煤礦井下冒頂壓力檢測(cè)系統(tǒng)

煤礦井下冒頂壓力檢測(cè)系統(tǒng)前言我國(guó)是產(chǎn)煤大國(guó)，也是礦難大國(guó)。中國(guó)煤炭產(chǎn)量占世界35%，但中國(guó)的礦難死亡人數(shù)，卻占世界的80%。據(jù)事故統(tǒng)計(jì)，因頂板意外冒落造成的人員傷亡，設(shè)備損害生產(chǎn)中止，是煤礦生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一，占總事故率的30%到40%。目前，我國(guó)煤礦生產(chǎn)主要靠井工開(kāi)采。在煤礦生產(chǎn)中，開(kāi)據(jù)巷道打破了原來(lái)的壓力平衡，導(dǎo)致巷道周邊的巖石所受硬力重新分布變形開(kāi)裂巷道上方的巖石被稱(chēng)為頂或者頂板水平巷道的破壞首先就在頂板上產(chǎn)生。頂是指煤巖上方的巖石層，一般由下而上，又被分為圍頂、直接頂和基本頂。這三層頂都給采煤生產(chǎn)帶來(lái)壓力，如不支護(hù)，頂板就逐漸向下彎曲，出現(xiàn)裂縫冒落。由于壓力不斷發(fā)生變化，冒頂就會(huì)經(jīng)常發(fā)生，按照事故發(fā)生范圍，冒頂可分為局部冒頂和大型冒頂，冒頂是指采煤過(guò)程中頂板壓垮支護(hù)或在沒(méi)得到有效支護(hù)之前，意外塌落造成的災(zāi)害事故。支護(hù)的作用就是防止圍巖變形塌落，使井巷保持一定形狀和尺寸，保證正常生產(chǎn)和安全。冒頂發(fā)生在絕境工作迎頭，一般是由于前探支護(hù)不及時(shí)或支護(hù)強(qiáng)度不夠，不能有效抵御頂板壓力造成的。冒頂發(fā)生在失修巷道，是由于支護(hù)老化、折斷，支撐能力減弱造成。發(fā)生在采面，則是由于上方頂板破碎，臨時(shí)支護(hù)不及時(shí)或互補(bǔ)材料不能完全護(hù)底。大型冒頂形成原因更為復(fù)雜，大多是由于踩場(chǎng)上覆巖層在不斷開(kāi)采的影響下變形移動(dòng)，產(chǎn)生礦山壓力，或者是地質(zhì)構(gòu)造的改變，產(chǎn)生天然影響，致使頂板大面積運(yùn)動(dòng)造成。當(dāng)下沉壓力超過(guò)臨界點(diǎn)，就會(huì)發(fā)生大面積斷裂或塌陷形成大型冒頂事故。認(rèn)清冒頂形成的原因了解事故發(fā)生的基本規(guī)律，最大限度的減輕冒頂事故造成的損失，減少人員的傷亡；保證工作面支架的密度，使其對(duì)頂板有足夠的支護(hù)強(qiáng)度，能有效的控制住頂板；掌握工作面的周期來(lái)壓規(guī)律，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)，及時(shí)預(yù)測(cè)工作面將要來(lái)壓的時(shí)段，在整個(gè)來(lái)壓過(guò)程中，對(duì)工作面加強(qiáng)支護(hù)。一、實(shí)習(xí)目的我們此次的實(shí)習(xí)從廣義來(lái)說(shuō)包括：實(shí)踐實(shí)習(xí)、課程實(shí)習(xí)等幾個(gè)部分。我這里主要談的是畢業(yè)前的狹義的實(shí)踐與課程實(shí)習(xí)，具體地說(shuō)，就是學(xué)生學(xué)完在校規(guī)定的課程，并在學(xué)校進(jìn)行一定的課程與實(shí)踐結(jié)合的實(shí)習(xí)。實(shí)習(xí)是為了對(duì)相關(guān)軟件的了解和掌握并培養(yǎng)我們進(jìn)行調(diào)查、研究、分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，一方面來(lái)鞏固在書(shū)本上學(xué)到的理論知識(shí)，另一方面，可獲得在書(shū)本上不易了解和不易學(xué)到的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際知識(shí)，使我們?cè)趯?shí)踐中得到提高和鍛煉，為后繼專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習(xí)、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。實(shí)習(xí)是學(xué)校教學(xué)的重要補(bǔ)充部分，是區(qū)別于普通學(xué)校教育的一個(gè)顯著特征，是教育教學(xué)體系中的一個(gè)不可缺少的重要組成部分和不可替代的重要環(huán)節(jié)。它是與今后的職業(yè)生活最直接聯(lián)系的，學(xué)生在生產(chǎn)實(shí)習(xí)過(guò)程中將完成學(xué)習(xí)到就業(yè)的過(guò)渡，因此生產(chǎn)實(shí)習(xí)是培養(yǎng)技能型人才，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)的主要途徑。它不僅是校內(nèi)教學(xué)的延續(xù)，而且是校內(nèi)教學(xué)的總結(jié)?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有生產(chǎn)實(shí)習(xí)，就沒(méi)有完整的教育。學(xué)校要提高教育教學(xué)質(zhì)量，在注重理論知識(shí)學(xué)習(xí)的前提下，首先要提高生產(chǎn)實(shí)習(xí)管理的質(zhì)量。通過(guò)此次實(shí)踐實(shí)習(xí)，可以拓寬我們的知識(shí)面，增加感性認(rèn)識(shí)，把所學(xué)知識(shí)條理化系統(tǒng)化，學(xué)到從書(shū)本學(xué)不到的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，并獲得本專(zhuān)業(yè)國(guó)內(nèi)、外科技發(fā)展現(xiàn)狀的最新信息，激發(fā)學(xué)生向?qū)嵺`學(xué)習(xí)和探索的積極性，為今后的學(xué)習(xí)和將從事的技術(shù)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。二、實(shí)習(xí)時(shí)間2012、9、3——2012、9、16三、 實(shí)習(xí)地點(diǎn)機(jī)電實(shí)訓(xùn)中心四、 實(shí)習(xí)單位合肥求精電子有限公司五、 實(shí)習(xí)內(nèi)容5.1設(shè)計(jì)原理單片機(jī)是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心，由它發(fā)送采集數(shù)據(jù)指令給壓力傳感器，每隔一段時(shí)間壓力傳感器將采集到的數(shù)據(jù)反饋給單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)出指令將數(shù)據(jù)通過(guò)485通信傳輸出來(lái)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和處理，同時(shí)將數(shù)據(jù)在大數(shù)碼管上顯示出來(lái)，當(dāng)煤礦井下檢測(cè)出得冒頂壓力超出安全范圍，單片機(jī)將對(duì)報(bào)警器發(fā)出信號(hào)使報(bào)警器報(bào)警。