1、分类号：TD679 密 级：公开UDC：单位代码：10424学位论文井下机车区域定位检测系统的设计王丽丽申请学位级别：硕士学位 专业名称：检测技术与自动化装置指导教师姓名：黄鹤松 职 称： 副教授山东科技大学二一一年五月论文题目：井下机车区域定位检测系统的设计作者姓名：王 丽 丽 入学时间： 2008 年 9 月专业名称：检测技术与自动化装置 研究方向：传感器与智能仪表指导教师：黄 鹤 松 职 称： 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：UNDERGROUND LOCOMOTIVE DESIGN OF THE REGIONALLOCATION DETE
2、CTION SYSTEMA Dissertation submitted in fulfillment of the requirements of the degree ofMASTER OF PHILOSOPHYfromShandong University of Science and TechnologybyWang LiliSupervisor: Associate Professor Huang HesongCollege of Information and Electrical EngineeringMay 2011声 明本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文
3、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 requirements for theaward of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, iswholly my own work unless referenced of acknowledge. The doc
4、ument has not beensubmitted for qualification at any other academic institute.Signature:Date:山东科技大学硕士学位论文摘要摘要机车是煤矿生产必不可少的重要设备或运输工具，但是机车的使用和管理一直是一件非常困难的事，尤其是井下机车的管理更是让人头疼。目前，以机车为主的井下运输设备因司机超速、违章运行而造成的追尾、轧人等事故时有发生。同时，对于机车的管理，煤矿都是定期派专人去井上、下各个区域或角落清点机车，以便合理调度使用。这些情况都给煤矿管理带来了很多困难。针对这种现状，本文设计了井下机车区域定位检测系统
5、。系统主要分为三大部分，分别是机车检测器、检测分站和主站计算机。机车检测器主要功能是测量机车车速、超速报警并将机车的车速、车号和车皮的相关信息上传到检测分站。检测分站主要接收机车检测器传来的数据，并将数据通过井下环网上传到主站计算机。主站计算机根据检测分站上传来的数据，利用地理信息系统（GIS）软件 MapX，以 Visua l Basic为开发平台，实时模拟井下机车运行状况。机车检测器中车头、车皮与检测分站之间的通信分别采用了 STR-30无线数据传输模块、UHF射频识别卡和射频读卡器 M8模块。检测分站与主站计算机之间的通信方式为：检测分站利用 RS-485接口发出信息，再通过 RS-48
6、5以太网桥，将数据通过井下以太环网上传到主站计算机。本文重点阐述了机车检测器和检测分站的相关硬件电路和软件流程图设计以及主站计算机信息管理系统的设计。关键词：区域定位，机车检测器，检测分站，主站计算机山东科技大学硕士学位论文 摘 要ABSTRACTLocomotive is an indispensable equipment in coal production, but the use andma nagement of locomotives have been a very difficult task, especia lly, undergroundlocomotive ma na
