智能型數(shù)字壓力計的設計與在煤礦下的應用

1、.PAGE ：.；智能型數(shù)字壓力計的設計與在煤礦下的運用目錄 TOC o - h z u HYPERLINK l _Toc 摘要 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc ABSTRACT PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 第一章緒論 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .課題研討背景和意義 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .煤礦壓力計的開展方向 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .論文的主要任務 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _

2、Toc 第二章總體設計方案 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .煤礦數(shù)字壓力計的主要功能 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 煤礦數(shù)字壓力計的技術(shù)目的 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 煤礦數(shù)字壓力計的總體設計框圖 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 第三章智能型數(shù)字壓力計模塊設計 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 硬件電路概述 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 微控芯片的簡介 PAGEREF _Toc

3、h HYPERLINK l _Toc . 壓力變送模塊的設計 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 壓阻式壓力傳感器的丈量原理 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 小信號采集變換模塊 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . A/D采樣模塊 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 紅外采集模塊的設計 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 紅外發(fā)送模塊的設計 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 紅外接納模塊的設計 PAG

4、EREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 其他相關(guān)電路的設計 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 低功耗電源電路設計 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 壓力顯示模塊設計 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 數(shù)據(jù)存儲模塊設計 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 本章小結(jié) PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 第四章上位機監(jiān)控分析軟件的設計 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 軟件開發(fā)軟、硬件

5、環(huán)境 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 軟件總體功能概述 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 軟件子模塊引見 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 數(shù)據(jù)通訊子模塊 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 系統(tǒng)參數(shù)設置子模塊 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 數(shù)據(jù)查詢模塊 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 數(shù)據(jù)圖表分析模塊- PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 數(shù)據(jù)庫管理模塊

6、 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 本章小結(jié) PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 第五章總結(jié)與展望 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 參考文獻： PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 附錄： 采集終端原理圖 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 附件：智能型數(shù)字壓力采集終端 PAGEREF _Toc h 摘要近年來，我國煤礦平安事故頻繁發(fā)生，其中主要是瓦斯和頂板事故，煤礦頂板事故對礦井平安消費危害極大。從我國煤礦事故統(tǒng)計來看，頂板事故不斷居各類事故之首

7、。對煤礦頂板的壓力情況進展監(jiān)測與控制是減少頂板事故和實現(xiàn)礦山科學管理最有效的手段之一。然而目前我國絕大多數(shù)煤礦井下頂板壓力檢測普通采用機械式、液壓式觀測儀器，精度低，任務效率低下。而國外較先進的礦井壓力監(jiān)測系統(tǒng)，配置復雜，采用有線的通訊方式，布線、維護也比較困難。因此，研制一種新型的丈量精度高、待機時間長、通訊簡便、價錢適中、操作方便、任務性能優(yōu)良的便攜式煤礦壓力觀測設備勢在必行。本文根據(jù)煤礦平安規(guī)范，仔細分析了目前我國各種礦山壓力觀測儀器存在的缺乏，思索到煤礦井下的實踐環(huán)境，研制了一種基于紅外線數(shù)據(jù)采集的新型煤礦壓力采集和智能分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩部分組成，即智能型煤礦壓力數(shù)據(jù)采集安裝和上位機

8、智能化分析軟件，前者采用了低功耗微處置機PICF實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，后者利用微機強大的處置才干實現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)的度量與分析。整個系統(tǒng)采用低功耗設計，其中，煤礦壓力數(shù)據(jù)采集安裝可以定時采集和存儲頂板壓力數(shù)據(jù)、紅外線接納命令后將格式化壓力數(shù)據(jù)和本身編號一同發(fā)送出去、中斷觸發(fā)現(xiàn)場顯示當前的壓力數(shù)據(jù)。上位機智能分析軟件采用圖形化界面顯示，一切功能經(jīng)過鼠標即可操作。該軟件實現(xiàn)系統(tǒng)初始化、串口接納并存儲煤礦壓力數(shù)據(jù)采集安裝的壓力數(shù)據(jù)、圖表顯示各個采集點壓力數(shù)據(jù)、分析各個采集點壓力數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫備份、恢復和刪除等操作。首先，文章簡要的論述了采集安裝的功能劃分、總體思想設計、通訊方式的選取。然后分別根據(jù)采集安裝的功能要求

9、，對其硬件電路設計和軟件程序設計部分展開詳細的引見。經(jīng)過實踐運用證明，本系統(tǒng)的硬件和軟件程序任務可靠，操作方便。整個系統(tǒng)具有丈量精度高、體積小、功耗低等特點。它的研制對提高我國煤礦頂板壓力檢測的自動化程度，保證我國煤炭行業(yè)的高效率平安消費有重要的意義。關(guān)鍵字:礦山壓力檢測、數(shù)據(jù)采集、智能化分析、低功耗、壓力傳感器ABSTRACTIn recent years, Chinas coal mine safety accidents, most of which are gas and roof accidents, have occurred frequently, and roof accide

10、nts have great harm on safe production of mine. According to the statistics from Chinas coal mine accidents, we can see that roof accidents have been the top among various types of accidents. Monitoring and controlling the pressure on the roof of mine is one of the most effective means to reduce roo

11、f accidents and realize the scientific management of mine. However, mechanical, hydraulic observation instruments are used in majority of Chinas coal mine roof pressure test, and their precision and work efficiency are low. The more advanced foreign mine pressure monitoring systems configure with co

12、mplexity, by means of wired communication, thus, the wiring and maintenance is also more difficult. Therefore, the development of a new type of portable coal mine pressure observation equipment of high accuracy, long standby time, and simple communication, affordable, easy to operate, good work perf

13、ormance is imperative.Based on the safety standards of coal mine, that paper analyzes the deficiencies of current various pressure observation equipment of mining carefully. Taking into account the actual coal mine environment, a new type of coal mine pressure acquisition and intelligent analysis sy

