【導(dǎo)讀】目前我國(guó)發(fā)展煤炭生產(chǎn)機(jī)械化發(fā)展迅速。綜采設(shè)備的應(yīng)用，是提高效率、改善安全狀況的措施。本文以監(jiān)測(cè)綜采液壓支架的壓力為研究?jī)?nèi)容，開(kāi)發(fā)了一套基于單片機(jī)的壓力測(cè)量控制系統(tǒng)。
1.引言
影響開(kāi)機(jī)率的一個(gè)主要因素是支架對(duì)工作面的頂板控制的好壞，因此，對(duì)綜采工作面進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)與控制是很有必要的。要做到這一點(diǎn)，首先需要對(duì)井下工作面的液壓支架的實(shí)際工作狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)處理、分析，評(píng)定其效果，并采取相應(yīng)措施，以提高開(kāi)機(jī)率、提高產(chǎn)量。本文以監(jiān)測(cè)綜采液壓支架的壓力為研究?jī)?nèi)容，開(kāi)發(fā)了一套基于單片機(jī)的壓力測(cè)量控制系統(tǒng)。
2.壓力測(cè)量控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
壓力測(cè)量控制系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)支架壓力， 每臺(tái)測(cè)量控制系統(tǒng)配有四只傳感器， 可分別通過(guò)高壓油管連接支架的立柱、平衡千斤頂， 前探梁千斤頂?shù)挠蛪呵弧毫y(cè)量控制系統(tǒng)接收到通訊測(cè)量控制系統(tǒng)傳來(lái)的數(shù)據(jù)采集命令后， 采集四通道的壓力， 傳給通訊測(cè)量控制系統(tǒng)， 再由通訊測(cè)量控制系統(tǒng)傳至地面。壓力測(cè)量控制系統(tǒng)設(shè)有按鍵， 當(dāng)按下時(shí)， 可在LCD液晶顯示窗口循環(huán)顯示四通道的壓力值。
3.壓力測(cè)量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)
圖1.壓力測(cè)量控制系統(tǒng)框圖
壓力測(cè)量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示， 它以80C51單片機(jī)為核心， 包括傳感器、光耦、多路數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)、LCD液晶顯示器、SRAM， EPROM、自動(dòng)復(fù)位電路、RS-485接口電路及高效電源電路等。下面分別介紹一下它們各自的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。
3.1 傳感器
傳感器采用前面設(shè)計(jì)的活塞傳壓大量程諧振弦式液壓傳感器，傳感器輸出幅度為5伏的矩形波。
3.2 信號(hào)輸入電路
（1） 多路數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)（多路數(shù)據(jù)選擇器）74HC151
74HC 151是8選1數(shù)據(jù)選擇器，它有8個(gè)數(shù)據(jù)輸入端D0--D7， 1個(gè)選通端S， 3個(gè)數(shù)據(jù)選擇端A， B， C和2個(gè)輸出端Y， W。當(dāng)3個(gè)數(shù)據(jù)選擇端A， B， C從000到111之間變化時(shí)，可選擇不同的通道。
（2） 信號(hào)輸入電路： 以D0通道為例，其電路如圖2所示。
圖2.信號(hào)輸入電路
由圖2看出，傳感器頻率信號(hào)是通過(guò)光電耦合器6N139耦合到74HC151的輸入引腳D0。80C51的P1.0， P1.1輸出控制碼，選擇D0--D3輸入中的一路，用單片機(jī)的T0測(cè)信號(hào)頻率。
3.3 80C51外擴(kuò)8KB EPROM和8KB SRAM
在壓力測(cè)量控制系統(tǒng)中，80C51擴(kuò)展8K的EPROM （27C64）和8K的SRAM （6264）作為外部的程序存貯器和數(shù)據(jù)存貯器。選擇了較低的6MHz作為80C51單片機(jī)的工作頻率，能滿足數(shù)據(jù)采集要求，同時(shí)還可以降低單片機(jī)的功耗，擴(kuò)展系統(tǒng)連接圖如圖3所示。
