畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于虛擬儀器的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、1緒 論 1.1定義 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)（coalminesafetymonitoringsystem）是具有模擬量、開(kāi)關(guān)量、累計(jì)量采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理、顯示、打印、聲光報(bào)警、控制等功能，用于監(jiān)測(cè)甲烷濃度、一氧化碳濃度、風(fēng)速、風(fēng)壓、溫度、煙霧、饋電狀態(tài)、風(fēng)門(mén)狀態(tài)、風(fēng)筒狀態(tài)、局部通風(fēng)機(jī)開(kāi)停、主通風(fēng)機(jī)開(kāi)停，并實(shí)現(xiàn)甲烷超限聲光報(bào)警、斷電和甲烷風(fēng)電閉鎖控制，由主機(jī)、傳輸接口、分站、傳感器、斷電控制器、聲光報(bào)警器、電源箱、避雷器等設(shè)備組成的系統(tǒng)。1.2項(xiàng)目研究的意義煤礦安全生產(chǎn)是各國(guó)煤炭行業(yè)的共同話(huà)題，各國(guó)政府都極為重視。中國(guó)自1949年以后，更是高度重視煤礦的安全。經(jīng)過(guò)廣大科技人員和煤礦職工的努力，安

2、全生產(chǎn)技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。煤礦安全的內(nèi)涵隨著社會(huì)的發(fā)展也在不斷豐富和擴(kuò)展。但同時(shí)我們也應(yīng)看到中國(guó)煤礦井下生產(chǎn)條件復(fù)雜，地質(zhì)條件多變，自然災(zāi)害較為嚴(yán)重。與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)的煤礦安全狀況和水平仍有相當(dāng)大的差距，形勢(shì)非常嚴(yán)峻。與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)的煤礦安全狀況不容樂(lè)觀(guān)。在中國(guó)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)門(mén)類(lèi)中，煤炭是事故最多、傷亡最大的一個(gè)行業(yè)，占工業(yè)死亡總?cè)藬?shù)的60以上。據(jù)國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局發(fā)布的全國(guó)煤礦生產(chǎn)和安全情況統(tǒng)計(jì)，我國(guó)煤礦百萬(wàn)噸死亡率仍維持在一個(gè)較高的狀態(tài)。如表1所示。表1 09至11年全國(guó)煤礦生產(chǎn)和安全情況 年份原煤產(chǎn)量（億噸）死亡人數(shù)（人）百萬(wàn)噸死亡率1）200929.6 26310.892

3、2010 32.424330.798201135.219730.564注：1）煤礦百萬(wàn)噸死亡率：即每生產(chǎn)100萬(wàn)噸煤炭允許死亡的人數(shù)比例雖然表1中顯示近年來(lái)，百萬(wàn)噸死亡率持下降趨勢(shì)，但是煤礦死亡人數(shù)仍舊過(guò)高。這種局面已經(jīng)在影響到我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，造成上述結(jié)果的因素之一，是部分煤礦安全生產(chǎn)工作不到位，在管理和生產(chǎn)上存在較大漏洞，因此盡快建立健全一套煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)以輔助煤礦企業(yè)管理安全生產(chǎn)是很有必要的。針對(duì)我國(guó)煤礦的現(xiàn)狀，一批用于井下安全監(jiān)控的系統(tǒng)正處于研發(fā)過(guò)程中，這些礦山井下安全監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)于煤礦系統(tǒng)加強(qiáng)安全生產(chǎn)管理有較好的作用。就目前煤礦安全的形勢(shì)，國(guó)家貫徹落實(shí)全國(guó)煤礦瓦斯治理現(xiàn)場(chǎng)會(huì)精

4、神和“先抽后采、監(jiān)測(cè)監(jiān)控、以風(fēng)定產(chǎn)”的方針，為保障煤礦安全生產(chǎn)，必須加強(qiáng)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)察工作。1.3項(xiàng)目研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)煤炭是我國(guó)最為重要的能源資源，煤炭生產(chǎn)的安全事關(guān)重大。我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)面臨著非常嚴(yán)峻的形勢(shì)，而廣泛應(yīng)用監(jiān)測(cè)監(jiān)控是加強(qiáng)和改進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)工作的有效手段。國(guó)有煤礦一般都安裝有安全監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)和其他一些小型系統(tǒng)，例如水文資料監(jiān)測(cè)、瓦斯傳感器管理系統(tǒng)等。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，可能會(huì)產(chǎn)生越來(lái)越多的子系統(tǒng)。但所有這些系統(tǒng)絕大多數(shù)都存在信息孤島問(wèn)題，是相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)都有自己獨(dú)立的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，調(diào)研后認(rèn)為這些系統(tǒng)有的數(shù)據(jù)冗余度較大。所以將多業(yè)務(wù)統(tǒng)一集成，充分利用監(jiān)測(cè)監(jiān)控

5、系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的利用率和清晰化，是提高煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控效果的重要方式。隨著對(duì)安全生產(chǎn)的更高要求，尤其是在煤礦安全形勢(shì)嚴(yán)峻的情況下，通過(guò)通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)全局煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的集中監(jiān)測(cè)，為局領(lǐng)導(dǎo)及相關(guān)技術(shù)人員提供各礦實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，有利于局領(lǐng)導(dǎo)對(duì)下屬各礦的管理，有利于安全生產(chǎn)和指揮調(diào)度。為適應(yīng)當(dāng)前發(fā)展需要，需盡快建立適應(yīng)局礦的網(wǎng)絡(luò)化煤礦綜合監(jiān)控信息系統(tǒng)。特別是煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)的監(jiān)管問(wèn)題，使礦區(qū)和地方管理部門(mén)能夠真實(shí)地看到安全生產(chǎn)的狀況，以便及時(shí)的制定政策，使煤礦開(kāi)發(fā)合理化、安全化，透明化。近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)要求的不斷提高和企業(yè)安全生產(chǎn)的需要，許多煤礦加大了安全投入，煤礦安全監(jiān)

6、控系統(tǒng)得到了普遍應(yīng)用。越來(lái)越多的煤礦企業(yè)裝備或更新改造了礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)，大大提高了礦井安全生產(chǎn)水平，同時(shí)也為該技術(shù)的使用、維護(hù)和發(fā)展提出了更高的要求。1.4本文的主要內(nèi)容本課題是基于虛擬儀器而設(shè)計(jì)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅提高了井下安全參數(shù)的檢測(cè)能力，并且加強(qiáng)了計(jì)算機(jī)與人的交流功能，是系統(tǒng)更為的人性化。本文的工作有：（1）調(diào)查了國(guó)內(nèi)煤礦安全生產(chǎn)情況，以及煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)煤礦生產(chǎn)中的發(fā)展情況和重要作用。（2）結(jié)合煤礦實(shí)際情況，設(shè)計(jì)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體框架。（3）根據(jù)建設(shè)綜合監(jiān)測(cè)應(yīng)用平臺(tái)的需要，主要針對(duì)關(guān)鍵技術(shù)：底層數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)冗M(jìn)行了重點(diǎn)分析。本文主要內(nèi)容有：本文首先介紹了課題的