14、stem based on the infrared data collection has been developed. The system is formed by two components, intelligent mine pressure data acquisition device and intelligent analysis software of host computer, the former adopts a low-power microprocessor PICF to acquire the data, and the latter uses the

15、processing power of computer to achieve the measurement and analysis of pressure data. The entire system uses low-power design, in which coal pressure data acquisition device can capture and store roof pressure data timing; infrared send out the formatted pressure data together with their own number

16、s after receiving the command，interrupt triggering on-site displays the current pressure data. The intelligent analysis software of host display by graphical interface, all functions can be operated by mouse. The software could achieve such functions as system initialization, serial ports receiving

17、and storing the coal mine pressure data and pressure data of acquisition device, showing the pressure data of various collection points by chart, analysis the pressure data of various collection points, and backup, restore, and delete of database.First, the paper briefly describes the function divis

18、ion of collecting devices and the overall design. And then introduces its hardware circuit design and software programming part in detail according to the functional requirements of collected device. Practical use proves that the hardware and software of the system work reliably and are easy to oper

19、ate. The whole system has such consumptions as high accuracy, small size and low power. Its research and development have an important significance on improving the automation degree of Chinas coal mine roof pressure test and ensuring the high efficiency and safe production of Chinas coal industry.

20、Keywords: pressure test of rock, data collection, intelligent analysis, low-power, pressure sensor緒論課題研討背景和意義煤炭是我國最重要的一次性能源，煤炭工業(yè)是國民經(jīng)濟的主要根底產(chǎn)業(yè)，對國家經(jīng)濟開展起著重要作用。但是煤炭行業(yè)由于資源存在條件特殊、任務環(huán)境惡劣等要素。近年來，煤礦重特大事故時有發(fā)生，平安消費情勢非常嚴峻。所以高技術(shù)、智能化丈量監(jiān)控設備已成為煤礦開采不可或缺的輔助設備。早在年原煤炭工業(yè)部頒發(fā)的第條“礦山壓力丈量中規(guī)定:“各礦區(qū)對采煤任務面和井巷進展礦壓觀測，根據(jù)巖層性質(zhì)、頂板壓力、頂板

21、下沉量和下沉速度、放頂步距、周期來壓等數(shù)據(jù)，逐漸摸清本礦區(qū)的礦壓規(guī)律，制定本礦區(qū)的頂板分類規(guī)范。作為采區(qū)設計、巷道布置、設備選型、支護設計、頂板控制的根據(jù)。這充分的闡明了礦山壓力觀測的重要性及在煤礦消費中的位置。隨著科學技術(shù)的開展，液壓技術(shù)在煤炭采掘機械中得到了愈來愈廣泛的運用。目前，我國絕大多數(shù)煤礦回采任務面采用自移式液壓支架，它以高壓液體為動力，由金屬構(gòu)件和假設干液壓元件組成，使支架的支撐、切頂、移架和保送機推移等工序全部實現(xiàn)了機械化。液壓支架的運用大大地改善了回采任務面的任務條件、降低了人們的勞動強度，有效地添加了勞動平安性，使任務面的產(chǎn)量和效率得到了很大的提高，并為任務面的自動化發(fā)明了

22、條件。在液壓系統(tǒng)中，壓力是非常重要的參數(shù)，當壓力超越或低于限定值時系統(tǒng)就會發(fā)生缺點，從而對人身和財富平安構(gòu)成很大要挾。液壓檢測不僅可以為綜采支架支撐的任務阻力和頂板壓力情況提供可靠的數(shù)據(jù)，而且可以經(jīng)過分析該數(shù)據(jù)來預測頂板壓力，預防事故發(fā)生?？梢姡簤褐Ъ艿膲毫z測是非常重要的。這里提到的壓力，實踐上指的是壓強，即作用在單位面積上的壓力，國際單位為Pa。由于實踐任務中，壓力的任務介質(zhì)為氣體、油和水，而這些任務介質(zhì)可以傳送的只需壓強。壓力計量實指對壓強的計量。目前國內(nèi)大多數(shù)煤礦對支架壓力參數(shù)檢測均運用傳統(tǒng)的機械式液壓丈量儀表(通常稱為機械圓圖儀)。這類儀表對支架壓力參數(shù)的獲取是靠指針在記錄紙上挪動

23、來記錄數(shù)據(jù)，經(jīng)常由于記錄紙的伸縮性、曲線線條的寬度等因數(shù)，使得儀表的精度低、誤差大，讀數(shù)困難。還有一些煤礦上運用數(shù)字壓力計，將壓力采集后送數(shù)碼管顯示。以上方式都需求人工記錄，勞動量大其容易出錯。有一些較先進的礦用壓力監(jiān)測系統(tǒng)主要任務方式是將礦井下壓力、溫度等數(shù)據(jù)采集到后，經(jīng)過公用電纜或線等方式傳送到井上，然后再用計算機對這些數(shù)據(jù)進展分析處置、打印等。雖然這種系統(tǒng)可延續(xù)進展監(jiān)測，信息容量大，處置功能強，并能提早進展人工預告和聲光報警，可以大大提高監(jiān)測質(zhì)量，減少事故發(fā)生，但同時亦存在著價錢昂貴、系統(tǒng)配置復雜和布線、維護困難等缺陷。因此，為了提高煤礦中壓力觀測效率、保證煤礦平安消費，研制一種新型的丈

24、量精度高、待機時間長、通訊簡便、價錢適中、操作方便、任務性能優(yōu)良的便攜式煤礦壓力觀測設備勢在必行。煤礦壓力計的開展方向根據(jù)煤礦中壓力研討的報導，和電子檢測設備在工業(yè)化領域的開展，我國的礦用壓力觀測儀器開展方向應如下。.礦壓儀器研制應優(yōu)先開展電子化。采用傳感器和數(shù)據(jù)采集器直接相連的信號傳輸系 統(tǒng)，運用單片機技術(shù)進展數(shù)據(jù)采集和預處置，然后經(jīng)過接口將數(shù)據(jù)輸入微機進展進一步處置，并對采集現(xiàn)場頂板動態(tài)做出預測預告。.礦壓儀器應向智能化方向開展，并應滿足數(shù)顯直接讀的要求、自動量程控制機制和具有自動化報警安裝。.礦壓儀器應向低功耗方向開展，改動以前那種笨重的電源系統(tǒng)。由于礦下條件惡劣，丈量儀器普通都要進展密

