矿井用巷道变形自动监测系统.docx
- 文档编号:24016598
- 上传时间:2023-05-23
- 格式:DOCX
- 页数:27
- 大小:842.80KB
矿井用巷道变形自动监测系统.docx
《矿井用巷道变形自动监测系统.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《矿井用巷道变形自动监测系统.docx(27页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
矿井用巷道变形自动监测系统
目录
摘要…………………………………………………………………………………3
第一章前言……………………………………………………………………4
1.1项目的提出及研究意义………………………………………………4
1.2研究内容及目标………………………………………………………4
1.3研究方案及技术路线…………………………………………………5
1.4作品的特点与创新………………………………………………………6
1.5作品应用前景……………………………………………………………7
第二章数据采集分析硬件部分设计………………………………………9
2.1硬件的结构组成……………………………………………………………9
2.2数据采集与处理电路设计……………………………………………………9
2.2.1超声波距离测量电路设计……………………………………………9
2.2.2DS18B20温度采集模块电路设计…………………………………12
2.2.3压力传感器电路设计………………………………………………15
2.2.4MCU(微处理器)主控部分电路设计……………………………18
2.2.5电源部分电路设计………………………………………………19
2.3RS485数据传输电路设计……………………………………………………21
2.3.1RS485数据传输的特点……………………………………………21
2.3.2TTL转RS485电路设计……………………………………………22
2.3.3RS485集线器…………………………………………………………22
2.3.4RS485-USB部分电路图……………………………………………23
2.4GPRS模块电路设计………………………………………………………25
第三章数据采集分析软件的设计………………………………………26
3.1软件语言和平台……………………………………………………………26
3.2软件总体设计实现………………………………………………………27
3.3串口接口……………………………………………………………………28
3.4用户界面………………………………………………………………………29
第四章技术参数………………………………………………………………30
参考文献……………………………………………………………………………31
摘要
巷道变形问题日趋严重,特别是巷道的大变形直接影响了矿业安全生产和经济效益,并严重危及了人身安全。
目前的巷道变形监测技术仍采用普通方法,如收敛计测量、皮尺量测、手动激光测量等,这些监测手段不但耗时,又需要大量资金,而且还不能从根本上解决实时连续的监测并达到预警的目的,特别是不能实现自动传输与远距离通信的目的。
本系统分多个站点,主要通过一系列的传感器对数据进行采集然后送入微处理器进行数据的初步加工处理并加上标示符以表明具体站点,将这些数据通过RS485总线传入计算机,计算机软件部分根据每组数据的标示符进行位置识别和数据处理,然后存入数据库。
当发现危险情况时计算机将根据设定的程序向GPRS模块发送AT指令,GPRS模块接收到指令后将向设定的手机发送预警信息。
监测时只需简单的通过软件的可视化界面参数选取或输入便可对数据采集、处理与电路的各功能模块进行控制,实现了软硬件的有机结合。
本系统多站点能力强,数据传输距离远,操作简单,单个监测站点体积小、重量轻特别适用于各类矿山巷道工程的变形监测。
关键词:
地下矿山巷道围岩变形监测数据分析远程多站点
第1章前言
1.1项目的提出及研究意义
随着国民经济的大力发展和矿产资源的不断消耗,容易开采的矿产资源正在日益减少,于是人们正在向深部或地质条件复杂的环境中寻找矿产资源,随之而来的矿山巷道围岩变形问题也日趋突出。
巷道围岩的大变形不但增加了大量维修成本和工程量,严重影响了矿山的开采率和生产进度,而且给工人人身安全带来巨大威胁,也严重影响了企业和国家的形象。