7、研究背景和意義以及煤礦安全監(jiān)測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展，講述了論文研究的目的和意義，以及文章的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)。然后介紹本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，這里主要介紹了基于虛擬儀器的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)分析，從而給出了系統(tǒng)的原理框圖。在介紹總體設(shè)計(jì)之后本文再分別介紹了系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)過(guò)程和軟件設(shè)計(jì)過(guò)程。在模塊設(shè)計(jì)過(guò)程中主要介紹硬件設(shè)計(jì)和選擇，并分別列出了采集模塊、信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)采集卡模塊和顯示模塊的設(shè)計(jì)。而在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)介紹中，提出了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方法和使用的仿真軟件labview,給出了系統(tǒng)的軟件流程框圖，并對(duì)子程序進(jìn)行了介紹。系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試及仿真。文章最后對(duì)整篇文章的主要設(shè)計(jì)工

8、作給以簡(jiǎn)要總結(jié)，然后分析煤炭行業(yè)的業(yè)務(wù)發(fā)展和安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，并指出需要進(jìn)一步研究和完善的問(wèn)題。2系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)的方案論證與選擇國(guó)內(nèi)煤礦都安裝有煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，下面我們分別就傳統(tǒng)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)和基于虛擬儀器的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)分別加以介紹和比較。方案一：傳統(tǒng)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)國(guó)有煤礦一般都安裝有安全監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)和其他一些小型系統(tǒng)，例如水文資料監(jiān)測(cè)、瓦斯傳感器管理系統(tǒng)等。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，可能會(huì)產(chǎn)生越來(lái)越多的子系統(tǒng)。但所有這些系統(tǒng)絕大多數(shù)都存在信息孤島問(wèn)題，是相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)都有自己獨(dú)立的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，調(diào)研后認(rèn)為這些系統(tǒng)有的數(shù)據(jù)冗余度較大。傳統(tǒng)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)

9、如圖1所示。瓦斯傳感器溫度傳感器xx傳感器濕度傳感器瓦斯監(jiān)控分站溫度監(jiān)控分站濕度監(jiān)控分站壓力監(jiān)控分站數(shù)據(jù)傳輸接口地面中心站壓力傳感器xx監(jiān)控分站圖1 傳統(tǒng)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖方案二：基于虛擬儀器的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)基于虛擬儀器的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，是在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上通過(guò)增加相關(guān)硬件和軟件構(gòu)建而成，具有可視化界面的儀器，它可使任何一個(gè)用戶(hù)方便靈活的用鼠標(biāo)或按鍵在計(jì)算機(jī)顯示屏幕上操作虛擬儀器軟面板的各種“旋鈕”進(jìn)行測(cè)試工作；并可以根據(jù)不同的測(cè)試要求，通過(guò)窗口切換不同的虛擬儀器，或通過(guò)修改軟件來(lái)改變、增減虛擬儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模。虛擬儀器系統(tǒng)利用各種儀器驅(qū)動(dòng)程序和實(shí)用軟件包，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種儀器的編程控制

10、，完成數(shù)據(jù)的采集、傳輸和分析處理。該系統(tǒng)如圖2示。 瓦斯傳感器溫度傳感器xx傳感器濕度傳感器數(shù)據(jù)采集卡計(jì)算機(jī)虛擬儀器壓力傳感器圖2 基于虛擬儀器的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖該系統(tǒng)的特點(diǎn)在于：(1)性能高虛擬儀器技術(shù)是在pc技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，完全“繼承”了以現(xiàn)成即用的pc技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能超卓的處理器和文件i0，工程師在數(shù)據(jù)高速倒入磁盤(pán)的同時(shí)就能實(shí)時(shí)的進(jìn)行復(fù)雜的分析。(2)擴(kuò)展性強(qiáng)由于虛擬儀器軟件的靈活性，用戶(hù)只需更新計(jì)算機(jī)或測(cè)量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無(wú)需軟件上的升級(jí)就可以改進(jìn)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)。(3)開(kāi)發(fā)時(shí)間少在驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用兩個(gè)層面上，虛擬儀器高效的軟件架構(gòu)

11、能與計(jì)算機(jī)、儀器儀表和通訊方面的最新科學(xué)技術(shù)結(jié)合在一起。(4)軟件與硬件無(wú)縫連接虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說(shuō)是一個(gè)集成的軟硬件概念。虛擬儀器軟件平臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)就是為所有的i0設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助用戶(hù)輕松的將多個(gè)測(cè)量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。鑒于虛擬儀器的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)有以上一些特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，本文選用虛擬儀器設(shè)計(jì)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)。2.2系統(tǒng)的任務(wù)分析煤礦井下環(huán)境參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)是針對(duì)目前國(guó)內(nèi)煤礦的環(huán)境參數(shù)(包括瓦斯?jié)舛取囟?、濕度、壓力?進(jìn)行設(shè)計(jì)的。它負(fù)責(zé)對(duì)礦井下的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集、處理、分析、判斷、顯示，當(dāng)任何一個(gè)參數(shù)超出設(shè)定范圍時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)并做出相應(yīng)的處理（例如斷電）。為

12、了保證系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定，本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)由以下幾個(gè)模塊組成：（1）采集模塊，主要完成煤礦井下環(huán)境參數(shù)的測(cè)量采集。模塊包括四個(gè)傳感器：溫度傳感器、瓦斯傳感器，濕度傳感器，壓力傳感器。（2）信號(hào)處理模塊。主要是將傳感器送來(lái)的電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟鼙粩?shù)據(jù)采集卡采集的電信號(hào)。（3）數(shù)據(jù)采集卡（daq）模塊。對(duì)處理過(guò)的信號(hào)進(jìn)行采集，并傳送到地面計(jì)算機(jī)。（4）輸出模塊。通過(guò)計(jì)算機(jī)中的軟件對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理判斷，得出井下的安全現(xiàn)狀，并顯示各項(xiàng)參數(shù)。2.3系統(tǒng)的原理框圖通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的任務(wù)分析，得到系統(tǒng)的總原理框圖。如圖3示。采集模塊輸出模塊數(shù)據(jù)采集卡模塊信號(hào)處理模塊圖3 系統(tǒng)的原理框圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)