圖3.壓力測(cè)量控制系統(tǒng)80C51擴(kuò)展系統(tǒng)
在80C51單片機(jī)中，外部I/O口是作為外部RAM來(lái)擴(kuò)展的，選址的方法與擴(kuò)充外部RAM的方法完全相同。本電路除了外部的RAM外，還有LCD顯示器作為外部I/O器件，因此，只采用線選址方式是不夠的，應(yīng)采用譯碼選址方式。
3.4 LCM點(diǎn)陣式液晶顯示模塊接口設(shè)計(jì)
LCM點(diǎn)陣式液晶顯示模塊能顯示的字符多，并且能顯示漢字，因而在智能化測(cè)量控制儀表中得到了廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)選用的是EPSON公司生產(chǎn)的EA-D20040AR點(diǎn)陣式液晶顯示模塊，它由TN型液晶顯示器、CMOS驅(qū)動(dòng)器和CMOS控制器組成，模塊內(nèi)集成有字符發(fā)生器和數(shù)據(jù)存貯器，采用單±5V電源供電，內(nèi)部有能顯示96個(gè)ASCII字符和92個(gè)特殊字符的字庫(kù)。EA-D20040AR與單片機(jī)80C51的接口電路如圖4所示：
圖4.EA-D20040AR與80C51的接口電路
3.5電源電路
本系統(tǒng)的通訊測(cè)量控制系統(tǒng)及所有的壓力測(cè)量控制系統(tǒng)共用同一本安電源，應(yīng)盡量地降低線路損耗， 提高電源工作效率。為此， 壓力測(cè)量控制系統(tǒng)除控制傳感器的電源供電外， 還采用了美國(guó)MAXIM公司的高效、+5V輸出可調(diào)降低壓穩(wěn)壓器MAX639， 可將+5.5~+11.5V之間的電池電壓轉(zhuǎn)換為+5V出， 并在整個(gè)電壓范圍內(nèi)提供100mA輸出電流， 靜態(tài)電流僅為10μA， 效率高于90%。
MAX639所需外圍器件較少， 即一個(gè)小的廉價(jià)電感、一個(gè)輸入旁路電容、一個(gè)濾波電容和一個(gè)肖基特二極管， 不需要任何補(bǔ)償元件。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器， 當(dāng)開(kāi)關(guān)合上時(shí)， 加到電感上的電壓等于V+減VOUT， 通過(guò)電感的電流斜坡上升， 從而在電感的電場(chǎng)中儲(chǔ)能， 該電流還流入輸出濾波電容和負(fù)載; 當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)， 此電流以相同的方式流過(guò)電感， 但因開(kāi)關(guān)此時(shí)已斷開(kāi)，它必然要流過(guò)二極管。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)， 電感僅供給負(fù)載電流， 并且這個(gè)電流隨著電感磁場(chǎng)儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)移到輸出濾波電容和負(fù)載中而減少為零。
3.6 RS-485接口電路
本系統(tǒng)中，通訊測(cè)量控制系統(tǒng)與各壓力測(cè)量控制系統(tǒng)屬主從式通訊網(wǎng)絡(luò)，為適合此遠(yuǎn)距離、多點(diǎn)、干擾大的通訊環(huán)境，采用RS-485接口電路。本系統(tǒng)中選用的MAX483接口電路，是由MAXIM生產(chǎn)的專用于RS-485通訊的小功率收發(fā)器，含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器，其特點(diǎn)是具有減小轉(zhuǎn)換速率的驅(qū)動(dòng)器，可以使EMI（電磁干擾）減到最少，并減少因電纜終端不適當(dāng)而產(chǎn)生的影響，可以以高達(dá)250kb/s的速率無(wú)誤差地傳送數(shù)據(jù)。
3.7 自動(dòng)復(fù)位電路
由于壓力測(cè)量控制系統(tǒng)在井下連續(xù)運(yùn)行，為了防止由于意外干擾引起“死機(jī)”，特在壓力測(cè)量控制系統(tǒng)引入自動(dòng)復(fù)位電路，即看門狗電路。看門狗電路種類很多，為了減少元件個(gè)數(shù)，本系統(tǒng)選用MAX706。
