基于MSP430F5438的智能礦壓監(jiān)測儀的應(yīng)用研究

郭書英

(華北科技學(xué)院 計算機學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究是采礦的重點，只有準確掌握巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，才能采取有效的支護措施，提高巷道穩(wěn)定性，實現(xiàn)礦井的安全、高效運行[1-4]。其中現(xiàn)場觀測是一種最直接、最有效的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究方法，通過現(xiàn)場實測能夠直觀的反映具體地質(zhì)條件下礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的基本特征，是頂板支護參數(shù)選擇的基礎(chǔ)，是動態(tài)設(shè)計方法的重要組成部分[5-6]。目前礦山壓力監(jiān)測最常用的方法是采用壓力傳感器配合數(shù)據(jù)采集設(shè)備實現(xiàn)礦壓數(shù)據(jù)的采集存儲。本文主要討論基于MSP430F5438的低功耗高精度礦山壓力監(jiān)測儀的設(shè)計實踐，該監(jiān)測儀可實時監(jiān)測頂板圍巖錨桿錨索的受力情況，精確動態(tài)地反映頂板及圍巖的應(yīng)力應(yīng)變情況，為巷道支護參數(shù)設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 礦壓監(jiān)測技術(shù)原理

巷道礦壓監(jiān)測主要是利用單片機采集壓力傳感器的數(shù)據(jù)，其中壓力傳感器的測試原理是電阻應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，電阻應(yīng)變效應(yīng)的理論公式如下:

(1)

式中，ρ為電阻率；L為電阻絲的長度；S為電阻絲的截面積，mm2。

由式(1)可知，當(dāng)電阻絲受外力伸長時，長度增加，截面積減小，電阻值增加；當(dāng)電阻絲受壓力縮短時，長度減小，截面積增大，電阻值減小。因此，若想獲得電阻絲的應(yīng)變情況，只要測出電阻絲阻值的變化即可。

采用電阻應(yīng)變片把應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化，為了顯示和記錄應(yīng)變的大小，再將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，采用的測量技術(shù)為惠斯通電橋測量法[7]?；菟雇姌蛟韴D如圖1所示，其中，四個電阻RX、R1、R2、R3，稱為電橋的四個臂，且R1、R2、R3為固定電阻，RX為可變電阻。

圖1 惠斯通電橋原理圖

其電壓值Uo與被測電阻的函數(shù)關(guān)系如式(2)所示。

(2)

本文研發(fā)的礦壓監(jiān)測儀采用的是等臂電橋，即R1=R2=R3=Rxo，當(dāng)被測電阻△R?Rxo時，則式(2)簡化為:

(3)

式(3)表明，電橋電壓值U0與電阻變化量△R成正比。

2 礦壓監(jiān)測儀的方案設(shè)計及實現(xiàn)

本礦壓監(jiān)測儀依據(jù)礦用本質(zhì)安全型設(shè)計標準進行設(shè)計研發(fā)，符合礦用本質(zhì)安全型產(chǎn)品的各項指標要求，為礦用本質(zhì)安全型產(chǎn)品。

2.1 礦壓監(jiān)測儀的功能設(shè)計

礦壓監(jiān)測儀的主要功能包括數(shù)據(jù)采集功能、數(shù)據(jù)存儲功能、數(shù)據(jù)傳輸功能及人際交互功能。巷道礦壓數(shù)據(jù)的計量是通過ADC電路采樣得到電壓的瞬時值，按既定的算法換算成巷道礦山壓力值，并保證電壓有效值的相對誤差不超過±0.2%，頻率誤差小于0.01 Hz，電壓不平衡度測量誤差小于0.2%，電壓各次諧波幅值相對誤差小于±5%[8]。數(shù)據(jù)存儲功能，是將ADC電路采樣得到的數(shù)據(jù)按照預(yù)先約定的格式存儲在單片機內(nèi)，并依據(jù)相應(yīng)的算法將存儲數(shù)據(jù)換算成壓力數(shù)據(jù)實時顯示在儀器的數(shù)碼管上，以便隨時查看錨桿錨索的實時受力情況。監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)傳輸有兩種方式，分別為無線通信和有線通信方式，可自由選擇兩種通信方式對儀器數(shù)據(jù)進行讀取擦除，對儀器參數(shù)進行設(shè)置。人機交互功能，實時顯示瞬時礦壓值，可進行預(yù)警及各種錯誤提示，并可依據(jù)現(xiàn)場實際對礦壓監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)采集間隔、顯示間隔、數(shù)據(jù)傳輸模式及礦壓閾值等參數(shù)進行設(shè)置。

2.2 礦壓監(jiān)測儀的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的礦壓監(jiān)測儀采用‘ADC+MCU’架構(gòu)，其功能包括礦壓數(shù)據(jù)的采集、存儲、傳輸及人機交互功能，因此將該系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)的調(diào)制和采集、數(shù)據(jù)的分析和管理及數(shù)據(jù)傳輸三部分，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 礦壓監(jiān)測儀硬件結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)的調(diào)制和采集部分由信號調(diào)制電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路兩部分組成，主要負責(zé)采樣電壓信號，把采樣信號經(jīng)調(diào)制電路等比例整定到采樣器件電壓計量通道所允許的輸入范圍內(nèi)，將采樣數(shù)據(jù)通過并行的方式傳給MCU進行處理。

數(shù)據(jù)的分析和管理部分以 MSP430F5438芯片作為MCU的核心，完成數(shù)據(jù)的接收和存儲，同時可用時鐘模塊對系統(tǒng)的時間進行校準。