13、主要包括四大模塊，采集模塊，信號(hào)處理模塊，數(shù)據(jù)采集卡模塊，輸出模塊。 由采集模塊采集環(huán)境參數(shù)信號(hào)，通過(guò)信號(hào)處理模塊進(jìn)行處理轉(zhuǎn)變成符合數(shù)據(jù)采集卡參數(shù)要求的信號(hào)，處理過(guò)的信號(hào)在發(fā)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行判斷顯示。如圖4所示。傳感器采集信號(hào)信號(hào)處理數(shù)據(jù)采集卡采集信號(hào)計(jì)算機(jī)判斷顯示圖4 系統(tǒng)的工作流程框圖3.1采集模塊本設(shè)計(jì)中采集模塊是通過(guò)個(gè)類(lèi)傳感器對(duì)信號(hào)進(jìn)行初步采集的模塊。設(shè)計(jì)中共測(cè)取四種安全參數(shù)，分別用到了瓦斯傳感器、溫濕度傳感器和氣壓傳感器。下面我們分別介紹這幾個(gè)傳感器相關(guān)原理和參數(shù)。3.1.1瓦斯傳感器gjc4甲烷傳感器工作原理：當(dāng)儀器置于存在甲烷氣體的環(huán)境時(shí)，甲烷氣體通過(guò)儀器外殼的氣窗進(jìn)入氣室，氣室內(nèi)

14、的傳感器（載體催化元件）表面產(chǎn)生無(wú)焰燃燒，其阻值增大，使橋路輸出與甲烷濃度成正比的電信號(hào)。信號(hào)經(jīng)線(xiàn)性放大器放大后輸入a/d轉(zhuǎn)換器，經(jīng)微處理器數(shù)據(jù)處理，由數(shù)碼管顯示出甲烷濃度，并經(jīng)信號(hào)輸出電路輸出信號(hào)，供其它設(shè)備使用。儀器的報(bào)警電路是由蜂鳴器、發(fā)光二極管及驅(qū)動(dòng)電路組成，當(dāng)甲烷濃度超過(guò)設(shè)定的報(bào)警點(diǎn)時(shí)，儀器會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。當(dāng)甲烷濃度超過(guò)設(shè)定的斷電點(diǎn)時(shí)，儀器會(huì)有斷電指令信號(hào)輸出；甲烷濃度超過(guò)斷電點(diǎn)以后，只有當(dāng)甲烷濃度降低到設(shè)定的復(fù)電點(diǎn)以下時(shí)，儀器才會(huì)解除斷電指令輸出。儀器具有防沖擊保護(hù)措施，當(dāng)甲烷濃度4.00%時(shí)，數(shù)碼管閃爍、蜂鳴器鳴叫，儀器自動(dòng)對(duì)黑白元件進(jìn)行斷電保護(hù)，并恒定輸出1000hz頻率。

15、在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，我們選用了gjc4礦用低濃度甲烷傳感器。如圖5所示。圖5 gjc4礦用低濃度甲烷傳感器其輸出是2001000hz的頻率信號(hào)，相對(duì)應(yīng)的瓦斯?jié)舛确秶?4，當(dāng)檢測(cè)到的瓦斯?jié)舛瘸^(guò)給定值時(shí)，它上面的紅色led燈會(huì)閃爍，峰鳴器會(huì)連續(xù)鳴叫，提示操作人員瓦斯?jié)舛瘸蕖Ｆ渲饕獏?shù)指標(biāo)如表2示。 表2 gjc4礦用低濃度甲烷傳感器主要參數(shù)指標(biāo)項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)測(cè)量范圍（ch4）（04）%基本誤差（ch4）01.0013.003.004.000.1真值10%真值0.3真值分辨率0.01% ch4響應(yīng)時(shí)間20s工作電源dc（924）v/50ma(本安電源)輸出信號(hào)（2001000）hz、rs485（波

16、特率可調(diào)）數(shù)字信號(hào)2400bps傳輸距離2km報(bào)警方式繼續(xù)聲光報(bào)警、報(bào)警點(diǎn)連續(xù)可調(diào)聲級(jí)強(qiáng)度85db防爆型式exibd i傳感器壽命1年顯示方式4位led外型尺寸27012050mm重量1kg配套設(shè)備fyf5型礦用遙控器3.1.2溫濕度傳感器sht11非接觸式溫度傳感器：非接觸式溫度傳感器的熱敏元件與被測(cè)對(duì)象不需要接觸，主要通過(guò)物體的熱輻射原理實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。測(cè)量時(shí)不影響原有溫度場(chǎng)，適合于快速運(yùn)動(dòng)或熱容量小的對(duì)象的溫度測(cè)量，但測(cè)量精度受環(huán)境的影響較大。典型的非接觸測(cè)溫方法有輻射式測(cè)溫、亮度測(cè)溫、比色測(cè)溫及光導(dǎo)纖維測(cè)溫。濕敏電容的工作原理：濕敏電容是一種最簡(jiǎn)單的濕度傳感器，一般是用高分子薄膜電容制成

17、的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí)，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對(duì)濕度成正比。本設(shè)計(jì)采用瑞士 sensirion 公司生產(chǎn)的sht11作為系統(tǒng)溫濕度采集傳感器，其內(nèi)部電路主要由相對(duì)濕度傳感器(特殊聚合物制作成的濕敏電容)、帶隙式溫度傳感器(輸出電壓與溫度成正比，簡(jiǎn)稱(chēng)vptat)、放大器、可編程的12bita/d(sht11)轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)存儲(chǔ)器(一次性可編程，otp)、易失性存儲(chǔ)器ram、狀態(tài)寄存器、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(crc)寄存器、加熱器、低電壓檢測(cè)電路、二線(xiàn)串行接口和控制電路等12部分組成，如圖6所示。加熱器低電

18、壓檢測(cè)電路控制電路狀態(tài)寄存器crc寄存器放大器14或12bita/d易失存儲(chǔ)器ram校準(zhǔn)存儲(chǔ)器二線(xiàn)串行接口sckdatagnduddsht11/15濕度傳感器溫度傳感器圖3.40 sht11/15型濕度/溫度傳感器內(nèi)部電路框圖 圖6 sht11型濕度/溫度傳感器內(nèi)部電路框圖sht11的體積僅與火柴頭相近。如圖7示。圖7 sht11模擬信號(hào)4-20ma溫濕度傳感器根據(jù)sensirion提供的使用手冊(cè)可知，溫濕度可以選擇不同的精度，濕度有12bit和8bit兩種，溫度有12bit及14bit兩種。sht11相對(duì)濕度與數(shù)字輸出呈非線(xiàn)性關(guān)系，相對(duì)濕度需要把數(shù)字輸出經(jīng)過(guò)線(xiàn)性補(bǔ)償才可以得到，其線(xiàn)性補(bǔ)償算式

