矿井平峒边坡稳定检测系统

《矿井平峒边坡稳定检测系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《矿井平峒边坡稳定检测系统（46页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、论文题目:矿井平崛边坡稳定检测系统作者姓名：吴力民入学时间：2010年9月专业名称：控制工程研究方向：智能检测指导教师：闫相宏职称:高级工程师论文提交日期：2012年5月论文答辩日期：2012年6月2日授予学位日期：2012年6月MineaditslopestabilitydetectionsystemADissertationsubmittedinfulfillmentoftherequirementsofthedegreeofMASTEROFENGINEERINGfromShandongUniversityofScienceandTechnologybyWuLiMinSupervisor:

2、ProfessorYanXiangHongCollegeofinformationandelectricalengineeringMay2012本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机关作鉴定。士生签名：期：AFFIRMATIONIdeclarethatthisdissertation,submittedinfulfillmentoftherequirementsfortheawardofMasterofPhilosophyinShandongUniversityofScienceand

3、Technology,iswhollymyownworkunlessreferencedofacknowledge.Thedocumenthasnotbeensubmittedforqualificationatanyotheracademicinstitute.Signature:Date:摘要矿井平恫边坡稳定检测系统是煤矿安全监测系统的一个重要组成部分，用来检测矿井平恫边坡的稳定性，为煤矿安全生产提供保障。要检测矿井平恫边坡的滑动、下沉等不稳定状况，本设计在边坡上设置了60个检测点，每个检测点从横向位移量和纵向位移量两方面进行检测，横向位移量通过检测离层位移量来进行判定，纵向位移量通过检测

4、液压变化量来进行判定。再将检测到的数据通过无线通讯发送给通讯分站，通讯分站再将检测数据通过有线传输发送给通讯总站，最后发送给PC机，进行综合分析与处理。本设计主要包括三个部分：压力检测仪表的设计、离层检测仪表的设计、通讯分站的设计。压力检测仪表通过检测液压变化量来判定边坡稳定性，主要包括高精度压力传感器、温度传感器、A/D转换、433MHz无线射频通讯等部分。离层检测仪表通过检测离层位移量来判定边坡稳定性，主要包括高离层传感器、A/D转换、433MHz无线射频通讯等部分。通讯分站接收各检测仪表发送来的无线数据，再将其转换为RS485信号，发送给通讯总站，通讯分站主要包括无线射频通讯部分和RS4

5、85转换部分。本论文设计的矿井平恫边坡稳定检测系统能够精确、实时检测边坡的稳定性，能及时发现边坡的不稳定现象，为处理险情赢得时间，保障了煤矿工作人员的生命财产安全。关键字：矿井平恫边坡；稳定检测；压力检测仪表；离层检测仪表；通讯分站AbstractMineaditslopestabilitydetectionsystemforcoalminesafetymonitoringsystemisanimportantcomponentof,usedinthedetectionofcoalminetunnelslopestability,forthecoalmineproductionsafetyto

6、provideprotection.Todetectmineaditslopesliding,fallingnotstablestate,inthedesignoftheslopeisprovidedwith60testingpoints,eachpointdetectionfromthehorizontaldisplacementandverticaldisplacementoftworespectsundertakedetecting,horizontaldisplacementbydetectinglayerdisplacementtoundertakejudging,longitudi

7、naldisplacementbydetectingthevariationofhydraulicjudgement.Thenthedetecteddatathroughwirelesscommunicationssenttothecommunicationstation,communicationstationandthetestingdatathroughwiredtransmissionissenttothecommunicationstation,andfinallysenttothePCmachine,acomprehensiveanalysisandprocessing.Thisd

8、esignmainlyincludesthreeparts:pressuredetectinginstrumentdesign,delaminationdetectioninstrumentdesign,communicationdesignofsubstation.Pressuredetectinginstrumentbydetectingthehydraulicvariationtodeterminethestabilityofslope,includinghighprecisionpressuresensor,temperaturesensor,A/Dconversion,433MHZw

9、irelessradiofrequencycommunicationsuchaspartof.Separationdetectinginstrumentbydetectinglayerdisplacementtodeterminethestabilityofslope,includinghighlayersensor,A/Dconversion,433MHZwirelessradiofrequencycommunicationsuchaspartof.Communicationstationreceivesthedetectioninstrumentissenttothewirelessdat

10、a,andthenconvertittoaRS485signal,issenttothecommunicationstation,communicationstationincludingaradiofrequencycommunicationandRS485transformation.Inthispaperthedesignofmineaditslopestabilitytestsystemiscapableofaccurate,realtimedetectionofslopestability,canbefoundintheslopeinstabilityphenomenon,todea

11、lwiththedangertowintime,protectthelifepropertysafetyofcoalminestaff.Keywords:Mineaditslope;stabilitytesting;pressuretestinginstrument;instrumentation;communicationsubstationseparation目录1绪论11.1 引言11.2 影响矿井边坡稳定的因素11.3 矿井平恫边坡稳定检测原理简介31.4 课题的来源及本论文的主要内容42矿井平恫边坡稳定检测系统方案设计52.1 检测系统方案概述52.2 检测方法与原理62.3 监测数

12、据的采集与处理113矿井平恫边坡稳定检测系统的硬件设计153.1 系统硬件总体构架设计153.2 压力检测仪表硬件设计163.3 离层检测仪表硬件设计313.4 通讯分站硬件方案设计364矿井平恫边坡稳定检测系统软件设计424.1 压力检测仪表软件设计424.2 离层检测仪表软件设计464.3 通讯分站软件设计494.4 无线通讯模块参数配置51致谢57参考文献58攻读硕士期间主要成果61Contents1 Introduction11.1 Introduction11.2 Influencefactorsofmineslopestability11.3 Mineaditslopestabil

