基于stc89c52单片机的矿山升降机控制系统的设计与实现

Computer automation

基于STC89C52单片机的矿山升降机

控制系统的设计与实现

郭俊俊1，肖楚杰2，张可儿2

（１．陇东学院　信息工程学院，甘肃　庆阳　７４５０００；２．陇东学院　电气工程学院，甘肃　庆阳　７４５０００）

针对目前由继电器和可编程逻辑控制器控制的升降机存在的问题，设计了以ＳＴＣ８９Ｃ５２单片机为控制器的矿摘 要：

山升降机控制系统。设计实现了升降设备运动控制、状态采集和声音报警等功能，测试结果表明该系统实现了升降机的基本功能，且系统响应速度快，可靠性高，具有一定实用性。

单片机；控制系统；矿山升降机关键词：

ＴＰ２７１　　Ａ　　１００２－５０６５（２０１９）１７－００１４－２中图分类号：文献标识码：文章编号：

Design and Implementation of Mine Lift Control System Based on STC89C52 Single Chip Microcomputer

GUO󰀁Jun-jun1,󰀁XIAO󰀁Chu-jie2,󰀁ZHANG󰀁Ke-er2

（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　Ｌｏｎｇｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｑｉｎｇｙａｎｇ　７４５０００，　Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　Ｌｏｎｇｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｑｉｎｇｙａｎｇ　７４５０００，　Ｃｈｉｎａ）

Abstract: Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｍｉｎｅ　ｈｏｉｓｔ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｂｙ　ｒｅｌａｙ　ａｎｄ　ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　ｌｏｇｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，　ａ　ｍｉｎｅ　

ｈｏｉｓｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＳＴＣ８９Ｃ５２　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｈｉｐ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．　Ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｍｏｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ，　ｓｔａｔｕｓ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｏｕｎｄ　ａｌａｒｍ　ｏｆ　ｌｉｆｔｉｎｇ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｎｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ．　Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｃｈｉｅｖｅｓ　ｔｈｅ　ｅｌｅｖａｔｏｒ＇ｓ　ｂａｓｉｃ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｓｐｅｅｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｆａｓｔ，　ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｉｓ　ｈｉｇｈ，　ａｎｄ　ｉｔ　ｈａｓ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙ．Keywords: ｓｉｎｇｌｅ　ｃｈｉｐ　ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ；　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ；　ｍｉｎｅ　ｈｏｉｓｔ

随着我国经济的发展，矿山工程的规模在不断扩大，矿山升降机在矿井进出工作中占有举足轻重的位置，对于规模较大的矿山工程，升降机与运输机是保证矿山安全生产的主要运行工具。升降机是机电一体化设备，其控制系统决定了

[1，2]

升降机的运行效率。目前我国大部分矿山的升降设备采用继电器、可编程逻辑控制器和单片机控制方式。继电器控制方式触点多、连线复杂、速度慢、精度低、灵活性差、可靠性低；可编程逻辑控制器控制方式连线少、速度快、可扩展性好、可靠性高，但成本高；单片机控制方式具有可编程逻辑控制器的优点，同时成本低、效益高[3]。随着物联网和人工智能的发展，单片机控制方式在升降设备的智能化方面具有很大的优势。

本设计以STC89C52单片机为控制器实现了矿山升降机控制系统设计，该系统响应速度快、处理能力强，提高了升降机的使用性能。

构成。系统结构图如图1所示，单片机最小系统为控制核心，按键电路产生呼叫信号作为单片机的输入，单片机输出信号到运动控制电路、显示电路和报警电路，控制升降机的运行速度并显示运行状态。

2 硬件设计

2.1 单片机最小系统

单片机最小系统包括STC89C52单片机、时钟电路、复位电路和单片机电源电路。STC89C52具有8位处理器、8KFlash用于存储程序，4KEEPROM用于存储升降机当前停留位置信息，32个双向IO口用于连接输入输出信号。2.2 运动控制电路

矿山升降机的上下运动以及设备的开关都采用步进电机来实现，它能把电脉冲信号转化为旋转角度位移，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，所以通过控制电脉冲的频率和数量就可以精确控制升降设备电机的转速和角度位移。步进电机结构如图2所示，采用1相励磁法，即按A、B、C、D顺序轮流导通四个线圈可驱动步进电机正转，按D、C、B、A顺序轮流导通四个线圈可驱动步进电机反转。由于单片机IO输出的脉冲信号电流较小，需要加步进电机驱动电路。

1 概述

图1󰀁󰀁矿山升降设备控制系统结构图

设计的矿山升降机控制系统由单片机最小系统、按键电路、运动控制电路、显示电路、报警电路和电源电路等模块

２０１９－０８收稿日期：

郭俊俊，男，生于１９８４年，汉族，甘肃庆阳人，硕士，讲师，作者简介：

研究方向：嵌入式技术以及信号与信息处理。

图2󰀁󰀁步进电机结构图

14世界有色金属 2019年 9月上

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2.3 显示电路

显示电路主要用于显示升降机当前所在位置、按键状态等信息。当前设备所在位置采用LED数码管显示。每个按键的状态都用LED灯显示，当按键按下时，LED灯亮，等相关功能操作结束后，按键灯将自动熄灭。2.4 报警电路