數(shù)據(jù)傳輸部分提供RS-485有線傳輸與無線傳輸兩種通信方式，實現(xiàn)礦壓監(jiān)測儀遠程或本地管理、參數(shù)的設(shè)置、數(shù)據(jù)的傳輸和儀器的校準。

礦壓監(jiān)測儀內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3 工程實踐

3.1 監(jiān)測點布置

為了驗證礦壓監(jiān)測儀的實用性，試驗地點選在中煤集團的某礦，根據(jù)煤礦現(xiàn)場實際地質(zhì)條件和試驗需要，在5106主運順槽的頂板開展試驗研究，詳細的安裝位置如圖4所示。

圖3 礦壓監(jiān)測儀電路結(jié)構(gòu)圖

圖4 礦壓監(jiān)測儀安裝示意圖

3.2 數(shù)據(jù)分析

在礦壓監(jiān)測儀數(shù)據(jù)采集過程中，由于外界存在干擾，且傳感器會隨著溫度的變化而發(fā)生零點偏移，所以通過傳感器和數(shù)據(jù)采集電路獲得的數(shù)據(jù)中往往存在很多噪聲和干擾信息，致使數(shù)據(jù)偏離基線。為了保證采樣數(shù)據(jù)能夠真實反映礦山壓力狀況，需要對采樣數(shù)據(jù)進行消噪處理，以剔除采樣數(shù)據(jù)中的噪聲和干擾，同時對采樣數(shù)據(jù)進行平滑處理以提高信噪比。對數(shù)據(jù)進行消噪平滑處理后錨桿錨索受力情況如圖5所示。

圖5 礦壓監(jiān)測儀監(jiān)測錨桿受力曲線圖

22600號儀器監(jiān)測5 m對接長錨桿的受力情況，如圖5(a)所示，錨桿的初始錨固力5.3t，受力范圍在5.3～6.0 t之間，其受力隨著安裝時間的逐步增加而波狀增長，安裝完成3小時后錨桿受力穩(wěn)定在5.9 t左右，此時錨桿受力達到了穩(wěn)定狀態(tài)。圖5(a)表明錨桿受力是一個動態(tài)變化的過程，對接長錨桿能夠很好的適應(yīng)這種動態(tài)變化過程，能夠和圍巖形成協(xié)調(diào)支護，充分發(fā)揮圍巖的自撐能力，同時錨桿受力過程中的波狀反復(fù)也說明了錨桿和圍巖共同起到了對頂板的支護作用。

22601號儀器同時監(jiān)測5 m對接長錨桿和2 m高強度錨桿的受力情況，如圖5(b)所示，5 m對接長錨桿的受力在監(jiān)測過程中先出現(xiàn)了跳躍式增長，后逐漸減小，當(dāng)5 m對接長錨桿受力出現(xiàn)跳躍式變化時，2 m高強度錨桿的受力也發(fā)生了相應(yīng)的改變。當(dāng)5 m對接長錨桿受力增加時，2 m高強度短錨桿受力減少，5 m對接長錨桿受力減小時，2 m高強度短錨桿受力增加，表明對接長錨桿和高強短錨桿在交替發(fā)揮作用，二者配合使用能充分發(fā)揮各自的支護作用，更好地適應(yīng)頂板壓力變化，保證巷道的安全穩(wěn)定。

22602號儀器同時監(jiān)測兩根2 m高強度錨桿及一根5 m對接長錨桿的受力情況，如圖5(c)所示，1#2#2 m高強度錨桿的初始錨固力分別為1.21 t和1.78 t，受力基本穩(wěn)定。5 m對接長錨桿的初始錨固力為4.79 t，在安裝的60天內(nèi)，錨桿受力基本穩(wěn)定。

22603號儀器同時監(jiān)測兩根2 m高強度錨桿及一根5 m對接長錨桿的受力情況，如圖5(d)所示，1#2 m高強度錨桿安裝時初始錨固力在2 t左右，安裝后受力較穩(wěn)定，2#2 m高強度錨桿安裝時初始錨固力為0，錨桿受力隨安裝時間的延長線性增加， 5 m對接長錨桿安裝時初始錨固力6 t左右，監(jiān)測過程中錨桿受力出現(xiàn)跳躍式增長，而后趨于穩(wěn)定，說明此處高強度短錨桿的錨固作用有限，不能很好地適應(yīng)頂板壓力的變化，而5 m對接長錨桿能很好的適應(yīng)頂板壓力的變化，為巷道安全提供保障。

4 結(jié)論

(1) 提出以超低功耗芯片MSP430F5438為基礎(chǔ)，‘ADC+MCU’架構(gòu)的實時監(jiān)測頂板及圍巖的應(yīng)力應(yīng)變情況的礦壓監(jiān)測儀的設(shè)計方案。該監(jiān)測方案不僅能夠精確動態(tài)地全程監(jiān)測巷道錨桿錨索的受力情況，直觀反映頂板及圍巖的礦壓狀況，而且當(dāng)頂板存在冒頂隱患時，可及時發(fā)出聲光報警。同時可通過RS485總線，將各個監(jiān)測儀與監(jiān)測站連接，不僅能實現(xiàn)多點監(jiān)測，而且易于與現(xiàn)有的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)進行兼容。

(2) 基于MSP430F5438的礦壓監(jiān)測儀在中煤集團某礦5106主運順槽進行了礦壓監(jiān)測試驗，試驗結(jié)果表明該監(jiān)測儀監(jiān)測效果良好。儀器可準確實時顯示5106主運順槽的頂板礦壓情況，通過對礦壓數(shù)據(jù)進行分析，準確地展示了巷道礦壓的變化趨勢，動態(tài)地反映了巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，為巷道支護方案的優(yōu)化設(shè)計及冒頂隱患的預(yù)測提供理論依據(jù)。