矿井风向检测装置的毕业设计.docx
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矿井风向检测装置的毕业设计
摘要
确保矿井通风是煤矿安全生产的首要任务。
然而，矿井通风风向检测装置能直接确定有毒气体和瓦斯气体的去向，能够为矿井安全生产提供保障。
煤矿通风是一个需要长期探索的课题，设计一款符合要求的矿井风向检测装置能保证检测数据的可靠性。
另外，该装置可用于多种恶劣环境下的煤矿生产基地，能快速、准确地检测出实时风向。
本设计给出了符合设计要求的装置结构框图，软硬件均采用模块化思维。
设计最初了解了常用测风向传感器的工作原理，通过学习各测风传感器的特性，综合考虑确定选用数字式传感器作为数据采集器件；其次，硬件电路设计以高性能的MSP430单片机为核心搭建硬件平台，具有数据采集、处理、通信、显示和报警功能；最后，软件设计阐述了该装置各模块的设计思想和主要的流程。
关键词：
矿井通风；风向；检测装置；传感器；单片机
Abstract
ToensurethemineventilationisthetoppriorityofthecoalminesafetyproductionHowever,mineventilationdirectiondetectiondevicecandirectlydeterminethetoxicgasesandgas,canprovidesafeguardfortheminesafetyproductionofcoalmineventilationisaneedlong-termexplorationproject,designameettherequirementsoftheminedirectiondetectiondevicecanensurethereliabilityofthetestingdataInaddition,thedevicecanbeusedinavarietyofharshenvironmentsofcoalproductionbase,canrapidlyandaccuratelydetectthereal-timewind.
Thisdesignmeetthedesignrequirementsofdevicestructurediagramaregiven,thehardwareandsoftwareadoptsmodulardesignthinkingoriginallycommonunderstandtheworkingprincipleofthewindsensor,bystudyingthecharacteristicsofthewindsensor,consideringtheselectionofdigitalsensorasthedataacquisitiondevice;Secondly,thehardwarecircuitdesignwithhighperformanceMSP430singlechipmicrocomputerasthecoretobuildhardwareplatform,withdatacollectionandcommunication,displayandalarmfunctions;Finally,softwaredesign,thispaperexpoundsthedesignofeachmoduleoftheplantthethoughtandthemainprocess.
Keywords:
Mineventilation;Thedirectionofthewind;Detectiondevice;Thesensor;microcontroller
引言
煤矿井下风向的确定能保障工作人员的生命安全，对矿井风向进行检测可以及时了解井下有毒气体、瓦斯气体的去向，避免安全事故的发生。
传统的风向检测多采用机械式传感器，采集速度和精度不高，而且井下巷道复杂，布线施工难度大，不易于维修，实际应用效果不理想。
本设计提出运用绝对式光电编码器基于MSP430F149单片机的风向检测装置，一方面将采集到的实时风向数据通过串口通信传输至上位机；另一方面利用MSP430强大的数据运算和处理能力，将数字传感器采集的数字信号处理和运算，并通过键盘输入设置门限值，实现不正常情况下的告警或者正常情况下的LCD显示，实现实时性检测。
1绪论
1.1研究目的、意义
