基于總線傳輸?shù)腻^桿應(yīng)力傳感器研制

趙慶川　孫世嶺

關(guān)鍵詞：總線傳輸;錨桿應(yīng)力;低功耗;接口EMC;遙控電路

近些年井隧工程大多采用錨固技術(shù)進行支護，該技術(shù)具有重大實用價值。錨桿、錨索支護具有便于機械化施工、工藝簡單、成本低等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于煤礦巷道頂板圍巖支護中。錨桿支護效果評價是錨網(wǎng)支護中的一項日常性工作。錨桿應(yīng)力傳感器是專門用于煤礦井下錨網(wǎng)或錨噴支護質(zhì)量評價、巷道錨桿（索）受力大小監(jiān)測的專用儀表。目前，普遍采用單點安裝的機械式應(yīng)力儀表和有線傳輸?shù)膽?yīng)力儀表用于礦用錨桿應(yīng)力監(jiān)測。隨著智能化程度的提高，有線傳輸傳感器逐步取代了人工定時觀察的機械儀表。但傳統(tǒng)的錨桿應(yīng)力傳感器基于8051系列內(nèi)核的單片機設(shè)計，存在flash空間小、功能外設(shè)資源少、工作電流大、抗干擾能力差、電路板結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點，鑒于此，筆者研制了一種基于RS485總線傳輸?shù)牡V用低功耗錨桿應(yīng)力傳感器，具有極低的整機功耗，具備數(shù)碼管顯示及自動調(diào)校、自動超限報警等功能，通過RS485總線與監(jiān)控分站通訊，實現(xiàn)頂板錨桿受力大小的實時監(jiān)控。

1傳感器總體設(shè)計及工作原理

1.1傳感器總體設(shè)計

錨桿應(yīng)力傳感器電路設(shè)計原理圖如圖1所示，傳感器采用錨桿應(yīng)力元件將應(yīng)力大小轉(zhuǎn)換為電壓信號提供給主板，主板的控制處理核心為PIC16F1783單片機，主要由DC-DC降壓電路、顯示電路、遙控處理電路、聲光報警、差分信號放大電路、RS485通訊電路六部分功能電路組成。PIC16F1783芯片為低功耗單片機，內(nèi)置12位AD轉(zhuǎn)換模塊，片內(nèi)集成了128字節(jié)EEPROM，用于存儲傳感器校準(zhǔn)、通訊地址信息。錨桿應(yīng)力傳感器與上級分站采用礦用通信電纜連接，包括電源正極、負(fù)極和RS485總線正極、負(fù)極四根線。

目前常用的錨桿應(yīng)力傳感器當(dāng)工作電壓為18V.實測工作電流為26 mA，計算得出功耗為0.468W，測量誤差為4%F.S.，因此本研究所提設(shè)計的傳感器功耗及測量誤差性能應(yīng)不低于此指標(biāo)參數(shù)。

1.2傳感器工作原理

錨桿應(yīng)力傳感器采用粘貼有高精度電阻式應(yīng)變片的金屬彈性體作為受力檢測元件。彈性體受到軸向拉力后，會發(fā)生微小變形，粘貼在其表面的電阻應(yīng)變片也會產(chǎn)生形變進而其電阻值產(chǎn)生規(guī)律性的變化量△R，激勵電壓將△R轉(zhuǎn)換成△U，經(jīng)差分信號放大處理及A/D轉(zhuǎn)換，傳感器就能計算出彈性體所受的軸向拉力，進而將力值顯示出來，并通過RS485總線將測量值逐級上傳到地面監(jiān)控中心。

2硬件電路設(shè)計

2.1接口EMC電路

為提高傳感器的抗干擾性能，必須對供電及RS485輸出接口設(shè)計保護電路，以達(dá)到防護靜電、浪涌電流、群脈沖干擾的能力。接口保護電路如圖2所示，在電源輸入口設(shè)計了TVS1保護器件，其型號為5KP33CA，設(shè)計保護電壓33 V，可承受7000 V瞬變電壓。在RS485通信口設(shè)計了TVSI保護器件，型號為SMCJ12CA，其設(shè)計保護電壓12V，可承受3000 V瞬變電壓。同時設(shè)計了D1二極管，其型號為SS14.可以消除電源正負(fù)極錯接對器件的損壞。

