智能型数字压力计的设计与在煤矿下的应用.doc
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1、智能型数字压力计的设计与在煤矿下的应用目录摘要2ABSTRACT3第一章绪论51.1课题研究背景和意义51.2煤矿压力计的发展方向561.3论文的主要工作6第二章总体设计方案82.1煤矿数字压力计的主要功能82.2 煤矿数字压力计的技术指标6782.3 煤矿数字压力计的总体设计框图8第三章智能型数字压力计模块设计103.1 硬件电路概述103.2 微控芯片的简介111213103.3 压力变送模块的设计123.3.1 压阻式压力传感器的测量原理123.3.2 小信号采集变换模块133.3.3 A/D采样模块133.4 红外采集模块的设计153.4.1 红外发送模块的设计153.4.2 红外接收
2、模块的设计173.5 其他相关电路的设计193.5.1 低功耗电源电路设计193.5.2 压力显示模块设计203.5.3 数据存储模块设计223.6 本章小结28第四章上位机监控分析软件的设计294.1 软件开发软、硬件环境294.2 软件总体功能概述294.3 软件子模块介绍304.3.1 数据通信子模块304.3.2 系统参数设置子模块344.3.3 数据查询模块364.3.4 数据图表分析模块31-42374.3.4 数据库管理模块434.4 本章小结44第五章总结与展望44参考文献:47附录1: 采集终端原理图50附件2:智能型数字压力采集终端51摘要近年来,我国煤矿安全事故频繁发生,
3、其中主要是瓦斯和顶板事故,煤矿顶板事故对矿井安全生产危害极大。从我国煤矿事故统计来看,顶板事故一直居各类事故之首。对煤矿顶板的压力情况进行监测与控制是减少顶板事故和实现矿山科学管理最有效的手段之一。然而目前我国绝大多数煤矿井下顶板压力检测一般采用机械式、液压式观测仪器,精度低,工作效率低下。而国外较先进的矿井压力监测系统,配置复杂,采用有线的通信方式,布线、维护也比较困难。因此,研制一种新型的测量精度高、待机时间长、通信简便、价格适中、操作方便、工作性能优良的便携式煤矿压力观测设备势在必行。本文根据煤矿安全标准,认真分析了目前我国各种矿山压力观测仪器存在的不足,考虑到煤矿井下的实际环境,研制了
4、一种基于红外线数据采集的新型煤矿压力采集和智能分析系统。该系统由两部分组成,即智能型煤矿压力数据采集装置和上位机智能化分析软件,前者采用了低功耗微处理机PIC16F716实现数据采集,后者利用微机强大的处理能力实现压力数据的度量与分析。整个系统采用低功耗设计,其中,煤矿压力数据采集装置能够定时采集和存储顶板压力数据、红外线接收命令后将格式化压力数据和自身编号一起发送出去、中断触发现场显示当前的压力数据。上位机智能分析软件采用图形化界面显示,所有功能通过鼠标即可操作。该软件实现系统初始化、串口接收并存储煤矿压力数据采集装置的压力数据、图表显示各个采集点压力数据、分析各个采集点压力数据和数据库备份
5、、恢复和删除等操作。首先,文章简要的阐述了采集装置的功能划分、总体思想设计、通信方式的选取。然后分别根据采集装置的功能要求,对其硬件电路设计和软件程序设计部分展开详细的介绍。经过实际使用证明,本系统的硬件和软件程序工作可靠,操作方便。整个系统具有测量精度高、体积小、功耗低等特点。它的研制对提高我国煤矿顶板压力检测的自动化程度,保障我国煤炭行业的高效率安全生产有重要的意义。关键字:矿山压力检测、数据采集、智能化分析、低功耗、压力传感器ABSTRACTIn recent years, Chinas coal mine safety accidents, most of which are gas
6、and roof accidents, have occurred frequently, and roof accidents have great harm on safe production of mine. According to the statistics from Chinas coal mine accidents, we can see that roof accidents have been the top among various types of accidents. Monitoring and controlling the pressure on the
7、roof of mine is one of the most effective means to reduce roof accidents and realize the scientific management of mine. However, mechanical, hydraulic observation instruments are used in majority of Chinas coal mine roof pressure test, and their precision and work efficiency are low. The more advanc
8、ed foreign mine pressure monitoring systems configure with complexity, by means of wired communication, thus, the wiring and maintenance is also more difficult. Therefore, the development of a new type of portable coal mine pressure observation equipment of high accuracy, long standby time, and simp
