矿井提升机钢丝绳张力监测系统接收电路的设计-毕设.doc
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1、毕 业 设 计(论文)(说 明 书)题 目: 姓 名: 编 号: 平顶山工业职业技术学院 年 月 日平顶山工业职业技术学院毕 业 设 计 (论文) 任 务 书姓名 专业 任 务 下 达 日 期 年 月 日设计(论文)开始日期 年 月 日设计(论文)完成日期 年 月 日设计(论文)题目: A编制设计 B设计专题(毕业论文) 指 导 教 师 系(部)主 任 年 月 日平顶山工业职业技术学院毕业设计(论文)答辩委员会记录 系 专业,学生 于 年 月 日进行了毕业设计(论文)答辩。设计题目: 专题(论文)题目: 指导老师: 答辩委员会根据学生提交的毕业设计(论文)材料,根据学生答辩情况,经答辩委员会讨
2、论评定,给予学生 毕业设计(论文)成绩为 。答辩委员会 人,出席 人答辩委员会主任(签字): 答辩委员会副主任(签字): 答辩委员会委员: , , , , , , 平顶山工业职业技术学院毕业设计(论文)评语第 页共 页学生姓名: 专业 年级 毕业设计(论文)题目: 评 阅 人: 指导教师: (签字) 年 月 日成 绩: 系(科)主任: (签字) 年 月 日毕业设计(论文)及答辩评语: 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文)目录第一章 绪论 2 一、本课的目的和意义 2二、国内外研究概 3 三、 软件及工作过程 4 第二章 系统总体方案设计 5 一、总体方案综述 5二、上位机方案设计 6三
3、、 软件及工作过程 7第三章 系统具体模块设计 8一、 系统硬件电路设计 8二 系统软件设计24 致谢28 参考文献29矿井提升机钢丝绳张力监测系统接收电路的设计第一章 绪论一.本设计的目的和意义本设计主要用来检测提升机钢丝绳的张力变化情况川。提升机是广泛应用于工矿企业的重要设备,它用四根钢丝绳携带两个积斗上下往复运动进行工作,提升机钢丝绳是矿井提升设备中的承重部件,需要承受重达50吨的张力。因为钢丝绳的运行情况和承载能力时刻关系到设备和人身安全,所以钢丝绳的正确维护是非常重要的。如果提升机钢丝绳受力不均匀可能导致其中一根绳子断裂,其他几根钢丝绳也会相继断裂。如果对钢丝绳的张力进行检测,并记录
4、下来,就可发现其中各个绳子的张力变化过程,可以调整钢丝绳使它们达到受力均匀,从而不会因为钢丝绳张力之间的差别过大或张力本身超过极限而断裂。 现在,煤矿中一般人为地凭借经验的观测进行调节,可靠性低,并且山于不能随时检测其张力而易引起事故。因此,需要设计出一套具有自动检测能力的系统对钢丝绳张力进行准确检测,在各钢丝绳张力之间的差别过大或张力本身超过极限时进行报警,以提高钢丝绳的使用寿命、保障设备的安全运行。由于张力变化的过程缓慢,所以分析张力近期的数据非常重要。矿井的特殊环境,对该设计提出了较高的要求。由于提升容器作往复运动,无法进行有线传输,因此只能采用无线传输的方式进行数据传送。所以,根据矿井
5、提升机的实际情况,为了保障安全生产的顺利进行,有必要设计出一套无线检测系统,在提升机工作的时候对它的六根钢丝绳的张力进行检测。本系统中,出于对矿井安全生产的考虑,采用低压采集与传送。应用本系统检测钢丝绳张力,可以解决称重、张力不均调绳,预告松绳、过载,防止“蹲罐”、“坠斗”等恶性事故发生,并有利于改进提升控制系统。它主要用于多绳提升机,但经改进也可用于单绳提升机,这就使得它在我国广大煤矿的提升系统的检测中具有极其广阔的应用前景。使用该系统,可为提升机安全、经济地运行提供主要保证,从而大大提高提升系统可靠性,减少事故,防止人员伤亡,具有很大的社会效益。二.设计概况本设计涉及到的矿井提升机钢丝绳张