19、如公式（1）所示： rhlinearr=c1+c2sorh+c3sorh2 （1）rhlinear為線(xiàn)性補(bǔ)償后的得到的相對(duì)濕度，sorh通過(guò)總線(xiàn)讀取，式中系數(shù)取值如表3所示。表3 公式（1）中的系數(shù)取值sorhc1c2c312bit-40.0405-2.8*10-68bit-40.648-7.2*10-4經(jīng)過(guò)線(xiàn)性補(bǔ)償?shù)南鄬?duì)濕度還不能作為實(shí)際的濕度看待，即相對(duì)濕度需經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償才能轉(zhuǎn)化為實(shí)際濕度，其溫度補(bǔ)償式子如公式（2）所示：rhlinear=(t-25)(t1+t2sorh)+ rhlinear （2）公式（2）中的系數(shù)取值如表4所示。 表4 公式（2）中的系數(shù)取值sorht1t212bit

20、0.010.8*10-48bit0.010.00128經(jīng)過(guò)ad轉(zhuǎn)換得到的溫度值分辨率可達(dá)到14位，本設(shè)計(jì)中配置為14位模式，直接ad轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)變換才能得到最終的實(shí)際溫度，其變換公式如公式（3）所示：t=d1+d2sot （3）公式（3）中的系數(shù)取值如表5、表6所示。表5 公式（3）中的系數(shù)取值表1vddd1 d2 0 f5v-40.1-40.24v-39.8-39.63.5v-39.7-39.53v-39.6-39.32.5v-39.4-38.9表6 公式（3）中的系數(shù)取值表2sotd1 d2 0 f14bit0.010.01812bit0.040.072本系統(tǒng)sht11供電電源為

21、5v，配置為14位模式。在系統(tǒng)上電之后，軟件部分需要延時(shí)1lms才能對(duì)sht11進(jìn)行讀寫(xiě)操作。3.1.3 hl-dq1氣壓傳感器氣壓傳感器的工作原理：氣壓傳感器主要的傳感元件是一個(gè)對(duì)壓強(qiáng)敏感的薄膜，它連接了一個(gè)柔性電阻器。當(dāng)被測(cè)氣體的壓強(qiáng)降低或升高時(shí)，這個(gè)薄膜變形，該電阻器的阻值將會(huì)改變。電阻器的阻值發(fā)生變化。從傳感元件取得0-5v的信號(hào)電壓，經(jīng)過(guò)a/d轉(zhuǎn)換由數(shù)據(jù)采集器接受，然后數(shù)據(jù)采集器以適當(dāng)?shù)男问桨呀Y(jié)果傳送給計(jì)算機(jī)。本設(shè)計(jì)采hl-dq1氣壓傳感器，如圖8示。圖8 hl-dq1氣壓傳感器該傳感器采用進(jìn)口高精度壓力芯片，測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好。精密信號(hào)處理電路可根據(jù)用戶(hù)的不同需求將大氣壓力轉(zhuǎn)換為

22、電壓或電流等其它輸出信號(hào)。具有體積小巧，性能可靠，精度高，負(fù)載能力強(qiáng)，傳輸距離長(zhǎng)，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。可廣泛用于氣象、海洋、環(huán)境、機(jī)場(chǎng)、港口、實(shí)驗(yàn)室、工農(nóng)業(yè)及交通等領(lǐng)域。該產(chǎn)品特點(diǎn)：(1)線(xiàn)性模擬信號(hào)輸出(2)故障率小(3)功耗低、響應(yīng)速度快(4)連接簡(jiǎn)便、體積小巧(5)性?xún)r(jià)比高，專(zhuān)業(yè)級(jí)大氣壓力，應(yīng)用范圍各類(lèi)自動(dòng)氣象站的大氣壓力專(zhuān)業(yè)量 其主要參數(shù)指標(biāo)如表7所示。 表7 hl-dq1氣壓傳感器的參數(shù)指標(biāo)測(cè)量范圍5001060hpa輸出頻率/電壓/智能分辨率 0.1hpa準(zhǔn)確度0.5hpa量程0110kpa供電電源1232vdc（通常24vdc）輸出形式a:0-5vdc;b:420ma;c:rs2

23、32/rs485網(wǎng)絡(luò)通訊介質(zhì)溫度-1060 環(huán)境溫度-1060測(cè)量精度0.5非線(xiàn)性0.2f.s遲滯性與可重復(fù)性0.2f.s長(zhǎng)期穩(wěn)定性0.1f.s/年 熱力零點(diǎn)漂移0.02f.s/響應(yīng)時(shí)間30ms最大工作壓力2倍量程電氣連接接線(xiàn)端子 測(cè)量介質(zhì)空氣3.2信號(hào)處理模塊由于傳感器所采集信號(hào)不符合數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)要求，設(shè)計(jì)中對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理。信號(hào)放大模塊：傳感器的工作環(huán)境往往是較復(fù)雜和惡劣的，傳感器的兩條輸出線(xiàn)上經(jīng)常產(chǎn)生較大的干擾信號(hào)(噪聲)，特別是共模干擾。而一般運(yùn)放放大電路對(duì)共模干擾信號(hào)抑制作用不理想，為此，需要引入另一種形式的放大器，即所謂儀表放大器(或稱(chēng)為測(cè)量放大器、儀用放大器、數(shù)據(jù)放大

24、器)。儀表放大器常采用的形式為3個(gè)運(yùn)算放大器，第一級(jí)為兩個(gè)運(yùn)算放大器(a1、a2)組成的具有電壓負(fù)反饋電路，這部分電路具有雙端輸入、雙端輸出的特點(diǎn)。第二級(jí)為差動(dòng)放大器(a3)，將雙端輸入轉(zhuǎn)換為單端輸出。美國(guó)ad公司的ad521儀表放大器就是采用圖9所示的電路形式。為小信號(hào)放大和其他數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的高精度儀表放大器，它將3個(gè)運(yùn)算放大器和經(jīng)激光修正的精密電阻集成在一個(gè)單芯片上，保證了增益精度和溫度的穩(wěn)定性。 圖9 儀表放大器的電路原理圖圖9所示電路左半部分(虛框外部)為集成儀表放大器的外接電路，其中4個(gè)二極管起電壓限幅作用，4個(gè)電阻r起限流作用，都是為保護(hù)a1、a2兩個(gè)運(yùn)算放大器而設(shè)計(jì)的。此電路

25、的增益由外接電阻決定，由于限流電阻r比、小得多，忽略r不計(jì)時(shí)，儀表放大器的電壓增益為 (4)式中、這些電阻是經(jīng)過(guò)激光修正的，絕對(duì)值精度很高，這些電阻的精度和溫度穩(wěn)定性將影響儀表放大器的增益的精度和漂移。外部電阻的精度和溫度穩(wěn)定性對(duì)增益的精度和溫度穩(wěn)定性的影響可直接從增益表達(dá)式得到。減少外部電阻的阻值可獲得較大的增益，但會(huì)受到接線(xiàn)電阻的影響，當(dāng)增益為100或更大時(shí)，插座和接線(xiàn)電阻將增加增益誤差。信號(hào)濾波模塊：圖 10是一個(gè)二階高通濾波器。圖中虛線(xiàn)部分是一個(gè)無(wú)源二階高通濾波電路。為了提高它的濾波性能和帶負(fù)載的能力，將該無(wú)源網(wǎng)絡(luò)接入由運(yùn)放組成的放大電路中，組成二階有源 rc 高通濾波器。采用低通濾波

