矿用倒车预警系统研究与设计

发布时间：2020-07-08 10:28

【摘要】：我国是煤炭生产和消费大国,煤炭的安全生产关系着国民经济的健康发展,无轨胶轮车等矿用运输车辆的广泛应用在提高煤炭生产和运输效率的同时,由于煤矿井下的空间狭小且光线昏暗、设备繁杂等诸多条件限制,驾驶员在倒车过程中面临着极大的倒车风险,为安全生产埋下隐患。因此需要设计一套矿用倒车预警系统,以提高行车安全性。超声测距系统是倒车预警系统的重要组成部分,然而传统的超声测距装置在驱动电路中引入中周变压器以满足超声换能器的驱动要求,但由于其电感非线性特征的影响,导致储能远高于点燃爆炸性气体所需的最小能量,极易引燃煤矿井下的爆炸性气体,引发安全事故。为此我们开展了相应技术研究,设计了无变压器的超声驱动电路并进行本质安全参数计算,并在此基础上设计了由无变压器超声测距系统、FPGA倒车影像系统和测距数据与视频融合系统三个子系统构成的矿用倒车预警系统。系统采用本安电源供电,在完成各子系统电源电路的基础上,通过设计外围电路和通信电路,完成以elmos芯片为核心的无变压器超声测距硬件电路,并根据其测距时序和指令集利用STC处理器的边沿捕获功能,实现距离测量和数据发送,同时利用低导通电阻的模拟开关芯片,实现四路超声测距;在设计FPGA外围电路基础上,利用QuartusII软件进行Verilog编程,实现视频解码芯片ADV7180的通信配置、PAL视频读取和色彩空间转换及TFTLCD的驱动,完成倒车影像视频信号的解码与显示;通过对LIN总线和OSD芯片MAX7456的外围电路及通信时序与控制指令研究,明确了视频信号融合流程,利用LIN通信接收超声测距系统的距离数据,并采集视频信号实现复合视频信号的数据融合输出和显示。在验证各子系统硬件、软件功能的基础上,完成全系统的调试,实验表明测距系统可以实现四路距离测量,且测量范围为250~2700mm,误差小于30mm;测量波动小于10mm;通过LIN总线可进行可靠、准确的数据传输,本系统能实现含有距离信息在内的视频融合信号的800*480分辨率的TFTLCD显示。本矿用倒车预警系统的研制为在燃爆环境下提高行车安全提供了一种可行的方案,驾驶员在实时观察后视镜视觉盲区影像的同时能够准确了解障碍物的实时距离。本系统对于降低煤矿井下倒车事故的发生,保证煤矿井下工作人员的生命和财产安全具有重要意义。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD525
【图文】：

曲线,电容型,电路,曲线

放电能量如式（2-13）：0( ) ( )TW U t i t dt 能量损失，则评定电路是否本安的判别方法如式（2-1minW W、电容的放电能量，则按照式（2-15）进行计算22C1212LW LIW CU 燃曲线法，如图 2-6 所示，针对不同环境气体（I 类甲类氢气）下，不同典型电路（电阻、电容、电感）和材质绘制的反映电压、电流、电感和电容相互关系和点燃特值大小，以得到电路安全性评价标准。

波形,驱动脉冲,超声换能器,回波

太原理工大学硕士研究生学位论文.3 驱动电路性能测试及本安参数计算（1）驱动能力测试根据图 3-4 所示的无变压器超声驱动电路，利用两个型号相同的超声换能器，分别为超声波发出与接收端，两换能器正面相对且其距离为 50cm，利用本安电源提供电，经处理后得到 12V 驱动电压，所得到的超声波发送换能器两端驱动脉冲和超声波接换能器两端回波波形如图 3-5 所示。可以看到，驱动脉冲电压为 12V，且驱动频率为 58kHz，回波为电压为 14mV，即证明该驱动电路可以实现对换能器的有效驱动。

曲线,电平图,电平,电平变化

图 3-12 R1为 1 kΩ时的 IO 通信电平图Fig.3-12 Diagram of the level on IO communication（R1=1kΩ）2 中两条曲线分别为图 3-11 中电阻 R1为 1 kΩ情况下，测距进行0 芯片 RXD 端口的电平变化情况。在控制器发测距指令期间（TO 接口电压而变化（115μs 的显性电平），但在 T1、T2时刻，虽然距信息，且 IO 线产生了电平变化，但 RXD 端电压未发生变化，”电平为 5.8V，超出了 TJA1020 对低电平最高电压的判定阈值，因此需要对硬件电路进行改进。3（a）、图 3-13（b）分别为 R1取值为 2kΩ和 3.5kΩ时，系统测距可实现测距指令发送（分别为 123μs、128μs 的显性电平），且在电平下降到低电平时，RXD 的电平也随之发生变化，此时 IO 接别为 4.0V 和 3.2V，符合 IO 接口对低电平的规定，因此会在 RX取 2 kΩ和 3.5 kΩ时电路可以完成正常通信与数据

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