液压支架中压力变送器检测系统设计*

0 引 言

液压支架是综采工作面的一种支护设备，主要作用是支护采场顶板，维护安全作业空间，推移工作面采运设备。液压支架在井下最重要的一个指标便是稳定性，因此需要尽量消除一切影响支架稳定性的不利因素，保证支架系统在井下安全工作。压力变送器专用于检测液压支架各部位压力变化的设备，其主要是检测液压支架各个部分承受压力的变化，实时监测、预警和管理支架系统进行。

目前国内厂家生产的压力变送器检测系统无法满足煤矿井下恶劣的工作环境，测量精度低，国外压力变送器检测产品价格较高，后期维护费用昂贵[1-2]。笔者研发一款专门针对于煤矿井下压力检测的变送器检测系统，功能及价格可满足矿井需求，具有很好的推广应用价值。

1 压力变送器检测系统概述

压力变送器检测系统由以下部分组成：压力传感器、主控制器、测控电路、通讯电路以及相应外围电路。在煤矿井下特殊的、恶劣的环境下，对压力变送器检测系统提出了更高的要求[3-4]：①精度高。要能将液压支架各个部分的压力变化准确地呈现出来，因此，传感器测量的输出信号必须有高质量的测控电路调理输出，要采用共模抑制比高的电路，抑制干扰；②采用无线通讯方式。传统压力变送器检测系统一般采用RS485或者CAN总线通讯方式，这种有线通讯方式在煤矿井下布线困难，影响工程进度，因此急需改善为无线通风方式；③响应速度快。液压支架每一次压力变化都可能影响工作人员对工作面的判断，这要求压力传感器快速响应，微控制器快速分析处理数据及快速传输数据的通讯方式。

2 系统总体方案设计

基于压力变送器在煤矿井下的工作原理，笔者设计了变送器的硬件电路框图，如图1所示，其中，压力传感器负责检测现场信号，信号放大调理电路负责将检测到的信号转换为标准信号，LCD显示屏负责实时显示数值，电源电路负责供电，而ZIGBEE通信模块负责分析处理数据以及传输数据，监控中心负责接收测量数据并做相应决策。

图1 系统硬件框图设计方案

3 系统硬件电路设计

3.1 传感器电路选型

煤矿井下环境恶劣，对于液压支架的压力检测提出了很高的要求[5]。设计压力变送器时，压力传感器的选型至关重要。此设计选择了美国Motorola公司生产的MPX2100压力传感器，该传感器线性度好、转换精度高、灵敏度高，可把从液压支架上检测到的压力值转换为毫伏级的差模电压信号，很好地适应煤矿井下液压支架压力检测的需求。

3.2 通信电路设计

煤矿井下传统变送器数据传输采用有线方式，存在布线困难，数据传输不稳定、实时性差等问题。此设计采用ZIGBEE无线通信方式，无线通信模块选择为CC2530芯片，该芯片集成了8051 CPU内核和射频模块，功耗低，扩展方便，在此系统中既可以作为微控制器处理分析数据，也可无线传输数据。图2为基于ZIGBEE无线通信方式的一个数据传输网络。其中，网络传输系统包括ZIGBEE采集终端、网络协调器和监控中心三部分组成。

图2 ZIGBEE无线传输网络

3.3 信号调理电路设计

此设计选择的传感器输出信号为毫伏级的差模电压信号，而微控制器一般接受的电压信号级别为0～5 V标准电压信号，所以不能直接将压力传感器直接连接到微控制器上，中间需要一个信号放大调理电路进行过渡，然后连接到微控制器的A/D转换端口，将测量到的模拟量转换为微控制器可分析处理的数字量。

此设计的信号调理电路是由三个同型号的运算放大器OP07组成，该运算放大器具有低失调、高开环增益的特性。具体电路图如图3，图中，A1、A2、A3为三个运放，A1的作用主要是差模放大，A2、A3的作用是电压跟随，电阻上要求R1=R2、R3=R4，该电路放大增益为R3/R1。

图3 信号放大调理电路

3.4 LCD显示屏电路设计

为方便井下工作人员现场实时了解液压支架所受压力，设计了LCD屏显示电路，该电路可将检测到的压力值转换为矿井现场的工业标准值，供井下工作人员参考，实现了压力变送器的人机交互功能。

此设计选择了 12864 LCD液晶显示屏作为人机界面互动系统，该显示屏具有低电压低功耗的特点，接口方式多种多样，主要有串行2线/3线，并行4位/8位,可适应不同工作场合[6]。此显示屏工作电压在+3.0～+5.5 V之间，拥有和单片机接口兼容的逻辑电平，可以在不加排阻的情况下直接和单片机的I\O口连接。LCD显示屏的硬件电路设计原理图如图4所示。

图4 12864LCD显示屏电路设计

4 系统软件流程设计

为系统开发的快速方便，软件设计采取模块化设计思想，结合相应的硬件系统，分别设计了LCD屏显示程序、压力值A/D转换程序、无线通信程序、电源模块精确管理程序；为了实现远程监控中心的决策，编写了相应的上位机监控软件，可以在线观测井下各个液压支架各部分的压力变化情况，为应对煤矿事故做好准备。

考虑到煤矿井下，一般并不需要时时刻刻采集压力数据，液压支架一般支护时间比较长，所以采用间歇式方式进行数据采集。为此，在以上程序的基础上设置主程序和中断程序，主程序完成各程序初始化之后便进入低功耗模块，当要进行数据采集时，中断程序便将单片唤醒，执行LCD屏显示程序、压力值A/D转换程序、无线通信程序，而数据采集的间歇时间需要根据煤矿现场的工作进度具体设定。图5为设计的数据传输时的软件流程框图。

图5 数据传输时软件流程图设计

5 检测系统应用效果

为验证设计的压力变送器检测系统的可行性，进行了对比试验。将通过此系统检测的支架压力值与采用标准液压压力计测得的结果进行比较，实验过程中，选用1个采矿点作为分站，此系统将检测到的压力数据传送给矿井上的通信主站，并显示在上位机监控软件界面。实验测试结果如表1所示。标准液压压力计型号为YH-45。

表1 实验测试数据 /MPa

通过实验测试数据可以看出，该设计系统与标准液压压力机测试数据的误差很小，误差率在2%以内，可满足实际工程的需求。同时测试数据在无线通信过程中传输稳定，速度快，适用于井下环境。

6 结 语

在分析传统压力变送器及其检测系统存在诸多缺陷的基础上，结合压力变送器工作原理，设计了一套基于CC2530芯片的压力变送器检测系统。硬件方面，给出了传感器选型，设计了通信电路、信号调理电路以及LCD液晶显示屏电路；软件方面选择了模块化设计思想，并采用间歇式工作方式进行压力数据采集，给出了软件流程图。测试结果证明，压力变送器检测系统实现了预期要求，运行状况良好，满足了矿井下工作的需求。