5.2系統(tǒng)框圖5.3系統(tǒng)模塊介紹1.主控C52單片機(jī)單片機(jī)中央處理系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，選用AT89C52單片機(jī)作為中央處理器，該單片機(jī)除了擁有MCS-51系列單片機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)夕卜，內(nèi)部還具有8K的在系統(tǒng)可編程FLASH存儲(chǔ)器，低功耗的空閑和掉電模式，極大的降低了電路的功耗，還包含了定時(shí)器、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等硬件，其硬件能符合整個(gè)控制系統(tǒng)的要求，不需要外接其他存儲(chǔ)器芯片和定時(shí)器件，方便地構(gòu)成一個(gè)最小系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，抗干擾能力強(qiáng)，性?xún)r(jià)比高。2.壓力傳感器壓力傳感器是將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的傳感器，通常把壓力測(cè)量?jī)x表中的電測(cè)式儀表。壓力傳感器一般由彈性敏感元件和位移敏感元件（或應(yīng)變計(jì)）組成。彈性敏感元件的作用是使被測(cè)壓力作用于某個(gè)面積上并轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變，然后由位移敏感元件或應(yīng)變計(jì)轉(zhuǎn)換為與壓力成一定關(guān)系的電信號(hào)。。某些晶體介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向受到機(jī)械力作用發(fā)生變形時(shí)，就產(chǎn)生了極化效應(yīng)；當(dāng)機(jī)械力撤掉之后，又會(huì)重新回到不帶電的狀態(tài)，也就是受到壓力的時(shí)候，某些晶體可能產(chǎn)生出電的效應(yīng)，這就是所謂的極化效應(yīng)。而壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量，因?yàn)榻?jīng)過(guò)外力作用后的電荷，只有在回路具有無(wú)限大的輸入阻抗時(shí)才得到保存。實(shí)際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測(cè)量動(dòng)態(tài)的應(yīng)力。3.HX711芯片HX711是一款專(zhuān)為高精度電子秤而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。與同類(lèi)型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其它同類(lèi)型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。降低了電子秤的整機(jī)成本，提高了整機(jī)的性能和可靠性。該芯片與后端MCU芯片的接口和編程非常簡(jiǎn)單，所有控制信號(hào)由管腳驅(qū)動(dòng)，無(wú)需對(duì)芯片內(nèi)部的寄存器編程。輸入選擇開(kāi)關(guān)可任意選取通道A或通道B,與其內(nèi)部的低噪聲可編程放大器相連。通道A的可編程增益為128或64，對(duì)應(yīng)的滿(mǎn)額度差分輸入信號(hào)幅值分別為土20mV或土40mV。通道B則為固定的64增益，用于系統(tǒng)參數(shù)檢測(cè)。芯片內(nèi)提供的穩(wěn)壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器提供電源，系統(tǒng)板上無(wú)需另外的模擬電源。芯片內(nèi)的時(shí)鐘振蕩器不需要任何外接器件。上電自動(dòng)復(fù)位功能簡(jiǎn)化了開(kāi)機(jī)的初始化過(guò)程。VSUP[:BASEo2 L5二RAH-AVI)[)—ZJXIVFB[—4 13XOAGNDo3 13!□DOUTVJJG[:6 H=□PDSCKINNA匚7 ID二INPH]NPALft 9OINNBHX711芯片管腳圖4.MAX485芯片及485通信采用單一電源+5V工作，額定電流為300口A,采用半雙工通訊方式。它完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-485電平的功能。MAX485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡(jiǎn)單，內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與單片機(jī)連接時(shí)只需分別與單片機(jī)的RXD和TXD相連即可；/RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)/RE為邏輯0時(shí)，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)DE為邏輯1時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)镸AX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的一個(gè)管腳控制這兩個(gè)引腳即可；A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端，當(dāng)A引腳的電平高于B時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當(dāng)A的電平低于B端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在與單片機(jī)連接時(shí)接線(xiàn)非常簡(jiǎn)單。只需要一個(gè)信號(hào)控制MAX485的接收和發(fā)送即可。同時(shí)將A和B端之間加匹配電阻，一般可選100Q的電阻。-4—rover―:「RE A—--—DEB―-4——DIGND—=MAX485