13、itydetectionprinciple31.4 Thesourceofthesubjectandthemaincontentsofthisthesis42 Mineaditslopestabilitydetectionsystemdesign52.1 Detectionsystemoverview52.2 Detectionmethodandprinciple62.3 Monitoringdataacquisitionandprocessing113 Mineaditslopestabilitydetectionsystemhardwaredesign153.1 Systemhardwar

14、earchitecturedesign153.2 Pressuredetectinginstrumenthardwaredesign163.3 Delaminationdetectioninstrumenthardwaredesign313.4 Hardwaredesignofcommunicationstation364 Mineaditslopestabilitydetectionsystemsoftwaredesign424.1 Pressureinstrumentationsoftwaredesign424.2 Delaminationdetectioninstrumentations

15、oftwaredesign464.3 Softwaredesignofcommunicationstation494.4 Thewirelesscommunicationmoduleconfigurationparameters51Thank57Reference58ScientificResearchandPublishedPapers611绪论1.1 引言当前，我国的经济建设取得了举世瞩目的伟大成就，并且仍在高速发展。而能源是经济发展的动力和基础，经济的高速发展需要充足的能源保障。目前我国各类能源消费所占的比例中，煤炭的消费占了一半以上。如在二零零五年，煤炭资源在我们国家一次能源生产中所占

16、的比例是百分之七十六点零，在一次能源的消费中所占的比例是百分之六十八点九，在我们国家，总的用电量中的大约百分之七十六是由煤发电得到的，大约日常非工业用商品能源的百分之六十，化工工业原始取材的百分之七十以及工业原动力和工业燃料的百分之七十六也是由煤炭资源提供的。由此可见，在我国经济发展对煤炭资源的依赖程度已经达到了无可替代的程度。而煤炭的开采却是一个高危行业，随时可能发生各类事故。例如：煤矿突水事故、火灾事故、瓦斯爆炸、煤尘爆炸、顶板事故、运输事故等等。造成煤矿安全事故的原因有很多，其中矿井平恫边坡的稳定性也给煤矿安全生产带来了巨大威胁，如果矿井平恫发生塌方或塌陷，将给煤矿带来巨大的财产损失和人

17、员伤亡，为此我们需要研发专门的矿井平恫边坡稳定检测系统，实时监测边坡的稳定性，当边坡有发生不稳定趋势的时候我们可以通过矿井平恫边坡稳定检测系统迅速得知，从而采取补救措施或者迅速撤离人员和设备，最大程度减小财产损失和人员伤亡因此，研究和生产矿用安全检测设备，为煤矿的安全生产提供保障，具有重要的理论意义和现实意义，为我国经济现代化建设做出贡献。1.2 影响矿井边坡稳定的因素矿井平恫边坡的稳定性对煤矿的安全生产产生重大影响，因此，准确检测分析边坡的稳定性具有重大意义。影响边坡稳定的因素有很多，其中，边坡的地质条件、地形地貌、气候条件等，是影响边坡稳定的决定性因素。要保证矿井平恫的边坡稳定性，首先我们

18、要了解影响边坡稳定的因素有哪些。只有了解影响稳定的因素，才能有针对性的对其稳定性进行检测。1、地质构造将对边坡稳定产生重大影响。表现为边坡的发育程度、连通性、规模、填充物成分、填充程度和结构面的状态对边坡稳定性的影响。在分析结构面对矿井平恫边坡稳定性的影响时，要特别了解边坡的岩土成分，岩土成分的不同将会是决定边坡是否稳定的决定性因素。其次要了解边坡的倾斜程度，倾斜程度的大小也能很大程度的决定边坡是否可能发生滑动。2、地貌因素能够影响边坡稳定性。边坡的形态和规模等地貌因素对边坡稳定的影响是很明显的，不利的形态和规模的边坡会给坡顶产生张应力，并引起裂缝；在边坡产生强烈的剪应力，能形成剪切破坏带，这

19、些因素极大的影响了边坡的稳定性。3、气候条件也能对边坡稳定产生重大影响。气候类型不同，大气降水量也不同。降水量的不同也将决定边坡稳定性的不同。暴雨或长期降水过后，会出现边坡不稳定现象增多的状况，这说明降雨量对边坡的稳定性有重要影响。大气降水能够提高地下水的补给量，一方面降低边坡的岩体强度，加大边坡滑动的概率；另一方面增加边坡的下滑力，两者相结合很大程度的降低了边坡的稳定性。4、风华作用影响边坡稳定性。风化作用使岩体的强度减弱，裂隙增大，影响边坡的形状和坡度，透水性增大，是地表水容易侵入，改变地下水动态。裂隙风化时，能是岩土体沿边坡滑落、崩塌、堆积等。以上多种因素都将影响边坡的稳定性，降低边坡强

20、度，增加边坡滑动的可能。当边坡稳定性降低时，将会影响煤矿的安全生产，威胁煤矿的财产安全和人员安全，因此我们有必要对矿井平恫的边坡稳定进行检测1。能够及时迅速的了解矿井平恫边坡的稳定性，即便是微小的变化也能迅速检测到，能够为煤矿的安全生产带来重要保障。1.3 矿井平恫边坡稳定检测原理简介检测矿井平恫边坡的稳定性，分别对其横向位移和纵向位移进行检测。对边坡稳定进行直接测量不方便而且不准确，因此，本文的检测方案是分别检测其横向位移和纵向位移。横向位移采用离层传感器进行检测，纵向位移采用压力传感器进行测量。对矿井平恫边坡稳定进行检测，本设计将对六十个点进行检测，六十个检测点均匀分布在矿井平恫边坡上，以

