矿井通风参数无线测试系统的制作方法

文档序号:5377271阅读:167来源:国知局
专利名称:矿井通风参数无线测试系统的制作方法
技术领域
本发明属于矿山通风安全测试装置,特别涉及矿井通风参数无线测试系统。
背景技术
在煤矿安全领域,井巷的风阻是反映井巷通风特性的重要参数,分析任何通风问题都和这个参数有关,在通风技术管理工作中,要求准确度高。目前常用的通风阻力测定方法有压差计法和气压计法,压差计法相对精度较高,但操作繁琐,需铺设长距离的软管,费时费力;气压计法中有基点法和同步法,虽不需要收放胶皮管和静压管,但影响精度最主要因素之一是时间的一致性,需要同时读数提高测试精度,但实际操作时间很难达到一致性,精确度较差。这两种方法都不能满足现代化矿山生产的需要。

发明内容
针对现有技术的不足,本发明的目的是提供一种同步测试、显示、安全靠的矿井通风参数无线测试系统。本发明的技术方案是这样实现的:矿井通风参数无线测试系统,包括:主矿井通风参数无线测试装置:用于监测所在矿井巷道或工作面的气压和温湿度,同时接收从矿井通风参数无线测试装置的无线射频发射过来的信号,在液晶屏上同时显示二者气压读数和温湿度数。从矿井通风参数无线测试装置:采集矿井巷道或工作面的气压、温度和湿度,经自动发射或按键触发,把这三种参数发送到主矿井通风参数无线测试装置上。所述的主矿井通风参数无线测试装置和从矿井通风参数无线测试装置的结构相同,均由气压信号采集电路、温湿度采集电路、电压频率转换电路、核心处理电路、电源电路、USB转串口电路、时钟电路、矩阵键盘、液晶显示电路、带通滤波器和天线组成,其中:气压信号采集电路:用于采集气压信号,并转换为电信号传送给电压频率转换电路;温湿度采集电路:用于采集温湿度信号,并转换为电信号传送给电压频率转换电路;电压频率转换电路:用于将传感电路发送过来的电压信号转换为频率信号;核心处理电路:处理传感频率信号,对检测数据进行后期处理得到测试巷道的温度、湿度和和负压数据,同时用于将数据传递给LCD显示电路并进行通信编码,发送给带通滤波器待发送;电源电路:用于稳压与变换电压,给电压频率转换电路、核心处理电路和液晶显示电路供电;USB转串口电路:用于将USB接口信号转换为串口信号;时钟电路:用于提供准确的时分秒时间;矩阵键盘:提供控制信号校准时钟时间;
液晶显示电路:显示气压、温湿度数值和时钟时间;带通滤波器:校准通信信号,提高信号的抗干扰性能、滤除信号的干扰噪声;天线:发送和接受无线通信信号;气压信号采集电路、温湿度采集电路均连接电压频率转换电路的输入端,电压频率转换电路的输出端连接核心处理电路的输入端,核心处理电路的输入端同时还连接USB转串口电路、时钟电路和矩阵键盘,核心处理电路的输出端连接LCD液晶显示电路,同时核心处理电路与带通滤波器互连,带通滤波器的输出端连接天线。采用矿井通风参数无线测试系统对矿井进行测量的方法,包括以下步骤:步骤1:选定煤矿需测试巷道,将主矿井通风参数无线测试装置和从矿井通风参数无线测试装置分别安置于待测试巷道或工作面的首、尾两端;步骤2:分别按下两台仪器的开始按键,两台仪器开始工作,主、从矿井通风参数无线测试装置均由温湿度传感器和气压传感器不间断采集所在巷道或工作面附近的温度、湿度和气压数据。步骤3:从矿井通风参数无线测试装置数据采集成功之后,通过按下发送按键或者自动转发,从矿井通风参数无线测试装置将采集到的数据发送至主矿井通风参数无线测试装置;步骤4:主矿井通风参数无线测试装置在监测所在巷道或工作面一端的温度、湿度和气压等数据的同时,接受从矿井通风参数无线测试装置的无线射频发射过来的数据,并在液晶屏上同时显示两台矿井通风参数无线测试装置采集到的温度、湿度和气压数据。步骤5:待主矿井通风参数无线测试装置上数据保持稳定时,开始记录数据,也可通过测试仪上的存储按键,实现测试数据存储的功能,以便测试完成之后检查与核对。步骤6:按照上述步骤I至步骤5分别测试其他选定巷道或工作面。步骤7:对测试数据进行处理得到测试巷道的矿井通风阻力和负压。本发明的有益效果:本发明提出的一种矿井通风参数无线测试系统,采用先进的ZigBee无线通信技术,从而真正意义上实现了矿井通风参数的同步测试,增强了测试数据的准确性,提高了矿井通风阻力测试的水平。系统安全可靠、灵活、投资少、操作便捷、测试速度快,采用LCD液晶屏显示,便于测试过程中观测和记录,保证了煤矿安全高效地生产运行。


