煤礦井下冒頂壓力系統(tǒng)

1、第一章 緒論1.1 研究背景61.2 煤礦井下冒頂壓力監(jiān)測系統(tǒng)的研究概況和發(fā)展趨勢 71.3 煤礦井下冒頂壓力監(jiān)測系統(tǒng)研究內(nèi)容7第二章 統(tǒng)設計總方案2.1 設計要求72.2 系統(tǒng)設計方案圖 8第三章 系統(tǒng)各個模塊的組成及其原理3.1 芯片的介紹93.2 壓力傳感器3.3 采樣板3.4 系統(tǒng)采集端 采集端的組成模塊及其原理圖11采集端工作過程113.5 系統(tǒng)控制端 控制端的組成模塊及其作用12 采集端工作過程123.6 數(shù)碼顯示模塊143.7 系統(tǒng)的報警143.8 通信模塊 MAX232 MAX485 天線第四章 系統(tǒng)的軟件設計4.1 系統(tǒng)總流程圖154.2 控制端流程圖164.3 采集端流程圖

2、174.4 設計過程中遇到的問題及其心得體會19結論20參考文獻21致謝22附錄23第一章 緒論1.1 研究背景近年來，由于煤礦事故引起的人員傷亡和經(jīng)濟損屢屢發(fā)生，我國煤炭行業(yè)每年造成的直接經(jīng)濟損失就超過了40億元，人員傷亡人數(shù)近萬人，是全世界其他所有產(chǎn)美國的10倍還多。并且在所有煤礦事故中，頂板事故是發(fā)生頻率最多的。所以，我們研究了這樣的系統(tǒng)，該系統(tǒng)對煤礦壓力進行準確的檢測，記錄和分析。同時還能對其進行預測，保障了煤礦的安全生產(chǎn)。減少了此類事故對我國國民的人身安全和經(jīng)濟的影響。 對于中小型企業(yè)來說，應該在已有的技術條件下建立一個既經(jīng)濟又可靠的安全監(jiān)控網(wǎng)絡，次網(wǎng)絡系統(tǒng)不僅能對煤礦井下的壓力進行

3、準確的檢測，還能及時的為相應管理部門提供所需要的信息，便于其對井下工作的管理、組織和指揮。從而提高生產(chǎn)效率。原巖體（地下巖體在受到人類工程活動的影響前程為原巖體）在地殼內(nèi)各種力的作用下處于平衡狀態(tài)，當進行開采工作時，破壞了原有的應力平衡狀態(tài)，引起了原有巖體內(nèi)部的重新分布。當重新分布的應力超過了煤的極限強度時，使得采煤工作面發(fā)生破壞，同時想已經(jīng)采過的空間移動，從而形成新的平衡狀態(tài)。礦山壓力（采動后作用于圍巖中和支護物上的力）產(chǎn)生的根源是原始巖層中存在應力，它由上覆巖層的重力、巖體膨脹應力以及構造應力組成。圍巖運動只能在一定的條件下發(fā)生，因此礦山壓力是有一定條件限制的。因此要想保證礦井的安全生產(chǎn)，

4、需要深入分析圍巖的穩(wěn)定條件，可能引起的破壞形式以及引起破壞的動力和條件等，讓其控制在安全的范圍內(nèi)。在開挖礦井巷道之后，就破壞了原來的力學平衡狀態(tài)，應力就會進行重新分布，是其處于以至那個不穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)過研究，應力的重新分布是一個漸進的過程。國內(nèi)外關注的重要課題就是如何有效地保護井下巷道圍巖的穩(wěn)定性。在近幾年，對煤礦井下壓力的監(jiān)測過程中，由于各種主觀以及客觀的原因，引起了采場的下沉，頂板的冒落等等事故的不斷發(fā)生，對整個企業(yè)的生產(chǎn)效率及工人人生安全造成了極大傷害。相關的資料表明，其中最嚴重的事故就是頂板事故。由于傳統(tǒng)的壓力監(jiān)測設備不完備，抗干擾能力差，以及傳感器技術落后，數(shù)據(jù)處理能力差等等各種原因造