21、达到最好的检测效果。每个监测点测量到的数据需要传输到上位机上，由于监测点位于野外山坡上不适合于大规模进行布线，而且用有线传输成本较高，因此本设计采用无线传输。每个监测点设有一个无线信号发射器，将检测到的纵向位移量和水平位移量用无线方式发送出去2。在矿井平恫边坡底部设有一个通讯分站，此通讯分站的功能是接收边坡上六十个点的无线信号，并将这六十个点的无线信号进行分析和整理，并将它们用RS485发送到通讯总站上。1、横向位移量的测量检测A点是否发生滑动，仅仅检测其纵向位移量是不够的，还要对其横向位移量进行检测，只有对其横向位移量和纵向位移量同时进行检测才能准确的测量出其滑动幅度有多大。对横向位移量的检

22、测采用离层传感器来进行测量。离层传感器需要在边坡上钻一个二十米深的水平孔洞，将离层传感器的深基点固定在二十米深处，浅基点固定在两米深处，当边坡发生滑动时离层传感器的深基点与浅基点之间的距离必然会被拉伸，离层传感器可以测得具体的拉伸量，通过测得离层传感器的具体拉伸长度，便可得到边坡滑动的横向位移量，从而测得边坡滑动的大小程度。2、纵向位移量的测量设矿井平恫边坡上的某一点为A点，现在我们要对A点的纵向位移量进行测量，一个点无法进行纵向位移的测量，需要有另一个点作为参考点，在边坡上另找一点B,通过检测A点与B点的垂直高度是否有变化来确定边坡是否稳定、是否有滑动，如果A,B两点之间的高度差无变化，说明

23、边坡稳定，如果两点之间的高度差有变化，哪怕只是微小的变化也说明边坡有滑动或塌陷等不稳定现象。这样，们就可以通过检测A点与B点的垂直高度是否有变化，来判定边坡是否稳定。要检测两点之间垂直高度的变化，本设计采用检测液位差来进行测量，在山坡顶部放置一个大型水箱，水箱底部与两根软管相连，将软管沿山坡向下方向延伸到高度不同的A点和B点，分别在A点和B点处将软管与压力传感器相连，检测出两点的压力值并将两个压力值相减即可得到两点之间的水柱压力差，如此长期进行检测，当两点之间的压力差发生变化时，即两点之间的垂直高度发生变化，便可依此判定边坡发生滑动或下沉等不稳定现象冏o矿井平恫边坡稳定检测系统主要由以下几部分

24、组成：压力传感器，离层传感器，单片机，无线通讯节点模块组成边坡稳定检测部分；由单片机和无线通讯集中器模块组成通讯分站，通讯分站将接收到的无线信号分析、整理、转换，用RS485协议输出到通讯总站，最终连同其他数据一起发送到上位机。1.4 课题的来源及本论文的主要内容本课题来源于尤洛卡矿业安全工程股份有限公司的课题项目本课题的主要内容是检测矿井平恫边坡的稳定性，及时了解边坡滑动的趋势和预兆,及时作出补救措施，尽可能降低矿井平恫边坡事故给煤矿的安全生产带来的财产损失和人员伤亡4。矿井平恫边坡的稳定性检测，通过检测边坡的纵向位移和横向位移来精确测量边坡的稳定性，及时测得边坡的任何微小变化，并将其实时传

25、送到上位机上，以便及时了解危险，迅速做出反应，降低生命财产损失，为煤矿的安全生产保驾护航。2矿井平峭边坡稳定检测系统方案设计2.1 检测系统方案概述矿井平恫边坡稳定检测系统由压力传感器、温度传感器、离层传感器、单片机、无线通讯节点模块、无线通讯集中器模块等部分组成。压力传感器和离层传感器的输出信号，均为02.5V模拟信号，需经A/D转换模块进行转换，将压力传感器和离层传感器输出的模拟信号转换为数字信号，并把此数字信号传送给单片机，单片机接收到数字信号后将数据发送给无线通讯节点模块，无线通讯节点模块将压力传感器和离层传感器采集的数据用无线射频信号发送给无线通讯集中器模块，无线通讯集中器模块再将此

26、数据传图2.1矿井平恫边坡稳定检测系统结构图Fig.2.1Mineaditslopestabilitydetectionsystemstructurediagram2.2 检测方法与原理2.2.1 纵向位移的检测方案要检测矿井平恫边坡的稳定性，需要在边坡上设置两个点，A点和B点，设A点的高度为h2,B点的高度为h10测量A点与B点的高度差h,hhlh2,如果每次测量h其大小均不变，则说明A、B两点的垂直高度保持不变，其纵向位移量为零，可以此判定边坡没有滑动或塌陷，说明边坡是稳定的o岩土压缩量表现为与岩土作用力方向相向的形变位移量，在岩土受力方向上定义两个点，其间的变形量定义为两点的相对位移量。