26、電路相同的分析方法，可得高通濾波電路的傳輸函數(shù)為 (5)其中，為中心頻率、為電路的增益和為電路的品質(zhì)因數(shù)。該電路的幅頻特性如圖10所示。圖10 二階高通濾波器及其幅頻特性3.3數(shù)據(jù)采集卡模塊labview（laboratory virtual instrument engineering）是一種開(kāi)放型的通用程序開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和儀器控制功能。而數(shù)據(jù)采集的硬件部分的核心是 ( data acquisition-daq)卡，它和labview有很好的接口程序，用labview實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，就是在labview中控制各種daq卡(或設(shè)備)完成特定的功能，這都離不開(kāi)da

27、q驅(qū)動(dòng)程序的支持?？梢源_定初步的設(shè)計(jì)思路：傳感器把被測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換為電量；信號(hào)調(diào)理電路對(duì)傳感器轉(zhuǎn)換的電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、隔離等預(yù)處理；數(shù)據(jù)采集卡采集信號(hào)調(diào)理電路的電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能處理的數(shù)字信號(hào)；通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序，將數(shù)字信號(hào)讀入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，以達(dá)到預(yù)期的目的。輸出模塊其中，模塊是連接硬件電路與計(jì)算機(jī)的核心模塊，可以將硬件電路的信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)。本設(shè)計(jì)中采用的數(shù)據(jù)采集卡為m系列的ni pci6220。如圖11所示。圖11 ni pci6220 ni pci6220的詳細(xì)參數(shù)如表8所示。 表8 ni pci6220的詳細(xì)參數(shù)通用總線(xiàn)類(lèi)型pcios支持windows,

28、 實(shí)時(shí)系統(tǒng), linux, mac os測(cè)量信號(hào)類(lèi)型電壓, 數(shù)字,頻率,正交編碼器labview rt支持是模擬輸入通道數(shù)16 se/8 di采樣率250 ks/s是否同步采樣否分辨率16 bits最大電壓范圍-1010 v精度范圍3100 v敏感度范圍97.6 v最小電壓范圍-0.20.2 v精度范圍112 v敏感度范圍5.2 v量程數(shù)4板上存儲(chǔ)量4095 樣本帶寬700 khz模擬輸出通道數(shù)0電流驅(qū)動(dòng)5 ma數(shù)字i/o通道數(shù)24 dio定時(shí)方式硬件, 軟件邏輯電平ttl最大時(shí)鐘速率1 mhz最大輸入范圍05 v最大輸出范圍05 v輸入電流源電流, 漏電流輸出電流源電流, 漏電流電流驅(qū)動(dòng)24

29、 ma/448 ma可編程輸入濾波器是支持模式i/o是可編程上電狀態(tài)是輸出阻抗0.2 計(jì)時(shí)器/定時(shí)器數(shù)目2分辨率32 bits最大信號(hào)源頻率80 mhz最小輸入脈沖寬度12.5 ns邏輯電平ttl 3.4輸出模塊輸出模塊是以計(jì)算及為硬件核心，以labview仿真軟件為軟件核心的模塊。由于基于虛擬儀器的系統(tǒng)的判斷和顯示都是由計(jì)算機(jī)上的labview軟件程序完成的，所以在這里只對(duì)簡(jiǎn)單的對(duì)該模塊加以說(shuō)明。該模塊主要在軟件設(shè)計(jì)部分介紹。本設(shè)計(jì)利用daq assistant將信號(hào)從硬件采集到軟件程序中，然后由系統(tǒng)軟件將信號(hào)拆分，以便對(duì)壓力、瓦斯?jié)舛纫约皽貪穸刃盘?hào)做不同的處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境參數(shù)的采集、顯

30、示以及越限報(bào)警。如圖12所示。daq信號(hào)信號(hào)拆分?jǐn)?shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)判斷數(shù)據(jù)顯示圖12 輸出模塊框架原理圖 4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件部分是本設(shè)計(jì)的中心部分。一個(gè)好的虛擬儀器系統(tǒng)都是建立在優(yōu)秀程序之上的。本章將詳細(xì)的介紹程序的設(shè)計(jì)和仿真軟件的使用。4.1軟件設(shè)計(jì)方法及仿真軟件4.1.1軟件設(shè)計(jì)分析 本設(shè)計(jì)主要是對(duì)煤礦安全中的溫度、濕度、壓力、瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測(cè)。各傳感器對(duì)環(huán)境進(jìn)行測(cè)取，測(cè)取到的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理再通過(guò)daq采集卡采集傳送至計(jì)算機(jī)虛擬儀器軟件程序。然后軟件程序通過(guò)比較測(cè)量信號(hào)和設(shè)定信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行判斷，當(dāng)環(huán)境處于危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，提示疏散作業(yè)人員，并通過(guò)空調(diào)、抽送風(fēng)等方法對(duì)環(huán)

31、境參數(shù)進(jìn)行改變。還需對(duì)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、報(bào)警歷史記錄等功能。說(shuō)以本設(shè)計(jì)必須包含溫度上下限比較程序、濕度上下限比較程序、壓力上下限比較程序、瓦斯?jié)舛缺容^及相關(guān)報(bào)警電路。4.1.2仿真軟件labviewlabview（laboratory virtual instrument engineering workbench）是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器（ni）公司研制開(kāi)發(fā)的，類(lèi)似于c和basic開(kāi)發(fā)環(huán)境，但是labview與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而labview使用的是圖形化編輯語(yǔ)言g編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。與 c 和

32、basic 一樣，labview也是通用的編程系統(tǒng)，有一個(gè)完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫(kù)。labview的函數(shù)庫(kù)包括數(shù)據(jù)采集、gpib、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，等等。labview也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)畫(huà)方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子vi）的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。labview是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言。傳統(tǒng)文本編程語(yǔ)言根據(jù)語(yǔ)句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而 labview則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了vi及函數(shù)的執(zhí)行順序。vi指虛擬儀器，是 labview的程序模塊。labview的特點(diǎn)：盡可能

33、采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件?？沙浞职l(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強(qiáng)的儀器。用戶(hù)可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。labview的未來(lái)：虛擬儀器研究的另一個(gè)問(wèn)題是各種標(biāo)準(zhǔn)儀器的互連及與計(jì)算機(jī)的連接。目前使用較多的是ieee488 或gpib協(xié)議。未來(lái)的儀器也應(yīng)當(dāng)是網(wǎng)絡(luò)化的。labview是一種圖形化的編程語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。labview集成了與滿(mǎn)足 gpib、vxi、rs-232和 rs-485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用tcp/ip、act

