本科毕业设计锚杆检测应力仪.docx

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本科毕业设计锚杆检测应力仪

摘要

针对现阶段使用的基于八位或十六位单片机设计的锚杆检测应力仪在数据处理、人机交互和智能化等功能上存在的不足，在对电阻应力仪测量原理的了解和嵌入式技术的掌握的基础上，本文进行了基于嵌入式技术的锚杆检测应力仪的设计。

从锚杆检测应力仪功能需求出发，确定了系统的总体方案。

其中主要包括系统硬件构架设计、uClinux设计平台的构建和功能模块的实现三方面内容。

在硬件设计方面重点讨论嵌入式系统的设计，包括以LPC2210微处理器为核心的最小扩展系统的设计和系统功能电路的设计两个方面，其中详细阐述了采用高精度AD器件进行数据采集的方法，并在设计中利用FIFO实现AD数据缓存从而提高处理器效率；在开发平台构建方面，介绍了系统引导程序的实现，给出了uClinux和文件系统的移植步骤，且着重分析了移植uClinux内核的修改，为进一步的应用开发作铺垫；在功能模块的设计方面，结合底层硬件特性，实现了相关接口的驱动程序，并从设备需要的具体功能出发，利用QT/Embedded设计了数据采集模块、数据存储模块、人机交互模块和数据处理模块等。

使设备具有良好的人机交互界面，并能够对数据进行实时的显示和处理，是设计的重点和难点。

关键词：

锚杆检测应力仪；LPC2210；uClinux；人机交互；数据处理

Abstract

Themostofblotdetectorusedinmineroadwayarebasedon8-bitor16-bitMCUatpresent,becauseoftherestrictionofnormalMCU,thiskindofboltdetectorexistsmanydeficienciesinsomeaspects,suchasdataprocessing,man-machineinteractionandintelligencefunction.Basedontheunderstandingoftheresistancestraingauge'smeasureprincipleandthemasteringofEmbeddedTechnology,thearticleproposestheresearchanddesignofboltdetectorbasedonembeddedsystem.Consideringthefunctiondemand,thewholeschemeofthesystemwasascertained.Thekeypointsofthisdissertationcanbedividedintothreeparts,thedesignandimplementationofhardwarearchitecture,constructionoftheuClinuxdesignplatformandimplementationofapplicationmodules.

Hardwarefocusedonthedesignofembeddedsystems.Onthedesignofhardware,thepaperdiscussestwoaspects,thedesignofasmallestexpandercircuitsandsystemfunctionalcircuitsbasedonLPC2210.TheimplementationofFIFOtointerfacehighprecisionADconverterwitharmLPC2210whichcanimprovetheefficiencyoftheprocessorisdescribedindetail.Onthedevelopmentplatformconstruction,thepaperintroducestherealizationofBootLoader,transplantprocessofuClinuxandfilesystem.ItemphaticallyanalysesthemodificationoftransplantcoreofuClinuxthatpavethewayforfurtherresearch.Onthedesignofapplicationmodule,combiningwithhardwarefeatures,thepaperrealizedtherelevantinterfacedriver.Accordingtoconcretefunctionsofboltdetector,thedataacquisitionmodule,datastoragemodule,man-machineinteractionmodule,dataprocessingmodulearedesignedbyQT/Embedded.Theyarethekeypointsofthedesign.

Keywords:

Boltdetector;LPC2210;uClinux;man-machineinteraction;dataprocessing

TableofContents

1绪论

1Introduction

1.1引言（Introduction）

保障矿井的安全性对煤矿生产有着重要的作用，但是在巷道开掘后，原来处于平衡状态的围岩应力受到破坏而产生应力集中并重新分布[1]。

巷道围岩应力由原来的三向应力状态变为两向或单向应力状态，围岩出现破坏区和塑性区，此时若巷道未得到有效、及时的支护，则巷道的破坏区和塑性区会愈来愈大，巷道围岩不可能处于稳定状态[2]。

在这种情况下可采用锚杆支护技术。

它是一种结构简单的主动支护，它能最大限度地保持矿井围岩的完整性、稳定性，能有效地控制围岩变形、位移和裂缝的发展，充分发挥围岩自身的支撑作用，把围岩从荷载变为承载体，变被动支护为主动支护，从而能有效防止巷道围岩的内聚力、内摩擦角的大幅度降低，阻止巷道围岩塑性区的扩大，大大降低围岩的变形量，使巷道处于稳定状态[3]。

由于锚杆技术具有运输施工方便、效率高，有利于加快施工进度，施工成本低、支护效果好、施工噪音小等优点，在实践中被证明是一种行之有效的锚固支护技术，目前被广泛应用于矿山井巷[4][5]。

因此在“九五”期间，锚杆支护已被确定为我国煤矿巷道支护技术发展方向。

据1994年统计，我国有重点煤矿年掘进5230公里。

其中岩巷半煤岩巷锚杆支护总进尺1130公里，煤巷2540公里。

煤巷中约有2/3巷道可以用锚杆。

然而，在锚杆支护作为永久支护的无数工程中，他们使用寿命究竟有多长?