6、力检测系统对环境的要求比较苛刻,要求能适应冬季低温环境以及满足矿井安全防爆(电压不能超过5V)的要求。 三.无线数字通信系统基本组成图1给出了无线数字通信系统的基本模型。信源又称信息源,它是产生消息的部分。信源编码是把信源发出的信息转换成数字形式的信息序列。主要包括模/数转换(A/D变换)和压缩处理。信宿就是信息的接收者,它是信息到达的目的地。信源译码将接收到的信号恢复成原始的消息。信道是任何一个通信系统必不可少的组成部分,信道特性将直接影响系统性能。图1 无线数字通信系统基本模型数字调制的基本方式可以归结为三类:振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。其中调制信号为二进制
7、数字信号的数字调制称为种变化状态,是最简单的数字调制,可以分为:二进制振幅键控(2ASK),二进制频移键控(2FSK)和二进制移相键控(2PSK)。四.总系统技术要求提升机钢丝绳张力检测系统是一套无线检测系统,它能检测钢丝绳张力变化情况,并通过无线发射器将数据传输到地面提升机控制台。该系统主要是应用在矿山领域的提升设备中。如果安装了木系统,能够增强提升设备的可靠性,减少事故,防止人员伤亡、延长钢丝绳的使用寿命,具有很大的社会效益和经济效益。接收系统主要功能如下:(1)实时在线接收(2)无线接收信号(3)D/A转换(4)从单片机到微机之间的数据传输主要技术指标:(1)采集频率:3次/秒;(2)接
8、收频率: (3)功率: (4)工作电压: ;(5)传输速率: ;(6)无线传输距离: 米;第二章 系统总体方案设计一.总体方案综述整个提升机钢丝绳张力在线监测系统设计成由三个部分组成。包括:上位机、下位机、控制室。下位机主任务是负责信号采集、信号调整以及信号发射;上位机主要任务是负责信号接收、信号处理以及将最终有效数据传送到微机;在微机控制室,微机根据接收到的数据显示出相应的受力曲线图等信息,工作人员通过观察这些信息和输入指令来实时监控整个系统。若采用有线信号传输方法,线路易老化,且线路需随提升机上下运动,易磨损或钩挂到其他物件而损坏,因此容易出现故障。考虑到矿井工作环境恶劣,维修困难,固而采
9、用无线信号传输方式。根据矿井安全规定,防爆指标工作电压为低于5伏,不宜采用功率较大的模拟信号收发传输方式,因而采用数字信号收发传输方式。其框图如图2所示: 图2 总系统工作原理框图由于本选题为总体方案三部分之一,即接收电路部分,位于上位机,固以下着重论述上位机方案设计。二.上位机方案设计在工作站的控制台上采用终端PC机进行数据的分析处理。从模块出来的串行数据通过电平转换,读入计算机。接收端(计算机)采用高级语言编辑的接收软件,显示接收到的数据,并进行进一步的处理,如汇总成数据表格,画出分析曲线以及打印结果等等,以供工作人员参考。鉴于发射接收模块的输入、输出电平为TTL电平,与PC机RS 232
10、标准串行接口的电气规范不一致,因此要单片机与PC机之间的数据通读,必须进行电平转换。本系统采用MAX公司的MAX232实现电平转换。其优点为工作稳定,外部连接元件少。整个接收电路方框图如图3所示:图3 接收电路方框图信号由下位机发射模块发出,接收电路用采用挪威Nordic公司无线收发芯片nRF401接收信号,经其内部处理后,得到编码数字信号输出;再输入intel8051单片机,对其进一步处理后;再数字信号经MAX232电平转换后输入到PC机,即整个接收工作完成,其中,由于单片机只有一个串口,而Nrf401与单片机以及单片机与PC机的连接都是串行通讯,所以许外部扩展串口,在此扩展两个串口,以留一
11、个备用,采用8251扩展串口。三.软件及工作过程主程序是控制和管理的核心,系统上电后进行初始化定时器处理操作。初始化主要完成对各串口状态寄存器复位和初次检查除定时器0外禁止所有的中断。 图4 系统的软件流程图初始化完成后,系统开始正常运转。进行端口检测、定时处理等操作。系统的软件流程如图4所示: 第三章 系统具体模块设计一. 系统硬件电路设计硬件电路分为四个模块,分别为无线接收模块、单片机数据处理模块、TTL()与RS232(V)电平转换模块、PC机串口模块。1、无线接收模块(1)主芯片nRF401简介nRF401是工作于ISM频段()的单片机无线收发一体芯片。它是目前集成度量高的无线数传产品
