单井筒煤炭产量监控系统的总体设计.docx
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单井筒煤炭产量监控系统的总体设计
毕业设计（论文）
单井筒煤炭产量监控系统的总体设计
单井筒煤炭产量监控系统的总体设计
摘要
煤炭行业目前在我国能源产业链中处于主导地位，是国民经济的支柱产业。
但由于煤炭产量的计量不准确，难以核准，使得政府相关监管部门（国税地税、安监煤监、国土资源、财政、环保等部门）无法掌握其真实的产量数据，加上煤炭采掘生产经营情况复杂、煤矿私营企业财务制度不健全以及煤矿私营业主普遍存在的纳税意识不强等因素，造成煤矿私营企业偷逃税款的现象十分普遍和严重。
为了进一步加强对煤矿税收的征收管理，研究并开发基于GPRS煤炭产量监控系统。
实时处理和反映各类生产数据，为政府管理部门提供了科学的计税计费依据，为国家避免财税收入流失提供了坚实的保障，从而在根本上优化和提升了政府对煤炭行业的监管效能。
论文首先介绍了基于GPRS网络的远程煤矿产量监控系统的设计，结合原理图说明了各功能部件的实现方法。
分析了终端和计算机中心的各种连接方式的优缺点，确定了GPRS的组网方式及实现方法。
阐述了上位机的软件设计，给出了各任务模块的流程图。
介绍了系统远程客户端的结构、功能和系统使用界面。
关键字：
动态称重，GPRS，μC/OS-II
Single-shaftcoalproductionmonitoringandcontrolsystemdesign
Author:
WangChenyu
Tutor:
WangFengwen
Abstract
Atpresent,thecoalindustrychaininChina'senergyindustryinadominantposition,thepillarindustryofnationaleconomy.However,duetocoalproductionisnotanaccuratemeasurement,itisdifficulttoapprove,thegovernmentregulatoryauthorities（nationaltaxsupervisorsafetysupervisionofcoal,landandnaturalresources,finance,environmentalprotectionandotherdepartments）cannotgrasptherealoutputdata,togetherwiththeoperationofcoalminingproductionthecomplexityofprivatecoalmines,aswellasasoundfinancialsystemisnotminetheprevalenceofprivateownersdonothaveastrongawarenessofthetaxandotherfactors,resultingincoalminesoftheprivatesectorwithtaxevasioniswidespreadandsevere.Inordertofurtherstrengthenthemanagementofcoaltaxrevenuecollection,researchandthedevelopmentofcoal-basedGPRSmonitoringsystem.Reflectthevarioustypesofreal-timeprocessingandproductiondatamanagementfortheGovernmenttoprovideascientificbasisforthetaxbillingforthecountrytoavoidthelossofrevenuetoprovideasolidsecurity,inordertooptimizeandupgradetherootofgovernmentregulationontheperformanceofthecoalindustry.
FirstofallpapersbasedonGPRSnetworkremotemineproductionmonitoringandcontrolsystemdesign,combinedwiththeschematicdiagramshowstheimplementationfeatures.Analysisoftheterminalsandthecomputercenteroftheadvantagesanddisadvantagesofavarietyofconnections,settheGPRSandtheimplementationofnetworkingmode.PConthesoftwaredesign,givestheflowchartofthetaskmodules.Introducedasystemofremoteclient'sorganizationalstructure,functionsandsysteminterfaces.