27、如图所示：边坡顶部岩土边坡底部图2.2纵向位移测量原理示意图Fig.2.2LongitudinaldisplacementmeasurementschematicdiagramA点与B点的垂直高度差为：hh1h2,h1和h2分别为A点和B点的高度。既然通过检测A、B两点之间的高度差的变化量便可判断边坡的稳定性，就需要精确的测量出A点和B点的高度差h,本设计采用如下方法：两点之间垂直高度的测量可以转换为两点之间的液位压差进行测量，通过液体压差的测量可以方便、精确的测得两点之间的高度差。因为液体水柱对其底部的压力只与水柱的垂直高度有关，与容器的形状、大小等均无任何关联，因此采用液体水柱的压力测量来

28、计算出其垂直高度既方便又精确。用液位差的变化来间接测量两点之间的垂直高度变化，从而判定边坡稳定性。测量液位差有两种方案：方案一：在A点处放置一个大型水箱，水箱底部与软管相连，而且软管与水箱相通，水箱的水可以流入软管之中。软管沿边坡向下方向延伸到B点，在B点处水管与微压传感器相连，通过微压传感器测得B点处的液体压力。通过微压传感器测得的液体压力可以计算出A、B两点之间的垂直高度差，如此长时间连续监测。如果边坡稳定，A、B两点之间的高度差也就稳定，B点处微压传感器测得的数据也就长期不变，保持恒定；如果边坡不稳定，A、B两点之间的高度差也就会随之发生变化，B点处微压传感器测得的数据也就会有相应的变化

29、，这样就可以通过准确的测量计算出边坡是否稳定。方案二：要测量A、B两点之间的高度差，还可以在边坡顶部放置水箱，水箱底部连接两根软管，软管与水箱相通，以便水箱的水可以流入软管之中，两根软管分别沿边坡向下方向延伸到A点和B点，在A、B两点处分别安装一个微压传感器，分别测量两点之间的压力，测得两点之间的压力后用B点处的压力值减去A点处的压力值，即可得AB到两点之间的压差。通过A、B两点之间的压差可以计算出两点之间的高度差，如此长期连续监测。如果边坡稳定，A、B两点之间的高度差也就稳定，A、B两点之间的压差也就会保持稳定；如果边坡不稳定，A、B两点之间的高度差也就会随之发生变化，微压传感器测得的AB两

30、点之间的压差也会随之发生变化，这样就可以通过测量A、B两点之间的压差的稳定性来判定边坡是否稳定。以上两种方案均可通过压差的测量判定边坡的稳定性，下面通过分析两种方案的优劣来决定选用哪种方案来检测矿井平恫边坡的稳定性。方案一的优点是结构简单，成本低，方案一中只用一个微压传感器即可，所以设计比较简单，因为结构简单，所以可靠性也较高。但方案一的缺点也是显而易见的，因为方案一中测量的液位差是B点与A点处水箱的液位差，具体说是水箱中的水面到B点处的垂直高度差，而在长期的检测过程中水箱的水面高度是会变化的，水箱中的水会随着时间的推移而蒸发，而且相关工作人员需要定期为水箱加水，所以方案一的精确度不如方案二的

31、高。本设计的目的就是要检测矿井平恫边坡的稳定性，精确度越高越好，精确度越高，检测的结果就越准确，就能为煤矿上的工作人员的生命财产安全提供更好的保障。方案二的优点是精度高，因为在方案二中的液压差是B点处的压力值减去A点处的压力值，能够精确的测量出A、B两点之间的压力差，从而精确的测算出两点之间的高度差。而且这个压力差不会因为水箱中的水位的变化而变化，即使水箱中的水位因为蒸发而有所下降，也不会对A、B两点之间压力差带来丝毫影响，水箱中水位的下降会同时减小A、B两点处的压力，并且减小量完全相同，两点处的压力值进行相减的时候就将水位下降的影响完全消除了，不会给测量精度带来丝毫影响8。而方案二的缺点是较

32、方案一结构稍显复杂，一组测量需要两个传感器，两个传感器必然带来成本的上升，缺点也是比较明显的。上述比较说明方案一结构简单，成本低，但精度差，方案二结构稍显复杂，但精度得到大幅提高。在为煤矿设计检测设备时要以高精度和高准确性为重，因为煤矿上用到的检测设备的精确度，其性能的优劣直接影响到煤矿的安全生产，威胁煤矿工作人员的生命财产安全，所以本设计采用第二种方案，虽然成本较高，结构复杂，但提高了测量的精度和准确性，为煤矿工作人员的生命财产提供了安全保障。Fig.2.3Longitudinaldisplacementmeasurementprinciple液体介质的差压测量可用于水柱高度的测量。比重为1

33、的水柱在1mm高度上产生10Pa压强。采用连通器原理可以测量两个基准点A,B的高度差。因此我们构造一个用于A、B之间高度测量的连通器，如图2.3所示。水箱的高度需高于A点的高度。.连通器内A、B点的压力不受连通器管路的长短和形状限制，只要测出A、B点的压力就可以得到A、B点的差压，且A、B点的差压不受水箱的液面高度影响。PPbPa,Pa、Pb为连通器内A、B点的压强；hP*k,k0.1mm/pa；h2hl(P2P1)*k,P1,P2为岩土变形前后的A、B点的差压，hl,h2为岩土变形前后的A、B点的高度差。当h2h10时，岩土形变前后的高度差为零，说明矿井平恫边坡是稳定的，没有发生滑动或塌陷等