随着锚杆支护强度、锚固力变弱，其周边附近围岩应力重新分布和时间的延长，巷道围岩的破坏与变形由表面逐步向巷道深部扩展。

由于回采巷道围岩的蠕变作用，巷道围岩内部的破坏和塑性范围会逐渐加大，该范围内的围岩强度大大降低（低围压或零围压状态），从而使巷道处于不稳定状态。

由于锚杆支护巷道顶板冒落是一个由渐变到突变的过程，一般单凭人们的直觉是难以发现的。

重大工程结构中埋设的锚杆如果存在的内部缺陷，往往具有很大的危险性，会使整座建筑物倒塌，造成巨大的损失[6]。

比如在2005年11月,南漳县东巩镇罗家湾煤矿1号矿井,因顶板冒落，导致两名工人死亡，一人受伤；2007年3月，山西乡宁县西坡镇硬家沟煤矿二口，突发顶板的冒落事故，三人被困井下。

这些正是由于未能及时有效的检测到锚固的失效而导致的灾难性后果。

因此，国家计委就将《锚杆锚固状态与锚固力检测方法和仪器的研究》作为国家重点科技攻关项目。

锚杆监测的意义在于：

1.监控锚杆支护的施工质量，及时发现施工隐患，随时观测巷道围岩活动情况，一旦发现异常，可及时采取措施，确保施工安全生产；

2.锚杆支护是一项隐蔽性工程。

锚杆支护实施于井下后，要对巷道围岩变形量、锚杆受力大小等数据进行技术统计，以获得支护体和围岩的位移和应力信息，从而判断锚杆支护初始设计的合理性和可靠性，以及巷道围岩的稳定程度和安全性，还可做到根据技术统计信息修改初始设计，使锚杆支护参数更趋合理[7]；

3.掌握巷道围岩动态及其规律性，为锚杆支护进行日常的动态化管理提供科学依据；同时施工量测的结果，可以应用到其他类似的巷道中，作为设计和施工的依据。

综上，在锚杆支护的锚固工程中，避免结构发生事故，延长结构的使用寿命，提高结构的可靠性、安全性，对锚杆锚固质量的检测研究成为一项十分必要和迫切的任务。

1.2锚杆检测应力仪发展现状及问题的提出（PresentSituationandDeficiencyofBoltdetector）

随着高强度锚杆支护技术的快速发展与全面推广应用，对锚杆支护的监控和检测设备也随之发展起来。

锚杆拉拔计作为一种比较传统的锚杆检测应力仪由于在实际使用时会破坏支护锚杆，以及抽检的样本数十分有限，检测面小难免会偏概全，逐渐被无损的检测方法所替代。

其中基于电阻应变片的无损锚杆检测应力仪因具有灵敏度高、频率响应快、体积小和可在恶劣环境下工作等优点，已经广泛的应用到锚杆检测中来。

电阻应力仪是把结构或弹性体的应变转换为电阻变化而进行测量的，应用到井下锚杆检测时电阻变化是非常小的，因此，必须在电路加以放大后才能测量，专门用于测量锚杆应变的仪器设置，被称为电阻应变锚杆检测应力仪。

从电阻应变锚杆检测应力仪的目的来看，过去和现在并没有什么变化，但是其功能、从应变信号的传递、测量、数据存储和数据处理等方面，则发生了很大的变化。

Ø模拟式锚杆检测应力仪

锚杆检测应力仪最初是手动式零位的模拟测量仪器，手动切换、人工读数和记录。

有关应力仪的设计在文献中出现比较早的是于1957年在《同济学报》上由胡雨人发表的《电阻应变仪》的文章，那时的电阻应力仪由应变片、电桥和放大器组成。

其中放大器是由三极管，三级放大，电阻耦合构成，放大器的下限较小且容易饱和，需要通过外接电流计的读数来反映应变并手工记录[8]。

那时的应力仪体积笨重，设备不稳定，并且只能进行单点测量，不能够实际的应用到锚杆测量中去。

随着研究的深入，应力仪加配了预调平衡箱，从而实现了多点测量，能够在实际中使用，但是还需要逐点手动切换接入应力仪进行测量，人工记录下测量的应变值，再进行人工计算该应变值对应的应力，这类仪器常用的有YJD-1型和YJ-5型[9]。

