1、摘 要煤炭作为我国的主要的一次性能源，在我国国民经济占有非常重要的地位。近年来，我国煤炭行业安全生产形势有所好转，但是由于煤矿作业环境极其恶劣，同时还受多种自然灾害的威胁，导致煤矿事故还是时常发生，煤矿行业的安全生产仍然面临着非常严峻的形势。目前，我国绝大部分煤矿的井下风量、风压监测系统还没有完善，这样就会不利于实现井下局部通风机的系统化管理。本论文是在阅读了大量的书刊的基础上，设计出了一种是用于煤矿井下的风量、风压监测系统。硬件电路是以LPC1778单片机为核心的控制芯片，LPC1778单片机内的高速AD转换器可以将压力变送器采集的静压模拟信号转换成数字信号传入到单片机，单片机进行计算处理后
2、得到风量和风压的数值。测量的风量、风压数值既可以利用液晶显示器进行实时显示，又可以实现通风机发生通风故障后做到停风报警。硬件电路包括：传感器、数模转换、数据采集、报警装置、电源装置等电路设计。此测量系统不仅可以实现数字显示功能，还可以将测量的结果转换成标准的频率信号通过井下的分站向上位机传输。当风量和风压超过限定值时，会自动发出报警信号。整个测量系统安装简单、测量精度高、占用空间小、使用方便、可靠性高，可以广泛应用于风硐中的风量和风压的监测。关键字：风量； 风压； 监测； 单片机；ABSTRACT As a major foundation energy,coal industry plays
3、 an important role in our countrys economy.In recent years,the situation of safety in production of the colliery have been improved in China ,but the accidents happen occasionally with the adverse working conditions and the influence of the natural disaster.The situation of safety in production for
4、coal mine is rather critical.Now,most underground coal mines in China are not supporting the wind,air pressure monitoring devices in real time.So the systematical management of the mine local fans could not be easily realized. In this paper,read a lot of literature,based on the design of a coal mine
5、 for the wind,air pressure monitoring system in real time.LPC1778single chip microcomputer as the core control which produced by TI.The hardware designing of the system could be greatly reduced by plenty of peripherals on chip which also could improve system reliability.It not only avoid the enginee
6、ring problem such as invalidation of the air flow measuring accuracy of the system could be improved.Hardware circuit includes power circuit,data acquisition and amplifying circuit,LCD interfacing circuit,signal output circuit,alarm circuit and so on,Measuring system has function of real-time displa
7、y of measuring data,also could convert measuring data to standard frequency signals and transfer the signals to upper computer though underground substation. Measuring system has many advantages such as smallness,using simple,convenient installation and high reliability,suitable for all kinds of min
8、e local fans.Key word:air flow;air pressure;Monitor;single chip microcomputer;目 录第一章 绪 论11.1 引言11.2 设计的主要内容11.3 论文的设计思路和章节安排1第二章 风量风压测量原理22.1 静压差测量原理22.2 压差传感器32.2.1压差传感器的工作原理4第三章 系统硬件电路设计43.1 风量风压监测仪整体硬件结构43.2 处理器的选取53.2.1 ARM技术简介53.3 LPC1778系统及其外围电路93.4电源电路设计93.5 数据采集放大电路103.6 LPC1778单片机内的AD转换模块12
