時(shí)國平 王 偉 李開倫 陳傳新

（池州學(xué)院機(jī)械與電子工程系，安徽 池州247000）

0 引言

近年來，煤礦事故引起的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失屢屢發(fā)生，我國煤炭行業(yè)每年的直接經(jīng)濟(jì)損失就超過了40億元，傷亡人數(shù)近萬人，是全世界其他所有產(chǎn)煤國的10倍還多。在所有煤礦事故中，頂板事故的發(fā)生頻率最高。所以，我們研究了這樣的系統(tǒng)，能對(duì)煤礦壓力進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測、記錄和分析，同時(shí)還能對(duì)其進(jìn)行預(yù)測，保障了煤礦的安全生產(chǎn)，減小了此類事故對(duì)煤礦工人人身安全和國民經(jīng)濟(jì)的影響。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

本設(shè)計(jì)是以單片機(jī)控制為核心，通過壓力傳感器采集到壓力值之后，將信息傳給采樣板，采樣板將信息進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理后再傳送到控制端，這時(shí)控制端將信息進(jìn)行整合、分析和處理，一方面體現(xiàn)在數(shù)碼管上，另一方面體現(xiàn)在警鈴上。超過額定值，警報(bào)器會(huì)發(fā)出聲響，通知工作人員快速撤離。報(bào)警處理后，控制端將信息反饋到壓力傳感器上，使其復(fù)位。通過這一過程可以確保人員的人身安全以及生產(chǎn)安全。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)各個(gè)模塊的組成及其原理

2.1 壓力傳感器

壓力傳感器是指能感受壓力并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。其是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)。

壓力傳感器位于井下，負(fù)責(zé)采集壓力，將阻抗的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳給下一個(gè)設(shè)備采樣板。

2.2 系統(tǒng)采集端

系統(tǒng)采集端主要由單片機(jī)STC89C52、MAX485、MAX232、晶振電路、復(fù)位電路、排阻、排針等組成，位于井下。

本系統(tǒng)采用的壓力傳感器是半導(dǎo)體壓電阻抗擴(kuò)散壓力傳感器，它是在薄片表面形成半導(dǎo)體變形壓力，通過外力（壓力）使薄片變形而產(chǎn)生壓電阻抗效果，從而使阻抗的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。壓力傳感器采集到的壓力值通過HX711芯片處理后經(jīng)MAX485通信傳送給井上控制端。HX711是一款24位A／D轉(zhuǎn)換器芯片，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。MAX485采用單一電源＋5V工作，半雙工通訊，它具備將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS485電平的功能。井上控制端接收到信號(hào)，單片機(jī)傳送給外部設(shè)備，數(shù)碼管顯示壓力值，單片機(jī)先判斷壓力值是否達(dá)到了預(yù)警值，然后再控制是否驅(qū)動(dòng)警報(bào)器。MAX232的作用是實(shí)現(xiàn)電平之間的轉(zhuǎn)換，將RS232電平轉(zhuǎn)換為TTL電平，保證單片機(jī)的正常通信。首先，MAX232將電平轉(zhuǎn)換（TTL電平和RS232的轉(zhuǎn)換）后通過串行輸入（RXD）和串行輸出（TXD）連接單片機(jī)STC89C52和計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)寫入程序，然后單片機(jī)的串行模塊把數(shù)據(jù)送到程序區(qū)。這時(shí)已啟用P3口的第二功能，可以用于串行輸出。

2.3 系統(tǒng)控制端

系統(tǒng)控制端主要由單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路、通信模塊、報(bào)警電路、電源模塊和數(shù)碼顯示模塊組成。

作為控制器的核心模塊，CPU采用高可靠性、超低價(jià)、低功耗的STC89C52RC單片機(jī)，它有32個(gè)I／O口、4個(gè)8位并行I／O口、P0口（P0口是一組8位漏極開路型雙向I／O口，可作為地址／數(shù) 據(jù) 復(fù) 用 接 口，也 可 作 為 一 般 的I／O 接 口）。STC89C52RC單片機(jī)外接12MHz的時(shí)鐘晶振，采用上電復(fù)位方式，單片機(jī)的P1.0、P1.1引腳用來指示系統(tǒng)是否工作和所處的工作狀態(tài)，MAX1232為看門狗控制器，連接單片機(jī)的RST引腳，使系統(tǒng)在死機(jī)和程序跑飛等情況下能自動(dòng)復(fù)位，P0.0～P0.5口外接上拉電阻并連接撥碼開關(guān)的6個(gè)端口。

2.4 系統(tǒng)的報(bào)警

報(bào)警電路主要由繼電器和三極管組成，其主要作用就是警示，有單頻音和音樂報(bào)警兩種報(bào)警方式，它們各有特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)的這一模塊采用的是單頻音報(bào)警。因?yàn)閳?bào)警接口比較簡單，采用的是電鈴和壓電蜂鳴器方式發(fā)音的發(fā)音器件。本設(shè)計(jì)的這一電路還有復(fù)位功能。

2.5 通信模塊

通信模塊主要包括兩個(gè)芯片：MAX232、MAX485。

MAX232芯片是專為RS232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用＋5V單電源供電。計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間的通信就是通過MAX232的串行接口與RS232進(jìn)行連接的。RS485用于多點(diǎn)互聯(lián)時(shí)非常方便，可以省掉很多信號(hào)線。應(yīng)用RS485可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和32臺(tái)接收器。單片機(jī)使用的是TTL電平（0～5V），因此需要用到 MAX232將RS232電平轉(zhuǎn)換為TTL電平。MAX232的151IN、151OUT的引腳分別接單片機(jī)的TXD和RXD引腳。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

首先壓力傳感器采集到壓力值，此時(shí)是模擬信號(hào)，然后通過芯片HX711的模擬輸入和輸出端將信號(hào)傳到采樣板，采樣板上的芯片HX711將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后通過單片機(jī)的P2口將信號(hào)傳送到采集端的單片機(jī)，單片機(jī)通過MAX232讀入程序，這時(shí)采集端的單片機(jī)開始執(zhí)行程序，對(duì)程序進(jìn)行分析和處理，通過串行輸入和輸出口連接MAX485（無線傳輸用到定向天線）將數(shù)字信號(hào)傳送到控制端，這時(shí)控制端也是先通過MAX232讀入程序，控制端的單片機(jī)開始執(zhí)行程序，進(jìn)行分析和處理，一方面通過單片機(jī)P0口將信號(hào)傳送到報(bào)警器，另一方面通過單片機(jī)P2口將信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)碼顯示器，如果大于額定值系統(tǒng)的報(bào)警器就會(huì)報(bào)警。

4 結(jié)語

本文提出一種基于89C52單片機(jī)控制的煤礦井下冒頂壓力監(jiān)測系統(tǒng)，首先確定了該系統(tǒng)的整體方案，其次對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。此套系統(tǒng)具有準(zhǔn)確、快速、穩(wěn)定反映冒頂壓力的功能，如能成功使用，將會(huì)為相關(guān)企業(yè)提供可靠的安全保障。