煤矿顶板压力信号采集控制电路的设计

1、分类号：TP242密级：公 开UDC:单位代码：10424学 位 论 文煤矿顶板压力信号采集控制电路的设计单 鹏申请学位级别： 硕士学位专业名称：控制理论与控制工程指导教师姓名：冯开林 崔保春职称：教授 副教授山 东 科 技 大 学二 0 一一年五月论文题目：煤矿顶板压力信号采集控制电路的设计作者姓名：单鹏入学时间： 2008 年 9 月专业名称：控制理论与控制工程研究方向：控 制理论 及其应用指导老师： 冯开林 崔保春职称：教授副教授论文提交日期：2011 年 5 月论文答辩日期：2011 年 6 月授予学位日期：THE CONTROL CIRCUIT DESIGN OF MINE ROOF

2、PRESSURE SIGNAL ACQUISITIONA Dissertation submitted in fulfillment of the requirements of the degree ofMASTER OF PHILOSOPHYformShandong University of Science and TechnologybyShan PengSupervisor: Associate Professor Cui BaochunCollege of Information and Electrical EngineeringMay 2011声明本人呈交给山东科技大学的这篇硕

3、士学位论文，除了所列参考文献和世所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机关作鉴定。硕士生签名：日期：AFFIRMATIONI declare that this dissertation, submitted in fulfillment of the requirementsfor the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science andTechnology, is wholly my own work unless referenced of acknowle

4、dge. Thedocument has not been submitted for qualification at any other academicinstitute.Signature:Date:山东科技大学硕士学位论文摘要摘要近年来，我国煤矿开采的深度逐渐增加，并且已经成为一种发展趋势。对深部开采条件下压力分布规律的研究也将成为煤矿安全生产的前提条件。根据钱鸣高院士的“砌体梁”和宋振骐院士的“传递梁”等矿山压力理论可以预测开采过程中顶板压力的变化规律及影响范围。在深部开采过程中，由于受采场巷道围岩和采空区顶板运动的影响，使得顶板压力显现更加复杂，矿山压力显现遇到了一些新问题，必须

5、依靠有效的检测方法和手段进行检测，获得矿山压力显现的准确数据，合理选择巷道支护方式和支护参数，为研究矿山压力分布规律及围岩检测控制技术提供有效的数据资料，用于指导煤矿的安全生产。在本设计中，主要通过对前端模拟电路的设计和主控制电路的设计，实现了对两路煤矿顶板压力信号的采集和控制的功能。前端模拟电路主要是对采集的两路压力信号的滤波、放大、A/D 转换的设计，主要实现了对模拟信号的处理、数字化及数字信号的处理。主控制电路包括存储电路、液晶显示电路、USB（Universa l Seria l Bus）接口电路及辅助电路等，完成对数据的存储、显示以及数据的传输功能。整个控制电路又增加了一些外围接口电

6、路，扩展了其功能，提高了系统对两路压力信号采集及控制的能力。本论文所涉及到的内容主要包括硬件电路的设计、编程软件的实现以及系统抗干扰设计与调试。 硬件电路的设计，主要包括：前端模拟电路的设计、主控制电路的设计及其他的辅助电路的设计；软件编程实现主要完成了各个子程序模块的编程设计；以及对抗干扰技术的研究。关键词：压力信号采集，A/D 转换，ATmega128，USB 接口山东科技大学硕士学位论文摘要ABSTRACTIn recent yeas, the depth of our countrys coal mining is gradua lly increasing, and hasbecom

7、e a trend. The study of pressure distribution in the deep mining conditions will also be aprerequisite for safety in coal mines. According to mining pressure theor y of Qian MinggaoAcademys Masonry Beam and Song Zhenq i Academys Transfer Beam can predict thevariation and extent of the roof pressure

8、in the mining process. In the process of deep mining,due to the influence of the mining field and the gob roof movement, makes the roof pressuremore complex, and makes the appear of the mine pressure encountered some new problems.I norder to study mine pressure distribution and the detection and con

9、trol technology of rock toprovide effective data, so must rely on effective ways and means of detection to detect, obtainaccurate data of the appear of the mine pressure and reasonable choice of roadway approachand support paraments, using to guide the coal mine production safety.In this design, ma

10、inly through the front-end analog circuit design and the ma in controlcircuit design ,the realization of two coal mine roof pressure signa l acquisition and controlfunctions. Front-end analog circuit is ma inly the design of the acquisition of two pressuresigna l filter ing, amplifica tion, A/D conv

11、erter. And achieve the processing of analog signa l,digital and the processing of digital signa l. The ma in control circuit includ memor y circuits,LCD circuits, USB(Universa l Seria l Bus) interface circuit and auxilia ry circuit, complete thecapabilities of data storage, displa y and data transmi

