智能型数字压力计的设计与在煤矿下的应用

1、.PAGE ：.；智能型数字压力计的设计与在煤矿下的运用目录 TOC o - h z u HYPERLINK l _Toc 摘要 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc ABSTRACT PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 第一章绪论 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .课题研讨背景和意义 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .煤矿压力计的开展方向 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .论文的主要任务 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _

2、Toc 第二章总体设计方案 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .煤矿数字压力计的主要功能 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 煤矿数字压力计的技术目的 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 煤矿数字压力计的总体设计框图 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 第三章智能型数字压力计模块设计 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 硬件电路概述 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 微控芯片的简介 PAGEREF _Toc

3、h HYPERLINK l _Toc . 压力变送模块的设计 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 压阻式压力传感器的丈量原理 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 小信号采集变换模块 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . A/D采样模块 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 红外采集模块的设计 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 红外发送模块的设计 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 红外接纳模块的设计 PAG

4、EREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 其他相关电路的设计 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 低功耗电源电路设计 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 压力显示模块设计 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 数据存储模块设计 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 本章小结 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 第四章上位机监控分析软件的设计 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 软件开发软、硬件

5、环境 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 软件总体功能概述 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 软件子模块引见 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 数据通讯子模块 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 系统参数设置子模块 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 数据查询模块 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 数据图表分析模块- PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 数据库管理模块

6、 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 本章小结 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 第五章总结与展望 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 参考文献： PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 附录： 采集终端原理图 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 附件：智能型数字压力采集终端 PAGEREF _Toc h 摘要近年来，我国煤矿平安事故频繁发生，其中主要是瓦斯和顶板事故，煤矿顶板事故对矿井平安消费危害极大。从我国煤矿事故统计来看，顶板事故不断居各类事故之首

7、。对煤矿顶板的压力情况进展监测与控制是减少顶板事故和实现矿山科学管理最有效的手段之一。然而目前我国绝大多数煤矿井下顶板压力检测普通采用机械式、液压式观测仪器，精度低，任务效率低下。而国外较先进的矿井压力监测系统，配置复杂，采用有线的通讯方式，布线、维护也比较困难。因此，研制一种新型的丈量精度高、待机时间长、通讯简便、价钱适中、操作方便、任务性能优良的便携式煤矿压力观测设备势在必行。本文根据煤矿平安规范，仔细分析了目前我国各种矿山压力观测仪器存在的缺乏，思索到煤矿井下的实践环境，研制了一种基于红外线数据采集的新型煤矿压力采集和智能分析系统。该系统由两部分组成，即智能型煤矿压力数据采集安装和上位机

8、智能化分析软件，前者采用了低功耗微处置机PICF实现数据采集，后者利用微机强大的处置才干实现压力数据的度量与分析。整个系统采用低功耗设计，其中，煤矿压力数据采集安装可以定时采集和存储顶板压力数据、红外线接纳命令后将格式化压力数据和本身编号一同发送出去、中断触发现场显示当前的压力数据。上位机智能分析软件采用图形化界面显示，一切功能经过鼠标即可操作。该软件实现系统初始化、串口接纳并存储煤矿压力数据采集安装的压力数据、图表显示各个采集点压力数据、分析各个采集点压力数据和数据库备份、恢复和删除等操作。首先，文章简要的论述了采集安装的功能划分、总体思想设计、通讯方式的选取。然后分别根据采集安装的功能要求

9、，对其硬件电路设计和软件程序设计部分展开详细的引见。经过实践运用证明，本系统的硬件和软件程序任务可靠，操作方便。整个系统具有丈量精度高、体积小、功耗低等特点。它的研制对提高我国煤矿顶板压力检测的自动化程度，保证我国煤炭行业的高效率平安消费有重要的意义。关键字:矿山压力检测、数据采集、智能化分析、低功耗、压力传感器ABSTRACTIn recent years, Chinas coal mine safety accidents, most of which are gas and roof accidents, have occurred frequently, and roof accide

10、nts have great harm on safe production of mine. According to the statistics from Chinas coal mine accidents, we can see that roof accidents have been the top among various types of accidents. Monitoring and controlling the pressure on the roof of mine is one of the most effective means to reduce roo

11、f accidents and realize the scientific management of mine. However, mechanical, hydraulic observation instruments are used in majority of Chinas coal mine roof pressure test, and their precision and work efficiency are low. The more advanced foreign mine pressure monitoring systems configure with co

12、mplexity, by means of wired communication, thus, the wiring and maintenance is also more difficult. Therefore, the development of a new type of portable coal mine pressure observation equipment of high accuracy, long standby time, and simple communication, affordable, easy to operate, good work perf