25、封處置，這樣低功耗是必需的，要讓丈量設備裝入電池在礦下延續(xù)任務半年以上。.礦壓儀器應向小型化和便攜式且安裝維修方便的方向開展。這樣就可以在礦下運用而不影響液壓設備的任務。.思索到國情和經(jīng)濟才干，應優(yōu)先開展并采用適宜于普通情況下的井下數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集和地面中心計算機上處置系統(tǒng)的組合方式的頂板動態(tài)監(jiān)測智能系統(tǒng)。在中央計算機和采集器之間經(jīng)過接口通訊，傳輸數(shù)據(jù)信息，既可防止人工輸入數(shù)據(jù)的費事，又可防止設置井下分站和運用傳輸電纜經(jīng)濟性差的缺陷，同時還可以實現(xiàn)延續(xù)監(jiān)測，適時預告以及日常的頂板動態(tài)監(jiān)控和消費管理任務，在鞏固頂板礦區(qū)特別是具有沖擊地壓礦井，或者具有雄厚經(jīng)濟實力的大型礦井，條件答應時，應優(yōu)先思索運用

26、全套的頂板計算機檢測系統(tǒng)。論文的主要任務本文根據(jù)我國目前煤礦壓力檢測的實踐情況，設計了一種智能型數(shù)字壓力采集設備和智能分析系統(tǒng)。該采集器主要實現(xiàn)了定時采集和保管壓力數(shù)據(jù)、紅外發(fā)送和接納壓力數(shù)據(jù)和命令信息，分析系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)異步搜集分析壓力數(shù)據(jù)并進展圖表顯示。本文根據(jù)系統(tǒng)的設計要求，主要做了以下兩個方面的任務:.智能型煤礦壓力數(shù)據(jù)采集安裝的研制該安裝的主要功能:、定時采集由頂板壓力傳感器傳送過來壓力信號，對壓力數(shù)據(jù)進展初步的校驗，并和時間信息一同按規(guī)定格式存儲到鐵電EEPROM中。、三端紅外接納器收到采集指令后，將曾經(jīng)儲存的壓力數(shù)據(jù)和本身編號一同經(jīng)過紅外發(fā)送電路發(fā)送出去。 = * GB 、手電筒照

27、射觸發(fā)中斷，在中斷里面對當前的壓力進展采集并顯示到高亮度數(shù)碼管上。根據(jù)煤礦壓力數(shù)據(jù)采集安裝的功能要求，本文分別從硬件和軟件兩個方面入手進展設計。硬件設計內(nèi)容主要包括:紅外數(shù)據(jù)傳輸電路、頂板壓力數(shù)據(jù)存儲電路、傳感器信號采集電路、數(shù)據(jù)顯示電路、低功耗電源電路等。軟件設計時采用模塊化設計，將整個功能分成各個小功能模塊實現(xiàn)，這樣大大減小了開發(fā)難度。軟件設計內(nèi)容包括:系統(tǒng)初始化子程序、壓力數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)格式化存儲子程序、中斷子程序、紅外通訊子程序。.上位機智能分析軟件的設計該智能分析軟件采用Delphi圖形化界面，主要可以實現(xiàn)的功能有:、串口接納并存儲煤礦壓力數(shù)據(jù)采集安裝的壓力數(shù)據(jù);、對任務系統(tǒng)進展初始

28、化設置;、圖表顯示各個采集點壓力數(shù)據(jù):、分析各個采集點壓力數(shù)據(jù);、數(shù)據(jù)庫進展備份、恢復和刪除操作。總體設計方案.煤礦數(shù)字壓力計的主要功能該數(shù)字壓力計主要用于煤礦井下綜采支架任務阻力檢測記錄。系統(tǒng)主要功能可以總結(jié)為以下幾點：由電腦控制定時采集各點壓力傳感器的壓力信號，系統(tǒng)默許采集壓力數(shù)據(jù)的時間為分鐘， 且可以延續(xù)記錄天的數(shù)據(jù)收到白光照射時可以實時顯示當前支柱的壓力。采用紅外無線通訊將數(shù)據(jù)上傳到手持采集終端便于數(shù)據(jù)整理分析。壓力采集器在掉電時數(shù)據(jù)維護不喪失；電池供電，改換一次電池可延續(xù)任務個月。智能處置軟件至少可以運轉(zhuǎn)在Window /XP操作系統(tǒng)下；可以對指定的采集層面進展原始壓力數(shù)據(jù)查詢；經(jīng)過

29、對任務阻力的均方差、初撐力、末阻力曲線的對比分析對壓力數(shù)據(jù)進展圖表曲線顯示；可以對壓力數(shù)據(jù)庫進展智能化管理包括數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)恢復和數(shù)據(jù)刪除等根本操作。. 煤礦數(shù)字壓力計的技術(shù)目的量 程 Mpa精 度 級丈量點數(shù) 點引 壓 孔 mm(國標公制) 顯示方式 LED 數(shù)字顯示觸發(fā)方式 手電筒cc的光照防爆標志 ExibI電 源 DC V 四節(jié)一號電池通訊方式 紅外無線通訊. 煤礦數(shù)字壓力計的總體設計框圖智能型數(shù)字壓力計的實物如附件所示。根據(jù)煤礦壓力數(shù)據(jù)采集安裝要實現(xiàn)的功能，該安裝的硬件電路主要有以下幾個部分組成：電源監(jiān)控電路、主控芯片電路、壓力傳感器采集電路、壓力數(shù)據(jù)存儲電路、實時數(shù)據(jù)顯示電路、紅外