5、成了了管理部門的監(jiān)控不到位，不能及時反饋信息，因此設計了這樣的系統(tǒng)以加強管理。保障煤礦的生產(chǎn)安全。近年來，計算機發(fā)展迅速，煤礦的生產(chǎn)需要和計算機進行結合，從而能夠?qū)?shù)據(jù)和信息進行及時的處理。因此，綜上所訴，此系統(tǒng)對于減少煤礦事故的發(fā)生起了很大的作用，而且能夠信息化和智能化操作，大大的提高了工作效率。1.2 煤礦井下的冒頂監(jiān)測系統(tǒng)的研究概況機器發(fā)展趨勢煤礦井下壓力監(jiān)測系統(tǒng)是煤礦監(jiān)測系統(tǒng)的重要部分，現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)在保障煤礦的安全生產(chǎn)方面以及生產(chǎn)效率的提高方面發(fā)揮了很重要的作用，但是還有需要改進的地方。目前驚嚇壓力監(jiān)測系統(tǒng)的技術還不夠成熟，很少有專門的監(jiān)測系統(tǒng)，大多都是一些分散的儀器。例如，ADJ45

6、、DDJ、BHS-10、KY-82等等。隨著計算機技術的不斷成熟，現(xiàn)在有很多的中小型的企業(yè)開始使用此類監(jiān)測系統(tǒng)用于生產(chǎn)和運輸。煤礦井下工程大多都是臨時性的工程，受到經(jīng)濟條件的制約，所以不能像地鐵等永久性的民用工程那樣高強度的投入，因此，隨著時間的推移，大多會出現(xiàn)一定程度的損壞，并且維護的級別比較低。其特點決定了其問題的復雜性，引起了專家們的探索和研究。析。煤礦井下冒頂壓力監(jiān)測系統(tǒng)主要是向多媒體方向發(fā)展，具體表現(xiàn)在四個方向：第一，實現(xiàn)監(jiān)測的信息網(wǎng)絡化；第二，提高傳感器的技術水準；第三，智能化的自檢功能；第四，兼容性。這樣，煤礦井下的工作效率才會不斷提高，人身及其財產(chǎn)的安全才能得到保障。1.3 煤

7、礦井下冒頂監(jiān)測系統(tǒng)研究內(nèi)容該課題主要研究采煤工作面壓力觀測。采煤工作面觀測主要包括對采煤工作面周圍應力、定地板的壓力與形變，支柱的壓縮與負載等等進行測量、記錄和分析。從而能夠?qū)ζ湫畔⒛軌蜻M行全面的采集，處理。保障煤礦井下的安全生產(chǎn)。該系統(tǒng)具有很多特點，例如低成本、低功耗、可靠性型高、功能性強等等，特別適用于中小型性的煤礦企業(yè)。該系統(tǒng)主要是以單片機為控制核心，相應的軟件設計，通訊裝置等自動監(jiān)測井下的壓力并且能夠及時的反饋信息，通過上位機人機界面用中文并輔助聲光方式及時的現(xiàn)實井下的工作狀況，方便管理人員的控制。此系統(tǒng)實現(xiàn)了了智能化和信息化，減少了事故的發(fā)生，減少了經(jīng)濟損失。具有很大的經(jīng)濟效益和社會

8、效益。對以后的煤礦安全事業(yè)起了很大的重用。第二章 系統(tǒng)設計總方案2.1 設計要求近年來，由于煤礦事故造成的人員傷亡，屢見不鮮。不僅造成了嚴重的人員傷亡，而且給社會帶來了巨大的經(jīng)濟損失。為了保障人民的生命及財產(chǎn)的安全，我們設計了這樣的系統(tǒng)。該系統(tǒng)是利用微型計算機硬件與軟件等技術緊密結合的產(chǎn)物，具有廣泛的應用前景。 本系統(tǒng)不僅可以準確的監(jiān)測煤礦井下冒頂壓力值，而且可以及時的回饋，提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性。確保了井下工作的安全進行。帶來了巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。2.2 系統(tǒng)設計方案圖 圖2-2 壓力傳感器采集到壓力值之后，將信息傳給采樣板，采樣板將信息進行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理后，再將信息傳送到控制端，

9、這是控制端將信息進行整合、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，警報器會發(fā)出聲響，通知工作人員快速撤離。經(jīng)過處理后，控制端將息回饋到壓力傳感器上，使其復位。通過這一鍋成管理人員可以確保工作人員的安全以及安全生產(chǎn)。第三章 系統(tǒng)各個模塊的組成及其原理 煤礦井下冒頂壓力監(jiān)測系統(tǒng)的壓力傳感器采集到壓力值，將信號發(fā)送到采樣板上，采樣板將信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為能夠被識別的信號，再一次將信號在傳送到采集端、控制端，控制端對信號進行分析、整合和處理，一方面將信號顯示在大數(shù)碼管上，一方面體現(xiàn)在報警器上，還有一方面將信息回饋到壓力傳感器上。3.1芯片的介紹1、STC89C52:ST

10、C89C52是一種低功耗、高性能COMS 8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS_51內(nèi)核。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。 具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復位電路，3個16 位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結構（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結構），全雙工串行口。芯片特性：內(nèi)帶2K字節(jié)EEPROM存儲空間;可直接使用串口下載；A

11、T89S52單片機:8K字節(jié)程序存儲空間；256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間；沒有內(nèi)帶EEPROM存儲空間;芯片引腳說明： 芯片引腳圖 電源引腳：(1)40腳（VCC）：接+5V電源正極；(2)20腳（Vss）：接+5V電源負極即地端。外接晶體引腳：XTAL1（19腳）XTAL2（20腳）分別接石英晶體反向放大器的輸入端和輸出端構成了片內(nèi)振蕩器。輸入輸出引腳:(1)P0口：P0端口（P0.0P0.7，3932引腳）：P0口是一個漏極開路的8位雙向I/O口。作為輸出端口，每個引腳能驅(qū)動8個TTL負載，對端口P0寫入“1”時，可以作為高阻抗輸入。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也可以提供低8位地址和8位數(shù)

12、據(jù)的復用總線。此時，P0口內(nèi)部上拉電阻有效。在Flash ROM編程時，P0端口接收指令字節(jié)；而在校驗程序時，則輸出指令字節(jié)。驗證時，要求外接上拉電阻。(2)P1端口（P1.0P1.7，18引腳）：P1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或者輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這是可用作輸入口。P1口作輸入口使用時，因為有內(nèi)部上拉電阻，那些被外部拉低的引腳會輸出一個電流此外，P1.0和P1.1還可以作為定時器/計數(shù)器2的外部技術輸入（P1.0/T2）和定時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX） （3）P2端口

13、（P2.0P2.7，2128引腳）：P2口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器可以驅(qū)動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，這時可用作輸入口。P2作為輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。在訪問外部程序存儲器和16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2送出高8位地址。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口引腳上的內(nèi)容在整個訪問期間不會改變。對Flash ROM編程和程序校檢期間，P2也會接受高位地址和一些控制信號。（4）P3端口（P3.0P3.7，1017引腳）：P3是一個帶內(nèi)部上拉電阻的

14、8位雙向I/O端口。P3的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。P3做輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸入一個電流。在對Flash ROM編程或程序校驗時，P3還接收一些控制信號。P3引腳的復用功能：P3.0 RXD串行輸入口P3.1 TXD串行輸出口P3.2 外部中斷0P3.3 外部中斷1P3.4 T0定時器0外部輸入P3.5 T1定時器1的外部輸入P3.6 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通P3.7 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通復位引腳：RST(9腳)：此引腳為單片機的上電復位端。當單片機的振蕩器