34、灾害的趋势；当h2h10时，岩土形变前后的高度差不为零，说明矿井平恫边坡发生不稳定现象，边坡有发生活动或塌陷等灾害的趋势，应该紧急采取措施进行补救并撤离相关工作人员，保证期生命财产安全。2.2.2横向位移的监测方案当矿井平恫边坡发生滑动或下沉等不稳定现象时，不仅表现为其垂直高度的变化，还表现为水平方向的位移变化，因此要准确的检测矿井平恫边坡的稳定性除了检测纵向位移还要检测横向位移。纵向位移可以用可以用液体的压力差来精确测量，液体对底部的压力与连通器的形状无关，只与液位高度有关，因此测量比较方便；而当边坡发生横向位移时，要测量横向位移，就需要找两个监测点，检测两点之间的位移。要检测横向位移，本设

35、计采用离层传感器来进行测量。离层传感器包括两部分：一是机械部分，有两个基点，深基点和浅基点，离层传感器测量的就是两个基点之间的位移量，还包括一个机械臂。另一部分是变送器，变送器的作用是检测出机械部分的位移变化量，并将其转变为电信号输出。离层传感器有锚爪机构和传感器组成，两者之间用0.7mm的钢丝相连。传感器采用了电阻式位移测量技术，当边坡内部产生离层时，不同深度的锚爪通过钢丝绳牵动传感器的卷簧运动，卷簧机构带动电位器旋转。通过旋转精密电位器电阻的变化，产生一个线性变化的电压信号输出，此输出的线性变化的电压信号为02.5V91。离层传感器的测量范围是20米，要测量边坡的横向位移量，需要选择合适的

36、测量点来放置深基点和浅基点。要保证如果发生横向位移，就能准确的测量出来，如果没有横向位移，也不会发生误测。为保证准确测量，本设计将深基点放置在钻孔的20米深处浅基点放置在钻孔的2米深处。为此安装离层传感器的时候要在矿井平恫边坡上钻一个横向的孔洞，深度为20米，钻孔的直径为2729mm,安装步骤如下：1、在边坡上打钻孔，要用风动锚杆钻机打孔，打孔钻头选择28mm为宜；2、用安装杆将深基点和浅基点推到所需的深度；3、将离层传感器的固定管推入钻孔，分别拉紧两个基点的钢丝纯，并将紧固螺钉固如上安装完毕后，将变送器放在边坡的钻孔处，变送器输出的电压信号将发送给控制器MCU,控制器在通过无线信号发送给通讯

37、分站，再经过通讯总站最终将信号发送给图2.4离层传感器安装示意图Fig.2.4Displacementsensorinstallationdiagram2.3监测数据的采集与处理2.3.1 实时温度采集在矿井平恫边坡稳定检测系统中，测量的精度越高越好，测量的精度越高，测得的数据越准确，就能更及时的发现边坡的滑动或塌陷等不稳定现象，能为采取补救措施或及时撤离人员争取更多的时间。因此在设计矿井平恫边坡稳定系统时要尽可能提高测量的精度。在纵向位移测量中，要提高测量的精度就要使用精度高的微压传感器，能够及时测量出压力的微小变化10。而仅使用精度高的微压传感器还是不够的，因为微压传感器的制作材料，测量电

38、路等都会受到温度的影响。微压传感器在不同温度条件下测量同一高度的水柱，具测量结果是不同的，任何压力传感器都不可避免的会产生温度漂移，而温度漂移显然会让测量精度产生误差，影响测量的精确度。为了提高测量的精确度就要尽量减小任何测量误差，减小温度漂移能明显提高测量精度，因此要通过合理的设计来减小温度漂移以达到提高测量精度的效果。因为压力传感器受温度漂移的影响，在不同的温度下的测量结果不同，所以如果能了解每个压力传感器在不同温度下的漂移量是多少，在测得压力数据后给这个压力加上一个补偿值（补偿值可能为正值也可能为负值，目的是消除温度漂移），就能大幅提高测量精度。为了给压力传感器测得的数据加上一个准确的温

39、漂补偿值，首先要准确测得压力传感器测量水柱压力时的实时温度，因此在每个压力传感器处要有一个温度传感器，在测量压力的同时也测量当地的实时温度ii,因为不同温度条件下温漂补偿值是不同的，所以只有测得实时温度才能为测量的数据加上一个准确的温漂补偿值。图2.5温度补偿数据采集结构图Fig.2.5Temperaturecompensationdataacquisitionstructure采集了压力传感器的实时温度后，需要确定不同温度下的温漂补偿值具体为多少。如果不同的压力传感器在同一温度同一水柱高度的条件下的温漂补偿值是相同的，那么就可以通过实际测量做出一个表格，横坐标是不同的温度条件，纵坐标是不同的

40、水柱高度，表格中的数据位在某一温度条件下，某一水柱高度条件下的温漂补偿值。当测量了实际温度和压力数据后，进行查表，找到相应的温漂补偿值。给测量的压力数据加上温漂补偿值，以消除温度对压力测量的影响12,消除误差，提高测量精度。为了测量温漂补偿值，对压力传感器进行了多组实验。实验用三个传感器A、RC,把传感器均放在恒温箱中，设置水柱的高度为5米，把恒温箱的温度分别调到0C、10C、20C、30C、40C,在不同温度下测量传感器的输出电压，而测量结果并没有一个准确的规律，不同的传感器在不同的温度下温漂是不同的，测量结果并不理想。因此无法制作出一张温漂补偿表能适用于所有传感器，每个传感器的温漂补偿值都

