摘 要: 壓力變送器檢測系統(tǒng)存在測量精度低、布線困難等問題，針對國內特殊的井下環(huán)境，設計了一套專用于液壓支架的壓力變送器無線檢測系統(tǒng)，給出系統(tǒng)總體設計方案。以 CC2530 芯片作為主控制器芯片，同時實現(xiàn)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(tǒng)的軟件流程圖，闡述了上位機監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)重點。現(xiàn)場實驗證明該系統(tǒng)測量精度高，穩(wěn)定性好，滿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#重要的一個指標便是穩(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部分承受壓力的變化，實時監(jiān)測、預警和管理支架系統(tǒng)進行。

目前國內廠家生產的壓力變送器檢測系統(tǒng)無法滿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品價格較高，后期維護費用昂貴［1－2］ 。筆者研發(fā)一款專門針對于煤礦井下壓力檢測的變送器檢測系統(tǒng)，功能及價格可滿足礦井需求，具有很好的推廣應用價值。

1 壓力變送器檢測系統(tǒng)概述

壓力變送器檢測系統(tǒng)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(tǒng)提出了更高的要求［3－4］ : ①精度高。要能將液壓支架各個部分的壓力變化準確地呈現(xiàn)出來，因此，傳感器測量的輸出信號必須有高質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采用無線通訊方式。傳統(tǒng)壓力變送器檢測系統(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，影響工程進度，因此急需改善為無線通風方式; 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(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(xiàn)場信號，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 顯示屏負責實時顯示數(shù)值，電源電路負責供電，而 ZIGBEE 通信模塊負責分析處理數(shù)據(jù)以及傳輸數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心負責接收測量數(shù)據(jù)并做相應決策。

3 系統(tǒng)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，壓力傳感器的選型至關重要。此設計選擇了美國 Motorola 公司生產的 MPX2100 壓力傳感器，該傳感器線性度好、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(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、實時性差等問題。此設計采用 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 內核和射頻模塊，功耗低，擴展方便，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數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡。其中，網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)包括 ZIGBEE 采集終端、網(wǎng)絡協(xié)調器和監(jiān)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，中間需要一個信號放大調理電路進行過渡，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(shù)字量。

此設計的信號調理電路是由三個同型號的運算放大器 OP07 組成，該運算放大器具有低失調、高開環(huán)增益的特性。具體電路圖如圖 3，圖中，A1、A2、A3為三個運放，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(xiàn)場實時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(xiàn)場的工業(yè)標準值，供井下工作人員參考，實現(xiàn)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系統(tǒng)，該顯示屏具有低電壓低功耗的特點，接口方式多種多樣，主要有串行 2 線/3 線，并行 4位/8 位，可適應不同工作場合［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(tǒng)軟件流程設計

為系統(tǒng)開發(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(tǒng)，分別設計了 LCD 屏顯示程序、壓力值 A/D 轉換程序、無線通信程序、電源模塊精que管理程序; 為了實現(xiàn)遠程監(jiān)控中心的決策，編寫了相應的上位機監(jiān)控軟件，可以在線觀測井下各個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> 注明，三暢儀表文章均為原創(chuàng)，轉載請標明本文地址