15、工作時，而且保持兩個機器周期以上的高電平時，就可以實現(xiàn)復位。主要參數(shù)增強型8051單片機，6 時鐘/機器周期和12 時鐘/機器周期可以任意 選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051.工作電壓：5.5V3.3V（5V單片機）/3.8V2.0V（3V 單片機）工作頻率范圍：040MHz，相當于普通8051 的080MHz，實際工作 頻率可達48MHz用戶應用程序空間為8K片上集成512 字節(jié)RAM通用I/O 口（32 個），復位后為：P0/P1/P2/P3 是準雙向口/弱上拉， P0 口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時，需加上拉電阻。ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（

16、在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下載用戶程 序，數(shù)秒即可完成一片具有EEPROM 功能共3 個16 位定時器/計數(shù)器。即定時器T0、T1、T2外部中斷 4 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，Power Down 模式可 由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒通用異步串行口（UART），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個UART工作溫度范圍：-40+85（工業(yè)級）/075（商業(yè)級）PDIP封裝 2、MAX485：MAX485是用于RS-485與RS-422通信的低功耗收發(fā)器，它采用單一電源+5V工作，采用的是半雙工的通訊方式。完成將TTL電平轉(zhuǎn)換

17、為RS-485電平。最大傳輸速率2.5Mb/s，最大傳輸距離是1200米。采用的是RS-485協(xié)議，有一個中端電阻，其目的就是通過加大負載來減少回波反射。加終端負載的作用實際上是一種被動的阻抗匹配。這些收發(fā)器在驅(qū)動器禁用的空載或滿載狀態(tài)下，吸取的電源電流在120A至500A之間。驅(qū)動器具有短路電流限制，并可以通過熱關斷電路將驅(qū)動器輸出置為高阻狀態(tài)。接收器輸入具有失效保護特性，當輸入開路時，可以確保邏輯高電平輸出。具有較高的抗干擾性能。3、MAX232:MAX232專為RS-232標準串口設計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5v單電源供電。MAX232的作用也是通信和電平轉(zhuǎn)換，常用的TTL電平最高5

18、V。由于電腦輸出電壓高達12V,直接與單片機相連會燒壞芯片，所以用此芯片來進行電平轉(zhuǎn)換。MAX232是連接STC和計算機的串行通信口，通過電平轉(zhuǎn)換連接到單片機的串行口（RXD/TXD），單片機的串行模塊把數(shù)據(jù)傳送到程序區(qū)。主要特點：符合所有的RS-232C技術標準只需要單一 +5V電源供電片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生+10V和-10V電壓V+、V-功耗低，典型供電電流5mA內(nèi)部集成2個RS-232C驅(qū)動器高集成度，片外最低只需4個電容即可工作。4、HX711：HX711是一款專為高精度電子秤而設計的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。與同類型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時

19、鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優(yōu)點。降低了電子秤的整機成本，提高了整機的性能和可靠性。該芯片與后端MCU 芯片的接口和編程非常簡單，所有控制信號由管腳驅(qū)動，無需對芯片內(nèi)部的寄存器編程。輸入選擇開關可任意選取通道A 或通道B，與其內(nèi)部的低噪聲可編程放大器相連。通道A 的可編程增益為128 或64，對應的滿額度差分輸入信號幅值分別為20mV或40mV。通道B 則為固定的64 增益，用于系統(tǒng)參數(shù)檢測。芯片內(nèi)提供的穩(wěn)壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內(nèi)的A/D 轉(zhuǎn)換器提供電源，系統(tǒng)板上無需另外的模擬電源。芯片內(nèi)的時鐘振蕩器不需要任何外接器件。上電自動復位

