智能型數字壓力計的設計與在煤礦下的應用

智能型數字壓力計的設計與在煤礦下的應用名目TOC\o"1-3"\h\z\u摘要PAGEREF_Toc239735610\h2ABSTRACTPAGEREF_Toc239735611\h3第一章緒論PAGEREF_Toc239735612\h5課題研究背景和意義PAGEREF_Toc239735613\h5煤礦壓力計的開展方向[5]PAGEREF_Toc239735614\h6論文的要緊工作PAGEREF_Toc239735615\h6第二章總體設計方案PAGEREF_Toc239735616\h8煤礦數字壓力計的要緊功能PAGEREF_Toc239735617\h82.2煤礦數字壓力計的技術指標[6][7]PAGEREF_Toc239735618\h82.3煤礦數字壓力計的總體設計框圖PAGEREF_Toc239735619\h8第三章智能型數字壓力計模塊設計PAGEREF_Toc239735620\h103.1硬件電路概述PAGEREF_Toc239735621\h103.2微控芯片的簡介[11][12][13]PAGEREF_Toc239735622\h103.3壓力變送模塊的設計PAGEREF_Toc239735623\h12壓阻式壓力傳感器的測量原理PAGEREF_Toc239735624\h12小信號采集變換模塊PAGEREF_Toc239735625\h13A/D采樣模塊PAGEREF_Toc239735626\h133.4紅外采集模塊的設計PAGEREF_Toc239735627\h15紅外發(fā)送模塊的設計PAGEREF_Toc239735628\h15紅外接收模塊的設計PAGEREF_Toc239735629\h173.5其他相關電路的設計PAGEREF_Toc239735630\h19低功耗電源電路設計PAGEREF_Toc239735631\h19壓力顯示模塊設計PAGEREF_Toc239735632\h20數據存儲模塊設計PAGEREF_Toc239735633\h223.6本章小結PAGEREF_Toc239735634\h28第四章上位機監(jiān)控分析軟件的設計PAGEREF_Toc239735635\h294.1軟件開發(fā)軟、硬件環(huán)境PAGEREF_Toc239735636\h294.2軟件總體功能概述PAGEREF_Toc239735637\h294.3軟件子模塊介紹PAGEREF_Toc239735638\h30數據通信子模塊PAGEREF_Toc239735639\h30系統(tǒng)參數設置子模塊PAGEREF_Toc239735640\h34數據查詢模塊PAGEREF_Toc239735641\h36數據圖表分析模塊[31-42]PAGEREF_Toc239735642\h37數據庫治理模塊PAGEREF_Toc239735643\h434.4本章小結PAGEREF_Toc239735644\h44第五章總結與展瞧PAGEREF_Toc239735645\h44參考文獻：PAGEREF_Toc239735646\h47附錄1：采集終端原理圖PAGEREF_Toc239735647\h50附件2：智能型數字壓力采集終端PAGEREF_Toc239735648\h51摘要近年來，我國煤礦平安事故頻繁發(fā)生，其中要緊是瓦斯和頂板事故，煤礦頂板事故對礦井平安生產危害極大。從我國煤礦事故統(tǒng)計來瞧，頂板事故一直居各類事故之首。對煤礦頂板的壓力情況進行監(jiān)測與操縱是減少頂板事故和實現礦山科學治理最有效的手段之一。然而目前我國盡大多數煤礦井下頂板壓力檢測一般采納機械式、液壓式瞧測儀器，精度低，工作效率低下。而國外較先進的礦井壓力監(jiān)測系統(tǒng)，配置復雜，采納有線的通信方式，布線、維護也比立困難。因此，研制一種新型的測量精度高、待機時刻長、通信簡便、價格適中、操作方便、工作性能優(yōu)良的便攜式煤礦壓力瞧測設備勢在必行。本文依據煤礦平安標準，認真分析了目前我國各種礦山壓力瞧測儀器存在的缺乏，考慮到煤礦井下的實際環(huán)境，研制了一種基于紅外線數據采集的新型煤礦壓力采集和智能分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩局部組成，即智能型煤礦壓力數據采集裝置和上位機智能化分析軟件，前者采納了低功耗微處理機PIC16F716實現數據采集，后者利用微機強大的處理能力實現壓力數據的度量與分析。整個系統(tǒng)采納低功耗設計，其中，煤礦壓力數據采集裝置能夠定時采集和存儲頂板壓力數據、紅外線接收命令后將格式化壓力數據和自身編號一起發(fā)送出往、中斷觸發(fā)現場顯示當前的壓力數據。上位機智能分析軟件采納圖形化界面顯示，所有功能通過鼠標即可操作。該軟件實現系統(tǒng)初始化、串口接收并存儲煤礦壓力數據采集裝置的壓力數據、圖表顯示各個采集點壓力數據、分析各個采集點壓力數據和數據庫備份、恢復和刪除等操作。首先，文章簡要的闡述了采集裝置的功能劃分、總體思想設計、通信方式的選取。然后分不依據采集裝置的功能要求，對其硬件電路設計和軟件程序設計局部展開具體的介紹。通過實際使用證實，本系統(tǒng)的硬件和軟件程序工作可靠，操作方便。整個系統(tǒng)具有測量精度高、體積小、功耗低等特點。它的研制對提高我國煤礦頂板壓力檢測的自動化程度，保障我國煤炭行業(yè)的高效率平安生產有重要的意義。要害字:礦山壓力檢測、數據采集、智能化分析、低功耗、壓力傳感器ABSTRACTInrecentyears,China'scoalminesafetyaccidents,mostofwhicharegasandroofaccidents,haveoccurredfrequently,androofaccidentshavegreatharmonsafeproductionofmine.AccordingtothestatisticsfromChina'scoalmineaccidents,wecanseethatroofaccidentshavebeenthetopamongvarioustypesofaccidents.Monitoringandcontrollingthepressureontheroofofmineisoneofthemosteffectivemeanstoreduceroofaccidentsandrealizethescientificmanagementofmine.However,mechanical,hydraulicobservationinstrumentsareusedinmajorityofChina'scoalmineroofpressuretest,andtheirprecisionandworkefficiencyarelow.Themoreadvancedforeignminepressuremonitoringsystemsconfigurewithcomplexity,bymeansofwiredcommunication,thus,thewiringandmaintenanceisalsomoredifficult.Therefore,thedevelopmentofanewtypeofportablecoalminepressureobservationequipmentofhighaccuracy,longstandbytime,andsimplecommunication,affordable,easytooperate,goodworkperformanceisimperative.Basedonthesafetystandardsofcoalmine,thispaperanalyzesthedeficienciesofcurrentvariouspressureobservationequipmentofminingcarefully.Takingintoaccounttheactualcoalmineenvironment,anewtypeofcoalminepressureacquisitionandintelligentanalysissystembasedontheinfrareddatacollectionhasbeendeveloped.Thesystemisformedbytwocomponents,intelligentminepressuredataacquisitiondeviceandintelligentanalysissoftwareofhostcomputer,theformeradoptsalow-powermicroprocessorPIC16F716toacquirethedata,andthelatterusestheprocessingpowerofcomputertoachievethemeasurementandanalysisofpressuredata.Theentiresystemuseslow-powerdesign,inwhichcoalpressuredataacquisitiondevicecancaptureandstoreroofpressuredatatiming;infraredsendouttheformattedpressuredatatogetherwiththeirownnumbersafterreceivingthecommand，interrupttriggeringon-sitedisplaysthecurrentpressuredata.Theintelligentanalysissoftwareofhostdisplaybygraphicalinterface,allfunctionscanbeoperatedbymouse.Thesoftwarecouldachievesuchfunctionsassysteminitialization,serialport’sreceivingandstoringthecoalminepressuredataandpressuredataofacquisitiondevice,showingthepressuredataofvariouscollectionpointsbychart,analysisthepressuredataofvariouscollectionpoints,andbackup,restore,anddeleteofdatabase.First,thepaperbrieflydescribesthefunctiondivisionofcollectingdevicesandtheoveralldesign.Andthenintroducesitshardwarecircuitdesignandsoftwareprogrammingpartindetailaccordingtothefunctionalrequirementsofcollecteddevice.Practicaluseprovesthatthehardwareandsoftwareofthesystemworkreliablyandareeasytooperate.Thewholesystemhassuchconsumptionsashighaccuracy,smallsizeandlowpower.ItsresearchanddevelopmenthaveanimportantsignificanceonimprovingtheautomationdegreeofChina'scoalmineroofpressuretestandensuringthehighefficiencyandsafeproductionofChina'scoalindustry.Keywords:pressuretestofrock,datacollection,intelligentanalysis,low-power,pressuresensor緒論課題研究背景和意義煤炭是我國最重要的一次性能源，煤炭工業(yè)是國民經濟的要緊根底產業(yè)，對國家經濟開展起著重要作用。然而煤炭行業(yè)由于資源存在條件特別、工作環(huán)境惡劣等因素。近年來，煤礦重特大事故時有發(fā)生，平安生產形勢十分嚴峻。因此高技術、智能化測量監(jiān)控設備已成為煤礦開采不可或缺的輔助設備。早在1987年原煤炭工業(yè)部頒發(fā)的?煤炭工業(yè)技術政策?第39條“礦山壓力測量〞中[1]:“各礦區(qū)對采煤工作面和井巷進行礦壓瞧測，依據巖層性質、頂板壓力、頂板下沉量和下沉速度、放頂步距、周期來壓等數據，逐步摸清本礦區(qū)的礦壓規(guī)律，制定本礦區(qū)的頂板分類標準。作為采區(qū)設計、巷道布置、設備選型、支護設計、頂板操縱的依據[2][3][4]。〞這充分的講明了礦山壓力瞧測的重要性及在煤礦生產中的地位。隨著科學技術的開展，液壓技術在煤炭采掘機械中得到了愈來愈廣泛的應用。目前，我國盡大多數煤礦回采工作面采納自移式液壓支架，它以高壓液體為動力，由金屬構件和假設干液壓元件組成，使支架的支撐、切頂、移架和輸送機推移等工序全部實現了機械化。液壓支架的使用大大地改善了回采工作面的工作條件、落低了人們的勞動強度，有效地增加了勞動平安性，使工作面的產量和效率得到了特別大的提高，并為工作面的自動化制造了條件。在液壓系統(tǒng)中，壓力是特不重要的參數，當壓力超過或低于限定值時系統(tǒng)就會發(fā)生故障，從而對人身和財產平安構成特別大威脅。液壓檢測不僅能夠為綜采支架支撐的工作阻力和頂板壓力情況提供可靠的數據，而且能夠通過分析該數據來推測頂板壓力，預防事故發(fā)生[2]。可見，液壓支架的壓力檢測是特不重要的。那個地點提到的壓力，實際上指的是壓強，即作用在單位面積上的壓力，國際單位為Pa。因為實際工作中，壓力的工作介質為氣體、油和水，而這些工作介質能夠傳遞的只有壓強。壓力計量實指對壓強的計量。目前國內大多數煤礦對支架壓力參數檢測均使用傳統(tǒng)的機械式液壓測量儀表(通常稱為機械圓圖儀)。這類儀表對支架壓力參數的獵取是靠指針在記錄紙上移動來記錄數據，經常由于記錄紙的伸縮性、曲曲折折曲曲折折折折線線條的寬度等因數，使得儀表的精度低、誤差大，讀數困難。還有一些煤礦上使用數字壓力計，將壓力采集后送數碼管顯示。以上方式都需要人工記錄，勞動量大其輕易出錯。有一些較先進的礦用壓力監(jiān)測系統(tǒng)要緊工作方式是將礦井下壓力、溫度等數據采集到后，通過專用電纜或線等方式傳送到井上，然后再用計算機對這些數據進行分析處理、打印等。盡管這種系統(tǒng)可連續(xù)進行監(jiān)測，信息容量大，處理功能強，并能提早進行人工預告和聲光報警，能夠大大提高監(jiān)測質量，減少事故發(fā)生，但同時亦存在著價格寶貴、系統(tǒng)配置復雜和布線、維護困難等缺陷。因此，為了提高煤礦中壓力瞧測效率、保證煤礦平安生產，研制一種新型的測量精度高、待機時刻長、通信簡便、價格適中、操作方便、工作性能優(yōu)良的便攜式煤礦壓力瞧測設備勢在必行。煤礦壓力計的開展方向[5]依據煤礦中壓力研究的報導，和電子檢測設備在工業(yè)化領域的開展，我國的礦用壓力瞧測儀器開展方向應如下。1.礦壓儀器研制應優(yōu)先開展電子化。采納傳感器和數據采集器直截了當相連的信號傳輸系統(tǒng)，應用單片機技術進行數據采集和預處理，然后通過接口將數據輸進微機進行進一步處理，并對采集現場頂板動態(tài)做出推測預告。2.礦壓儀器應向智能化方向開展，并應滿足數顯直截了當讀的要求、自動量程操縱機制和具有自動化報警裝置。3.礦壓儀器應向低功耗方向開展，改變往常那種沉重的電源系統(tǒng)。由于礦下條件惡劣，測量儀器一般都要進行密封處理，如此低功耗是必須的，要讓測量設備裝進電池在礦下連續(xù)工作半年以上。4.礦壓儀器應向小型化和便攜式且安裝維修方便的方向開展。如此就能夠在礦下使用而不礙事液壓設備的工作。5.考慮到國情和經濟能力，應優(yōu)先開展并采納適宜于一般情況下的井下數據數據采集和地面中心計算機上處理系統(tǒng)的組合方式的頂板動態(tài)監(jiān)測智能系統(tǒng)。在中心計算機和采集器之間通過接口通訊，傳輸數據信息，既可防止人工輸進數據的苦惱，又可防止設置井下分站和使用傳輸電纜經濟性差的缺陷，同時還能夠實現連續(xù)監(jiān)測，適時預告以及日常的頂板動態(tài)監(jiān)控和生產治理工作，在堅硬頂板礦區(qū)特別是具有沖擊地壓礦井，或者具有雄厚經濟實力的大型礦井，條件許可時，應優(yōu)先考慮應用全套的頂板計算機檢測系統(tǒng)。論文的要緊工作本文依據我國目前煤礦壓力檢測的實際情況，設計了一種智能型數字壓力采集設備和智能分析系統(tǒng)。該采集器要緊實現了定時采集和保持壓力數據、紅外發(fā)送和接收壓力數據和命令信息，分析系統(tǒng)實現數據異步收集分析壓力數據并進行圖表顯示。本文依據系統(tǒng)的設計要求，要緊做了以下兩個方面的工作:1.智能型煤礦壓力數據采集裝置的研制該裝置的要緊功能:①、定時采集由頂板壓力傳感器傳送過來壓力信號，對壓力數據進行初步的校驗，并和時刻信息一同按格式存儲到鐵電EEPROM中。②、三端紅外接收器收到采集指令后，將差不多儲存的壓力數據和自身編號一起通過紅外發(fā)送電路發(fā)送出往。=3\*GB3③、手電筒照耀觸發(fā)中斷，在中斷里面對當前的壓力進行采集并顯示到高亮度數碼管上。依據煤礦壓力數據采集裝置的功能要求，本文分不從硬件和軟件兩個方面進手進行設計。硬件設計內容要緊包括:紅外數據傳輸電路、頂板壓力數據存儲電路、傳感器信號采集電路、數據顯示電路、低功耗電源電路等。軟件設計時采納模塊化設計，將整個功能分成各個小功能模塊實現，如此大大減小了開發(fā)難度。軟件設計內容包括:系統(tǒng)初始化子程序、壓力數據采集、數據格式化存儲子程序、中斷子程序、紅外通信子程序。2.