矿用隔爆兼本安型超声波测距报警系统的研制

发布时间：2017-10-04 10:44

  本文关键词：矿用隔爆兼本安型超声波测距报警系统的研制

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【摘要】：在矿井的开采过程中,由于环境复杂,某些运输及生产设备易对其周围人员及其它设备产生碰撞等安全威胁,目前尚无可在矿井内使用的人员靠近报警系统。为解决这一问题,研制本质安全型超声波测距报警系统以满足矿井内靠近报警的要求。 测距报警系统利用一个控制报警显示中心控制多个测距传感器的原理,超声波测距传感器的研制是核心,因此首先对超声波测距理论进行研究,分析超声波测距的原理及优势,超声波的温敏及衰减特性,研究超声波换能器的原理,类型及其量程,盲区,测量角等各类参数,并选用防水型收发一体超声波换能器以适应矿井环境。 为了使测距报警系统可在矿井内部安全使用,选用直流18V隔爆兼本安电源为其供电,控制报警显示中心与测距传感器中电路的各项参数都严格符合本质安全的要求。为此,测距传感器的换能器驱动电路摒弃了防水型收发一体换能器通用的以升压变压器为核心的驱动方式,设计出以高速光隔为核心的本质安全型换能器驱动电路；同时,针对此驱动电路设计了合适的回波处理电路,回波处理电路中利用三路反向运算放大电路放大超声波回波脉冲,利用换能器共振特性,RLC并联电路谐振特性,运算放大电路的带通特性对回波中的杂波与干扰进行滤除,同时采取措施削弱回波中共模干扰以及避免运算放大器之间产生自激现象,之后利用二极管实现回波背景噪声的阻断,最后采用峰值检测电路与微处理器A/D采集功能实现回波脉冲的检测,微处理器检测到超声波飞行时间后计算出障碍物距离。测距传感器的软件设计利用微处理器I/O口低电平中断功能接收测距指令,合理利用定时器功能实现超声波的发射,飞行时间计时及频率信号的发射。 控制报警显示中心以MSP430F149微处理器为控制核心,控制测距进行并接收测距传感器传回的障碍物距离值后进行显示与声光报警；微处理器I/O口发出低电平脉冲控制测距传感器开始测距,利用I/O口中断功能接收测距传感器发回的频率信号；控制12864LCD液晶屏实时显示测距结果,当换能器检测到的障碍物距离值小于预设危险值时,驱动蜂鸣器与LED灯发出声光报警信号。 最后对测距传感器的量程、精度及温敏特性进行了试验验证,得出的试验结果表明测距传感器具有较大的测量角及较小的死角,其精度及温敏特性符合测距报警系统的设计需求。 本质安全测距报警系统的研制实现了矿井中靠近报警,其测距传感器除电路本质安全外还具有便于安装,抗干扰,防水,防尘的优势,使其适用于矿井环境,因此具有较强的实用价值。
【关键词】：超声波 测距传感器 本质安全 矿用设备
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TD76
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 课题研究背景及意义11
• 1.2 国内外研究现状11-14
• 1.2.1 本质安全电路的研究现状11-12
• 1.2.2 超声波测距技术的研究现状12-14
• 1.3 课题研究的主要内容14-17
• 第二章 超声波测距理论概述17-25
• 2.1 引言17
• 2.2 超声波测距技术17-20
• 2.2.1 测距技术概述17-18
• 2.2.2 超声波测距原理及优势18-19
• 2.2.3 超声波测距的温敏特性19
• 2.2.4 超声波能量衰减现象19-20
• 2.3 超声波换能器20-23
• 2.3.1 换能器原理及类型20-21
• 2.3.2 换能器的盲区与死角21-23
• 2.4 本章小结23-25
• 第三章 系统硬件设计25-39
• 3.1 引言25
• 3.2 系统结构及供电配置25-27
• 3.2.1 系统总体硬件结构25-26
• 3.2.2 系统供电结构设计26-27
• 3.3 控制报警显示中心电路27-33
• 3.3.2 MSP430F149微处理器的选用27-28
• 3.3.3 距离显示与危险报警电路28-30
• 3.3.4 按键检测电路30-31
• 3.3.5 控制及通信电路31-33
• 3.4 测距传感器电路33-38
• 3.4.1 换能器的选用33-34
• 3.4.2 STC12C5608AD微处理器的选用34-35
• 3.4.4 光耦型换能器驱动电路35-38
• 3.4.5 回波处理电路38
• 3.5 本章小结38-39
• 第四章 测距传感器电路试验分析39-57
• 4.1 引言39
• 4.2 回波处理电路分析及试验39-45
• 4.2.1 放大电路分析39-40
• 4.2.2 回波信号调整电路试验分析40-43
• 4.2.3 峰值检测电路试验分析43-45
• 4.3 电路滤波作用分析及试验对比45-51
• 4.3.1 换能器共振特性滤波作用分析45-47
• 4.3.2 并联谐振滤波电路试验分析47-48
• 4.3.3 运算放大电路带通滤波仿真分析48-51
• 4.4 传感器电路抗干扰性能分析及试验51-55
• 4.4.1 光耦隔噪优势对比分析51-52
• 4.4.2 共模干扰抑制电路对比试验52-54
• 4.4.3 放大器自激现象仿真分析54-55
• 4.5 本章小结55-57
• 第五章 电路本质安全性能分析57-67
• 5.1 引言57
• 5.2 本质安全电路57-61
• 5.2.1 本质安全电路定义57-59
• 5.2.2 本质安全电路的设计59-61
• 5.3 测距报警系统本质安全特性分析61-65
• 5.3.1 换能器驱动电路本质安全特性分析61-64
• 5.3.2 供电电路的本质安全特性分析64-65
• 5.4 本章小结65-67
• 第六章 系统软件设计及传感器试验67-85
• 6.1 引言67
• 6.2 系统总体工作流程67
• 6.3 控制报警显示中心程序设计67-75
• 6.3.1 控制信号发射及频率信号接收68-69
• 6.3.2 最优测距结果的筛选69
• 6.3.3 字符图像显示及声光报警69-73
• 6.3.4 传感器设置及参数修改73-75
• 6.4 测距传感器程序设计75-79
• 6.4.1 超声波测距流程75-78
• 6.4.2 频率信号发射78-79
• 6.5 测距误差试验分析79-83
• 6.5.1 传感器试验装置80
• 6.5.2 测距范围试验分析80-81
• 6.5.3 精度及温敏特性试验81-83
• 6.5.4 试验结果分析83
• 6.6 本章小结83-85
• 第七章 总结与展望85-87
• 参考文献87-91
• 致谢91-92
• 攻读学位期间发表的学术论文92

【参考文献】

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本文编号：970227