20、功能簡化了開機的初始化過程。系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換電路可以鎖存轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，所以它不僅可以看作是一種輸入設備也可以看做是并行的輸入輸出接口設備。芯片的特點：1）兩路可選擇差分輸入2）片內(nèi)低噪聲可編程放大器，可選增益為64 和1283）內(nèi)穩(wěn)壓電路可直接向外部傳感器和芯片內(nèi)A/D 轉(zhuǎn)換器提供電源4）片內(nèi)時鐘振蕩器無需任何外接器件，必要時也可使用外接晶振或時鐘5）上電自動復位電路6）簡單的數(shù)字控制和串口通訊：所有控制由管腳輸入，芯片內(nèi)寄存器無需編程7）可選擇10Hz 或80Hz 的輸出數(shù)據(jù)速率8）同步抑制50Hz 和60Hz 的電源干擾9）耗電量（含穩(wěn)壓電源電路）： 典型工作電流： 1.7mA, 斷電電

21、流： 1A10）工作電壓范圍：2.6 5.5V11）工作溫度范圍：-20 +8512）16 管腳的SOP-16 封裝管腳的功能：芯片管腳圖1）VSUP 電源穩(wěn)壓電路供電電源: 2.6 5.5V（不用穩(wěn)壓電路時應接AVDD）2）BASE 模擬輸出 穩(wěn)壓電路控制輸出（不用穩(wěn)壓電路時為無連接）3）AVDD 電源 模擬電源: 2.6 5.5V4）VFB 模擬輸入 穩(wěn)壓電路控制輸入（不用穩(wěn)壓電路時應接地）5）AGND 地 模擬地6）VBG 模擬輸出 參考電源輸出7）INA- 模擬輸入 通道 A 負輸入端8）INA+ 模擬輸入 通道 A 正輸入端9）INB- 模擬輸入 通道 B 負輸入端10）INB+ 模

22、擬輸入 通道 B 正輸入端11）PD_SCK 數(shù)字輸入斷電控制（高電平有效）和串口時鐘輸入12）DOUT 數(shù)字輸出 串口數(shù)據(jù)輸出13）XO 數(shù)字輸入輸出 晶振輸入（不用晶振時為無連接）14）XI 數(shù)字輸入 外部時鐘或晶振輸入，0: 使用片內(nèi)振蕩器15）RATE 數(shù)字輸入 輸出數(shù)據(jù)速率控制，0: 10Hz; 1: 80Hz16）DVDD 電源 數(shù)字電源: 2.6 5.5V5、MAX7219：MAX7219是一種集成化的串行輸入/輸出共陰極顯示驅(qū)動器,它連接微處理器與8位數(shù)字的7段數(shù)字LED顯示，也可以連接條線圖顯示器或者64個獨立的LED。其上包括一個片上的B型BCD編碼器、多路掃描回路，段字驅(qū)

23、動器，而且還有一個8*8的靜態(tài)RAM用來存儲每一個數(shù)據(jù)。 只有一個外部寄存器用來設置各個LED的段電流。MAX7219同樣允許用戶對每一個數(shù)據(jù)選擇編碼或者不編碼。 整個設備包含一個150A的低功耗關閉模式，模擬和數(shù)字亮度控制，一個掃描限制寄存器允許用戶顯示1-8位數(shù)據(jù)，還有一個讓所有LED發(fā)光的檢測模式。 在應用時要求3V的操作電壓或segment blinking。功能特點：1 10MHz連續(xù)串行口2 獨立的LED段控制3 數(shù)字的譯碼與非譯碼選擇4 150A的低功耗關閉模式5 亮度的數(shù)字和模擬控制6 高電壓中斷顯示7 共陰極LED顯示驅(qū)動8 限制回轉(zhuǎn)電流的段驅(qū)動來減少EMI（MAX7221）