41、是不一样的，它们没有共同的变化规律。为了提高测量精确度，必须要消除温漂，但每个传感器的温漂变化规律并不相同，不能制作统一的温漂补偿表，所以只能对每个传感器分别进行测量，为每个传感器制作一张温漂补偿表。在实际使用过程中，每个传感器的位置和水箱的位置固定好之后是不能随便改变其位置的，所以每个传感器测量的水柱高度是恒定的。因此首先要确定每个压力传感器在实际使用时的位置，以及传感器与水箱中水面的实际垂直高度差，在确定好每个压力传感器要测量的具体水柱高度后，再对每个传感器进行温度试验。要为每个压力传感器编号序号，每个压力传感器要测量的水柱高度是不同的。在实验室中设置好每个压力传感器要测量的水柱高度，把压

42、力传感器放入恒温箱中进行试验。从-50C到80C,每隔5c进行一次试验13,记录好测量结果。选择-50C到80c是因为本论文设计的矿井平恫边坡稳定系统的使用环境是在野外，要考虑到野外环境可能出现的每种温度条件，而-50C到80c基本可以覆盖野外环境的各种温度条件。为每个压力传感器测得不同温度条件下的测量值后，要进行温度补偿表的制作。制作温度补偿表以0c为基准，计算出每个温度下的测量值与0c下的测量值之差，此差值即为温漂补偿值。为每个压力传感器计算出每个温度条件下的温漂补偿值，制作出每个压力传感器的温漂补偿表。2.3.2信号变送与传输矿井平恫边坡稳定检测系统要通过压力传感器、离层传感器、温度传感

43、器对纵向位移、横向位移和温度进行测量。而压力传感器、离层传感器和温度传感器的输出信号均为05V的模拟信号，首先要对这些模拟信号进行处理，通过A/D转换模块将三种模拟线号转换为数字信号，再将数字信号传送给单片机。单片机接收到A/D转换模块输出的数字信号后，最终要将测量数据发送给PC机。而测量仪表在野外环境中，因此要对数据进行远距离传输，信号的传输分为有线传输和无线传输两种。如果用有线传输要对每个测量点与通讯分站进行布线，布线距离远而且成本高，在野外环境中可能发生各种情况对数据线造成损伤，造成服务和维修不便，因此本论文采取无线传输。相对于有线传输，无线传输的优点是：1、成本低廉：有线传输需要架设电

44、缆或挖掘电缆沟，需要大量人力物力，无线传输则无需架设电缆或挖掘电缆沟14,只需在每个终端配置无线传输模块，配置适当的天线即可，相比之下无线传输方式节省人力物力，节约成本。2、适应性好：有线通讯的局限性太大，在矿井平恫边坡的野外环境中，布线比较困难，将对有线网络的布线工程有着很大的制约力，而无线数据传输方式将不受这些限制，所以说无线数据传输方式比有线通讯更适合在矿井平恫边坡上使用，无线传输不受地理环境限制。3、扩展性好：在组建好一个通讯网络之后，常常因为系统的需要增加新的设备。如果采用有线的方式，需要重新的布线，施工比较麻烦，而且还有可能破坏原来的通讯线路，但是如果采用无线数据传输方式，只需将新

45、增设备与无线数传电台相连接就可以实现系统的扩充了，相比之下有更好的扩展性。4、设备维护更容易实现：有线通讯链路的维护需沿线路检查，出现故障时，一般很难及时找出故障点，而采用无线数据传输方式只需维护数传模块，出现故障时则能快速找出原因，恢复线路正常运行15。综上所述在矿井平恫边坡稳定检测系统中，对压力传感器、离层传感器、温度传感器采集到的纵向位移、横向位移和温度数据使用无线通讯进行数据传输，将数据传送给通讯分站，通讯分站在将数据传送给通讯总站，最终将数据传送到PC机上。3矿井平峭边坡稳定检测系统的硬件设计3.1 系统硬件总体构架设计根据上一章对压力检测、离层检测、温度检测及无线通讯的设计思路，矿

46、井平恫边坡稳定检测系统的硬彳的总体构架如图3.1所示：图3.1硬件总体构架示意图Fig.3.1Theschematicdiagramoftheoverallhardwarestructure矿井平恫边坡稳定检测系统的硬件组成中主要包括三部分：压力温度检测仪表、离层检测仪表以及数据变送传输部分。实际应用中，压力温度检测仪表和离层检测仪表分别有六十组，平均分布于矿井平恫边坡上，对其稳定性进行综合细致的检测。3.2压力检测仪表硬件设计压力检测仪表主要由五部分组成：压力传感器、温度传感器、A/D转换、单片机以及无线通讯节点模块。压力传感器和温度传感器将检测的模拟信号传输给A/D转换模块,A/D转换将模

47、拟信号转换为数字信号，再将数字信号传送给单片机，单片机通过无线通讯节点模块将数据发送给通讯分站。图3.2压力检测仪表结构图Fig.3.2Pressuredetectioninstrumentstructure.3.2.1主要器件选型1、压力传感器选型在测量纵向位移时，压力要和温度同时检测，以提高测量精度。在实际应用中，矿井平恫边坡上需要测量的最大垂直高度不超过30米，那么压力传感器需要测量的最大压力为：F水gh1000*10*30Pa300KPa因为需要测量的最大压力不超过300KPa所以选才量程为300KPa的压力传感器。选用麦克公司的STZV300KPaKJ10II型高精度压力传感器照。该

