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４～２０ｍＡ或０～１０ｍＡ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。