30、數(shù)據(jù)傳輸電路。該數(shù)字壓力計的任務原理如圖-所示。圖- ：數(shù)字壓力計的硬件框圖電源監(jiān)控電路：采用業(yè)內(nèi)功耗最低的PIC單片機作為系統(tǒng)監(jiān)控中心，采用.k的低頻率晶振，一是為了降低功耗、二是為了產(chǎn)生比較準確的時鐘信號。該模塊每隔分鐘給系統(tǒng)供電一次，讓主控芯片進展一次壓力采集并存儲。同時該模塊遭到觸發(fā)時也會給系統(tǒng)供電進展采樣同時把采樣的值實時顯示在數(shù)碼管上。信號放大采樣電路：采用低噪聲、低漂流、高共模抑制比的小信號放大芯片電路，信號放大后經(jīng)過TLC采樣。TLC為bit的A/D采樣芯片，其采樣分辨率為128.大約為.，加上電阻轉(zhuǎn)換大約為.的誤差，所以整個采集安裝的精度(-.%)*(-.%).,大約.的精度

31、，滿足技術(shù)目的的精度要求。存儲、顯示電路：將采集的壓力同時間格式化保管到鐵電存儲芯片中，系統(tǒng)選用鐵電存儲芯片的容量為k，每天存儲的數(shù)據(jù)量大約為k，所以系統(tǒng)可以滿足要求。紅外傳輸電路：該部分分為兩部分，一是紅外接納主要擔任采集觸發(fā)指令，二是紅外發(fā)送主要擔任將數(shù)據(jù)經(jīng)過k載波調(diào)制發(fā)送到采集設備便于數(shù)據(jù)整理分析。智能型數(shù)字壓力計模塊設計. 硬件電路概述煤礦壓力數(shù)據(jù)采集安裝的硬件功能框圖如圖-所示。該安裝的主要功能是壓力數(shù)據(jù)采集、存儲和紅外傳輸。因此，煤礦壓力數(shù)據(jù)采集安裝的硬件電路應該有以下幾個部分組成:電源監(jiān)控電路、壓力傳感器信號變換電路、紅外數(shù)據(jù)傳輸電路、壓力數(shù)據(jù)存儲電路和壓力數(shù)據(jù)實時顯示電路。煤礦

32、壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件原理圖見附錄 圖- 煤礦數(shù)字壓力計的硬件框圖. 微控芯片的簡介該系統(tǒng)的微控芯片主要有兩個，一是電源監(jiān)控芯片PICF，一是主采樣芯片ATS。ATS是系列里面一款性價比最高的單片機，該單片機擁有個定時器，K的程序存儲空間，豐富的片上資源。PICF是微芯公司的低功耗單片機，具有優(yōu)越的穩(wěn)定性和低廉的價錢，其主要特性如下:任務速度：DC MHz時鐘輸入，DC ns 指令周期中斷才干多達個內(nèi)部/ 外部中斷源層深硬件堆棧直接、間接和相對尋址方式上電復位Power-on Reset， POR上電延時定時器Power-up Timer， PWRT和振蕩器起振定時器Oscillator St

33、art-up Timer，OST看門狗定時器Watchdog Timer， WDT，帶片上RC 振蕩器，確保可靠任務雙閾值欠壓復位電路. VBOR 典型值. VBOR 典型值可編程代碼維護節(jié)能休眠方式可供選擇的振蕩器選項在線串行編程In-Circuit Serial Programming，ICSP寬任務電壓范圍：工業(yè)級：.V 至.V擴展級：.V 至.V高灌/ 拉電流：/mA寬溫度范圍：工業(yè)級：-C 至C擴展級：-C 至C待機電流：.V時典型值為nA任務電流：kHz、.V 時典型值為AMHz、.V 時典型值為A看門狗定時器電流：.V時典型值為ATimer振蕩器電流：kHz、.V 時典型值為.A

34、Timer：帶有位預分頻器的 位定時器/ 計數(shù)器Timer：帶有預分頻器的 位定時器/ 計數(shù)器，在休眠形狀下可運用外部晶振/時鐘信號繼續(xù)任務Timer：帶有 位周期存放器、預分頻器和后分頻器的 位定時器/計數(shù)器加強型捕捉/ 比較/PWM 模塊：捕捉為 位，最大分辨率為. ns比較為 位，最大分辨率為 nsPWM最大分辨率為 位加強型PWM：單輸出、半橋和全橋方式數(shù)字可編程死區(qū)延時自動封鎖/ 重啟位多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器個可單獨進展方向控制的I/O 引腳PORTB上的可編程弱上拉. 壓力變送模塊的設計. 壓阻式壓力傳感器的丈量原理固體受力后電阻率發(fā)生變化的景象稱為壓阻效應。壓阻式壓力傳感器是基于半導體

35、資料(單晶硅)的壓阻效應原理制成的傳感器，就是利用集成電路工藝直接在硅平膜片上按一定晶向制成分散壓敏電阻，當硅膜片受壓時，膜片的變形將使分散電阻的阻值發(fā)生變化。硅平膜片上的分散電阻通常構(gòu)成橋式丈量電路，相對的橋臂電阻是對稱布置的，電阻變化時，電橋輸出電壓與膜片所受壓力成對應關(guān)系。CYG壓阻式壓力傳感器的內(nèi)部電路構(gòu)造如圖-所示：圖- 壓阻式壓力傳感器內(nèi)部構(gòu)造電路由圖-可以看出，其內(nèi)部為電阻電橋式構(gòu)造，壓敏電阻為其一橋臂。其中R、R、R均為精細電阻，且R=R=R。壓力作用于壓敏電阻RP，隨著壓力的添加RP阻值增大。精細電流源Is流入該電橋，其輸出電壓與RP的關(guān)系如下： UR21-RpR21+Rp+