MAX706確保在加電期間復(fù)位，并防止掉電或降壓情況下微處理器代碼執(zhí)行出錯(cuò)。在加電時(shí)一旦 Vcc達(dá)到1V，即可保證 輸出低電平，當(dāng)Vcc上升超過(guò)復(fù)位門限電壓時(shí)，需經(jīng)過(guò)大約200ms，一個(gè)內(nèi)部定時(shí)器才允許 變?yōu)楫?dāng)電平。只要VCC降低到復(fù)位門限電壓以下， 就變?yōu)榈碗娖健?/div>
MAX706看門狗電路還監(jiān)控微處理器的工作，如果在1.6S內(nèi)微處理器不觸發(fā)看門狗輸入（WDI）且WDI并非處于三態(tài)，WDO將變?yōu)榈碗娖健?/div>
4.壓力測(cè)量控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
壓力測(cè)量控制系統(tǒng)的程序由主程序和幾個(gè)子程序組成。子程序主要包括測(cè)頻率子程序、計(jì)算壓力子程序、顯示數(shù)據(jù)子程序、串行通訊子程序等。
4.1 測(cè)頻率子程序
單片機(jī)多倍周期同步法測(cè)量的兩種情形，本系統(tǒng)選用第二種方法，即固定TM的多倍周期測(cè)量法。
4.2 計(jì)算壓力子程序
當(dāng)單片機(jī)測(cè)完一個(gè)信號(hào)頻率后，取出對(duì)應(yīng)的壓力盒常數(shù)A， B， f0，由公式計(jì)算出壓力P（為兆帕）或換算成其他單位的壓力值。
4.3 顯示數(shù)據(jù)子程序
單片機(jī)把前面計(jì)算出的壓力值輸出到LCM液晶顯示模塊顯示。LCM液晶顯示模塊EA-D20040AR的初始化程序如下：
START： MOV DPTR， #2000H;置指令寄存器地址
MOV A， #38H; 置功能，數(shù)據(jù)以8位操作，2行顯示，5X7點(diǎn)陣
MOVX @DPTR， A
MOV A， #06H; 置輸入模式，設(shè)置AC為增量方式，顯示屏不移動(dòng)
MOVX @DPTR， A
MOV A， #OEH： 置顯示開(kāi)/關(guān)控制，顯示開(kāi)，顯示光標(biāo)，閃耀關(guān)
MOVX @DPTR， A
MOV A， #01H; 總清，清除屏幕，置AC地址為零
MOVX @DPTR， A
RET
4.4 壓力測(cè)量控制系統(tǒng)串行通訊子程序
本系統(tǒng)中，各壓力測(cè)量控制系統(tǒng)與通訊測(cè)量控制系統(tǒng)之間屬于多機(jī)通訊。通訊測(cè)量控制系統(tǒng)為主機(jī)，各壓力測(cè)量控制系統(tǒng)為從機(jī)。壓力機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，通訊測(cè)量控制系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)。
壓力測(cè)量控制系統(tǒng)（從機(jī)）中斷方式通訊程序程序設(shè)計(jì)思想是：在主程序中設(shè)置好與串行通訊接收和中斷有關(guān)的初始化工作后，等待中斷，在收到一幀地址信息后啟動(dòng)中斷進(jìn)入通訊服務(wù)程序，在以后的接收或發(fā)送通訊中就采用查詢方式，直到本次通訊結(jié)束，由中斷返回到主程序。其中若從機(jī)未作好發(fā)送準(zhǔn)備及出現(xiàn)非法命令等也從中斷返回，在主程序中作好準(zhǔn)備。主機(jī)應(yīng)重新和從機(jī)聯(lián)絡(luò)，使從機(jī)再次進(jìn)入串行口中斷。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：
本文設(shè)計(jì)的壓力測(cè)量控制系統(tǒng)以80C51單片機(jī)為核心，包括傳感器、光耦6N139、數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)74HC151、點(diǎn)陣式液晶顯示模塊EA-D20040AR， RS-485接口電路及高效電源電路等。測(cè)控系統(tǒng)接收到通訊分機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)采集命令后，采集四通道的壓力，傳給通訊分機(jī)，再由通訊分機(jī)傳到地面， 實(shí)現(xiàn)了快速監(jiān)測(cè)處理和及時(shí)反饋信息。
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