上位機智能分析軟件的設計該智能分析軟件采納Delphi圖形化界面，要緊能夠實現的功能有:①、串口接收并存儲煤礦壓力數據采集裝置的壓力數據;②、對工作系統(tǒng)進行初始化設置;③、圖表顯示各個采集點壓力數據:④、分析各個采集點壓力數據;⑤、數據庫進行備份、恢復和刪除操作?？傮w設計方案該數字壓力計要緊用于煤礦井下綜采支架工作阻力檢測記錄。系統(tǒng)要緊功能能夠總結為以下幾點：由電腦操縱定時采集各點壓力傳感器的壓力信號，系統(tǒng)默認采集壓力數據的時刻為5分鐘，且能夠連續(xù)記錄7天的數據收到白光照耀時能夠實時顯示當前支柱的壓力。采納紅外無線通訊將數據上傳到手持采集終端便于數據整理分析。壓力采集器在掉電時數據保衛(wèi)不喪失；電池供電，更換一次電池可連續(xù)工作8個月。智能處理軟件至少能夠運行在Window98/XP操作系統(tǒng)下；能夠對指定的采集層面進行原始壓力數據查詢；通過對工作阻力的均方差、初撐力、末阻力曲曲折折曲曲折折折折線的比照分析對壓力數據進行圖表曲曲折折曲曲折折折折線顯示；能夠對壓力數據庫進行智能化治理包括數據備份、數據恢復和數據刪除等全然操作。2.2煤礦數字壓力計的技術指標[6][7]量程0—60Mpa精度4級〔1％〕測量點數2點引壓孔Φ10mm(國標公制)顯示方式LED數字顯示觸發(fā)方式手電筒100cc的光照防爆標志ExibI電源DC6V〔四節(jié)一號電池〕通訊方式紅外無線通訊2.3煤礦數字壓力計的總體設計框圖智能型數字壓力計的實物如附件2所示。依據煤礦壓力數據采集裝置要實現的功能，該裝置的硬件電路要緊有以下幾個局部組成：電源監(jiān)控電路、主控芯片電路、壓力傳感器采集電路、壓力數據存儲電路、實時數據顯示電路、紅外數據傳輸電路。該數字壓力計的工作原理如圖2-1所示。圖2-1：數字壓力計的硬件框圖電源監(jiān)控電路：采納業(yè)內功耗最低的PIC單片機作為系統(tǒng)監(jiān)控核心，采納32.768k的低頻率晶振，一是為了落低功耗、二是為了產生比立精確的時鐘信號。該模塊每隔10分鐘給系統(tǒng)供電一次，讓主控芯片進行一次壓力采集并存儲。同時該模塊受到觸發(fā)時也會給系統(tǒng)供電進行采樣同時把采樣的值實時顯示在數碼管上。信號放大采樣電路：采納低噪聲、低漂流、高共模抑制比的小信號放大芯片電路[8]，信號放大后通過TLC549采樣。TLC549為8bit的A/D采樣芯片，其采樣分辨率為128＝％的誤差，存儲、顯示電路：將采集的壓力同時刻格式化保持到鐵電存儲芯片中[10]，系統(tǒng)選用鐵電存儲芯片的容量為64k，天天存儲的數據量大約為2k，因此系統(tǒng)能夠滿足要求。紅外傳輸電路：該局局部為兩局部，一是紅外接收要緊負責采集觸發(fā)指令，二是紅外發(fā)送要緊負責將數據通過38k載波調制發(fā)送到采集設備便于數據整理分析。智能型數字壓力計模塊設計3.1硬件電路概述煤礦壓力數據采集裝置的硬件功能框圖如圖3-1所示。該裝置的要緊功能是壓力數據采集、存儲和紅外傳輸。因此，煤礦壓力數據采集裝置的硬件電路應該有以下幾個局部組成:電源監(jiān)控電路、壓力傳感器信號變換電路、紅外數據傳輸電路、壓力數據存儲電路和壓力數據實時顯示電路。煤礦壓力數據采集系統(tǒng)的硬件原理圖見附錄1圖3-1煤礦數字壓力計的硬件框圖3.2微控芯片的簡介[11][12]該系統(tǒng)的微控芯片要緊有兩個，一是電源監(jiān)控芯片PIC16F716，一是主采樣芯片AT89S52。AT89S52是51系列里面一款性價比最高的單片機，該單片機擁有3個定時器，8K的程序存儲空間，豐富的片上資源。PIC16F716是微芯公司的低功耗單片機，具有優(yōu)越的穩(wěn)定性和低廉的價格，其要緊特性如下[15]:工作速度：DC－20MHz時鐘輸進，DC－200ns指令周期中斷能力〔多達7個內部/外部中斷源〕8層深硬件堆棧直截了當、間接和相對尋址模式上電復位〔Power-onReset，POR〕上電延時定時器〔Power-upTimer，PWRT〕和振蕩器起振定時器〔OscillatorStart-upTimer，OST〕瞧門狗定時器〔WatchdogTimer，WDT〕，帶片上RC振蕩器，確?？煽抗ぷ麟p閾值欠壓復位電路2.5VBOR〔典型值〕4.0VBOR〔典型值〕可編程代碼保衛(wèi)節(jié)能休眠模式可供選擇的振蕩器選項在線串行編程〔In-CircuitSerialProgramming，ICSP?〕寬工作電壓范圍：工業(yè)級：2.0V至擴展級：3.0V至高灌/拉電流：25/25mA寬溫度范圍：工業(yè)級：-40°C至85°C擴展級：-40°C至125°C待機電流：時典型值為100nA工作電流：32kHz、2.0V時典型值為14μA1MHz、2.0V時典型值為120μA瞧門狗定時器電流：時典型值為1μATimer1振蕩器電流：32kHz、2.0V時典型值為μATimer0：帶有8位預分頻器的8位定時器/計數器Timer1：帶有預分頻器的16位定時器/計數器，在休眠狀態(tài)下可使用外部晶振/時鐘信號接著工作Timer2：帶有8位周期存放器、預分頻器和后分頻器的8位定時器/計數器增強型捕捉/比立/PWM模塊：捕捉為16位，最大分辨率為12.5ns比立為16位，最大分辨率為200nsPWM最大分辨率為10位增強型PWM：單輸出、半橋和全橋模式數字可編程死區(qū)延時自動關閉/重啟8位多通道模數轉換器13個可單獨進行方向操縱的I/O引足PORTB上的可編程弱上拉3.3壓力變送模塊的設計壓阻式壓力傳感器的測量原理固體受力后電阻率發(fā)生變化的現象稱為壓阻效應[16][18]。壓阻式壓力傳感器是基于半導體材料(單晶硅)的壓阻效應原理制成的傳感器，確實是根基利用集成電路工藝直截了當在硅平膜片上按一定晶向制成擴散壓敏電阻，當硅膜片受壓時，膜片的變形將使擴散電阻的阻值發(fā)生變化。硅平膜片上的擴散電阻通常構成橋式測量電路，相對的橋臂電阻是對稱布置的，電阻變化時，電橋輸出電壓與膜片所受壓力成對應關系。CYG115壓阻式壓力傳感器的內部電路結構如圖3-2所示：圖3-2壓阻式壓力傳感器內部結構電路由圖3-2能夠瞧出，其內部為電阻電橋式結構，壓敏電阻為其一橋臂。其中R11、R12、R21均為周密電阻，且R11=R12=R。壓力作用于壓敏電阻RP，隨著壓力的增加RP阻值增大。周密電流源Is流進該電橋，其輸出電壓與RP的關系如下：U由式3.1能夠瞧出，當R21=RP時，即壓力輸進為大氣壓時，U≈0mV。建議的輸進電流為I≈1.5mA，通過對R11、R12、R21≈60mV。由于壓力傳感器中壓敏電阻的不同，每一只壓力傳感器測量的壓力范圍是不同的。小信號采集變換模塊由于壓力傳感器輸出的電壓范圍為0-40mv之間，這么小的電壓無法進行采樣。本設計中采納了低噪聲、低漂流。高共模抑制比的OP07作為主運放芯片，由于該芯片是雙電源供電，因此要產生-5v的電壓。其設計原理圖如3-3所示：圖3-3小信號放大電路圖中Vin為小信號輸進，Vout為信號放大整形后輸出到下一級，VEE為正電源，－VSS為負電源，R1和RW1構成負反響電路，R2和C3構成輸出阻抗匹配電路。該放大器的放大倍數為R1RW1'，調節(jié)RW1使得輸出在0-2.5v之內。其中產生負電源的圖3-4負電源產生電路負電源產生電路要緊用了電壓反轉芯片LM7660SDC－DC變換器，該芯片加上兩個電容就能夠產生負電源。值得注重的是輸出電容的極性連接，地接電容的正極性。3.3.3A/D采樣模塊由于主采樣芯片沒有AD采集功能，本設計中采納外接AD模塊TLC549的8bit采樣芯片。該芯片是串行采樣芯片，用到的IO資源比立少，其輸進阻抗為10k〔上一節(jié)小信號放大電路已加〕。德州儀器公司〔TI〕推出的TLC549是廣泛應用的CMOS8位A/D轉換器。該芯片有一個模擬輸進端口，3態(tài)的數據串行輸出接口能夠方便的和微處理器或外圍設備連接。TLC549僅僅使用輸進／輸出時鐘〔I/OCLOCK〕和芯片選擇〔／CS〕信號操縱數據。最大的輸進輸出時鐘〔I/OCLOCK〕為1.1MHz。其產品特性如下：差分基準電壓輸進轉換時刻：最大17us每秒訪咨詢和轉換次數：到達40000片上軟件操縱采樣和維持功能低功耗：最大15mW工作溫度范圍：0℃～70℃〔TLC549〕;-40℃～85℃〔該AD轉換芯片的功能框圖如圖3-5所示：圖3-5TLC549功能框圖。模擬信號進進采樣維持電路，在邏輯操縱作用下實現模數轉換，轉換時刻一般為20us左右，在等待一段時刻后將數據實現并串變換讀進到主控芯片。其AD采樣電路如圖3-6所示：圖3-6Vin為上一節(jié)小信號放大后的輸出。軟件設計中涉及到片選CS、數據DATA、時鐘CLK，其單片機編程如下所示：UnsignedcharTLC549_RD(){Unsignedchari,temp;//定義局部變量For(i=0;i<7;i++)//循環(huán)讀取串行數據{ TLC549_CLK=1;Delay_us(); TLC549_CLK=0;Delay_us();//以上為產生一個時鐘 temp=temp|TLC549_DATA; temp<<=1;//讀取采集數據}TLC549_CLK=1;Delay_us();TLC549_CLK=0;Delay_us();//依據要求采樣結束后產生最后一個時鐘并釋放Returntemp;//返回采樣值}3.4紅外采集模塊的設計紅外發(fā)送模塊的設計當接收到用戶采集指令后，采集終端要將數據通過紅外的方式傳輸到采集器上便于統(tǒng)計分析。