1 引言

目前我國發展煤炭生產機械化發展迅速。綜采設備的應用，是提高效率、改善安全狀況的措施。

影響開機率的一個主要因素是支架對工作面的頂板控制的好壞，因此，對綜采工作面進行礦壓監測與控制是很有必要的。要做到這一點，首先需要對井下工作面的液壓支架的實際工作狀況進行監測，通過對檢測數據處理、分析，評定其效果，并采取相應措施，以提高開機率、提高產量。本文以監測綜采液壓支架的壓力為研究內容，開發了一套基于單片機的壓力測量控制系統。

2 壓力測量控制系統功能設計

壓力測量控制系統用于監測支架壓力， 每臺測量控制系統配有四只傳感器， 可分別通過高壓油管連接支架的立柱、平衡千斤頂， 前探梁千斤頂的油壓腔。壓力測量控制系統接收到通訊測量控制系統傳來的數據采集命令后， 采集四通道的壓力， 傳給通訊測量控制系統， 再由通訊測量控制系統傳至地面。壓力測量控制系統設有按鍵， 當按下時， 可在LCD液晶顯示窗口循環顯示四通道的壓力值。

3 壓力測量控制系統的結構件設計

圖1 壓力測量控制系統框圖

壓力測量控制系統的結構如圖1所示， 它以80C51單片機為核心， 包括傳感器、光耦、多路數據開關、LCD液晶顯示器、SRAM， EPROM、自動復位電路、RS-485接口電路及高效電源電路等。下面分別介紹一下它們各自的設計特點。

3.1 傳感器

傳感器采用前面設計的活塞傳壓大量程諧振弦式液壓傳感器，傳感器輸出幅度為5伏的矩形波。

3.2 信號輸入電路

（1） 多路數據開關（多路數據選擇器）74HC151

74HC 151是8選1數據選擇器，它有8個數據輸入端D0--D7， 1個選通端S， 3個數據選擇端A， B， C和2個輸出端Y， W。當3個數據選擇端A， B， C從000到111之間變化時，可選擇不同的通道。

（2） 信號輸入電路： 以D0通道為例，其電路如圖2所示。

圖2 信號輸入電路

由圖2看出，傳感器頻率信號是通過光電耦合器6N139耦合到74HC151的輸入引腳D0。80C51的P1.0， P1.1輸出控制碼，選擇D0--D3輸入中的一路，用單片機的T0測信號頻率。

3.3 80C51外擴8KB EPROM和8KB SRAM

在壓力測量控制系統中，80C51擴展8K的EPROM （27C64）和8K的SRAM （6264）作為外部的程序存貯器和數據存貯器。選擇了較低的6MHz作為80C51單片機的工作頻率，能滿足數據采集要求，同時還可以降低單片機的功耗，擴展系統連接圖如圖3所示。

圖3 壓力測量控制系統80C51擴展系統

在80C51單片機中，外部I/O口是作為外部RAM來擴展的，選址的方法與擴充外部RAM的方法完全相同。本電路除了外部的RAM外，還有LCD顯示器作為外部I/O器件，因此，只采用線選址方式是不夠的，應采用譯碼選址方式。

3.4 LCM點陣式液晶顯示模塊接口設計

LCM點陣式液晶顯示模塊能顯示的字符多，并且能顯示漢字，因而在智能化測量控制儀表中得到了廣泛的應用。本系統選用的是EPSON公司生產的EA-D20040AR點陣式液晶顯示模塊，它由TN型液晶顯示器、CMOS驅動器和CMOS控制器組成，模塊內集成有字符發生器和數據存貯器，采用單±5V電源供電，內部有能顯示96個ASCII字符和92個特殊字符的字庫。EA-D20040AR與單片機80C51的接口電路如圖4所示：

圖4 EA-D20040AR與80C51的接口電路

3.5電源電路

本系統的通訊測量控制系統及所有的壓力測量控制系統共用同一本安電源，應盡量地降低線路損耗， 提高電源工作效率。為此， 壓力測量控制系統除控制傳感器的電源供電外， 還采用了美國MAXIM公司的高效、+5V輸出可調降低壓穩壓器MAX639， 可將+5.5~+11.5V之間的電池電壓轉換為+5V出， 并在整個電壓范圍內提供100mA輸出電流， 靜態電流僅為10μA， 效率高于90%。

