提供快速的瞬態(tài)響應(yīng)，且環(huán)路穩(wěn)定性設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。LED照明驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。
    液壓支架移架、放煤觸發(fā)電路采用紅外感應(yīng)控制設(shè)計(jì)。當(dāng)移動(dòng)支架、放煤手柄的時(shí)候，熱釋電紅外傳感器能夠檢測(cè)到人體發(fā)出的紅外輻射，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過放大后送給窗口比較器。若信號(hào)幅度超過窗口比較器的上下限，則系統(tǒng)輸出高電平信號(hào)，否則輸出低電平信號(hào)，控制器接收到信號(hào)后采取相應(yīng)的動(dòng)作。熱釋電紅外傳感器選用BISS0001，它是一款具有較高性能的傳感信號(hào)處理集成電路，配以少量外接元器件構(gòu)成被動(dòng)式的熱釋電紅外開關(guān)。
    電源模塊采用低功耗的開關(guān)型穩(wěn)壓器，選用LM2576系列中的LM2576-12和LM2576-ADJ。該系列是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3 A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路，內(nèi)含固定頻率振蕩器和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器；具有完善的保護(hù)電路(包括電流限制及熱關(guān)斷電路等)，利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路；具有可靠的工作性能、較高的工作效率和較強(qiáng)的輸出電流驅(qū)動(dòng)能力，可為MCU的穩(wěn)定、可靠工作提供強(qiáng)有力的保證。

3 噴霧降塵控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)上電開始工作后，進(jìn)入中斷等待狀態(tài)，當(dāng)接收到采煤機(jī)信號(hào)或移架、放煤信號(hào)時(shí)產(chǎn)生中斷，進(jìn)入中斷處理程序。安裝在支架上的控制器工作時(shí)每三個(gè)一組，當(dāng)一個(gè)控制器接收到采煤機(jī)信號(hào)時(shí)，位于下風(fēng)向的兩個(gè)控制器也開始工作?？刂破魇紫茸x取自己的地址，當(dāng)接收到電力線上傳來的其他控制器發(fā)送的地址時(shí)，與自己的地址進(jìn)行比較，如果相同就開啟電磁閥噴霧。程序流程如圖7所示。

結(jié)語
    本設(shè)計(jì)是基于電力線載波通信的自動(dòng)噴霧降塵控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)布線簡(jiǎn)單，降塵效果良好，適用于采煤工作面；同時(shí)，LED照明功能大大改善了井下照明環(huán)境。