13、ormance is imperative.Based on the safety standards of coal mine, that paper analyzes the deficiencies of current various pressure observation equipment of mining carefully. Taking into account the actual coal mine environment, a new type of coal mine pressure acquisition and intelligent analysis sy

14、stem based on the infrared data collection has been developed. The system is formed by two components, intelligent mine pressure data acquisition device and intelligent analysis software of host computer, the former adopts a low-power microprocessor PICF to acquire the data, and the latter uses the

15、processing power of computer to achieve the measurement and analysis of pressure data. The entire system uses low-power design, in which coal pressure data acquisition device can capture and store roof pressure data timing; infrared send out the formatted pressure data together with their own number

16、s after receiving the command，interrupt triggering on-site displays the current pressure data. The intelligent analysis software of host display by graphical interface, all functions can be operated by mouse. The software could achieve such functions as system initialization, serial ports receiving

17、and storing the coal mine pressure data and pressure data of acquisition device, showing the pressure data of various collection points by chart, analysis the pressure data of various collection points, and backup, restore, and delete of database.First, the paper briefly describes the function divis

18、ion of collecting devices and the overall design. And then introduces its hardware circuit design and software programming part in detail according to the functional requirements of collected device. Practical use proves that the hardware and software of the system work reliably and are easy to oper

19、ate. The whole system has such consumptions as high accuracy, small size and low power. Its research and development have an important significance on improving the automation degree of Chinas coal mine roof pressure test and ensuring the high efficiency and safe production of Chinas coal industry.

20、Keywords: pressure test of rock, data collection, intelligent analysis, low-power, pressure sensor绪论课题研讨背景和意义煤炭是我国最重要的一次性能源，煤炭工业是国民经济的主要根底产业，对国家经济开展起着重要作用。但是煤炭行业由于资源存在条件特殊、任务环境恶劣等要素。近年来，煤矿重特大事故时有发生，平安消费情势非常严峻。所以高技术、智能化丈量监控设备已成为煤矿开采不可或缺的辅助设备。早在年原煤炭工业部颁发的第条“矿山压力丈量中规定:“各矿区对采煤任务面和井巷进展矿压观测，根据岩层性质、顶板压力、顶板

21、下沉量和下沉速度、放顶步距、周期来压等数据，逐渐摸清本矿区的矿压规律，制定本矿区的顶板分类规范。作为采区设计、巷道布置、设备选型、支护设计、顶板控制的根据。这充分的阐明了矿山压力观测的重要性及在煤矿消费中的位置。随着科学技术的开展，液压技术在煤炭采掘机械中得到了愈来愈广泛的运用。目前，我国绝大多数煤矿回采任务面采用自移式液压支架，它以高压液体为动力，由金属构件和假设干液压元件组成，使支架的支撑、切顶、移架和保送机推移等工序全部实现了机械化。液压支架的运用大大地改善了回采任务面的任务条件、降低了人们的劳动强度，有效地添加了劳动平安性，使任务面的产量和效率得到了很大的提高，并为任务面的自动化发明了

22、条件。在液压系统中，压力是非常重要的参数，当压力超越或低于限定值时系统就会发生缺点，从而对人身和财富平安构成很大要挟。液压检测不仅可以为综采支架支撑的任务阻力和顶板压力情况提供可靠的数据，而且可以经过分析该数据来预测顶板压力，预防事故发生。可见，液压支架的压力检测是非常重要的。这里提到的压力，实践上指的是压强，即作用在单位面积上的压力，国际单位为Pa。由于实践任务中，压力的任务介质为气体、油和水，而这些任务介质可以传送的只需压强。压力计量实指对压强的计量。目前国内大多数煤矿对支架压力参数检测均运用传统的机械式液压丈量仪表(通常称为机械圆图仪)。这类仪表对支架压力参数的获取是靠指针在记录纸上挪动

23、来记录数据，经常由于记录纸的伸缩性、曲线线条的宽度等因数，使得仪表的精度低、误差大，读数困难。还有一些煤矿上运用数字压力计，将压力采集后送数码管显示。以上方式都需求人工记录，劳动量大其容易出错。有一些较先进的矿用压力监测系统主要任务方式是将矿井下压力、温度等数据采集到后，经过公用电缆或线等方式传送到井上，然后再用计算机对这些数据进展分析处置、打印等。虽然这种系统可延续进展监测，信息容量大，处置功能强，并能提早进展人工预告和声光报警，可以大大提高监测质量，减少事故发生，但同时亦存在着价钱昂贵、系统配置复杂和布线、维护困难等缺陷。因此，为了提高煤矿中压力观测效率、保证煤矿平安消费，研制一种新型的丈