36、2R*R*I .由式.可以看出，當R=RP時，即壓力輸入為大氣壓時，UmV。建議的輸入電流為I.mA，經(jīng)過對R、R、R的適中選配，實現(xiàn)滿壓力輸入時電壓輸出的歸一化，即當壓力輸入為滿量程時，輸出電壓均為UF.SmV。由于壓力傳感器中壓敏電阻的不同，每一只壓力傳感器丈量的壓力范圍是不同的。. 小信號采集變換模塊由于壓力傳感器輸出的電壓范圍為-mv之間，這么小的電壓無法進展采樣。本設計中采用了低噪聲、低漂流。高共模抑制比的OP作為主運放芯片，由于該芯片是雙電源供電，所以要產(chǎn)生-v的電壓。其設計原理圖如-所示：圖- 小信號放大電路圖中Vin為小信號輸入，Vout為信號放大整形后輸出到下一級，VEE為正

37、電源，VSS為負電源，R和RW構(gòu)成負反響電路，R和C構(gòu)成輸出阻抗匹配電路。該放大器的放大倍數(shù)為R1RW1，調(diào)理RW使得輸出在-.v之內(nèi)。其中產(chǎn)生負電源的部分如圖-所示:圖- 負電源產(chǎn)生電路負電源產(chǎn)生電路主要用了電壓反轉(zhuǎn)芯片LMSDCDC變換器，該芯片加上兩個電容就可以產(chǎn)生負電源。值得留意的是輸出電容的極性銜接，地接電容的正極性。. A/D采樣模塊由于主采樣芯片沒有AD采集功能，本設計中采用外接AD模塊TLC的bit采樣芯片。該芯片是串行采樣芯片，用到的IO資源比較少，其輸入阻抗為k上一節(jié)小信號放大電路已加。德州儀器公司TI推出的TLC是廣泛運用的CMOS 位A/D轉(zhuǎn)換器。該芯片有一個模擬輸入端

38、口，態(tài)的數(shù)據(jù)串行輸出接口可以方便的和微處置器或外圍設備銜接。TLC僅僅運用輸入輸出時鐘I/O CLOCK和芯片選擇CS信號控制數(shù)據(jù)。最大的輸入輸出時鐘I/O CLOCK為.MHz。其產(chǎn)品特性如下：差分基準電壓輸入轉(zhuǎn)換時間：最大us每秒訪問和轉(zhuǎn)換次數(shù)：到達片上軟件控制采樣和堅持功能全部非校準誤差：.LSB低功耗：最大mW任務溫度范圍：TLC; -TLCI該AD轉(zhuǎn)換芯片的功能框圖如圖-所示：圖- TLC功能框圖由于A/D采樣需求基準源，本設計中.v的基準源由三端穩(wěn)壓集成片TL產(chǎn)生。模擬信號進入采樣堅持電路，在邏輯控制造用下實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間普通為us左右，在等待一段時間后將數(shù)據(jù)實現(xiàn)并串變換讀入

39、到主控芯片。其AD采樣電路如圖-所示：圖- A/D采樣模塊電路Vin為上一節(jié)小信號放大后的輸出。軟件設計中涉及到片選CS、數(shù)據(jù)DATA、時鐘CLK，其單片機編程如下所示：Unsigned char TLC_RD()Unsigned char i, temp; /定義部分變量For(i=;i;i+) /循環(huán)讀取串行數(shù)據(jù)TLC_CLK=;Delay_us();TLC_CLK=;Delay_us(); /以上為產(chǎn)生一個時鐘temp=temp|TLC_DATA;temp=; /讀取采集數(shù)據(jù)TLC_CLK=;Delay_us();TLC_CLK=;Delay_us(); /根據(jù)要求采樣終了后產(chǎn)生最后一個

40、時鐘并釋放Return temp; /前往采樣值. 紅外采集模塊的設計. 紅外發(fā)送模塊的設計當接納到用戶采集指令后，采集終端要將數(shù)據(jù)經(jīng)過紅外的方式傳輸?shù)讲杉魃媳阌诮y(tǒng)計分析。其紅外發(fā)射電路如圖-所示：圖- 紅外發(fā)射電路模塊的硬件設計FRM為砷化鎵紅外發(fā)射二極管，NPN三極管和R組成紅外發(fā)射管驅(qū)動電路，或非門和R組成開關(guān)調(diào)制電路，Data為二進制數(shù)據(jù)流，k為載波信號。為了便于通訊和應對干擾，采用自定義的紅外通訊協(xié)議，該協(xié)議幀格式如表.所示： 表. 紅外通訊數(shù)據(jù)幀構(gòu)造前導碼用戶識別碼用戶識別反碼數(shù)據(jù)信息為了節(jié)約硬件本錢，設計中k的載波經(jīng)過主控單片機產(chǎn)生，ATS的定時器可以設計為捕捉方式、自動重載方

41、式、波特率發(fā)生器、可編程時鐘輸出等多種任務方式，這里設計定時器為可編程時鐘輸出，其內(nèi)部任務原理如圖-所示：圖- 定時器任務在可編程時鐘方式下的內(nèi)部原理圖由圖-所示，可以經(jīng)過編程在P. 引腳輸出一個占空比為%的時鐘信號。這個引腳除了常規(guī)的I/O 角外，還有兩種可選擇功能。它可以經(jīng)過編程作為定時器/計數(shù)器 的外部時鐘輸入或占空比為%的時鐘輸出。當任務頻率為MHZ時，時鐘輸出頻率范圍為HZ到HZ。為了把定時器配置成時鐘發(fā)生器，位C/TTCON.必需清，位TOETMOD.必需置。位TRTCON.啟動、停頓定時器。時鐘輸出頻率取決于晶振頻率和定時器捕捉存放器RCAPH，RCAPL的重載值，如公式所示：時