34、ivex等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)。這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過(guò)程都生動(dòng)有趣。圖形化的程序語(yǔ)言，又稱(chēng)為 “g” 語(yǔ)言。使用這種語(yǔ)言編程時(shí)，基本上不寫(xiě)程序代碼，取而代之的是流程圖或框圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語(yǔ)、圖標(biāo)和概念，因此，labview是一個(gè)面向最終用戶(hù)的工具。它可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率。利用 labview，可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件，它是一個(gè)真正的32位/64位編譯器。像

35、許多重要的軟件一樣，labview提供了windows、unix、linux、macintosh的多種版本。它主要的方便就是，一個(gè)硬件的情況下，可以通過(guò)改變軟件，就可以實(shí)現(xiàn)不同的儀器儀表的功能，非常方便，是相當(dāng)于軟件即硬件！現(xiàn)在的圖形化主要是上層的系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)出圖形化的單片機(jī)編程系統(tǒng)，不斷完善中。4.2系統(tǒng)的軟件流程圖 通過(guò)對(duì)系統(tǒng)軟件的分析思考得出系統(tǒng)的軟件原理框圖如圖13示?；谔摂M儀器的煤礦安全監(jiān)控報(bào)警及清除信號(hào)采集參數(shù)顯示信號(hào)處理信號(hào)分離圖13 系統(tǒng)軟件原理框圖4.3子程序及流程圖4.3.1溫度模塊設(shè)計(jì)過(guò)低或過(guò)高的環(huán)境溫度都會(huì)對(duì)礦井下的工作人員的身體健康造成傷害，所以我們編寫(xiě)的

36、溫度控制程序必須包括當(dāng)前溫度和所設(shè)置的上下限溫度比較，同時(shí)必須有自動(dòng)報(bào)警功能。當(dāng)前溫度的顯示也是必須實(shí)現(xiàn)的。設(shè)計(jì)做出溫度程序的功能框圖，如圖14所示。溫度程序溫度上限設(shè)置設(shè)置溫度下限設(shè)置溫度下限報(bào)警溫度上限報(bào)警溫度顯示 圖14 溫度程序所實(shí)現(xiàn)的功能框圖根據(jù)圖14所實(shí)現(xiàn)的模塊，編寫(xiě)設(shè)計(jì)的程序如圖15示。 圖15 溫度程序的程序框圖分離出的信號(hào)，經(jīng)過(guò)加強(qiáng)、放大處理，得到所需數(shù)據(jù)，然后顯示并與所設(shè)置的溫度上下限進(jìn)行比較，并提示當(dāng)前情況。在這里我們還對(duì)過(guò)去24小時(shí)溫度平均值進(jìn)行了顯示，程序如圖16所示。圖16 過(guò)去24小時(shí)溫度平均值程序框圖 為了便于數(shù)據(jù)的觀(guān)察，應(yīng)當(dāng)將說(shuō)有溫度顯示板塊放到同一區(qū)域。所以

37、子程序的設(shè)計(jì)中將上述兩個(gè)子程序的前面板調(diào)整到了一起，如圖17所示。圖17 溫度程序的前面板4.3.2瓦斯?jié)舛饶K設(shè)計(jì)礦井下最大的危害莫過(guò)于瓦斯，瓦斯不僅對(duì)人的身體健康有害，并且當(dāng)瓦斯?jié)舛冗^(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生爆炸。所以我們必須對(duì)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)控。因?yàn)樵诘V井下，瓦斯?jié)舛仍降驮胶?。所以子程序只需?duì)當(dāng)前濃度和設(shè)置濃度進(jìn)行比較，并提示報(bào)警。同樣設(shè)計(jì)中也給出了當(dāng)前濃度的顯示。濃度程序?qū)崿F(xiàn)的功能如圖18示。 瓦斯?jié)舛瘸绦蛲咚節(jié)舛蕊@示濃度上限設(shè)置濃度上限報(bào)警 圖18 瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控的功能框圖據(jù)以上功能的實(shí)現(xiàn)，所編寫(xiě)的瓦斯?jié)舛瘸绦蛉鐖D19所示。 圖19 瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控程序瓦斯?jié)舛瓤刂瞥绦虻那懊姘迦鐖D20所示。圖20瓦斯?jié)舛?/p>

38、控制程序的前面板4.3.3濕度模塊設(shè)計(jì) 環(huán)境濕度情況是影響人身體健康安全的一個(gè)重要因素，只有在合適的濕度條件下，人們才能更好的工作。濕度不僅與健康機(jī)密相連，而且當(dāng)濕度過(guò)高時(shí)會(huì)加快井下設(shè)備的腐蝕。這里我們主要實(shí)現(xiàn)濕度的顯示，設(shè)置及報(bào)警提示功能。濕度程序所應(yīng)實(shí)行的功能如圖21所示。濕度監(jiān)控程序下限提示報(bào)警上限提示報(bào)警濕度顯示濕度下限設(shè)置濕度上限設(shè)置 圖21 濕度監(jiān)控程序所實(shí)現(xiàn)功能框圖據(jù)以上功能，設(shè)計(jì)的濕度監(jiān)控程序如圖22所示。 圖22 濕度監(jiān)控程序框圖 濕度監(jiān)控程序的前面板如圖23所示。圖23 濕度監(jiān)控程序前面板4.3.4壓力模塊設(shè)計(jì)人每時(shí)每刻都處于大氣中，合適的大氣壓力使人們感到舒適。當(dāng)大氣壓力

39、過(guò)高時(shí)，人的身體會(huì)感覺(jué)到沉悶，緊張。當(dāng)大氣壓力過(guò)低時(shí)，會(huì)感到呼吸困難。這里編寫(xiě)一個(gè)壓力上下限設(shè)置、顯示及過(guò)限提示報(bào)警的程序。程序所實(shí)現(xiàn)的功能如圖24示。壓力監(jiān)控程序下限提示報(bào)警上限提示報(bào)警壓力顯示壓力下限設(shè)置壓力上限設(shè)置 圖24 壓力監(jiān)控程序所實(shí)現(xiàn)的功能框圖據(jù)以上的功能，編寫(xiě)的程序如圖25所示。 圖25 壓力監(jiān)控程序框圖壓力監(jiān)控程序的前版面如圖26示。 圖26 壓力監(jiān)控程序的前面板4.4系統(tǒng)的總程序圖基于虛擬儀器的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)可以看作是采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)判斷顯示報(bào)警模塊、報(bào)警歷史清除模塊的有機(jī)結(jié)合。也就是說(shuō)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)這些模塊所能實(shí)現(xiàn)的所有功能，必將這些功能組合在了一起。在熟

