基于MEMS加速度计的管道位移检测系统设计*

靳振宇，吴建德，范玉刚，黄国勇，王晓东

（1.昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500;2.云南省矿物管道输送工程技术研究中心，云南昆明 650500）

0 引言

随着我国钢铁工业的快速发展，稳定的铁精矿供给已成为制约该行业发展的瓶颈。国外的铁矿石价格日益增长，国内发现的大储量铁矿山多处于交通不便、地形复杂的边远山区，且许多矿山地处国家自然保护区。如何高效率、低成本、无污染地将年产数百万吨铁矿石运输到钢铁厂是一个世界性的难题。而铁精矿水力管道输送成了一个很好的解决办法之一。

昆钢大红山管道有限公司在东川建设的矿浆管道节能减排项目，运行在山势陡峭、人烟稀少、施工难度极大的云南东川包子铺矿区，它是国内首个采用自流跌落的方式，把高山选厂的铁精矿粉输送到低处过滤车间处理沉淀，全长10.748 km的铁精矿矿浆管道。具有低能耗、零排放、零污染、保护生态的特点。铁精矿自流跌落管设计输送能力为50 ×104t/年，管道运输每年可节约 2500 万元［1～3］。但是，东川地区地质情况复杂，如何保证矿浆输送管线安全、平稳、环保地运行，是一个很困难的问题。

管道的位移累积对管道危害特别大，需增加采用可靠的仪表和电气设备组成独立系统，对管道线进行位移检查。由于检测位移的传统传感器测量位移都需要一定的基准来比较数据［4］，而在山区基准固定困难，再加上山体上的基准有可能和管道一同变化，位移量不易准确获得。针对其工程背景，提出了基于加速度计的管道位移检测系统。

1 检测系统总体设计

针对管道线地处山区，地形复杂，交通不便，电力难供应，信息传递困难。本系统要解决采集板电源供电、位移信息获取传感器、数据处理、数据无线传输等，提供管道运行数据以方便维护人员对管道进行及时有效的维护。

根据系统要求分析，本系统包括位移检测点太阳能供电、位移数据采集、数据无线传输、数据显示与存储、突发事故报警处理等。一个检测点的系统设计方案简要基本框架如图1所示。

图1 系统基本框图Fig 1 Basic block diagram of the system

采集电路板上设有LED灯，突发事件时采集电路板上的LED灯闪亮，并调取视频监控系统摄像事故区域，LED闪亮可增强视频定位。在发送数据到PC机之前，把位移数据存储在SD存储卡上，为便于以后数据处理分析。

2 传感器选择

本系统采用电压基准源的新型MEMS加速度计ADXL345获取位移加速度数据，再对加速度处理即可得出位移信息。

ADXL345是ADI（Analog Devices lnc）公司于2009年发布的一种小而薄的超低功耗三轴数字式加速度计。测量模式下功耗低至23 μA，待机模式下功耗为0.1 μA;能分辨仅为0.25°的倾斜角度变化;温度范围为－40～+85℃）。图2是ADXL345的内部结构示意图。

图2 ADXL345结构示意图Fig 2 Structure diagram of ADXL345

上图中前端三轴感应器件有X，Y，Z三个加速度灵敏度轴，沿灵敏度轴加速时相应输出电压增加，三轴输出和重力场的关系如图3所示，当其中一轴位于重力场方向为1gn时，其余两轴为0gn，例如:通常情况下传感器正面朝上处于水平时，Z轴方向输出为1gn，X，Y轴输出为0gn。

通过解算分析传感器X，Y，Z三轴输出数据可得倾斜角度和位移量。例如:当输出重力场数据为X=0，Y＜0，0＜Z＜1时，可知传感器是向Y轴正方向倾斜。

图3 输出响应相对于重力方向的关系Fig 3 Relationship between output response and direction of gravity

3 硬件电路设计

3.1 传感器电路设计

图4 传感器I2C模式连线图Fig 4 Sensor wiring diagram of the I2C mode

3.2 无线模块电路

无线模块采用CC2430芯片［7］，在接收和发射模式下，电流损耗分别为27，25 mA［8］。CC2430的休眠模式特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。为增加传输距离，射频部分用功率放大器（PA）和低噪声放大器（LNA）组成［8，9］;无线模块接单片机P2口原理框图如图5所示。

图5 采集电路板原理框图Fig 5 Block diagram of the circuit board for acquisition

3.3 电源模块设计

管道地处海拔3 000 m山区，不易铺设有线电线，采集电路板采用太阳能供电模块［11，12］，附带9 V蓄电池。太阳能板主要给9 V蓄电池补充电量，采用两块蓄电池，一块备用。用最大功率点跟踪（maximum power point tracking，MPPT）太阳能控制器［13］实时监测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值，使系统以最高的效率对蓄电池充电。充放电控制器检测两电池电量、选择充放电电池，初始两块电池电量充足，当检查到电池1电量不足时，改用电池2供电，给电池1充电，依次轮换充电、轮换使用。蓄电池9V电压经过7805稳压芯片转换为5 V给系统供电，ADXL345模块所需要的3.3 V由5 V经过RT9161转换得来，如图6所示。

