一种矿用风量监测系统的制作方法

本发明属于煤矿安全的技术领域，具体涉及一种矿用风量监测系统。

背景技术：

在煤矿安全生产中，其中一项重要工作就是加强井下通风，以达到降低瓦斯含量，保证安全生产的目的。其中，井下通风主要考核指标就是井下通风量，因此，井下风量监测系统是矿井安全监测系统中必不可少且及其重要的一部分。现有的风量监测系统电路结构都较复杂，井下布线繁多，并且通风控制大多数仍主要由人工操作来完成，整个系统的工作效率有待提升。

技术实现要素：

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种电路结构简单，布线较少，智能化化程度较高的矿用风量监测系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种矿用风量监测系统，包括：激光测距传感器、风速传感器、数据采集电路、主控制器、报警电路、显示电路、通风系统控制电路和供电电源；所述激光测距传感器的输出端和所述风速传感器的输出端均分别与所述数据采集电路的输入端电气连接，所述数据采集电路的输出端与所述主控制器的输入端电气连接，所述报警电路的输入端、所述显示电路的输入端和所述通风系统控制电路的输入端均分别与所述主控制器的输出端电气连接，所述供电电源为整个风量监测系统供电。

优选地，所述主控制器包括：型号为stm32f107vct6的集成电路芯片，所述数据采集电路包括：型号为ad8622的双通道运算放大器u1；所述激光测距传感器的输出端与接线端子jxz1的输入端相连，所述接线端子jxz1的输出端与所述双通道运算放大器u1的第一输入正端+ina相连，所述接线端子jxz1的输出端和接地端之间分别并接有电阻r1和电容c1；所述双通道运算放大器u1的第一输出端outa通过电阻r3分别与所述集成电路芯片的输入端pa0和电容c3的一端相连，所述电容c3的另一端接地，所述双通道运算放大器u1的第一输出端outa还与其第一输入负端-ina相连；所述风速传感器的输出端与接线端子jxz2的输入端相连，所述接线端子jxz2的输出端与所述双通道运算放大器u1的第二输入正端+inb相连，所述接线端子jxz2的输出端和接地端之间分别并接有电阻r2和电容c2；所述双通道运算放大器u1的第二输出端outb通过电阻r4分别与所述集成电路芯片的输入端pa1和电容c4的一端相连，所述电容c4的另一端接地，所述双通道运算放大器u1的第二输出端outb还与其第一输入负端-inb相连；所述接线端子jxz1的电源端和所述接线端子jxz2的电源端分别与+24v电源相连，所述双通道运算放大器u1的电源正极v+与+5v电源相连，所述双通道运算放大器u1的电源负极v-与-5v电源相连。

优选地，所述报警电路包括：pnp型三极管q1、扬声器bp1和led警示灯jd1；所述集成电路芯片的输出端pc6通过电阻r5与所述pnp型三极管q1的基极相连；所述pnp型三极管q1的发射极与所述扬声器bp1电源负端相连，所述扬声器bp1的电源正端与电源vcc相连；所述pnp型三极管q1的基极通过电阻r6与led警示灯jd1的负极相连，所述led警示灯jd1的正极与电源vcc相连；所述pnp型三极管q1的集电极接地。

优选地，所述集成电路芯片的输出端pc6和所述电阻r5之间串接有开关sw1。

优选地，所述显示电路包括：型号为lcd1602的液晶显示器u2、滑动变阻器rw1和排阻rp1；所述液晶显示器u2的电源正极vdd与+5v电源相连，所述的+5v电源还与所述滑动变阻器rw1的一个固定端相连，所述滑动变阻器rw1的另一个固定端接地，所述滑动变阻器rw1的移动端与所述液晶显示器u2的偏压信号端vl相连；所述液晶显示器u2的命令/数据端rs、读/写端rw、使能端en分别对应地与所述集成电路芯片的数据端pc10、pc11、pc12相连；所述液晶显示器u2的数据端d0、d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7分别对应地与所述集成电路芯片的数据端pa8、pa9、pa10、pa11、pa12、pa13、pa14、pa15相连；所述液晶显示器u2的背光正极bl+通过电阻r7与+5v电源相连；所述液晶显示器u2的电源地端vss、背光负极均接地。