7、gement is a headache. At present, the phenomenon that the undergroundlocomotive drivers trace cauda and roll people often happen. Meanwhile, Special persona gescheck locomotive regular in the upground, underground and corner, in order to use reasonable.These conditions bring a lot of difficulties to
8、 mine ma nagement.Based on the present situation, this paper introduces the design of undergroundlocomotive regiona l orientation detection system. The system includes three sections:locomotive monitor, monitor RACES and master station. The ma in function of locomotivemonitor was to measure speed, s
9、peed alarm and upload locomotive speed, number and wagonto monitor RACES. Monitor RACES ma inly received data from locomotive monitor, andtransmit data by the underground ring internet to master station. According to the data frommonitor RACES and using Visua l Basic as a development platform, maste
10、r station makes useof GIS software such as MapX to Real-timely simulate Underground locomotive operatingconditions.The communication between locomotive , wagon and monitor RACES was used of theSTR-30 wireless data transmission modules , UHF RFID tags and RF readers M8 module. Thecommunication betwee
11、n monitor RACES and master station was: monitor RACES send themessa ge by RS-485 interfaces, then the data were transmitted the data to master stationthrough the the underground ring internet.This article focuses on the associa ted hardware and software flow chart design oflocomotive monitor and mon
12、itor RACES.Keywords: regiona l orientation, locomotive monitor, monitor RACES, master station山东科技大学硕士学位论文 目录目录1绪1.11.21.3论 1课题研究的目的及意义.1井下定位系统现状及发展趋势.1本课题的研究内容.32 系统总体方案设计42.12.2系统功能.4系统结构组成.43 系统硬件电路设计63.13.2机车检测器硬件电路设计.6检测分站硬件设计.134 井下检测软件设计184.14.24.3功能模块分析.18机车检测器软件设计.18检测分站软件设计.265 计算机定位软件设计295
13、.15.25.35.45.55.6软件功能设计.29通信程序设计.30矿车位置显示.39数据库设计.47用户权限管理.54系统设置.556总结与展望56致 谢 57参考文献58攻读硕士学位期间从事科学研究及发表论文情况61附录 62附机车检测器原理图62附检测分站原理图63山东科技大学硕士学位论文Contents目录12345Introduction 11.1 Objective and Significance of the Project. 11.2 Present Situation and Trend of Underground orientation system. 11.3 Re
