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1、西安科技大学硕士生学位论文开题报告研 究 生 学 号: 200906257 研 究 生 姓 名: 于 园 园 :导师姓名 马 宪 民 :学科专业 模式识别与智能系统 年 级: 2009级 西安科技大学研究生部制2010 年 10 月 30 日填写基于 ARM7TDMI(-S)的智能型煤仓煤位检测与控制系统1 选题的背景及研究意义1.1 选题背景煤仓是煤矿生产运输系统中的一个重要环节。无论是井下生产系统还是地面生产系统，煤炭的装卸和储存一般都是通过煤仓来实现的。在实际生产中，因未能对煤仓煤位进行有效的检测，导致经常出现空仓满仓等不良工况，引起通风短路、炭块自由下落破碎、空仓装料损坏仓壁、满仓后堵
2、死放煤口等严重问题的发生，严重制约煤矿生产系统的正常运行。随着科学技术的发展，对煤仓料位的检测越来越向智能化发展，也越来越需要对其进行精准的检测，以提高工作效率。为了适应这种需要，越来越多的检测方法应运而生，但对于不同的环境，要求的条件也不一样，对于煤仓来说，因为其环境相对来说比较恶劣一点，这就对煤仓煤位检测方法的适应能力以及可靠性提出更高的要求。对于煤矿井下的煤仓因空间所限，其直径一般在 5m 以下，深度在 30m 左右，深的也有达 50m 的，而且壁面很粗糙，由于灰尘需要煤的温度相当大，使壁面突出的部位粘上煤粉，时间一长更为突出，而且灭尘喷使环境湿度很大，在这样的环境中许多检测装置均无法正
3、常工作 。煤矿生产的现代化发展1需要对煤仓的料位进行不间断的检测，以确保各个生产环节安全高效运转，故迫切需要一种简单易行、工作可靠的适用于井下煤仓的煤位检测装置。本文选用基于 ARM 图像处理的煤仓煤位检测系统，对煤仓煤位进行实时监控，已达到理想的效果。1.2 研究意义目前国内大部分煤矿以及冶金企业中检测粉尘类料仓的料位采用较多的是超声波法、电容法和重锤探测法。超声波式料位测量装置精度高但价格昂贵，另据使用现场反馈信息，测量过程中，粉尘堵塞传感头的现象也时有发生，造成工作不可靠并带来一定的事故隐患；电容式料位测量的精度受环境影响很大，且转换电路复杂；重锤式料位探测虽然具有工作可靠、成本低、抗干
4、扰能力强等优点，但也存在着电机控制过程复杂，制动不及时导致定位不准甚至重锤冲入料层的缺憾。本文讨论的基于ARM的图像处理系统及其实时传输控制，较好地解决了上述问题。2 国内外研究状况2.1 国内研究状况固体料位测量一直是个难题，很难有一个准确可靠的最佳测量方式。近年来，射频导纳、超声波、雷达、激光式物位计在测量固体物料上显示出各自特点，使固体物料料位的测量水平显著提高。但超声波式料位测量装置虽然精度高但价格昂贵，另据使用现场反馈信息，测量过程中，粉尘堵塞传感头的现象也时有发生，造成工作不可靠并带来一定的事故隐患；电容式料位测量的精度受环境影响很大，且转换电路复杂。我国料位检测仪表起步较晚，主要
5、原因是以前长期借助简单工具(如竹竿)测量或者直接用人眼估测。因此，自动化水平较低。现在随着经济发展，自动化水平提高，对料位测量仪表的研制有所重视，国内生产料位计的厂家也越来越多，生产出的料位计性能各异，也存在着一些未解决难题。我国到上个世纪 60 年代才有专业的物位仪表厂，当时由于国内需求不旺，因此企业规模都比较小，以生产机械型产品为主。随着国家经济的发展，工业自动化程度不断提高，自上个世纪 80 年代我国对物位仪表的需求猛增，据业内专家测算，2005 年我国物位仪表总销售额约 20 亿元，今年仍将保持两位数增长。 但基于我国物位仪表工业基础薄弱的现状，国内过程自动化中所需的物位仪表有相当部分
