摘 要: 壓力變送器檢測(cè)系統(tǒng)存在測(cè)量精度低、布線困難等問題，針對(duì)國內(nèi)特殊的井下環(huán)境，設(shè)計(jì)了一套專用于液壓支架的壓力變送器無線檢測(cè)系統(tǒng)，給出系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。以 CC2530 芯片作為主控制器芯片，同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信功能，介紹信號(hào)調(diào)理電路等外圍硬件電路的設(shè)計(jì); 結(jié)合壓力變送器測(cè)量原理，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的軟件流程圖，闡述了上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)重點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好，滿足了對(duì)液壓支架的有效檢測(cè)。

0 引 言

液壓支架是綜采工作面的一種支護(hù)設(shè)備，主要作用是支護(hù)采場(chǎng)頂板，維護(hù)安全作業(yè)空間，推移工作面采運(yùn)設(shè)備。液壓支架在井下#重要的一個(gè)指標(biāo)便是穩(wěn)定性，因此需要盡量消除一切影響支架穩(wěn)定性的不利因素，保證支架系統(tǒng)在井下安全工作。壓力變送器專用于檢測(cè)液壓支架各部位壓力變化的設(shè)備，其主要是檢測(cè)液壓支架各個(gè)部分承受壓力的變化，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警和管理支架系統(tǒng)進(jìn)行。

目前國內(nèi)廠家生產(chǎn)的壓力變送器檢測(cè)系統(tǒng)無法滿足煤礦井下惡劣的工作環(huán)境，測(cè)量精度低，國外壓力變送器檢測(cè)產(chǎn)品價(jià)格較高，后期維護(hù)費(fèi)用昂貴［1－2］ 。筆者研發(fā)一款專門針對(duì)于煤礦井下壓力檢測(cè)的變送器檢測(cè)系統(tǒng)，功能及價(jià)格可滿足礦井需求，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 壓力變送器檢測(cè)系統(tǒng)概述

壓力變送器檢測(cè)系統(tǒng)由以下部分組成: 壓力傳感器、主控制器、測(cè)控電路、通訊電路以及相應(yīng)外圍電路。在煤礦井下特殊的、惡劣的環(huán)境下，對(duì)壓力變送器檢測(cè)系統(tǒng)提出了更高的要求［3－4］ : ①精度高。要能將液壓支架各個(gè)部分的壓力變化準(zhǔn)確地呈現(xiàn)出來，因此，傳感器測(cè)量的輸出信號(hào)必須有高質(zhì)量的測(cè)控電路調(diào)理輸出，要采用共模抑制比高的電路，抑制干擾; ②采用無線通訊方式。傳統(tǒng)壓力變送器檢測(cè)系統(tǒng)一般采用 ＲS485 或者 CAN 總線通訊方式，這種有線通訊方式在煤礦井下布線困難，影響工程進(jìn)度，因此急需改善為無線通風(fēng)方式; ③響應(yīng)速度快。液壓支架每一次壓力變化都可能影響工作人員對(duì)工作面的判斷，這要求壓力傳感器快速響應(yīng)，微控制器快速分析處理數(shù)據(jù)及快速傳輸數(shù)據(jù)的通訊方式。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

基于壓力變送器在煤礦井下的工作原理，筆者設(shè)計(jì)了變送器的硬件電路框圖，如圖 1 所示，其中，壓力傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，信號(hào)放大調(diào)理電路負(fù)責(zé)將檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，LCD 顯示屏負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示數(shù)值，電源電路負(fù)責(zé)供電，而 ZIGBEE 通信模塊負(fù)責(zé)分析處理數(shù)據(jù)以及傳輸數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心負(fù)責(zé)接收測(cè)量數(shù)據(jù)并做相應(yīng)決策。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3．1 傳感器電路選型