2.2DC-DC降壓電路設(shè)計

傳感器關(guān)聯(lián)的本安電源輸出電壓為24 V，經(jīng)過2 KM線纜后傳感器獲得的電壓根據(jù)電流負(fù)載的不同而不同，但要求必須大于9V，因此傳感器設(shè)計有開關(guān)電源電路將9～24 V直流電壓轉(zhuǎn)換為適合單片機及元件工作的5V電壓，開關(guān)電源電路如圖3所示。

開關(guān)電源采用TI公司的LM25010，該芯片輸入電壓可達(dá)42V，最大輸出電流1A，其300mA輸出電流時轉(zhuǎn)換效率可達(dá)90%以上，且芯片內(nèi)部集成軟啟動功能。芯片第8引腳FB處的反饋電壓為2.5 V，精度為±2%，通過R4、R5電阻構(gòu)成分壓反饋電路，因此VCC電壓為5 V。I_M25010芯片靜態(tài)電流11.5A，滿足整機高轉(zhuǎn)換效率及低功耗設(shè)計的需求。

2.3元件供電電路設(shè)計

檢測錨桿應(yīng)力的電橋電路的工作電壓為4.0V，為了降低差壓信號處理電路的噪聲以及控制元件電路供電通斷，將采用MOS管控制LDO上電通斷的方法進行電壓轉(zhuǎn)換。元件供電電路如圖4所示。

MCP1702T4002芯片將電壓降為4V，該芯片為低壓差LDO穩(wěn)壓器，其靜態(tài)電流只有2A，輸出電壓的精度為±0. 4%，滿足錨桿傳感器高精度低功耗測量的設(shè)計要求。當(dāng)單片機控制輸出引腳YJGD輸出高電平時，MOS管BSS84截止，MCP1702T4002芯片無輸出，錨桿元件及信號處理電路休眠不工作;當(dāng)單片機控制輸出引腳YJGD輸出低電平時，MCP1702T4002芯片輸出4V電壓，錨桿元件及信號處理電路處于上電工作，錨桿元件即能測量受力大小?？刂埔_YJGD的高電平與低電平的脈沖時間寬度，從而控制錨桿元件電路的工作時間，達(dá)到既有效檢測錨桿受力大小，又能最大限度降低功耗的效果，這是實現(xiàn)傳感器整機低功耗的關(guān)鍵措施之一。

2.4元件信號處理電路設(shè)計

傳感器采用高精度應(yīng)變式壓力元件作為受力敏感檢測元件，其阻值為1K，因此工作電流為4mA，并且采用TI公司的低溫漂、低失調(diào)OPA2330AIDGK運放芯片作為差分放大電路的核心芯片，將錨桿元件0～400 KN量程內(nèi)4 mV/KN的錨桿應(yīng)力靈敏度轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓信號，輸入到單片機進行A/D轉(zhuǎn)換，具體電路如如圖5所示。

在圖5中，錨桿應(yīng)力元件IC2內(nèi)部為電阻應(yīng)變片部件構(gòu)成的惠更斯電橋，當(dāng)錨桿元件受力后就會在S+和S

間產(chǎn)生mV級的微弱電壓差。微弱電壓信號經(jīng)過R35、R39、R30、R40和OPA2330芯片構(gòu)成的差分放大電路后放大為0-3V的電壓信號，經(jīng)單片機A/D轉(zhuǎn)換及運算，得出錨桿傳感器真正的受力大小。

2.5數(shù)碼管顯示電路

設(shè)計的錨桿應(yīng)力傳感器具有4位LED數(shù)碼管，第一位為狀態(tài)顯示位，后三位為顯示數(shù)值。顯示電路采用動態(tài)掃描設(shè)計，每位數(shù)碼管8位全亮?xí)r電流消耗為2.5 mA左右。電路共需要“DBO、DB1、DB2、DB3、DP4、DP5、DP6、DB7”8個控制顯示段碼的段位選線，以及“LEDO、LEDI、LED2、LED3”4根數(shù)碼管點亮控制引腳線，由單片機端口串聯(lián)限流電阻直接驅(qū)動。

采用圖6所示的動態(tài)顯示電路，任意時刻只有一位數(shù)碼管在上電點亮顯示，同時DBO～DB7輸出對應(yīng)字符的邏輯電平。每位數(shù)碼管的刷新頻率為40Hz，而人眼能夠識別的閃爍為25Hz以下，因此本研究采用的動態(tài)顯示電路既能有效節(jié)省電流消耗又能高亮度顯示監(jiān)測數(shù)值。

