【摘 要】针对煤矿水源井的监控问题，文章提出了利用无线数传电台对水源井实施分布式无线监控的方案，阐述了基于87C552的水源井无线监控系统的组成、工作原理以及工作过程。该方案具有成本低、易实现、传输距离远等优点，有很强的实用性。
【关键词】87C552单片机;无线监控;水源井;数传电台
【Abstract】Water supply wells for coal mine moNItoring the issue, the article proposed the use of wireless data radio wireless water supply wells to monitor the implementation of the programs distributed on the 87C552-based wireless monitoring water supply wells system, working principle and working process. The program has a low cost, easy to achieve, transmission distance, etc., have a strong practical.
【Key words】87C552MCU;Wireless Monitor;Water Supply Well;Data Radio Station
0.引言
众所周知，大多数煤矿都远离城市，其供水系统都是自给自足，水源为地表水。 一般每个矿井要设置 10—16 个水源井， 每个水井相距300—500m 左右。 以前的控制方案基本上都是采用继电器控制、现场操作、电话调度，并设有专人负责，这与现代化矿井的要求是不相符的。针对这一具体情况，本文提出一种基于 87C552 单片机构成监控分站、基于无线电台传输数据的方案，该方案对水源井各项参数进行采集、处理，并将采集到的数据传送到监控基站，从而实现了水源井参数的实时监控，保证了生活、生产用水的正常供应，达到了安全生产的目的。
1.系统概述
由于水源井地理位置分散，因此整个系统为分布式集中控制。 整个系统由多个监控分站、无线数传电台和基站组成，系统基本结构如图 1 所示。
水源井监控分站采集水泵电机的电流、电压、水井水位、水泵出口流量、压力、水泵电机的开停等数据，除了在本地处理、显示和存储以外，还要响应基站要求，将数据由无线电台发送至基站;基站端通过VB 编写的监控软件将数据还原、 显示并按时间顺序存储到由 Access构建的数据库中;同时还可以通过基站向指定的监控分站发送设置参数命令及各种控制命令。
2.监控分站的硬件设计
监控分站主要负责对水源井各参数的检测，其处理核心采用的是Philips 公司的 87C552 单片机。 监控分站的结构如图 2 所示。
87C552 单片机具有与 MCS—51 兼容的微控制器内核 ， 并与MCS—51 的指令集完全兼容。 除了具有 MCS—51 的数字功能部件外，还具有以下功能：
2.1 集成了看门狗定时器、8 路 10 位逐次比较型 ADC。
2.2 集成了2 路 PWM、串行 I2C 总线接口。
2.3 增加了具有捕捉和比较功能的 16 位定时器 T2 和 8 位监视定时器 T3。
2.4 中断源增加为 15 个。
87C552 单片机的 8 路 10 位 A/D 转换分别对开停信号和水泵电机的电流、电压等传感器输出的模拟信号进行转换，其中开停信号属于三态信号，即传感器输出 0～5～10mA 的电流信号，分别代表断线、停止、开启三种状态。 每个 A/D 转换通道所采集的信号既可以是水泵电机的电参数、也可以是开停信号、压力、流量等传感器的输出信号。 这一功能只需要通过更改上位机的软件设定和改变下位机的接线即可实现。 传感器信号预处理电路的原理图如图 3 所示。
图 3 中，运算放大器采用 LM324，它支持单电源供电，传感器输出信号从 IN1 输入，经过相应的接线后进入电压跟随器(开停信号接 A，电流信号接 C，电压信号接 B)，实现阻抗变换，之后进行放大，其中运放 U3A 起到了电压补偿和调零的作用， 经过放大的电压通过电位计调节送入到 A/D 转换通道。监控分站的其他部分， 如开关量输出主要用于开关水泵电机;显示电路用于轮回显示电机电流、电压等采集到的相关参数;报警电路用于超限报警; 扩展的 E2PROM 用来存放设定信息及各参数的基准值;拨码开关用于分站地址的设定。