矿井通风是指矿井持续输送新鲜的空气，供给井下人员呼吸，稀释并排出有害有害气体和粉尘，改善矿井井下气候条件和救灾时控制风流的工作[1]。
矿井通风是煤矿生产的紧要环节。
矿井通风与矿井安全密切相关。
煤矿挖掘存在瓦斯及其他有毒气体、粉尘、煤炭自燃物的严重威胁，搞好煤矿“一通三防”的工作，是煤矿安全生产的重要工作，也是为了防止重大灾害事故、实现煤矿安全情况最根本改善的关键。
为了确保良好的煤矿作业环境，对瓦斯气体、煤尘颗粒和煤炭火灾事故提出切实可行的预防性措施，提高矿井的抗灾救灾能力，最经济、最合理的解决方法就是搞好矿井通风工作。
考察我国适合高产高效煤矿生产集中化所需要的通风方式、通风装置、辅助通风技巧与经验及局部瓦斯气体处理方法等，是我们面临的主要任务。
现代化的科技技术为矿井通风体系实现高度智能化提供了先决性条件。
监控、处理、调控一体化的智能通风系统是煤矿通风技术发展的必然趋势。
我们可以利用风向与风速传感器、风压传感器、甲烷浓度传感器等，对通风相关的状态参数能实现远距离自动监测，然后通过监控中心计算机对监测数据进行综合性的分析，最后由顶端控制系统和指令系统统一发出操作指令，自动控制风机的运行及风门等风量调节装置，实现对风量的最优分配的目的。
一旦采煤工作面的瓦斯浓度超限安全危机时，该系统会通过指令系统发出相关的操作指令，通过空气流量自动化调节装置来控制空气供给量，或者驱动局部风扇加强通风效果，以达到快速稀释和彻底排除瓦斯气体，保障煤矿安全生产。
总之，确保矿井通风是煤矿安全作业的首要任务。
然而，矿井通风风向检测装置能直接确定有毒气体和瓦斯气体的去向。
[2]近年来，我国多起煤矿事故发生，因此，一些预防性安全生产技术得到迅速发展，一些矿井通风风向检测装置应运而生。
该装置利用流体力学的基本原理，使传感器的码盘产生不同的角位移，该位移所对应的格雷码通过单片机处理并显示在显示器件上，并通过设置安全阈值，实现超限时的告警。
风向检测装置能够直接有效地检测风向，而且能对风向进行实时性监控，对突发事件做到及时性估测和调控，从而提高煤矿抗灾能力，供给井下充足的新鲜空气，清除、稀释井下有毒有害的气体，改善井下采煤的气候条件，创造良好的作业环境，提高对煤矿安全生产的能力[3]。
1.2研究现状
矿井风向检测装置的发展主要集中在传感器和控制芯片的研究上。
在传感器的研究方面，就目前来看，测量风向的传感器很多，其优缺点各不相同，针对测风条件和测风参数的要求不同选用不同的风向传感器。
最具有代表的有皮托管式的传感器、热膜式的传感器、机械式的传感器和超声波测风传感器[3]。
国外最有代表性的是由芬兰维萨拉公司设计的一款超声波风向传感器，该系列的传感器利用超声波探测水平风向。
其测风量原理基于超声传输所用的时间，超声波从一个探头传达到另一个探头所用的时间是与风速和超声通道存在一定的关系，双向测量其传输所用时间，零风速发送与返回的传输时间是相等的。
超声通道之间的风是顶风传输时间递增，而顺风传速时间递减[4]。
通过对这两种传输时间的测量，425N型控制器计算通路间的风速风向。
计算出的风向风速不受高度、温度和湿度的影响，能够在恶劣环境中进行测量。
国内在风向的研究起步的比较晚，最比较有代表性的风向传感器有风杯测量仪，带有测量风向的重锤，其原理是风向传感器的变换器即为格雷码盘和光电组件，当风向标随风向变化随即转动时，通过其转轴带动格雷码盘在光电组件缝隙中转动，所产生的光电信号记录对应当时的风向的格雷码输出。
测风传感器的变换器可采用精密的导电塑料电位器，因而在电位器的活动的以端输出变化的电流信号或电压信号。
目前绝大数风向检测系统均采用该类传感器作为信号检测的感应器件。
当然，国内超声波传感器也有所发展，但目前技术还存在些许不成熟，有待于研究和发展。
在控制芯片的研究方面，风向检测装置根据所控制的芯片不同，大致归为两大类：
（1）一类是以8位或16位的单片机作为控制芯片的硬件控制中心，这类芯片的特点是低功耗，功能简单单一，主要负责风向的原始信号的采集和存储，部分风向检测系统带有相关的显示控制电路，数据处理与分析主要通过借助上位机完成。
例如：
由河北工业大学的许世霞等人设计的以AT89S52单片机为主控单元的风向无线数据采集系统，其特点是建立在以微机为上位机、单片机为下位机的无线风向采集系统[5]；上海应用技术学院的张僖等设计的基于C8051型单片机的车载移动的风向仪设计[6]，这类测试系统由于存在控制芯片功能的缺陷，需要利用有线或者无线的通信方式与上位机取得联系，使用上位机实现采集数据的记录、存储和发送；