12、ssion. The entire control has increased thenumber of periphera l interface circuit, expanded its capabilities and improved the system oftwo pressure signa l acquisition and control capabilities.This thesis involved the contents including the hardware circuit design,theimplementation of programming s

13、oftware, anti-jamming design and debugging. Hardwaredesign, including front-end analog circuit design, the ma in control circuit design and otherauxilia ry circuit design, software programming design of each major to complete subprogrammodule programming design; study of anti-jamming technology.Keyw

14、ords:Pressure signa l acquisition, A/D converter, ATmega128, USB interface山东科技大学硕士学位论文目录目录1绪 论.11.11.21.31.4煤矿顶板压力信号采集控制电路的概述.1国内外发展的状态与动态.2课题研究意义.3论文研究的主要内容.42煤矿顶板压力信号采集控制电路总体方案.52.12.22.32.4控制电路的总体结构说明.5控制电路的系统指标及总体结构.5控制电路器件的选择.7本章小结.113煤矿顶板压力信号采集控制电路的技术分析.123.13.23.3前端模拟电路的技术分析.12主控制电路的技术分析.15本章

15、小结.204控制电路的硬件设计.214.14.24.3前端模拟电路的设计.21主控制电路的设计.27本章小结.375控制电路的软件实现.385.1 AVR 单片机集成开发环境. 385.2系统软件程序主要功能及总体结构.405.3 ATmega128 与外围设备间的软件实现. 435.4本章小结.496系统中的抗干扰技术与系统调试.506.1噪声干扰的形成.50山东科技大学硕士学位论文目录6.26.36.4抗干扰技术.51应用系统的调试.53本章小结.557论文总结.56致 谢. 57攻读硕士期间发表的论文.58参考文献.59附录 A硬件原理图和 PCB 图. 61山东科技大学硕士学位论文Co

16、ntents目录1Introduction. 11.11.21.31.4Overview of the control circuit of mine roof pressure signal acquisition. 1Evolutional actuality and trend at home and abroad. 2The meaning of this research. 3Main content of this thesis.42The overall prog ram of control circuit for mine roof pressure signal acqui

17、sition. 52.12.22.32.4Description of the overall structure of the controll circuit . 5The system indicators and overall structure of the control circuit .5The choice of the control circuit devices. 7Summary. 113Technical Analysis of control circuit for mine roof pressure signal acquisition. 123.13.23

18、.3Technical Analysis of front-end analog circuit . 12Technical Analysis of main control circuit . 15Summary. 204The hardware design of the control circuit . 214.14.24.3The design of front-end analog circuit .21The design of the main control circuit. 27Summary. 375The software achievement of the cont

19、rol circuit .385.15.25.35.4Integrated development enviroment for AVR microcontroller . 38The mian functions and overall structure of system software programs. 40The software realization between the ATmega128 and peripheral devices. 43Summary. 496Anti-jamming technology in system and system debug . 5

20、06.1The formation of noise. 50山东科技大学硕士学位论文目录6.26.36.4Anti-jamming technology. 51The debugging of applications system. 53Summary. 557Paper summa ry. 56Thanks .57Papers published during study for Major degree. 58Reference Documents . 59Appendix A Level Instrument Hardware schematic and PCB pict ure.61

21、山东科技大学硕士学位论文1绪 论绪论1.1 煤矿顶板压力信号采集控制电路的概述关于煤矿顶板压力信号采集控制电路的设计主要涉及前端模拟电路和主控制电路。前端对压力信号采集的模拟电路设计是整个控制电路中及其重要的一部分，它直接影响采集数据的精确度和正确率，对主控制电路的设计也起着至关重要的作用。近年来，由于微型计算机技术的迅速发展，数字技术应用日益广泛，微型计算机的技术在科学研究、生产控制过程等领域中的作用，也越来越重要。但是，由于外界的信息，如：温度、位移、压力、速度等，都是连续变化的物理量。要用微型计算机来处理这些连续变化的物理量，使其变成微型计算机可接受的数字量，就必须进行离散化和量化编码的

22、处理，这个过程就是我们需要处理的有关前端模拟电路的部分，也是取得原始数据的主要手段。煤矿顶板压力信号采集的控制电路，是以 AVR 单片机为主控制器，作为压力信号采集系统的核心，对模拟电路和存储电路、显示电路和传输电路进行控制。两路压力信号的采集就是通过传感器将压力信号转换为电信号，经过放大、滤波、模数转换等，最后送到主控制器进行数据的处理、存储、显示及数据的传输等过程。对精度和速度的要求是设计对煤矿顶板压力信号采集的最主要的目标。检测精度要求是信号采集系统中必须具备的条件，否则就会变得没有意义；信号采集速度的提高，不仅扩大了信号采集系统的使用范围，而且使其工作效率得到了很大的提高12。因此，在