24、量精度高、待机时间长、通讯简便、价钱适中、操作方便、任务性能优良的便携式煤矿压力观测设备势在必行。煤矿压力计的开展方向根据煤矿中压力研讨的报导，和电子检测设备在工业化领域的开展，我国的矿用压力观测仪器开展方向应如下。.矿压仪器研制应优先开展电子化。采用传感器和数据采集器直接相连的信号传输系 统，运用单片机技术进展数据采集和预处置，然后经过接口将数据输入微机进展进一步处置，并对采集现场顶板动态做出预测预告。.矿压仪器应向智能化方向开展，并应满足数显直接读的要求、自动量程控制机制和具有自动化报警安装。.矿压仪器应向低功耗方向开展，改动以前那种笨重的电源系统。由于矿下条件恶劣，丈量仪器普通都要进展密

25、封处置，这样低功耗是必需的，要让丈量设备装入电池在矿下延续任务半年以上。.矿压仪器应向小型化和便携式且安装维修方便的方向开展。这样就可以在矿下运用而不影响液压设备的任务。.思索到国情和经济才干，应优先开展并采用适宜于普通情况下的井下数据数据采集和地面中心计算机上处置系统的组合方式的顶板动态监测智能系统。在中央计算机和采集器之间经过接口通讯，传输数据信息，既可防止人工输入数据的费事，又可防止设置井下分站和运用传输电缆经济性差的缺陷，同时还可以实现延续监测，适时预告以及日常的顶板动态监控和消费管理任务，在巩固顶板矿区特别是具有冲击地压矿井，或者具有雄厚经济实力的大型矿井，条件答应时，应优先思索运用

26、全套的顶板计算机检测系统。论文的主要任务本文根据我国目前煤矿压力检测的实践情况，设计了一种智能型数字压力采集设备和智能分析系统。该采集器主要实现了定时采集和保管压力数据、红外发送和接纳压力数据和命令信息，分析系统实现数据异步搜集分析压力数据并进展图表显示。本文根据系统的设计要求，主要做了以下两个方面的任务:.智能型煤矿压力数据采集安装的研制该安装的主要功能:、定时采集由顶板压力传感器传送过来压力信号，对压力数据进展初步的校验，并和时间信息一同按规定格式存储到铁电EEPROM中。、三端红外接纳器收到采集指令后，将曾经储存的压力数据和本身编号一同经过红外发送电路发送出去。 = * GB 、手电筒照

27、射触发中断，在中断里面对当前的压力进展采集并显示到高亮度数码管上。根据煤矿压力数据采集安装的功能要求，本文分别从硬件和软件两个方面入手进展设计。硬件设计内容主要包括:红外数据传输电路、顶板压力数据存储电路、传感器信号采集电路、数据显示电路、低功耗电源电路等。软件设计时采用模块化设计，将整个功能分成各个小功能模块实现，这样大大减小了开发难度。软件设计内容包括:系统初始化子程序、压力数据采集、数据格式化存储子程序、中断子程序、红外通讯子程序。.上位机智能分析软件的设计该智能分析软件采用Delphi图形化界面，主要可以实现的功能有:、串口接纳并存储煤矿压力数据采集安装的压力数据;、对任务系统进展初始

28、化设置;、图表显示各个采集点压力数据:、分析各个采集点压力数据;、数据库进展备份、恢复和删除操作。总体设计方案.煤矿数字压力计的主要功能该数字压力计主要用于煤矿井下综采支架任务阻力检测记录。系统主要功能可以总结为以下几点：由电脑控制定时采集各点压力传感器的压力信号，系统默许采集压力数据的时间为分钟， 且可以延续记录天的数据收到白光照射时可以实时显示当前支柱的压力。采用红外无线通讯将数据上传到手持采集终端便于数据整理分析。压力采集器在掉电时数据维护不丧失；电池供电，改换一次电池可延续任务个月。智能处置软件至少可以运转在Window /XP操作系统下；可以对指定的采集层面进展原始压力数据查询；经过

29、对任务阻力的均方差、初撑力、末阻力曲线的对比分析对压力数据进展图表曲线显示；可以对压力数据库进展智能化管理包括数据备份、数据恢复和数据删除等根本操作。. 煤矿数字压力计的技术目的量 程 Mpa精 度 级丈量点数 点引 压 孔 mm(国标公制) 显示方式 LED 数字显示触发方式 手电筒cc的光照防爆标志 ExibI电 源 DC V 四节一号电池通讯方式 红外无线通讯. 煤矿数字压力计的总体设计框图智能型数字压力计的实物如附件所示。根据煤矿压力数据采集安装要实现的功能，该安装的硬件电路主要有以下几个部分组成：电源监控电路、主控芯片电路、压力传感器采集电路、压力数据存储电路、实时数据显示电路、红外