（2）另一类是DSP、ARM为控制芯片的测试系统，DSP即数字信号处理器，是一种专用于实现各种数字信号处理的处理器，ARM是一微处理器行业的有名企业，设计了大批高性能、廉价、低功耗的精简指令集的处理器。
DSP和ARM处理器因其自身具有强大的处理、控制功能，在采集系统可以发挥重大的功能，能够实现上位机才能完成的功能。
例如：
内蒙古科技大学的罗中兴设计的基于DSP超声风向检测系统的设计[7]。
该类检测系统处理器能力强大，能代替上位机完成了采集数据的运算、显示、存储等重要功能，自带强大的外设还能满足各种各样的检测调试要求，独立于上位机成为采集分析系统。
1.3研究内容
本设计相关的主要的工作就是设计一款拥有风向数据采集、处理、传输、显示或报警功能的矿井风向检测装置。
开题初期，查阅国内外相关的科技研发、生产应用及理论设计方案，确定了风向检测装置的原理和系统结构，分析现有技术缺点，提出优化后的系统设计方案。
在研究初期，对各类测风传感器的原理进行查阅和分析，结合测风条件与风向测定参数的要求和成本考虑，选用数字传感器作为风向检测的传感器。
此外，使用LCD作为显示模块的主要器件。
并根据满足测试的要求，选取单片机MSP430F149作为装置的处理和控制中心。
装置硬件设计是本设计的重点内容，硬件电路设计是对系统设计方案的具体化实现。
本装置采用模块化的设计思想，将装置根据其对应的功能进行具体的划分。
硬件模块分为信号采集模块、调理模块、串口通信模块、显示模块、报警模块、电源模块，使用MSP430的实时时钟、复位电路和电源电路等外围设计。
系统软件程序使用C语言，采用模块思维，植入程序，增强系统的可读性和稳定性，并结合其他软件对设计进行仿真和误差分析，使系统满足设计要求。
1.4研究目标
本设计为矿井风向检测装置的设计，实现以下两种预期的功能：
（1）实现检测的快速和准确，达到实时监测；
（2）当实时风向不在安全风向阈值范围内时，系统会告警工作人员，以便做到及时性防危调控。
2装置设计总方案
2.1风向参数
风是大气流体的水平运动的结果，然而，风向的变化是气压的梯度力、地转的偏向力和摩擦力三者共同作用的结果。
实际上，风是一个三维空间的矢量，在地面气象观测中，所测量的风却是二维空间的矢量[8]。
风向是指风的来向，一般用八、十六位表示，根据本设计要求用十六位表示法，以拉丁文缩写记录，如图2-1所示。
图2-1风向十六方位图
Figure21windazimuthfigure16
风向在空间里的变化具有很多不确定性，尤其是摩擦层的大气运动并不均匀规则，因而存在各种不同尺寸的蜗旋位移，这些大小不同的蜗旋存在不同的运动方向，实际检测到的风是这些运动方向的综合检测结果。
2.2装置结构框图及工作原理
风向检测装置主要由风向信号采集模块、信号调理模块、单片机运算和处理模块、LCD液晶显示模块、串行通信模块、报警模块和系统电源模块组成，如图2-2所示。
串行通信模块
信号
调理
模块
MSP430
单片机
键盘输入模块
风向采集模块
LCD显示模块
报警模块
系统电源模块
转换至各模块转换至各模块
图2-2装置结构框图
Figure2-2devicestructurediagram
风向采集模块的研究主要是对风向传感器的研究上。
风向检测传感器的感应元件为前端装有辅助性的单板式风向标，当风向变化时，风向标尾翼转动带动其转轴转动，同时转轴下端的格雷码盘随即在光电组件的狭缝中转动，产生的光电信号经放大整形后，输出对应当时风向且幅值为5V的四位循环码，分辨率为22.5°，测量范围为0～360°，测量16个方位，循环码不同，方位不同。
信号调理模块需要对传感器采集的信号进行进一步的处理，风向传感器输出的为一个四位循环码信号，再经过整形和倒相电路的调理。
采集信号经过调理后，再经过MSP430单片机进行数据处理，将处理好的数据传输给显示模块，并通过串行通信模块与上位机通信，在满足检测实时风向不在安全风向阈值时，驱动报警模块。
LCD显示模块对实时风向进行显示；报警模块将实现不安全实时风向的报警；串行通信模块用于系统调试，而且可以将采集数据上传到上位机显示和保存；键盘输入模块用来输入门限数据，为报警模块提供判断数据；该装置总电源模块采用12V的锂电池供电，通过各个稳压模块和转换模块提供各模块所需的工作电压源。
2.3系统设计要求
2.3.1风向检测参数的要求
本系统设计就是为了矿井风向检测的快速、准确，系统采用数字传感器。