报警电路通过蜂鸣器产生特定的提示音表示矿山升降机的运行状态，比如设备到达呼叫位置即将开门或关门以及发生异常等。

化，获取并显示矿山升降机当前所在位置信息，然后等待按键电路输入信号，当有按键按下时，点亮相应按键灯，控制升降设备向呼叫位置运动，运动过程中LED数码管实时显示当前所在位置信息，当到达呼叫位置时，熄灭相应按键灯，将所在位置信息写入EEPROM，产生提示音，设备门打开并保持30秒，再产生提示音，门关闭，最后返回到等待按键电路输入信号的状态。

4 系统测试

根据监测节点所上传的数据类型，在矿井处布设系统测试节点，将设计的升降机控制系统应用于井下各个位置并进行测试，升降设备上下行、开关门、所停位置选择和声音提示等功能都可以正常运行，上下行运动时间均小于5秒。

3 软件设计

5 结论

基于STC89C52单片机的矿山升降机控制系统具有结构简单、经济实惠、反应速度快的优点。设计实现了升降机上下行、开关门和声音报警等基本功能，具有一定的使用价值。[1]󰀡赵伟,韦永斌.基于嵌入式系统的施工升降机自动控制系统设计[J].制

造业自动化,2012,34(21):52-54.

[2]󰀡罗继曼,邢艳,刘大江,等.基于ANSYS的施工升降机导轨架结构模

态分析[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版）,2009,25(3):570-573.[3]󰀡聂茹.基于单片机的电梯自动控制系统的设计与实现[J].电子设计工

程,2015(13):117-120.

图3󰀁󰀁系统流程图

主程序流程图如图3所示，系统上电后，首先进行初始（上接13页）

在保证欠量周期不容易发生效应的前提下可适当延长基本欠量周期，从而使氧化铝浓度产生变化有利于斜率的计算。

适的范围内进行调整，比如当出现效应较多同时槽底比较干

净时可适当减小该参数值，从而达到减少效应发生的目的。

5 下料周期从过量转欠量判断依据

3 斜率参数设置对电解槽影响分析

斜率参数是指电解槽电阻变化速度，影响斜率的主要因

素是氧化铝浓度和氧化铝浓度降低速度，氧化铝浓度越低，氧化铝降低速度越快则斜率值越大，自动将下料周期从欠量周期切换成过量周期，反之当斜率降低至设定值时槽控机将下料周期从过量周期切换至欠量周期，整个槽控机下料控制就是这样反复地切换下料周期，从而保证了氧化铝浓度控制在一定的范围内。

槽控机对下料周期判断控制两个点，一个点是何时从欠量周期切换成过量周期，另一个点是何时从过量周期切换成欠量周期，这两个点控制住就能将氧化铝浓度控制在一定范围内，控制这两个切换点的依据主要是根据斜率值，然而实际生产过程中斜率不仅仅受氧化铝浓度影响，电解槽稳定性好坏、槽温以及阳极升降都对斜率计算产生影响，所以要想保证氧化铝受控除了槽控机的控制能力外，电解槽稳定也是重要条件。

6 生产作业过程中对下料产生干扰因素分析

4 下料周期从欠量转过量判断依据

槽控机从欠量周期转入过量周期判断条件有4个，欠量

转过量斜率判定1、欠量转过量斜率判定2、欠量转过量累积斜率判定1、欠量转过量累积斜率判定2，斜率、累积斜率分别对应监控界面斜率值、累斜值，通过修改这四个参数值可实现对氧化铝浓度控制范围进行微调。欠量转过量斜率判断是下料切换的核心，一般槽控机将最大欠量周期设置较长，基本上可以理解为电解槽如果斜率值没有升高到设定值槽控机将长时间进行欠量下料，如果欠量转过量下料周期切换点控制不准确会出现要么欠量周期时发生效应，即槽控机一直欠量直到效应发生，要么氧化铝浓度还比较高时就切换至过量周期造成氧化铝溶解困难形成沉淀，槽控机最关键的下料控制就体现在这一点上，设计良好的槽控机能够最大程度地保证在较低氧化铝浓度区域并且防止效应发生的前提下将下料周期从欠量周期切换至过量周期。四个参数调整必须在合

影响槽控机下料除了参数方面的因素以外，还有其他方

面的干扰因素，例如人为关阳极升降开关或阳极升降故障导致的阳极不能升降现象发生时也会对下料周期产生影响，当电压高于电压不调整区域上限时槽控机会发出指令下降阳极，由于阳极故障阳极实际没有动作，则槽控机会频繁地发出阳极下降指令，造成电解槽持续走欠量周期直至效应发生。

7 结论

以上对影响槽控机下料因素进行了简要的分析，还有其他因素对下料产生影响，这里不再一一讨论，调整影响下料因素参数最终目的都是为了在效应受控的前提下，保证氧化铝浓度在较低浓度下能够正常运行，实现电解槽物料平衡，从而避免电解槽长期运行产生沉淀、结壳。[1]󰀡成温和.铝电解槽控机阳极升降安全保护浅析[J].科技视界,2014(20):88-88.

2019年 9月上 世界有色金属15