48、系列产品选用高精度力敏芯片为中心感测元件，运用温度自补偿及规一化电路调试等高新技术，大幅度提高了产品的综合精度。该型号产品技术先进，性能卓越，质量可靠，体积小，重量轻安装使用极为方便，广泛应用于航空航天、石油、化工、冶金、电力、建材、水文地质、医疗、环保等科研、生产领域，可实现对流体压力和液位的高精度测量。图3.3STZV300KPaKJ10II压力传感器Fig.3.3STZV300KPaKJ10IlPressuresensor上图为STZV300KPAKJ10II型高精度压力传感器，其特点为：选用高精度力敏芯片作为中心感测元件，其精度可达0.25%FS特殊要求可用于测量腐蚀，易结晶的介质。采

49、用全密封结构，结构件采用不锈钢，可在露天环境下长期使用。可用于长期在线测量，而不能校验的场所。能耗低，工作电流小于800uA响应速度快，相应时间小于400us结构多元化，可根据客户的特殊要求进行个性化设计STZV300KPAKJ10II传感器具体型号选择，选择绝压型压力传感器，量程为300KPa,精度选择为0.25%FS输出信号为02.5VDG表压测量的是高于（或者低于）此处大气压力的值，绝压测量的是此处大气压和其他压强（你这里是水压）值的和。因为在纵向位移测量中要测量水柱的高度所以选择表压型压力传感器17。STZV300KPAKJ10II压力传感器的测量精度有三种型号可供选择分别为：0.25

50、%F.S.0.5%F.S.1%F.S.本设计要求精度较高，测量误差要求为0.1mm所以选择精度较高的0.25%FS压力传感器。2、温度传感器选型纵向位移的检测还需要对温度进行实时的检测，本设计采用的温度传感器是DS18B2Q如下图所示:AJOQ1QNO图3.4DS18B20示意图Fig.3.4DS18B20SketchmapDS18B20数字温度传感器以9位数字量的形式反映其间的温度值。DS18B20通过一个单线接口发送或接受数据，因此主控器与DS18B20之间仅需一条数据线和底线即可。用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，DS18B20可以不使用外部电源。每个DS18B20都有一个独

51、特的片序列号，所有多只DS18B20也可以连接在一根单线总线上，这样可以采集多处不同的地点的温度180DS18B20的特点如下：独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯简单的多点分布应用无需外部器件可通过数据线供电零待机功耗测温范围55+125C,以0.5C递增温度数字转换时间200ms（典型值）用户可定义的非易失性温度报警设置报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统DS18B20有三个引脚分别是GNDDQ和VDD=GND为电源地。DQ为数据输入输出引脚，对单线操作漏极开路。VDD为电源引脚，是可选端口，DS18B20

52、在工作时可以用此端口连接外部电源进行供电，也可以悬空，通过数据线DQ进行供电。3、无线通讯模块选型无线传输使用PL208模块，PL208是低功耗分布式无线自组网模块，工作在433M免费频段，最大发射功率为10mW,发射电流为33mA,接收电流为20mA,休眠电流为0.5uA,工作电压范围2.0V3.6V,RF调制方式为GFSK波特率500kbps1.2kbps自适应，1个基本信道和116个辅助信道（调频），信道频点和数量可配置，UART波特率为2400230400,报文格式灵活，能够支持各种协议，内嵌无线移动组网协议WaveMeshw。图3.5PL208无线通讯模块Fig.3.5PL208wi

53、relesscommunicationmodule模块提供了丰富的参数配置，不需要对现有设备、协议做修改，也不需要对模块进行二次开发可以方便的实现无线自组网。PL208模块的射频性能指标指标如下：ISM频段为430-436MHzRF速率自适应且范围可选，RF调制方式为GFSK传输距离，空旷视距700米，穿透能力为垂直穿透34层楼板RF峰值发射电流33mA,峰值接收电流20mAMCU峰值电流5mA,休眠电流0.5uA信道数量，一个基本信道，116个辅助信道PL208模块的电气特性标指标如下：接口为CMOS3.3V串行UART端口电源电压范围2.1V3.6V尺寸为12.7mmX35.8mmPL20

54、8无线通讯模块分为两类，一类是节点型（NODE）另一类是集中器型（ROOT）节点型无线模块与各类检测仪表相连，为整个检测系统的通讯终端；集中器型无线模块与通讯分站相连，接收各检测终端（NODE/勺检测数据20。无论节点型（NODE还是集中器型（ROOT尤线模块都有相同的12个引脚，各引脚定义如下图所示:PL208引醐定义引脚名称方向说明1SEH输入模频择ji2RESET.N输入模块复位,低电平有效|3ACT(PM0)输出外设唤醒信石0（可选）4BUF3M1)输出数据缓冲区空闲指示:：高电平-空闱；低电平-缓冲区港5RXO输入UARTO输入，CMOS或TTLSv6TXO输出UART0输出，CMO

55、S33v或TTL5V7NC(A)输入/瑜出空脚（其它功能需定制）8NC(B)谕人/输出空脚（其它功能需定制）9NC(DC)输入/输出空脚（其它功能需定制）10NC(DD)输入/输出空脚（其它功能需定制）11vcc输入电薄(2.1Ve3.6v)121GND输入地|图3.6PL208各引脚定义图Fig.3.6PL208Eachpindefinitiondiagram引脚SET在模块上电时为输入引脚用于模式选择，若为高电平则进入正常工作模式，否则会进入配置模式。SET引脚芯片内部有弱的上拉，为了保证模块能进入正常的模式，建议在正常工作时将SET引脚悬空或者将其拉高。ACT引脚应用在低功耗场合，用于唤