风向检测时，对实时风向进行记录和显示。
风向采用标准的十六方位检测。
风向方位、二进制码、循环码对应关系如表2-1所示。
风向显示符号如表中的记录符号。
表2-1风向方位、二进制码、循环码对照表
Table2-1windazimuthBinarycodecycliccodetable
方位
记录符号
二进制
循环码（格雷码）
北
N
0000
0000
北东北
NNE
0001
0001
东北
NE
0010
0011
东东北
ENE
0011
0010
东
E
0100
0110
东东南
ESE
0101
0111
东南
SE
0110
0101
南东南
SSE
0111
0100
南
S
1000
1100
南西南
SSW
1001
1101
西南
SW
1010
1111
西西南
WSW
1011
1110
西
W
1100
1010
西西北
WNW
1101
1011
西北
NW
1110
1001
北西北
NNW
1111
1000
2.3.2传感器特性要求
装置使用的是数字式传感器，能够直接将采集的非电量转换为能进行数据处理的数字量，不但可提高系统的稳定性和精确度，而且具有抗干扰力强，适宜远距离传输等优点，其特性特别能满足矿井风向检测的要求。
其主要特性参数要求如表2-2所示。
表2-2数字传感器主要特性参数
Table2-2digitalsensorsmaincharacteristicparameters
测量范围
起风风速
精确度
输出信号
工作电压
环境温度
环境湿度
十六方位
≤0.5m/s
±5%
电压信号
DC5V
－40～＋55°
0～100%RH
3风向采集传感器
风向测量已经广泛应用于气象监测、科学研究和工农业生产中，特别在煤矿生产中起着至关重要的作用。
根据设计要求，对目前经常使用的五种测风传感器进行了了解，它们分别有皮托管式、热式、机械式、超声波式和数字式，分析了各自的工作原理，并归纳了各传感器的特性，根据现场工作条件和设计参数要求选定合适的传感器。
3.1传感器的特点和选型
角编码器又称之为码盘，是一种旋转式的位置传感器，它的转轴与被测轴是连接的，跟随被检测轴一起转动。
它能将被检测轴在码盘的角位移转换成二进制码或一串脉冲。
角编码器有两种基本的类型：
绝对式编码器和增量式编码器。
本次研究对风向检测的精度要求不高，可采用四位二进制编码器，结合增量式编码器和绝对式编码器特点，本设计选用四位绝对式光电编码器作为风向传感器。
对于n位的二进制码盘，是有n圈码道，且圆周均分
个数据来分别表示其被测位置的不同，因此可推出其分辨角α和分辨率β[9]；
（3—1）
本设计选用的编码器分辨率为22.5°。
在实际应用中，对光电码盘和电刷的要求相当严格，不然就会产生一定的非单值性误差。
为了去除这种非线性值的误差，可使用循环码盘（格雷码盘）。
如图3-1-
（1）所示为一个四位得格雷码盘，与图3-1-
（2）所示的BCD码盘相比，格雷码盘旋转时，任意相邻两个数码之间只存在一位的变化，因此通过每次变化只换一位数，可把误差控制在最小单位内[10]。
（1）四位二进制码盘
（2）四位格雷码盘
图3-1光电式四位码盘
Figure3-1fourphotoelectricencoder
由于径向各码道的透光和不透光，使各光敏元件中，受光的输出“1”，不受光部分输出“0”，由此组成n位二进制码。
光电码盘的特征是不存在接触性磨损，码盘寿命比较长，其许可的转速较高。
就光电码盘质料而言，使用不锈钢薄板所制成的码盘要比玻璃码盘的抗振性能要好，且耐不洁腐蚀性能好。
本设计具体选用的风向传感器是依据EC9-1传感器做成4位风向传感器，其参数符合表2-2，它使用的四位格雷码盘。
该风向检测传感器的感应器件为前端带有辅助标板的单板式风向标。
当风标随风旋转时，通过其转轴带动码盘旋转，每转动22.5°时，位于码盘上下两侧的四组发光与接收光光电组件就会产生一组幅值为5V新的四位格雷码信号，该信号经过整形、倒相后串行输出。
VCC工作电压为5V，GND是连接地线的接头，DO是串行输出接口。
它采用二进制计数模式，读出来的不是风向，而是四位串行的格雷码，而且该装置配有防爆装置，其供电指标要求小于防爆装置规定电压（本安型），适用于化工，易燃，易爆环境中。
其原理图如图3-2所示。
图3-2EC9-1原理图
Figure3-2EC91schematicdiagram
3.2风向采集模块
风向的采集即为一个圆周内（0～360°）循环码确定的指向。