6.485通信通信方式有好多種，可分為有線(xiàn)通信和無(wú)線(xiàn)通信。雖然無(wú)線(xiàn)通信比較方便，具有很好的移動(dòng)性，但是穩(wěn)定性較差，易受到干擾，一旦出現(xiàn)干擾，導(dǎo)致的結(jié)果就是礦難的發(fā)生，所以在這里我們采用485通信。7.亞7.亞示設(shè)備（大數(shù)碼管）及MAX7219芯片數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管。本次采用的數(shù)碼管與普通數(shù)碼管不同的是驅(qū)動(dòng)不一樣，采用12V電源供電。而普通單片機(jī)供電電壓為5V左右，所以必須要用繼電器進(jìn)行電源隔離。用MAX7219芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)顯示。MAX7219芯片用于動(dòng)態(tài)掃描顯示驅(qū)動(dòng)，芯片內(nèi)有可存儲(chǔ)顯示信息的8x8靜態(tài)RAM、動(dòng)態(tài)掃描電路以及段、位驅(qū)動(dòng)器。它與通用微處理器有3根串行線(xiàn)相連，最多可驅(qū)動(dòng)8個(gè)共陰數(shù)碼管或64個(gè)發(fā)光二極管。采用MAX7219芯片實(shí)現(xiàn)LED數(shù)碼顯示，具有電路緊湊、可節(jié)省CPU的I/O接口、芯片功能強(qiáng)大、編程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣大電路設(shè)計(jì)者認(rèn)可。然而MAX7219的工作電壓為5V,共陰極LED顯示驅(qū)動(dòng)，只適用于3.5V以下電壓驅(qū)動(dòng)的LED數(shù)碼管，限制了其使用范圍。