24、9 SPI, QSPI, MICROWIRE串行接口（MAX7221）10 24腳的 DIP和 SO 封裝管腳說明：1 DIN 串行數(shù)據(jù)輸入端口。在時鐘上升沿時數(shù)據(jù)被載入內(nèi)部的16位寄存器。 2,3,5-8,10,11 DIG 0DIG7 八個數(shù)據(jù)驅(qū)動線路置顯示器共陰極為低電平。關閉時7219此管腳輸出高電平，7221呈現(xiàn)高阻抗。4,9 GND 地線 （4腳和9腳必須同時接地）12 LOAD (MAX7219) 載入數(shù)據(jù)。連續(xù)數(shù)據(jù)的后16位在LOAD端的上升沿時被鎖定。CS (MAX7221) 片選端。該端為低電平時串行數(shù)據(jù)被載入移位寄存器。連續(xù)數(shù)據(jù)的后16位在cs端的上升沿時被鎖定。13 C

25、LK 時鐘序列輸入端。最大速率為 10MHz.在時鐘的上升沿， 數(shù)據(jù)移入內(nèi)部移位寄存器。 下降沿時， 數(shù)據(jù)從DOUT端輸出。對MAX7221來說，只有當cs端為低電平時時鐘輸入才有效。14-17,20-23 SEG 7 段和小數(shù)點驅(qū)動，為顯示器提供電流。當一個段驅(qū)ASEG G, 動關閉時，7219的此端呈低電平，7221呈現(xiàn)高阻抗。DP18 SET 通過一個電阻連接到VDD 來提高段電流。19 V+ 正極電壓輸入，+5V24 DOUT 串行數(shù)據(jù)輸出端口，從DIN輸入的數(shù)據(jù)在16.5個時鐘周期后在此端有效。當使用多個MAX7219/MAX7221時用此端方便擴展。3.2 壓力傳感器能感受壓力并轉(zhuǎn)

26、換成可用輸出信號的傳感器稱為壓力傳感器。壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應用于各種工業(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、機床、管道等眾多行業(yè)。壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器。一般普通壓力傳感器的輸出為模擬信號，模擬信號是指信息參數(shù)在給定范圍內(nèi)表現(xiàn)為連續(xù)的信號。 或在一段連續(xù)的時間間隔內(nèi)，其代表信息的特征量可以在任意瞬間呈現(xiàn)為任意數(shù)值的信號。而我們通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。壓力傳感器是使用最為廣泛的一種傳感器。傳統(tǒng)的壓力傳感器以機械結構型的器件為主，以彈

27、性元件的形變指示壓力，但這種結構尺寸大、質(zhì)量輕，不能提供電學輸出。隨著半導體技術的發(fā)展，半導體壓力傳感器也應運而生。其特點是體積小、質(zhì)量輕、準確度高、溫度特性好。特別是隨著MEMS技術的發(fā)展，半導體傳感器向著微型化發(fā)展，而且其功耗小、可靠性高。半導體壓力傳感器：半導體壓電阻抗擴散壓力傳感器是在薄片表面形成半導體變形壓力，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。本系統(tǒng)采用的是此壓力傳感器。壓力傳感器位于井下，壓力傳感器采集壓力，將阻抗的變化轉(zhuǎn)換為電信號傳給下一個設備采樣板。3.3 采樣板 采樣板主要是由芯片HX711組成的，主要的功能就是進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。也就是將

28、壓力傳感器傳來的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。輸出的電壓在2.6v到5.5v之間，屬于低電平,可以直接與單片機相連。此模塊位于井下。 主要的工作過程：首先接收來自壓力傳感器的模擬信號，通過通道A的模擬輸入（VFB4號引腳）將模擬信號輸入到程序區(qū)，經(jīng)過處理后，將轉(zhuǎn)換后的信號通過數(shù)字輸出端（DOUT12引腳）將數(shù)字信號輸出來，傳送到下一個設備。原理圖如下：3.4 系統(tǒng)采集端3.4.1 采集端的模塊組成及其原理圖系統(tǒng)采集端主要是由單片機STC89C52、MAX485、MAX232、晶振電路、復位電路、排阻、排針等組成的。位于井下。晶振電路是單片機的重要組成部分，晶振電路主要是由兩個電容和一個晶振組成。