煤礦井下環(huán)境惡劣，對(duì)于液壓支架的壓力檢測(cè)提出了很高的要求［5］ 。設(shè)計(jì)壓力變送器時(shí)，壓力傳感器的選型至關(guān)重要。此設(shè)計(jì)選擇了美國 Motorola 公司生產(chǎn)的 MPX2100 壓力傳感器，該傳感器線性度好、轉(zhuǎn)換精度高、靈敏度高，可把從液壓支架上檢測(cè)到的壓力值轉(zhuǎn)換為毫伏級(jí)的差模電壓信號(hào)，很好地適應(yīng)煤礦井下液壓支架壓力檢測(cè)的需求。

3．2 通信電路設(shè)計(jì)

煤礦井下傳統(tǒng)變送器數(shù)據(jù)傳輸采用有線方式，存在布線困難，數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性差等問題。此設(shè)計(jì)采用 ZIGBEE 無線通信方式，無線通信模塊選擇為 CC2530 芯片，該芯片集成了 8051 CPU 內(nèi)核和射頻模塊，功耗低，擴(kuò)展方便，在此系統(tǒng)中既可以作為微控制器處理分析數(shù)據(jù)，也可無線傳輸數(shù)據(jù)。圖 2 為基于 ZIGBEE 無線通信方式的一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。其中，網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)包括 ZIGBEE 采集終端、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和監(jiān)控中心三部分組成。

3．3 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

此設(shè)計(jì)選擇的傳感器輸出信號(hào)為毫伏級(jí)的差模電壓信號(hào)，而微控制器一般接受的電壓信號(hào)級(jí)別為 0～5 V 標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，所以不能直接將壓力傳感器直接連接到微控制器上，中間需要一個(gè)信號(hào)放大調(diào)理電路進(jìn)行過渡，然后連接到微控制器的 A/D 轉(zhuǎn)換端口，將測(cè)量到的模擬量轉(zhuǎn)換為微控制器可分析處理的數(shù)字量。

此設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路是由三個(gè)同型號(hào)的運(yùn)算放大器 OP07 組成，該運(yùn)算放大器具有低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性。具體電路圖如圖 3，圖中，A1、A2、A3為三個(gè)運(yùn)放，A1 的作用主要是差模放大，A2、A3 的作用是電壓跟隨，電阻上要求 Ｒ 1=Ｒ2 、Ｒ 3=Ｒ4 ，該電路放大增益為 Ｒ 3 /Ｒ 1 。

3．4 LCD 顯示屏電路設(shè)計(jì)

為方便井下工作人員現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)了解液壓支架所受壓力，設(shè)計(jì)了 LCD 屏顯示電路，該電路可將檢測(cè)到的壓力值轉(zhuǎn)換為礦井現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值，供井下工作人員參考，實(shí)現(xiàn)了壓力變送器的人機(jī)交互功能。此設(shè)計(jì)選擇了 12864 LCD 液晶顯示屏作為人機(jī)界面互動(dòng)系統(tǒng)，該顯示屏具有低電壓低功耗的特點(diǎn)，接口方式多種多樣，主要有串行 2 線/3 線，并行 4位/8 位，可適應(yīng)不同工作場(chǎng)合［6］ 。此顯示屏工作電壓在 +3．0～+5．5 V 之間，擁有和單片機(jī)接口兼容的邏輯電平，可以在不加排阻的情況下直接和單片機(jī)的 IO 口連接。LCD 顯示屏的硬件電路設(shè)計(jì)原理圖如圖4 所示。

4 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

為系統(tǒng)開發(fā)的快速方便，軟件設(shè)計(jì)采取模塊化設(shè)計(jì)思想，結(jié)合相應(yīng)的硬件系統(tǒng)，分別設(shè)計(jì)了 LCD 屏顯示程序、壓力值 A/D 轉(zhuǎn)換程序、無線通信程序、電源模塊精que管理程序; 為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的決策，編寫了相應(yīng)的上位機(jī)監(jiān)控軟件，可以在線觀測(cè)井下各個(gè)液壓支架各部分的壓力變化情況，為應(yīng)對(duì)煤礦事箂hou齪米急浮?/div> 注明，三暢儀表文章均為原創(chuàng)，轉(zhuǎn)載請(qǐng)標(biāo)明本文地址