56、醒外设的信号，高电平有效。该引脚的功能是可选的，可以通过配置软件进行使能或关闭。在低功耗的应用场景下，外设平时处于休眠或断电状态。在使能ACT引脚后，当模块有数据需要发送给外设时，会先将ACT拉高用于唤醒外设，然后等待所设定的时间后，再通过UART接口向外设发送数据。此后模块会等待外设相应，在收到外设相应或者等待超时后会将ACT引脚拉低作为外设重新进入休眠的标志。若模块有多个数据报文要向外设发送，在数据报文发送期间ACT引脚会一直处于高电平状态21o模块会在每发送一条数据报文后等待外设的响应，在收到外设的响应或等待超时后才发送下一条数据报文，直道发送完毕所有数据报文后才将ACT引脚拉低。BUF

57、引脚用于指示UART接收数据缓冲区的状态，高电平为缓冲区空，低电平为缓冲区满。模块在休眠或数据缓冲区满时BUF引脚会被拉低，因此在外设需要向模块写入数据时，先检测该引脚的电平，若为地电平则需要等待BUF引脚拉高后才可以安全写入。如果在BUF引脚为低电平时强行写入，会出现两种结果，一是写入失败BUF引脚继续保持低电平，二是覆盖原有数据。模块在成功的接收完一个数据报文后，BUF引脚会被拉低。另外，模块休眠时也会将BUF引脚电平拉低，再重新进入正常工作时将其拉高。4、单片机型号选择压力检测仪表的控制器采用C8051F340单片机，C8051F340控制器是完全集成的混合信号片上系统MCU。其主要特性

58、如下：高度流水线结构的8051兼容的位控制器内核（可达48MIPS）全速、非侵入式的再系统调试接口（片内）通用用行总线（USB）功能控制器，有8个灵活的端点管道，集成收发器和1KFIFORAM电源稳定器真正10位200ksps的单端/差分ADC,带模拟多路器片内电压基准和温度传感器片内电压比较器（两个）精确校准的12MHz内部振荡器和4倍时钟乘法器多大64KB的片内FLASH存储器多达4352字节的片内RAM（256+4KB）硬件实现的SMBus/12G增弓型UART和增强型SPI串行接口4个通用的16位定时器具有5个捕捉比较模块和看门狗定时器功能的可编程定时计数器阵列（PCA）片内上电复位、

59、VDD监视器和时钟丢失检测器多达40个端口的I/O（容许5V输入）而且C8051F340单片机的电源电压为3.3V,而非5V,能够节省电能的消耗。因为各检测仪表只能用电池供电，所以要充分考虑节能的问题，在保证检测仪表正常工作的情况下尽可能的延长电池使用寿命，而3.3V的电源电压能有效降低能耗。占人口河口彳。心aa,吊丽丽Fl丽丽FlfoC8051F340/1/4/5顼视图图3.7 C8051F340引脚图Fig.3.7 C8051F340 Pin diagramETTOWBBFi具有片内上电复位、VDD监视器、电压调整器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F340器件是真正能够独立工作的片上

60、系统。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。片内siliconLabs二线开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、但不、运行和停机指令。在使用C2进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。两个C2接口引脚可以与用户功能共享，使在系统功能调试不占用封装引脚2司。每种器件都可在工业温度范围内（45c到+80C）内用2.7V5.25V的工作电压。电源电压大于3.6

61、V时，必须使用内部稳压器。对于USB通道，电源电压最小值是3.0V。端口I/O和/RST引脚都容许5V的输入信号电压。C8051F340采用48脚TPQFP封装或32脚LQPF封装。5、A/D转换模块选型STZ-V-300KPa-KJ10-II压力传感变送器采集的025V的模拟信号需要进行A/D转换，将转换结果发送给单片机。而C8051F340单片机本身自带一个10位A/D转换模块,10位A/D转换是否能满足本设计的要求，下面对A/D转换模块的选型进行分析。本设计需要测量的压差高度为30米，而测量精度要求为W.lmm即（虫Pa）,所以本设计的分表率要求为0.1mm1s30m300000而C80

62、51F340单片机本身自带10位A/D转换模块所能达到的测量精度为1-1s2101024显然10位的A/D转换模块达不到本设计的精度要求，所以本设计不能采用C8051F340单片机自带A/D转换模块，需要选用更高精度的A/D转换模块。于r191112182621443000002524288由上式可得，要达到本设计的测量精度要求，至少需要19位的A/D转换模块，所以本设计选用一个24位的ADS1247转换模块来实现，STZ-V-300KPa-KJ10-II压力传感变送器采集的0-2.5V的模拟信号的A/D转换。ADS1247转换器将压力传感器采集的模拟信号转换为数字信号。ADS1247是高度集

63、成高精度24位转换器，用于温度测量、压力测量等工业过程。ADS1247性能特征如下：24Bits,无失码数据输出速率高达24kbps单周期稳定的所有数据速率 2差分/3单端输入极低漂移内部电压基准检测传感器烧坏内部设有温度传感器 数字电源：+2.7V至U+5.25V 工作温度-40C到125c选用ADS1247转换器一个是因为它的转换精度能满足要求，它是24位的转换精度，满足本设计至少19为转换精度的要求，另外它功耗较低，可以使用3.3V的电源电压供电，能为检测仪表节省电量。M PACKAGE ISSOP-20 (top vieiAnD7DCDGrXCIKPF-PC) GPHJCOEr WO 0*.0-VREFOUTVHtFCOMAjMlIExjCAlhl-CXCSC LKOIMDOUTR0VcsSTARTAVDD