优选地，所述的矿用风量监测系统还包括：rs485通讯电路，所述rs485通讯电路与所述主控制器双向连接；所述rs485通讯电路包括型号为max485的rs485收发器u3，所述rs485收发器u3的输出端ro、驱动器输入端di分别与所述集成电路芯片的输入端pd6、输出端pd5相连，所述rs485收发器u3的接收使能端re与所述集成电路芯片的输出端pd7相连，所述rs485收发器u3的发送使能端de通过电阻r8接地，所述rs485收发器u3的接收使能端re与发送使能端de相连；所述rs485收发器u3的差分信号接收端a、差分信号发送端b分别与接线端子jxz3相连，所述rs485收发器u3的差分信号接收端a还与跳线帽con1相连，所述rs485收发器u3的差分信号发送端b通过电阻r9与跳线帽con1相连，所述rs485收发器u3的电源端与+3.3v电源相连，所述rs485收发器u3的电源端通过电容c5接地，所述rs485收发器u3的接地端gnd接地。

优选地，所述的矿用风量监测系统还包括：指示电路，所述指示电路的输入端与所述主控制器的输出端电气连接；所述指示电路包括：发光二极管d1和发光二极管d1；所述集成电路芯片的输出端pb8与所述发光二极管d1的正极相连，所述集成电路芯片的输出端pb9与所述发光二极管d2的正极相连，所述发光二极管d1的负极和所述发光二极管d2的负极均接地。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明中，激光测距传感器用于检测风量监测点的风口截面信息，风速传感器用于检测流过风量监测点的实时风速，激光测距传感器和风速传感器分别将检测信号发送给数据采集电路，数据采集电路将接收到的信号进行预处理后发送至主控制器，主控制器根据激光测距传感器检测到的风口截面信息，换算出风量监测点的风口截面积，然后结合该风口截面积以及风速传感器检测到的风速值，计算出风量值，最后将计算出的风量值发送至显示电路进行显示，以使工程技术人员实时了解风量监测点的风量大小；主控制器还可根据计算得到的风量值大小向通风系统控制电路发送控制信号，以使通风系统增大或减小输出的风量，使矿井下的通风量保持在一个适当的范围内；同时，主控制器还将计算得到的风量值与预设的参照风量值进行比较，当监测点的风量值过高或过低时，主控制器可向报警电路发送告警信号，报警电路进行报警，提醒工程技术人员及时调节风量大小，维护井下安全。本发明的电路结构简单，井下布线不繁琐，能自动获取风口截面积和风速值，自动换算出风量值，并能根据换算结果进行报警以及控制通风系统调节风量，无需过多的人工干预，智能化程度较高，工作效率较高。

2、本发明中的主控制器主要采用了型号为stm32f107vct6的集成电路芯片，该芯片具有强大的运算、存储、控制能力，由于该芯片还集成了两个模数转换器，因此只需将采集到的模拟信号进行滤波、放大后直接传送给主控制器，无需采用额外的a/d转换器进行模数转换，进一步简化了电路结构；此外，本发明中采用了双通道的轨到轨运算放大器，可同时接收、处理激光测距传感器和风速传感器的检测信号，无需一个传感器对应一个滤波放大电路，进一步减少了电气模块的布线。

3、本发明还设置了rs485通讯电路，通过rs485通讯电路，主控制器可将风量监测结果上传至上位机，以方便后续的数据分析和处理。除此之外，本发明还设置了指示电路，指示电路包括两个发光二极管；当监测到的风量值过高时，主控制器控制其中一个发光二极管发光，当监测到的风量值过低时，主控制器控制另外一个发光二极管发光，这样，工程技术人员可快速、直观地观察到风量的大小。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明；

图1为本发明实施例一提供的一种矿用风量监测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的一种矿用风量监测系统的结构示意图；

图3为本发明实施例三提供的一种矿用风量监测系统的结构示意图；

图4为本发明实施例中提供的数据采集电路的电路原理图；

图5为本发明实施例中提供的报警电路的电路原理图；

图6为本发明实施例中提供的显示电路的电路原理图；

图7为本发明实施例中提供的rs485通讯电路的电路原理图；

图8为本发明实施例中提供的指示电路的电路原理图；

图中：101为激光测距传感器，102为风速传感器，103为数据采集电路，104为主控制器，105为报警电路，106为显示电路，107为通风系统控制电路，108为供电电源，109为rs485通讯电路，110为指示电路。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例一提供的一种矿用风量监测系统，如图1所示，一种矿用风量监测系统，可包括：激光测距传感器101、风速传感器102、数据采集电路103、主控制器104、报警电路105、显示电路106、通风系统控制电路107和供电电源108。

所述激光测距传感器101的输出端和所述风速传感器102的输出端均分别与所述数据采集电路103的输入端电气连接，所述数据采集电路103的输出端与所述主控制器104的输入端电气连接，所述报警电路105的输入端、所述显示电路106的输入端和所述通风系统控制电路107的输入端均分别与所述主控制器104的输出端电气连接，所述供电电源108为整个风量监测系统供电。