40、悉前幾章的準(zhǔn)備工作后，就可以著手設(shè)計(jì)該系統(tǒng)。首先，先利用數(shù)據(jù)采集卡功能實(shí)現(xiàn)采集相互轉(zhuǎn)換，然后就是核心程序，利用daq實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，再利用各個(gè)子程序?qū)崿F(xiàn)報(bào)警。最后實(shí)現(xiàn)全部功能的程序框圖如圖27所示。 圖27 系統(tǒng)的總程序框圖總程序?qū)?yīng)的前面板如圖28示。 圖28 系統(tǒng)的總前面板該系統(tǒng)集合了采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)判斷顯示三個(gè)模塊的所有功能，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)溫濕度、壓力、瓦斯?jié)舛炔杉?、?bào)警等監(jiān)控系統(tǒng)所有的功能。5系統(tǒng)的調(diào)試及仿真5.1程序的運(yùn)行當(dāng)編寫(xiě)完成一個(gè)虛擬儀器vi程序后，若想檢驗(yàn)程序是否正確，在前面板和程序框圖工具條上找到運(yùn)行按鈕，單擊該按鈕運(yùn)行，使程序運(yùn)行一次，程序運(yùn)行后該按鈕變成形狀。

41、如果想讓程序連續(xù)運(yùn)行，單擊連續(xù)運(yùn)行按鈕，程序即可連續(xù)運(yùn)行。停止按鈕用于在程序運(yùn)行中非正常的停止程序運(yùn)行，在程序運(yùn)行后該按鈕由暗變亮。暫停按鈕用于在程序運(yùn)行時(shí)讓程序暫停，單擊該按鈕，程序暫停，停止當(dāng)前執(zhí)行到的地方，停止單擊，程序繼續(xù)運(yùn)行。5.2程序調(diào)試技術(shù)1.找出語(yǔ)法錯(cuò)誤 若一個(gè)vi程序不能執(zhí)行，運(yùn)行按鈕會(huì)變成一個(gè)折斷的箭頭，這表示該vi存在錯(cuò)誤。單擊該折斷的箭頭或使用菜單命令windows-show error list，則labview彈出錯(cuò)誤清單窗口，雙擊其中任何一個(gè)列出的錯(cuò)誤，則出錯(cuò)的對(duì)象或端口都就會(huì)變成高亮。2.設(shè)置程序高亮度運(yùn)行單擊程序框圖工具條上的高亮執(zhí)行按鈕，則它變成高亮的形式，

42、單機(jī)運(yùn)行按鈕，vi程序就以較慢的速度運(yùn)行，并在程序運(yùn)行中用氣泡顯示數(shù)據(jù)沿著連線(xiàn)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)流向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的情況。這樣就可以根據(jù)數(shù)據(jù)的流動(dòng)狀態(tài)跟蹤程序的執(zhí)行，再次按下高亮執(zhí)行按鈕，程序回復(fù)正常運(yùn)行。3.單步執(zhí)行為查找程序中的邏輯錯(cuò)誤，可以讓程序框圖一個(gè)節(jié)點(diǎn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)地執(zhí)行，這就是單步執(zhí)行。單擊工具條的單步執(zhí)行按鈕或，激活單步執(zhí)行，閃爍的節(jié)點(diǎn)表示該節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備執(zhí)行。激活單步執(zhí)行后，按鈕稱(chēng)作單步進(jìn)入，按鈕乘坐單步跨越。再次按下單步執(zhí)行按鈕，閃爍的節(jié)點(diǎn)被執(zhí)行，下一個(gè)將要執(zhí)行節(jié)點(diǎn)變?yōu)殚W爍。單擊按鈕，結(jié)束正在執(zhí)行的節(jié)點(diǎn)。4.斷點(diǎn)斷點(diǎn)工具用于使程序在某處暫停執(zhí)行，以便使用探針或單步方式觀(guān)察中間結(jié)果。用該工具單擊希望

43、設(shè)置或清除斷點(diǎn)的地方，則斷點(diǎn)被設(shè)置或清除。斷點(diǎn)的顯示對(duì)于節(jié)點(diǎn)或者圖框表示為紅框，對(duì)于連線(xiàn)表示為紅點(diǎn)。當(dāng)vi程序運(yùn)行到斷點(diǎn)處，程序被暫停在將要執(zhí)行的節(jié)點(diǎn)處，以閃爍表示。按下單步按鈕，進(jìn)入單步狀態(tài)。5.探針探針工具用于程序執(zhí)行時(shí)顯示流經(jīng)某一連接線(xiàn)的數(shù)據(jù)值。用該工具單擊希望放置探針的連接線(xiàn)，這時(shí)會(huì)彈出一個(gè)探針顯示窗口。通過(guò)該窗口，觀(guān)察流過(guò)數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息。探針結(jié)合高亮執(zhí)行、單步執(zhí)行和斷點(diǎn)等工具可以使程序調(diào)試相當(dāng)迅速、有效。5.3系統(tǒng)的運(yùn)行1.硬件設(shè)置采用daqmx采集卡。雙擊，打開(kāi)my system下拉菜單，右擊date neighborhood，選create new指令，選取ni-daqmx ta

44、st，點(diǎn)擊next，再選取generate signals的下拉菜單中analog output的命令，之后選擇voltage，選擇通道，選好后就可以進(jìn)行設(shè)置：系統(tǒng)自動(dòng)把設(shè)備號(hào)device=1;模擬輸入ai：范圍-1010v輸入圖形：input configuration=res（單端輸入）采樣率：rate=1000hz采樣點(diǎn)：samples to read=1002.程序運(yùn)行由于實(shí)驗(yàn)室條件限制，只利用模擬信號(hào)調(diào)試。系統(tǒng)開(kāi)始采集數(shù)據(jù)后，可以在系統(tǒng)前面板設(shè)置溫濕度及壓力的上下限，濃度的上限（也可以在系統(tǒng)運(yùn)行前，進(jìn)行設(shè)置）。在煤礦井下的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)國(guó)內(nèi)都給出了相關(guān)數(shù)據(jù)。在這里，我們基于國(guó)家安監(jiān)總局

45、給定的安全參數(shù)給定了各項(xiàng)數(shù)據(jù)的限位設(shè)定。井下溫度下限設(shè)定為18攝氏度，上限設(shè)定為28攝氏度。空氣的相對(duì)濕度上限設(shè)定為75%rh，下限設(shè)定為45%rh（空氣中實(shí)際所含水蒸汽密度和同溫度下飽和水蒸汽密度的百分比值，叫做空氣的相對(duì)濕度）。壓力上限設(shè)定為120%個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，下限設(shè)定為80%個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。瓦斯?jié)舛壬舷迍t設(shè)定為15。各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的限數(shù)設(shè)定如圖29所示。 圖29 各項(xiàng)環(huán)境限位的設(shè)定界面按照上面的步驟，進(jìn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)調(diào)試，仿真結(jié)果1如圖30所示： 圖30 系統(tǒng)的仿真結(jié)果1 由圖可知，井下當(dāng)前溫度為24度，過(guò)去一天的溫度平均值為18度，濕度為66rh，壓力為104%個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，瓦斯?jié)舛葹?5。