9、le communication, affordable, easy to operate, good work performance is imperative.Based on the safety standards of coal mine, this paper analyzes the deficiencies of current various pressure observation equipment of mining carefully. Taking into account the actual coal mine environment, a new type
10、of coal mine pressure acquisition and intelligent analysis system based on the infrared data collection has been developed. The system is formed by two components, intelligent mine pressure data acquisition device and intelligent analysis software of host computer, the former adopts a low-power micr
11、oprocessor PIC16F716 to acquire the data, and the latter uses the processing power of computer to achieve the measurement and analysis of pressure data. The entire system uses low-power design, in which coal pressure data acquisition device can capture and store roof pressure data timing; infrared s
12、end out the formatted pressure data together with their own numbers after receiving the command,interrupt triggering on-site displays the current pressure data. The intelligent analysis software of host display by graphical interface, all functions can be operated by mouse. The software could achiev
13、e such functions as system initialization, serial ports receiving and storing the coal mine pressure data and pressure data of acquisition device, showing the pressure data of various collection points by chart, analysis the pressure data of various collection points, and backup, restore, and delete
14、 of database.First, the paper briefly describes the function division of collecting devices and the overall design. And then introduces its hardware circuit design and software programming part in detail according to the functional requirements of collected device. Practical use proves that the hard
15、ware and software of the system work reliably and are easy to operate. The whole system has such consumptions as high accuracy, small size and low power. Its research and development have an important significance on improving the automation degree of Chinas coal mine roof pressure test and ensuring
