1 引言

目前我國發(fā)展煤炭生產(chǎn)機械化發(fā)展迅速。綜采設備的應用,是提高效率、改善安全狀況的措施。

影響開機率的一個主要因素是支架對工作面的頂板控制的好壞,因此,對綜采工作面進行礦壓監(jiān)測與控制是很有必要的。要做到這一點,首先需要對井下工作面的液壓支架的實際工作狀況進行監(jiān)測,通過對檢測數(shù)據(jù)處理、分析,評定其效果,并采取相應措施,以提高開機率、提高產(chǎn)量。本文以監(jiān)測綜采液壓支架的壓力為研究內(nèi)容,開發(fā)了一套基于單片機的壓力測量控制系統(tǒng)。

2 壓力測量控制系統(tǒng)功能設計

壓力測量控制系統(tǒng)用于監(jiān)測支架壓力, 每臺測量控制系統(tǒng)配有四只傳感器, 可分別通過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?。壓力測量控制系統(tǒng)接收到通訊測量控制系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)采集命令后, 采集四通道的壓力, 傳給通訊測量控制系統(tǒng), 再由通訊測量控制系統(tǒng)傳至地面。壓力測量控制系統(tǒng)設有按鍵, 當按下時, 可在LCD液晶顯示窗口循環(huán)顯示四通道的壓力值。

3 壓力測量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)件設計

圖1 壓力測量控制系統(tǒng)框圖

壓力測量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示, 它以80C51單片機為核心, 包括傳感器、光耦、多路數(shù)據(jù)開關、LCD液晶顯示器、SRAM, EPROM、自動復位電路、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計特點。

3.1 傳感器

傳感器采用前面設計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 信號輸入電路

(1) 多路數(shù)據(jù)開關(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個數(shù)據(jù)輸入端D0--D7, 1個選通端S, 3個數(shù)據(jù)選擇端A, B, C和2個輸出端Y, W。當3個數(shù)據(jù)選擇端A, B, C從000到111之間變化時,可選擇不同的通道。

(2) 信號輸入電路: 以D0通道為例,其電路如圖2所示。

圖2 信號輸入電路

由圖2看出,傳感器頻率信號是通過光電耦合器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,用單片機的T0測信號頻率。

3.3 80C51外擴8KB EPROM和8KB SRAM

在壓力測量控制系統(tǒng)中,80C51擴展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單片機的工作頻率,能滿足數(shù)據(jù)采集要求,同時還可以降低單片機的功耗,擴展系統(tǒng)連接圖如圖3所示。

圖3 壓力測量控制系統(tǒng)80C51擴展系統(tǒng)

在80C51單片機中,外部I/O口是作為外部RAM來擴展的,選址的方法與擴充外部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,應采用譯碼選址方式。

3.4 LCM點陣式液晶顯示模塊接口設計

LCM點陣式液晶顯示模塊能顯示的字符多,并且能顯示漢字,因而在智能化測量控制儀表中得到了廣泛的應用。本系統(tǒng)選用的是EPSON公司生產(chǎn)的EA-D20040AR點陣式液晶顯示模塊,它由TN型液晶顯示器、CMOS驅(qū)動器和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ASCII字符和92個特殊字符的字庫。EA-D20040AR與單片機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)的通訊測量控制系統(tǒng)及所有的壓力測量控制系統(tǒng)共用同一本安電源,應盡量地降低線路損耗, 提高電源工作效率。為此, 壓力測量控制系統(tǒng)除控制傳感器的電源供電外, 還采用了美國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, 即一個小的廉價電感、一個輸入旁路電容、一個濾波電容和一個肖基特二極管, 不需要任何補償元件。它實質(zhì)上是一個降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器, 當開關合上時, 加到電感上的電壓等于V+減VOUT, 通過電感的電流斜坡上升, 從而在電感的電場中儲能, 該電流還流入輸出濾波電容和負載; 當開關斷開時, 此電流以相同的方式流過電感, 但因開關此時已斷開,它必然要流過二極管。當開關斷開時, 電感僅供給負載電流, 并且這個電流隨著電感磁場儲存的能量轉(zhuǎn)移到輸出濾波電容和負載中而減少為零。