本发明中，激光测距传感器用于检测风量监测点的风口截面信息，风速传感器用于检测流过风量监测点的实时风速，激光测距传感器和风速传感器分别将检测信号发送给数据采集电路，数据采集电路将接收到的信号进行预处理后发送至主控制器，主控制器根据激光测距传感器检测到的风口截面信息，换算出风量监测点的风口截面积，然后结合该风口截面积以及风速传感器检测到的风速值，计算出风量值，最后将计算出的风量值发送至显示电路进行显示，以使工程技术人员实时了解风量监测点的风量大小；主控制器还可根据计算得到的风量值大小向通风系统控制电路发送控制信号，以使通风系统增大或减小输出的风量，使矿井下的通风量保持在一个适当的范围内；同时，主控制器还将计算得到的风量值与预设的参照风量值进行比较，当监测点的风量值过高或过低时，主控制器可向报警电路发送告警信号，报警电路进行报警，提醒工程技术人员及时调节风量大小，维护井下安全。本发明的电路结构简单，井下布线不繁琐，能自动获取风口截面积和风速值，自动换算出风量值，并能根据换算结果进行报警以及控制通风系统调节风量，无需过多的人工干预，智能化程度较高，工作效率较高。

在具体实施时，测距传感器101可通过底座等固定件固定在一根传动轴的一端上，传动轴的另一端可通过传动带等连接件与驱动电机的转轴相连接，传动轴可随驱动电机的转轴转动，驱动电机可为步进电机或伺服电机。

基于上述测距传感器101的安装方式，风口截面积的获取方法如下：

1、通过传动轴将激光测距传感器101送至风量待监测点的风口处；

2、通过驱动电机旋转传动轴，使激光测距传感器101对风口截面做360°旋转测量；

3、激光测距传感器101记录其测量中心点到风口内壁的实际距离p，同时记录其此时转过的角度θ；激光测距传感器101在360°内分多个角度旋转，激光测距传感器101每转过一个角度测量一次；

4、主控制器104根据下列公式计算出风口的实际截面积：

∑δ＝δp1p2θ1+δp2p3θ2+.....+δpn-2pn-1θn-1+δpnp1θn。

采用上述的获取方法得到的风口截面积精确度较高，误差较小，测量速度快，而且测量设备的安装和拆卸都较为简单，可根据监测点的改变随时移动。

在具体实施时，主控制器104在得到风口截面积之后，计算截面积与风速的乘机即可得到风量值。

图2为本发明实施例二提供的一种矿用风量监测系统的结构示意图，如图2所示，在实施例一的基础上，所述的矿用风量监测系统还可包括：rs485通讯电路109，所述rs485通讯电路109与所述主控制器104双向连接。

通过rs485通讯电路109，主控制器104可将风量监测结果上传至上位机，以方便后续的数据分析和处理。

在具体实施时，可以通过rs485接口扩展3g/4g/gprs模块进行无线传输数据。

图3为本发明实施例三提供的一种矿用风量监测系统的结构示意图，如图3所示，在实施例一的基础上，所述的矿用风量监测系统还可包括：指示电路110，所述指示电路110的输入端与所述主控制器104的输出端电气连接。

具体地，所述指示电路110可包括：发光二极管d1和发光二极管d1。

本发明中，指示电路110包括两个发光二极管，当监测到的风量值过高时，主控制器104控制其中一个发光二极管发光，当监测到的风量值过低时，主控制,104控制另外一个发光二极管发光，这样，工程技术人员可快速、直观地观察到风量的大小。

图4为本发明实施例中提供的数据采集电路的电路原理图，如图4所示，所述主控制器104可包括：型号为stm32f107vct6的集成电路芯片(图中未示出)，所述数据采集电路103可包括：型号为ad8622的双通道运算放大器u1。

所述激光测距传感器101的输出端与接线端子jxz1的输入端相连，所述接线端子jxz1的输出端与所述双通道运算放大器u1的第一输入正端+ina相连，所述接线端子jxz1的输出端和接地端之间分别并接有电阻r1和电容c1；所述双通道运算放大器u1的第一输出端outa通过电阻r3分别与所述集成电路芯片的输入端pa0和电容c3的一端相连，所述电容c3的另一端接地，所述双通道运算放大器u1的第一输出端outa还与其第一输入负端-ina相连。

所述风速传感器102的输出端与接线端子jxz2的输入端相连，所述接线端子jxz2的输出端与所述双通道运算放大器u1的第二输入正端+inb相连，所述接线端子jxz2的输出端和接地端之间分别并接有电阻r2和电容c2；所述双通道运算放大器u1的第二输出端outb通过电阻r4分别与所述集成电路芯片的输入端pa1和电容c4的一端相连，所述电容c4的另一端接地，所述双通道运算放大器u1的第二输出端outb还与其第一输入负端-inb相连。