42、鐘輸出頻率晶振頻率465536-RCAP2H，RCAP2L在時鐘輸出方式下，定時器不會產(chǎn)生中斷，這和定時器用作波特率發(fā)生器一樣。系統(tǒng)晶振為M，為了獲得k的載波信號，設置RCAPH，RCAPL為FF,D，這樣最終獲得大約.KHz的載波信號在允許的范圍內(nèi)。經(jīng)過單片機串口以波特率為的速率依次發(fā)送前導碼、用戶碼、用戶反碼、壓力數(shù)據(jù)信息，串口發(fā)出的數(shù)據(jù)經(jīng)過載波調(diào)制驅(qū)動紅外發(fā)射管，將壓力數(shù)據(jù)經(jīng)過紅外的方式傳輸出去由接納器接納并上傳處置。. 紅外接納模塊的設計紅外接納模塊分為兩個部分：一是采集器上面的紅外數(shù)據(jù)接納，一是壓力采集終端上面的接納懇求，圖-為采集器上面的紅外數(shù)據(jù)接納部分：圖- 采集器上紅外采集部分

43、數(shù)據(jù)采集部分采用日本索尼公司的低噪聲、高穩(wěn)定性的紅外接搜集成芯片CXA，該芯片是紅外遙控接納前置放大雙極性集成電路，內(nèi)部電路有前置放大器、自動偏置電平控制電路ABLC、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器和波形整形電路等組成。CXA的技術(shù)特點主要有以下幾點：低電壓供電，其典型值為V；功耗低。VccV時，其典型功耗為mW；帶通濾波器的中心頻率可經(jīng)過改動腳和電源之間的電阻進展調(diào)理，其調(diào)理的范圍為-kHz。由于未運用電感，可不受磁場的干擾，因此抗干擾才干強；能與PIN光電二極管直接銜接；集電極開路輸出，能直接驅(qū)動TTL或CMOS電路；腳單列只插式塑料封裝。CXA的以上技術(shù)特點使得可以在系統(tǒng)中運用，作為

44、采集器的紅外數(shù)據(jù)接納模塊可以簡化硬件設計，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性，其內(nèi)部邏輯構(gòu)造圖如圖-所示：圖- CXA內(nèi)部邏輯構(gòu)造圖PH能將接遭到的發(fā)射電路所發(fā)射的紅外光信號轉(zhuǎn)換成數(shù)十毫伏至數(shù)百毫伏的電信號，送到CXA的腳，CXA的總放大增益約為dB，以確保其腳輸出的控制脈沖序列信號幅度在.V 范圍內(nèi)?？傇鲆娲笮∮赡_外接的R、C決議，R越小或C越大，增益越高。C取值過大時將呵斥頻率呼應變差，通常取為uF。C為檢波電容，普通取.uF。CXA 采用峰值檢波方式，當C容量較大時將變成平均值檢波，瞬態(tài)呼應靈敏度會變低，C較小時雖然仍為峰值檢波，且瞬態(tài)呼應靈敏度很高，但檢波輸出脈沖寬度會發(fā)生較大變動，容易呵斥解調(diào)出錯而產(chǎn)

45、生誤操作。R為帶通濾波器中心頻率f的外部電阻，改動R阻值，可改動載波信號的接受頻率，當f偏離載波頻率時，放大增益會顯著下降，C為積分電容，普通取pF，取值過大，雖然可使抗干擾才干加強，但也會使輸出編碼脈沖的低電平繼續(xù)時間增長，呵斥遙控間隔 變短。腳為輸出端，CXA 處置后的脈沖信號由腳輸出給后續(xù)電路以便處置。其引腳符號、功能如表.所示：表. CXA引腳符號及功能闡明引腳號符號功能IN遙控數(shù)據(jù)信號進入端此腳與地之間接紅外接納二極管C前置放大器頻率特性和增益設定此腳與地之間接RC串聯(lián)電路C接檢波電容GND接地F設定帶通濾波器的中心頻率此腳與電源間接電阻C外接積分電容OUT遙控數(shù)據(jù)指令輸出端Vcc外

46、接電源壓力采集終端上面的紅外接納懇求比較簡單，運用紅外集成接納頭PB，該接納頭一旦檢測到已調(diào)制的紅外信號就給出低電平，產(chǎn)生中斷。整個紅外模塊的軟件流程圖如圖-所示：圖- 紅外數(shù)據(jù)發(fā)射模塊軟件流程圖首先對串口的波特率、傳送方式、校驗位和中斷方式等信息進展設置，然后等待紅外懇求信息的來到，一旦有紅外數(shù)據(jù)懇求就設置定時器，使得定時器任務在產(chǎn)生k方波的方式下來產(chǎn)生所要的紅外載波信號，然后讀取鐵電里面的壓力數(shù)據(jù)并加上紅外數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議所定義的信息將壓力數(shù)據(jù)經(jīng)過串口發(fā)出去，直到發(fā)送終了前往。. 其他相關(guān)電路的設計. 低功耗電源電路設計由于該壓力采集器在礦下運用，為了應對礦下惡劣的環(huán)境要進展密封處置，這樣改換

47、電池相當費事，根本上都是一次性長時間任務，因此功耗就比較重要。低功耗是這款產(chǎn)品得以運用的最根本條件，本系統(tǒng)中監(jiān)控芯片采用業(yè)內(nèi)最低功耗的PIC單片機，系統(tǒng)采用多級供電方式，節(jié)約不用要的浪費，其電路如圖-所示：圖- 系統(tǒng)電源控制部分電路首先系統(tǒng)采用節(jié)號電池供電，產(chǎn)生大約.v的一級電源VDD，該VDD主要是供應主控單片機進展實時監(jiān)控；主控芯片根據(jù)時間節(jié)拍每隔非常鐘或者紅外讀數(shù)懇求翻開一次Q經(jīng)過TPS電源模塊產(chǎn)生大約VmA的二級電源VCC，該VCC主要供應采樣單片機ATS和紅外發(fā)射顯示模塊，假設是紅外讀數(shù)懇求那么進展相應的數(shù)據(jù)傳輸任務，假設是分鐘時間到那么翻開Q產(chǎn)生大約V的三級電源VEE，該VEE主要