14、seach Contents 3System Overall Concept Design 42.1 System Function 42.2 System Structure Composition 4The Syetem Hardware Circuit Design 63.1 Locomotive Monitor Hardware Circuit Design 63.2 Detection RACES Hardware Design 13Underg round Detection Software Design. 184.1 Function Module Analysis 184.2
15、 Locomotive Monitor Software Circuit Design184.3 Detection RACES Software Design26Monitoring System Software Design.295.15.25.35.45.55.6Software Function Design. 29Communication Program Design 30Locomotive Position Show. 39Database Design 47User Permission Management .54System Setting. 556 Summa ry
16、and Outlook . 56Acknowledgements .58Reference Documents. 59Main achievement of the author during Working on master paper.62Appendix63Appendix. The schematic diagram of of Locomotive Monitor 63Appendix. The schematic diagram of of Detection RACES 64山东科技大学硕士学位论文 绪 论1 绪 论1.1课题研究的目的及意义煤炭工业是国民经济的基础和重要组成部
17、分。长期以来，煤炭工业为国家经济建设和社会发展做出了重要贡献。机车是煤矿生产必不可少的重要设备或运输工具，无论大、中、小煤矿都需要使用机车来运输物料，数量从几百到上千不等，对一个正常生产的煤矿来说，机车分布在井上、井下各个地方，甚至只要有轨道的地方，就可能有机车的存在，所以机车的使用和管理是一件非常困难的事，尤其是井下机车的管理更是比较混乱。一般情况下，煤矿都是定期派专人去井上、下各个区域或角落清点机车，以便合理调度使用，避免过多造成积压浪费、过少影响正常运输生产。对煤矿运输部门的管理人员来说，如何准确了解或掌握煤矿地面和井下各处的机车分布，一直没有一个理想的方法。此外，由于煤矿井下环境复杂，
18、目前我国煤矿井下机车超速自动检测系统的研究也只是处于初级阶段。所以，为了加强井下机车的管理，提高了车皮周转率，保证运输线的畅通，减少井下因司机超速、违章运行而造成的追尾、轧人等事故的频繁发生，迫切需要建立一套完整的系统，使运输管理人员准确掌握全矿井下机车的分布，从而科学、合理、有效地调度使用。本课题正是基于目前机车管理出现的这一系列问题而提出的，该系统的运用将使运输管理人员准确掌握全矿井下机车的分布，从而科学、合理、有效地调度使用，减少煤矿事故发生，对提高整个煤矿的生产效率和管理水平具有重要的意义。1.2井下定位系统现状及发展趋势近20年来，在国内外科研院所及企业的推动下，人员跟踪定位的研究有
19、了较大的进展，并推出了一些人员定位系统。国内煤炭行业在井下工作人员管理方面，也出现了大量不同型号的人员定位系统，但是定位系统应用于机车目前还是比较少的。地面上最为成功的是基于卫星的GPS定位，但卫星信号无法到达地下而不能用于井下定位。现有井下人员及车辆定位系统常采用的技术大致可以分为四类：（1）基于某些通信体统（如：透地通信、感应通信、VHF漏泄通信、小区制矿井调度移动通信系统）；（ 2）基于红外技术；（ 3）基于无线局域网WLAN的技术；（ 4）基于射频RFID技术。在这些定1山东科技大学硕士学位论文 绪 论位方法中，基于红外技术的系统基础设施费用高，且信号绕射能力差；漏泄通信系统信道较稳定