其紅外發(fā)射電路如圖3-7所示：圖3-7紅外發(fā)射電路模塊的硬件設計FRM為砷化鎵紅外發(fā)射二極管，NPN三極管9013和R25組成紅外發(fā)射管驅動電路，或非門7402和R24組成開關調制電路，Data為二進制數據流，38k為載波信號。為了便于通信和應對干擾，采納自定義的紅外通信協(xié)議，該協(xié)議幀格式如表3.1所示：表3.1紅外通信數據幀結構前導碼用戶識不碼用戶識不反碼數據信息000011110100111110110000×××××××××為了節(jié)約硬件本鈔票，設計中38k的載波通過主控單片機產生，AT89S52的定時器2能夠設計為捕捉方式、自動重載方式、波特率發(fā)生器、可編程時鐘輸出等多種工作方式，那個地點設計定時器2為可編程時鐘輸出，其內部工作原理如圖3-8所示[12][23]：圖3-8定時器2工作在可編程時鐘方式下的內部原理圖由圖3-7所示，能夠通過編程在P1.0引足輸出一個占空比為50%的時鐘信號。那個引足除了常規(guī)的I/O角外，還有兩種可選擇功能。它能夠通過編程作為定時器/計數器2的外部時鐘輸進或占空比為50%的時鐘輸出。當工作頻率為16MHZ時，時鐘輸出頻率范圍為61HZ到4HZ。為了把定時器2配置成時鐘發(fā)生器，位C/T2〔〕必須清0，位T2OE〔〕必須置1。位TR2〔〕啟動、停止定時器。時鐘輸出頻率取決于晶振頻率和定時器2捕捉存放器〔RCAP2H，RCAP2L〕的重載值，如公式所示：時鐘輸出頻率＝晶振頻率在時鐘輸出模式下，定時器2可不能產生中斷，這和定時器2用作波特率發(fā)生器一樣。系統(tǒng)晶振為6M，為了獲得38k的載波信號，設置[RCAP2H，RCAP2L]為[FF,D9]，如此最終獲得大概38.461KHz的載波信號在準許的范圍內。通過單片機串口以波特率為2400的速率依次發(fā)送前導碼、用戶碼、用戶反碼、壓力數據信息，串口發(fā)出的數據通過載波調制驅動紅外發(fā)射管，將壓力數據通過紅外的方式傳輸出往由接收器接收并上傳處理。紅外接收模塊的設計紅外接收模塊分為兩個局部：一是采集器上面的紅外數據接收，一是壓力采集終端上面的接收請求，圖3-9為采集器上面的紅外數據接收局部：圖3-9采集器上紅外采集局部數據采集局部采納日本索尼公司的低噪聲、高穩(wěn)定性的紅外接收集成芯片CX20106A，該芯片是紅外遠控接收前置放大雙極性集成電路，內部電路有前置放大器、自動偏置電平操縱電路〔ABLC〕、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器和波形整形電路等組成[25][26]。CX20106A的技術特點要緊有以下幾點：低電壓供電，其典型值為5V；功耗低。Vcc＝5V時，其典型功耗為9mW；帶通濾波器的中心頻率可通過改變5足和電源之間的電阻進行調節(jié)，其調節(jié)的范圍為30-60kHz。由于未使用電感，可不受磁場的干擾，因此抗干擾能力強；能與PIN光電二極管直截了當連接；集電極開路輸出，能直截了當驅動TTL或CMOS電路；8足單列只插式塑料封裝。CX20106A的以上技術特點使得能夠在系統(tǒng)中使用，作為采集器的紅外數據接收模塊能夠簡化硬件設計，提高產品的穩(wěn)定性，其內部邏輯結構圖如圖3-10所示：圖3-10CX20106A內部邏輯結構圖PH3028能將同意到的發(fā)射電路所發(fā)射的紅外光信號轉換成數十毫伏至數百毫伏的電信號，送到CX20106A的①足，CX20106A的總放大增益約為80dB，以確保其⑦足輸出的操縱脈沖序列信號幅度在3.5~5V范圍內。總增益大小由②足外接的R1、C1決定，R1越小或C1越大，增益越高。C1取值過大時將造成頻率響應變差，通常取為1uF。C2為檢波電容，一般取F。CX20106A采納峰值檢波方式，當C2容量較大時將變成平均值檢波，瞬態(tài)響應靈敏度會變低，C2較小時盡管仍為峰值檢波，且瞬態(tài)響應靈敏度特別高，但檢波輸出脈沖寬度會發(fā)生較大變動，輕易造成解調出錯而產生誤操作。R2為帶通濾波器中心頻率f0的外部電阻，改變R2阻值，可改變載波信號的同意頻率，當f0偏離載波頻率時，放大增益會顯著下落，C3為積分電容，一般取330pF，取值過大，盡管可使抗干擾能力增強，但也會使輸出編碼脈沖的低電平持續(xù)時刻增長，造成遠控距離變短。⑦足為輸出端，CX20106A處理后的脈沖信號由⑦足輸出給后續(xù)電路以便處理表3.1CX20106A引足符號及功能講明引足號符號功能1IN遠控數據信號進進端〔此足與地之間接紅外接收二極管〕2C1前置放大器頻率特性和增益設定〔此足與地之間接RC串聯(lián)電路〕3C2接檢波電容4GND接地5F0設定帶通濾波器的中心頻率〔此足與電源間接電阻〕6C3外接積分電容7OUT遠控數據指令輸出端8Vcc外接電源壓力采集終端上面的紅外接收請求比立簡單，使用紅外集成接收頭P0038B2，該接收頭一旦檢測到已調制的紅外信號就給出低電平，產生中斷。整個紅外模塊的軟件流程圖如圖3-11所示：圖3-11紅外數據發(fā)射模塊軟件流程圖首先對串口的波特率、傳送方式、校驗位和中斷方式等信息進行設置，然后等待紅外請求信息的來到，一旦有紅外數據請求就設置定時器2，使得定時器2工作在產生30k方波的模式下來產生所要的紅外載波信號，然后讀取鐵電里面的壓力數據并加上紅外數據傳輸協(xié)議所定義的信息將壓力數據通過串口發(fā)出往，直到發(fā)送完畢返回。3.5其他相關電路的設計低功耗電源電路設計由于該壓力采集器在礦下使用，為了應對礦下惡劣的環(huán)境要進行密封處理，如此更換電池相當苦惱，全然上根基上一次性長時刻工作，因此功耗就比立重要。低功耗是這款產品得以使用的最全然條件，本系統(tǒng)中監(jiān)控芯片采納業(yè)內最低功耗的PIC單片機，系統(tǒng)采納多級供電模式，節(jié)約不必要的白費，其電路如圖3-12所示：圖3-12系統(tǒng)電源操縱局部電路首先系統(tǒng)采納4節(jié)1號電池供電，產生大約5.5v的一級電源VDD，該VDD要緊是提供主控單片機進行實時監(jiān)控；主控芯片依據時刻節(jié)拍每隔十分鐘或者紅外讀數請求翻開一次Q1通過TPS76350電源模塊產生大約5V〔150mA〕的二級電源VCC，該VCC要緊提供采樣單片機AT89S52和紅外發(fā)射顯示模塊，假設是紅外讀數請求那么進行相應的數據傳輸工作，假設是10分鐘時刻到那么翻開Q2產生大約5V的三級電源VEE，該VEE要緊提供壓力傳感器模塊、小信號放大模塊和壓力數據采集模塊。其余的時刻系統(tǒng)進進睡眠模式來進一步落低功耗，通過以上手段來加長產品的使用壽命效果比立理想。壓力顯示模塊設計壓力數據的直瞧顯示是該采集器的一個比立重要的功能，為了節(jié)約端口和功耗，采納低功耗的74LS164移位存放器對數據進行靜態(tài)顯示，顯示時刻為一路2秒鐘。其硬件設計電路圖如圖3-13所示：圖3-13壓力數據顯示模塊74LS164是8位移位存放器，當往除端〔CLEAR〕為低電平常，輸出端〔QA－QH〕均為低電平。串行數據輸進端〔A，B〕可操縱數據。當A、B任意一個為低電平，那么禁止新數據輸進，在時鐘端〔CLOCK〕脈沖上升沿作用下Q0為低電平。當A、B有一個為高電平，那么另一個就準許輸進數據，并在CLOCK上升沿作用下決定Q0的狀態(tài)。其邏輯真值表如表3.2所示：表3.274LS164邏輯真值表InputsOutputsClearClockABQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7L×××LLLLLLLLHL××Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7HHHHQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6HL×LQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6H×LLQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6要進行數據正確顯示必須了解其時序圖，然后按照時序依次送數據顯示，74LS164的時序圖如3-14所示：圖3-1474LS164的運行時序圖由于74LS164的輸出高電平能夠直截了當LED發(fā)光，本系統(tǒng)選用共陰數碼管，移位存放器的最高位作為第一路、第二路標識，依據真值表和時序圖對其進行編程，其單片機程序如下：led[10]={0x3F,0x03,0x6D,0x67,0x53,0x76,0x7E,0x23,0x7F,0x77};//編碼表voiddisplay_led(unsignedchardata)//data：要顯示的碼段數據{unsignedchartemp1;PORT_clk=0;//給74LS164的時鐘for(temp1=0;temp1<8;temp1++)//循環(huán)移位8次，依次將數據送數碼管顯示{if((data&0X80)==0x00){PORT_data=0;}else{PORT_data=1;}PORT_clk=1;delay(1);PORT_clk=0;data=data<<1;//碼段數據向右移位}}數據存儲模塊設計由于系統(tǒng)要對采集的數據進行實時存儲，為了保證調電后數據不喪失，本系統(tǒng)采納了鐵電存儲芯片FM24CL64數據存儲芯片。