煤矿井下冒顶压力检测系统.docx
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煤矿井下冒顶压力检测系统
煤矿井下冒顶压力检测系统
前言
我国是产煤大国，也是矿难大国。
中国煤炭产量占世界35%，但中国的矿难死亡人数，却占世界的80%。
据事故统计，因顶板意外冒落造成的人员伤亡，设备损害生产中止，是煤矿生产的主要灾害之一，占总事故率的30%到40%。
目前，我国煤矿生产主要靠井工开采。
在煤矿生产中，开据巷道打破了原来的压力平衡，导致巷道周边的岩石所受硬力重新分布变形开裂巷道上方的岩石被称为顶或者顶板水平巷道的破坏首先就在顶板上产生。
顶是指煤岩上方的岩石层，一般由下而上，又被分为围顶、直接顶和基本顶。
这三层顶都给采煤生产带来压力，如不支护，顶板就逐渐向下弯曲，出现裂缝冒落。
由于压力不断发生变化，冒顶就会经常发生，按照事故发生范围，冒顶可分为局部冒顶和大型冒顶，
冒顶是指采煤过程中顶板压垮支护或在没得到有效支护之前，意外塌落造成的灾害事故。
支护的作用就是防止围岩变形塌落，使井巷保持一定形状和尺寸，保证正常生产和安全。
冒顶发生在绝境工作迎头，一般是由于前探支护不及时或支护强度不够，不能有效抵御顶板压力造成的。
冒顶发生在失修巷道，是由于支护老化、折断，支撑能力减弱造成。
发生在采面，则是由于上方顶板破碎，临时支护不及时或互补材料不能完全护底。
大型冒顶形成原因更为复杂，大多是由于踩场上覆岩层在不断开采的影响下变形移动，产生矿山压力，或者是地质构造的改变，产生天然影响，致使顶板大面积运动造成。
当下沉压力超过临界点，就会发生大面积断裂或塌陷形成大型冒顶事故。
认清冒顶形成的原因了解事故发生的基本规律，最大限度的减轻冒顶事故造成的损失，减少人员的伤亡；保证工作面支架的密度，使其对顶板有足够的支护强度，能有效的控制住顶板；掌握工作面的周期来压规律，加强监测预测，及时预测工作面将要来压的时段，在整个来压过程中，对工作面加强支护。
1、实习目的
我们此次的实习从广义来说包括：
实践实习、课程实习等几个部分。
我这里主要谈的是毕业前的狭义的实践与课程实习，具体地说，就是学生学完在校规定的课程，并在学校进行一定的课程与实践结合的实习。
实习是为了对相关软件的了解和掌握并培养我们进行调查、研究、分析和解决工程实际问题的能力，一方面来巩固在书本上学到的理论知识，另一方面，可获得在书本上不易了解和不易学到的生产现场的实际知识，使我们在实践中得到提高和锻炼，为后继专业课的学习、课程设计和毕业设计打下坚实的基础。
实习是学校教学的重要补充部分，是区别于普通学校教育的一个显著特征，是教育教学体系中的一个不可缺少的重要组成部分和不可替代的重要环节。
它是与今后的职业生活最直接联系的，学生在生产实习过程中将完成学习到就业的过渡，因此生产实习是培养技能型人才，实现培养目标的主要途径。
它不仅是校内教学的延续，而且是校内教学的总结。
可以说，没有生产实习，就没有完整的教育。
学校要提高教育教学质量，在注重理论知识学习的前提下，首先要提高生产实习管理的质量。
通过此次实践实习，可以拓宽我们的知识面，增加感性认识，把所学知识条理化系统化，学到从书本学不到的专业知识，并获得本专业国内、外科技发展现状的最新信息，激发学生向实践学习和探索的积极性，为今后的学习和将从事的技术工作打下坚实的基础。
2、实习时间
2012、9、3——2012、9、16
3、实习地点
机电实训中心
4、实习单位
合肥求精电子有限公司
5、实习内容
5.1设计原理
单片机是整个设计的核心，由它发送采集数据指令给压力传感器，每隔一段时间压力传感器将采集到的数据反馈给单片机，单片机发出指令将数据通过485通信传输出来并对信号进行分析和处理，同时将数据在大数码管上显示出来，当煤矿井下检测出得冒顶压力超出安全范围，单片机将对报警器发出信号使报警器报警。
5.2系统框图
系统二控制端
485通信
主控（C52）
系统一采集端
主控（C52）
大数码管
压力传感器
报警器
外设
5.3系统模块介绍
1.主控C52单片机
单片机中央处理系统的方案设计，选用AT89C52单片机作为中央处理器，该单片机除了拥有MCS-51系列单片机的所有优点外，内部还具有8K的在系统可编程FLASH存储器，低功耗的空闲和掉电模式，极大的降低了电路的功耗，还包含了定时器、程序存储器、数据存储器等硬件，其硬件能符合整个控制系统的要求，不需要外接其他存储器芯片和定时器件，方便地构成一个最小系统。
整个系统结构紧凑，抗干扰能力强，性价比高。
STC89C52单片机引脚图