30、数据传输电路。该数字压力计的任务原理如图-所示。图- ：数字压力计的硬件框图电源监控电路：采用业内功耗最低的PIC单片机作为系统监控中心，采用.k的低频率晶振，一是为了降低功耗、二是为了产生比较准确的时钟信号。该模块每隔分钟给系统供电一次，让主控芯片进展一次压力采集并存储。同时该模块遭到触发时也会给系统供电进展采样同时把采样的值实时显示在数码管上。信号放大采样电路：采用低噪声、低漂流、高共模抑制比的小信号放大芯片电路，信号放大后经过TLC采样。TLC为bit的A/D采样芯片，其采样分辨率为128.大约为.，加上电阻转换大约为.的误差，所以整个采集安装的精度(-.%)*(-.%).,大约.的精度

31、，满足技术目的的精度要求。存储、显示电路：将采集的压力同时间格式化保管到铁电存储芯片中，系统选用铁电存储芯片的容量为k，每天存储的数据量大约为k，所以系统可以满足要求。红外传输电路：该部分分为两部分，一是红外接纳主要担任采集触发指令，二是红外发送主要担任将数据经过k载波调制发送到采集设备便于数据整理分析。智能型数字压力计模块设计. 硬件电路概述煤矿压力数据采集安装的硬件功能框图如图-所示。该安装的主要功能是压力数据采集、存储和红外传输。因此，煤矿压力数据采集安装的硬件电路应该有以下几个部分组成:电源监控电路、压力传感器信号变换电路、红外数据传输电路、压力数据存储电路和压力数据实时显示电路。煤矿

32、压力数据采集系统的硬件原理图见附录 图- 煤矿数字压力计的硬件框图. 微控芯片的简介该系统的微控芯片主要有两个，一是电源监控芯片PICF，一是主采样芯片ATS。ATS是系列里面一款性价比最高的单片机，该单片机拥有个定时器，K的程序存储空间，丰富的片上资源。PICF是微芯公司的低功耗单片机，具有优越的稳定性和低廉的价钱，其主要特性如下:任务速度：DC MHz时钟输入，DC ns 指令周期中断才干多达个内部/ 外部中断源层深硬件堆栈直接、间接和相对寻址方式上电复位Power-on Reset， POR上电延时定时器Power-up Timer， PWRT和振荡器起振定时器Oscillator St

33、art-up Timer，OST看门狗定时器Watchdog Timer， WDT，带片上RC 振荡器，确保可靠任务双阈值欠压复位电路. VBOR 典型值. VBOR 典型值可编程代码维护节能休眠方式可供选择的振荡器选项在线串行编程In-Circuit Serial Programming，ICSP宽任务电压范围：工业级：.V 至.V扩展级：.V 至.V高灌/ 拉电流：/mA宽温度范围：工业级：-C 至C扩展级：-C 至C待机电流：.V时典型值为nA任务电流：kHz、.V 时典型值为AMHz、.V 时典型值为A看门狗定时器电流：.V时典型值为ATimer振荡器电流：kHz、.V 时典型值为.A

34、Timer：带有位预分频器的 位定时器/ 计数器Timer：带有预分频器的 位定时器/ 计数器，在休眠形状下可运用外部晶振/时钟信号继续任务Timer：带有 位周期存放器、预分频器和后分频器的 位定时器/计数器加强型捕捉/ 比较/PWM 模块：捕捉为 位，最大分辨率为. ns比较为 位，最大分辨率为 nsPWM最大分辨率为 位加强型PWM：单输出、半桥和全桥方式数字可编程死区延时自动封锁/ 重启位多通道模数转换器个可单独进展方向控制的I/O 引脚PORTB上的可编程弱上拉. 压力变送模块的设计. 压阻式压力传感器的丈量原理固体受力后电阻率发生变化的景象称为压阻效应。压阻式压力传感器是基于半导体

35、资料(单晶硅)的压阻效应原理制成的传感器，就是利用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制成分散压敏电阻，当硅膜片受压时，膜片的变形将使分散电阻的阻值发生变化。硅平膜片上的分散电阻通常构成桥式丈量电路，相对的桥臂电阻是对称布置的，电阻变化时，电桥输出电压与膜片所受压力成对应关系。CYG压阻式压力传感器的内部电路构造如图-所示：图- 压阻式压力传感器内部构造电路由图-可以看出，其内部为电阻电桥式构造，压敏电阻为其一桥臂。其中R、R、R均为精细电阻，且R=R=R。压力作用于压敏电阻RP，随着压力的添加RP阻值增大。精细电流源Is流入该电桥，其输出电压与RP的关系如下： UR21-RpR21+Rp+