48、供應壓力傳感器模塊、小信號放大模塊和壓力數(shù)據(jù)采集模塊。其他的時間系統(tǒng)進入睡眠方式來進一步降低功耗，經(jīng)過以上手段來加長產(chǎn)品的運用壽命效果比較理想。. 壓力顯示模塊設計壓力數(shù)據(jù)的直觀顯示是該采集器的一個比較重要的功能，為了節(jié)約端口和功耗，采用低功耗的LS移位存放器對數(shù)據(jù)進展靜態(tài)顯示，顯示時間為一路秒鐘。其硬件設計電路圖如圖-所示：圖- 壓力數(shù)據(jù)顯示模塊LS是位移位存放器，當去除端CLEAR為低電平常，輸出端QAQH均為低電平。 串行數(shù)據(jù)輸入端A，B可控制數(shù)據(jù)。當 A、B 恣意一個為低電平，那么制止新數(shù)據(jù)輸入，在時鐘端CLOCK脈沖上升沿作用下 Q 為低電平。當 A、B有一個為高電平，那么另一個就允

49、許輸入數(shù)據(jù)，并在 CLOCK 上升沿作用下決議 Q 的形狀。其邏輯真值表如表.所示： 表. LS邏輯真值表 Inputs OutputsClearClockA BQ Q Q Q Q Q Q QL L L L L L L L LHL Q Q Q Q Q Q Q QHH HH Q Q Q Q Q Q QHL L Q Q Q Q Q Q QH LL Q Q Q Q Q Q Q要進展數(shù)據(jù)正確顯示必需了解其時序圖，然后按照時序依次送數(shù)據(jù)顯示，LS的時序圖如-所示： 圖- LS的運轉(zhuǎn)時序圖由于LS的輸出高電平可以直接LED發(fā)光，本系統(tǒng)選用共陰數(shù)碼管，移位存放器的最高位作為第一路、第二路標識，根據(jù)真值表和時

50、序圖對其進展編程，其單片機程序如下：led=xF,x,xD,x,x,x,xE,x,xF,x;/編碼表void display_led(unsigned char data) /data：要顯示的碼段數(shù)據(jù) unsigned char temp; PORT_clk=; /給LS的時鐘 for(temp=;temp;temp+)/循環(huán)移位次，依次將數(shù)據(jù)送數(shù)碼管顯示 if( (data&X)=x ) PORT_data=; else PORT_data=; PORT_clk=; delay(); PORT_clk=; data=data; /碼段數(shù)據(jù)向右移位 . 數(shù)據(jù)存儲模塊設計由于系統(tǒng)要對采集的數(shù)據(jù)

51、進展實時存儲，為了保證調(diào)電后數(shù)據(jù)不喪失，本系統(tǒng)采用了鐵電存儲芯片F(xiàn)MCL數(shù)據(jù)存儲芯片。FMCL是一款Kb的非易失性存儲器，它采用先進的鐵電處置技術(shù)。鐵電隨機存取存儲器，又名FRAM，是非易失的，但該器件執(zhí)行讀和寫操作與RAM 類似。它提供年的數(shù)據(jù)保管時間，同時消除了由EEPROM 和其他非易失性存儲器導致的復雜性，開銷和系統(tǒng)級別可靠性問題。與串行EEPROM不同，F(xiàn)MCL以總線速度進展寫操作，無須延時。下一個總線周期可以立刻開場，無需進展數(shù)據(jù)輪詢。另外，器件真正提供了無限次的寫入次數(shù)，其耐用性比EEPROM 高出的程度用數(shù)量級來計量。而且，由于寫操作不需求在內(nèi)部提升寫電路的電源供電電壓。所以，

52、在寫操作過程中，F(xiàn)RAM比EEPROM 耗費的功率要低得多。FMCL的這些功能使得它非常適宜用在需求頻繁或快速寫操作的非易失性存儲器運用中。舉例闡明，它可用在從數(shù)據(jù)采集到需求工業(yè)控制的各種運用中，在數(shù)據(jù)采集運用中，對寫入數(shù)據(jù)的頻率要求很高；在需求工業(yè)控制的運用中，太長時間的EEPROM寫會導致數(shù)據(jù)喪失。FMCL為串行EEPROM的用戶提供了適用的益處，在硬件上可以完全交換EEPROM。FMCL運用高速SPI 總線，這加強了FRAM技術(shù)的高速寫性能。器件確保任務在到的工業(yè)溫度范圍內(nèi)。圖-為FMCL的內(nèi)部邏輯框圖：圖- FMCL的內(nèi)部邏輯框圖FMCL是一款串行FRAM存儲器。存儲陣列的組織構(gòu)造在邏

53、輯上劃分為，它可以經(jīng)過工業(yè)規(guī)范的串行外圍接口或者SPI接口來訪問。FRAM的功能操作與串行EEPROM很類似。FMCL與串行EEPROM的主要差別是它具有更優(yōu)越的寫性能，雖然它們的管腳配置一樣。表.為鐵電存儲芯片F(xiàn)MCL的引腳特性描畫： 表. FMCL的引腳特性描畫引腳名I/O描畫/CS輸入片選：該管腳為低電平常使能器件。當該管腳為高電平常，器件進入低功耗的待機方式，忽略其它輸入的形狀，而且，一切的輸出處于三態(tài)。當該管腳為低電平常，器件內(nèi)部激活SCK信號。/CS的下降沿必需在每個操作碼之前出現(xiàn)。SCK輸入串行時鐘：一切的I/O 活動都是與串行時鐘同步的。輸入在時鐘的上升沿時被鎖存，輸出在下降沿

54、時輸出。由于器件是靜態(tài)的，時鐘頻率可以是MHz之間的恣意值且隨時都可以被中斷。/HOLD輸入堅持：當主CPU 必需中斷存儲器當前的操作而執(zhí)行另一個義務時，/HOLD管腳被運用。當/HOLD管腳為低電平常，當前操作被掛起。器件忽略SCK或者/CS上的任何跳變。/HOLD管腳的一切跳變必需發(fā)生在SCK 為低電平的時間內(nèi)。/WP輸入寫維護：該管腳為低電平常對形狀存放器進展寫維護。由于其它的寫維護特征由形狀存放器控制，這個管腳的作用很重要。寫維護的完好解釋見下述章節(jié)。請留意，F(xiàn)MCL的/WP管腳功能與FM 的是不同的，F(xiàn)M的/WP 制止器件的一切寫操作。SI輸入串行輸入：一切數(shù)據(jù)都是從該管腳輸入到器件

