矿井用巷道变形自动监测系统

1目录摘要…………………………………………………………………………………3第一章前言……………………………………………………………………41.1项目的提出及研究意义………………………………………………41.2研究内容及目标………………………………………………………41.3研究方案及技术路线…………………………………………………51.4作品的特点与创新………………………………………………………61.5作品应用前景……………………………………………………………7第二章数据采集分析硬件部分设计………………………………………92.1硬件的结构组成……………………………………………………………92.2数据采集与处理电路设计……………………………………………………92.2.1超声波距离测量电路设计……………………………………………92.2.2DS18B20温度采集模块电路设计…………………………………122.2.3压力传感器电路设计………………………………………………152.2.4MCU（微处理器）主控部分电路设计……………………………182.2.5电源部分电路设计………………………………………………192.3RS485数据传输电路设计……………………………………………………212.3.1RS485数据传输的特点……………………………………………212.3.2TTL转RS485电路设计……………………………………………222.3.3RS485集线器…………………………………………………………222.3.4RS485-USB部分电路图……………………………………………2322.4GPRS模块电路设计………………………………………………………25第三章数据采集分析软件的设计………………………………………263.1软件语言和平台……………………………………………………………263.2软件总体设计实现………………………………………………………273.3串口接口……………………………………………………………………283.4用户界面………………………………………………………………………29第四章技术参数………………………………………………………………30参考文献……………………………………………………………………………313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4第一章前言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5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。图1系统研究技术路线ＲＳ４８５转ＵＳＢ61.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7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；⑦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。8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。9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10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;i0;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}11(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12width_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135、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