36、2R*R*I .由式.可以看出，当R=RP时，即压力输入为大气压时，UmV。建议的输入电流为I.mA，经过对R、R、R的适中选配，实现满压力输入时电压输出的归一化，即当压力输入为满量程时，输出电压均为UF.SmV。由于压力传感器中压敏电阻的不同，每一只压力传感器丈量的压力范围是不同的。. 小信号采集变换模块由于压力传感器输出的电压范围为-mv之间，这么小的电压无法进展采样。本设计中采用了低噪声、低漂流。高共模抑制比的OP作为主运放芯片，由于该芯片是双电源供电，所以要产生-v的电压。其设计原理图如-所示：图- 小信号放大电路图中Vin为小信号输入，Vout为信号放大整形后输出到下一级，VEE为正

37、电源，VSS为负电源，R和RW构成负反响电路，R和C构成输出阻抗匹配电路。该放大器的放大倍数为R1RW1，调理RW使得输出在-.v之内。其中产生负电源的部分如图-所示:图- 负电源产生电路负电源产生电路主要用了电压反转芯片LMSDCDC变换器，该芯片加上两个电容就可以产生负电源。值得留意的是输出电容的极性衔接，地接电容的正极性。. A/D采样模块由于主采样芯片没有AD采集功能，本设计中采用外接AD模块TLC的bit采样芯片。该芯片是串行采样芯片，用到的IO资源比较少，其输入阻抗为k上一节小信号放大电路已加。德州仪器公司TI推出的TLC是广泛运用的CMOS 位A/D转换器。该芯片有一个模拟输入端

38、口，态的数据串行输出接口可以方便的和微处置器或外围设备衔接。TLC仅仅运用输入输出时钟I/O CLOCK和芯片选择CS信号控制数据。最大的输入输出时钟I/O CLOCK为.MHz。其产品特性如下：差分基准电压输入转换时间：最大us每秒访问和转换次数：到达片上软件控制采样和坚持功能全部非校准误差：.LSB低功耗：最大mW任务温度范围：TLC; -TLCI该AD转换芯片的功能框图如图-所示：图- TLC功能框图由于A/D采样需求基准源，本设计中.v的基准源由三端稳压集成片TL产生。模拟信号进入采样坚持电路，在逻辑控制造用下实现模数转换，转换时间普通为us左右，在等待一段时间后将数据实现并串变换读入

39、到主控芯片。其AD采样电路如图-所示：图- A/D采样模块电路Vin为上一节小信号放大后的输出。软件设计中涉及到片选CS、数据DATA、时钟CLK，其单片机编程如下所示：Unsigned char TLC_RD()Unsigned char i, temp; /定义部分变量For(i=;i;i+) /循环读取串行数据TLC_CLK=;Delay_us();TLC_CLK=;Delay_us(); /以上为产生一个时钟temp=temp|TLC_DATA;temp=; /读取采集数据TLC_CLK=;Delay_us();TLC_CLK=;Delay_us(); /根据要求采样终了后产生最后一个

40、时钟并释放Return temp; /前往采样值. 红外采集模块的设计. 红外发送模块的设计当接纳到用户采集指令后，采集终端要将数据经过红外的方式传输到采集器上便于统计分析。其红外发射电路如图-所示：图- 红外发射电路模块的硬件设计FRM为砷化镓红外发射二极管，NPN三极管和R组成红外发射管驱动电路，或非门和R组成开关调制电路，Data为二进制数据流，k为载波信号。为了便于通讯和应对干扰，采用自定义的红外通讯协议，该协议帧格式如表.所示： 表. 红外通讯数据帧构造前导码用户识别码用户识别反码数据信息为了节约硬件本钱，设计中k的载波经过主控单片机产生，ATS的定时器可以设计为捕捉方式、自动重载方

41、式、波特率发生器、可编程时钟输出等多种任务方式，这里设计定时器为可编程时钟输出，其内部任务原理如图-所示：图- 定时器任务在可编程时钟方式下的内部原理图由图-所示，可以经过编程在P. 引脚输出一个占空比为%的时钟信号。这个引脚除了常规的I/O 角外，还有两种可选择功能。它可以经过编程作为定时器/计数器 的外部时钟输入或占空比为%的时钟输出。当任务频率为MHZ时，时钟输出频率范围为HZ到HZ。为了把定时器配置成时钟发生器，位C/TTCON.必需清，位TOETMOD.必需置。位TRTCON.启动、停顿定时器。时钟输出频率取决于晶振频率和定时器捕捉存放器RCAPH，RCAPL的重载值，如公式所示：时