2.压力传感器
压力传感器是将压力转换为电信号输出的传感器，通常把压力测量仪表中的电测式仪表。
压力传感器一般由弹性敏感元件和位移敏感元件（或应变计）组成。
弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由位移敏感元件或应变计转换为与压力成一定关系的电信号。
。
某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。
而压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。
实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。
3.HX711芯片
HX711是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片。
与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。
降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。
该芯片与后端MCU芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚
驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。
输入选择开关可任意选取通道A或通道B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。
通道A的可编程增益为128或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。
通道B则为固定的64增益，用于系统参数检测。
芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源，系统板上无需另外的模拟电源。
芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件。
上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。
HX711芯片管脚图
4.MAX485芯片及485通信
采用单一电源+5V工作，额定电流为300μA，采用半双工通讯方式。
它完成将TTL电平转换为RS－485电平的功能。
MAX485芯片的结构和引脚都非常简单,内部含有一个驱动器和接收器。
RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可；/RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端,当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。
在与单片机连接时接线非常简单。
只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。
同时将A和B端之间加匹配电阻，一般可选100Ω的电阻。
6.485通信
通信方式有好多种，可分为有线通信和无线通信。
虽然无线通信比较方便，具有很好的移动性，但是稳定性较差，易受到干扰，一旦出现干扰，导致的结果就是矿难的发生，所以在这里我们采用485通信。
7.显示设备（大数码管）及MAX7219芯片
数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。
本次采用的数码管与普通数码管不同的是驱动不一样，采用12V电源供电。
而普通单片机供电电压为5V左右，所以必须要用继电器进行电源隔离。
用MAX7219芯片进行驱动显示。
MAX7219芯片用于动态扫描显示驱动，芯片内有可存储显示信息的8x8静态RAM、动态扫描电路以及段、位驱动器。
它与通用微处理器有3根串行线相连，最多可驱动8个共阴数码管或64个发光二极管。
采用MAX7219芯片实现LED数码显示，具有电路紧凑、可节省CPU的I／O接口、芯片功能强大、编程简单等优点，得到了广大电路设计者认可。
然而MAX7219的工作电压为5V，共阴极LED显示驱动，只适用于3.5V以下电压驱动的LED数码管，限制了其使用范围。
MAX7219芯片引脚图
7.蜂鸣器
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