因此,设计一种能够有效的实时监测,并为管理人员和工程技术人员提供预警信息的监控与预警系统,对巷道围岩的安全状态进行正确的评估,并调整相应的支护参数和提高巷道的稳固性具有重要的作用。
并且对于避免安全事故的发生,促进国民经济的发展具有重要的意义。
1.2研究内容及目标
本作品旨在设计一种成本低廉、操作简单、自动化程度高、可以实时监测、分析巷道等地下工程围岩收敛状况的矿井用巷道形变监测系统。
它由传感器部分、数据采集分析硬件装置、多站点远程数据传输部分、GPRS模块部分、计算机软件单元组成。
传感器部分由位移传感器,DS18B20温度传感器、压力传感器三部分组成。
数据采集分析硬件装置由单片机、运放电路、振荡电路、模数转换电路、电源电路、通信总线转换电路组成。
多站点数据传输部分主要是由RS485传输技术实现。
GPRS模块的短信预警功能主要是通过计算机向GPRS模块发送AT指令来实现。
软件部分通过串口与外部硬件系统相连接,软件部分是利用MFC来制作完成的,它的主要功能有实时显示当前数据(包括形变速率、锚杆(锚索)受力大小、环境温度,等);采样间隔时间,预警号码等基本参数的设定;分析当前数据,评估当前巷道、硐室等稳定状况;分级预警;控制预警短信的发送。
本项目组的主要目标是研制一种实现多点动态扫描,实时监测整个巷道的形变速度达到及时发现危险并预警的监测系统,确保矿工的生命安全。
另外本系统采集的数据将自动存入计算机中,数据存储采用数据库技术,记录内容详细便于查阅,可供专家、工程师等技术人员分析,可为发现巷道变形规律提供原始数据。
1.3研究方案及技术路线
本系统采用了RS485数据传输协议,克服了数据从地下向地上传输的难题,通过GPRS技术打破了地理位置的限制(有移动运营商的信号的地方就能收到预警信息)。
在微处理器中通过对数据加上标记符实现了巷道工程的多点动态扫描。
本套系统可广泛应用于多种矿山巷道围岩及硐室围岩的监测。
图1为本系统的研究技术路线。
RS485转
USB
图1系统研究技术路线
1.硬件设计
硬件设计包括超声波发射接收电路设计、温度传感器电路设计、压力传感器电路设计、AC/DC、DC/DC电源转化电路设计、MCU外部电路设计、TTL转RS485、RS485转RS232电路设计、GPRS模块电路设计。
能达到的技术指标:
长度测量范围大于2mm小于11m,精度小于1mm;温度测量范围:
-55℃~+125℃,精度小于0.5℃;压力测量范围0—30T甚至更大;数据传输距离:
2—9.6KM。
2.软件系统设计
采用MFC可视化编程,开发出配套的软件。
该软件功能模块包括数据采集、数据识别分组、数据实时分析、基本参数设定、实时绘图、数据存储等。
人机界面友好、操作使用方便、简单易学。
1.4作品特点与创新
1.实时连续监控性。
实现了巷道围岩变形,锚杆受力情况,以及环境温度的实时监测及分析,根据变形速度及受力大小和温度高低作出判断并预警;
2.全面性。
既考虑了巷道围岩变形量与变形速度,又考虑了支护结构体的受力大小和环境温度,比较全面地反映整个巷道工程的稳定性。
3.数据的远距离传输性。
本系统通过运用RS485传输协议,大大提高了传输的距离和稳定性,使得数据传输距离可以达到9.6公里以上。
4.动态扫描性。
矿井用巷道形变监测系统所运用的RS485数据传输协议除了传输距离远以外,还有一个最大的特点就是多站点能力,为本系统所设计的RS485总线,可以接入128个采集站点。
5.远程监控性。
通过串口将数据传入计算机进行数据分析和显示实时的数据,并在必要时将数据通过GPRS模块发送给矿山领导和工程师,实现了远程监控。
1.5 作品应用前景
1.作品的适用范围
①地质条件较复杂的软岩大变形巷道监测监控;
②较稳定的非金属矿山及金属矿山等巷道工程的监测监控;
③矿区竖井工程围岩的变形监测监控;
④地下矿山大硐室围岩的变形监测监控;
⑤地下矿山采场围岩收敛变形监测监控;
⑥其它地下工程,例如深埋软岩隧道和硐室等的收敛变形监测监控;
经过隔爆处理加工后,本系统还可以用于煤矿矿山巷道围岩的变形监测。
2.作品的市场应用前景预测
本项目目的在于研制一种监测装置及系统,实现实时监测巷道的形变速度和及时预警功能。
本产品能及时对巷道围岩的安全状态进行评估,并调整相应的支护参数,为矿井生产节省大量维修成本和工程量,大大提高了矿山的生效率,而且保证了工人的人身安全,可为企业和社会带来大量经济效益。