FM25CL64是一款64Kb的非易失性存儲器，它采納先進的鐵電處理技術。鐵電隨機存取存儲器，又名FRAM，是非易失的，但該器件執(zhí)行讀和寫操作與RAM相似。它提供45年的數據保持時刻，同時消除了由EEPROM和其他非易失性存儲器導致的復雜性，開銷和系統(tǒng)級不可靠性咨詢題。與串行EEPROM不同，FM25CL64以總線速度進行寫操作，無須延時。下一個總線周期能夠立即開始，無需進行數據輪詢。另外，器件真正提供了無限次的寫進次數，其耐用性比EEPROM高出的程度用數量級來計量。而且，因為寫操作不需要在內部提升寫電路的電源供電電壓。因此，在寫操作過程中，FRAM比EEPROM消耗的功率要低得多。FM25CL64的這些功能使得它特不適合用在需要頻繁或快速寫操作的非易失性存儲器應用中。舉例講明，它可用在從數據采集到需要工業(yè)操縱的各種應用中，在數據采集應用中，對寫進數據的頻率要求特別高；在需要工業(yè)操縱的應用中，太長時刻的EEPROM寫會導致數據喪失。FM25CL64為串行EEPROM的用戶提供了有用的好處，在硬件上能夠完全替換EEPROM。FM25CL64使用高速SPI總線，這加強了FRAM技術的高速寫性能。器件確保工作在－40℃到＋85℃的工業(yè)溫度范圍內。圖3-15為圖3-15FM25CL64的內部邏輯框圖FM25CL64是一款串行FRAM存儲器。存儲陣列的組織結構在邏輯上劃分為8，192×8，它能夠通過工業(yè)標準的串行外圍接口或者SPI接口來訪咨詢。FRAM的功能操作與串行EEPROM特別相似。FM25CL64與串行EEPROM的要緊差異是它具有更優(yōu)越的寫性能，盡管它們的管足配置相同。FM25CL64的引足特性描述：表3.3FM25CL64的引足特性描述引足名I/O描述/CS輸進片選：該管足為低電平常使能器件。當該管足為高電平常，器件進進低功耗的待機模式，忽略其它輸進的狀態(tài)，而且，所有的輸出處于三態(tài)。當該管足為低電平常，器件內部激活SCK信號。/CS的下落沿必須在每個操作碼之前出現。SCK輸進串行時鐘：所有的I/O活動根基上與串行時鐘同步的。輸進在時鐘的上升沿時被鎖存，輸出在下落沿時輸出。因為器件是靜態(tài)的，時鐘頻率能夠是0～20MHz之間的任意值且隨時都能夠被中斷。/HOLD輸進維持：當主CPU必須中斷存儲器當前的操作而執(zhí)行另一個任務時，/HOLD管足被使用。當/HOLD管足為低電平常，當前操作被掛起。器件忽略SCK或者/CS上的任何跳變。/HOLD管足的所有跳變必須發(fā)生在SCK為低電平的時刻內。/WP輸進寫保衛(wèi)：該管足為低電平常對狀態(tài)存放器進行寫保衛(wèi)。因為其它的寫保衛(wèi)特征由狀態(tài)存放器操縱，那個管足的作用特別重要。寫保衛(wèi)的完整解釋見下述章節(jié)。請注重，FM25CL64的/WP管足功能與FM25040的是不同的，FM25040的/WP禁止器件的所有寫操作。SI輸進串行輸進：所有數據根基上從該管足輸進到器件的。該管足在SCK的上升沿時被采樣，而在其它的時刻被忽略。該管足應被驅動為一個有效的邏輯電平以滿足IDD的標準。*SI可連接到SO，用作一個單管足的數據接口。SO輸出串行輸出：這是數據輸出管足。該管足在讀操作過程中被使用，在包括/HOLD為低電平的其它所有時刻內都維持為三態(tài)。數據在串行時鐘的下落沿跳變。*SO可連接到SI，用作一個單管足的數據接口。VDD供電電源電壓〔～〕VSS供電地SPI接口是一個同步串行接口，它使用時鐘和數據管足。它用于支持掛在總線上的多個器件。每個器件都能夠由片選激活。一旦總線主控器激活了片選，FM25CL64將開始監(jiān)控時鐘和數據線。/CS下落沿、時鐘和數據之間的關系由SPI模式操縱。器件在每個片選的下落沿確定SPI模式。一共有四種模式，但FM25CL64只支持模式0和3。關于這兩種模式，數據在SCK的上升沿時移進到FM25CL64，同時器件會在/CS生效之后的第一個上升沿時等待數據。要是時鐘的起始狀態(tài)是高電平，它在開始傳輸數據之前將下落以產生第一個上升沿。SPI協(xié)議由操作碼操縱。這些操作碼指定了器件的命令。/CS生效之后，總線主控器傳輸的第一個字節(jié)是操作碼。傳輸操作碼之后，能夠傳輸任何地址和數據。表3.4列出了這幾種指令。這些操作碼操縱了存儲器執(zhí)行的功能。它們能夠分為三類。第一類是無并發(fā)操作的指令。它們執(zhí)行單一的功能，例如使能寫操作。第二類是帶一個字節(jié)的指令，寫進或者讀出。它們對狀態(tài)存放器進行操作。第三類包括了執(zhí)行存儲器操作的命令，這些命令后面跟隨有地址和一個或更多數據字節(jié)。表3.4FM25CL64的操作碼指令表名稱描述操作碼WREN設置寫使能鎖存器00000110bWRDI寫禁止00000100bRDSR讀狀態(tài)存放器00000101bWRSR寫狀態(tài)存放器00000001bREAD讀存儲器數據00000011bWRITE寫存儲器數據00000010b由于數據存儲和讀取是該系統(tǒng)中比立頻繁又重要的操作，下面就鐵電FM25CL64的存儲器讀寫進行時序分析并用單片機語言實現。其中圖3-16為存儲器的寫操作時序圖，圖3-17為存儲器的讀操作時序圖：圖3-16存儲器的寫時序圖存儲器進行的所有的寫操作根基上從WREN操作碼開始的。下一個操作碼是WRITE。WRITE操作碼之后是兩個字節(jié)地址值。這是寫操作的第一個數據字節(jié)的開始地址。隨后的字節(jié)根基上數據字節(jié)，它們是連續(xù)寫進的。只要總線主控器接著公布時鐘信號同時維持/CS為低電平，地址就會內部遞增。要是到達最后地址1FFFh，地址計數器將跳轉至0000h。數據以MSB在前的方式寫進。/CS的上升沿中止一個WRITE操作。EEPROM使用頁緩沖來增加它們的寫吞吐量。這使得該技術固有的緩慢的寫操作得到了改善。在時鐘的驅動作用下〔第8個時鐘之后〕，每個字節(jié)立即寫進到FRAM陣列，因此FRAM存儲器不需要頁緩沖。這準許寫進任何數量的字節(jié)而無需頁緩沖延遲。其單片機程序如下：voidFRAM_SPI_txByte(unsignedchardata)//寫數據到存儲器{ unsignedcharbits,temp; P1&=~CS;//片選有效 temp=data;bits=0x08; while(bits!=0x00) { if(temp&0x08)P1|=SI;//數據的最高位為1 elseP1&=~SI;P1|=SCK;temp=(temp<<1);//數據循環(huán)向左移一位_NOP();P1&=~SCK;bits=(bits-1); }}圖3-17存儲器的讀時序圖在/CS的下落沿之后，總線操縱器給出一個READ操作碼。READ指令之后是一個雙字節(jié)地址值。地址的高3位將被忽略。總的講來，余下的13位指定了讀操作的首字節(jié)的地址。這是讀操作的首字節(jié)的起始地址。在公布操作碼和地址之后，器件在主機公布時鐘時讀取數據。SI輸進在讀取數據字節(jié)期間被忽略。隨后的數據字節(jié)被連續(xù)讀取。只要總線操縱器接著給出時鐘信號同時維持/CS為低電平，地址將內部遞增。要是到達最后地址1FFFh，地址計數器將跳轉至0000h。數據是以MSB在前的方式讀出。/CS的上升沿可終止一個READ操作。