图6 电源模块框图Fig 6 Block diagram of the power module

3.4 整体系统框图

整个系统中检测点1无线模块只设置发射功能，其余点都设置成收发双功能，最后一级无线模块只接收数据，经过处理器简单地处理后送到PC机。在2个无线模块通信距离中间加一个采集点，以确保系统在中间一个采集点出故障时，还能稳定有效传输位移数据，如检测点2损坏，1～3之间还可有效通信。检测点级联传输依次把信息传输到PC机。管道全长10.748km，每隔200m左右布设一个位移采集点，最少布设55个采集点，如图7所示。

图7 整体系统框图Fig 7 Block diagram of the overall system

4 软件设计

程序设计主要包括三部分:位移数据采集点单片机程序设计如图8，最后一级接收数据单片机程序设计如图9，上位机软件程序设计如图10。当用户通过上位机监测系统发送通信请求时，用户通过上位机可完成数据的收集、图表绘制、数据统计、数据分析等工作。用KeilUv3编写单片机程序，用VC++编写上位机软件。最后一级单片机需要把数据存储起来以备后续处理，大量的位移数据可以用来分析事故原因等。

5 实验结果

实验室条件下，使ADXL345传感器水平放置，且初始时刻Z轴正方向朝上，Y轴正方向朝左，X轴正方向超前。将传感器放置在管道模型上，用手移动管道模拟其倾斜，设定倾斜重力场阈值0.30gn。测得单个传感器的相对于重力场输出实验数据，如表1所示。

6 结束语

图8 位移数据采集点程序流程图Fig 8 Program flow chart of displacement data acquisition point

图9 最后一级单片机程序流程图Fig 9 Flow chart of the last stage MCU program

图10 上位机软件程序设计流程图Fig 10 Design flow chart of upper PC software program

表1 ADXL345实验数据Fig 1 Experimental data of ADXL345

实验结果表明:管道倾斜到0.20gn即倾斜角度18°和短时间位移超过10 cm时，都可准确预报倾斜和位移量。整个系统能够满足基本测位移要求，能够读取管道位移量，特别是大位移报警可以使得管道运行更加安全可靠。本系统将MEMS加速度计和无线通信结合起来，具有体积小、集成度高、接口电路简单、应用成本低的特点。该系统可满足工程需要，具有一定的推广应用价值。

［1］刘 云，赵书勇.昆钢东川矿浆自流跌落管道节能环保国内外技术领先［EB/OL］.中国新闻网（2011—04—15）.http://www.chinanews.com/df/2011/04—15/2975962.shtml.

［2］普光跃，安 建，王 健，等.长距离、高扬程固体物料输送管道压力分段控制系统的设计［J］.工矿自动化，2010，2（2）:65－67.

［3］安 建，普光跃，黄朝兵，等.铁精矿管道输送中固体运量的智能计量［J］.金属矿山，2010（2）:114－116.

［4］昌学年，姚 毅，闫 玲.位移传感器的发展及研究［J］.计量与测试技术，2009，36（9）:42 －44.

［5］李兴法，尹冠飞.数字式加速度传感器ADXL345的原理及应用［J］.黑龙江科技信息，2010（36）:2，14.

［6］胡三庆.基于MEMS加速度传感器的空间运动轨迹追踪系统设计与实现［D］.武汉:华中科技大学，2009.

［7］鲁 资，林水生，周 亮.基于无线传感器网络的温度场绘制［J］.传感器与微系统，2011，30（6）:17 －19.

［8］王东东，郭文成.基于Zig Bee技术的路灯无线网络控制系统设计［J］.天津工业大学学报，2009，28（1）:84 －88.

［9］孟振飞，赵亚灵，侯贻帅.基于Zig Bee技术的无线数传模块设计［J］.电子元器件应用，2010，12（4）:37－39，43.

［10］杜向党，李 淼，张继红.基于Zig Bee和GPRS的无线远程监控实验系统设计［J］.实验技术与管理，2010，27（5）:76 －69.

［11］马 琚，马福昌.移动式无线数字水位监测站的设计与应用［J］.传感器与微系统，2008，27（5）:87 －88，92.

［12］赵建东，李晓武，张建海，等.太阳能综合供电系统充电控制器的设计［J］.太阳能学报，2003，24（6）:832 －835.

［13］卢 琳，殳国华，张仕文.基于MPPT的智能太阳能充电系统研究［J］.电力电子技术，2007，41（2）:96 －98.