總體設(shè)計(jì)思路

1.傳感器的選擇

地壓監(jiān)測(cè)最關(guān)鍵的一環(huán)，選用什么樣的傳感器，這是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。本系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)采空區(qū)礦井頂部向下行走的位移，礦井頂部如果發(fā)生位移，主要表現(xiàn)為如下特征：1）該位移產(chǎn)生速度較慢，即礦井頂部不會(huì)很快就垮塌，而是要經(jīng)歷一個(gè)過(guò)程；2）礦井產(chǎn)生塌陷，基本上都是周圍一片都會(huì)塌陷，很少只有某一個(gè)小區(qū)域發(fā)生；3）有時(shí)礦井頂部產(chǎn)生位移，該位移通常會(huì)保持一段時(shí)間。結(jié)合以上特征，這里選擇直線位移傳感器，其行程為100～150mm。直線位移傳感器垂直安裝，其頂部靠彈簧的反作用力固定在礦井頂部，傳感器底端固定在地上，多個(gè)傳感器分布于要求進(jìn)行地壓監(jiān)測(cè)的區(qū)域，這樣不管是某小段區(qū)域產(chǎn)生位移，亦或該區(qū)域都產(chǎn)生位移，系統(tǒng)都可以檢測(cè)到。

2.通訊方式選擇

硬件系統(tǒng)使用STC89系列單片機(jī)，可以很方便地使用RS232或者RS485方式進(jìn)行通訊。由于礦井之中安裝有其他監(jiān)控設(shè)備，同時(shí)鋪設(shè)通訊光纜，所以這里選擇RS485／以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器，將串行設(shè)備連接到局域網(wǎng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)進(jìn)行通訊。

3.顯示方式

傳統(tǒng)的下位機(jī)顯示方式有液晶顯示和數(shù)碼管顯示，由于地壓監(jiān)測(cè)下位機(jī)安裝在礦井下，基本上是無(wú)人區(qū)，考慮成本及地下環(huán)境，這里選擇價(jià)格相對(duì)低廉且穩(wěn)定性高的數(shù)碼管顯示方式。

硬件設(shè)計(jì)

下位機(jī)采用STC89C54RD＋為控制核心，該款單片機(jī)抗干擾能力較強(qiáng)，其功能完全可以滿足地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需要。通訊部分使用SN75176通訊芯片，然后和MOXA串口以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器相接，使用光纖通信。AD采樣使用TI的TLC2543，12位轉(zhuǎn)換精度，可以精確到0．3mm，足以滿足使用精度要求；同時(shí)TLC2543每片有11個(gè)AD轉(zhuǎn)換通道，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用兩片AD，最多可以擴(kuò)展22路數(shù)據(jù)采集通道，即同時(shí)采集22個(gè)傳感器數(shù)據(jù)。但是考慮到實(shí)際使用需求，實(shí)際系統(tǒng)只引出16路通道。如果有多片區(qū)域需要監(jiān)測(cè)，可以使用多套下位機(jī)，每個(gè)下位機(jī)使用撥碼盤進(jìn)行編號(hào)，保證每個(gè)下位機(jī)都有唯一的ID。顯示采用5位數(shù)碼管循環(huán)顯示每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)設(shè)計(jì)分為服務(wù)器端和客戶端，數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQLServer2000。服務(wù)器端主要用于和下位機(jī)進(jìn)行通訊，負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)，同時(shí)將解析完成的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)?？蛻舳送瓿蓚鞲衅鞯膭?chuàng)建，負(fù)責(zé)顯示服務(wù)器端傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。創(chuàng)建傳感器之前，先配置安裝傳感器的區(qū)域，有需要進(jìn)行地壓監(jiān)測(cè)的區(qū)域，才創(chuàng)建傳感器。創(chuàng)建傳感器時(shí)，每個(gè)傳感器要和負(fù)責(zé)監(jiān)視的區(qū)域相聯(lián)系，同時(shí)傳感器ID和通訊協(xié)議相匹配，使之唯一對(duì)應(yīng)一個(gè)傳感器。系統(tǒng)采用圖形化的模式顯示傳感器的位置和傳感器數(shù)據(jù)，可以很方便的瀏覽當(dāng)前地壓系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的位移數(shù)據(jù)，如果是正常位移，則以藍(lán)色圖表表示，如果是報(bào)警位移，則用橙色或者紅色表示，橙色表示位移偏移量較小，在系統(tǒng)可以承受的范圍之內(nèi)，紅色表示已經(jīng)超出系統(tǒng)能承受的最大位移，說(shuō)明位移量很大，提醒值班人員注意。

系統(tǒng)測(cè)試及分析

系統(tǒng)在湖北柳樹(shù)溝礦業(yè)運(yùn)行一段時(shí)間，運(yùn)行情況良好，位移變化量基本維持在1mm以內(nèi)，滿足系統(tǒng)要求。出現(xiàn)的問(wèn)題主要有兩個(gè)：①由于礦井頂部偶爾有石頭塊掉落，有的石頭正好落在傳感器數(shù)據(jù)線上，將數(shù)據(jù)線打斷，出現(xiàn)傳感器斷線報(bào)警；②MOXA串口／以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)故障，更換新的協(xié)議轉(zhuǎn)換器后系統(tǒng)工作正常。表1（表略）中每個(gè)傳感器的初始值不同，是因?yàn)閭鞲衅髟诎惭b過(guò)程中難以保證每個(gè)傳感器的安裝高度完全一致，但是這對(duì)于位移監(jiān)測(cè)不造成任何影響，因?yàn)閷?shí)際監(jiān)測(cè)時(shí)所需要的數(shù)據(jù)只是位移的偏差值。5結(jié)束語(yǔ)本系統(tǒng)基于51單片機(jī)內(nèi)核打造，使用RS485和光纖通訊相結(jié)合的方式，可以很好的發(fā)揮各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，已經(jīng)證明本系統(tǒng)在地壓監(jiān)測(cè)方面達(dá)到了穩(wěn)定可靠地效果，對(duì)于非煤采礦區(qū)作業(yè)人員的生命安全能起到非常好的保護(hù)作用。

本文作者：梁會(huì)軍 黃兆云 單位：宜昌三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院 湖北景深安全技術(shù)有限公司