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�，F(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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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>
考慮到煤礦井下，一般并不需要時時刻刻采集壓力數(shù)據(jù)，液壓支架一般支護時間比較長，所以采用間歇式方式進行數(shù)據(jù)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入低功耗模塊，當要進行數(shù)據(jù)采集時，中斷程序便將單片喚醒，執(zhí)行 LCD 屏顯示程序、壓力值 A/D轉換程序、無線通信程序，而數(shù)據(jù)采集的間歇時間需要根據(jù)煤礦現(xiàn)場的工作進度具體設定。圖 5 為設計的數(shù)據(jù)傳輸時的軟件流程框圖。
5 檢測系統(tǒng)應用效果
為驗證設計的壓力變送器檢測系統(tǒng)的可行性，進行了對比試驗。將通過此系統(tǒng)檢測的支架壓力值與采用標準液壓壓力計測得的結果進行比較，實驗過程中，選用 1 個采礦點作為分站，此系統(tǒng)將檢測到的壓力數(shù)據(jù)傳送給礦井上的通信主站，并顯示在上位機監(jiān)控軟件界面。實驗測試結果如表 1 所示。標準液壓壓力計型號為 YH－45。
通過實驗測試數(shù)據(jù)可以看出，該設計系統(tǒng)與標準液壓壓力機測試數(shù)據(jù)的誤差很小，誤差率在 2%以內，可滿足實際工程的需求。同時測試數(shù)據(jù)在無線通信過程中傳輸穩(wěn)定，速度快，適用于井下環(huán)境。
6 結 語
在分析傳統(tǒng)壓力變送器及其檢測系統(tǒng)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(tǒng)。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行壓力數(shù)據(jù)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(tǒng)實現(xiàn)了預期要求，運行狀況良好，滿足了礦井下工作的需求。
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