该阶段的应力仪速度较慢，工作效率也低。

随着电子技术的发展，电阻应力仪开始向着数字化、自动化发展。

Ø初期数字式锚杆检测应力仪

到七十年代，随着数字仪表的出现，同时也出现了各种数字电阻应力仪。

通过增加A/D模块实现直接用数字显示应变值，其结果可用打印机记录、数字显示，比人工读数和记录更便捷，大大提高了效率。

一般一台设备可作多点应变测量，相应增加了自动模点和自动平衡装置。

例如，华东电子仪器厂的YJS-14型静态数字应力仪，测量桥路信号通过转换器切换后，送到YJS-14应力仪，应力仪对信号进行放大，再通过双积分型A-D转换器转换为8421码数字，再通过外配的数字打字机打印记录，或者外接PZ-5直流数字电压表进行数字显示[10]。

Ø广泛使用的数字式锚杆检测应力仪

九十年代后随着计算机技术的快速发展，人们开始借助计算机的强大功能对应力仪采集的数据进行处理和分析。

于是电阻应力仪与计算机的接口设计成为了重点，在《IBM-PC/XT与YJ-16静态电阻应变的接口设计》文章中，提出了将应力仪的输出信号经过电平转换后，送给总线驱动，通过IBM-PC/XT计算机运行的程序对采集的数据进行保存和处理[11]。

随着单片机技术的发展，使得便携式的电阻应力仪开始出现，在《单片机控制的高精密静态数字电阻应变仪》文章中，设计了一个基于单片机的电阻应力仪，较之以前的设备，其采用直流电桥、低漂移高精度放大器、A/D转换器及单片微机控制技术,具有4.5位数字显示精度。

但是该设计只能对锚杆的数据进行采集和显示，需要操作人员凭经验判断锚杆的状态，所以实用性不强[12]。

于是在此基础上，应力仪被改进成带有与计算机通信接口的便携式设备。

例如在2007年发表的《矿用便携式锚杆测力仪的研制》文章中，提出采用先进的TI公司的超低功耗MSP430FLASH型单片机为核心，组成了一个集数据采集、存储、显示和通信功能为一体的锚杆检测应力仪。

该设备具有12位的A/D精度，能够将采集的数据进行显示和存储，并通过RS232接口可将保存的数据送入计算机中进行数据的处理[13]。

基于以上思想实现的锚杆检测应力仪已经成熟的使用在井下锚杆检测中。

但是，仍然存在以下问题：

1.这类应力仪必须借助计算机才能完成数据的处理和分析，这样就需要操作人员将锚杆检测应力仪从井下带到井上再通过计算机进行处理，不能直观和实时的显示锚杆的实际情况。

2.只能显示采样的数值，不具备良好的人机交互界面。

3.只能根据预先程序设定参数对锚杆进行采样和分析，无法根据不同矿的实际情况对参数进行实地设置。

1.3课题研究的目的与意义（PurposeandSignificanceofResearch）

由上文对应变式锚杆检测应力仪的发展可看出此设备已经完成由手动式仪表向基于八位或十六位单片机为基础设计的数字化仪表的转换，但由于常规单片机资源的限制，还存在诸如上文所述的不足，所以本项目拟采用嵌入式技术，利用32位ARM处理器丰富的可配置硬件资源及强大的数据处理能力设计出一种便携式智能型锚杆检测应力仪，除了完成常规的功能，还具有良好的人机交互界面，能够根据具体的矿井锚杆情况设定参数的，从而真正的实现可独立进行锚杆实时检测、存储、分析、显示的智能型锚杆检测设备，能够在一定程度上提高锚杆支护的安全性。

1.4本文的工作（WorkofPaper）

本文的工作是根据电阻应变原理，采用嵌入式技术设计一种便携智能型的锚杆测力仪。

设计主要包括硬件设计和软件设计两个部分：

硬件部分主要包括：

根据功能需要和成本控制对嵌入式处理器进行选型；处理器外围电路的基本配置；A/D转换模块；LCD显示模块；触摸屏模块；USB存储模块等。

软件部分主要包括：

选择适合的嵌入式操作系统平台；根据功能需要对BootLoader、内核和文件系统进行剪裁和移植；针对相应的硬件和所需要的功能编写驱动程序，利用图形用户接口完成对人机交互界面的设计，并实现对锚杆检测的数据进行处理和显示。