42、钟输出频率晶振频率465536-RCAP2H，RCAP2L在时钟输出方式下，定时器不会产生中断，这和定时器用作波特率发生器一样。系统晶振为M，为了获得k的载波信号，设置RCAPH，RCAPL为FF,D，这样最终获得大约.KHz的载波信号在允许的范围内。经过单片机串口以波特率为的速率依次发送前导码、用户码、用户反码、压力数据信息，串口发出的数据经过载波调制驱动红外发射管，将压力数据经过红外的方式传输出去由接纳器接纳并上传处置。. 红外接纳模块的设计红外接纳模块分为两个部分：一是采集器上面的红外数据接纳，一是压力采集终端上面的接纳恳求，图-为采集器上面的红外数据接纳部分：图- 采集器上红外采集部分

43、数据采集部分采用日本索尼公司的低噪声、高稳定性的红外接搜集成芯片CXA，该芯片是红外遥控接纳前置放大双极性集成电路，内部电路有前置放大器、自动偏置电平控制电路ABLC、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和波形整形电路等组成。CXA的技术特点主要有以下几点：低电压供电，其典型值为V；功耗低。VccV时，其典型功耗为mW；带通滤波器的中心频率可经过改动脚和电源之间的电阻进展调理，其调理的范围为-kHz。由于未运用电感，可不受磁场的干扰，因此抗干扰才干强；能与PIN光电二极管直接衔接；集电极开路输出，能直接驱动TTL或CMOS电路；脚单列只插式塑料封装。CXA的以上技术特点使得可以在系统中运用，作为

44、采集器的红外数据接纳模块可以简化硬件设计，提高产品的稳定性，其内部逻辑构造图如图-所示：图- CXA内部逻辑构造图PH能将接遭到的发射电路所发射的红外光信号转换成数十毫伏至数百毫伏的电信号，送到CXA的脚，CXA的总放大增益约为dB，以确保其脚输出的控制脉冲序列信号幅度在.V 范围内。总增益大小由脚外接的R、C决议，R越小或C越大，增益越高。C取值过大时将呵斥频率呼应变差，通常取为uF。C为检波电容，普通取.uF。CXA 采用峰值检波方式，当C容量较大时将变成平均值检波，瞬态呼应灵敏度会变低，C较小时虽然仍为峰值检波，且瞬态呼应灵敏度很高，但检波输出脉冲宽度会发生较大变动，容易呵斥解调出错而产

45、生误操作。R为带通滤波器中心频率f的外部电阻，改动R阻值，可改动载波信号的接受频率，当f偏离载波频率时，放大增益会显著下降，C为积分电容，普通取pF，取值过大，虽然可使抗干扰才干加强，但也会使输出编码脉冲的低电平继续时间增长，呵斥遥控间隔 变短。脚为输出端，CXA 处置后的脉冲信号由脚输出给后续电路以便处置。其引脚符号、功能如表.所示：表. CXA引脚符号及功能阐明引脚号符号功能IN遥控数据信号进入端此脚与地之间接红外接纳二极管C前置放大器频率特性和增益设定此脚与地之间接RC串联电路C接检波电容GND接地F设定带通滤波器的中心频率此脚与电源间接电阻C外接积分电容OUT遥控数据指令输出端Vcc外

46、接电源压力采集终端上面的红外接纳恳求比较简单，运用红外集成接纳头PB，该接纳头一旦检测到已调制的红外信号就给出低电平，产生中断。整个红外模块的软件流程图如图-所示：图- 红外数据发射模块软件流程图首先对串口的波特率、传送方式、校验位和中断方式等信息进展设置，然后等待红外恳求信息的来到，一旦有红外数据恳求就设置定时器，使得定时器任务在产生k方波的方式下来产生所要的红外载波信号，然后读取铁电里面的压力数据并加上红外数据传输协议所定义的信息将压力数据经过串口发出去，直到发送终了前往。. 其他相关电路的设计. 低功耗电源电路设计由于该压力采集器在矿下运用，为了应对矿下恶劣的环境要进展密封处置，这样改换

47、电池相当费事，根本上都是一次性长时间任务，因此功耗就比较重要。低功耗是这款产品得以运用的最根本条件，本系统中监控芯片采用业内最低功耗的PIC单片机，系统采用多级供电方式，节约不用要的浪费，其电路如图-所示：图- 系统电源控制部分电路首先系统采用节号电池供电，产生大约.v的一级电源VDD，该VDD主要是供应主控单片机进展实时监控；主控芯片根据时间节拍每隔非常钟或者红外读数恳求翻开一次Q经过TPS电源模块产生大约VmA的二级电源VCC，该VCC主要供应采样单片机ATS和红外发射显示模块，假设是红外读数恳求那么进展相应的数据传输任务，假设是分钟时间到那么翻开Q产生大约V的三级电源VEE，该VEE主要