3.6 RS-485接口電路

本系統(tǒng)中,通訊測量控制系統(tǒng)與各壓力測量控制系統(tǒng)屬主從式通訊網(wǎng)絡,為適合此遠距離、多點、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,含有一個驅(qū)動器和一個接收器,其特點是具有減小轉(zhuǎn)換速率的驅(qū)動器,可以使EMI(電磁干擾)減到最少,并減少因電纜終端不適當而產(chǎn)生的影響,可以以高達250kb/s的速率無誤差地傳送數(shù)據(jù)。

3.7 自動復位電路

由于壓力測量控制系統(tǒng)在井下連續(xù)運行,為了防止由于意外干擾引起“死機”,特在壓力測量控制系統(tǒng)引入自動復位電路,即看門狗電路?？撮T狗電路種類很多,為了減少元件個數(shù),本系統(tǒng)選用MAX706。

MAX706確保在加電期間復位,并防止掉電或降壓情況下微處理器代碼執(zhí)行出錯。在加電時一旦 Vcc達到1V,即可保證 輸出低電平,當Vcc上升超過復位門限電壓時,需經(jīng)過大約200ms,一個內(nèi)部定時器才允許 變?yōu)楫旊娖?。只要VCC降低到復位門限電壓以下, 就變?yōu)榈碗娖健?/p>

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?/p>

4 壓力測量控制系統(tǒng)軟件設計

壓力測量控制系統(tǒng)的程序由主程序和幾個子程序組成。子程序主要包括測頻率子程序、計算壓力子程序、顯示數(shù)據(jù)子程序、串行通訊子程序等。

4.1 測頻率子程序

單片機多倍周期同步法測量的兩種情形,本系統(tǒng)選用第二種方法,即固定TM的多倍周期測量法。

4.2 計算壓力子程序

當單片機測完一個信號頻率后,取出對應的壓力盒常數(shù)A, B, f0,由公式

計算出壓力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

單片機把前面計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點陣

MOVX @DPTR, A

MOV A, #06H; 置輸入模式,設置AC為增量方式,顯示屏不移動

MOVX @DPTR, A

MOV A, #OEH: 置顯示開/關控制,顯示開,顯示光標,閃耀關

MOVX @DPTR, A

MOV A, #01H; 總清,清除屏幕,置AC地址為零

MOVX @DPTR, A

RET

4.4 壓力測量控制系統(tǒng)串行通訊子程序

本系統(tǒng)中,各壓力測量控制系統(tǒng)與通訊測量控制系統(tǒng)之間屬于多機通訊。通訊測量控制系統(tǒng)為主機,各壓力測量控制系統(tǒng)為從機。壓力機發(fā)送數(shù)據(jù),通訊測量控制系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)。

壓力測量控制系統(tǒng)(從機)中斷方式通訊程序程序設計思想是:在主程序中設置好與串行通訊接收和中斷有關的初始化工作后,等待中斷,在收到一幀地址信息后啟動中斷進入通訊服務程序,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。其中若從機未作好發(fā)送準備及出現(xiàn)非法命令等也從中斷返回,在主程序中作好準備。主機應重新和從機聯(lián)絡,使從機再次進入串行口中斷。

本文作者創(chuàng)新點:

本文設計的壓力測量控制系統(tǒng)以80C51單片機為核心,包括傳感器、光耦6N139、數(shù)據(jù)開關74HC151、點陣式液晶顯示模塊EA-D20040AR, RS-485接口電路及高效電源電路等。測控系統(tǒng)接收到通訊分機傳來的數(shù)據(jù)采集命令后,采集四通道的壓力,傳給通訊分機,再由通訊分機傳到地面, 實現(xiàn)了快速監(jiān)測處理和及時反饋信息。