KeyWords:
dynamicweighing,GPRS,μC/OS-II
1绪论……………………………………………………………………………...…1
1.1引言…………………………………………………………………………1
1.2煤矿产量监控的方法………………………………………………………1
1.3本文的研究内容……………………………………………………………2
2煤炭产量监控系统的总体设计…………………………………………………...4
2.1概要设计……………………………………………………………….…...4
2.1.2设计原则…………………………………………………………….4
2.1.3设计目标…………………………………………………………….4
2.2总体设计…………………………………………………………………..5
2.2.1系统主要任务结构………………………………………………….5
2.2.2系统总体结构……………………………………………………….5
3系统终端硬件设计…………………………………………………..…………….7
3.1系统终端的电路原理图……………………………………………………7
3.2控制器电路设计……………………………………………..……………..7
3.2.1控制器的选型…………………………………………..…………...7
3.2.2控制器电路设计………………………………………..…………...9
3.3数据采集模块电路设计………….…………………………………….…12
3.4数据传输模块电路设计…………………………………………………..13
3.3.1数据传输方式的选型……………………………………………...13
3.3.2传输模块的电路设计……………………………………………...17
4系统终端的软件设计…………………………………………………………….20
4.1系统终端的软件结构……………………………………………………..20
4.2系统终端的软件任务划分………………………………………………..20
4.3参数设定模块….………………………………………………………….22
4.4数据采集模块……………………………………………………………..23
4.5主控制器的软件设计……………………………………………………..24
4.6GPRS模块…………………………………………………………………29
5数据库及客户端应用程序设计………………………………………………….33
5.1数据库的设计……………………………………………………………..33
5.1.1数据库的选型……………………………………………………...33
5.1.2数据库设计………………………………………………………...34
5.2客户端应用程序设计……………………………………………………..39
5.2.1客户端应用程序选型……………………………………………...39
5.2.2客户端应用程序设计……………………………………………...41
6总结……………………………………………………………………………….45
6.1结论………………………………………………………………….…….45
参考文献………………………………………………………………………….…46
致谢……………………………………………………………………….……47
附录………………………………………………………………………….…48
1绪论
1.1引言
目前，远程监控系统技术已应用到国民经济的交通运输、工业自动化、环境保护、防灾减灾、安全保卫、市政基础设施等各个领域，这些领域的高新技术，对实现自动化和信息化起了关键和决定性作用。
特别是近几年,网络新时代的到来，更是给监控系统输入了新的血液，一些大的、操作环境恶劣的、无需人参与的行业都需要进行产业的升级,无不需要远程监控系统的参与。
而目前在国内，一些大型而传统的行业，尤其是煤炭行业，信息化建设非常落后。
一个省，一个地区的煤矿增多，并且个体经营较多，分布范围广，甚至有些地区比较偏僻，税务局对这些纳税户煤炭产量难以掌握，目前在我国基本上都是靠工作人员对这些小煤矿进行定期人工检查，无论盛夏酷暑还是冰雪天，工作人员都必须到现场进行检查和监控,工作强度大，并且由于受工作人员责任心和态度的影响，以及煤矿主人有时和工作人员串通实行作弊情况，检查的准确性和有效性受到了很大的影响。
因此，税负是煤矿税收管理的难点和热点。
为了进一步加强对小煤矿税收的征收管理，研究基于GPRS煤炭产量监控系统。
