电力载波通信的喷雾降尘控制系统设计

摘要：基于电力载波通信设计了喷雾降尘控制系统。以ATmega88单片机作为主控制器，根据采煤机和支架工作产生煤尘的状况自动调节喷雾模式。该系统具有LED照明功能，耗电低，寿命长，耗水少，降尘效果明显。
关键词：喷雾降尘；电力载波；ATmega88；LED照明

引言
    煤矿粉尘主要存在于采煤、掘进、运输等作业场所，其中采煤工作面产尘量约占45％～80％，是粉尘浓度最高的场所。随着采煤机械化程度的提高，产尘量也在增大。煤矿粉尘浓度高容易引起火灾和爆炸，造成安全事故。另外，粉尘对矿工身体健康危害很大，使矿工患上职
业尘肺病。传统的喷雾降尘方法是采用人工控制或固定模式液控来实现，该方法降尘效果不好，耗水量大，影响作业环境。
    近年来，电力载波通信技术和LED井下照明技术发展迅速。本文利用这些技术，根据矿井实际环境的各种要求，设计了一套实用有效的自动喷雾降尘控制系统。

1 喷雾降尘控制系统总体设计
    基于电力载波通信的煤矿喷雾降尘控制系统总体结构如图1所示。系统有若干个喷雾降尘控制器和执行电磁阀组成。每个控制器控制两个电磁阀，控制器之间通过电力载波通信。控制器依次安装在采煤工作面支架上，当采煤机运行时，安装在采煤机上的红外定位装置发射定位信号，接收到采煤信号的控制器作为主控制器控制其他控制器动作，电磁阀完成喷雾降尘任务。

2 喷雾降尘控制系统硬件设计
2．1 喷雾降尘控制器硬件结构
    如图2所示，喷雾降尘控制器包括电源模块、电力载波通信模块、喷雾时间设定模块、控制器地址设定模块、移架和放煤信号接收模块、采煤机尘源跟踪红外定位信号接收模块、LED照明、电磁阀驱动控制模块等。电源模块给单片机、电磁阀和大功率LED供电。通信模块负责将主控制器的控制信号发送给其他控制器，通过电力线载波来实现。控制器上的定位信号接收模块负责接收来自采煤机、支架和放煤手柄上的信号，并做出相应的动作，开启电磁阀实施喷雾作业。

2．2 喷雾降尘控制器硬件电路
    喷雾降尘控制器硬件电路图如图3所示。控制器选用AVR系列高性能、低功耗的8位AVR微控制器ATmega88。它具有先进的RISC结构和8 KB系统内可编程的Flash，数据吞吐率高达1 MIPS／MHz，可以缓解系统功耗和处理速度之间的矛盾；工作温度范围比较宽(-40～85℃，完全满足井下环境要求；控制器电路具有地址设定和喷雾模式设定模块。

    电力载波通信模块硬件电路如图4所示。采用载波信号调制解调器BWP08。它是一款单相电力线载波调制解调器，采用5～12 V宽电压设计，载波波特率为100～600 bps可调；有多种按口方式可供选择，包括UART、SPI等接口，可以方便地与单片机连接进行数据通信。模块采
用扩频编码方式，抗干扰能力强，数据传输可靠，通信距离在200 m内。控制信号从单片机的串口发送给调制解调器，调制后的信号通过功率放大，然后输出耦合到电力线上；电力线上的载波信号通过输入耦合、滤波、放大后，经过调制解调器解调后送至单片机的串口。

    红外定位信号发射电路如图5所示。当采煤机运行时，通过安装在采煤机上的红外定位装置发射红外定位信号，控制器上的接收部分接收到信号后即可确定采煤机的位置。接收到采煤机信号的控制器作为主控制器，控制位于采煤工作面下风向的控制器实施喷雾降尘作业。红外
定位电路选用了Silicon Labs公司的C8051F330单片机、红外发射二极管和一体化接收头，功耗低，工作稳定且信号方向性好。

    矿井下的照明情况关系到煤矿的安全生产，LED灯属节能、隔爆兼本安型，与矿井传统照明方式相比，具有明显优势。照明电路选择1 W的大功率LED，采用降压型恒流驱动电路驱动。驱动芯片SD42524效率高，可达96％以上，在输入／输出电压变化时全电压范围输出电流变化控制在±1％之内；内置温度保护电路、限流电路、PWM调光电路。SD42524采用电流模式控制，能提供快速的瞬态响应，且环路稳定性设计简单。LED照明驱动电路如图6所示。
    液压支架移架、放煤触发电路采用红外感应控制设计。当移动支架、放煤手柄的时候，热释电红外传感器能够检测到人体发出的红外辐射，将其转化为电信号，经过放大后送给窗口比较器。若信号幅度超过窗口比较器的上下限，则系统输出高电平信号，否则输出低电平信号，控制器接收到信号后采取相应的动作。热释电红外传感器选用BISS0001，它是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，配以少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。
    电源模块采用低功耗的开关型稳压器，选用LM2576系列中的LM2576-12和LM2576-ADJ。该系列是美国国家半导体公司生产的3 A电流输出降压开关型集成稳压电路，内含固定频率振荡器和基准稳压器；具有完善的保护电路(包括电流限制及热关断电路等)，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路；具有可靠的工作性能、较高的工作效率和较强的输出电流驱动能力，可为MCU的稳定、可靠工作提供强有力的保证。

3 喷雾降尘控制系统软件设计
    系统上电开始工作后，进入中断等待状态，当接收到采煤机信号或移架、放煤信号时产生中断，进入中断处理程序。安装在支架上的控制器工作时每三个一组，当一个控制器接收到采煤机信号时，位于下风向的两个控制器也开始工作。控制器首先读取自己的地址，当接收到电力线上传来的其他控制器发送的地址时，与自己的地址进行比较，如果相同就开启电磁阀喷雾。程序流程如图7所示。

结语
    本设计是基于电力线载波通信的自动喷雾降尘控制系统。该系统布线简单，降尘效果良好，适用于采煤工作面；同时，LED照明功能大大改善了井下照明环境。