MAX639所需外圍器件較少， 即一個小的廉價電感、一個輸入旁路電容、一個濾波電容和一個肖基特二極管， 不需要任何補償元件。它實質上是一個降壓DC-DC轉換器， 當開關合上時， 加到電感上的電壓等于V+減VOUT， 通過電感的電流斜坡上升， 從而在電感的電場中儲能， 該電流還流入輸出濾波電容和負載; 當開關斷開時， 此電流以相同的方式流過電感， 但因開關此時已斷開，它必然要流過二極管。當開關斷開時， 電感僅供給負載電流， 并且這個電流隨著電感磁場儲存的能量轉移到輸出濾波電容和負載中而減少為零。

3.6 RS-485接口電路

本系統中，通訊測量控制系統與各壓力測量控制系統屬主從式通訊網絡，為適合此遠距離、多點、干擾大的通訊環境，采用RS-485接口電路。本系統中選用的MAX483接口電路，是由MAXIM生產的專用于RS-485通訊的小功率收發器，含有一個驅動器和一個接收器，其特點是具有減小轉換速率的驅動器，可以使EMI（電磁干擾）減到最少，并減少因電纜終端不適當而產生的影響，可以以高達250kb/s的速率無誤差地傳送數據。

3.7 自動復位電路

由于壓力測量控制系統在井下連續運行，為了防止由于意外干擾引起“死機”，特在壓力測量控制系統引入自動復位電路，即看門狗電路。看門狗電路種類很多，為了減少元件個數，本系統選用MAX706。

MAX706確保在加電期間復位，并防止掉電或降壓情況下微處理器代碼執行出錯。在加電時一旦 Vcc達到1V，即可保證 輸出低電平，當Vcc上升超過復位門限電壓時，需經過大約200ms，一個內部定時器才允許 變為當電平。只要VCC降低到復位門限電壓以下， 就變為低電平。

MAX706看門狗電路還監控微處理器的工作，如果在1.6S內微處理器不觸發看門狗輸入（WDI）且WDI并非處于三態，WDO將變為低電平。

4 壓力測量控制系統軟件設計

壓力測量控制系統的程序由主程序和幾個子程序組成。子程序主要包括測頻率子程序、計算壓力子程序、顯示數據子程序、串行通訊子程序等。

4.1 測頻率子程序

單片機多倍周期同步法測量的兩種情形，本系統選用第二種方法，即固定TM的多倍周期測量法。

4.2 計算壓力子程序

當單片機測完一個信號頻率后，取出對應的壓力盒常數A， B， f0，由公式

計算出壓力P（為兆帕）或換算成其他單位的壓力值。

4.3 顯示數據子程序

單片機把前面計算出的壓力值輸出到LCM液晶顯示模塊顯示。LCM液晶顯示模塊EA-D20040AR的初始化程序如下：

START： MOV DPTR， #2000H;置指令寄存器地址

MOV A， #38H; 置功能，數據以8位操作，2行顯示，5X7點陣

MOVX @DPTR， A

MOV A， #06H; 置輸入模式，設置AC為增量方式，顯示屏不移動

MOVX @DPTR， A

MOV A， #OEH： 置顯示開/關控制，顯示開，顯示光標，閃耀關

MOVX @DPTR， A

MOV A， #01H; 總清，清除屏幕，置AC地址為零

MOVX @DPTR， A

RET

4.4 壓力測量控制系統串行通訊子程序

本系統中，各壓力測量控制系統與通訊測量控制系統之間屬于多機通訊。通訊測量控制系統為主機，各壓力測量控制系統為從機。壓力機發送數據，通訊測量控制系統接收數據。

壓力測量控制系統（從機）中斷方式通訊程序程序設計思想是：在主程序中設置好與串行通訊接收和中斷有關的初始化工作后，等待中斷，在收到一幀地址信息后啟動中斷進入通訊服務程序，在以后的接收或發送通訊中就采用查詢方式，直到本次通訊結束，由中斷返回到主程序。其中若從機未作好發送準備及出現非法命令等也從中斷返回，在主程序中作好準備。主機應重新和從機聯絡，使從機再次進入串行口中斷。

本文作者創新點：

本文設計的壓力測量控制系統以80C51單片機為核心，包括傳感器、光耦6N139、數據開關74HC151、點陣式液晶顯示模塊EA-D20040AR， RS-485接口電路及高效電源電路等。測控系統接收到通訊分機傳來的數據采集命令后，采集四通道的壓力，傳給通訊分機，再由通訊分機傳到地面， 實現了快速監測處理和及時反饋信息。