20、，电磁干扰小，但其可靠性和抗故障能力差，特别是在井下恶劣环境中的中继器、设备接点和电缆故障率高、维护困难；超低频透地通信是以电磁波穿透大地的方式通信，可靠性高，但通信单向、电磁干扰大、施工难；中频无线通信借助于巷道中原有的金属媒介来传输载波信号，通信距离有限，而且会受到金属媒介多寡的制约，通信距离和质量不稳定。目前，基于RFID、WLAN等的超高频（UHF）电磁波定位技术被煤矿和科研机构所看好，但井下巷道狭长、多水平、分枝错杂，如何克服巷道中的动态空变的信道特性、多效应、时延估计的高分辨率等是基于超高频电磁波的井下人员定位的关键问题，无论从理论方法上还是从技术上都需要研究和提高。井下人员定位系
21、统，目前国内生产厂家都在使用国际上流行的射频识别技术(RFID -Ra2dio Frequency Identifica tion)1,2。RFID 射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，不需要人员协助识别目标，可工作于各种恶劣环境。信号的穿透能力强(可穿透墙壁、路面、人等)，数据传输量小，抗干扰能力强，感应灵敏，易于维护和操作1，RFID技术也可识别高速运动物体并可同时识别多个识别卡，操作快捷方便。目前国内煤矿井下人员定位系统结构主要有以下几个特点3：（1）读卡器与识别卡之间的通信频率。主流通信频率有：433MHz和2.4GHz ；（2）跟上位机
22、的通信方式多样。主要有：RS-485总线、CAN总线、光纤、TCP/IP；（3）分站与读卡器的组装形式不同。分站带读卡器、分站和读卡器一体、分站带天线加定位器；（4）识别卡的形式多样。有源(自带电源)卡和无源(不带电源)卡、带电量指示识别卡及半双工识别卡(通过卡上按钮可给分站发卡码)、有源识别卡和普通识别卡。分站与读卡器一体式定位系统的结构特点是每台分站集电源、通讯、存储设备和读卡器于一体。这种结构的优点是接线少，故障率低，电力供应充足。缺点是检测读卡点布置多时成本较高4。分站带读卡器式定位系统的结构特点是一台分站带多个读卡器。分站只接收、存取读卡器采集的卡号，并将卡号上传给其他的设备。优点是
23、检测读卡点布置灵活，读卡器与分站之间距离最远可达1km，供电地点需要少。由于读卡器被制作成本质安全型，所以读卡器重量轻，成本适中。缺点是电缆使用量相对较多，接线处容易发生故障，受供2山东科技大学硕士学位论文 绪 论电的制约，总长度也受限制。分站加总线带读卡器式定位系统的结构特点是一台分站带一条总线，读卡器接在总线上，总线上可接多达16台读卡器。为保证通信质量，总线长度一般在1.2km 以内。优点是单巷道布置检测读卡点时非常方便灵活，而且成本很低。缺点是遇到岔路口时布置检测读卡点比较繁琐，在一定程度上不够灵活5。分站带天线加定位器定位系统的结构特点是一台分站带一条接收天线，定位器采用电池供电，放
24、在天线的附近。识别卡接收到定位器发送的本设备的地址码后，将定位器的地址码与识别卡的地址码进行组合发送到分站。完成一次识别卡的读取工作使用的是泄漏电缆的通讯方式。这种系统的优点是安装比较简单，定位比较精确。缺点是定位器和识别卡都由电池供电，需要经常更换电池，定位成本较高。1.3本课题的研究内容本科题针对煤矿机车的使用和管理目前存在的一系列问题，设计了一套井下机车区域定位检测系统。该系统主要由井下主站计算机、检测分站、机车检测器组成。首先根据煤矿井底车场的具体情况以及各有轨巷道的布置情况和实际使用情况，设定了井下机车存放的各个区域，并对各个区域进行标号，目的是方便查询机车的位置。然后根据划定的区域
25、确定井下检测分站的数量和位置设置。对每个机车车皮都焊接一个电子识别卡（具有唯一编号），检测分站以无线的方式将通过该分站的机车车号、车速记录并存储下来，并通过 RS-485总线的通信方式将该记录通过矿方目前的井下以太环网传输给主站计算机，主站计算机根据该机车原有的区域历史数据会正确判定目前的该机车所处的区域，并实时显示在不同区域内的机车编号及数量，并且对不同类型的车型进行分类，以利于井下机车的调度。3山东科技大学硕士学位论文2系统总体方案设计系统总体方案设计2.1系统功能机车是煤矿生产中必不可少的运输工具，但是机车的使用和管理一直没有一个比较理想的方法。本文针对这一现状，设计了一套机车区域定位系