1.5论文结构（StructureofPaper）

本文的组织结构如下：

第二章，主要对应变式锚杆检测应力仪的原理进行简要的阐述；

第三章，根据锚杆检测应力仪的原理和要实现的功能确定系统的总体结构设计，其中包括嵌入式处理器硬件的选择、嵌入式操作系统的选择等内容；

第四章，详细介绍锚杆测力仪的硬件设计，包括最小扩展系统的电路设计和系统功能电路的设计两个部分；

第五章，详细介绍锚杆测力仪的软件设计，包括软件设计平台的构建；数据采集模块、数据存储模块、人机交互模块和数据处理模块等几大功能模块的驱动程序和应用程序的设计；

第六章，总结完成论文期间所做的工作和取得的成果，并讨论现有系统存在的不足和有待改善的方向。

2测力仪的测量原理

2MeasuringPrincipleofDynamometer

锚杆检测应力仪系统主要由三个部分组成：

1.应变片，它作为传感元件必不可少；2.测量电桥，它将输出的应变信号转换成电压；3.应力仪，对输出的电压信号进行调理、采集、存储和显示。

前面两个部分对与应力仪系统准确获取应力数据起着非常重要的作用。

2.1电阻应变片原理（TheoryofResistanceStrainGauge）

电阻应变片采用的是物理学原理：

金属导体的电阻与其长度成正比，当一定长度的电阻丝受力伸长，其电阻值将发生变化。

从而将被测试件的应变转换为电阻变化实现测量。

电阻应变片一般由敏感栅（即金属丝）、粘结剂、基底、引出线和覆盖层五部分组成，如图2-1所示。

应变片进行应变测量时，需要对应变片中的金属丝加上一定的电压[14]。

为了防止电流过大，产生发热和熔断等现象，要求金属丝有一定的长度，以获得较大的初始电阻值.但在测量构件的应变时，又要求尽可能缩短应变片的长度，以测得“一点”的真实应变。

因此，应变片中的金属丝一般做成如图1所示的栅状，称为敏感栅。

粘贴在构件上的应变片，其金属丝的电阻值随着构件的变形而发生变化的现象，称为电阻应变现象。

图2-1应变片结构

Figure2-1StructureofStrainGauges

应用到锚杆检测时，是使用可靠的粘贴技术将多个电阻应变片精确地分段粘结在锚杆的矩形面沟槽内，每片引出两条脚线联接至杆尾保护套内的集中插头上，并用环氧树脂灌封沟槽，如图2所示。

