煤矿顶板位移测量装置的开发

为降低煤炭开采中顶板事故发生的数量，必须采用更加先进的测量方法对煤矿的顶板进行测量。本文针对该测量系统研发过程中的技术问题进行了说明。 1测量原理 传统的测量顶板位移方法多采用人工测量的方式进行，一般通过直接测量整个巷道的高度变化来判断顶板的位移。但这样的测量方法主要依赖于人的客观性，测量误差很大，有不确定性。其测量不仅费时费力，在其数据采集方面滞，对于各个监测点的巡检周期长。正是由于上述原因，传统的测量方法不利于数据的分析和报警的及时性。 新型测量方法和设备其测量的基本原理如图l所示。 在测量时通过钢钎将一根钢丝固定在老顶或直接顶上，而钢丝的另一缠绕在固定在伪顶上的测量分机的光栅滑轮上。如果伪顶或直接顶发生了位移其与老顶之间的距离必然发生变化。这种变化会引起钢丝长度的变化，这时钢丝带动光栅滑轮转动，光电二极管捕捉到这种转动，产生输出脉冲。测量设备就是通过对于这种脉冲的计数，转化为位移的测量值。 由于这种新的测量设备可以直接测量到顶板内部的位移和形变状态，相比于传统的测量方式可以为顶板事故的分析提供更为准确和详实的数据，为顶板事故的预警提供更好的参考。 2电路及系统的构成 2.1测量系统主机 测量系统的主机由以下几个模块成：单片机及其系统可靠性电路；频率发生模块；显示模块；遥控模块；通信模块。其组成如图2所示。 2.2测量系统分机 测量系统分机由以下几个模块组成：单片机及其系统可靠性电路模块；脉冲捕捉模块；地址设定模块；通讯模块。其组成如图3所示。 2.3系统的组成 该测量系统采用主从结构设计，即由一个测量主机和若干测量分机组成。测量主机和分机之间采用RS485通讯总线进行通讯。 由于该位移测量系统是应用在现有的矿井安监系统上的，设计要求必须符合系统的要求。由于现安监系统中只预留了一部分的频率信号端口提供给顶板位移装置使用，所以该系统必须将位移的数值（光栅脉冲的计数值）转换为模拟频率信号。 由于模拟频率信号的读取和分辨的时间较长，冲突检测机制难以实现，不利于线路的复用。在实际应用中每一路频率信号独占一个频率采集端口，但是个巷道或回采面上根据不同的地质构造和巷道的长度需要设置几个甚至于几十个测量点。如果采用每个测量点全部直接连接到安监系统分站则会占用大量的频率传输接口。为了避免这种状况，整个系统设计为主 从结构。 在系统通电后由系统主机自动查找存在的分机，并将其地址储存下来。然后主机依次读取各个分机采集到的位移信息，并将其以频率的形式发送给安监系统的分站。为了明确的表示当前分站采集到的频率信号是哪个测量分机采集的信息，在系统中采用同时发送3路频率信号，其中两路分别表示伪顶和直接顶与老顶以及伪顶和直接顶之间的位移信息，而另一路则表示测到这些测量值的分机的地址。这样通过3路频率信号的采集口就可以实现对于多个位移测量装置的数据的采集。 2.4系统主要设计 2.4.1单片机芯片的设计 对于系统分机，为了保证系统可以不丢失的捕捉到每一个位移脉冲信号，决定采用计数器计数的模式来对位移脉冲进行计数。单片机计数器是在每个机器周期的S₅P₂拍节进行采样比较，所以计数的频率不能高于系统晶振频率的1/24。在系统采用11.0592M的晶振时最高可以识别的输入计数频率为460800Hz。 假设系统设计为10个脉冲信号表示位移的距离是1mm，系统测量的精度可以达到0.1mm。在这样的情况下可以算出只要顶板的位移速度不超过46m／s，就可以保证正确地测量到实际的位移。而根据实际经验，矿井顶板的形变位移速度不可能达到这样的速度，即采用计数器的方式可以无误差的采集到所有的位移信息。 由于系统本身需要两个计数器对位移脉冲进行计数，同时系统需要进行RS485的通讯，这样又占据了一个定时计数器作为波特率发生器。因此整个系统需要3个定时/计数器才能保证正常的工作，所以系统单片机选用Atmel公司的AT89C52系列单片机。这个系列的单片机具有3个定时/计数器，满足系统的要求。 在分机系统中将定时/计数器0的工作模式定在工作方式3，即定时/计数器被拆分为两个独立的8位计数器TL₀和TH₀。其中TL₀即可设定为一个8位的计数器用来记录一路的位移脉冲数量，而TH₀只能是设定为定时器，它的控制和中断借用了计数器1的控制位和中断位。此定时器可以为整个系统提供一个定时的中断信号，为需要不同定时的工作程序服务。定时/计数器1是作为波特率发生器使用。而定时/计数器2是作为一个16位的计数器记录另外一路的位移脉冲数。这样可以满足系统的定时、计数、波特率发生器的需要。 2.4.2频率传输和8253电路 由于该测量系统直接连接在原有的安监的分站上，而原有的分站只能够分辨出200～1000Hz的频率信号，其信号的分辨程度为1Hz。