9、3.7 液晶显示电路123.8 信号输出电路133.9 停风报警电路14第四章 系统软件开发164.1 软件开发环境164.2系统软件整体流程174.3 ADC12模块程序设计184.4 液晶模块程序设计194.5数据采集处理模块程序设计254.6 停风报警电路程序设计27第五章 总结与展望285.1 总结285.2 展望28参考文献29翻译部分30英文原文30中文翻译38致 谢43第一章 绪 论 1.1 引言 我国是一个“汽少煤多”的大国，也是一个能源缺乏国家。煤炭作为我国重要的基础能源和基础原料，在国民经济中占有极其重要的战略地位。在我国一次能源结构中，煤炭将长期是主要能源，广泛的应用于发
10、电、钢铁等行业。2007年，我国的煤炭产量将超过25亿吨。中国能源发展报告中指出，以1990年煤炭保有地质储量以及今后经济的增长需求以1.5-2%的增长率来计算，我国煤炭动态可供开采时间约为118-145年。近年来，我国煤炭工业取得了长足发展和进步，煤炭产量持续增长。但是，每年煤矿事故总是接连不断，造成了大量的人身和财产损失。矿井通风是煤矿安全生产的基础，它不但具有向井下各用风地点输送新鲜风流，保障井下作业人员呼吸的重要功能，同时，还肩负着稀释、排除矿井瓦斯与粉尘以及作业区间的降温等重任。目前用通风方法排放的瓦斯约占全矿井瓦斯量的80%-90%，采煤工作面涌出的瓦斯量的70%-80%。也是靠通
11、风方法排除；同时，通风方法可排除装有抑尘装置的采煤工作面粉尘量的20%-30%;排除深井采煤工作面热量的60%。煤矿安全规程第127条规定:掘进巷道必须采用矿井全压通风或局部通风机通风。随着计算机技术和智能传感技术的不断发展，这些技术己经逐步应用于矿井各种通风安全设备，成为矿井监测系统最常用、有效的技术手段。本论文研究的煤矿通风机风量风压实时监测仪正是针对井下通风机的结构特点来进行设计开发的。本系统可以实时监测井下局部通风机的风量和风压，并实现监测数据的实时显示和停风故障报警。能够及时掌握井下通风机的运行状况，确保煤矿的生产安全，对矿井局部通风安全管理水平和经济发展都有着非常重要意义。1.2
12、设计的主要内容本文所设计的主要内容是针对目前国内煤矿的通风机监测系统不能实时监测煤矿井下风量、风压数据的这个问题而引出的，其中的目的在于设计出一种可以实时监测煤矿井下通风机风量、风压的仪器，并可以实现停风报警功能，方便井上管理。本文通过查阅大量文献以及目前国内煤矿安全生产监控和局部通风机监测监控系统的基础上，确定了本文的主要设计内容如下:(1)通过查询相关资料了解了风量风压监测仪的工作原理，然后作出整个设计的具体方案。(2)根据第一步中对监测仪工作原理的了解和设计方案，首先设计出系统的硬件部分，然后选取合适的单片机控制，完成监测系统的硬件电路设计。(3)根据设计的硬件设计电路的功能和芯片资料，
13、然后设计出整个系统的软件流程图，并且详细的把设计中提出的各个软件模块进行叙述。(4)根据对整个论文设计工作进行总结和对下一步的工作进行展望。1.3 论文的设计思路和章节安排本论文的设计内容是运用流体力学的相关理论和计算方法，结合单片机技术和数字电子技术等进行设计的。利用静压落差法来测量通风机的风量和风压。系统使用的压差传感器把采集的静压信号将其转换成相应的模拟信号。LPC1778单片机内的AD转换器可以将压差传感器采集的静压模拟信号转换成数字信号传入到单片机，单片机进行计算处理后得到风量和风压的数值。测量的风量、风压数据既可以利用液晶显示器进行实时显示，又可以实现通风机发生通风故障后做到停风报
14、警。整个论文的组织结构章节安排如下所示：第一章 绪论。简要的描述了风量风压监测仪的设计背景和意义以及本设计的思路和主要设计内容，并介绍了论文的章节安排。第二章 讲述风压、风量测量的原理。详细叙述了系统风量、风压的测量原理。引用了静压落差法的推导过程和计算公式计算出所需的数据。第三章系统硬件电路设计。首先确定了系统的整体硬件设计，接着对主控芯片进行了比较和选型。最后分析了硬件各个组成部分的原理和在本设计中的应用，包括:供电电源模块、数据采集模块、液晶显示模块、停风报警模块。第四章系统软件设计。详细介绍了C语言的编程特点，嵌入式工作的功能特性和使用方法。详细叙述了各个模块的编程方式和程序流程，并给
15、出了相应的软件流程图。第五章总结与展望。全面总结了本文的主要内容，并对进一步的工作进行了展望。 第二章 风量风压测量原理2.1 静压差测量原理 本文讲述的局部通风机风量、风压监测仪采用静压落差法来测量局部通风机的风量和风压。在局部通风机扩散筒处两端安装静压环采集静压信号，通过静压下方的计算公式可以计算出风速、动压等数据。最后通过计算得出局部通风机的全压和风量。而根据下方的伯努利方程和连续方程可知，在同一流管中流速大时，静压小；流速小时静压大。通过在局部通风机扩散筒两端安装静压环分别测得两端的静压，进而可以求得局部通风机的风量和风压，即通过截面2的风量和全压。 图2.1局部通风机示意图由于风流在通风机流动过程中存在着损失，截面1的气流总压比截面2的总压要小一点。为了把损失的气流计入，在引入伯努利方程中，即 (21) 式中：空气密度，kg/ m3 ；一一截面1的静压，一一截面2的静压，一截面1处的风速，m/s，一截面2处的风速，m/s ；一一两截面
