基于MEMS加速度計(jì)的管道位移檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

靳振宇，吳建德，范玉剛，黃國(guó)勇，王曉東

（1.昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500;2.云南省礦物管道輸送工程技術(shù)研究中心，云南昆明 650500）

0 引言

隨著我國(guó)鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，穩(wěn)定的鐵精礦供給已成為制約該行業(yè)發(fā)展的瓶頸。國(guó)外的鐵礦石價(jià)格日益增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)發(fā)現(xiàn)的大儲(chǔ)量鐵礦山多處于交通不便、地形復(fù)雜的邊遠(yuǎn)山區(qū)，且許多礦山地處國(guó)家自然保護(hù)區(qū)。如何高效率、低成本、無污染地將年產(chǎn)數(shù)百萬噸鐵礦石運(yùn)輸?shù)戒撹F廠是一個(gè)世界性的難題。而鐵精礦水力管道輸送成了一個(gè)很好的解決辦法之一。

昆鋼大紅山管道有限公司在東川建設(shè)的礦漿管道節(jié)能減排項(xiàng)目，運(yùn)行在山勢(shì)陡峭、人煙稀少、施工難度極大的云南東川包子鋪礦區(qū)，它是國(guó)內(nèi)首個(gè)采用自流跌落的方式，把高山選廠的鐵精礦粉輸送到低處過濾車間處理沉淀，全長(zhǎng)10.748 km的鐵精礦礦漿管道。具有低能耗、零排放、零污染、保護(hù)生態(tài)的特點(diǎn)。鐵精礦自流跌落管設(shè)計(jì)輸送能力為50 ×104t/年，管道運(yùn)輸每年可節(jié)約 2500 萬元［1～3］。但是，東川地區(qū)地質(zhì)情況復(fù)雜，如何保證礦漿輸送管線安全、平穩(wěn)、環(huán)保地運(yùn)行，是一個(gè)很困難的問題。

管道的位移累積對(duì)管道危害特別大，需增加采用可靠的儀表和電氣設(shè)備組成獨(dú)立系統(tǒng)，對(duì)管道線進(jìn)行位移檢查。由于檢測(cè)位移的傳統(tǒng)傳感器測(cè)量位移都需要一定的基準(zhǔn)來比較數(shù)據(jù)［4］，而在山區(qū)基準(zhǔn)固定困難，再加上山體上的基準(zhǔn)有可能和管道一同變化，位移量不易準(zhǔn)確獲得。針對(duì)其工程背景，提出了基于加速度計(jì)的管道位移檢測(cè)系統(tǒng)。

1 檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

針對(duì)管道線地處山區(qū)，地形復(fù)雜，交通不便，電力難供應(yīng)，信息傳遞困難。本系統(tǒng)要解決采集板電源供電、位移信息獲取傳感器、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)?，提供管道運(yùn)行數(shù)據(jù)以方便維護(hù)人員對(duì)管道進(jìn)行及時(shí)有效的維護(hù)。

根據(jù)系統(tǒng)要求分析，本系統(tǒng)包括位移檢測(cè)點(diǎn)太陽(yáng)能供電、位移數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)無線傳輸、數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)、突發(fā)事故報(bào)警處理等。一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)要基本框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)基本框圖Fig 1 Basic block diagram of the system

采集電路板上設(shè)有LED燈，突發(fā)事件時(shí)采集電路板上的LED燈閃亮，并調(diào)取視頻監(jiān)控系統(tǒng)攝像事故區(qū)域，LED閃亮可增強(qiáng)視頻定位。在發(fā)送數(shù)據(jù)到PC機(jī)之前，把位移數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD存儲(chǔ)卡上，為便于以后數(shù)據(jù)處理分析。

2 傳感器選擇

本系統(tǒng)采用電壓基準(zhǔn)源的新型MEMS加速度計(jì)ADXL345獲取位移加速度數(shù)據(jù)，再對(duì)加速度處理即可得出位移信息。

ADXL345是ADI（Analog Devices lnc）公司于2009年發(fā)布的一種小而薄的超低功耗三軸數(shù)字式加速度計(jì)。測(cè)量模式下功耗低至23 μA，待機(jī)模式下功耗為0.1 μA;能分辨僅為0.25°的傾斜角度變化;溫度范圍為－40～+85℃）。圖2是ADXL345的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 ADXL345結(jié)構(gòu)示意圖Fig 2 Structure diagram of ADXL345

上圖中前端三軸感應(yīng)器件有X，Y，Z三個(gè)加速度靈敏度軸，沿靈敏度軸加速時(shí)相應(yīng)輸出電壓增加，三軸輸出和重力場(chǎng)的關(guān)系如圖3所示，當(dāng)其中一軸位于重力場(chǎng)方向?yàn)?gn時(shí)，其余兩軸為0gn，例如:通常情況下傳感器正面朝上處于水平時(shí)，Z軸方向輸出為1gn，X，Y軸輸出為0gn。

通過解算分析傳感器X，Y，Z三軸輸出數(shù)據(jù)可得傾斜角度和位移量。例如:當(dāng)輸出重力場(chǎng)數(shù)據(jù)為X=0，Y＜0，0＜Z＜1時(shí)，可知傳感器是向Y軸正方向傾斜。