其單片機程序如下：unsignedcharFRAM_SPI_rxByte(void)//從存儲器中讀取一個字節(jié)數據{ unsignedcharbits,temp; P1&=~CS; temp=0;bits=0x08; while(bits>0) { P1|=SCK;temp=(temp<<1);if(p1&SO)temp=temp+1;//讀出的二進制為1_NOP();P1&=~SCK;bits=(bits-1); }returntemp;}在存儲器的操作中涉及到數據的整塊讀取和寫進，將TxData指向的num個數據整塊存放到鐵電中從地址Address開始存儲，其程序如下所示：voidFRAM_SPI_WRiteBlock(unsignedintAddress,unsignedintnum,void*TxData){ unsignedchar*temp; temp=(unsignedchar*)TxData; FRAM_SPI_txByte(0x06);//設置寫使能鎖存器 P1|=CS; FRAM_SPI_txByte(0x02);//寫存儲器數據 FRAM_SPI_txByte(Address>>0x08);//地址高八位 FRAM_SPI_txByte(Address);//地址低八位 for(unsignedinti=0;i<num;i++) { FRAM_SPI_txByte(*(temp));//寫進數據 temp++; } P1|=CS;} 從存儲器中讀取一段數據也是該系統(tǒng)中比立重要，比立頻繁的操作。下面程序是從鐵電存儲器中以地址為Address為起點讀取num個數據放到RxData指向的內存空間中。voidFRAM_SPI_ReadBlock(unsignedintAddress,unsignedintnum,void*RxData){ unsignedchar*temp; temp=(unsignedchar*)RxData; FRAM_SPI_txByte(0x03);//讀存儲器數據 FRAM_SPI_txByte(Address>>0x08); FRAM_SPI_txByte(Address); for(unsignedinti=0;i<num;i++) { *temp=FRAM_SPI_rxByte(); temp++; } P1|=CS;}3.6本章小結智能化數字煤礦壓力數據采集裝置是采納微芯公司的低功耗系列操縱器PIC16F716作為主監(jiān)控模塊而設計的高性能、低功耗和低本鈔票數據采集裝置，適用于環(huán)境惡劣的煤礦井下工作。該裝置能對兩路壓力數據進行實時采集并能夠現場顯示。另外，煤礦壓力數據采集裝置采納紅外的方式進行數據傳輸，安裝維護方便。本章依據設計的功能要求，首先提出硬件電路的整體設計框圖，然后再按組成該裝置的各個功能模塊依次進行了具體的介紹。上位機監(jiān)控分析軟件的設計4.1軟件開發(fā)軟、硬件環(huán)境為了實現壓力數據的智能分析、直瞧顯示和動態(tài)推測的功能，需要將數據上傳到計算機進行分析。該系統(tǒng)分析軟件確實是根基基于如此的應用要求而開發(fā)的，開發(fā)的軟件環(huán)境為：BorlandDelphi7StudioEnterprise，開發(fā)版本庫為7.0，數據庫BDE數據庫。硬件環(huán)境為：英特爾2.0的CPU，ATI9006顯卡，80G硬盤和1G內存。 為了系統(tǒng)能夠在客戶現場正常使用，需至少提供以下運行環(huán)境要求：Window98/XP的操作系統(tǒng)800*600的VGA模式256M以上內存，1G以上硬盤，CDROM，一個RS232〔COM1〕4.2軟件總體功能概述該智能分析軟件系統(tǒng)的要緊功能有對工作系統(tǒng)進行初始化設置、串口紅外線接收壓力數據、圖表顯示和分析處理各個采集層面壓力數據、數據庫備份、恢復和刪除等操作。該智能分析軟件系統(tǒng)框圖如圖4－1。圖4-1上位機分析軟件功能框圖運行上位機智能分析軟件，第一次進進操作界面首先要進行系統(tǒng)設置，設置包括煤礦的全然信息和壓力采集終端的分布結構，平安范圍等等。采集適配器將采集到的紅外數據通過串口上傳到應用程序，要進行數據通信要設置適宜的通信波特率，那個地點采納固定波特率的方式，在應用程序中差不多配置，同時要選擇采集工作面，如此便于數據存儲到指定的工作表中。數據治理比立簡單確實是根基原始壓力數據庫的備份、恢復和刪除操作。數據查詢、曲曲折折曲曲折折折折線分析是本系統(tǒng)的核心，數據查詢是指能夠按照一定的時刻間隔要求查詢指定采集層面的原始壓力數據，曲曲折折曲曲折折折折線分析是指通4種不同曲曲折折曲曲折折折折線圖表從不同的角度往分析一段時刻內壓力變化趨勢，便于采取可行的預防措施。各子模式的設計與實現將在以下各小節(jié)進行具體的分析與講明。4.3軟件子模塊介紹4.3.1數據通信子模塊[28][29][30]系統(tǒng)采納Delphi開發(fā)，通過RS232串口接收紅外數據，因此在Delphi環(huán)境下實現串口通信是本模塊的重點。目前利用Delphi實現串口通信常用思路方法有三種:1是利用Control控件如MSCOMMControl控件和SPCOMMControl控件；2是使用API；3是其他串口通信。其中利用API編寫串口通信較為復雜需要掌握大量通信知識相比立而言利用SPCOMMControl控件那么相對較簡單同時該Control控件具有豐富和串口通信緊密相關屬性及事件提供了對串口各種操作而且還支持多線程。本系統(tǒng)中采納了SPCOMMControl控件實現串口通信，該組件控件具有性能穩(wěn)定、操作方便和功能強大等優(yōu)勢。SPCOMMControl的屬性：CommName:表示COM1、COM2等串口名字；BaudRate:依據實際需要設定波特率在串口翻開后也可更改此值實際波特率隨的更改；ParityCheck:表示是否需要奇偶校驗；ByteSize:依據實際情況設定字節(jié)長度；Parity:奇偶校驗位；StopBits:停止位；SendDataEmpty:這是個布爾型屬性為true時表示發(fā)送緩存Cache為空或者發(fā)送隊列里沒有信息；為false時表示發(fā)送緩存Cache不為空或者發(fā)送隊列里有信息。SPCOMMControl的方法Startcomm方法用于翻開串口當翻開失敗時通常會報錯要緊有7種:⑴串口差不多翻開；⑵翻開串口；⑶文件句柄不是通信句柄；⑷不能夠安裝通信緩存Cache；⑸不能產生事件；⑹不能產生讀進程；⑺不能產生寫進程；StopComm方法用于關閉串口沒有返回值；WriteCommData(pDataToWrite:PChar;dwSizeofDataToWrite:Word)方法是個帶有布爾型返回值用于將字符串發(fā)送到寫進程發(fā)送成功返回true，發(fā)送失敗返回false執(zhí)行此將立即得到返回值。發(fā)送操作隨后執(zhí)行該有兩個參數其中pDataToWrite是要發(fā)送串，dwSizeofDataToWrite是發(fā)送串長度；OnReceiveData:procedure(Sender:TObject;Buffer:Poer;BufferLength:Word)ofobject當有數據輸進緩存Cache時將觸發(fā)該事件在那個地點能夠對從串口收到數據進行處理Buffer中是收到數據BufferLength是收到數據長度；OnReceiveError:procedure(Sender:TObject;EventMask:DWORD)當接收數據出現時將觸發(fā)該事件。Delphi是種具有功能強大、簡便易用和代碼執(zhí)行速度快等優(yōu)點可視化快速應用開發(fā)工具，它在構架企業(yè)信息系統(tǒng)方面發(fā)揚著越來越重要作用，許多員情愿選擇Delphi作為開發(fā)工具編制各種應用然而美中缺乏的處是Delphi沒有自帶串口通信Control控件，在它關懷文檔里也沒有提及串口通信，這就給編制通信開發(fā)人員帶來許多不便，要使用SPCOMMControl進行串口編程，首先要安裝該控件，該控件的安裝步驟如下：選擇下拉菜單Component中InstallComponent選項，在Unitfilename處填寫SPCOMMControl控件所在路徑，其他各項可用默認值，點擊OK按鈕；安裝后，在SystemControl控件面板中將出現個紅色Control控件COM，現在就能夠像Delphi自帶Control控件樣使用COMControl控件了。該數據通信模塊的操作流程如圖4-2所示圖4-2串口數據通信流程圖當要進行串口通信時，首先要進行初始化包括設置串口名、波特率、校驗位和通信格式。在正確設置后運行翻開串口就能夠使用該串口控件進行數據發(fā)送和接收。在通信過程中首先是檢查接收緩沖池中是否有數據，要是有那么進行接收，并把接收到的數據進行格式轉換保持到數據庫中；要是沒有那么檢查是否有發(fā)送請求，要是有那么進行發(fā)送，把待發(fā)數據通過WriteCommData(pDataToWrite:PChar;dwSizeofDataToWrite:Word)那個方法發(fā)送出往。完成后判定是否通信結束，要是還沒有結束那么接著進行通信，要是通信結束那么關閉串口。由于串口的設置、翻開、發(fā)送數據和關閉串口通信都比立簡單，數據接收要不單要進行字符轉化還涉及到數據幀轉化因此比立苦惱，以下是接收過程的DELPHI7.0的程序代碼：procedureTForm1m1ReceiveData(Sender:TObject;Buffer:Pointer;BufferLength:Word);type