12、,20脚双列直插封装。NRF401内部结构如图1所示,其中包含高频接收/发射、PLL合成、FSK调制/解调和双频切换等单元。该芯片有如下特点:FSK5频移键控(Frquency-ShiftKeying)调制方式,直接数据输入输出,抗干扰能力强,特别适合工业场合;采用DSS+PLL频率合成技术,频率稳定性极好;灵敏度高,达到;无需曼彻斯特编码;工作速率最高可达;最大发射功率达,开阔地的使用距离最远可达m;工作在ISM频率和双信道频率,使用不需要申请许可证。其内部结构图及引脚分布图6所示:图6 nRF401管脚图引脚号引脚名功能描述1XC1输入晶振输入2VDD电源+35V3VSS地0V4FILT1
13、输入外部循环滤波器引脚5VCO1输入压控震荡的外接电感6VCO2输入压控震荡的外接电感7VSS地0VVDD其引脚功能如表1: 8电源+35VDIN9输入数据输入DOUT10输出数据输出RF_PWR11输入发送电源设置CS12输入通道选择VDD13电源+35VVSS14地0VANT215输入/输出天线引脚表1 nRF401引脚功能(3)、nRF401典型电路及推荐外部元件参数 图7 nRF401典型电路C1晶振电容22pFC2晶振电容22pFC3滤波器电容820pFC4滤波器电容15nFC5耦合陶瓷电容2.2uFC6耦合陶瓷电容100nFC7耦合陶瓷电容1nFC8耦合陶瓷电容100pFC9耦合陶
14、瓷电容100pFC10天线电容3.30.1pFC11天线电容5.60.25pFL1压控震荡器(VCO)电感222%nHR1晶振电阻1.0M R2滤波器电阻4.7K R3发送电源控制22K R4减少天线干扰18K X1晶振4.000MHZ表2 推荐使用外部元件参数(4)、收发模式通道选择设置如下表:InputRcsponseTXENCSPWR_UPChannelMode0011011210111112XXX-Standby表3 收发模式通道选择设置(5)、 nRF401在本系统中的应用因本系统主要为信号接收,因此只启用其接收模式,选择通道1,即TXEN引脚直接接地,CS引脚接地,PWR-UP接高
15、电平。在本系统中具体应用电路如图8所示: 图8 本系统中应用电路2、单片机模块(1) intel MCS-51系列单片机简介当前应用最广的是Intel公司的MCS51系列单片机,通常用“8051”这个术语来泛指MCS51系列单片机。MCS51系列单片机从其制造工艺上可分为HMOS和CHMOS型两档,即8051/80C51。从其功能结构上又可分为8051/8751/8031,8052/8752/8032和8044/8744/8344以及80C51/87C51/80C31,80C52/87C52/80C32等多种产品。本系统采用的是8051单片机。MCS51系列单片机基本参数和功能如下:8位CPU
16、;4K/8K字节的程序存储器ROM或EPROM;128/256字节的数据数据存储器RAM;可寻址外部程序和数据存储器各字节;二十多个特殊功能寄存器;32线并行I/O口;一个全双工串行I/O口;个位定时/计数器;个中断源,有两个优先级,同级中断则按优先顺序查询;具有较强功能的位处理(布尔)能力。图9为MCS51系列单片机组成结构框图。 图9 MCS51系列单片机组成结构框图采用HMOS工艺的8051单片机的外行结构都采用40条引脚双列直插式(DIP)封装,而CHMOS工艺的80C51单片机除才用DIP封装方式外,还采用方行封装方式。本系统主要采用前者,下面读对其具体芯片管脚说明:VSS-(20引
17、脚):电路地电平VCC-(40引脚):正常运行和编程校验时为+5V电源XTAL1-(19引脚):接外部晶振的一个引脚。在单片机内部,它是一个反向放大器的输入端,这个放大器构成了片内震荡器。当采用外部震荡器时,此引脚应接地。XTAL2-(18引脚):接外部晶振的另一个引脚。在单片机内部,它是一个反向放大器的输入端,这个放大器构成了片内震荡器。当采用外部震荡器时,此引脚应接外部震荡信号的输入。RST/Vpd(9引脚):复位信号输入端。震荡器工作时,由该引脚输入脉宽2个以上机器周期的高电平时复位单片机。当外部在RST与VCC之间接一个电容约10微法和在RST与VSS之间接一个电阻约8。2千欧时,就可
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