總體設計思路

1.傳感器的選擇

地壓監(jiān)測最關鍵的一環(huán)，選用什么樣的傳感器，這是整個系統(tǒng)設計的核心。本系統(tǒng)主要監(jiān)測采空區(qū)礦井頂部向下行走的位移，礦井頂部如果發(fā)生位移，主要表現為如下特征：1）該位移產生速度較慢，即礦井頂部不會很快就垮塌，而是要經歷一個過程；2）礦井產生塌陷，基本上都是周圍一片都會塌陷，很少只有某一個小區(qū)域發(fā)生；3）有時礦井頂部產生位移，該位移通常會保持一段時間。結合以上特征，這里選擇直線位移傳感器，其行程為100～150mm。直線位移傳感器垂直安裝，其頂部靠彈簧的反作用力固定在礦井頂部，傳感器底端固定在地上，多個傳感器分布于要求進行地壓監(jiān)測的區(qū)域，這樣不管是某小段區(qū)域產生位移，亦或該區(qū)域都產生位移，系統(tǒng)都可以檢測到。

2.通訊方式選擇

硬件系統(tǒng)使用STC89系列單片機，可以很方便地使用RS232或者RS485方式進行通訊。由于礦井之中安裝有其他監(jiān)控設備，同時鋪設通訊光纜，所以這里選擇RS485／以太網轉換器，將串行設備連接到局域網，通過網絡和上位機進行通訊。

3.顯示方式

傳統(tǒng)的下位機顯示方式有液晶顯示和數碼管顯示，由于地壓監(jiān)測下位機安裝在礦井下，基本上是無人區(qū)，考慮成本及地下環(huán)境，這里選擇價格相對低廉且穩(wěn)定性高的數碼管顯示方式。

硬件設計

下位機采用STC89C54RD＋為控制核心，該款單片機抗干擾能力較強，其功能完全可以滿足地壓監(jiān)測系統(tǒng)的需要。通訊部分使用SN75176通訊芯片，然后和MOXA串口以太網協(xié)議轉換器相接，使用光纖通信。AD采樣使用TI的TLC2543，12位轉換精度，可以精確到0．3mm，足以滿足使用精度要求；同時TLC2543每片有11個AD轉換通道，本系統(tǒng)設計使用兩片AD，最多可以擴展22路數據采集通道，即同時采集22個傳感器數據。但是考慮到實際使用需求，實際系統(tǒng)只引出16路通道。如果有多片區(qū)域需要監(jiān)測，可以使用多套下位機，每個下位機使用撥碼盤進行編號，保證每個下位機都有唯一的ID。顯示采用5位數碼管循環(huán)顯示每個傳感器的數據。

上位機軟件設計

上位機設計分為服務器端和客戶端，數據庫采用SQLServer2000。服務器端主要用于和下位機進行通訊，負責采集傳感器數據，同時將解析完成的數據存入數據庫。客戶端完成傳感器的創(chuàng)建，負責顯示服務器端傳輸過來的數據。創(chuàng)建傳感器之前，先配置安裝傳感器的區(qū)域，有需要進行地壓監(jiān)測的區(qū)域，才創(chuàng)建傳感器。創(chuàng)建傳感器時，每個傳感器要和負責監(jiān)視的區(qū)域相聯系，同時傳感器ID和通訊協(xié)議相匹配，使之唯一對應一個傳感器。系統(tǒng)采用圖形化的模式顯示傳感器的位置和傳感器數據，可以很方便的瀏覽當前地壓系統(tǒng)監(jiān)測到的位移數據，如果是正常位移，則以藍色圖表表示，如果是報警位移，則用橙色或者紅色表示，橙色表示位移偏移量較小，在系統(tǒng)可以承受的范圍之內，紅色表示已經超出系統(tǒng)能承受的最大位移，說明位移量很大，提醒值班人員注意。

系統(tǒng)測試及分析

系統(tǒng)在湖北柳樹溝礦業(yè)運行一段時間，運行情況良好，位移變化量基本維持在1mm以內，滿足系統(tǒng)要求。出現的問題主要有兩個：①由于礦井頂部偶爾有石頭塊掉落，有的石頭正好落在傳感器數據線上，將數據線打斷，出現傳感器斷線報警；②MOXA串口／以太網轉換器出現故障，更換新的協(xié)議轉換器后系統(tǒng)工作正常。表1（表略）中每個傳感器的初始值不同，是因為傳感器在安裝過程中難以保證每個傳感器的安裝高度完全一致，但是這對于位移監(jiān)測不造成任何影響，因為實際監(jiān)測時所需要的數據只是位移的偏差值。5結束語本系統(tǒng)基于51單片機內核打造，使用RS485和光纖通訊相結合的方式，可以很好的發(fā)揮各自的技術優(yōu)勢，經歷長時間運行，已經證明本系統(tǒng)在地壓監(jiān)測方面達到了穩(wěn)定可靠地效果，對于非煤采礦區(qū)作業(yè)人員的生命安全能起到非常好的保護作用。

本文作者：梁會軍 黃兆云 單位：宜昌三峽大學電氣與新能源學院 湖北景深安全技術有限公司