ss=array[1..500]ofchar;

var

str1:^ss;

i:integer;

s:array[0..15]ofchar;

n:integer;

begin

str1:=Buffer;

fori:=0to9do

s[i]:=chr(48+i);

fori:=10to15do

s[i]:=chr(55+i);

fori:=1tobufferlengthdo

begin

n:=ord(str1^[i]);

listbox1.Items.add(inttostr(listbox1.Items.Count+1)+'-'+s[ndiv16]+s[nmod16]);

end;

listbox1.Refresh;

if>strtoint(form2.edit1.text)thenlistbox1.Items.Clear;end; 數據通信模塊的編程運行界面如圖4-3、4-4、4-5所示：首先設計一個用戶選擇界面，讓數據能夠保持到對應的數據表中，其中工作面的選擇界面如圖4-3所示：圖4-3工作面的選擇 到客戶現場了解，一般礦井下有三到四個工作面，每一個工作面內的數據聯(lián)合考慮有一定的價值。因此本系統(tǒng)設計了如上所示的選擇界面，用戶選擇不同工作面時，就把該層面所有壓力數據全部收集，便于后期處理。要是串口正常翻開那么進進如圖4-4所示的接收數據界面：圖4-4支架壓力數據接收界面確認已將紅外適配器與計算機連接好后，同時采集器的電源開關已翻開后，點擊接收即進進通訊狀態(tài)，數據通訊過程中提示數據的起始時刻是否正確，假設時刻錯誤可退出正在進行的通訊操作。圖4-5即為通信過程出現錯誤的界面，這是要進行排查，重新檢查線路再進行通信圖4－5通信出現錯誤時的界面提示系統(tǒng)參數設置子模塊系統(tǒng)參數設置模塊確實是根基設置運行系統(tǒng)的全然信息，系統(tǒng)設置子程序的是用于對系統(tǒng)的用來標識的信息進行初始化設置，如壓力范圍，打印密度，煤礦工作面和分機位置等。系統(tǒng)設置子程序的要緊功能有:1、系統(tǒng)實時時鐘(RTC)設置:當系統(tǒng)時刻與正確時刻(北京時刻)不同時，能夠選擇該功能進行重新設置;2、壓力范圍設置：能夠對支架壓力的上限和下限進行設置；3、打印密度設置：能夠設置以后打印時所采納的掃描密度以便打印出不同清晰度的工程圖紙；4、煤礦工作面和分機位置設置：當礦下壓力采集終端安裝好了以后，其位置全然上不再變化，系統(tǒng)設置模塊要將這些信息進行保持。整個系統(tǒng)模塊的設置界面如圖4-6所示：圖4-6系統(tǒng)設置界面系統(tǒng)設置界面的講明要緊有以下幾點：1、礦名由用戶自己輸進，保持并退出系統(tǒng)后再重新運行后即修改了原有的界面。2、工作面編號由用戶選擇，系統(tǒng)最大可治理4個工作面。每個工作面最多可治理20個分機，每個分機有兩個測量通道，可連接前、后、左、右通道或前梁。3、支架形式有四柱式〔支撐式〕、兩柱式〔掩護式〕，選擇支架型式與后面的計算有直截了當的關系。4、壓力下限一般是指綜采支架的初撐壓力〔簡稱初撐力〕，壓力上限是指指甲的額定承載壓力，一般指平安閥的開啟壓力。壓力下限與壓力上限的選擇與后面綜合數據處理的合格率統(tǒng)計有直截了當關系，該值選擇有用戶依據本礦的具體情況設定。5、打印密度選擇決定打印輸出的幅度，一般針式打印機可選擇打印密度為180，激光或噴墨打印機選擇打印密度為300以上，用戶可依據打印測試頁來確定。6、系統(tǒng)設置右面表格中輸進分機編號與位置對應，井下的分機安裝完畢后，記下分機的對應支架的編號，輸進以上表格中。習慣上工作面分上部、中部、下部，當用戶需要用劃分工作面的區(qū)域分析數據時，能夠按照此方法將分機的安裝位置分為上、中、下部。通過以上設置并保持后，以上設置的信息在系統(tǒng)中要緊有以下幾個用途：便于打印輸出顯示；便于后面數據分析參數的獵??；便于壓力范圍的操縱；便于不同要求的打印輸出。數據查詢模塊原始數據查詢與數據預處理是數據分析模塊的前提，只有適宜的、正確的數據才能進行智能化分析。數據查詢預處理的界面如圖4-7所示：圖4-7數據查詢預處理界面 選擇一個工作面后，進進上圖所示的界面，在那個地點首先要進行日期和分機號選擇。當點擊數據預處理按鈕時，系統(tǒng)會對采集的數據進行整理，其預處理要求為以下幾個方面：數據排序：按照時刻先后順序進行數據排列，便于繪制圖表；異常數據處理：那個地點的異常數據包括與均值相差大于30％的數據和非數值型壓力數據；插值處理：為了壓力數據的連續(xù)性要對由于種種緣故喪失的數據進行簡單的一次插值；數據回類：為了對工作面的上部、中部、下部進行壓力分析，在那個地點還必須依據壓力分機的位置進行回類。為了直瞧的顯示壓力的開展動態(tài)，系統(tǒng)中提供了曲曲折折曲曲折折折折線查詢的功能，通過曲曲折折曲曲折折折折線能夠特別方便的瞧出壓力的變化范圍，如此就能夠采取必要的措施防止事故的發(fā)生，該曲曲折折曲曲折折折折線查詢界面如圖4-8所示：圖4-8壓力數據的曲曲折折曲曲折折折折線首先選擇一個工作面，再選擇要查詢的曲曲折折曲曲折折折折線的日期及分機編號，即顯示當天的壓力連續(xù)曲曲折折曲曲折折折折線圖，縱坐標可選擇千?；蛘着磷鰡挝弧ｏ@示數據中統(tǒng)計出了當日的最大值、最小值和平均值，圖下部可輸進工作面的推進距離，點擊打印按鈕可將曲曲折折曲曲折折折折線打印輸出。數據圖表分析模塊[31-42]上節(jié)內容僅僅是原始壓力數據的顯示和查瞧，僅僅反映壓力數據的大小和變化范圍，并不能科學的反映出煤礦工作層面的統(tǒng)計特性。下面通過三種曲曲折折曲曲折折折折線的比照分析客瞧的反映支架壓力的統(tǒng)計特性，并給出結論和預防措施。煤礦壓力瞧測數據的處理技術對是減少煤礦事故，保證煤礦平安生產有特不重要的意義，該程序要緊用于對各個采集點的壓力進行簡單的分析，并能依據分析結果必要時進行報警。煤礦壓力瞧測數據的分析與處理包括對礦壓瞧測數據可靠程度的判定、瞧測數據的計算、制表、作圖、分析及經驗公式確實定等內容。然而由于測量過程中誤差不可防止，再加上系統(tǒng)誤差、偶然誤差和人為誤差的存在，測量數據難免不正確，為確保壓力數據分析的正確性，因此在對數據分析處理中必須用到概率論和數理統(tǒng)計的方法，如區(qū)間估量、統(tǒng)計檢驗、回回分析等。