图1为本发明一种实施方式主矿井通风参数无线测试装置和从矿井通风参数无线测试装置的结构框图;图2为本发明一种实施方式气压信号采集电路原理图;图3为本发明一种实施方式温湿度信号采集电路原理图;图4为本发明一种实施方式时钟电路的电路原理图;图5为本发明一种实施方式按键控制电路的电路原理图;图6为本发明一种实施方式USB转串口电路的电路原理图;图7为本发明一种实施方式IXD12864的硬件电路原理图;图8为本发明一种实施方式稳压电路的电路原理图9为本发明一种实施方式CC2530核心处理电路的电路原理图;图10为本发明一种实施方式矿井通风参数无线测试方法流程图;图11为本发明一种实施方式不同信号传输功率下最大通信距离曲线图;图12为本发明一种实施方式测量温度随时间及地点变化的数值连线图;图13为本发明一种实施方式测量湿度随时间及地点变化的数值连线图;图14为本发明一种实施方式气压变化的数据连线图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细的说明。本发明的一种实施方式给出主矿井通风参数无线测试装置和从矿井通风参数无线测试装置的结构框图,如图1所示。包括:气压信号采集电路1、温湿度采集电路2、电压/频率转换电路3、核心处理电路4、电源电路5、USB转换串口电路6、时钟电路7、矩阵键盘8、IXD显示电路9、带通滤波器10和天线11。测试时主矿井通风参数无线测试装置安置于煤矿选定测试巷道或工作面的起始点一端,从矿井通风参数无线测试装置安置在巷道末尾点一端。需要注意的是这个仪器最大测试距离约为550米。本实施方式中,米用的核心处理电路的型号为CC2530,大气压力传感器的型号为BMP085-MK,温湿度传感器的型号为STH-10,时钟芯片的型号为DS1302,RS232-USB接口转换器型号为PL2303,IXD显示屏采用的液晶接口的型号为SMC12864。气压信号采集电路如图2所示,包括大气压力传感器MK1、电阻R21和电阻R22,大气压力传感器MKl的I脚接地,大气压力传感器MKl的4、5脚分别接电阻R22、R21的一端,电阻R22、R21的另一端接3.3V电源,大气压力传感器MKl的6脚接3.3V电源。温湿度信号采集电路如图3所示,包括温湿度传感器IC5和电阻R23。温湿度传感器IC5的I脚接地,温湿度传感器IC5的2脚接电阻R23的一端同时接核心处理电路CC2530的I脚,电阻R23的另一端接3.3V电源,温湿度传感器IC5的3脚接核心处理电路CC2530的O脚,温湿度传感器IC5的4脚接3.3V电源。时钟电路如图4所示,包括时钟U13、电容C75飞77、电池电源BTl和晶振Y3。时钟芯片U13的I脚接电容C7 的一端,电容C75的另一端接地,时钟芯片U13的I脚还连接VDD3.3V电源,接时钟芯片U13的2、3脚分别接电容C76、C77的一端,电容C76、C77的另一端接地,时钟芯片U13的2、3脚还同时连接晶振Y3的两端,时钟芯片U13的4脚接地,时钟芯片U13的5、6、7脚分别接核心处理电路CC2530的20、12、7脚,时钟芯片U13的8脚接电池电源BTl的正极。按键控制电路,如图5所示,包括电阻R11 R15、开关S3 S6、电容C16。电阻R15的一端、开关S3的一端、开关S4的一端、开关S5的一端、开关S6的一端和电容C16的一端相连,电阻R15的另一端和电阻Rll的一端相连并与VDD3.3V电源连接,开关S3的另一端连接电阻Rll的另一端和R12的一端,开关S4的另一端连接电阻R12的另一端和电阻R13的一端,开关S5的另一端连接电阻R13的另一端和电阻R14的一端,开关S6的另一端连接电阻R14的另一端并接数字地。电容C16的另一端接地。