圖3 輸出響應(yīng)相對(duì)于重力方向的關(guān)系Fig 3 Relationship between output response and direction of gravity

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 傳感器電路設(shè)計(jì)

圖4 傳感器I2C模式連線圖Fig 4 Sensor wiring diagram of the I2C mode

3.2 無線模塊電路

無線模塊采用CC2430芯片［7］，在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別為27，25 mA［8］。CC2430的休眠模式特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。為增加傳輸距離，射頻部分用功率放大器（PA）和低噪聲放大器（LNA）組成［8，9］;無線模塊接單片機(jī)P2口原理框圖如圖5所示。

圖5 采集電路板原理框圖Fig 5 Block diagram of the circuit board for acquisition

3.3 電源模塊設(shè)計(jì)

管道地處海拔3 000 m山區(qū)，不易鋪設(shè)有線電線，采集電路板采用太陽(yáng)能供電模塊［11，12］，附帶9 V蓄電池。太陽(yáng)能板主要給9 V蓄電池補(bǔ)充電量，采用兩塊蓄電池，一塊備用。用最大功率點(diǎn)跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）太陽(yáng)能控制器［13］實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)能板的發(fā)電電壓，并追蹤最高電壓電流值，使系統(tǒng)以最高的效率對(duì)蓄電池充電。充放電控制器檢測(cè)兩電池電量、選擇充放電電池，初始兩塊電池電量充足，當(dāng)檢查到電池1電量不足時(shí)，改用電池2供電，給電池1充電，依次輪換充電、輪換使用。蓄電池9V電壓經(jīng)過7805穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換為5 V給系統(tǒng)供電，ADXL345模塊所需要的3.3 V由5 V經(jīng)過RT9161轉(zhuǎn)換得來，如圖6所示。

圖6 電源模塊框圖Fig 6 Block diagram of the power module

3.4 整體系統(tǒng)框圖

整個(gè)系統(tǒng)中檢測(cè)點(diǎn)1無線模塊只設(shè)置發(fā)射功能，其余點(diǎn)都設(shè)置成收發(fā)雙功能，最后一級(jí)無線模塊只接收數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理器簡(jiǎn)單地處理后送到PC機(jī)。在2個(gè)無線模塊通信距離中間加一個(gè)采集點(diǎn)，以確保系統(tǒng)在中間一個(gè)采集點(diǎn)出故障時(shí)，還能穩(wěn)定有效傳輸位移數(shù)據(jù)，如檢測(cè)點(diǎn)2損壞，1～3之間還可有效通信。檢測(cè)點(diǎn)級(jí)聯(lián)傳輸依次把信息傳輸?shù)絇C機(jī)。管道全長(zhǎng)10.748km，每隔200m左右布設(shè)一個(gè)位移采集點(diǎn)，最少布設(shè)55個(gè)采集點(diǎn)，如圖7所示。

圖7 整體系統(tǒng)框圖Fig 7 Block diagram of the overall system

4 軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)主要包括三部分:位移數(shù)據(jù)采集點(diǎn)單片機(jī)程序設(shè)計(jì)如圖8，最后一級(jí)接收數(shù)據(jù)單片機(jī)程序設(shè)計(jì)如圖9，上位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)如圖10。當(dāng)用戶通過上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)送通信請(qǐng)求時(shí)，用戶通過上位機(jī)可完成數(shù)據(jù)的收集、圖表繪制、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分析等工作。用KeilUv3編寫單片機(jī)程序，用VC++編寫上位機(jī)軟件。最后一級(jí)單片機(jī)需要把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來以備后續(xù)處理，大量的位移數(shù)據(jù)可以用來分析事故原因等。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)室條件下，使ADXL345傳感器水平放置，且初始時(shí)刻Z軸正方向朝上，Y軸正方向朝左，X軸正方向超前。將傳感器放置在管道模型上，用手移動(dòng)管道模擬其傾斜，設(shè)定傾斜重力場(chǎng)閾值0.30gn。測(cè)得單個(gè)傳感器的相對(duì)于重力場(chǎng)輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。

6 結(jié)束語

圖8 位移數(shù)據(jù)采集點(diǎn)程序流程圖Fig 8 Program flow chart of displacement data acquisition point

圖9 最后一級(jí)單片機(jī)程序流程圖Fig 9 Flow chart of the last stage MCU program

圖10 上位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)流程圖Fig 10 Design flow chart of upper PC software program

表1 ADXL345實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig 1 Experimental data of ADXL345

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:管道傾斜到0.20gn即傾斜角度18°和短時(shí)間位移超過10 cm時(shí)，都可準(zhǔn)確預(yù)報(bào)傾斜和位移量。整個(gè)系統(tǒng)能夠滿足基本測(cè)位移要求，能夠讀取管道位移量，特別是大位移報(bào)警可以使得管道運(yùn)行更加安全可靠。本系統(tǒng)將MEMS加速度計(jì)和無線通信結(jié)合起來，具有體積小、集成度高、接口電路簡(jiǎn)單、應(yīng)用成本低的特點(diǎn)。該系統(tǒng)可滿足工程需要，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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