通过无线GPRS发送产量数据至税务机关煤矿监控中心，实现对煤矿产量的完全监控,达到源头控制的目的。
系统具有智能化、集成化、数据采集原始化、无人职守等四个特点。
1.2煤矿产量监控的方法
起初，在绝大部分地区，国税局一般依据煤矿的火工器材推算原煤产量。
税务工作人员对所有大中小煤矿中炸药雷管的使用数量及原煤产量进行登记，并对煤矿的火工用量和原煤产量按月登记造册，以求比较准确地掌握煤矿的原煤产量。
但这其中存在很多问题，煤矿分布不均匀，每个煤矿都需要工作人员亲自去登记煤矿的炸药雷管的使用数量及原煤产量，工作强度太大，而且还有工作人员与纳税矿主串通作弊的情况发生，检查的准确和有效性都受到很大影响。
另一种比较广泛应用的产量监测方法是以电计产。
国税局早在2006年，就通过实地测算，准确掌握了行业耗用电量数、生产经营规模等监控指标，并制定了《行业税收管理办法》，对煤炭矿业实行按账核实征收和以电耗计产计双向控管，每月按其实际耗电量推算产量，对吨耗电量未超过测算标准的20%的，按账核实计算；对连续三个月耗电超过标准20%的企业，责令填报《行业吨耗电超标核准申请表》。
管理部门接到该表后，三日内派专人实地核查，要求纳税人提供忠实可信的资料核实，并将核查结果填制《行业吨耗电超标核实实地考察核准报告表》。
耗电超标属于正常情况的，经税务局正式确认后，准予企业按实际吨耗计算，否则按实际耗电量计算产量，按市场价格推算销售额计算纳税。
这种以电量计算产量，相对于以火工器材计算产量比较真实，更能接近矿井的实际产量。
但是煤炭矿井的日常用电，矿井偷接电线的情况经常发生，逃税的很严重。
而且需要与电业公司建立专门的信息传递制度，过程比较繁琐。
而且关于耗电超标审批申请表的审批需要相当长的时间，又需要派专人实地考察，过程繁琐，需要长时间的审批。
比较科学的方法是根据工作面回采进尺推算原煤产量。
税务局采取与煤管局专业技术人员配合协作的办法，深入井下实际测量或依据煤矿的设计生产能力，对照原煤储藏图和掘进图纸，根据煤井的回采进尺、工作面长度、纯煤厚度、煤层宽度等，测算原煤产量。
这样虽然提高了推算煤炭产量的准确性，同样需要工作人员配合技术人员深入各大矿区、矿井，进行实地考察，确定各个矿井的产量。
这样浪费大量人力、物力，工作强度太大，不适合长期实行。
1.3本文的研究内容
本文主要提出一种无线煤炭产量监测系统的总体设计。
在煤矿的出煤口安装专门的电子称重设备,当进出矿井的矿车通过称重组件时,称重组件可以实时监测出通过矿车的重量,这些数据通过终端设备进行分析计算,这些数据经过本地存储以后,通过无线GPRS发送至税务机关煤矿监控中心,实现对煤矿产量的完全监控,达到源头控制的目的。
系统具有智能化、集通过无线GPRS将产量等数据信息发送至煤矿监控数据中心服务器，实现对煤矿产量的完全监控。
全文共分为6章，结构如下:
第一章：
介绍课题来源，以及论文的研究背景、主要研究工作和内容组织。
介绍煤矿产量监控系统研究的必要性。
第二章：
提出一种基于无线网络的煤矿产量监测系统，跟据已确定的设计目标，确定系统的总体结构。
第三章：
进行煤矿产量监控系统终端（下位机）的硬件设计。
详细介绍煤矿产量系统终端各模块功能。
第四章：
介绍煤炭产量监控系统终端的软件设计，介绍胸痛终端的软件结构、任务规划，及各模块的软件设计。
第五章：
介绍煤炭产量监控系统上位机的设计，对比介绍存储产量信息的数据库平台。
介绍上位机系统的结构、功能及系统界面的设计。
第六章：
总结全文的工作。
2
煤炭监控系统的总体设计
2.1概要设计
2.1.1设计原则
毕业设计的煤炭产量监控系统的总体设计，既要贴近现实，又要在能力范围之内，在设计的过程中我们必须遵循以下的原则：
1.实现煤炭产量监控系统应有的功能，比如说称重、数据传送、数据存储、统计、显示、查询、修改等。
对于网络状况、与移动运营商协商、数据库中心设备等不在考虑之内。
2.确保系统的稳定性和可靠性。
真正的煤炭产量监控系统是一个实时性很强的监控系统，系统的质量不仅影响到煤炭资源的利用和税务机关的税务收入，而且与矿井的直接切身利益相关，有着巨大的社会效益。
3.采用集中式数据库。
按照中国现在的煤炭产业的实际情况，本应该采取集中式和分散式相结合的分布式数据库，考虑到我们现在的实际情况，只能实现集中式数据库的系统。
4、不考虑物理网络。
设计系统时，假定所有的网络是连通的，对于采用何种协议、IP地址的划分、各地网络的架设，不在我们本次毕业设计考虑之内。
2.1.2设计目标