26、统。本系统通过对机车车头和车皮的定位，将机车的所在的位置、车速及时地上传到井下计算机中，计算机通过一系列处理，能够实时的模拟井下机车的运行轨迹，以直观、形象的画面，实时显示井下矿车的运行。同时，机车超速系统将启动声光报警来提醒司机，同时将超速的时间和超速速度记录以便煤矿进行管理。2.2系统结构组成图 2.1所示为系统的结构示意图，根据实际情况，将系统分为三个部分，分别是主站计算机、检测分站和机车检测器。主站计算机主要包括井下 PC机、井下以太环网部分，检测分站主要包括数据采集分站、RS-485通信模块，机车检测器主要包括车头、车皮的定位系统及车速超限测量系统。首先根据煤矿井底车场的具体情况以及
27、各有轨巷道的布置情况和实际使用情况，设定了井下机车存放的各个区域，并对各个区域进行标号，目的是方便查询机车的位置。然后根据划定的区域确定检测分站的数量和位置设置。对每个机车都焊接一个电子识别卡（具有唯一编号），检测分站以无线的方式将通过该分站的机车记录并存储下来，并用RS-485总线的通信方式将该记录通过矿方目前的井下以太环网传输给主站计算机，主站计算机根据该机车原有的区域历史数据会正确判定目前的该机车所处的区域，并实时显示在不同区域内的机车编号及数量，并且对不同类型的车型进行分类，以利于井下机车的调度。超速驾驶机车，可能带来很多安全隐患，为了防止事故的发生，在每个机车的车头部位都安装了速度传
28、感器，用于实时的测量机车的速度。出现超速现象，系统会发出声4山东科技大学硕士学位论文 系统总体方案设计光报警，及时提醒司机，并存储司机违规驾驶的次数、时间，并将这些信息通过无线传输模块上传到检测分站，在通过 RS-485总线上传到主站计算机供相关人员记录。RS-4851 RS-4852RS-485n1 1 2 2 r mn-1RS-485( )图 2.1 系统结构示意图Fig. 2.1 The schematic drawing of the system structure系统采用+5V、+12V电源供电，考虑到井下环境恶劣，机车检测器分站电源直接使用机车上提供的电源，检测分站直接采用徐州新
29、鹏矿山材料公司生产的防爆电源。该系统的使用可使管理人员准确掌握井下机车的分布，方便井下人员调度、使用，同时减少了司机超速驾驶现象，对提高运输管理水平和生产效率具有重要的意义。5山东科技大学硕士学位论文3系统硬件电路设计系统硬件电路设计系统硬件电路主要包括机车检测器硬件电路和检测分站硬件电路。机车检测器主要功能是将机车号、车速及车皮的相关信息发送到检测分站上，同时安装在机车车头的液晶模块能够实时显示机车当前所处的位置、车速，便于井下司机人员参照，防止出现超速现象。检测分站硬件电路主要功能是将机车检测器上传来的数据转发到上位机，供上位机处理。3.1机车检测器硬件电路设计机车检测器车头部分硬件电路主
30、要包括 CPU、键盘 /显示电路、存储电路、报警电路、通信电路、时钟电路以及电源电路等。机车检测器的系统框图如图 3.1所示。时钟电路 报警电路电源电路通信电路C PU键存储电路盘/显示电路图 3.1 机车检测器系统框图Fig 3.1 The diagram of the locomotive monitor机车检测器车头部分硬件电路主要功能是将机车号、车速及实时时间上传给检测分站，同时实现对超速限判断、报警等功能，可以通过键盘设置超速上限，具有中文显示、菜单式操作、参数调整简单灵活、保护功能完善等特点，通信电路采用技术成熟的 RS-485总线技术。3.1.1 CPU选型及设计目前市场上单片机
31、从数据总线宽度上分主要有 8位机、16位机、32位机，但在工业测控现场中，占主导地位的还是 8位机和 16位机，对本课题涉及的任务，运用单片机的主要目的是构成一个具有一定判断以及具有存储、显示、通信等功能的智能检测终端，它所处理的信息量和复杂程度用 8位机已经足够了6。67 6 5 4 3 2 1 0- - EN_WDT CLR_WDT IDLE_WDT PS2 PS1 PS0山东科技大学硕士学位论文 系统硬件电路设计STC89C51单片机是一款指令系统完全兼容传统 8051单片机，内置有 3个 16位定时器/计数器、看门狗电路和 E2PROM功能的微型控制器，它无需专用编程器 /仿真器，可通