46、這些數(shù)據(jù)都未超過(guò)或低于所設(shè)定限值，所以礦井下是安全的。 仿真結(jié)果2如圖31和圖32所示。 圖31 系統(tǒng)的仿真結(jié)果2 圖32 濃度高于上限的仿真結(jié)果 由圖可知，系統(tǒng)當(dāng)前溫度為25度，過(guò)去一天的溫度平均值為21度，濕度為72rh，壓力為114%個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，瓦斯?jié)舛葹?7。溫度、濕度、壓力都未超過(guò)或低于設(shè)定的安全限位，瓦斯?jié)舛葎t超出設(shè)定值2。此時(shí)，濃度監(jiān)控會(huì)做出高于上限的提示并且蜂鳴器發(fā)出報(bào)警。仿真結(jié)果3如圖33和圖34所示。 圖33系統(tǒng)的仿真結(jié)果3圖34溫度高于上限的仿真結(jié)果由圖可知，系統(tǒng)當(dāng)前溫度為31度，過(guò)去一天的溫度平均值為18度，濕度為53rh，壓力為91%個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，瓦斯?jié)舛葹?。壓力

47、、濕度、瓦斯?jié)舛榷嘉闯^(guò)或低于設(shè)定的安全限位，溫度度則超出設(shè)定值3度。此時(shí)，溫度監(jiān)控會(huì)做出高于上限的提示并且蜂鳴器發(fā)出報(bào)警。仿真結(jié)果4如圖35和圖36所示。 圖35仿真結(jié)果4圖36 溫度低于下限的仿真結(jié)果由圖可知，系統(tǒng)當(dāng)前溫度為13度，過(guò)去一天的溫度平均值為18度，濕度為45rh，壓力為85%個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，瓦斯?jié)舛葹?。壓力、濕度、瓦斯?jié)舛榷嘉闯^(guò)或低于設(shè)定的安全限位，溫度度則低出設(shè)定值5度。此時(shí)，溫度監(jiān)控會(huì)做出低于下限的提示并且蜂鳴器發(fā)出報(bào)警。 壓力超出上限，壓力低于下限，濕度高于上限，濕度低于下限的仿真結(jié)果和溫度相似，在這里就不多做介紹了。6結(jié) 論本文針對(duì)現(xiàn)有礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)存在的不足，設(shè)

48、計(jì)了一種將壓力、瓦斯及溫濕度等信息檢測(cè)集成一體的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，用以降低煤礦百萬(wàn)噸傷亡率等問(wèn)題。圍繞這些問(wèn)題，本文完成了以下主要工作，綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、傳感器技術(shù)等，研制出了一套基于虛擬儀器技術(shù)的礦山井下安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備瓦斯檢測(cè)、溫濕度檢測(cè)、瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)報(bào)警等功能。系統(tǒng)樣機(jī)已在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)調(diào)試成功，性能測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性，符合井下安全生產(chǎn)的要求。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了具體功能的使用及其可擴(kuò)展性、升級(jí)版本的可延續(xù)性，預(yù)留了一些功能接口及擴(kuò)展接口，在該設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上可以方便地進(jìn)行進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，以滿(mǎn)足不同情況的具體需求。本系統(tǒng)所涉及技術(shù)領(lǐng)域較廣，作者的系

49、統(tǒng)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)不足，因此，盡管本文的研究取得了階段性成果，但仍存在一些不足和需改進(jìn)的地方：(1)論文所涉及的重點(diǎn)在于井下井下四種安全參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，而對(duì)其他一些問(wèn)題如監(jiān)控主機(jī)監(jiān)控及遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)的整體可靠性等，由于時(shí)間的關(guān)系還沒(méi)有深入研究。(2)針對(duì)井下較為惡劣的環(huán)境，需要對(duì)系統(tǒng)防爆結(jié)構(gòu)、軟硬件的抗干擾性和穩(wěn)定性等因素進(jìn)行更為深入的研究和設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)功能的擴(kuò)展方面，還可以添加更多的功能模塊，實(shí)現(xiàn)如井下車(chē)輛調(diào)度管理，風(fēng)機(jī)啟停運(yùn)作管理，以及抽水機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，并且在低功耗小模塊發(fā)展趨勢(shì)下，無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)在井下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳送完全可以大大得到應(yīng)用的。(3)系統(tǒng)中控制模塊未完成，因此，

50、后續(xù)的研究工作應(yīng)將此項(xiàng)規(guī)劃并入規(guī)程。礦山井下環(huán)境復(fù)雜，變化多端，除了一些非人為因素外，還有很多需要考慮的因素，包括人為因素，實(shí)際應(yīng)用的安全監(jiān)控系統(tǒng)要把諸多不同的因素考慮在一起。參考文獻(xiàn)1閆曉梅，張記龍，張志偉基于虛擬儀器的瓦斯?jié)舛葯z測(cè)系統(tǒng)陰j中北大學(xué)學(xué)報(bào)，200627(1)2高迎慧，王文，薛永存基于分批估計(jì)理論與虛擬儀器的瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)j傳感器與微系統(tǒng)，200726(4)3李震，柯旭貴，汪云祥虛擬儀器的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀與展望j安徽工程科技學(xué)院學(xué)報(bào)，200318(4)4夏巍，丁剛，嚴(yán)輝基于can總線(xiàn)的智能煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)陰工礦自動(dòng)化，2006(6)5周邦全煤礦安全檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展歷程和趨

51、勢(shì)陰礦業(yè)安全與環(huán)保，200734卷增刊6李云志虛擬儀器技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)j電子科學(xué)技術(shù)評(píng)論，2005(4)7周求湛，錢(qián)志鴻，劉萍萍，戴宏亮虛擬儀器與labviewamt7 express程序設(shè)計(jì)m北京：北京航空航天大學(xué)出版社，20048陳思，黃亞宇虛擬儀器技術(shù)概述j機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，200720(3)9史君成，張淑偉，律淑珍labwindows虛擬儀器設(shè)計(jì)m北京：國(guó)防工業(yè)出版社，200710張重雄虛擬儀器技術(shù)分析與設(shè)計(jì)m北京：電子工業(yè)出版社，200711力世豪pxi技術(shù)發(fā)展與近況j儀表技術(shù)，2003(3)12陳樺profibusdp現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)及其在火電廠(chǎng)的應(yīng)用j浙江電力，2006413陽(yáng)憲惠工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)m北京：清華大學(xué)出版社，200314王汝琳礦井瓦斯傳感器的近代研究方法及方向d北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，20074翻譯：1 yan xiaomei , zhang jilong , zhang zhiwei . based on the virtual instrument of gas concentration detection system yin j . journal of north central university, 2006 .27(1).2 high yin