6、还依赖进口，特别是微波、超声、磁致伸缩等高端产品，以及机械型产品中的高压、高温及特殊材质的产品。其中电子型产品大部分是原装进口，一小部分则是进口关键件，由国内组装；机械产品则国内加工部分较多。 2.2国外发展状况国外料位仪表早期大多采用机械原理，但近年来随着电子技术的应用，逐步向机电一体化发展，并且开发了许多新的检测原理，主要有有超生波式，雷达式，电容式，核辐射式，阻旋式，冲击振动式，重锤式等料位计。(1)超声波式料位计 ；超声波式料位计是利用声纳原理来测量料位的。2超声波式和核辐射式料位传感器多为国外引进产品，如美国凯瑞公司和马格尼特公司的超声波式料位计，精度可达025级，德国E+H公司的D
7、U212和DU21 3，最小盲区是07m，此范围以内不能使用，最远距离受声功率限制，只能测40m内的料位，具体做法是在贮仓顶部对着料面装有超声波发生器和接收器。发生器发出的超声波经空气层射至料面后就被反射，一部分反射被接收器所接收，由超声波发射至接收所经历的时间乘以声速就可计算出料位高度。由于空气温度的高低会影响声波的传播速度，所以还需测量空气温度以修正声速。超声波式料位传感器适合于测量粒度较大的块料料位。测量精度高，但必须借助于媒介传播。(2)电容式料位计 ；电容式料位传感器是采用测量容器的探头与容器内2壁之间、两探头之间或探头与同心测量管之间的电容，利用物料介电常数恒定时极间电容正比于料位
8、的原理进行工作的。电容式料位传感器的特点是无可动部件，与物料密度无关，但要求物料的介电常数与空气介电常数差别大，变化的介电常数在进行连续测量时要加以补偿，且需用高频电路。(3)r射线料位计 ；r射线料位计是利用同位素源向探测器定向发射r射2线，若料位低于同位素原，则探测器得到信号，表示料空，相反，若库内料面高于同位素源，探测器就得不Nr射线的信号，表示料满的原理。所以r射线料位计常用作料位开关，不用于连续监测，且存在下射线放射源污染环境，放射源的衰减使料位控制不可靠等不足。(4)阻旋式料位计 ；这种料位计的工作原理是控制器中装有一台微电机，2通过齿轮减速后，使主轴上的叶片转动，当被测物料料面上
9、升碰到叶片时，叶片旋转受阻，停止转动，于是过载检测机构便围绕主轴作微量转动，使斜板推动微动开关动作，其中一个微动开关切断电机电源，使电机停转，并保持此状态：另一微动开关发出料位信号，使供料作业停止或报警。当料面下降后，叶片失去阻挡，过负载检测机构依靠弹簧作用返回原来位置，其中一个微动开关恢复原来状态，使电机供电回路接通，叶片又开始转动：另一微动开关也恢复原状，使料位信号消失。(5) 冲击振动式物料位计 ；测量的基本原理是通过容器外部的激振器2产生机械激励波，经过传播后，所携带容器内界面情况的信息，被传感器所接受，通过一系列的建模与分析，从而得到界面信息。(6)重锤式料位计心 。重锤式料位计是连
10、续测量料位计，重锤式料位计2由电动机、悬有重锤的钢丝绳、料位发信装置以及带微机的显示仪表所组成。起动后，微机发出降锤信号，伺服电动机转动放下重锤，当重锤碰到料面后，发信器发出信号给微机，使重锤停止下降并发出升锤信号，伺服电动机反转使重锤上升，并发出料位信号值给显示仪表。重锤升至仓顶后电动机停转，经过一段延时后再重复上述动作。重锤式料位传感器可解决一定量程范围内的测量问题。2.3发展的总趋势随着自动化和智能化的发展，对料位检测精度和实时的要求条件越来越高，所以对料位的检测尤其对煤仓料位的检测越来越需要新的方法不断改进，尤其是对于国内自动化和智能化相对来说薄弱的状况，更需要尽快找到可靠可行的方法一
11、步一步进行改进，并逐渐达到理想的效果。本论文中基于ARM7TDMI-S的智能型煤仓煤位检测与控制系统就是为了适应这种要求，虽然还存在一定的缺陷，但也有许多可取的地方，为再进一步的改进奠定了基础。3 本课题拟采取的研究方案、技术路线3.1 拟完成的功能本次设计完成的功能是通过由基于辅助光源的ICCD摄像机得到煤仓煤位图像，再通过FIFO存储器模块存储，然后由无线模块传输ARM控制器上进行图像的相关处理，然后把处理过的图像传入已经存储各个煤位图像的PC机上，若此时传入的图像和PC机上存储的满标志的图像一直，则PC机立刻发出命令给ARM控制电机或传送带停止传输煤。从而达到智能化的效果。3.2本课题方