48、供应压力传感器模块、小信号放大模块和压力数据采集模块。其他的时间系统进入睡眠方式来进一步降低功耗，经过以上手段来加长产品的运用寿命效果比较理想。. 压力显示模块设计压力数据的直观显示是该采集器的一个比较重要的功能，为了节约端口和功耗，采用低功耗的LS移位存放器对数据进展静态显示，显示时间为一路秒钟。其硬件设计电路图如图-所示：图- 压力数据显示模块LS是位移位存放器，当去除端CLEAR为低电平常，输出端QAQH均为低电平。 串行数据输入端A，B可控制数据。当 A、B 恣意一个为低电平，那么制止新数据输入，在时钟端CLOCK脉冲上升沿作用下 Q 为低电平。当 A、B有一个为高电平，那么另一个就允

49、许输入数据，并在 CLOCK 上升沿作用下决议 Q 的形状。其逻辑真值表如表.所示： 表. LS逻辑真值表 Inputs OutputsClearClockA BQ Q Q Q Q Q Q QL L L L L L L L LHL Q Q Q Q Q Q Q QHH HH Q Q Q Q Q Q QHL L Q Q Q Q Q Q QH LL Q Q Q Q Q Q Q要进展数据正确显示必需了解其时序图，然后按照时序依次送数据显示，LS的时序图如-所示： 图- LS的运转时序图由于LS的输出高电平可以直接LED发光，本系统选用共阴数码管，移位存放器的最高位作为第一路、第二路标识，根据真值表和时

50、序图对其进展编程，其单片机程序如下：led=xF,x,xD,x,x,x,xE,x,xF,x;/编码表void display_led(unsigned char data) /data：要显示的码段数据 unsigned char temp; PORT_clk=; /给LS的时钟 for(temp=;temp;temp+)/循环移位次，依次将数据送数码管显示 if( (data&X)=x ) PORT_data=; else PORT_data=; PORT_clk=; delay(); PORT_clk=; data=data; /码段数据向右移位 . 数据存储模块设计由于系统要对采集的数据

51、进展实时存储，为了保证调电后数据不丧失，本系统采用了铁电存储芯片FMCL数据存储芯片。FMCL是一款Kb的非易失性存储器，它采用先进的铁电处置技术。铁电随机存取存储器，又名FRAM，是非易失的，但该器件执行读和写操作与RAM 类似。它提供年的数据保管时间，同时消除了由EEPROM 和其他非易失性存储器导致的复杂性，开销和系统级别可靠性问题。与串行EEPROM不同，FMCL以总线速度进展写操作，无须延时。下一个总线周期可以立刻开场，无需进展数据轮询。另外，器件真正提供了无限次的写入次数，其耐用性比EEPROM 高出的程度用数量级来计量。而且，由于写操作不需求在内部提升写电路的电源供电电压。所以，

52、在写操作过程中，FRAM比EEPROM 耗费的功率要低得多。FMCL的这些功能使得它非常适宜用在需求频繁或快速写操作的非易失性存储器运用中。举例阐明，它可用在从数据采集到需求工业控制的各种运用中，在数据采集运用中，对写入数据的频率要求很高；在需求工业控制的运用中，太长时间的EEPROM写会导致数据丧失。FMCL为串行EEPROM的用户提供了适用的益处，在硬件上可以完全交换EEPROM。FMCL运用高速SPI 总线，这加强了FRAM技术的高速写性能。器件确保任务在到的工业温度范围内。图-为FMCL的内部逻辑框图：图- FMCL的内部逻辑框图FMCL是一款串行FRAM存储器。存储阵列的组织构造在逻

53、辑上划分为，它可以经过工业规范的串行外围接口或者SPI接口来访问。FRAM的功能操作与串行EEPROM很类似。FMCL与串行EEPROM的主要差别是它具有更优越的写性能，虽然它们的管脚配置一样。表.为铁电存储芯片FMCL的引脚特性描画： 表. FMCL的引脚特性描画引脚名I/O描画/CS输入片选：该管脚为低电平常使能器件。当该管脚为高电平常，器件进入低功耗的待机方式，忽略其它输入的形状，而且，一切的输出处于三态。当该管脚为低电平常，器件内部激活SCK信号。/CS的下降沿必需在每个操作码之前出现。SCK输入串行时钟：一切的I/O 活动都是与串行时钟同步的。输入在时钟的上升沿时被锁存，输出在下降沿