所述接线端子jxz1的电源端和所述接线端子jxz2的电源端分别与+24v电源相连，所述双通道运算放大器u1的电源正极v+与+5v电源相连，所述双通道运算放大器u1的电源负极v-与-5v电源相连。

本发明中主控制器采用的stm32f107vct6集成电路芯片，其具有强大的运算、存储、控制能力，由于该芯片还集成了两个模数转换器，因此只需将采集到的模拟信号进行滤波、放大后直接传送给主控制器，无需采用额外的a/d转换器进行模数转换，进一步简化了电路结构；此外，本发明中采用了双通道的轨到轨运算放大器，可同时接收、处理激光测距传感器和风速传感器的检测信号，无需一个传感器对应一个滤波放大电路，进一步减少了电气模块的布线。

图5为本发明实施例中提供的报警电路的电路原理图，如图5所示，所述报警电路105可包括：pnp型三极管q1、扬声器bp1和led警示灯jd1。

所述集成电路芯片的输出端pc6通过电阻r5与所述pnp型三极管q1的基极相连；所述pnp型三极管q1的发射极与所述扬声器bp1电源负端相连，所述扬声器bp1的电源正端与电源vcc相连；所述pnp型三极管q1的基极通过电阻r6与led警示灯jd1的负极相连，所述led警示灯jd1的正极与电源vcc相连；所述pnp型三极管q1的集电极接地。

在实际应用中，主控制器104通过向pnp型三极管q1的基极输出高低电平来控制pnp型三极管q1的导通，当pnp型三极管q1导通时，扬声器bp1和led警示灯jd1得电，发出声音和灯光，当pnp型三极管q1截止时，扬声器bp1和led警示灯jd1失电，停止声光报警。

进一步地，所述集成电路芯片的输出端pc6和所述电阻r5之间串接有开关sw1。

通过开关sw1，可根据实际需求手动关闭报警电路105的导通。

图6为本发明实施例中提供的显示电路的电路原理图，如图6所示，所述显示电路106包括：型号为lcd1602的液晶显示器u2、滑动变阻器rw1和排阻rp1。

所述液晶显示器u2的电源正极vdd与+5v电源相连，所述的+5v电源还与所述滑动变阻器rw1的一个固定端相连，所述滑动变阻器rw1的另一个固定端接地，所述滑动变阻器rw1的移动端与所述液晶显示器u2的偏压信号端vl相连；所述液晶显示器u2的命令/数据端rs、读/写端rw、使能端en分别对应地与所述集成电路芯片的数据端pc10、pc11、pc12相连；所述液晶显示器u2的数据端d0、d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7分别对应地与所述集成电路芯片的数据端pa8、pa9、pa10、pa11、pa12、pa13、pa14、pa15相连；所述液晶显示器u2的背光正极bl+通过电阻r7与+5v电源相连；所述液晶显示器u2的电源地端vss、背光负极均接地。

图7为本发明实施例中提供的rs485通讯电路的电路原理图，如图7所示，所述rs485通讯电路109可包括型号为max485的rs485收发器u3，所述rs485收发器u3的输出端ro、驱动器输入端di分别与所述集成电路芯片的输入端pd6、输出端pd5相连，所述rs485收发器u3的接收使能端re与所述集成电路芯片的输出端pd7相连，所述rs485收发器u3的发送使能端de通过电阻r8接地，所述rs485收发器u3的接收使能端re与发送使能端de相连；所述rs485收发器u3的差分信号接收端a、差分信号发送端b分别与接线端子jxz3相连，所述rs485收发器u3的差分信号接收端a还与跳线帽con1相连，所述rs485收发器u3的差分信号发送端b通过电阻r9与跳线帽con1相连，所述rs485收发器u3的电源端与+3.3v电源相连，所述rs485收发器u3的电源端通过电容c5接地，所述rs485收发器u3的接地端gnd接地。

图8为本发明实施例中提供的指示电路的电路原理图，如图8所示，所述集成电路芯片的输出端pb8与所述发光二极管d1的正极相连，所述集成电路芯片的输出端pb9与所述发光二极管d2的正极相连，所述发光二极管d1的负极和所述发光二极管d2的负极均接地。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电气连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例x”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

可以理解的是，上述方法、装置及系统中的相关特征可以相互参考。另外，上述实施例中的“一”、“二”等是用于区分各实施例，而并不代表各实施例的优劣。

所述领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和电路的具体工作过程，可以参考前述实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其他设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类装置所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定的编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统，可以通过其它的方式实现。以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。