基于MMA7260Q的矿震监测系统设计

陆明春，陈文辉，王舒娴，夏赞军

(广西工学院 电气与信息工程学院，广西 柳州545006)

矿震是指矿井高应力区内煤体、岩体及断层在受外界扰动瞬间失稳破坏时，释放出很大能量而引起的以猛烈震动和爆发式破坏为特征的矿山动力现象［1］。采矿行业是我国的高危行业，每年发生的矿震造成巨大损失，而导致事故发生的主要因素是瓦斯、水灾、火灾、顶板、工作面震动等;随着科学技术的发展，越来越多的监测系统用于监测矿井的生产，然而大多数监测系统被用于监测瓦斯、水灾或者火灾，目前还没有一种较为理想的监测矿井巷道和工作面震动情况的监测系统。文中设计一种基于三轴加速度传感器MMA7260Q的矿震监测系统，具有实时监视矿井巷道和工作面内各个测量节点位置的震动情况，以便事故发生时对矿震位置进行快速定位，使地面工作人员及时了解矿井内的情况，作 出相应的应对措施。

1 矿震监测系统原理

矿震监测系统由上位机、CAN总线、测量节点1、测量节点2、测量节点3和测量节点n组成，矿震监测系统工作原理图如图1所示，图中测量节点安置在矿井巷道支护和工作面附近，各测量节点结构相同，测量节点和上位机之间通过CAN总线连接，上位机由PC机和插在PC机内PCI总线扩展槽上的CAN接口卡组成。测量节点采集的震动信息通过CAN总线传送到地面上位机，从而实时监视矿井内各个测量节点的震动强度、时间和位置等信息。

图1 矿震监测系统工作原理图

传感器采用三轴加速度传感器MMA7260Q，其以重力为输入矢量来决定物体在空间的姿态。把加速度传感器固定在物体的水平面上，当物体姿态改变时，加速度传感器的敏感轴随之转动一定角度，由于重力的作用，传感器敏感轴上的加速度会发生改变，因此可通过测量加速度的变化来反映物体姿态的变化［2］。测量物体正交两个轴向的倾角关系如图2所示。图中，X0、Y0、Z0为初始位置时加速度传感器3个轴向上的输出信号。通过检测传感器3个方向的加速度信息X、Y、Z方向上的角度变化，便可获知物体在空间的姿态变化。

图2 坐标变换示意图

2 硬件设计

测量节点的硬件原理如图3所示，传感器采用飞思卡尔公司的MMA7260Q三轴加速度传感器。微控制器选用NXP公司的LPC1788，微控制器内部有双通道的CAN接口、8通道的12位ADC，STN或TFT LCD控制器，512 kB Flash ROM和96KB的SRAM，片上资源丰富。

图3 测量节点的硬件原理图

MMA7260Q是一款微型电容式三轴加速度传感器，内部采用信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术。该传感器将加速度值按不同量程转换成对应的电压值，而且线性度高，用户通过A/D转换器便可以求出准确的加速度值。MMA7260Q内部使用开关电容作为滤波器，为降低时钟带来的噪声，在输出通道上使用1 kΩ的电阻和0.1μF的电容构成RC滤波器，可以通过改变g－select1、g－select2的值来选择800 mV/g、600 mV/g、300 mV/g、200 mV/g不同的灵敏度。

LCD选用ILI9325液晶显示器直接和LPC1788的内部LCD控制器连接，LED、蜂鸣器构成系统的声光报警装置。

3 系统软件设计

3.1 测量节点矿震数据的采集

三轴加速度传感器输出的模拟电压与X－Z两正交轴夹角θ的关系［3］如式(1)所示

其中，Sen为灵敏度;g为重力加速度;θ为两个正交轴的夹角。

表1 X－Z(Y－Z)平面倾斜角度数据表

如果已知输出模拟电压VOUT，则可以通过式(1)求出两正交轴的夹角θ，由倾角原理可知，两正交轴夹角越大，则物体的加速度越大，所以可以通过两个正交轴角度的变化来反映物体姿态的变化。

通过采集传感器在X和Z轴的模拟电压，就可以得到传感器在这个平面的倾斜角，实测数据如表1所示。同理也可以通过测量传感器在Y和Z轴的模拟电压，从而计算出Y－Z两个正交轴角度变化。通过角度的变化来说明物体加速度的变化，从而反映物体震动的变化。因此可以将角度的变化作为震动强度的依据，角度变化越大，则说明这个测量节点测量到的震动强度越强。

测量节点工作流程图如图4所示，通过定时采集三轴传感器X、Y、Z三轴的模拟电压，计算X－Z轴平面的夹角和Y－Z轴平面的夹角，从而获得两个轴平面的震动数据，并实时显示震动参数，如果超过设定极限则立即报警，同时震动参数、时间以及报警信息通过CAN总线送至上位机。

3.2 矿震位置的定位

当矿震发生时，如果能快速地定位矿震发生的位置，将为引导井下人员撤离赢得宝贵时间，也是矿震监测系统的一个重要指标。当只收到一个测量节点有异常震动信号时，说明矿震的位置在有震动信号测量节点的附近，测量节点的位置就是矿震的位置;当收到两个或两个以上测量节点有异常震动信号时，采用直线方程法［4］对矿震进行定位分析，认为矿震波从震源点到各个测量节点以射线传播，射线所在直线的交点或异面直线公垂线的中点，即可作为震源坐标位置，从而定位矿震的中心位置［5－6］。

图4 测量节点工作流程图

3.3 上位机软件设计

上位机软件采用VB开发，实现友好的人机操作界面，通过配置和初始化CAN接口卡，从而实现通过CAN总线上位机与井下各测量节点之间实时的数据交互［7］。上位机界面设计如图5所示，上位机可以实时显示震动数据、显示震动位置、设置震动强度极限和超限报警等，对震动数据曲线实现保存、回放、缩放等功能。

图5 上位机人机界面

4 结束语

基于三轴加速度传感器MMA7260Q的矿震监测系统采用的传感器体积小、灵敏度高，井下测量节点整体集成度高，可灵活安装于矿井巷道和工作面。测量节点具有测量、实时显示和越限报警功能，通过CAN总线可以实现对井下各测量节点远距离震动现场的实时监视，通过上位机监控程序的数据库，可以查询各测量节点的实时震动曲线和历史曲线，用于分析震动原因和预测等，系统可用于中、小型矿井的监视。由于CAN总线的通信距离有限，如果通过CAN总线转以太网的网关，系统便通过以太网可以实现远程监控。

［1］ 潘一山，李忠华，章梦涛.我国冲击矿压分布、类型、机理及防治研究［J］.岩石力学与工程学报，2003，22(11):l844－l851.

［2］ 苏维嘉，王旭辉.新型加速度传感器在倾角测量中的应用研究［J］.机械研究与应用，2007，20(5):62－65.

［3］ 张永红，高晓梅.遮风板角度控制系统设计及优化［J］.电子设计工程，2012，20(7):83－88.

［4］ 邴绍丹，潘一山.矿山微震定位方法及应用研究［J］.煤矿开采，2007，12(5):1－4.

［5］ 李明勃，苏维嘉.基于新型MEMS三轴加速度传感器的矿震监测系统［J］.辽宁工程技术大学学报，2009(11):410－412.

［6］ 孙安青.ARM Cortex－M3嵌入式开发实例详解——基于NXPLPC1768［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2012.

［7］ 李长林.Visual Basic串口通信技术与典型实例［M］.北京:清华大学出版社，2006.