55、的。該管腳在SCK的上升沿時被采樣，而在其它的時間被忽略。該管腳應被驅(qū)動為一個有效的邏輯電平以滿足IDD的規(guī)范。*SI可銜接到SO，用作一個單管腳的數(shù)據(jù)接口。SO輸出串行輸出：這是數(shù)據(jù)輸出管腳。該管腳在讀操作過程中被運用，在包括/HOLD為低電平的其它一切時間內(nèi)都堅持為三態(tài)。數(shù)據(jù)在串行時鐘的下降沿跳變。*SO可銜接到SI，用作一個單管腳的數(shù)據(jù)接口。VDD供電電源電壓.V.VVSS供電地SPI接口是一個同步串行接口，它運用時鐘和數(shù)據(jù)管腳。它用于支持掛在總線上的多個器件。每個器件都可以由片選激活。一旦總線主控器激活了片選，F(xiàn)MCL將開場監(jiān)控時鐘和數(shù)據(jù)線。/CS下降沿、時鐘和數(shù)據(jù)之間的關(guān)系由SPI方

56、式控制。器件在每個片選的下降沿確定SPI方式。一共有四種方式，但FMCL只支持方式和。對于這兩種方式，數(shù)據(jù)在SCK的上升沿時移入到FMCL，并且器件會在/CS生效之后的第一個上升沿時等待數(shù)據(jù)。假設時鐘的起始形狀是高電平，它在開場傳輸數(shù)據(jù)之前將下降以產(chǎn)生第一個上升沿。SPI協(xié)議由操作碼控制。這些操作碼指定了器件的命令。/CS生效之后，總線主控器傳輸?shù)牡谝粋€字節(jié)是操作碼。傳輸操作碼之后，可以傳輸任何地址和數(shù)據(jù)。表.列出了這幾種指令。這些操作碼控制了存儲器執(zhí)行的功能。它們可以分為三類。第一類是無并發(fā)操作的指令。它們執(zhí)行單一的功能，例如使能寫操作。第二類是帶一個字節(jié)的指令，寫入或者讀出。它們對形狀存放

57、器進展操作。第三類包括了執(zhí)行存儲器操作的命令，這些命令后面跟隨有地址和一個或更多數(shù)據(jù)字節(jié)。表. FMCL的操作碼指令表稱號描畫操作碼WREN設置寫使能鎖存器 bWRDI寫制止 bRDSR讀形狀存放器 bWRSR寫形狀存放器 bREAD讀存儲器數(shù)據(jù) bWRITE寫存儲器數(shù)據(jù) b由于數(shù)據(jù)存儲和讀取是該系統(tǒng)中比較頻繁又重要的操作，下面就鐵電FMCL的存儲器讀寫進展時序分析并用單片機言語實現(xiàn)。其中圖-為存儲器的寫操作時序圖，圖-為存儲器的讀操作時序圖：圖- 存儲器的寫時序圖存儲器進展的一切的寫操作都是從WREN操作碼開場的。下一個操作碼是WRITE。WRITE操作碼之后是兩個字節(jié)地址值。這是寫操作的第

58、一個數(shù)據(jù)字節(jié)的開場地址。隨后的字節(jié)都是數(shù)據(jù)字節(jié)，它們是延續(xù)寫入的。只需總線主控器繼續(xù)發(fā)布時鐘信號并且堅持/CS為低電平，地址就會內(nèi)部遞增。假設到達最后地址FFFh，地址計數(shù)器將跳轉(zhuǎn)至h。數(shù)據(jù)以MSB在前的方式寫入。/CS的上升沿中止一個WRITE操作。EEPROM運用頁緩沖來添加它們的寫吞吐量。這使得該技術(shù)固有的緩慢的寫操作得到了改善。在時鐘的驅(qū)動作用下第個時鐘之后，每個字節(jié)立刻寫入到FRAM 陣列，所以FRAM 存儲器不需求頁緩沖。這允許寫入任何數(shù)量的字節(jié)而無需頁緩沖延遲。其單片機程序如下：#define CS x /CSP.#define SO x /SOP.#define SI x /S

59、IP.#define SCK x /SCKP.void FRAM_SPI_txByte(unsigned char data) /寫數(shù)據(jù)到存儲器unsigned char bits,temp;P&=CS; /片選有效temp=data;bits=x;while(bits!=x)if(temp&x) P|=SI; /數(shù)據(jù)的最高位為 else P&=SI; P|=SCK; temp=(temp)P|=SCK; temp=(tempx);/地址高八位FRAM_SPI_txByte(Address); /地址低八位for(unsigned int i=;ix);FRAM_SPI_txByte(Addr

60、ess);for(unsigned int i=;i strtoint(form.edit.text) then listbox.Items.Clear;end;數(shù)據(jù)通訊模塊的編程運轉(zhuǎn)界面如圖-、-、-所示：首先設計一個用戶選擇界面，讓數(shù)據(jù)可以保管到對應的數(shù)據(jù)表中，其中任務面的選擇界面如圖-所示：圖- 任務面的選擇到客戶現(xiàn)場了解，普通礦井下有三到四個任務面，每一個任務面內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)合思索有一定的價值。因此本系統(tǒng)設計了如上所示的選擇界面，用戶選擇不同任務面時，就把該層面一切壓力數(shù)據(jù)全部搜集，便于后期處置。假設串口正常翻開那么進入如圖-所示的接納數(shù)據(jù)界面：圖- 支架壓力數(shù)據(jù)接納界面確認已將紅外適配器