GIN124DOLTDIGODIG4GNDDIG6MAX7219(MX722123SEGO二22]SEGDP回|SEGE20]SEGCDIG26DIG31DIG?|TGIN124DOLTDIGODIG4GNDDIG6MAX7219(MX722123SEGO二22]SEGDP回|SEGE20]SEGCDIG26DIG31DIG?|T回(SET77]SEGG16■EGEDIG5WG1LOADlvS)MAX7219芯10HLY DIP/SO回SEGFU]SEGA亙|CLK片引腳圖7.蜂鳴器蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類(lèi)型。由于自激蜂鳴器采用直流電壓驅(qū)動(dòng)的，不需要利用交流信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，只需對(duì)驅(qū)動(dòng)口輸出驅(qū)動(dòng)電平并通過(guò)三極管放大驅(qū)動(dòng)電流就能使蜂鳴器發(fā)出聲音，很簡(jiǎn)單，這里就不對(duì)自激蜂鳴器進(jìn)行說(shuō)明了。這里只對(duì)必須用1/2duty的方波信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的他激蜂鳴器進(jìn)行說(shuō)明。單片機(jī)驅(qū)動(dòng)他激蜂鳴器的方式有兩種：一種是PWM輸出口直接驅(qū)動(dòng)，另一種是利用I/O定時(shí)翻轉(zhuǎn)電平產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)波形對(duì)蜂鳴器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。PWM輸出口直接驅(qū)動(dòng)是利用PWM輸出口本身可以輸出一定的方波來(lái)直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。5.4設(shè)計(jì)步驟用單片機(jī)設(shè)計(jì)出一個(gè)主控模塊進(jìn)行對(duì)信號(hào)的接收、分析及計(jì)數(shù)處理、發(fā)出指令。設(shè)計(jì)一個(gè)采集模塊利用壓力傳感器采集井下頂柱壓力狀況。設(shè)計(jì)一個(gè)通信系統(tǒng)把從井下采集的頂柱壓力傳輸處理。設(shè)計(jì)一個(gè)控制模塊把采集檢測(cè)到的壓力在大數(shù)碼管上顯示出來(lái)。設(shè)計(jì)一個(gè)報(bào)警模塊對(duì)檢測(cè)到的壓力進(jìn)行判斷是否超過(guò)安全范圍并及時(shí)報(bào)警。5.5系統(tǒng)原理圖A.系統(tǒng)一由STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)、MAX232串行通信、MAX485的485通信、壓力傳感器的驅(qū)動(dòng)電路、電源模塊組成。

1.單片機(jī)最小系統(tǒng)電路主要包括供電電路、復(fù)位電路、晶振電路、MAX232電頻轉(zhuǎn)換電路和STC89C52單片機(jī)電路組成，如圖：2.MAX232串行通信由MAX232芯片、CON3、CON4組成。U21041^44—I一---

21v-clNC2Ivcc:GND:ICouLr1Cir?U21041^44—I一---

21v-clNC2Ivcc:GND:ICouLr1Cir?I^IduL11 ib.廠3.485通信由MAX485芯片及發(fā)光二極管、CON2、電阻、電容組成。4.電源模塊由電源、開(kāi)關(guān)、發(fā)光二極管及CON2、1K電阻組成。

5.壓力傳感器驅(qū)動(dòng)器由CON4組成。B,系統(tǒng)二由STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)、MAX232串行通信、MAX485的485通信、數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)電路、報(bào)警控制系統(tǒng)及電源模塊組成，其中單片機(jī)最小系統(tǒng)、MAX232串行通信、MAX485的485通信是相同的。1.數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路由CON6組成。

2.報(bào)警控制系統(tǒng)由PNP三極管、繼電器、CON2、及電阻組成。3.電源模塊由電源、二個(gè)開(kāi)關(guān)、二個(gè)LED發(fā)光二極

C.壓力傳感器原理圖由HX711芯片、LED發(fā)光二極管、sbitADD0=P2A1;sbitADSK=P2A2;longintreadcount(void){unsignedlongcount;longintweight;inti;ADD0=1;ADSK=0;count=0;while(ADD0);for(i=0;i<24;i++){ADSK=1;count=count<<1;ADSK=0;if(ADD0)count++;}ADSK=1;count=countA0x800000;ADSK=0;weight=(count-8476480)/117.1;if(weight>1000)weight=weight-1;if(weight<=0)weight=0;returnweight;延時(shí)子程序while(1)G=readcount();while(ADD0);send_dat[0]=(unsignedchar)(G&0X0000003F);send_dat[1]=(unsignedchar)(((G>>6)&0X0000003F)|0X40);send_dat[2]=(unsignedchar)(((G>>12)&0X0000003F)|0X80);send_dat[3]=(unsignedchar)(((G>>18)&0X0000003F)|0XC0);send(send_dat[0]);delay_ms(20);send(send_dat[1]);delay_ms(20);send(send_dat[2]);delay_ms(20);send(send_dat[3]);delay_ms(200);}5.7系統(tǒng)測(cè)試、數(shù)據(jù)分析及結(jié)果在PC上位機(jī)上用KEILUVISION3軟件建立測(cè)試工程，用C語(yǔ)言