USB转串口电路如图6所示,包括RS232-USB接口转换器IC1、IC3、USB芯片P1、电阻R4 R9、电容Cl C9。RS232-USB接口转换器ICl的I脚接芯片IC3的T2_IN端、RS232-USB接口转换器ICl的5脚接芯片IC3的R2_0UT端,ICl的4脚接VDD3.3V电源,ICl的7脚接地,ICl的8脚接电阻R5的一端,电阻R5的另一端接VDD_3.3V电源,ICl的15脚接电阻R6的一端,电阻R6的另一端接电容C4的一端,电容C4的另一端接地,ICl的16脚接电阻R8、R9,电阻R8、R9的另一端接芯片Pl的2、3脚,ICl的17脚接电阻R4的一端,同时接电容C4的一端,并接地,ICl的18、21、25、26脚接地,ICl的19脚接电阻R4的一端,ICl的24脚接电阻R4的另一端,ICl的20脚接VCC_USB供电电源,ICl的27、28脚分别接晶振Yl的两端,同时ICl的27、28脚分别接电容C1、C2的一端,C1、C2的另一端接地;P1的I脚接电容C5的一端,C5的另一端接地,Pl的2脚接电阻R8的一端,Pl的3脚接电阻R9的一端,电阻R8的另一端、R9的另一端分别接ICl的16脚,Pl的4、5、6脚接地。IC3的I脚接电容C6的一端,IC3的3脚接电容C6的另一端,IC3的2脚接电容C7的一端,C7的另一端接VDD_3.3V电源,IC3的4、5脚接分别接电容C8的两端,IC3的6脚接电容C9的一端,C9的另一端接地,IC3的7、8脚分别接9针串口 XS6的TXD-UART、RXD-UART,IC3的9、10脚分别接ICl的5、I脚,IC3的15脚接地,IC3的16脚接VDD_3.3V电源。IXD12864的硬件电路原理图如图7所示。稳压电路的电路原理图如图8所示。CC2530核心处理电路的电路原理图如图9所示,包括电容Cf C10、电阻R1、晶振XTALU XTAL2等,它们的连接关系是:CC2530的1、2、3、4脚接电容C3的一端,同时接地,CC2530的40脚接C3的另一端,CC2530的5脚接气压信号采集电路的4脚,CC2530的6脚按键电路的开关S5(用来控制时钟电路的开关),CC2530的7、12、20脚分别接时钟电路的
5、6、7 脚,CC2530 的 10、21、24、27、28、29、31、39 脚接电池电源的一端,CC2530 的 22 脚接电容C9的一端和晶振XTAL2的一端,CC2530的23脚接电容ClO的一端和晶振XTAL2的另一端,C9的另一端和ClO的另一端接地,CC2530的26脚接电容C4、C7的一端,C7的另一端接电容C8、C6,C8的另一端接地,C6的另一端接El,电容C4的另一端接电容C5的一端和电感LI的一端,C5的另一端接C6的一端,LI的另一端接地,CC2530的30脚串联电阻Rl后接数字地端,CC2530的32脚接电容C2和晶振XTALl的一端,CC2530的33脚接电容Cl的一端和晶振XTALl的另一端,电容Cl个电容C2的另一端相连接数字地端。采用上述系统对矿井通风参数进行测量的方法,其流程如图10所示,该流程开始于步骤1001。在步骤1002,选定某煤矿需测试巷道或工作面,将两台测试仪(主矿井通风参数无线测试仪和从矿井通风参数无线测试仪)分别安置在测试巷道或工作面的首、尾两端。采用本实施方式的方法,不需要在井口安置气压计,记录大气压的变化,直接对井下巷道进行测量即可。在步骤1003,分别按下两台仪器的开始按键,两台仪器开始工作,每台仪器由温湿度传感器和气压传感器不间断采集所在巷道或工作面附近的温度、湿度和气压等数据。采用本实施方式的方法进行测量,与气压计同步法相比,不需要约定同一时间读数。操作简便,误差低。在步骤1004,从矿井通风参数无线测试仪数据采集成功之后,通过按下发送按键或者自动转发,将采集到的数据发送至主矿井通风参数无线测试仪。在步骤1005,主矿井通风参数无线测试仪在监测所在巷道或工作面附近的温度、湿度和气压等数据的同时,接受从矿井通风参数无线测试仪无线射频发射过来的数据,并在液晶屏上同时显示两台仪器采集到的温度、湿度和气压数据。