23、对煤矿顶板压力信号采集控制电路的设计中有如下主要特点：（1） 主控制器选用 AVR 单片机进行控制，不仅提高了煤矿顶板压力信号采集的质量和效率，而且也节省了对硬件资源的投资。（2） 通过对系统软件编程的设计增加了系统设计的灵活性。（3） 通过前端模拟电路与主控制电路的紧密结合，形成了对煤矿顶板压力信号的采集与处理系统，从而实现对压力信号的采集、处理、控制等工作。（4） 由 AVR 单片机作为主控制器来控制的主控制电路，以及对前端压力信号采集可以完成很高的采集速度，因此可以适应更多的应用环境。（5） 用 AVR 单片机作为控制器来完成对压力信号采集控制电路的设计，其电路的1山东科技大学硕士学位论

24、文绪论集成度很高，系统的体积小，可能性也高。（6） 数据的传输在控制电路的设计中起着重要的作用，我们采取更快捷方便的USB 的传输接口。一般由微型计算机控制的信号采集系统是由传感器、模拟多路开关、放大器、采样/保持器、模拟/数字转换器、微型计算机以及外围辅助电路等部分组成的3。其结构图如图 1.1 所示：多路开关传 感 器传 感 器放 大 器采 样/保A/D转 换传 感 器持 器器微型显 示 器传 感 器定时与逻辑控制计算机存 储 器数字信号传 感 器U S B接开关信号接口口传 感 器图 1.1 微型计算机数据采集系统框图Fig.1.1Block diagram of microcomput

25、er data acquisition system1.2 国内外发展的状态与动态目前，关于信号采集技术已广泛应用在雷达、通信、导弹、声纳、地质勘探、遥感、振动工程、智能仪器、无损检测、语音处理、物质光谱学和光谱测量、生物医学工程等多个领域，进而不断推动这些领域的发展。随着信号采集技术的广泛应用和科学技术的发展，对数据采集系统的许多技术指标，如采样率、分辨率、存储深度、数值信号处理速度、抗干扰能力等方面提出了越来越高的要求，为了更好的发挥其性能，开发基于标准总线和高速 DSP（Digita l Signal Processing）的超高速数据采集系统满足对不断发展的超高速数据采集系统要求，是当

26、今数据采集领域的发展趋势。而且，随着测试测量和控制应用的要求变得愈发苛刻，数据采集板制造商正在提供吞吐速度更快、集成度更高、2山东科技大学硕士学位论文绪论灵活性更强，且更易于编程的数据采集板。通过对最新的 DAQ(Digita l Acquisition)板进行分析不难看出，几乎所有产品都包含了某种形式上的同时采样，目的在于提高数据吞吐量。随着 DAQ 板制造商使用速度更快的信号转换器及其他高速设计技术，数据采样率也在不断增长，更多的 DAQ 板开始集成通用串行总线(Universa l Seria l Bus)45。在数据采集系统中，模数转换是非常重要的环节，尤其在以单片机和计算机为核心的数

27、据采集系统中更是不可缺少的。因为单片机只能识别数字信号，因此必须要通过 A/D转换才能够得到计算机能够识别的数字信号。如果说单片机是数据采集系统的核心，那么 ADC（Analog-Digital Converter）就是主体，其他都是辅助功能。因此，模数转换器是数据采集系统的核心部分之一6。1.3 课题研究意义课题研究的目的是为了解决煤矿顶板压力检测存在的问题，采用新型传感器能够根据钻孔的形状而变形，使测量误差降低，为煤矿顶板压力显现提供准确的现场数据，指导煤矿的安全生产，减少重大事故的发生。而安全的保障主要取决于数据采集系统性能的好坏。随着数字技术的飞速发展，数字化仪器已经成为贯彻技术领域的

28、主流仪器，因而数据采集技术也成为贯彻技术领域中十分重要的技术环节。数据采集是指将温度、速度、压力、位移等模拟量，经过采集、放大、滤波、A/D转换后，送到由微型计算机作为主控制器的控制电路，进行数据的处理、存储、显示或打印的过程。在科学的研究中，应用数据采集系统不仅是研究瞬间物理过程的有力工具，而且，同时可以获得大量的动态信息。因此，不论应用在哪个领域中，为了使经济效益最大化以及提高工作的效率，就应该及时的处理数据的采集。不仅如此，数据采集系统是获得外界模拟信息的重要途径，同时还是微型计算机与外界模拟信息联系的桥梁。因此，通过对煤矿顶板压力信号采集控制电路的设计，能够及时的对两路压力信号进行采集