32、过串口直接下载用户程序，因此，很方便我们的使用。对于它的各引脚定义这里不再详细展开叙述了。这里我们主要介绍一下它内置的看门狗和 E2PROM的定义及使用。3.1.2 看门狗简介在工业现场中，为了使系统可靠运行，一般都要加上看门狗电路。看门狗电路作用是监视 MCU内部程序运行状态，如果程序出现跑飞或死锁的情况，可以迫使系统自动复位7。系统正常工作时，CPU每隔一定时间向看门狗输入一个脉冲，即 “喂狗”，若程序运行出现问题或硬件出现故障而无法按时“喂狗” 时，看门狗电路将迫使系统自动复位并重新运行程序。看门狗其实是一个独立的定时器，有一个定时器控制寄存器，可以设定时间（开狗），到达时间后要置位（喂
33、狗），如果没有的话，就认为是程序跑飞，就会发出 RESET指令。一般情况下，定时的时间要选择合适，太长或太短都会影响系统的正常运行。定时时间太短，会影响程序运行速度，而时间太长，设备复位时反应比较慢，影响工作人员及时了解矿车位置的变化。根据以往的经验，一般每隔 1秒“喂狗” 一次比较合适。STC89C51中含有内置的看门狗电路，因此，不需要我们另外添加看门狗电路。STC89C51看门狗定时器控制寄存器命令格式如表 3.1所示8,9 。表 3.1 看门狗定时器控制寄存器命令格式Table 3.1 The command format ofthe watchdog timer control re
34、gisterEN_WDT：看门狗允许位。为“1”时，看门狗启动；CLR_WDT：看门狗清“0” 位。为“1” 时，看门狗将重新计数。硬件自动清“0”此位；IDLE_WDT：看门狗 “IDLE ”模式位。为“1”时，看门狗定时器在“空闲模式” 计数，为“0”时，在“空闲模式”不计数；PS2、PS1、PS0：看门狗定时器预分频值。通过设定这三位可以得到不同的溢出时间。3.1.3 E2PROM简介存储器用于存储配置信息，包括机车号、机车车轮数据、相关版本信息，由于井下7名称 地址 设置数据 功能描述ISP_DATA E2H 1111,1111 ISP/IAP 操作时的数据寄存器ISP_ADDRH E
35、3H 0000,0000 ISP/IAP 操作时的地址寄存器高八位ISP_ADDRL E4H 0000,0000 ISP/IAP 操作时的地址寄存器低八位ISP_CMD E5H XXXX,X000 ISP/IAP 操作时的命令模式寄存器ISP_TRIG E6H XXXX,XXXX ISP/IAP 操作时的命令触发寄存器ISP_CONTR E7H 000X,X000 ISP/IAP 控制寄存器第一扇区 第二扇区 第三扇区 第四扇区起始地址 结束地址 起始地址 结束地址 起始地址 结束地址 起始地址 结束地址2000H 21FFH 2200H 23FFH 2400H 25FFH 2600H 27F
36、FH第五扇区 第六扇区 第七扇区 第八扇区起始地址 结束地址 起始地址 结束地址 起始地址 结束地址 起始地址 结束地址2800H 29FFH 2A00H 2BFFH 2C00H 2DFFH 2E00H 2FFFH山东科技大学硕士学位论文 系统硬件电路设计环境恶劣，为了防止停电造成定位矿车数据丢失，需要选用具有非易失性（掉电保护数据）的存储器。具有掉电保护数据功能的芯片有很多，有并行的 E2PROM，有串行的E2PROM， STC89C51中有 2KB存储容量的 E2PROM，足够用来存储定位矿车的数据，所以不再选用其他外部存储器。在 STC89C51中，利用 IAP技术可以实现 E2PROM
37、，ISP/IAP特殊功能寄存器命令格式如表 3.2所示10 。表 3.2 ISP/IAP特殊功能寄存器命令格式Table 3.2 The command format of the ISP/IAP registerSTC89C51单片机内部可用 E2PROM的地址，如表 3.3所示。使用内置的 E2PROM时需要注意几个问题：STC89C51单片机内置的 E2PROM只可以扇区擦除，没有字节擦除；扇区里面任意一个字节的地址都是扇区地址，无需求出首地址，单片机会自己处理；同一次修改的数据尽量放在同一个扇区。表 3.3Table 3.3STC89C51中 E2PROM的地址the STC89C51
38、 E2PROM addressSTC89C51的 E2PROM存储器是按照扇区操作的，一般情况下需设置逻辑地址，通过查找逻辑地址找到相应的扇区地址，因为设计中的信息量不大，所以每字节数据都存8VCC87SCL65山东科技大学硕士学位论文放到一个扇区中，方便软件编程，具体操作将在下文详细介绍。系统硬件电路设计3.1.4 时钟电路设计为了便于井下人员及时观察、了解井下矿车的最新动态，比如几号矿车的车速、所处的位置及它的运行轨迹，在系统中加入了时钟芯片，以便随时读取实时时间信息。PCF8563是一款使用较为普遍的时钟芯片，加上以往设计时常常使用 PCF8563时钟芯片，对它的功能以及特性比较熟悉，所