在步骤1006,待主矿井通风参数无线测试仪上数据保持稳定时,开始记录数据。也以通过主矿井通风参数无线测试仪上的存储按键,实现测试数据存储的功能,以便测试完成之后检查与核对。本实施方式采用的方法与气压计法相比,真正实现了同步测试。并且两组数据在同一仪器上一起上显示,方便记录,增加测试的准确性。同时以容易做到的一次测试,读取多组数据,改善了气压计法一次测试只能得到一组数据的弊端,省时省力,且大大提高了测试的准确性。在步骤1007,按照上述步骤I至步骤5分别测试其他选定需测试的巷道或工作面。在步骤1008,,全部测试完成后,将测试数据经过处理便可得出测试巷道的通风阻力、负压等值。在步骤1009,结束。对本实施方式采用的系统进行传输速率测试、通信能力测试、反应速度测试,具体结果如下:1、传输速率测试对于矿井通风参数无线测试仪,两点间的传输速率是一项重要的标准。测试中,发送端实时发送测试数据,接收端与计算机相连接,动态接收数据。并利用Packet Sniffer软件监测接收端接收状况 弓。接收到103字节(包含气压值、温度值、湿度值,以及地址和通信数据帧头)数据包,由1S/5410US=180可以得知,每秒接受180个数据包。每秒
平均发送的数据流量为KHO-3 KBps,由 #180、1^=1038、了=13可得,¥=180\103父8/
(1000X2) =74.15kbps,所以本测试仪的传输速率可达到74.15kbps。2、通信能力测试通信距离是反映无线通信能力的重要指标之一。实验中通过逐渐增大测试仪无线通信模块的发射功率来检测最大传输距离。测试结果如图11所示。从图中可以看出随着发射功率的增加传输距离不断增大,并呈凸型坡状分布;当发射功率增加到4.5dBm时,其最大传输距离趋于稳定,在坡顶处已经达到了测试仪的最大通信距离。最大通信距离为550m。3.反应速度测试本次实验主要测试矿井通风参数无线测试仪的测量时反应速度,具体过程如下:首先把测试仪放置在室内,测量室内的温湿度,40分钟后放置到阳台上一段时间,然后再放回到室内原来测量的位置,观测并记录这个过程中测试仪显示的温湿度变化。图12为温度随时间及地点变化的数值连线图。从图中可以看出:驼峰部分表示在阳台测量时的温度值,因为测量时有大风,所以温度变化比较大,温度不稳定;而驼峰的两侧近似铅垂线的部分表示本测试仪的反应速度快;两端的较平行线部分表示是在室内测试。图13为湿度数据连线图。图中数据的凹陷部分表示测量时环境湿度减小到一定程度时维持一段时间后又增大的过程,凹陷部分有起伏是因为在阳台测试时大风的原因,湿度值不稳定。而凹陷部分的两侧近似铅垂线的部分表示本测试仪反应速度快;两端的较平行线部分表示是在室内测试。图14是气压变化的数据连线图,测量时,从博雅楼10楼开始逐层往下测量,在每层测量读取大气压数值。从图中可以看出:随着高度的降低,大气压呈线性逐次升高;每分钟读数一次,呈现线性分布说明仪器测量大气压时反应速度快。
综合以上测试,表明本测试系统温度、湿度和气压等数据采集、反应速度较快,可以满足实际使用。本设计结合矿井通风阻力测试原理与方法,首次提出并设计了基于ZigBee技术的矿井通风参数无线测试仪,该仪器在原有的气压计同步法基础上,实现了真正意义上的矿井通风参数同步测试。该仪器通过键盘控制终端节点实现了同步采集静压、温度、湿度等通风参数,并通过无线传输,将测试数据显示在主测试仪,可以进行存储以及后期处理。从而提高了矿井通风阻力测试的准确性。本发明以实际应用为出发点,改进了矿井通风阻力的测试方法,通过实验验证该测试系统的数据传输速率和传输距离能够满足实际使用。增加传输距离是下一步改进的重点。虽然以上描述了本发明的具体实施方式
,但是本领域内的熟练的技术人员应当理解,这些仅是举例说明,以对这些实施方式做出多种变更或修改,而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
权利要求