煤炭产量监控系统的最终目标是建立一个煤炭产量监控网络，实现煤炭管理和税务征收现代化，从而方便税务机关，提高税务机关管理水平。
最终要达到以下几个目标：
1、实现终端监控煤炭产量，以机器代替人工作业，以数据代替人为抄写。
2、终端系统集成化，不需要多种设备，设备简单，易于安装。
3、实现煤炭产量数据统计工作的计算机管理，逐步形成统一的煤炭产量信息源，实现信息共享。
4、加强煤炭产量信息管理与分析，提高煤炭资源利用率。
2.2总体设计
2.2.1系统主要任务分析
煤炭产量监控系统是一个综合的监控系统，除了数据采集、数据发送、数据存储外，它还包括与此有关的统计、查询等功能。
为了分析系统结构的需要，我们将系统主要功能分为以下几类：
1．系统终端。
它包括数据采集、数据处理、数据传输作业，这类作业主要是在矿井处完成，其特点是实时性和并发性强，对系统的时延要求特别高，从数据采集到数据发送要求在尽可能快的时间内完成。
2．数据存储。
接收系统终端的数据，进行相关的处理、分类、整理、保存。
转化成可读取的数据信息。
3．数据查询。
管理员直接在软件的界面层可以进行查询操作，提供各种信息服务。
2.2.2系统总体结构
煤炭产量监控系统的总体结构，取决于系统的数据处理，数据传输的流程，系统所需完成的功能以及网络的传输能力等很多因素。
它的结构图如下：
图2-1系统总体结构图
下位机（系统终端）主要完成数据采集计算和数据传输等功能，上位机（计算机）完成数学建模、重量数据显示和管理等数据处理功能，最后由客户端应用程序读取数据库存储内容，达到产量监控的目的。
下位机包括传感器模拟信号放大、A/D转化、数据采集及通信部分。
这部分的主要工作是将毫伏级的模拟信号放大，完成A/D转换，对系统进行各种数字补偿。
然后是数据通信部分，重量信号通过处理输出至GPRS无线传输模块，模块再将数据发送至移动通信网络。
通过移动通信网络上传至数据中心服务器，由数据中心服务器存储。
最后通过内网或者公网连接数据库，使用数据访问系统对产量数据进行查看、处理。
3
系统终端硬件设计
本章详细阐述了系统终端的硬件设计。
硬件设计包括主控制器、核心部件电路和GPRS模块接口电路。
3.1系统终端的电路原理图
图3-1系统终端电路原理图
3.2控制器电路设计
3.2.1控制器的选型
数字控制器的选择是系统整体方案确定的一个重要环节，它直接影响到控制系统的性能。
能满足使用功能要求的主控制器的选择范围有中低档单片机、工控机和ARM嵌入式微处理器，这三种形式各有优缺点。
（1）工控机
工控机相对于单片机来说功能灵活，结构复杂，具有很强的控制功能。
工控机编程容易、接口简单，可以采用高级语言编程，设计友好的工作界面、利用计算机强大的计算功能，编制复杂的软件;另外，其接口都是标准接口，易于与各系统之间进行通讯与连接。
工业控制有强大的计算、管理及通讯功能，适宜于高性能进行机群调度和管理适合形成网络控制系统的上位机。
其结构复杂，功耗多、价格较高。
（2）单片机
在目前的应用研究中，较易实现数字控制的方案是使用单片机来实现其功能，尤其是新型的16位单片机具有A/D,PWM,EEPROM、比较输出、捕捉输入、SPI接口、异步串行通讯接口、FLASH程序存储器等功能。
单片机成本低，易开发，虽然单片机价格不断下降，但其技术含量却不断提高。
另外，单片机的应用己相当广泛，有许多可以借鉴的成功应用范例与大量的公用程序。
尺寸小，结构易布置，为系统的面板设计带来方便，面板形状与大小都可以在一定程度上随意设计。
对于一些比较复杂的控制，其计算量往往很大，这样，计算速度将直接影响控制精度，8位或16位单片机往往很难满足要求，一般用于下位机和小型控制。
而且，使用单片机组成控制系统计要面临硬件设计上的麻烦，由于单片机系统属于弱电系统，比较容易受到强电、磁场、电脉冲的影响，甚至也容易受恶劣工作环境的影响，必须采取有效的抗干扰措施。
（3）ARM嵌入式微处理器
ARM（AdvancedRISCMachines）公司是全球领先的16/32位RISC微处理器知识产权设计供应商。
其处理器主要有以下几个特点:
小体积、低功耗、低成本而高性能（66MHz）;16/32位双指令集，16位指令集保证处理器的指令运行速度，32位指令保证处理器处理数据的精度。
ARM目前主要有五个系列的产品，其中ARM7是低功耗的32位内核，最适合于对价位和功耗都比较敏感的产品，它们又分为应用于实时环境的ARM7TDMI,ARM7TDM-S以及适用于开发平台的ARM720T和适用于DSP运算及支持Java的ARM7EJ。
