煤矿巷道本安型围岩超声位移监测系统的设计

发布时间：2017-10-01 01:33

  本文关键词：煤矿巷道本安型围岩超声位移监测系统的设计

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【摘要】：在煤矿生产现场,测量围岩位移距离多采用超声波测距法。超声波测距原理简单,设备成本低廉,设计简单易行。但是巷道中条件恶劣,噪音干扰大,极大影响了超声波设备的正常使用,并且一般的超声波设备并不能达到煤矿生产本质安全要求。煤矿井下巷道布局复杂,空间狭长,需要架设数量较多的监测设备。传统监测设备体型较大,且需要铺设大量线缆,给现场安装和运转维护带来了极大不便。针对一般围岩超声位移监测设备不符合国家有关规范,在井下使用受环境因素影响大,以及有线传输方式带来的诸多不便,本文在研究WSN监测系统的基础上,结合煤矿巷道实际情况,设计了一种基于STM32/CC2530芯片的矿用本安型矿井巷道围岩位移监测系统,主要内容如下:1)运用序列匹配原理,设计了基于CC2530芯片的超声波围岩位移传感器,通过改进传统接收电路中的判决方式和采用分体式架构,有效降低了超声波传播过程中的能量损耗和衍射波对接受判决的干扰;设计了基于STM32芯片的采集分站,可对传感器属性进行配置并提供基本常用功能。2)通过改进时间同步通信机制,优化了煤矿井下ZigBee无线通信传输,设计了适用于狭长巷道的线型通信方式,并预留备用冗余通信链路,大大提高其扩展性的同时,提高了监测的可靠性以及智能化程度。3)根据国家标准GB3836.1-2010设计了符合要求的矿用本安型围岩位移监测系统,可工作在煤矿井下等爆炸性环境中。最后在实验室环境下对矿用本安型围岩超声位移监测系统进行测试。模拟巷道环境进行了传感器超声位移测试,结果显示传感器在5m~7m测量范围内测量值波动不超过±4mm,测量值输出稳定,测量误差不大于±10mm,且将最大测量距离提高到8m以上,优于同类型产品。搭建本安实验平台对监测系统进行了电气性能试验、电容测量试验和通讯性能测试,结果表明基本性能参数全部合格,整个系统满足高效测量,安全可靠,监测便捷的要求,达到设计目的。经过重庆煤科院有关试验测试,该监测系统符合国家相关规范。部分设备已经开始生产并安装于煤矿现场。
【关键词】：ZigBee 本安型 超声波 传感器
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD325.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-14
• 1.1 课题背景10-11
• 1.2 国内外相关技术研究现状和发展趋势11-12
• 1.3 论文内容及结构12-14
• 第二章 超声波测距与m序列14-28
• 2.1 超声波测距14-17
• 2.1.1 超声波14
• 2.1.2 超声波的特点14-15
• 2.1.3 超声波在传播过程中的衰减15-16
• 2.1.4 超声波测距及应用16-17
• 2.2 m序列17-24
• 2.2.1 二进制随机序列17-18
• 2.2.2 伪随机序列18
• 2.2.3 m序列18
• 2.2.4 m序列的产生18-21
• 2.2.5 m序列信号的性质21-22
• 2.2.6 m序列的应用22-24
• 2.3 无线传感网络24-25
• 2.4 ZigBee和CC253025
• 2.5 总体设计方案25-28
• 第三章 系统硬件设计28-44
• 3.1 超声波围岩位移传感器29-35
• 3.1.1 随机数发生器31-33
• 3.1.2 超声波发射驱动电路33-34
• 3.1.3 接收端放大电路与电平序列转换电路34-35
• 3.1.4 电源模块35
• 3.2 采集分站35-41
• 3.2.1 以太网模块38-39
• 3.2.2 光电转换模块39-40
• 3.2.3 RS-485模块40-41
• 3.3 硬件的本安设计41-44
• 第四章 系统程序设计44-54
• 4.1 超声波传感器程序设计44-45
• 4.2 CC2530通信节点45-47
• 4.2.1 通信传输方式的选择45-46
• 4.2.2 CC2530通信节点工作流程46-47
• 4.3 分站工作流程47
• 4.4 采集分站功能设计47-54
• 4.4.1 开机界面47-48
• 4.4.2 初始化操作48-52
• 4.4.3 数据查询52
• 4.4.4 高级功能介绍52-54
• 第五章 实验测试及结果分析54-62
• 5.1 编码54-55
• 5.2 初步测试55-57
• 5.3 传感器测距试验57-58
• 5.4 测距结果分析58
• 5.5 本安试验方法58-62
• 5.5.1 环境条件58-59
• 5.5.2 电气性能试验59-60
• 5.5.3 电容测量试验60
• 5.5.4 其他本安测试60-62
• 第六章 总结与展望62-64
• 6.1 总结62-63
• 6.2 展望63-64
• 附录64-66
• 1. 随机数生成表64-66
• 参考文献66-70
• 致谢70-72
• 在读期间发表的学术论文72

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本文编号：951609