39、以采用的时钟芯片是 PCF8563。PCF8563是 Philips公司推出的一款低功耗的、内含 I2C总线接口功能的实时时钟 /日历芯片。它每次读写数据后，其内嵌的字地址寄存器就会自动产生增量11,12。PCF8563在设计中的应用如图 3.2所示，CY2是 32.768KHz晶振，为 PCF8563提供振荡频率。为保证电路板意外断电时，PCF8563能够正常工作，系统提供了 3.6V的直流电池。为防止电路板断电时，直流电池不会对除 PCF8563外的其他电路供电，在电路中设置了二极管 D2、D3，从而节省了直流电池的电量。二极管 D4的功能是当直流电池使用一段时间后电压低于+5V时，电路板
40、+5V 电源电流不会流向直流电池。D2 +5 D3+5vR231KDV3.6V D4R45 R46U15.1K 5.1KC515p FCY21234OSCIOSCOINTVSSCLKOUTSDA856 3P 1.5 P 1.3图 3.2 PCF8563电路图Fig.3.2 The circuit chart of PCF8563I2C总线上可以挂接各种具有 I 2C总线接口的外围器件，如微控制器、存储器、时钟芯片、LCD驱动器以及其他 I 2C总线器件。它们通过串行数据信号线 SDA和串行时钟信号线 SCL连接到总线，并通过总线识别寻址。由于 PCF8563引脚 SDA、SCL均为开漏方式，所
41、以 I2C总线要接上拉电阻13,14。9山东科技大学硕士学位论文 系统硬件电路设计3.1.5 液晶显示电路设计由于 LCD液晶显示器具有功耗低、体积小、轻薄等诸多其他显示器件无法比拟的优点，已广泛应用于各种智能型仪表和低功耗电子产品中。点阵式或图形式 LCD不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种图形、曲线及汉字，并且可以实现屏幕上下滚动、动画、闪烁、文本特征显示等功能，用途十分广泛。因为本设计外围模块较多而 MCU引脚有限，在选型时就尽量选择串行模块，本设计中液晶模块也选择串行器件，同时还要考虑到模块体积大小，综合考虑决定选用金鹏电子有限公司的 LCM12864液晶模块。LCM12864液晶屏
42、幕可以显示 4行，每行显示 8个汉字，屏面提供的信息足够用户使用了。LCM12864液晶显示电路原理如图 3.3所示，液晶模块采用 R E Q（P2.6）和 BUSY( P2.7)与单片机进行握手通讯，单片机可通过 P2.5控制液晶背光灯的亮灭，单片机 P0口作为数据口，液晶采用上电复位的复位方式。其中 Q1为一个开关三极管，它的作用是进行3V和 5V之间的电平转换15,16。P1.5R16 5.1K R17 2K+5+5V Q1U12+5E310u F1 6VR1810K9013E4 10u F1 6V+5P2.7P2.6123456789101112131415161718LED-LED+
43、VSSVDDDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7BUSYREQRESNCRT1RT2R20 LCM1286 4R1910K图 3.32K液晶显示电路Fig.3.3LCM12864 display circuit10山东科技大学硕士学位论文 系统硬件电路设计3.1.6 按键电路设计根据设计要求，需要通过按键输入的内容主要包括时间、日期、机车号、车轮轮径信息等，还要一个报警输入，本设计中设定五个按键，分别为向上键、向下键、确定、取消键和报警按键17,18。数据输入和菜单选择使用前四个按键操作，报警按键单独设置，在紧急情况下可以快速反应，按键与单片机接线如图 3.4所示。图 3.4键盘电
44、路Fig.3.4 The keyboard circuit3.1.7 速度传感器的选择速度传感器主要用来测量机车的速度，该传感器的选择对测量机车速度的准确性有至关重要的作用。现有的速度传感器主要有磁电式速度传感器和霍尔式速度传感器 19。磁电式速度传感器有三个缺点：一是输出信号的幅值受转速的影响很大。二是频率响应不高。三是抗干扰能力差。霍尔式速度传感器有几个优点：一是输出信号的幅值受转速的影响很小，二是频率响应高；三是抗干扰能力强。考虑到井下恶劣的环境，我们最终选择了霍尔式速度传感器。霍尔传感器测速的原理是：根据电磁感应原理，我们在机车车轮两侧对称的安装两个永久磁体，霍尔传感器安装在靠近车轮的