2.6遙控電路設(shè)計

遙控電路是人機交互的重要電路設(shè)計，是傳感器零點、精度、報警點、通訊地址等設(shè)置信息的輸入接口。具體電路如圖7所示。

電路主要包括紅外遙控接收頭SFHI和三極管Q8及R32、R33、C11阻容器件組成。遙控接收頭SFHI接收到經(jīng)調(diào)制的一定頻率的紅外光后，會在1管腳輸出高低電平信號。當(dāng)SFHI輸出高電平時，Q8導(dǎo)通，YK電位為低電平;當(dāng)SFHI輸出低電平時，Q8為高阻抗?fàn)顟B(tài)，YK此時電壓為VCC。單片機采集到Y(jié)K的高低電平及脈寬信息后，經(jīng)過紅外信號邏輯算法即可識別出遙控信息的指令，從而實現(xiàn)傳感器設(shè)置信息的輸入識別。

2.7聲光報警電路設(shè)計

采用KG1203有源蜂鳴器作為聲音報警信號源，正常驅(qū)動電流情況下聲音可以達(dá)到80db以上。采用的采用高亮紅光二極管并聯(lián)作為光報警信號源，黑暗環(huán)境下20m外可見。傳感器監(jiān)測數(shù)值低于報警點時報警電路不工作，漏電流只有2A，可以忽略不計。當(dāng)應(yīng)力數(shù)值超限報警時，蜂鳴器和發(fā)光二極管的電流約為25mA。

2.8通訊電路設(shè)計

錨桿應(yīng)力傳感器作為頂板安全監(jiān)測系統(tǒng)的主要監(jiān)測設(shè)備之一，具有低功耗、布點多等特點，為降低現(xiàn)場施工難度，節(jié)約電纜用量，傳感器通過RS485總線與監(jiān)測分站進行參數(shù)設(shè)置和檢測值上傳交互。傳感器采用美國德州儀器公司的SN65HVD3082芯片作為485總線信號與單片機UART接口的轉(zhuǎn)換芯片。SN65HVD3082芯片工作電流只有0.3mA，而節(jié)點數(shù)量可以達(dá)到256個，非常適合錨桿應(yīng)力傳感器作為分布式設(shè)備運用。單片機與SN65HVD3082采用UART接口，UART的通訊速率為2400 bps。

3軟件設(shè)計

基于總線傳輸?shù)腻^桿應(yīng)力傳感器的程序采用C語言模塊化編程設(shè)計，主程序首先是進行單片機各功能模塊及外設(shè)初始化及端口配置，然后讀取存儲在E的零點、線性等參數(shù)，然后進入周期性數(shù)據(jù)采集和超限報警判斷，等待通訊中斷響應(yīng)，軟件程序的核心任務(wù)有兩個，一個是主程序循環(huán)判斷，以進行錨桿應(yīng)力采集及運算、顯示、超限報警;另一個是實現(xiàn)UART通訊中斷響應(yīng)，UART發(fā)送數(shù)據(jù)到總線，軟件流程圖如圖9所示。

4實驗分析

根據(jù)以上硬件電路設(shè)計方案及軟件程序流程完成了傳感器實驗樣機的設(shè)計加工，樣機如圖9所示。

對傳感器工作電壓、工作電流、測試誤差等基本性能指標(biāo)進行測試，測試結(jié)果如表1所示。由表1可知，錨桿應(yīng)力傳感器功耗約為0. 27W，測量誤差為2%F.S.，與目前市場主流常用的錨桿應(yīng)力傳感器相比，功耗降低了42%，測量誤差大幅提高，滿足設(shè)計要求。

5結(jié)論

基于總線傳輸?shù)腻^桿應(yīng)力傳感器研制是頂板安全監(jiān)測領(lǐng)域的需求之一，錨桿應(yīng)力傳感器是監(jiān)測頂板運動規(guī)律預(yù)防頂板事故發(fā)生的重要設(shè)備。傳感器在實驗室基本性能實驗，在山西某礦進行了工業(yè)性實驗，實驗結(jié)果表明：傳感器具有較低的功耗和較強的抗電磁干擾的能力，通訊穩(wěn)定，監(jiān)測數(shù)據(jù)真實可靠，適合在礦山壓力大的巷道環(huán)境下應(yīng)用。分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，真實反映了巷道錨桿受力變化情況，為加強頂板危險傾向區(qū)域的支護提高了數(shù)據(jù)支撐，保障了煤礦安全生產(chǎn)，具有廣闊的推廣應(yīng)用的前景。