基于單片機(jī)的壓力測(cè)量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前我國發(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內(nèi)容,開發(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。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)開關(guān)合上時(shí), 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(chǎng)中儲(chǔ)能, 該電流還流入輸出濾波電容和負(fù)載; 當(dāng)開關(guān)斷開時(shí), 此電流以相同的方式流過電感, 但因開關(guān)此時(shí)已斷開,它必然要流過二極管。當(dāng)開關(guān)斷開時(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上升超過復(fù)位門限電壓時(shí),需經(jīng)過大約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?/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(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/關(guān)控制,顯示開,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。