由于自激蜂鸣器采用直流电压驱动的，不需要利用交流信号进行驱动，只需对驱动口输出驱动电平并通过三极管放大驱动电流就能使蜂鸣器发出声音，很简单，这里就不对自激蜂鸣器进行说明了。
这里只对必须用1/2duty的方波信号进行驱动的他激蜂鸣器进行说明。
单片机驱动他激蜂鸣器的方式有两种：
一种是PWM输出口直接驱动，另一种是利用I/O定时翻转电平产生驱动波形对蜂鸣器进行驱动。
PWM输出口直接驱动是利用PWM输出口本身可以输出一定的方波来直接驱动蜂鸣器。
5.4设计步骤
1.用单片机设计出一个主控模块进行对信号的接收、分析及计数处理、发出指令。
2.设计一个采集模块利用压力传感器采集井下顶柱压力状况。
3.设计一个通信系统把从井下采集的顶柱压力传输处理。
4.设计一个控制模块把采集检测到的压力在大数码管上显示出来。
5.设计一个报警模块对检测到的压力进行判断是否超过安全范围并及时报警。
5.5系统原理图
A.系统一由STC89C52单片机最小系统、MAX232串行通信、MAX485的485通信、压力传感器的驱动电路、电源模块组成。
1.单片机最小系统电路主要包括供电电路、复位电路、晶振电路、MAX232电频转换电路和STC89C52单片机电路组成，如图：
2.MAX232串行通信由MAX232芯片、CON3、CON4组成。
3.485通信由MAX485芯片及发光二极管、CON2、电阻、电容组成。
4.电源模块由电源、开关、发光二极管及CON2、1K电阻组成。
5.压力传感器驱动器由CON4组成。
B.系统二由STC89C52单片机最小系统、MAX232串行通信、MAX485的485通信、数码管的驱动电路、报警控制系统及电源模块组成，其中单片机最小系统、MAX232串行通信、MAX485的485通信是相同的。
1.数码管驱动电路由CON6组成。
2.报警控制系统由PNP三极管、继电器、CON2、及电阻组成。
3.电源模块由电源、二个开关、二个LED发光二极管、二个CON2及一个1K电阻和一个2K电阻、0K电阻组成。
C.压力传感器原理图由HX711芯片、LED发光二极管、CON2、CON4、CON6及电阻、电容组成。
5.6系统C程序代码
HX711芯片的代码
HX711.h
#include
sbitADD0=P2^1;
sbitADSK=P2^2;
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=count^0x800000;
ADSK=0;
weight=（count-8476480）/117.1;
if（weight>1000）weight=weight-1;
if（weight<=0）weight=0;
returnweight;
延时子程序
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系统测试、数据分析及结果
在PC上位机上用KEILｕVISION3软件建立测试工程，用C语言编写程序，通过相应的一定设置，编译生成.HEX文件，再通过正确的COM口和STC-ISP软件将.HEX文件烧录到系统中；对应正确的原理图与C程序编写情况，将各个插线插好，并仔细检查，再通电。
测试初始，发现程序没问题，却不显示。
经过检查发现单片机插针弯曲，有几个引脚没有正确插入插槽，纠正之后仍然不显示，检查发现焊接时不小心将其中的两个输入线路连接在一起造成了短路，经过相应的处理终于可以正确显示出来。
6．实习总结
经过两个星期的奋战以及在指导老师的帮助下，我进行了相应基础与原理的学习、设计方案与元器件选择、系统各个模块的框架设计、电路Protel绘图、PCB布线排版、刻板、焊接与硬件测试、程序编写与烧录、模拟测试，最终将此设计完成。
此次实习一方面来巩固在书本上学到的理论知识，另一方面，可获得在书本上不易了解和不易学到的生产现场的实际知识，使我在实践中得到提高和锻炼并培养学生进行调查、研究、分析和解决工程实际问题的能力，为后继相关专业的学习、课程设计和毕业设计打下坚实的基础。
通过此次实习，拓宽我的知识面，增加感性认识，把所学知识条理化系统化，学到从书本学不到的专业知识，激发我们向实践学习和探索的积极性，为今后的学习和将从事的技术工作打下坚实的基础。
虽然此次实习时间很短，但在指导老师耐心教导下，给我的启迪很大。
这次的实习对我的人生有很大意义，让我养成了认真思考、仔细探索的学习习惯，
并在实践中得到提高和锻炼。
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