如果只是利用单片机本身的计数器产生频率，会在高频段产生频率不稳定的状态。这是由于单片机本身的定时器/计数器是在每一个机器周期计数器自动加1，当系统采用的是12M的晶振时（为方便计算以12M取整计算），一个机器周期的时间是1μs，所以一个1000Hz方波要由两个500个机器周期的高低电平组成；而要产生一个999Hz的方波则需要由500和501不同的机器周期的高低电平组成；998Hz的方波需要由两个501个机器周期的高低电平组成等，也就是说在高频阶段各个频率之间方波持续的电平的时间差只有1个机器周期。 而在单片机系统中断的调用中一定要等到当前的指令执行完毕后的下一个周期进行，根据调用中断时单片机正在执行的指令不同会产生1~3个机器周期的延时。而这样的延时具有不确定性，所以在高频段产生的误差无法消除。为了产生一个精确的方波频率信号，在系统中采用了一个独立的定时计数芯片来产生频率。频率发生器选用的芯片是Intel的8253定时计数器。 Intel8253芯片是一个具有3个独立的16位计数器，具有定时、计数的功能。正好可以满足系统产生频率的要求。其内部结构如图4所示。 从图4可以看出8253采用的是一个并行总线和单片机芯片进行通讯。芯片所有的数据通过双向三态缓冲器。通过读写逻辑接口对控制寄存器进行控制，进而控制所有的计数器的工作方式。 8253的3个计数器（0~2）具有相同的内部结构，操作相互独立。每个计数器包含如下的结构：一个16位的计数寄存器（CR），这个计数器作为预设初值使用；一个16位的计数单元（CE），所有的计数操作在这个单元进行；一个16位的输出锁存器（OL），作为输出计数值使用。而控制信号GATE和计数脉冲CLKJ司时通过一个与门控制计数单元（CE）的数值递减，而输出端根据设定的计数方式输出，即每一个计数器口可以有自己独立的计数频率。在应用中需要注意的是该芯片的最高CLK的输人频率为2.6MHz。 将8253计数器的工作方式设定为方式3，既可以产生需要的方波信号，满足系统的输出要求。在采用的11.0592MHz的外部晶振时，8253的计数频率为1843200Hz，满足该芯片对于输入频率的要求。在该输人频率下可以提供28~921600Hz的方波。而在所需要的200~1000Hz的范围内其频率的最低分辨精度为0.5Hz，高于安监系统可以分辨的精度。2.4.3RS485通讯部分 由于采用的是主从结构，这样必然会涉及到主从机之间的通讯问题。在这个系统中采用RS485进行通讯。采用RS485是基于如下几点考虑的。 （1）这套测量系统主要安装在掘进工作面和回采工作面上，测量主机通常安装在巷道口，测量主机和分机之间的距离并不是很长，可以控制在lkm的范围之内。而根据RS485电路的电器特性，其通讯的最大长度可以达到1.2km，这样的长度完全可以满足其系统的要求。 （2）对于RS485总线基本模式可以挂接32个设备，如果采用高阻抗的输入模块，如Texas Instruments公司的SN75LBC184，其输入阻抗为24kΩ仅相当于1/2个单位负载，这样总线上可以挂载64个模块。所以在总线上支持的系统容量足以满足应用的需求。 （3）根据RS485电路采用差分电路的模式，这样的设计可将系统干扰减小到最少。 （4）对于一个RS485系统来说其传输的距离与其传输的速率有关，根据经验公式数据传输速率（bit/s）×传输距离（m）≤10⁸（bit/s•m）。可以看出如果要达到系统的最大传输距离，在理想状态下就需要将传输速率控制在83333bit/s以下，即其理论的传输频率在10kb左右才能达到理想的传输距离。 考虑到系统的传输需求，假设完成一个分站的传输需要有48个字节的信息交换，如果不计人电路上传输时间的损耗，在理想的状态下可以每秒查询218个分机。如果以井下通常保持的安全传输频率1200bps（在矿井下常用的通讯频率），可以达到查询64个分站用时20s。系统对各个分机的通讯查询时间小于发送频率信息的时间，所以系统可采用RS485通讯。 对半双工的RS485通信芯片，当其读写控制管脚设置为高电平处于发送状态，此时禁止接收；而将该管脚设置为低电平时处于接收状态，禁止发送。由于RS485电路本身不具备冲突检测机制，所以系统上只能同时有一个处于发送状态，如果同时存在两个或两个以上的器件处于发送状态，就会引起通讯故障甚至毁坏通讯芯片。 系统采用主从应答模式进行通讯，即主机默认处于发送状态，所有从机处于接收状态。如果主机需要和从机通讯，则通过主机发送控制信号到对应的从机，在发送<