12、案的设计（1）整体硬件电路如下图一所示：图像采集P C 机A R M 7 T D M I -S无线传输模块无线传输模块F I F O存储块电机或传送带报警系统图一（2）各模块介绍ARM7TDMI(-S)特点 ： ARM7TDMI基于ARM体系结构V4版本，是目前低端的ARM核。具有3广泛的应用，其最显著的应用为数字移动电话。它支持32位寻址范围，并弥补了ARM6不能在低于5V电源电压下工作的不足。功能：ARM7TDMI-S 处理器是ARM 通用32 位微处理器家族的成员之一ARM 处理器具有优异的性能但功耗却很低，使用门的数量也很少ARM 结构是基于精简指令集计算机(RISC)原理而设计的，指
13、令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得多，这样的简化实现了 一，高的指令吞吐量 二，出色的实时中断响应 三，小的高性价比的处理器宏单元FIFO存储块：特点：FIFO存储模块选用AverLogie公司的AL4V8M440做为FIFO存储器，它的容量有8 Mbits，速度最高可为80 MHz，满足了图像处理系统实时性功能：该模块的作用是先存储图像采集模块的采集到的图像数据，再传输给图像处理模块进行处理，作为两者的中介原理图如下所示;输入缓冲器（2K，8K） 9存储器写控制逻辑写指针偏移寄存器输出缓冲器读控制逻辑读指针时间和逻辑控制输入数据总线 输出数据总线RCLK/REN/RRST图二 A
14、L4V8M440 FIFO模块框图图像的无线收发模块：特点：初步选用 WE915CTX1 无线收发模块，它的主芯片是新加坡 Winedge公司的 WE904。WE904 是一款支持全双工的单片调频收发芯片，仅需少量外部元件即可实现无线收发功能，工作频率范围可以从 0.1GHz 到 1GHz。WE904 提供串行编程接口，通过串行编程接口可以灵活地调整收发频率、信号输出模式、是否支持全双工等参数。本系统在设计初期直接使用了 WE904 的模块WE915CTX1。WE915CTX1 集成了 WE904 芯片和所需的外部元件，并提供了简明使用接口，可以非常方便地嵌入到应用系统中。其主要的特点是：工作
15、于 902MHz928MHz 美国 ISM 频段，可以提供 20 个通道；使用 FM/FSK 的调制方式，频道宽度 100kHz；提供数字信号和模拟信号两种输出模式，可用于数字和模拟信号的传输；灵敏度为-115dBm；在低输出功率 0dBm 时，可以提供约 80m(数字信号) 和 300m(话音等模拟信号)的有效传输距离；传输速率可达 57.6kbps，与传输距离有关；提供串行编程接口，可能灵活配置收发频率等参数；提供 RSSI 接收信号强度指示。功能：本模块系统能进行实时的无线数字图像传输实验，采用普通单天线，在传输速率为 57.6kbps 和极低发射功率 0dBm 时，可视传输距离大于100m(需更元的距离可加大发射功率)。采用自己的图像压缩算法，每秒能够稳定地传输 36 帧图像（黑白图像 384288 像素）。而且成本低，是一种较好的选择方案。原理图如下所示：采集到的图像WE904 模块RS232 电平接口图像输出WE904 模块5402图三 WE915CTX1 无线收发模块系统框图(3)图像获取的方法图示C激光器摄像机FD 1M ODD 3D 4K图二 图像获取示意图（4）图像采集基本原理原理示意图如下：ABCL 3R111R2R3图三原理描述如下：众所周知，离得越远看到物体的范围就越大，同样用摄像机拍摄到的
