基于单片机的矿山压力检测系统的设计毕业设计论文.docx
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基于单片机的矿山压力检测系统的设计毕业设计论文
题 目:
基于单片机的矿山压力检测系统设计
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致谢.....................................................19
摘要
矿山压力监控系统是煤矿信息管理的基础设施,它依托工业企业网的建设而存在,是企业信息化建设最重要的一个组成部分。
它是一种综合的集成技术,涉及现场总线技术、计算机技术、通信技术、数据库技术、多媒体技术、控制技术和网络技术等。
从网络结构上,煤矿井下压力监控系统可分为信息网和控制网两层。
信息网处于工业企业网的上层,使企业数据共享与传输的载体:
控制网处于工业企业网的下层,与信息层紧密地集成在一起,服从信息网的操作,同时具有独立性和完整性。
矿山压力监测系统主要研究采煤工作面矿山压力观测和巷道矿山压力观测。
采煤工作面主要监测工作面四周围岩的应力变化、顶底板变形与破坏、支柱压缩与载荷、煤壁片帮、支架变形与折损等,并进行记录、整理分析。
巷道矿山压力观测主要是针对巷道围岩移动、支架变形及载荷等情况整理分析。
煤矿井下矿压监测系统是矿井安全生产与安全运输的一个非常重要的环节。
该系统实现了整个采煤工作面和巷道矿压的综合保护和集中监测,对减少煤矿生产事故,保障矿井生产安全运行具有十分重要的意义。
关键词:
矿山,压力监测,单片机,传输方式
abstract
Theminepressuremonitoringsystemisamineinformationmanagementinfrastructure,relyingonthenetworkconstructionofindustrialenterprisesexist,theconstructionofenterpriseinformationtechnologyanintegralpartofthemostimportant.Itisacomprehensiveintegrationoftechnologyinvolvedinfieldbustechnology,computertechnology,communicationstechnology,databasetechnology,multimediatechnology,controltechnologyandnetworktechnology.Fromthenetworkstructureofthecoalminepressuremonitoringsystemscanbedividedintotheinformationnetworkandcontrolnetworktwolayers.InformationNetworkinthetopoftheindustrialenterprisenetwork,enterprisedatasharingandtransfervectors:
controlnetworkinthelowerdeckoftheEnterpriseNetwork,closelyintegratedwiththeinformationlayer,subjecttotheoperationofinformationnetwork,butalsohastheindependenceandintegrity.
Minerockpressuremonitoringsystemcoalfaceminingpressureobservationtoobservationandtunnelminingpressure.Changethecoalfacemonitoringthefacethestressofsurroundingrockaroundtheroofandfloordeformationanddestructionofpillarscompressionload,ribspalling,stentdeformationandbreakage,andtorecord,collateandanalyze.Roadwayminepressureobservationsandanalyzedforthesurroundingrockmove,Stentdeformationandload.Thecoalmineorepressuremonitoringsystemisaveryimportantpartofthemineproductionsafetyandthesafetransport.Thesystemtoachievethecomprehensiveprotectionandcentralizedmonitoringofthecoalfaceandtherockpressuretoreducecoalmineaccidentsinproductiontoprotecttherunofmineproductionsafetyisofgreatsignificance.