据现场试验与应用证明,对100米巷道进行该产品的监测后,仅节省维修费用可达50万,而且避免了因巷道整修而引起的停产,其经济效益非常显著。
由于材料来源广泛,实际操作简单,软件界面人性化,利用现在网络基础实现实时监控与预警功能,本产品的造价较低,容易现象巷道监测的多点化。
综上所述,本项目组开发的巷道围岩变形自动监控与预警系统具有深远的利用价值、广泛的市场前景。
第二章数据采集分析硬件部分设计
2.1硬件的结构组成
矿井用巷道形变监测系统的硬件部分包括:
传感器模块、电源模块、MCU(单片机)模块、12864液晶模块、RS485数据传输模块四部分。
传感器模块又包括位移传感器、压力传感器、DS18B20温度传感器,电源模块为传感器、单片机模块和RS485数据传输模块供电,传感器将采集到的数据经过数字化处理后传入MCU中进行初步加工处理,在此期间将消除由于温度而引起的距离测量误差,并在每个采集点采集的数据前面加上特定的标示符。
然后数据由微处理器传入RS485总线,经RS485总线传入计算机中。
每条RS485总线最多可以接入128个站点。
2.2数据采集与处理电路设计
2.2.1超声波距离测量电路设计
(1)超声波发射部分
图2超声波发射部分电路图
超声波发射部分采用7555芯片产生40KHz频率,占空比为50%的超声波,当7555引脚4(RST)被拉高时,便产生超声波,通过超声波发射头发射到空气中,该引脚通过单片机控制,单片机拉高该引脚若干us后立即拉低,这样便发出了一组40KHz的超声波(约10个周期的波形)。
相关C代码:
voidSTART_MODULE()//启动模块
{
uchari;
TX=1;//将7555引脚4拉高以产生40Hz超声波
for(i=100;i>0;i--)//延时约250us
{
;
}
TX=0;//40KHz超声波周期为25us,拉低后刚好发出10个周期的波形
}
(2)超声波接收部分
图3超声波接收部分电路图
超声波接收部分采用SONYCX20160A集成芯片对信号放大、滤波、检波、整形、比较等,一旦接收到超声波,输出端(引脚7)马上由高电平跳转为低电平。
而输出端与单片机引脚连接,一旦单片机接收到低电平,则停止计时器,并根据超声波在空气中传播速率公式C=331.45+0.61φ(米/秒),其中φ为环境温度(温度由DS18B20采集),将当前记录的时间转化为超声波由发出到接收所经历的路程,将该路程除以2便得出所测距离S(S=(C*T)/2)。
相关C代码:
voidwidth-measure()//巷道宽度测量
{
START_MODULE();//启动超声波测距模块,发出一组波形
TR0=1;//发出波形后立即开始计时
while(RX);//等待收到回波,一旦收到输出端便会拉低
TR0=0;//由高到低,计时结束
width_calculate();//计算出距离
}
2.2.2DS18B20温度采集模块电路设计
图4DS18B20电路图
温度采集模块采用DS18B20数字温度计,DS18B20是DALLAS公司生产的1-WIRE,即单总线器件,具有线路简单,体积小的特点。
因此用它来组成一个测温系统,线路简单,在一根通信线,可以挂很多温度传感器,十分方便。
本作品的温度采集模块一方面可以实现对巷道环境温度的检测,又可以为超声波测距提供温度补偿。
DS18B20产品的特点:
?
?
1、只要求一个端口即可以实现通信。
?
2、在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号
?
?
3、实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温
?
4、测量温度范围-55C到+125C之间
?
?
5、内部用温度上、下限警告设置
相关C代码:
voidread_temp()//读取温度值
{
ucharTH,TL;//温度寄存器高8位和低8位
init_ds18b20();//将DS18B20初始化
wr_byte(Skip_rom);//跳过读序号列号的操作
wr_byte(Start_convert);//启动温度转换
delay_ms(20);//转换一次需要延时一段时间
init_ds18b20();//将DS18B20初始化
wr_byte(Skip_rom);//跳过读序号列号的操作
wr_byte(Read_temp);//读取温度寄存器,前两个分别是温度的低位和高位
TL=rd_byte();
TH=rd_byte();
if((TH&0xf8)!
