基于单片机和ＬａｂＶＩＥＷ 的远程矿井水位监控系统设计

摘要 ： 针 对 现 有 矿 井 水 位 监 控 系 统 存 在 结 构 复 杂 和 不 能 远 程 监 控 的 问 题 ， 设计了基于单片机和ＬａｂＶＩＥＷ 的远程矿井水位监控系统 ， 详细介绍了系统的硬件组成 、 上位机通信和下位机软件设计 。 该系统在现场利用单片机对水位进行监控并控制水泵， 采用 ＬａｂＶＩＥＷ 对水位进行监视并将水位信息存储在数据库中， 实现了对矿井水位的远程监控 。

关键词 ： 煤矿 ； 水位监控 ； 液位传感器 ； 单片机 ； ＬａｂＶＩＥＷ

０ 引言

在我国煤矿生产事故中 ， 矿井水灾是仅次于瓦斯事故的第二大矿难。 通常 ， 水灾导致的人员伤亡惨重， 造成 的 经 济 损 失 也 非 常 巨 大 。 自 １９４９ 年 以来， 煤矿因水灾死亡 ３０ 人以上的事故近 ３０ 起 ， 死亡数千人。 仅 ２１ 世纪的前 ７ 年中 ， 全国煤矿因水灾死亡１０ 人以上的事故就有 ６１ 起 ， 死亡人数为 １１９５ 。如某煤矿发生 透 水 事 故， ３１ 人 被 困 井 下 ； 再 如 某 煤矿发生突水事故导致１２１ 人遇难 ， 直接经济损失达４５００万元 。 数据可谓触目惊心 。 因此 ， 设计完善的水位监控系统是完全有必要的。 目前 ， 多数矿井水位监控系统结构复杂， 不能进行远程水位监控。针对以上系统存在的问题，本文设计了基于 单片机和 ＬａｂＶＩＥＷ 的水位监控系统 ， 在现场 利 用

单 片 机 对 水 位 进 行 监 控 并 控 制 水 泵 ， 采 用ＬａｂＶＩＥＷ 监视与存储水位信息 。 值班人员可通过ＬａｂＶＩＥＷ 监视矿井 中 水 位 状 况 ， 设置水位的下限和上限， 一旦水位异常 ， 单片机系统将报警并启动水泵抽水。 值班人员亦可及时发出警报并手动控制水泵进行抽水， 实现了对矿井水位的远程监控 。

１ 系统组成

基于单片机和 ＬａｂＶＩＥＷ 的矿井水位监控系统分为上位机和下位机２ 个部分 ， 如图 １ 所示 。 上位机采用 ＬａｂＶＩＥＷ 进行水位显示与控制 ， 并存 储 水位信 息， 下 位 机 以 单 片 机 ＡＴ８９Ｃ５２ 为 核 心 。 根据系统设计的要求， 下位机硬件部分主要包括数据采集输入通道、 水位显示 、 报警控制 、 水泵控制 、 键盘设置等部分。 另外 ， 考虑到单片机与上位机距离较远 ，两者之间采用 ＣＡＮ 总线进行通信 。

考虑到传感器现场工作环境较差 ， 需长期工作 ，因此， 选择 ＣＹＢ３１ 型压力液位变送器 。 该传感器采用进口不锈钢隔离膜片及具有高精度、 高稳定性的力敏芯片， 可 输 出 标 准 的 ４ ～ ２０ ｍＡ 或 ０ ～ １０ ｍＡ信号 。 考虑 到电 桥 测 量 的 精 度 ， ＣＹＢ３１ 设 置 了专门的温度补偿电路。