1.矿井通风参数无线测试系统,其特征在于:包括: 主矿井通风参数无线测试装置:用于监测所在矿井巷道或工作面的气压和温湿度,同时接收从矿井通风参数无线测试装置的无线射频发射过来的信号,在液晶屏上同时显示二者气压读数和温湿度数。
从矿井通风参数无线测试装置:采集矿井巷道或工作面的气压、温度和湿度,经自动发射或按键触发,把这三种参数发送到主矿井通风参数无线测试装置上, 其中,所述的主矿井无线测试装置和从无线测试装置的结构相同,均由气压信号采集电路、温湿度采集电路、电压频率转换电路、核心处理电路、电源电路、USB转串口电路、时钟电路、矩阵键盘、液晶显示电路、带通滤波器和天线组成,具体如下: 气压信号采集电路:用于采集气压信号,并转换为电信号传送给电压频率转换电路; 温湿度采集电路:用于采集温湿度信号,并转换为电信号传送给电压频率转换电路; 电压频率转换电路:用于将传感电路发送过来的电压信号转换为频率信号; 核心处理电路:处理传感频率信号,对检测数据进行后期处理得到测试巷道的温度、湿度和和负压数据,同时用于将数据传递给IXD显示电路并进行通信编码,发送给带通滤波器待发送; 电源电路:用于稳压与变换电压,给电压频率转换电路、核心处理电路和液晶显示电路供电; USB转串口电路:用于将USB接口信号转换为串口信号; 时钟电路:用于提供准确的时分秒时间; 矩阵键盘:提供控制信号 校准时钟时间; 液晶显示电路:显示气压、温湿度数值和时钟时间; 带通滤波器:校准通信信号,提高信号的抗干扰性能、滤除信号的干扰噪声; 天线:发送和接受无线通信信号; 气压信号采集电路、温湿度采集电路均连接电压频率转换电路的输入端,电压频率转换电路的输出端连接核心处理电路的输入端,核心处理电路的输入端同时还连接USB转串口电路、时钟电路和矩阵键盘,核心处理电路的输出端连接LCD液晶显示电路,同时核心处理电路与带通滤波器互连,带通滤波器的输出端连接天线。
2.一种矿井通风参数测试方法,采用权利要求1所述的矿井通风参数无线测试系统实现,其特征在于:包括以下步骤: 步骤1:选定煤矿测试巷道,将主矿井无线测试装置和从矿井无线测试装置分别安置在测试巷道或工作面的首、尾两端; 步骤2:分别按下两台仪器的开始按键,两台仪器开始工作,每个矿井无线测试装置由温湿度传感器和气压传感器不间断采集所在巷道或工作面附近的温度、湿度和气压数据;步骤3:从矿井无线测试装置数据采集成功之后,通过按下发送按键或者自动转发,从矿井无线测试装置将采集到的数据发送至主矿井无线测试装置; 步骤4:主矿井无线测试装置在监测所在地的温度、湿度和气压等数据的同时,接受从矿井无线测试装置的无线射频发射过来的数据,并在液晶屏上同时显示两台矿井无线测试装置采集到的温度、湿度和气压数据; 步骤5:待主矿井无线测试装置上数据保持稳定时,开始记录数据,或通过测试仪上的存储按键,实现测试数据存储的功能,以便测试完成之后检查与核对; 步骤6:按照上述步骤I至步骤5分别测试其他选定巷道或工作面; 步骤7:对测试数据进行后 期处理得到测试巷道的温度、湿度和和负压。
全文摘要
一种矿井通风参数无线测试系统,属于矿山安全测试装置。包括用于监测所在矿井巷道或工作面的气压和温湿度,同时接收从矿井无线测试装置的无线射频发射过来的信号,在液晶屏上同时显示二者气压读数和温湿度数的主矿井无线测试装置,和采集矿井巷道或工作面的气压、温度和湿度,经自动发射或按键触发,把这三种参数发送到主矿井无线测试装置上的从矿井无线测试装置。本发明提出的一种矿井通风参数无线测试系统,采用先进的无线通信技术,通过ZigBee技术提高了测试速度,系统器安全可靠、灵活、投资少、操作便捷,采用LCD液晶屏显示,便于仪器实时测试和读数,提高了矿井通风参数的测试水平,保证了煤矿安全高效地运行。
文档编号E21F17/18GK103161507SQ20131005056
公开日2013年6月19日 申请日期2013年2月7日 优先权日2013年2月7日
发明者马恒, 续鹏飞, 张帅, 刘尹霞 申请人:辽宁工程技术大学
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1