（1）由于光电编码器的四位格雷码具有唯一性，当风向短暂发生变化时，码盘的位置也随即发生变化，风向确定时，各光敏元件依据是否受光转换出相对应的四位电平信号，因此不予考虑正反风向；
（2）风向是一个三维空间矢量，风向标尾翼受的气压梯度力不均匀分布，即使风向与风向标尾翼的受力面平行，可能二者方向相反，但因为气压梯度力始终会使风向标尾翼方向趋于风的去向，最终二者方向一致。
因此不需要考虑风向与风向标的受力面平行的情况。
风向检测传感器内部结构图如图3-3所示。
3-3风向检测结构内部图
Figure3-6Winddirectiondetectionofinternalstructurediagram
风向标受力作用时会带动转轴转动，同时码盘随之转动，风向标稳定时，码盘所转角度一定，此刻角度的绝对值位置的四位光电耦合回路导通，采集的信号即为此刻所对应的循环码，然后通过NPN型集电极开路串行输出。
其中四位光电耦合回路如图3-4所示，放大整形部分设计在后面调理电路中研究。
图3-4四位光电耦合回路
Figure3-4fourphotoelectriccouplingcircuit
如上图所示，左侧为四个发光二极管，右侧为四个光敏三极管，光敏受光时输出电位“1”，不受光时输出电位“0”，其虚影部分为不透光区，空白地区为透光区，可读出输出的四位电平为“0101”，其串行输出波形如图3-5所示。
图3-5串行输出“0101”波形图
Figure3-5serialoutputwaveformfigureof0101
在某一特定的角度方位内，四个光电耦合回路输出指定的四位格雷码，输出的该信号为风向的去向循环码，由表3-1可知再经过信号幅值变换、倒相整形为风的来向循环码。
又由表2-1所知，当前来向循环码经过单片机转换为二进制码，并经过数据处理，通过当前位置的二进制判断风向。
角度范围、来向和去向循环码对应表如表3-1所示。
表3-1角度范围、来向和去向循环码对照表
Table3-1thewindrangeandtocycliccodecorrespondingtothetable
（来向）循环码
（去向）循环码
中心角度
角度范围
1111
0000
0.0°
348.76°～11.25°
1110
0001
22.5°
11.26°～33.75°
1100
0011
45°
33.76°～56.25°
1101
0010
67.5°
56.26°～78.75°
1001
0110
90°
78.76°～101.25°
1000
0111
112.5°
101.26°～123.75°
1010
0101
135°
123.76°～146.25°
1011
0100
157.5°
146.26°～168.75°
0011
1100
180°
168.76°～191.25°
0010
1101
202.5°
191.26°～213.75°
0000
1111
225°
213.76°～236.25°
0001
1110
247.5°
236.26°～258.75°
0101
1010
270°
258.76°～281.25°
0100
1011
292.5°
281.26°～303.75°
0110
1001
315°
303.76°～326.25°
0001
1000
337.5°
326.26～348.75°
4系统硬件设计
风向检测传感器的功用是实现信号的变换，而装置的硬件电路则主要用来完成信号的输入和输出操作，是各种功能设计的具体实现。
该装置使用模块化的设计理念，方便于装置的调试、移动和扩展。
根据装置的设计要求，本设计对硬件电路提出了针对如下功能的分步设计要求：
（1）为测试系统选定一款高性能、低功耗的控芯片，优越的片内外设能简化系统外围电路，另外丰富的接口便于系统功能扩展。
（2）能够对风向信号实施实时采集，风向信号转换为电压信号，则该检测装置需要设计符合控制芯片处理的信号调理电路，将采集信号转换为控制芯片能够处理的形式。
（3）系统使用MSP430文件系统进行管理，存储数据可以直接被上位机读取。
（4）LCD1602液晶显示模实现实时风向的显示，同时解决了上位机体积大、不利于移动的问题。
（5）设计串行通信接口，便于传感器与单片机的通信，同时，也实现单片机与上位机通信。
（6）设计键盘电路，用于人机交互。
（7）设计报警电路，用于不安全风向时的告警，实现矿井的安全通风。
4.1MSP430的介绍
MSP430系列的单片机是由美国的
升级会员 