壓力測(cè)量控制系統(tǒng)研發(fā)：基于51單片機(jī)

1 引言

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。

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?。壓力測(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(zhuān)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(mén)狗電路。看門(mén)狗電路種類(lèi)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(mén)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(mén)限電壓以下， 就變?yōu)榈碗娖健?