井下煤尘浓度分析系统设计

论文摘要

现今我国煤矿开采大多是地下作业,煤矿井下各作业点在生产过程中会产生大量煤尘颗粒。煤尘颗粒特有的性质决定了其具有很大的危害性:诱发职业性尘肺病、加速机械设备磨损、缩短精密仪器的使用寿命,甚至导致煤尘爆炸事故的发生。目前煤尘浓度的检测方法及设备无论在技术上还是在实际应用过程中均存在一些难以克服的弊端:一般采样方法检测到的为瞬时值,只能采集采样时、点的粉尘浓度,不能动态反映作业场所煤尘污染情况,缺乏代表性,过程繁琐,实时性差且测量结果误差较大。本课题研究设计了一种专门针对煤矿粉尘的监测装置,并进行了相关的实验性测试。本课题来源于山东省信息产业厅项目“煤矿安全自动检测、监控及管理系统”。本装置以单片机系统作为主控制器,采用煤尘颗粒采集器、显微CCD图像传感器等部件作为探测器,在图像采集控制单片机的协调下,由探测器获取煤尘颗粒分布图像,并将图像经过SAA7111图像A/D转换芯片和TMS320VC5410系列DSP实现图像采集和压缩,再利用RTL8019AS以太网控制芯片和IP175A光纤收发芯片,采用UDP协议通过光缆将压缩后的图像数据传输到地面监控中心,由主计算机解压缩后通过专门的图像处理算法实现了煤尘浓度的计算和显示。煤尘采集器是本文的设计重点,先后提出两种不同的方案,在对比实验分析的基础上提出了抽气取样显微观测的新方案,该设计克服了传统煤尘浓度测量方案只能监控某点煤尘浓度的缺陷,使得采集结果更具代表性;采用多次测量取平均值,流动样品采集等方法减小测量误差扩大测量范围;DSP高速的图像压缩能力和数据传输的网络化大大增强了煤尘检测的实时性;全自动的工作方式,使得煤尘浓度监测实现真正意义上的“傻瓜”化;光电转换模块和光纤光缆实现了远程高速数据传输。本课题程序设计以与DSP和单片机等微处理器相关的程序设计为主,选择稳定高效的汇编语言作为程序设计语言,实现了上电自举引导程序、SAA7111控制寄存器初始化程序、JPEG图像压缩编码程序和RTL8019AS远程DMA写程序。DSP汇编语言的JPEG图像压缩程序为核心程序。在算法方面,根据TMS320VC5410系列DSP特殊的指令系统,对JPEG算法进行优化,使其能够充分利用DSP的硬件资源,减少了图像压缩处理的时间,提高了系统整体的实时性。通过实验证明了本装置在线实时采集到的煤尘分布图像是合乎上位机图像处理算法要求的,经压缩后对煤尘浓度的计算也不存在影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的目的与研究意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 煤尘的危害
• 1.1.3 煤尘在线检测的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 课题的研究内容及论文的结构安排
• 第二章 系统总体设计方案
• 2.1 系统的总体设计要求
• 2.1.1 功能要求
• 2.1.2 系统所要达到的性能指标
• 2.2 系统的软件设计方案
• 2.2.1 图像压缩编码方案的选择
• 2.2.2 程序基本设计流程
• 2.2.3 软件编程语言的选择
• 2.3 硬件系统结构设计与系统框架图
• 第三章 煤尘图像采集器的设计
• 3.1 煤尘颗粒图像采集方案选择
• 3.1.1 方案一 直接取样
• 3.1.2 方案二 旋转取样
• 3.1.3 方案三 抽气取样
• 3.2 图像采集箱结构设计
• 3.3 CCD与显微镜头的选择
• 3.3.1 CCD器件的工作原理与结构
• 3.3.2 CCD器件的主要性能参数
• 3.3.3 显微镜头的原理与结构
• 3.3.4 CCD与显微镜头参数选择
• 3.4 图像采集器各部分的连接结构设计
• 3.5 煤尘图像采集器的电源电路设计
• 3.6 煤尘采集控制单片机电路设计
• 第四章 视频A/D转换与数字图像压缩
• 2C接口控制实现'>4.1 SAA7111视频AD系统设计及其I²C接口控制实现
• 4.1.1 SAA7111结构特点和功能简介
• 4.1.2 SAA7111控制寄存器的设置
• 2C总线与SAA7111的控制实现'>4.1.3 I²C总线与SAA7111的控制实现
• 4.2 基于DSP的图像压缩算法（JPEG）程序实现
• 4.2.1 JPEG算法过程
• 4.2.2 DSP芯片的选择与TMS320VC5410系列DSP简介
• 4.2.3 JPEG算法改进及其DSP软件实现
• 4.3 基于DSP的图像压缩算法（JPEG）硬件实现
• 4.3.1 采集电路设计
• 4.3.2 DSP外围电路设计
• 第五章 系统以太网络接口及光电转换电路设计
• 5.1 RTL8019AS的组成结构及工作原理
• 5.2 RTL8019AS与DSP的硬件接口电路设计
• 5.3 RTL8019AS通信接口的DSP程序设计
• 5.3.1 以太网帧简介
• 5.3.2 TCP/IP协议的实现
• 5.3.3 RTL8019AS的DSP程序控制实现
• 5.4 基于IP175A的以太网光电转换电路设计
• 5.4.1 IP175A芯片简介
• 5.4.2 IP175A管脚配置及应用方案
• 第六章 井下煤尘浓度分析仪的实验测试及系统设计总结
• 6.1 电路系统的调试
• 6.2 井下煤尘分布仿真实验系统设计
• 6.3 实验测试结果
• 6.3.1 实验测试得到的煤尘分布图像
• 6.3.2 煤尘分布图像JPEG压缩效果分析
• 6.3.3 井下煤尘浓度监测系统运行时间
• 6.4 总结与展望
• 附录
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文及参与项目
• 学位论文评阅及答辩情况