即可组成一个多点电阻应变式传感器。

锚杆作为弹性体，当其受到外力作用时，会产生弹性变形，形变量的大小与外力作用的大小成正比，这时金属丝随锚杆一起变形时，其电阻值也随之变化。

在一定范围内，应变片电阻的相对变化量

与试件的相对变化量即应变

成线性关系[15][16]，即有：

（2-1）

由于锚杆工作状况属静态长时间受力，应变量大，因此选用康铜材料的电阻应变片较为适宜。

粘贴好的电阻应变片，应涂以环氧树脂或氯丁橡胶，以防机械划伤，保证电阻应变片工作性能稳定可靠。

图2-2锚杆及应变片布置方式

Figure2-2ArrangementofRockBoltsandStrainGauges

2.2测量电桥原理（TheoryofMeasuringBridge）

通过应变片可以将锚杆的应变信号转换成电阻变化，但是由于

非常小，一般都是uV的级别。

所以需要适当的方法检测电阻微小变化。

为此，需把应变片接入特定电路，将应变片的电阻变化信号转换成电信号。

常用的电路有三种，即电位计、惠斯登电桥和双恒流源电路。

其中惠斯登电桥具有结构简单，精度较高等优点，是典型的测量电桥。

由于金属应变片感受物体表面应变，阻值变化而引起了电桥的不平衡，产生了差动信号。

根据测量电桥的电源性质的不同，主要可以分为直流电桥和交流电桥。

其中交流桥路和引线分布电容影响桥路平衡，增加了调平衡的困难。

另外，由于受调制频率的限制，不宜测量高频变化的信号。

而用直流供电，采用的放大器微直流放大器。

应用直流电桥的测量电路的分布电容不影响桥路的平衡，操作简单，可测量频率较高的信号，且对传感器至仪表的连接导线要求较低。

在90年代后，随着集成电路的发展，目前己有零漂小，稳定性好，精度高的直流放大器。

所以在本设计中采用直流电桥。

由于其直流放大器输入级阻抗很高，与桥臂阻抗相比，其负载阻抗可视为无穷大。

典型的电桥电路如图2-3所示[17]：

电桥各桥臂电阻分别为R1，R2，R3，R4；电桥A，C为输入端，接直流电源，输入电压为E，而D，B为输出端，输出电压为U0。

电桥的输出端一般接高阻抗的

图2-3惠斯登电桥

Figure2-3WheatstoneBridge

放大器，这样电桥输出电流很小，可以忽略不计，认为电桥输出对角是开路的。

现在推导输出端开路情况下电桥输出电压的表达式。

通过推理可得电桥输出电压U0为：

（2-2）

电桥各桥臂相应电阻增量分别为△R1、△R2、△R3、△R4，则直流电桥的输出电压U0+△U0为：

（2-3）

在测试前一般先将电桥调平衡，即U0＝0。

当被测锚杆形变时应变片感应应变，电阻值发生改变，使得电桥输出不再为零。

当U0＝0时整理得：

（2-4）

在设计中令R1＝R2和R3＝R4，则

（2-5）

设各应变片得灵敏系数均相等且为

，各应变片得应变量分别为

，则

（2-6）

（2-7）

从而可得到电桥输出电压与被测应变得关系：

（2-8）

在锚杆应力仪的实际设计中，测量电桥必须要考虑温度补偿的问题。

因为温度的变化对电桥的输出电压影响很大，严重时，每升温1oC，电阻应变片中可产生几十微应变。

显然，这是非被测（虚假）的应变，在必须设法排除[18]。

本设计中采用温度补偿片的方法来排除温度效应，如图3-1所示。

就是在测量桥中与测量桥臂相邻的桥臂上，接入一个与测量片完全一样的温度补偿片，将它粘贴在一块与被测构件材料相同但不受力的试件上。

将此试件和被测构件放在一起，使它们处于同一温度场中。

粘贴在被测构件上的应变片称为工作片。

在连接电桥时，使工作片与温度补偿片处于相邻的桥臂。

因为工作片和温度补偿片的温度始终相同，所以它们因温度变化所引起的电阻值的变化也相同，又因为它们处于电桥相邻的两臂，所以并不产生电桥的输出电压，从而使得温度效应的影响被消除。

3系统方案选型

3SelectionofSystemScheme

通过上一章的阐述应力信号经过传感器以及惠斯登电桥之后能够转化为电压信号。

该电压信号再经过调理电路后送入AD转换器件输出数字信号，送给微处理器进行显示、处理和保存。

基于这样一个基本功能来设计电路。

如图3-1所示：

图3-1系统总体结构

Figure3-1OverallStructureofSystem

根据锚杆应力检测仪的功能以及微处理器硬件系统的特点。

大概可以将其化分为几个部分：

1.信号采集模块：

应力经过传感器、调理电路后进行AD转换将数据送入微处器；

2.微处理器最小扩展系统：

任何处理器不能实现某个功能，必须添加适当的外围电路如存储器扩展、调试接口、时钟等电路；

3.功能模块：

主要是便携式存储模块和人机交互模块。

人机交互是智能仪器不可或缺的部分，其功能如何在某种程度上能说明仪器的性能，也是系统设计的重点，存储模块是将处理后的数据进行存储，方便历史数据的调用以及与PC机间数据的传输。

3.1系统方案的选型（SystemSchemeselection）

近年来，利用嵌入式系统进行产品设计已成为主流，由于它开发周期短并且软件移植性好，越来越被广泛的工程师应用。

根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”。

由此可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体。

嵌入式系统的精髓在于：

以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统[19]。

这个定义将操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中，简单的说就是系统的应用软件与系统的硬件一体化，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时性和多任务的系统。

将嵌入式技术应用到锚杆检测应力仪的设计中，能够根据具体的应用要求对软硬件进行裁减，从而满足系统要求的最小软硬件配置，因此可以发挥强大性能，使得测量仪将传感测量、数据处理与数据传输等功能集于一身，并能充分利用其功能优势，完成故障预报等以前无法处理的功能。

所以本设计采用嵌入式技术设计的锚杆检测应力仪功能更加强大且具有本质安全、便携式、功能全、功耗低等特点，比较于以往基于单片机等技术设计的指针式锚杆测力仪，该设计在数字化、自动化、智能化和多功能等方向得到发展，其有如下特点[20]：

1．系统内核小，专用性强

2．系统精简嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分