系統(tǒng)通過以上數理方法對原始壓力數據進行工作阻力的均方差分析、初撐力和末阻力比照分析、統(tǒng)計直方圖分析等。將某個壓力采集點所采集到的壓力數據瞧作一組樣本，利用概率論和數理統(tǒng)計的方法對其進行簡要分析。在設計中，要緊對樣本的幾個重要數字特征進行分析處理。(1)平均值。平均值也稱樣本均值。常用于代表總體的平均水平。設容量為n的樣本x1,x2(4-1)(2)樣本均方差。樣本均方差或稱標準差用以反映樣本數據的動搖水平指標，記為:(4-2)越大,講明樣本x1,x(3)離散系數Cv.由于均方差只反映數據動搖的盡對值大小，而不能表示數據的離散程度。為此，人們又采納離散系數(或稱變異系數)表示數據的離散程度，它與瞧測數據值的大小有關，是反映瞧測數據離散程度的重要指標，計為Cv式中:—樣本均方差;—樣本均值。數據分析、曲曲折折曲曲折折折折線顯示模塊是智能分析軟件的核心局部，其計算性能和正確性直截了當礙事到煤礦的平安。其的要緊流程圖如圖4-9所示：圖4-9數據分析、曲曲折折曲曲折折折折線顯示模塊流程圖系統(tǒng)依據用戶要分析的時刻段和分機號，首先按照要求從存儲器中提取適宜的數據組成一個數組〔一共有n個樣本〕。接著系統(tǒng)從樣本中計算出均值、均方誤差和樣本離散系數等數理統(tǒng)計變量，接著依據以上數理統(tǒng)計變量計算出支架的工作阻力均方誤差、初撐力和末阻力等煤礦專用參數，最后依據用戶要求進行曲曲折折曲曲折折折折線圖表顯示直到退出。煤礦壓力變化是個緩慢的過程，必須要在相當長的時刻內才能反映出支架所承受的壓力和工作層面的平安特性。因此綜合曲曲折折曲曲折折折折線1反映了一段時刻內支架的受力情況，同時用直方圖能夠更加直瞧的顯示出數據變化趨勢，同時系統(tǒng)依據直方圖的統(tǒng)計特性給出預防性措施，綜合曲曲折折曲曲折折折折線1如圖4-10所示：圖4-10綜合曲曲折折曲曲折折折折線1：原始數據直方圖首先選擇起始日期和截止日期，如此就能夠在一段時刻內考察支架的情況。接著選擇分機號和顯示的單位。選擇完畢后點擊直方圖按鈕就能夠繪制出如上圖所示的壓力分布圖。在統(tǒng)計直方圖中，給出了支架的支護合格率統(tǒng)計，并給出了簡單的指導性建議。綜放開采中，煤層一次采出厚度的增大，導致了一系列新的礦山壓力現象。研究講明：綜放開采條件下，由于直截了當頂〔含頂煤〕厚度成倍增加，支護阻力－頂板下沉量不存在類雙曲曲折折曲曲折折折折線關系，因而傳統(tǒng)的利用準許頂底板移近量判定合理支架工作阻力的標準已失往意義。文獻[28]通過對大量綜放工作面支架工作阻力的測定，發(fā)現與傳統(tǒng)確實定支架工作阻力的方法相差較大。文獻[29]從操縱端面冒頂角度動身，對特定頂煤和塊體大小條件下的端面頂板穩(wěn)定性進行了定性分析，認為在此類頂煤和塊體大小條件下，支架工作阻力和端面頂板下沉量呈類雙曲曲折折曲曲折折折折線關系，且端面頂板的穩(wěn)定性要緊取決于端面距和支架阻力，端面距大小只是改變端面頂板下沉量的盡對值，不改變曲曲折折曲曲折折折折線外形。從綜放面巖層操縱特點動身，其重點是操縱端面頂煤的穩(wěn)定性，由此首先是確定端面頂板準許下沉量，而后支架工作阻力可依據端面頂板準許下沉量來確定。 綜采面頂煤體承載能力為頂煤體承受的載荷，它直截了當作用在頂煤體下方的支架上和煤壁前方的載割體上，引起放頂煤支架工作阻力的升高；支架工作阻力隨頂煤承載能力的提高而增大，二者全然成正比關系。文獻[30]給出了綜放工作面頂煤體承載能力如下式：P0其中：σx0：綜放面煤壁處頂煤單元所受的水平壓σx1φ：頂煤煤質材料的內摩擦角，單位為角度；C：頂煤煤質材料的內聚力，MPa；l：控頂距離，單位為m；頂煤體極限承載能力即為頂煤體承載能力P0，該載荷要緊有支架承受，因此從有利于綜放面平安角度動身R=B*式中，R為支架工作阻力，MN；B為支架中心距，m。整理后得到綜放工作面支架工作阻力R=B*P 在一定的地質條件下，放頂煤工作面頂煤體的厚度和圍巖參數維持不變時，右式〔4-5〕中能夠得出綜采工作面支架載荷的特點：支架工作阻力與頂煤體所受的水平應力〔約束力〕成正比，頂煤體承載能力隨著水平約束力的增加而增大。綜放面頂煤垮落面處頂煤單元體所受的水平壓束力σx1下落，這時頂煤承載能力將減少，表現在支架工作阻力下落，這種落在相同測量條件下進行的測量稱為等精度測量，例如在同樣的條件下，用同一個游標卡尺測量銅棒的直徑假設干次，這確實是根基等精度測量。關于等精度測量來講，還有一種更好的表示誤差的方法，確實是根基標準誤差。標準誤差定義為各測量值誤差的平方和的平均值的平方根，故又稱為均方誤差。設n個測量值的誤差為ε1、ε2……εn，那么這組測量值的標準誤差σ等于：〔4-6〕由于被測量的真值是未知數，各測量值的誤差也都不明白，因此不能按上式求得標準誤差。測量時能夠得到的是算術平均值〔〕，它最接近真值〔N〕，而且也輕易算出測量值和算術平均值之差，稱為殘差〔記為v〕。理論分析講明①能夠用殘差v表示有限次〔n次〕瞧測中的某一次測量結果的標準誤差σ，其計算公式為〔4-7〕關于一組等精度測量〔n次測量〕數據的算水平均值，其誤差應該更小些。理論分析講明，它的算術平均值的標準誤差。有的書中或計算器上用符號s表示〕與一次測量值的標準誤差σ之間的關系是〔4-8〕需要注重的是，標準誤差不是測量值的實際誤差，也不是誤差范圍，它只是對一組測量數據可靠性的估量。標準誤差小，測量的可靠性大一些，反之，測量就不大可靠。進一步的分析講明，依據偶然誤差的高斯理論，當一組測量值的標準誤差為σ時，那么其中的任何一個測量值的誤差εi有68．3%的可能性是在〔－σ，＋σ〕區(qū)間內。世界上多數國家的物理實驗和正式的科學實驗報告根基上用標準誤差評價數據的，現在稍好一些的計算器都有計算標準誤差的功能。本系統(tǒng)中為了提高分析水平，利用式〔4-5〕、〔4-6〕對工作阻力的均方差進行分析得出曲曲折折曲曲折折折折線圖表界面如圖4-11所示：圖4-11綜合曲曲折折曲曲折折折折線2：工作阻力的均方差分析均方差分析方法更輕易分析工作阻力的變化趨勢和規(guī)律，該功能將復雜的原始數據進一步計算處理后，得出了初撐力、工作末阻力連續(xù)曲曲折折曲曲折折折折線，當初撐力或末阻力低于平均壓力時定義為工作阻力較低，高于平均壓力小于在一倍均方差時為工作阻力較高，高于兩倍均方差時可定義為異