29、其主要作用就是給單片機提供工作脈沖的。這個工作脈沖就是單片機的工作速度（12M/s）。晶振也可以說是單片機的時鐘，有著固定穩(wěn)固的頻率（11.0592Mhz/s）是一個標準，如果沒有晶振電路，單片機的整個程序有可能運行不了。整個系統(tǒng)都會不正常工作。 復位電路：復位電路接在單片機的9號引腳上的。有兩種復位方式：手動復位、上電復位。復位條件，當系統(tǒng)處于正常的工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，若RST引腳上有一個高電平并且維持2個機器周期以上，則CPU就可以相應并將系統(tǒng)復位。主要作用就是進行系統(tǒng)初始化的。原理圖如下： 采集端原理圖3.4.2 采集端的工作過程 首先，MAX232將電平轉(zhuǎn)換（TTL電平和RS-

30、232之間的轉(zhuǎn)換）后通過串行輸入（RXD）和串行輸出（TXD）連接單片機STC89C52和計算機，通過計算機寫入程序，然后單片機的串行模塊把數(shù)據(jù)送到程序區(qū)。這時已經(jīng)啟用了P3口的第二功能，可以用來作為串行輸出。 3.5 系統(tǒng)控制端3.5.1 控制端的組成模塊及其原理圖系統(tǒng)控制端主要由單片機、晶振電路、復位電路、通信模塊、報警電路、電源模塊和數(shù)碼顯示模塊組成。此設備是設在井上的。晶振電路和復位電路和采集端的功能相同。電源模塊主要控制整個系統(tǒng)的運行與否的。排阻的作用主要是負載阻抗與電源內(nèi)阻抗或傳輸線波阻抗之間的特定配合關系。原理圖如下所示： 圖3-1 控制端原理圖3.5.2 控制端的工作過程 首先

31、，MAX232將電平轉(zhuǎn)換（TTL電平和RS-232之間的轉(zhuǎn)換）后通過串行輸入（RXD）和串行輸出（TXD）連接單片機STC89C52和計算機，通過計算機寫入程序，然后單片機的串行模塊把數(shù)據(jù)送到程序區(qū)。這時已經(jīng)啟用了P3口的第二功能，可以用來作為串行輸出。 3.6 數(shù)碼管顯示模塊大數(shù)碼管顯示模塊組要是由芯片MAX7219、74HC04、三極管、電阻等組成。原理圖如下： 圖3-4 數(shù)碼管顯示模塊原理圖數(shù)碼顯示模塊用MAX7219芯片進行驅(qū)動，MAX7219是一種集成化的串行輸入/輸出共陰極驅(qū)動器，他連接微處理器與8位數(shù)字的7段數(shù)字LED顯示。它本身具有緩沖及其譯碼器電路的功能。每一片MAX7219

32、最多可以驅(qū)動8位LED，可以保存8位LED數(shù)據(jù)，不僅使用方便，連線簡單，而且可以串聯(lián)，減少了軟件的設計，簡化了硬件電路的設計。該芯片有獨立的發(fā)光二極管段控制，譯碼和非譯碼兩種顯示方式，模擬和數(shù)字兩種控制方式。綜上所訴，MAX7219是高性能的顯示驅(qū)動器，主要特點就是占用CPU的輸入輸出接口少。主要工作過程：接收來自控制端的P2口輸出的數(shù)字信號，這時數(shù)碼顯示模塊的MAX7219驅(qū)動8位數(shù)字的LED顯示數(shù)據(jù)。3.7 系統(tǒng)的報警報警電路組要由繼電器和三極管組成，其組要作用就是警示。警報器報警有單頻音和音樂報警兩種方法。這兩種方法都有自己的特點。我們的這一模塊采用的是單頻音報警。因為報警接口比較簡單，