54、时输出。由于器件是静态的，时钟频率可以是MHz之间的恣意值且随时都可以被中断。/HOLD输入坚持：当主CPU 必需中断存储器当前的操作而执行另一个义务时，/HOLD管脚被运用。当/HOLD管脚为低电平常，当前操作被挂起。器件忽略SCK或者/CS上的任何跳变。/HOLD管脚的一切跳变必需发生在SCK 为低电平的时间内。/WP输入写维护：该管脚为低电平常对形状存放器进展写维护。由于其它的写维护特征由形状存放器控制，这个管脚的作用很重要。写维护的完好解释见下述章节。请留意，FMCL的/WP管脚功能与FM 的是不同的，FM的/WP 制止器件的一切写操作。SI输入串行输入：一切数据都是从该管脚输入到器件

55、的。该管脚在SCK的上升沿时被采样，而在其它的时间被忽略。该管脚应被驱动为一个有效的逻辑电平以满足IDD的规范。*SI可衔接到SO，用作一个单管脚的数据接口。SO输出串行输出：这是数据输出管脚。该管脚在读操作过程中被运用，在包括/HOLD为低电平的其它一切时间内都坚持为三态。数据在串行时钟的下降沿跳变。*SO可衔接到SI，用作一个单管脚的数据接口。VDD供电电源电压.V.VVSS供电地SPI接口是一个同步串行接口，它运用时钟和数据管脚。它用于支持挂在总线上的多个器件。每个器件都可以由片选激活。一旦总线主控器激活了片选，FMCL将开场监控时钟和数据线。/CS下降沿、时钟和数据之间的关系由SPI方

56、式控制。器件在每个片选的下降沿确定SPI方式。一共有四种方式，但FMCL只支持方式和。对于这两种方式，数据在SCK的上升沿时移入到FMCL，并且器件会在/CS生效之后的第一个上升沿时等待数据。假设时钟的起始形状是高电平，它在开场传输数据之前将下降以产生第一个上升沿。SPI协议由操作码控制。这些操作码指定了器件的命令。/CS生效之后，总线主控器传输的第一个字节是操作码。传输操作码之后，可以传输任何地址和数据。表.列出了这几种指令。这些操作码控制了存储器执行的功能。它们可以分为三类。第一类是无并发操作的指令。它们执行单一的功能，例如使能写操作。第二类是带一个字节的指令，写入或者读出。它们对形状存放

57、器进展操作。第三类包括了执行存储器操作的命令，这些命令后面跟随有地址和一个或更多数据字节。表. FMCL的操作码指令表称号描画操作码WREN设置写使能锁存器 bWRDI写制止 bRDSR读形状存放器 bWRSR写形状存放器 bREAD读存储器数据 bWRITE写存储器数据 b由于数据存储和读取是该系统中比较频繁又重要的操作，下面就铁电FMCL的存储器读写进展时序分析并用单片机言语实现。其中图-为存储器的写操作时序图，图-为存储器的读操作时序图：图- 存储器的写时序图存储器进展的一切的写操作都是从WREN操作码开场的。下一个操作码是WRITE。WRITE操作码之后是两个字节地址值。这是写操作的第

58、一个数据字节的开场地址。随后的字节都是数据字节，它们是延续写入的。只需总线主控器继续发布时钟信号并且坚持/CS为低电平，地址就会内部递增。假设到达最后地址FFFh，地址计数器将跳转至h。数据以MSB在前的方式写入。/CS的上升沿中止一个WRITE操作。EEPROM运用页缓冲来添加它们的写吞吐量。这使得该技术固有的缓慢的写操作得到了改善。在时钟的驱动作用下第个时钟之后，每个字节立刻写入到FRAM 阵列，所以FRAM 存储器不需求页缓冲。这允许写入任何数量的字节而无需页缓冲延迟。其单片机程序如下：#define CS x /CSP.#define SO x /SOP.#define SI x /S

59、IP.#define SCK x /SCKP.void FRAM_SPI_txByte(unsigned char data) /写数据到存储器unsigned char bits,temp;P&=CS; /片选有效temp=data;bits=x;while(bits!=x)if(temp&x) P|=SI; /数据的最高位为 else P&=SI; P|=SCK; temp=(temp)P|=SCK; temp=(tempx);/地址高八位FRAM_SPI_txByte(Address); /地址低八位for(unsigned int i=;ix);FRAM_SPI_txByte(Addr

60、ess);for(unsigned int i=;i strtoint(form.edit.text) then listbox.Items.Clear;end;数据通讯模块的编程运转界面如图-、-、-所示：首先设计一个用户选择界面，让数据可以保管到对应的数据表中，其中任务面的选择界面如图-所示：图- 任务面的选择到客户现场了解，普通矿井下有三到四个任务面，每一个任务面内的数据结合思索有一定的价值。因此本系统设计了如上所示的选择界面，用户选择不同任务面时，就把该层面一切压力数据全部搜集，便于后期处置。假设串口正常翻开那么进入如图-所示的接纳数据界面：图- 支架压力数据接纳界面确认已将红外适配器