怎樣研發(fā)一個以80C51單片機為核心的壓力測量控制系統(tǒng)？

1 引言

目前我國發(fā)展煤炭生產(chǎn)機械化發(fā)展迅速。綜采設(shè)備的應(yīng)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(jiān)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(jiān)測，通過對檢測數(shù)據(jù)處理、分析，評定其效果，并采取相應(yīng)措施，以提高開機率、提高產(chǎn)量。本文以監(jiān)測綜采液壓支架的壓力為研究內(nèi)容，開發(fā)了一套基于單片機的壓力測量控制系統(tǒng)。

2 壓力測量控制系統(tǒng)功能設(shè)計

壓力測量控制系統(tǒng)用于監(jiān)測支架壓力， 每臺測量控制系統(tǒng)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?shù)挠蛪呵?。壓力測量控制系統(tǒng)接收到通訊測量控制系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)采集命令后， 采集四通道的壓力， 傳給通訊測量控制系統(tǒng)， 再由通訊測量控制系統(tǒng)傳至地面。壓力測量控制系統(tǒng)設(shè)有按鍵， 當(dāng)按下時， 可在LCD液晶顯示窗口循環(huán)顯示四通道的壓力值。

3 壓力測量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)件設(shè)計

圖1 壓力測量控制系統(tǒng)框圖

壓力測量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示， 它以80C51單片機為核心， 包括傳感器、光耦、多路數(shù)據(jù)開關(guān)、LCD液晶顯示器、SRAM， EPROM、自動復(fù)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(shè)計特點。

3.1 傳感器

傳感器采用前面設(shè)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(shù)據(jù)開關(guān)（多路數(shù)據(jù)選擇器）74HC151

74HC 151是8選1數(shù)據(jù)選擇器，它有8個數(shù)據(jù)輸入端D0--D7， 1個選通端S， 3個數(shù)據(jù)選擇端A， B， C和2個輸出端Y， W。當(dāng)3個數(shù)據(jù)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(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集要求，同時還可以降低單片機的功耗，擴展系統(tǒng)連接圖如圖3所示。

圖3 壓力測量控制系統(tǒng)80C51擴展系統(tǒng)

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(yīng)采用譯碼選址方式。

3.4 LCM點陣式液晶顯示模塊接口設(shè)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(yīng)用。本系統(tǒng)選用的是EPSON公司生產(chǎn)的EA-D20040AR點陣式液晶顯示模塊，它由TN型液晶顯示器、CMOS驅(qū)動器和CMOS控制器組成，模塊內(nèi)集成有字符發(fā)生器和數(shù)據(jù)存貯器，采用單±5V電源供電，內(nèi)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(tǒng)的通訊測量控制系統(tǒng)及所有的壓力測量控制系統(tǒng)共用同一本安電源，應(yīng)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(tǒng)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(diào)降低壓穩(wěn)壓器MAX639， 可將+5.5~+11.5V之間的電池電壓轉(zhuǎn)換為+5V出， 并在整個電壓范圍內(nèi)提供100mA輸出電流， 靜態(tài)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(zhì)上是一個降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器， 當(dāng)開關(guān)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(dāng)開關(guān)斷開時， 此電流以相同的方式流過電感， 但因開關(guān)此時已斷開，它必然要流過二極管。當(dāng)開關(guān)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(zhuǎn)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(tǒng)中，通訊測量控制系統(tǒng)與各壓力測量控制系統(tǒng)屬主從式通訊網(wǎng)絡(luò)，為適合此遠距離、多點、干擾大的通訊環(huán)境，采用RS-485接口電路。本系統(tǒng)中選用的MAX483接口電路，是由MAXIM生產(chǎn)的專用于RS-485通訊的小功率收發(fā)器，含有一個驅(qū)動器和一個接收器，其特點是具有減小轉(zhuǎn)換速率的驅(qū)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(dāng)而產(chǎn)生的影響，可以以高達250kb/s的速率無誤差地傳送數(shù)據(jù)。

3.7 自動復(fù)位電路

由于壓力測量控制系統(tǒng)在井下連續(xù)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(tǒng)引入自動復(fù)位電路，即看門狗電路?？撮T狗電路種類很多，為了減少元件個數(shù)，本系統(tǒng)選用MAX706。

MAX706確保在加電期間復(fù)位，并防止掉電或降壓情況下微處理器代碼執(zhí)行出錯。在加電時一旦 Vcc達到1V，即可保證 輸出低電平，當(dāng)Vcc上升超過復(fù)位門限電壓時，需經(jīng)過大約200ms，一個內(nèi)部定時器才允許 變?yōu)楫?dāng)電平。只要VCC降低到復(fù)位門限電壓以下， 就變?yōu)榈碗娖健?/p>

MAX706看門狗電路還監(jiān)控微處理器的工作，如果在1.6S內(nèi)微處理器不觸發(fā)看門狗輸入（WDI）且WDI并非處于三態(tài)，WDO將變?yōu)榈碗娖健?/p>

4 壓力測量控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

壓力測量控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(tǒng)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(dāng)單片機測完一個信號頻率后，取出對應(yīng)的壓力盒常數(shù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)以8位操作，2行顯示，5X7點陣

MOVX @DPTR， A

MOV A， #06H; 置輸入模式，設(shè)置AC為增量方式，顯示屏不移動

MOVX @DPTR， A

MOV A， #OEH： 置顯示開/關(guān)控制，顯示開，顯示光標(biāo)，閃耀關(guān)

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(tǒng)串行通訊子程序

本系統(tǒng)中，各壓力測量控制系統(tǒng)與通訊測量控制系統(tǒng)之間屬于多機通訊。通訊測量控制系統(tǒng)為主機，各壓力測量控制系統(tǒng)為從機。壓力機發(fā)送數(shù)據(jù)，通訊測量控制系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)。

壓力測量控制系統(tǒng)（從機）中斷方式通訊程序程序設(shè)計思想是：在主程序中設(shè)置好與串行通訊接收和中斷有關(guān)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(wù)程序，在以后的接收或發(fā)送通訊中就采用查詢方式，直到本次通訊結(jié)束，由中斷返回到主程序。其中若從機未作好發(fā)送準(zhǔn)備及出現(xiàn)非法命令等也從中斷返回，在主程序中作好準(zhǔn)備。主機應(yīng)重新和從機聯(lián)絡(luò)，使從機再次進入串行口中斷。

結(jié)語：

本文設(shè)計的壓力測量控制系統(tǒng)以80C51單片機為核心，包括傳感器、光耦6N139、數(shù)據(jù)開關(guān)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(tǒng)接收到通訊分機傳來的數(shù)據(jù)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(xiàn)了快速監(jiān)測處理和及時反饋信息。