=0)//如果温度为负数
{
//Flag=1;
TL=~TL;//取反
TH=~TH;//取反
TL=TL+1;//低位加1
if(TL>255)TH++;//如果低8位大于255,向高8位进1
TN=TH*16+TL/16;
TD=(TL%16)*625/1000;
}
else//如果为正数
{
TN=TH*16+TL/16;
TD=(TL%16)*625/1000;
}
/*--将数据转化为ASCII码并保存到结构体中--*/
wendu.shi=TN/10+'0';
wendu.ge=TN%10+'0';
wendu.xs1=TD+'0';
2.2.3压力传感器电路设计
图5压力传感器电路图
图6A/D转换电路
当压力传感器感受到来自外部压力时,其两输出端将产生mV级的直流电压差,通过高精度、低噪声运放将其信号近似线性放大到V级,再通过PCF8591A/D转换芯片将电压信号转换为数字信号,利用某种算法将采集到的数字信号转换成力的度量。
相关C代码:
voidadc_pcf8591()//AD转换启动
{
ucharidatatemp,i=0;/*------------启动转换-----------*/
iic_start();
iic_sendbyte(Dev_adr_w);//写入器件地址并声明下一步为写操作
if(yali.iic_error==1)return;//检测响应,若无响应则出错返回
iic_sendbyte(Chl0_start);//启动通道0的AD转换
if(yali.iic_error==1)return;//检测响应,若无响应则出错返回
iic_start();
iic_sendbyte(Dev_adr_r);//写入器件地址并声明下一步为读操作
if(yali.iic_error==1)return;//检测响应,若无响应则出错返回
/*--读取转换值,存入缓存器buffer[]--*/
iic_revbyte();//先空读一个字节,因为此时读得的字节为上一次AD转换数据
slave_ack();//每读一个字节,器件产生一个应答
while(i<4)
{
temp=iic_revbyte();
buffer[i++]=temp;
slave_ack();
}
slave_noack();
iic_stop();
/*--计算出转换结果,并将结果保存在结构体中--*/
yali.shi=adc_lineshow[0]=buffer[0]/51+'0';//整数部分,buffer[0]最大值为255,对应5V,255/5=51
yali.ge=adc_lineshow[1]=(buffer[0]%51*10)/51+'0';//小数第一位
yali.xs1=adc_lineshow[2]=((buffer[0]%51*10)%51*10)/51+'0';//小数第二位
}
2.2.4MCU(微处理器)主控部分电路设计
(1)STC89S52单片机简介:
STC89S52是一个低功耗,高性能CMOS8为单片机,片内含8KBytesISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80c51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的STC89S52可为多嵌入式控制应用提供高性价比的解决方案。
图7STC89S52主控部分电路图
主要性能:
?
?
与MCS-51单片机产品兼容
?
?
8K字节在系统可编程Flash存储器
?
?
1000次擦写周期
?
?
全静态操作:
0Hz~33Hz
?
?
三级加密程序存储器
?
?
32个可编程I/O口线
?
?
三个16位定时器/计数器
?
?
八个中断源,全双工UART串行通道
?
?
低功耗空闲和掉电模式
?
?
掉电后中断可唤醒
?
?
看门狗定时器
?
?
双数据指针
?
?
掉电标示符
2.2.5电源部分电路设计
DC-DC是用开关电源的思想实现的。
DC-DC有降压和升压两种,在这里只说降压,比如说你给DC-DC输入10V,DC-DC内部有个振荡器和斩波模块,例如,在一个时间段允许10V通过,另一时间段内不允许10V通过(等于0v)。
而在输出端有一个电容进行滤波,只要电容足够大,其结果就等于将中间的那个脉冲波形进行微积分,而输出一个5V的直流波形。
这个降压的过程相对于稳压模块来说,更大限度地避免了电能在降压模块上面的消耗,并且内部震荡部分控制其占空比就能改变输出电压大小(在10V范围内),使其输出恒定(比如某个DC-DC规定输入范围是6V到16V,输出5V,只要是在这个输入范围内,输出都是5v误差只有零点零几伏,而稳压模块的输出则和输入电压有一定的线性关系,输入7V的输出电压和输入14V的输出电压差得比较大)