3.无线传输的实现
87C552 单片机与无线电台的通讯接口有 RS232C 和 RS485 两种选择。 RS232C 为一对一通信，速率低，有效传输距离短;RS485 为多对多通信，速率高，有效传输距离远。 考虑到无线数传电台与监控分站为一对一应用，且二者距离很近，所以在此采用的是 RS232C 标准。接口芯片采用的是 MIXIM 公司生产的 MAX202 芯片， 该芯片包含两路驱动器和接收器的 RS232 电平转换芯片，适用于噪声严重环境下的 RS232 通信。 每个发送器输出和接收器输入无需封闭均可抗±15kV 静电放电 (Electro-Static Discharge，ESD) 冲击。 能保证最高120kb/s 的数据传输速率，完全符合传输要求。 MAX202 芯片内部有一个电压变换器，可以把输入的+5V 电源电压变换成 RS232C 输出电平所需的±10V 电压，所以采用此芯片接口的串行通信系统只需单一的+5V 电源就可以。
数传电台采用日本日精 ND250A 数传电台，其性能指标如下：
频率范围：220～240MHz
运行模式：半双工
调制方式：16K0F3D(E)
电源额定电压：+13.8V(工作范围：+5～+16V)
接收方式：双超外差式
通讯接口：RS232C 或 TTL 或 RS485
误码率：≤10-7@-105dBm 2400bps
功率：10W
4.软件设计
4.1 监控基站的软件设计
监控基站的软件采用 Windows2000 图形界面下的 VB6.0 进行开发制作，主要包括用户管理、参数设置、串行通信、数据处理、数据库管理和维护、历史记录查询、实时曲线、报表打印、水泵电机控制等部分。其中串行通信部分和数据库管理部分是软件设计的重点。 系统采用MSComm 通信控件通过串行口与数传电台进行通信。 通信格式为标准的 10 位串行通信，包括 8 个数据位，1 个停止位，不设置奇偶校验位。波特率默认为 9600b/s，可以通过设定改变。
4.2 监控分站的软件设计
水源井监控分站软件采用 C 语言与汇编语言混合编程，模块化设计，主要由数据采集和处理、显示、通信、存储、报警等模块组成。 其中通信模块在串口中断中实现。 水源井监控分站主程序为循环结构，如图 4所示。
图 5 为串口中断服务程序，串口中断发生时首先要保护现场，即保护当前运行程序的相关数据;然后判断串口接收到得第一个字符是否是先导字符，若不是退出中断服务程序;若是则关中断，改中断接收为查询接收。 当所有字节的数据都接收结束之后，先判断是否是针对该监控分站发送的数据，即判断地址是否和当前地址符合，若不符合则不是对该分站发送的命令，退出中断服务程序;若符合，则取命令字节，分析命令并做出相应的响应动作，发送数据或更改某一项参数的设定值。
5.结论
基于 87C552 的水源井无线监控系统， 通过无线数传电台实现数据通信，使水源井的相关参数得以实时可靠地传输，避免了有线传输方式带来的施工和维护困难，以及不可靠等缺点。 该系统实现简单、成本低、传输距离远，且由于不须借助于公网实现数据传输，故可以做到始终在线的传输，可靠性更加得以保证。该系统不仅可以用于煤矿水源井的监控，也可以用于其他类似水源井的监控，有较广的应用范围。
【参考文献】
[1]朱定华，戴汝平,单片微机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，北方交通大学出版社，2003.
[2]吴永祥，曹珍贯，吴攀.基于无线电台的风井综合参数安全监控系统[J].煤矿安全，2006，12：36～38.
[3]邱上进.基于无线传输在煤矿水源井实现无人值守的应用[J].仪器仪表用户，2007，3：147～148.
作者简介：姜飞(1984—),男，山东烟台人，硕士研究生，2007年毕业于海军航空工程学院青岛分院，现就读于安徽理工大学电力电子与电力传动专业。