16、 the high efficiency and safe production of Chinas coal industry. Keywords: pressure test of rock, data collection, intelligent analysis, low-power, pressure sensor第一章 绪论1.1 课题研究背景和意义煤炭是我国最重要的一次性能源,煤炭工业是国民经济的主要基础产业,对国家经济发展起着重要作用。但是煤炭行业由于资源存在条件特殊、工作环境恶劣等因素。近年来,煤矿重特大事故时有发生,安全生产形势十分严峻。所以高技术、智能化测量监控设备已成
17、为煤矿开采不可或缺的辅助设备。早在1987年原煤炭工业部颁发的煤炭工业技术政策第39条“矿山压力测量”中规定1:“各矿区对采煤工作面和井巷进行矿压观测,根据岩层性质、顶板压力、顶板下沉量和下沉速度、放顶步距、周期来压等数据,逐步摸清本矿区的矿压规律,制定本矿区的顶板分类标准。作为采区设计、巷道布置、设备选型、支护设计、顶板控制的依据234。”这充分的说明了矿山压力观测的重要性及在煤矿生产中的地位。随着科学技术的发展,液压技术在煤炭采掘机械中得到了愈来愈广泛的应用。目前,我国绝大多数煤矿回采工作面采用自移式液压支架,它以高压液体为动力,由金属构件和若干液压元件组成,使支架的支撑、切顶、移架和输送
18、机推移等工序全部实现了机械化。液压支架的使用大大地改善了回采工作面的工作条件、降低了人们的劳动强度,有效地增加了劳动安全性,使工作面的产量和效率得到了很大的提高,并为工作面的自动化创造了条件。在液压系统中,压力是非常重要的参数,当压力超过或低于限定值时系统就会发生故障,从而对人身和财产安全构成很大威胁。液压检测不仅可以为综采支架支撑的工作阻力和顶板压力情况提供可靠的数据,而且可以通过分析该数据来预测顶板压力,预防事故发生2。可见,液压支架的压力检测是非常重要的。这里提到的压力,实际上指的是压强,即作用在单位面积上的压力,国际单位为Pa。因为实际工作中,压力的工作介质为气体、油和水,而这些工作介
19、质能够传递的只有压强。压力计量实指对压强的计量。目前国内大多数煤矿对支架压力参数检测均使用传统的机械式液压测量仪表(通常称为机械圆图仪)。这类仪表对支架压力参数的获取是靠指针在记录纸上移动来记录数据,常常由于记录纸的伸缩性、曲线线条的宽度等因数,使得仪表的精度低、误差大,读数困难。还有一些煤矿上使用数字压力计,将压力采集后送数码管显示。以上方式都需要人工记录,劳动量大其容易出错。有一些较先进的矿用压力监测系统主要工作方式是将矿井下压力、温度等数据采集到后,通过专用电缆或电话线等方式传送到井上,然后再用计算机对这些数据进行分析处理、打印等。虽然这种系统可连续进行监测,信息容量大,处理功能强,并能
20、提前进行人工预报和声光报警,可以大大提高监测质量,减少事故发生,但同时亦存在着价格昂贵、系统配置复杂和布线、维护困难等缺陷。因此,为了提高煤矿中压力观测效率、保证煤矿安全生产,研制一种新型的测量精度高、待机时间长、通信简便、价格适中、操作方便、工作性能优良的便携式煤矿压力观测设备势在必行。1.2 煤矿压力计的发展方向5根据煤矿中压力研究的报导,和电子检测设备在工业化领域的发展,我国的矿用压力观测仪器发展方向应如下。1.矿压仪器研制应优先发展电子化。采用传感器和数据采集器直接相连的信号传输系 统,应用单片机技术进行数据采集和预处理,然后通过接口将数据输入微机进行进一步处理,并对采集现场顶板动态做
21、出预测预报。2.矿压仪器应向智能化方向发展,并应满足数显直接读的要求、自动量程控制机制和具有自动化报警装置。3.矿压仪器应向低功耗方向发展,改变以前那种笨重的电源系统。由于矿下条件恶劣,测量仪器一般都要进行密封处理,这样低功耗是必须的,要让测量设备装入电池在矿下连续工作半年以上。4.矿压仪器应向小型化和便携式且安装维修方便的方向发展。这样就可以在矿下使用而不影响液压设备的工作。5.考虑到国情和经济能力,应优先发展并采用适宜于一般情况下的井下数据数据采集和地面中心计算机上处理系统的组合方式的顶板动态监测智能系统。在中央计算机和采集器之间通过接口通讯,传输数据信息,既可避免人工输入数据的麻烦,又可
22、避免设置井下分站和使用传输电缆经济性差的缺陷,同时还可以实现连续监测,适时预报以及日常的顶板动态监控和生产管理工作,在坚硬顶板矿区特别是具有冲击地压矿井,或者具有雄厚经济实力的大型矿井,条件许可时,应优先考虑应用全套的顶板计算机检测系统。1.3 论文的主要工作本文根据我国目前煤矿压力检测的实际情况,设计了一种智能型数字压力采集设备和智能分析系统。该采集器主要实现了定时采集和保存压力数据、红外发送和接收压力数据和命令信息,分析系统实现数据异步收集分析压力数据并进行图表显示。本文根据系统的设计要求,主要做了以下两个方面的工作:1.智能型煤矿压力数据采集装置的研制该装置的主要功能:、定时采集由顶板压
23、力传感器传送过来压力信号,对压力数据进行初步的校验,并和时间信息一同按规定格式存储到铁电EEPROM中。、三端红外接收器收到采集指令后,将已经储存的压力数据和自身编号一起通过红外发送电路发送出去。、手电筒照射触发中断,在中断里面对当前的压力进行采集并显示到高亮度数码管上。根据煤矿压力数据采集装置的功能要求,本文分别从硬件和软件两个方面入手进行设计。硬件设计内容主要包括:红外数据传输电路、顶板压力数据存储电路、传感器信号采集电路、数据显示电路、低功耗电源电路等。软件设计时采用模块化设计,将整个功能分成各个小功能模块实现,这样大大减小了开发难度。软件设计内容包括:系统初始化子程序、压力数据采集、数
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