摘 要: 壓力變送器檢測系統存在測量精度低、布線(xiàn)困難等問(wèn)題，針對國內特殊的井下環(huán)境，設計了一套專(zhuān)用于液壓支架的壓力變送器無(wú)線(xiàn)檢測系統，給出系統總體設計方案。以 CC2530 芯片作為主控制器芯片，同時(shí)實(shí)現遠程通信功能，介紹信號調理電路等外圍硬件電路的設計; 結合壓力變送器測量原理，設計了系統的軟件流程圖，闡述了上位機監測系統的研發(fā)重點(diǎn)�，F場(chǎng)實(shí)驗證明該系統測量精度高，穩定性好，滿(mǎn)足了對液壓支架的有效檢測。
0 引 言
液壓支架是綜采工作面的一種支護設備，主要作用是支護采場(chǎng)頂板，維護安全作業(yè)空間，推移工作面采運設備。液壓支架在井下#重要的一個(gè)指標便是穩定性，因此需要盡量消除一切影響支架穩定性的不利因素，保證支架系統在井下安全工作。壓力變送器專(zhuān)用于檢測液壓支架各部位壓力變化的設備，其主要是檢測液壓支架各個(gè)部分承受壓力的變化，實(shí)時(shí)監測、預警和管理支架系統進(jìn)行。
目前國內廠(chǎng)家生產(chǎn)的壓力變送器檢測系統無(wú)法滿(mǎn)足煤礦井下惡劣的工作環(huán)境，測量精度低，國外壓力變送器檢測產(chǎn)品價(jià)格較高，后期維護費用昂貴［1－2］ 。筆者研發(fā)一款專(zhuān)門(mén)針對于煤礦井下壓力檢測的變送器檢測系統，功能及價(jià)格可滿(mǎn)足礦井需求，具有很好的推廣應用價(jià)值。
1 壓力變送器檢測系統概述
壓力變送器檢測系統由以下部分組成: 壓力傳感器、主控制器、測控電路、通訊電路以及相應外圍電路。在煤礦井下特殊的、惡劣的環(huán)境下，對
壓力變送器檢測系統提出了更高的要求［3－4］ : ①精度高。要能將液壓支架各個(gè)部分的壓力變化準確地呈現出來(lái)，因此，傳感器測量的輸出信號必須有高質(zhì)量的測控電路調理輸出，要采用共模抑制比高的電路，抑制干擾; ②采用無(wú)線(xiàn)通訊方式。傳統壓力變送器檢測系統一般采用 ＲS485 或者 CAN 總線(xiàn)通訊方式，這種有線(xiàn)通訊方式在煤礦井下布線(xiàn)困難，影響工程進(jìn)度，因此急需改善為無(wú)線(xiàn)通風(fēng)方式; ③響應速度快。液壓支架每一次壓力變化都可能影響工作人員對工作面的判斷，這要求壓力傳感器快速響應，微控制器快速分析處理數據及快速傳輸數據的通訊方式。
2 系統總體方案設計
基于壓力變送器在煤礦井下的工作原理，筆者設計了變送器的硬件電路框圖，如圖 1 所示，其中，壓力傳感器負責檢測現場(chǎng)信號，信號放大調理電路負責將檢測到的信號轉換為標準信號，LCD 顯示屏負責實(shí)時(shí)顯示數值，電源電路負責供電，而 ZIGBEE 通信模塊負責分析處理數據以及傳輸數據，監控中心負責接收測量數據并做相應決策。
3 系統硬件電路設計
3．1 傳感器電路選型
煤礦井下環(huán)境惡劣，對于液壓支架的壓力檢測提出了很高的要求［5］ 。設計壓力變送器時(shí)，壓力傳感器的選型至關(guān)重要。此設計選擇了美國 Motorola 公司生產(chǎn)的 MPX2100 壓力傳感器，該傳感器線(xiàn)性度好、轉換精度高、靈敏度高，可把從液壓支架上檢測到的壓力值轉換為毫伏級的差模電壓信號，很好地適應煤礦井下液壓支架壓力檢測的需求。
3．2 通信電路設計
煤礦井下傳統變送器數據傳輸采用有線(xiàn)方式，存在布線(xiàn)困難，數據傳輸不穩定、實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題。此設計采用 ZIGBEE 無(wú)線(xiàn)通信方式，無(wú)線(xiàn)通信模塊選擇為 CC2530 芯片，該芯片集成了 8051 CPU 內核和射頻模塊，功耗低，擴展方便，在此系統中既可以作為微控制器處理分析數據，也可無(wú)線(xiàn)傳輸數據。圖 2 為基于 ZIGBEE 無(wú)線(xiàn)通信方式的一個(gè)數據傳輸網(wǎng)絡(luò )。其中，網(wǎng)絡(luò )傳輸系統包括 ZIGBEE 采集終端、網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器和監控中心三部分組成。