矿井用巷道形变智能监测系统采用金属外壳的DC-DC(WF12D5-10)做电源,其电磁辐射小,散热性能好,隔离输入和输出使其在电气上互不连接,还具有输出过载保护功能,负载出现意外短路时不会损坏电源模块,输出端采用100UF的胆电容去除微小的纹波和噪声,使电路更稳定有效的工作。
电源部分电路图如下。
图8电源部分电路图
2.3RS485数据传输电路设计
智能仪表是随着80年代初单片机技术的成熟而发展起来的,现在世界仪表市场基本被智能仪表所垄断。
究其原因就是企业信息化的需要,企业在仪表选型时其中的一个必要条件就是要具有联网通信接口。
最初是数据模拟信号输出简单过程量,后来仪表接口是RS232接口,这种接口可以实现点对点的通信方式,但这种方式不能实现联网功能。
随后出现的RS485解决了这个问题。
2.3.1RS485数据传输的特点:
1.RS-485的电气特性:
逻辑“1”以两线间的电压差为+(2—6)V表示;逻辑“0”以两线间的电压差为-(2—6)V表示。
接口信号电平比RS-232-C降低了,就不易损坏接口电路的芯片,且该电平与TTL电平兼容,可方便与TTL电路连接。
2.RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。
3.RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合,抗共模干扰能力增强,即抗噪声干扰性好。
4.RS-485最大的通信距离约为1219M,最大传输速率为10Mb/S,传输速率与传输距离成反比,在100Kb/S的传输速率下,才可以达到最大的通信距离,如果需传输更长的距离,需要加485中继器。
RS-485总线一般最大支持32个节点,如果使用特制的485芯片,可以达到128个或者256个节点,最大的可以支持到400个节点。
2.3.2TTL转RS485电路设计
图9TTL转RS485通信电路图
2.3.3RS485集线器
矿井用巷道形变智能检测系统采用ECS82041四口RS485集线器,ECS82041是一款专为解决复杂电磁场环境下RS485大系统要求而设计出的RS485总线分割集线器(HUB)。
该产品最高传输速率达115.2KBPS,为了保证数据的安全可靠,此套设备接口采用光电隔离技术,防止雷击浪涌转换器及设备,内置光电隔离器及600W浪涌保护电路,能够提供2500V的隔离电压,可以有效地防止闪电和ESD,同时可以有效地防止雷击和共地干扰,供电采用外接电源,安全可靠,非常适合矿井环境。
已有的RS485总线扩展至多个高可靠性能的RS485接口应用,在RS485总线上可以同时并联128个数据采集站点。
完全可以达到我们系统的工业应用要求。
图10RS485连接示意图
2.3.4RS485-USB部分电路
65LBC184内置高能量瞬变噪声保护装置,这种设计特点显著提高了抵抗数据同步传输双绞线上的瞬变噪声的可靠性,这种可靠性超过了多数现有器件。
采用这类电路可提供可靠的低成本的直连数据线接口,不需要任何外部元件。
PL2303-USB接口转换器,该器件内置USB功能控制器、USB收发器、振荡器和全部调制解调器控制信号的UART,外加的电容使其实现USB信号与RS232信号的转换。
PL2303通过TXD脚发送一个高电平
(1)给反相器74HC04,经反向变为低电平(0)控制65LBC184发送接收使能端(RE、DE),使其接收使能端有效,接收单片机发往上位机的数据。
当PL2303通过TXD脚发送一个低电平(0)时,65LBC184发送使能端DE有效,在通过DI脚将上位机数据发网单片机。
以上模块能自动控制接收发送数据,无需编程控制接收发送使能端,下图为RS485-USB部分电路图。
图11RS485-USB部分电路图
2.4GPRS模块电路设计
GPRS模块采用PTB201GPRS模块,PTB201是一款基于谱泰通信的PTM100GPRS模块。
该模块通过串口直接与电脑连接,电脑上位机对单片机采集的数据进行处理分析,一旦发现数据异常,即通过GPRS模块向指定号码发出预警信息,实现巷道远程监测与预警。
图12PTB201GPRS模块实物图
PTB201GPRS基本指标:
两频段:
GSM900/DCS1800;GPRS多时隙Class12;兼容标准:
ETSIGSMPhase2+Class4(2W@GSM900);Class1(1W@DCS1800);标准AT指令集:
GSM07.07;电源电压:
5V;最大功率通话电流:
约245mA@GSM900PCL=5;约205mA@DCS1800PCL=0;待机电流:
约10mA;射频灵敏度:
<-108dBm@GSM900;<-107dBm@DCS1800。
第三章数据分析采集软件设计
3.1软件语言和平台
采用MFC编程,MFC是基于WINDOWSAPI下以C++形式封装的类库。
依靠VC++下的专业C++SDK可
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 矿井 巷道 变形 自动 监测 系统