２ 单片机电路设计

系统利用 ＬａｂＶＩＥＷ 作 为 上位 机 控 制 程 序 ， 利用单片机对现场１ 、 ２ 、 ３ 、 ４ 号水泵进行监测和控制 。在硬件控制 部 分， 利 用 ＡＴ８９Ｃ５２ 单片机对水位进行监控。 现场传感器测量到的信号传到单片机 ， 与低限值进行比较， 若高于低限值 ， 则开启 １ 、 ２ 号两台水泵并进行抽水， 同时进行报警 ， 若现场水位已超过高限值， 则另 外 ２ 台 水 泵 也 开 始 排 水 ， 同 时 继 续 报警。 单片机电路共设置 ８ 个按键 ， 分别用来选择系统的工作模式和现场手动控制４ 台水泵 。

本系统采用光电耦合器组成开关电路驱动继电器开合， 继电器控制电路如图 ２ 所示 。 该电路主要由光耦、继电器开关以及水泵等组成。当水位高于 上限时， 单片机给 Ｐ１．５ 送一个高电平 ， 此时导通光电耦合器， 通过光电耦合器驱动 Ｑ３ 使继电器闭合 ，从而接通３８０Ｖ 的交流电使水泵抽水 。 根据现场实际情况， 可以通过多路开关实现对多台水泵的控制 ，从而在水量较大时实现快速排水。

3 下位机与上位机的通信

考虑到通信距离较远， 下位机与上位机间采用ＣＡＮ 总线进行通信 。 ＣＡＮ 总线通信结构如图 ３所示。 图 ３ 中 ， ８２Ｃ２５０ 为 ＣＡＮ 总线收发器 ， 负责将ＳＪＡ１０００信号转换 为 符 合 ＣＡＮ 总线 的物 理 信 号 ；ＳＪＡ１０００为协议芯 片 ， 可 实 现 ＣＡＮ 总线 信号 的 收发、 总线状态检测以及错误处理 。 光电隔离将从站信号与总线隔离。

为了发挥总线传输速率快的优势 ， ＣＡＮ 总线与计算机的连接采用 ＣＡＮ ／ ＰＣＩ 卡的 ＰＣＩ － ５８１０Ｉ 单路接口卡。 ＰＣＩ － ５８１０Ｉ 集成 １ ～ ２ 路 ＣＡＮ 通道 ， 能利用 ＣＡＮ２．０Ｂ 协 议 实现 ＣＡＮ 总线 与上 位 机 通 信 。ＰＣＩ－ ５８１０Ｉ 接 口 卡支 持 ５ｋｂｉｔ ／ ｓ ～ １Ｍｂｉｔ ／ ｓ 的 传 输速度， 使用非常简单 。

４ 上位机 ＬａｂＶＩＥＷ 设计

在上位机 ＬａｂＶＩＥＷ 平台下可对水位数据进行实时显示、 处理等操作 。 现场测量的水位信号 经由 ＣＡＮ 总线传输 到 上 位 机，上位机将现场信号与 限值进行对比， 并将数据显示在实时水位数据显示表格中， 若超过下限设置值 ， 则报警灯将变成红色 ，提醒值班人员水位发生异常。 同时处理过的数据将被存储在数据库中， 可随时调用并显示历史水位状况。 系统 ＬａｂＶＩＥＷ 前面板设计如图 ４ 所示 。

ＬａｂＶＩＥＷ 前 面 板对 应 的 程 序 如 图 ５ 所 示 ， 主要包含３ 个部分内容 ： ① 读取外部数据并进行处理和显示； ② 针对矿井具体情况设置水位的高限和低限； ③ 对数据进 行 存 储 设 置 ， 以 便 能 够 在 需 要 数 据时查询和读取数据。 通过历史数据波形图可了解历史水位数据的变化。

５ 结语

利用单片机和 ＬａｂＶＩＥＷ 设计了矿井水位监控系统， 该系统利用单片机作为下位机在现场对水位进行监控， 而上位机软件采用 ＬａｂＶＩＥＷ ， 可以针对现场实际状况开发更多的控制界面， 减少了硬件的投入， 同时也保证了系统的稳定可靠 ， 实现了矿井水位的远程监控。