33、采用是電鈴和壓電蜂鳴器的方式發(fā)音的發(fā)音器件。并且我們設計的這一電路還有復位電路的功能。3.8 通信模塊 通信模塊主要包括兩個芯片：MAX232、MAX485。3.8.1 MAX232MAX232芯片專為RS-232標準串口設計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5v單電源供電。計算機與單片機之間的通信就是通過MAX232的串行接口RS-232進行連接的。RS-232的接口標準： 在要求通信距離為幾十米到上千米時，采用RS-485標準。RS-485采用平衡發(fā)送和接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200MV的電壓，故傳輸信號能在千米之外得到恢復。RS-485采用半雙工

34、的工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由能使信號加以控制。RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉很多信號線。應用RS-485可以聯(lián)網(wǎng)構成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動器和32臺接收器。有線通信采集端和控制端是通過有線通信的。有線通信的信號穩(wěn)定，抗干擾效果好，對人體輻射小，安全可靠，而且有線通信的安全性和穩(wěn)定性是無線通信不能取代的，所以本系統(tǒng)采用了有線通信。第四章 系統(tǒng)的軟件設計4.1 系統(tǒng)總流程圖 首先壓力傳感器采集到壓力值，此時是模擬信號，然后通過芯片HX711的模擬輸入和輸出端將信號傳到采樣板，采樣板上的芯片HX711將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后通過單片機的

35、P2口將信號傳送到采集端的單片機，單片機通過MAX232讀入程序，這時采集端的單片機開始執(zhí)行程序，對程序進行分析和處理，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)字信號傳送到控制端，這時控制端也是先通過MAX232讀入程序，控制端的單片機開始執(zhí)行程序，對此分析和處理，一方面通過單片機P0口將信號傳送到報警器，另一方面通過單片機的P2口將信號傳輸?shù)綌?shù)碼顯示器。如果大于額定值系統(tǒng)的報警器就會報警。 圖4-1系統(tǒng)總流程圖4.2 采集端流程圖 采集端首先通過MAX232讀入程序，接收來自采樣板的數(shù)字信號，開始執(zhí)行程序，分析和處理后，通過串行輸出口連接MAX485（通過無線傳輸）將

36、信號傳送到控制端。 圖42系統(tǒng)采集端流程圖4.3 控制端流程圖 首先，系統(tǒng)控制端通過MAX232連接單片機的串行輸入口讀入程序，接收來自采集端的數(shù)字信號，單片機開始執(zhí)行程序，對程序進行分析和處理，判斷是否大于額定值，如果大于額定值，一方面將信號通過單片機的P0口傳輸?shù)綀缶鳎@時報警器報警；另一方面，將信號通過單片機的P2口傳輸?shù)綌?shù)碼顯示器，數(shù)碼顯示器顯示壓力值。如果小于壓力值，控制端只把信號通過P2口傳輸?shù)綌?shù)碼顯示器上，數(shù)碼顯示器顯示壓力值。 圖4-3 系統(tǒng)控制端流程圖4.4設計過程中遇到的問題及其體會 在編程的過程中，程序經(jīng)常有錯誤，而且運行不了，怎么都檢查不出來，后來才知道是開始的封裝和

37、大小寫的錯誤，所以，我覺得，無論做什么事情都得一絲不茍。其次，就是在畫原理圖時，有些元器件的封裝經(jīng)常搞混，導致在后來做PCB板的時候好用了很大的精力。在這一過程中，我查閱了很多的資料，學習了C語言，數(shù)據(jù)庫，DSP，單片機等，收獲了很多。在今后的工作和學習中，我會更加的努力，學好自己的專業(yè)知識。努力使自己成為綜合性人才。附錄 主控制板程序源程序如下：#include#includeSbit DE=P35;Sbit led_in=P20;Sbit buzzer=p22;Unsigned char dat4=0,0,0,0;Long int G;Int flag=0;#define G_sos 10000Void int()TMOD=0x20;TH1=0xfd;TL1=0x50;SCON=0x50;T1=0;ES=1;EA=1;TR1=1;DE=0;main()Init();initDisplay();while(1)If(flag=4)Write Word(Digit0,G%10);Write Word(Dig