KEYWARDS:
mine,Pressuremonitoring,Sensor,Transmissionmode
基于单片机的矿山压力检测系统设计
1.绪论
1.1研究背景
我国95%的煤矿开采是地下作业。
煤矿事故占工矿企业一次死亡10人以上特大事故的72.8%至89.6%(2002-2005年);煤矿企业一次死亡10人以上事故中,瓦斯事故占死亡人数的71%。
煤矿所面临的重大灾害事故是相当严峻的,造成的损失是极其惨重的。
由于煤矿事故多,死亡人数多,造成了我国煤矿的百万吨死亡率一直居高不下。
特别是煤矿重大及特大瓦斯(煤尘)灾害事故的频发,不但造成国家财产和公民生命的巨大损失,而且严重影响了我国的国际声誉。
实际上,这些瓦斯事故的发生不是偶然的,它是以往煤矿生产过程中存在问题的集中暴露,涉及许多方面。
既有自然因素、科技投入和研究的不足,也有人为因素以及国家的体制、管理、经济政策,社会的传统观念,煤矿企业的文化素质等等。
煤层在采动前,原始岩层中已存在的应力是矿山压力产生的根源,它由3部分组成:
上覆岩层的重力、构造应力、岩体膨胀应力。
矿山压力显现是矿山压力作用下围岩运动的具体表现。
由于围岩的明显运动只在满足一定力学条件下才会发生,所以矿山压力显现是有条件限制的。
而且,不同层位、不同围岩条件以及不同断面尺寸的巷道,围岩运动发展情况也大不相同。
深入细致的分析围岩的稳定条件,找到促使其运动与破坏的主动力及由此可能引起的破坏形式,并在此基础上创造条件,把矿山压力显现控制在合理的范围,才能保障矿山的安全生产。
矿井巷道开挖之后,破坏了岩体原始的力学平衡,围岩应力重新分布,使巷道围岩处于一种不稳定状态。
研究表明,围岩应力重新分布是一个渐进的过程,并且围岩的收敛由浅入深,收敛速度逐渐衰减。
如何有效地支护与加固巷道围岩、保护巷道围岩的稳定性一直是国内外关注的重要课题。
井下巷道围岩的稳定性很复杂。
近年来,在对矿山压力监控的过程中,由于种种客观和主观的的原因,而造成采场下沉,局部顶板冒落等事故不断发生,严重影响了矿山的生产、运输,以及矿工的人身安全。
有关资料表明,顶板事故是煤矿运输最严重的事故。
传统的矿压检测装置不完备,抗干扰能力差,传感器技术落后,数据处理能力差等等往往造成矿井安全监控不到位。
针对这些情况,需设计一套矿压检测系统,快速准确反馈顶板信息,以采取措施加强顶板管理,保证煤矿的安全生产。
1.2矿山压力监测系统研究概况及发展趋势
煤矿井下矿压监测系统是煤矿检测监控系统的一个非常重要的组成部分。
我国现有的井下矿压监测系统虽在保证煤矿安全生产,提高生产率和设备利用率等方面发挥了重要作用,但还有待于进一步发展完善。
目前国内很少有专门的井下矿压监测系统,而是一些分散的矿压监测装置或者仪器。
例如,机械式支柱测力计ADJ45,常用来测量采掘工作面单体支柱和巷道支架承受的载荷及工作特性;DDJ型测杆,常用来测量顶底板相对称近量、巷道围岩表面及支架两点间的位移;BHS-10测枪,多用于测量巷道围岩表面位移;KY-82型顶板动态仪,主要用于测量采煤工作面和巷道顶底板移近量及移近速度。
还有液压式矿压观测仪器,振弦式矿压观测仪器,矿山压力遥测仪器等等。
随着计算机技术的飞速发展,越来越多的中小型监测监控系统以及大型的集散控制系统(DCS)应用于矿井的生产和运输。
现有的煤矿井下矿压监测装置虽在保证煤矿安全生产方面发挥了一定作用,但由于这些装置监测参数单一,系统性能价格比低,难以满足煤矿安全生产的需要,主要表现在如下几个方面:
(1)现有装置针对某一监控对象开发,从而造成硬件不通用,软件不兼容,信息不共享,难以对检测的数据进行综合分析。
(2)现有装置在同一水平上重复开发,若要进行新对象新领域的监测,需重新上设备,通信装置,抗干扰装置。
(3)现有装置没有将数据,文字,声音,图像等多种媒体有机地结合在一起,难以提高信息及系统的利用率。
国际上煤矿井下矿压监测系统已由早期的单一参数的监测装置,发展为多参数多任务的监控系统,可针对矿井安全生产多方面的需求。
针对以上种种情况,迫切需要设计煤矿井下矿压监测系统来对各种装置进行统一管理,对信号进行集中采集和分析,做到了数据采集自动化、数据处理程序化、计算结果图表化。
煤矿井下矿压监测系统的发展趋势,主要是向多媒体化方向发展。
具体表现在以下几方面:
(1)智能化自检功能,系统故障自检功能向智能化发展,具有对故障的智能分析、判断功能,改变系统自检功能单一、简单的情况,做到系统常见的软件和硬件故障都能通过自检功能进行判断,从而缩短故障处理时间,更好地保障矿井运输安全生产。
(2)兼容性,现有厂家的监测监控系统几乎都采用各自专用装置,互不兼容。
有些矿井为了安全生产的需要,在系统存在严重问题和得不到技术服务的条件下,不得不放弃该系统。
因此,制定统一的专业技术标准,对促进矿井监测监控技术发展和系统的推广应用具有十分重要的意义。
(3)实现运输监测信息网络化,根据监控系统网络化管理的需要,监控系统的实时监控信息将被网络共享,系统应用软件按统一的格式向外提供监测数据,每一台在网络远程终端都可以共享监控信息,为决策和管理层提供决策依据。
(4)提高传感器技术水准。
传感器的精度、可靠性等质量不断提高。
1.3矿山压力监测系统研究内容概述
该课题主要研究采煤工作面矿山压力观测和巷道矿山压力观测。
采煤工作面观测主要包括对采煤工作面及四周围岩的应力、顶底板变形与破坏、支柱压缩与载荷、煤壁片帮、支架变形与折损等宏观矿压显现量进行测量、记录、整理分析。
掌握采煤工作面矿压显现规律,并以此指导生产。
观测通常采用各种传感器进行,确保及时、准确、全面地采集信息。
巷道矿山压力观测主要是针对巷道围岩移动、支架变形及载荷等情况。
信息的收集、处理以及显示采用两级计算机实现。
采用综合监测系统对煤矿井下矿压实施综合监测,保障煤矿生产和运输的安全。
系统以单片机为控制核心,加上相应的接口电路、传感器、通讯装置和智能化软件设计,自动检测采煤工作面矿山压力和巷道矿山压力。
通过上位机人机界面用中文并辅助声光方式实时显示工作面矿山压力和巷道矿山压力的各种信息参数,并自动存储,实现矿压的实时数据的采集,实时曲线和历史曲线的绘制,完成煤矿井下的矿压监测。
通过两级计算机系统将顶板等生产事故降到最低,通过人机界面显示屏实时显示各种参数。
该系统将更好地保障煤矿生产、运输系统的安全运行,实现煤矿生产、运输的信息化和智能化,减少因事故造成的经济损失和人员伤亡,具有重大的经济效益和社会效益。
煤矿井下矿压监测系统是综合性很强的技术系统。
随着科技的不断进步及矿井生产自动化程度的提高,它在煤矿安全生产和运输中发挥着重要的作用。
2.矿山压力检测系统组成与要求
2.1矿山压力检测系统的结构与组成
综合数据监测系统主要由地面中心站监控主机和软件、通讯适配器、通讯电缆或光缆、矿用隔爆兼本质安全型电源箱、井下监控基站、无线数据收发机、矿用本安型数字压力计、围岩移动传感器、锚杆锚索应力数字压力计、钻孔数字压力计及防雷栅等单元构成。
监控软件对数据进行处理、显示并进行打印,通讯适配器通过RS232接口与监控主机相连接;电源箱为井下监控基站提供本质安全型电源;井下监控基站与收发机进行无线双向通讯,并将采集到的数据进行处理后通过传输线路上传到地面中心站;监测数据通过无线模块传送到无线收发机。
2.2系统功能
监测系统可以实现以下功能:
井上计算机动态模拟显示监测参数、报警;井下现场数据显示和报警;井下数据可以实现工作面无线传输;井下数据巷道局域网传输或者电话线传输;监测数据在传输故障时候自动记录存储;连续监测曲线显示、分析;监测数据综合专业化分析;历史数据查询及报表输出;局、矿顶板动态监测网络功能。
2.3系统技术特点
1.该系统支持多个子系统和多元矿压参数监测,系统支持最多达16个独立采区(测区)的矿压监测,每个测区内可兼容工作阻力、顶板离层、围岩应力、锚杆支护应力、钻孔应力多元参数监测。
系统容量达1000个测点。
2.系统根据采场地质条件采用了两级总线设计,总线之间完全隔离,工作面和巷道数据无线采集传输。
3.系统数据传输不但支持以太网总线传输模式,还具有LonWorks总线传输模式以方便与原矿监控系统兼容。
4.智能一体化监测传感器,微处理器控制,具有现场独立报警设置功能,电池供电,超低功耗设计,可连续工作一年以上。
5.监测传感器内置无线传输模块,实现工作面现场无线数据传输,使用方便,减少现场维护量。
2.4压力传感器优点
1.传感器的量程和功能都得到了进一步扩展,能实现对基本参数和特殊参数的测量,满足不同场合的需要。
2.传感器的灵敏度和测量精度也同时得到了提高,对于微弱信号测量,各种信号的校正和补偿都可以实现,测量数据可以根据需要进行存储。
3.数据测量的稳定性和可能性得到提升,减小外界环境对压力传感器输出干扰,可以对测量有选择性地进行。