3．3 信號調理電路設計
此設計選擇的傳感器輸出信號為毫伏級的差模電壓信號，而微控制器一般接受的電壓信號級別為 0～5 V 標準電壓信號，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)信號放大調理電路進(jìn)行過(guò)渡，然后連接到微控制器的 A/D 轉換端口，將測量到的模擬量轉換為微控制器可分析處理的數字量。
此設計的信號調理電路是由三個(gè)同型號的運算放大器 OP07 組成，該運算放大器具有低失調、高開(kāi)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 顯示屏電路設計
為方便井下工作人員現場(chǎng)實(shí)時(shí)了解液壓支架所受壓力，設計了 LCD 屏顯示電路，該電路可將檢測到的壓力值轉換為礦井現場(chǎng)的工業(yè)標準值，供井下工作人員參考，實(shí)現了壓力變送器的人機交互功能。此設計選擇了 12864 LCD 液晶顯示屏作為人機界面互動(dòng)系統，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(xiàn)/3 線(xiàn)，并行 4位/8 位，可適應不同工作場(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的 IO 口連接。LCD 顯示屏的硬件電路設計原理圖如圖4 所示。
4 系統軟件流程設計
為系統開(kāi)發(fā)的快速方便，軟件設計采取模塊化設計思想，結合相應的硬件系統，分別設計了 LCD 屏顯示程序、壓力值 A/D 轉換程序、無(wú)線(xiàn)通信程序、電源模塊精que管理程序; 為了實(shí)現遠程監控中心的決策，編寫(xiě)了相應的上位機監控軟件，可以在線(xiàn)觀(guān)測井下各個(gè)液壓支架各部分的壓力變化情況，為應對煤礦事箂hou齪米急浮?/div>
考慮到煤礦井下，一般并不需要時(shí)時(shí)刻刻采集壓力數據，液壓支架一般支護時(shí)間比較長(cháng)，所以采用間歇式方式進(jìn)行數據采集。為此，在以上程序的基礎上設置主程序和中斷程序，主程序完成各程序初始化之后便進(jìn)入低功耗模塊，當要進(jìn)行數據采集時(shí)，中斷程序便將單片喚醒，執行 LCD 屏顯示程序、壓力值 A/D轉換程序、無(wú)線(xiàn)通信程序，而數據采集的間歇時(shí)間需要根據煤礦現場(chǎng)的工作進(jìn)度具體設定。圖 5 為設計的數據傳輸時(shí)的軟件流程框圖。
5 檢測系統應用效果
為驗證設計的壓力變送器檢測系統的可行性，進(jìn)行了對比試驗。將通過(guò)此系統檢測的支架壓力值與采用標準液壓壓力計測得的結果進(jìn)行比較，實(shí)驗過(guò)程中，選用 1 個(gè)采礦點(diǎn)作為分站，此系統將檢測到的壓力數據傳送給礦井上的通信主站，并顯示在上位機監控軟件界面。實(shí)驗測試結果如表 1 所示。標準液壓壓力計型號為 YH－45。
通過(guò)實(shí)驗測試數據可以看出，該設計系統與標準液壓壓力機測試數據的誤差很小，誤差率在 2%以?xún)�，可滿(mǎn)足實(shí)際工程的需求。同時(shí)測試數據在無(wú)線(xiàn)通信過(guò)程中傳輸穩定，速度快，適用于井下環(huán)境。
6 結 語(yǔ)
在分析傳統壓力變送器及其檢測系統存在諸多缺陷的基礎上，結合壓力變送器工作原理，設計了一套基于 CC2530 芯片的壓力變送器檢測系統。硬件方面，給出了傳感器選型，設計了通信電路、信號調理電路以及 LCD 液晶顯示屏電路; 軟件方面選擇了模塊化設計思想，并采用間歇式工作方式進(jìn)行壓力數據采集，給出了軟件流程圖。測試結果證明，壓力變送器檢測系統實(shí)現了預期要求，運行狀況良好，滿(mǎn)足了礦井下工作的需求。
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