一种低功耗矿用无线液压传感器电路系统设计

摘要

矿山压力是关于矿山安全的一个重要参数，它与瓦斯突出、突水和冒顶等事故有着密切的关系。目前，我国大部分煤矿使用的是有线矿压监测系统，有线监测系统能够提供稳定可靠的通信，但也有许多不足。在恶劣的矿井作业环境中，布局、布线困难，有些区域无法实施布线，造成监测上的盲点；综采工作面掘进过程中，监测设备也要随之移动，大量的电缆给设备的移动带来不便，降低了采掘效率；岩石冒落，极易砸断电缆，造成监测系统无法监测到相关区域。为了解决有线监测系统存在的问题，无线传感网络技术在在矿井安全监测系统中得到了越来越广泛的应用。
　　本课题以无线传感器网络技术为导向，分析了矿井作业对测压设备的功能需求，设计了一种适应矿井环境，满足应用需求，可作为无线传感网络节点的低功耗无线压力计。从低功耗的视角，对节点的硬件电路、软件流程和系统时钟进行了优化设计研究，硬件电路以 MSP430为控制核心，围绕MSP430，设计了压力信号采集、时钟、按键、LCD显示、EEPROM、Flash和无线模块电路，各电路模块配置有数字开关，为功能电路的休眠提供控制手段，系统软件采用中断调度方法，有效增加了核心电路的休眠时间，节约了能量消耗。系统运行过程中，CPU的功耗占系统功耗的很大比例，CPU的处理时间和工作时钟频率是决定CPU功耗的两大因素，MSP430具有丰富且灵活的时钟系统，在不影响系统性能的前提下，通过合理的调配系统时钟源，有效降低了CPU的功耗。
　　油压传感器选用扩散硅传感器，测压范围为0-70MPa，在实验室环境下，对扩散硅传感器的输入输出进行了测量，根据测量数据拟合出扩散硅传感器输入输出之间的关系曲线，文中给出了拟合曲线不确定度的形式化表达式。最后，对数字矿压计进行了测压实验，测试结果表明，数字矿压计的测压误差最大不超过0.1MPa，测压功能满足设计要求。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 矿压监测系统发展现状

1.3 主要研究内容

1.4 章节安排

第二章 系统整体设计

2.1 功能需求分析

2.2 开发平台的选择

2.3 矿压计的工作原理与总体结构

2.4 本章小结

第三章 硬件电路设计

3.1 MSP430最小系统及压力信号采集电路设计

3.2 时钟及显示模块电路设计

3.3 存储模块电路设计

3.4无线接口电路设计

3.5本章小结

第四章 系统软件流程设计

4.1 MSP430的Flash存储器映射和中断向量表简介

4.2 主程序设计

4.3 中断调度设计

4.4 通信模块程序设计

4.5 时钟系统的低功耗管理实现

4.6 本章小结

第五章 测压实验与分析

5.1 油压传感器的工作曲线拟合

5.2 预测曲线的不确定度评定

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

附录A 部分程序代码

附录B 传感器节点PCB图