4.能够实现自我诊断功能,对发生故障的部位能及时且准确地进行锁定,故障状态迅速识别,解决一些通过硬件不能实现的问题。
5.信号输出形式和接口选择更为多样,通信距离得到更大提高。
2.5井下监控基站
井下监控基站具有多通道、多制式的信号采集和通讯功能,能及时将监测到的各种环境参数、生产状态、实时传送给地面中心站,并执行中心站发出的各种命令。
同时,基站还能就地监测和显示被测设备的运行状况及检测参数,及时发出报警和断电控制信号。
基站具备数据存储功能,通讯中断时,监控基站能保存4小时以上的监控数据,等通讯恢复正常后,监控基站保存的数据能被监测主机正确接收、处理;基站自带全向无线数据接收器,无需另配接收器以及相应的连接电缆。
a)防爆形式:
矿用本质安全型,防爆标志为ExibI;
b)防护等级:
IP54;
c)输入端口:
16个(模拟量、开关量均可);
d)控制输出:
8路;
e)主要通信参数:
n通讯方式:
二线制无极性通讯;
n通讯协议:
LonTalk,TCP/IP;
n无线通讯:
同频异步半双工;
n收发频率:
433MHz;
n通讯距离:
≥25Km;
n可实时监测无线收发机的监测数据。
3.压力检测系统的硬件设计
3.189C52单片机功能描述与外部引脚定义
3.1.1功能描述
图1:
单片机的内部结构框架
STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能:
8k字节Flash,512字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,内置4KBEEPROM,MAX810复位电路,2个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口。
另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35MHz,6T/12T可选。
8K字节程序存储空间;512字节数据存储空间;内带2K字节EEPROM存储空间;可直接使用串口下载;AT89S52单片机:
8K字节程序存储空间;256字节数据存储空间;没有内带EEPROM存储空间。
3.1.2外部引脚定义
具有32个输入输出引脚,P0口,想做输入输出使用,必须外加上拉电阻,P1口,P2口,P3口、9号RST复位引脚;P3口同时具有第二功能:
10号11号口,作为串行通信接口;12号口13号口,外部中断0和外部中断1;14号口15号口,定时器0,定时器1;16号17号读写控制引脚;18号19号脚外接晶振;20号脚接地31号脚一般接高电平,在执行指令时,单片机会首先执行内部存储指令,如果有外部扩展,再执行外部扩展,如果接低电平,只执行外部扩展,不执行内部
存储指令;40号引脚,单片机的宫殿,0~5V。
图2:
单片机外部引脚
3.2检测系统硬件设计
3.2.1系统原理设计总方案
压力传感器采集到冒顶的压力值,传输给单片机,井上装置接受到号由单片机控制是否驱动警报并在大数码管上显示压力值。
图3:
系统原理设计总方案
3.2.2各种芯片功能介绍
1.HX711是一款24位A/D转换器芯片。
具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。
工作电压范围是2.6V~5.5V。
工作温度范围-20~+85℃。
2.STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
3.MAX485采用单一电源+5V工作,采用半双工通讯方式。
它完成将TTL电平转换为RS-485电平的功能,最大传输距离是1200米,最大传输速率是2.5Mb/S,它采用的是RS-485协议,加终端电阻的目的通过增大负载,而减小回波反射,起一种被动的阻抗匹配作用
4.MAX232的作用是实现电平之间的转换,将RS232电平转换为TTL电平,保证单片机的正常通信,电压范围是-12~+12V。
5.警报器的作用是当压力值达到预警值的时候发出警报声,提醒人员矿井顶端的压力出现异常,以便人员疏散。
6.大数码管的作用是主机接收从机通过485总线传来的数据,通过MAX7219进行位选和段选把当前的压力值实时显示在大数码管上。
3.2.3系统设计原理图
1.单片机控制端模块
压力监测系统控制端:
采用STC89C52单片机芯片,运用485通信技术,设置接口排针,外接大数码显示管和报警器。
485通信接单片机的串行输入输出口,接收来自压力监测系统采集端的信息后,进行控制外围设备。
如图4-图8所示。
图4:
警报器控制模块
图5:
电源模块
图6:
串行通信模块
图7:
485通信模块
图8:
单片机最小系统模块
2.单片机采集端模块
压力监测系统采集端:
采用STC89C52单片机芯片,运用485通信技术,设置接口排针,外接压力传感器。
485通信接单片机的串行输入输出口,采集来自压力传感器的数据。
采集端模块同图4-图8模块一样,多了一个压力传感器接口模块,如下图9所示。
图9:
压力传感器接口模块
3.压力传感器采集板原理图
采用HX711芯片,HX711是是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器片。
与同类型其它芯片相比,该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路。
图10:
压力传感器采集板原理图
4.数码管显示原理图
用MAX7219芯片进行驱动,MAX7219是一种集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器,它连接微处理器与8位数字的7段数字LED显示。
图11:
数码管显示原理图
4压力检测系统软件设计
4.1压力检测系统软件流程图
系统监控程序固化在EPROM存贮器中,当压力检测系统电源被开启后,监控程序开始运行。
其过程是先检查压力检测系统地址开关状态,并送显示块,显示压力检测系统地址编号,最后显示“.”,表示压力检测系统已执行完初始化程序,进入正常的监控循环程序。
正常监控程序首先是判断压力检测系统是否接收到符合命令格式的中心站命令。
若是,即根据命令要求转入不同的子程序(回送信息或监控外部设备);反之,则对8路模拟量输入及8路开关量输入依次采样,并且将压力的采样值报警限值进行比较。
若超过报警限值,则控制报警器发出报警;若超过断电限值,则控制断电器动作,使设备断电。
压力检测系统程序框图如下图。
图12:
系统软件流程图
4.2单片机的中断系统简介
1.中断的定义
所谓中断,是指CPU正在处理某些事务的时候,外部又发生了某一事件,请求CPU及时处理。
于是,CPU暂时中断当前的工作,转而处理所发生的事件。
处理完毕,再回到原来被中断的地方,继续原来的工作。
这样的过程,称为中断。
2.中断涉及的几个环节
一开始你正在看我的视频教程
①中断源手机
②中断申请手机铃声响了提醒你去接
③开放中断你准备去接电话
④保护现场在电脑上暂停我的这个视频教程
⑤中断服务你开始接电话
⑥恢复现场挂断电话回来
⑦中断返回继续看我的视频教程
4.3系统C语言驱动程序
1.主控制板程序
#include
#include
•sbitDE=P3^5;
•sbitled_in=P2^0;
•sbitbuzzer=P2^2;
•unsignedchardat[4]={0,0,0,0};
•longintG;
•intflag=0;
•#defineG_SOS10000
•voidinit()
•{
TMOD=0x20;
•TH1=0xfd;
•TL1=0xfd;
•SCON=0x50;
•TI=0;
ES=1;
•EA=1;
•TR1=1;
•DE=0;
•}
•main()
•{
•init();
•InitDisplay();
•while
(1)
•{
•if(flag==4)
{
WriteWord(Digit0,G%10);
WriteWord(Digit1,G/10%10);
WriteWord(Digit2,G/100%10);
WriteWord(Digit3,G/1000%10);
WriteWord(Digit4,G/10000%10);
WriteWord(Digit5,G/100000%10);
flag=0;
}
if(G>G_SOS)
buzzer=0;
else
buzzer=1;
}
}
voidserie()interrupt4
{
unsignedcharcou=0xff;
if(RI)
{
cou=SBUF;
led_in=~led_in;
if((c
- 配套讲稿:
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