29、、处理，获得矿山压力显现的准确数据，合理选择巷道支护方式和支护参数，为研究矿山压力分布规律及围岩检测控制技术提供有效的数据资料，用于指导煤矿的安全生产。随着科学技术的发展，尤其是微型计算机技术的迅速发展，数据采集技术的发展前景会非常广阔。课题研究的煤矿顶板压力信号采集的控制电路，以 AVR 单片机为控制器，通过AD7865 模数转换器将采集到的信号转换成数字信号，并存储在内部存储器中，然后经3山东科技大学硕士学位论文绪论过 USB 转换接口电路将采集并储存的信号，传送到 USB 接口设备上，不仅使系统具有性能强、可靠性高等优点，同时具有很好的开放性，软件升级也很方便，这也为进一步的研究提供了好

30、的基础和前提条件，因而具有推广应用的价值78。1.4 论文研究的主要内容论文详细的阐述了对两路矿山顶板压力信号采集控制电路的设计与实现，主要包括硬件电路的设计、编程软件的实现以及系统抗干扰设计与调试。1. 硬件电路的设计，主要包括：前端模拟电路的设计、主控制电路的设计及其他的辅助电路的设计。前端模拟电路设计包括：放大电路、滤波电路、A/D 转换电路；主控制电路包括：存储电路、液晶显示电路、USB 接口电路。2. 软件编程实现主要完成了各个子程序模块的编程设计，主要包括：主控制程序、系统的初始化、AD7865 的转换子程序、对 AT24C64 的读写子程序、液晶显示器的管理子程序及与 CH375

31、 的通信子程序等。3. 抗干扰技术的研究，对保证单片机应用系统的稳定可靠的工作是十分有必要的。通过了解噪声源的形成，结合硬件和软件技术来解决干扰的问题。通过对硬件电路和软件编程的设计主要实现了对煤矿顶板压力信号的采集、存储、显示和传输的功能。全文共分七章，各章具体内容安排如下：第一章：绪论。第二章：煤矿顶板压力信号采集控制电路总体方案。第三章：煤矿顶板压力信号采集控制电路的技术分析。第四章：控制电路的硬件设计。第五章：控制电路的软件实现。第六章：系统抗干扰设计与调试。第七章：论文总结。4山东科技大学硕士学位论文煤矿顶板压力信号采集控制电路总体方案2煤矿顶板压力信号采集控制电路总体方案2.1 控

32、制电路的总体结构说明根据矿山压力信号采集应用现场的控制要求，控制电路主要由前端模拟电路、主控制电路、数据传输接口电路、液晶显示、存储电路和 USB（Universa l Seria l Bus）接口电路以及其他辅助电路组成。前端模拟电路由放大电路、滤波电路和 A/D 转换电路组成。它完成了对输入信号进行放大、滤波和 A/D 转换的功能。通过 A/D 转换芯片 AD7865 把模拟信号转换成 14 位的数值信号传输给主控制电路。主控制电路起着大脑的作用，主要由 AVR 单片机及其外围电路组成，是控制器的核心部件，其是由 ATMEL 公司研发的增强型内置 Flash 的精简指令集 CPU 高速 8

33、 位单片机，主要完成了整个电路的控制、数据的传输和处理等任务。主控制电路与前端模拟电路通过 8 位的数据总线，2 位的地址总线和 5 位控制总线进行连接，并与 USB 接口电路 、液晶显示器接口电路与外部设备进行连接。从而完成主控制器对前端模拟电路输送过来的数据的处理及相应的控制，并通过作为人机接口设备的液晶显示屏，完成对采集数据的显示功能，以及通过 USB 完成与上位机间数据的传输。2.2 控制电路的系统指标及总体结构设计控制电路主要完成的任务是对两路矿山顶板压力信号的采集、显示并进行一段时间的存储，由于井下环境比较的复杂，干扰也比较的严重，而井下有用信号本来就很微弱，和干扰源混合在一起，要

34、进行有效的观测就更加的困难。为了确保对数据采集的正确性，对各通道的动态特性、采集的速率以及存盘的速度等各项技术指标都有一定的要求。2.2.1控制电路的技术指标1测量误差。对基本量程（0+5V），在 2010温度范围内，测量误差不超过 （0.03%1 个字）。5山东科技大学硕士学位论文煤矿顶板压力信号采集控制电路总体方案2抗干扰能力。此压力信号采集控制电路的抗干扰能力主要是指对直流或工频干扰的抑制能力，分别以共模抑制比和串模抑制比衡量：共模抑制比 CMRR（Common Mode Rejection Ration）100db（测试条件：直流电或共模电压峰值为 30V，工频 50Hz，失衡电阻 1k）；串模抑制比 SMRR（Series mode Rejection Ratio）40db。3对压力信号的采集的通道数为 2 路，可以扩展为 4 路。4对两路压力信号的采集为同步采集，由于矿山顶板的压力信号变化比较的缓慢，最高的采样频率定为 1Hz。5可靠