45、车架上。永久磁体会产生一个磁场，车轮转动时，霍尔传感器每接近磁场一次，就会输出一个脉冲，这样通过轮径等参数换算可以计算出机车的行驶速度。由于机车内部可以提供+5V电源，所以机车测速电路直接使用机车内部电源供电，如图 3.5所示是测速电路图。11OUT3山东科技大学硕士学位论文+9V+9V系统硬件电路设计R9VCCR81R3KR27HL2 U6 4.7KP3.2VCC 12GNDHUOER GND 图 3.5OP TOISO1测速电路图GNDFig.3.5 The Measurment circuit3.1.8 声光报警电路设计机车检测器中设计测量机车速度的目的是防止车速过快造成意想不到的安全事
46、故，为此，设计了超速报警电路。在被测机车车速超过预设的报警值时进行报警，提醒机车司机及时减速，防止不良事故发生，从而保障了安全生产。报警信号通常有闪光报警、鸣音报警、语音报警。本系统的报警电路包括二极管发光报警和鸣音报警两种方式。+5VR16+12 V L2+12 VBELLAQW214123876P1.44 图 3.65声光报警电路Fig. 3.6 Alarming circuit实现声光报警的接口电路比较简单，如图 3.6所示。使用了光耦继电器 AQW214作为控制元件。发音元件采用压电蜂鸣器，只需在其两条引线上加 3V24V的直流电压，本设计采用的是直流 5V的蜂鸣器。3.1.9 无线通
47、讯模块选择无线传输模块采用上海桑博电子科技有限公司生产的 STR-30无线模块。该模块具有很强的抗干扰能力、体积小、功耗低及传输距离远的特点。被广泛的使用于无线抄表、工业遥控、遥测、井下定位、楼宇自动化、安防、机房设备无线监控及门禁系统等方面。12山东科技大学硕士学位论文 系统硬件电路设计考虑到井下矿车是动态运动的情况，如果采用有线通信会给安装带来很大的麻烦，也不符合井下的实际情况，所以系统采用了无线通信传输数据。STR-30无线数据传输模块提供标准的 RS-232，RS-485和 UART（TTL电平）3种接口方式，可与计算机、用户的 RS-485设备、单片机或其他 UART器件直接连接使用
48、。STR-30无线模块工作电压是+2.7V+5.5V。模块接口提供了 1个 9针的连接器（JP1），一个天线接口（ANT）。STR-30123456789GNDVDDRXDTXDSGNDABSLEEPRST+5VMCUP 3.1 TXDP 3.0 RXDWRRD图 3.7 STR-30无线数据传输模块Fig. 3.7 STR-30 Wireless data transmission moduleSTR-30无线数据传输模块与检测分站中的 STC89C51单片机的电路设计如图 3.7所示。STR-30的串行数据接收端 RXD与 STC89C51单片机的 P3.1（TXD）端相连，它的串行数据发
49、送端 TXD与 STC89C51单片机的 P3.0（RXD）端相连，SLEEP休眠控制信号与单片机的写信号相连，复位信号 RST与读信号相连。通过控制单片机的读写信号，便可方便的控制 STR-30无线数据传输模块收发数据。STR-30无线数据传输模块与机车检测器中的 STC12C5A60S2单片机之间的连线相似，不再做介绍。3.2检测分站硬件设计检测分站主要完成机车号、车位等信息转发和采集车皮 ID并转发，硬件电路主要包括：CPU、无线传输电路、读卡器电路及电源电路等。检测分站的系统框图如图 3.8所示。检测分站通过 STR-30无线数据传输模块接收机车检测器上传来的机车号、车位等相关信息，并通过读卡器接收车皮发来的射频识别信息，再利用 RS-485接口发出这些信息，然后通过 RS-485以太网桥，将数据通过井下以太环网上传到主站计算机，供主站计算机处理。13GND2P0.435PSEN28P2.122山东科技大学硕士学位论文无线传输电路R S-4 8 5通信电路图 3.8C PU检测分站系统框图读卡器电路电源电路系统硬件电路设计Fig 3.8 The diagram of the monitor RACES3.2.1 CPU选型检测分站与外部进行通信的电路有三部分，