ARM7TDMI使用指令流水线以提高处理器指令的流动速度，流水线允许几个操作同时进行，以及处理和存储系统连续操作。
同时它具有嵌入式ICE-RT逻辑，它为ARM7TDMI内核提供了集成的在线调试支持，这就可以省去编程器，从而为系统的开发节约了成本。
设计控制系统，选择合适的芯片至关重要。
一般说来，选择芯片时应考虑以几
个因素：
●运算速度。
主要的性能指标包括指令周期、MAC时间、FFT执行时间、MIPS等;
●芯片的价格;
●芯片的硬件资源;
●运算精度;
●软件开发工具;
●芯片的功耗等;
●系统开发的可延续性。
综合以上因素，考虑到本控制系统的特点及要求，选择Philip公司的ARM7TDMI内核的嵌入式处理器LPC2214作为控制器的核心处理器。
3.2.2控制器的电路设计
1.LPC2214ARM微控制器
LPC2214是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位ARM7TDMI-SCPU的微控制器，并带有256K嵌入的高速片内Flash存储器。
片内128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟频率下运行。
对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%,而性能的损失却很小。
由于LPC2214的144脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC,PWM输出以及多达9个外部中断使它特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和高精度测量系统。
通过配置总线，LPC2214最多可提供76个GPIO。
由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软modem以及其它各种类型的应用。
LPC2214特性如下:
●16/32位144脚ARM7TDMI-S微控制器。
●16K字节片内静态RAM.
●256K字节片内Flash程序存储器，在工作温度范围内，片内Flash存储器至少可擦除和写入10,000次。
128位宽度接口、加速器实现高达60MHz操作频率。
●串行boot装载程序实现在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）。
Flash编程时间为1ms可编程512字节，扇区擦除或整片擦除只需400ms。
●通过外部存储器接口，可将存储器配置成4组，每组的容量高达16Mb,数据宽度为8/16/32位。
●EmbeddedlCE-RT接口使能断点和观察点。
当前台任务使用片内realMonitor软件调试时，中断服务程序可继续执行。
●嵌入式跟踪宏单元ETM支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。
●8路10位A/D转换器，转换时间低至2.44ms。
●2个32位定时器（带4路捕获和4路比较通道）、PWM单元（（6路输出）、实时钟和看门狗。
●多个串行接口，包括2个16C550工业标准DART、高速I2C接口（400kbps2个SPI接口。
以上为对LPC2114的特性的一些简要说明，鉴于已有大量资料上刊载对LPC2114处理器及ARM7TDMI-S处理核的详细说明和使用方法，因此本文不在此述。
2.并行SRAM
本控制器采用IS61LU25616AL作为芯片片外并行扩展的SRAM器件，其存储容量为512KB，具有16位数据宽度，极高的读写速度。
在本系统中，SRAM用来做变量/数据缓冲，或者将程序复制到SRAM上运行，以提高系统的性能。
3.电源设计
电源系统为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础，具有极其重要的地位，但却往往被忽略。
如果电源系统处理好的话，那么整个系统的故障往往减少了一大半。
设计电源系统的过程实质是一个权衡的过程，必须考虑如下因素:
输出的电压、电流和功率;输入的电压、电流;安全因素;输出波纹;电磁兼容和电磁干扰;体积限制;功耗限制和成本限制。
本系统的电源设计如图3-2所示。
图3-2电源电路
LPC2214芯片有4组电源输入:
数字3.3V、数字1.8V、模拟3.3V和模拟1.8V
因此，理想情况下，电源系统需要提供4组独立的电源:
两组
升级会员 