通用型礦用本安壓力變送器的研制

摘要:壓力變送器主要用于壓力信號的測量和變換處理。在煤礦井下的壓力變送器通常用來測量支架壓力、錨桿(索)應(yīng)力、礦井水壓等,不同應(yīng)用場合的壓力變送器不能夠相互替換，即不具有通用性。針對這一問題,我們提出一種通用的礦用本安壓力變送器的解決辦法，該變送器輸出200-1000赫茲頻率信號，通過選擇接線、撥碼設(shè)置即可將其應(yīng)用于不同的測量場合。
       壓力變送器”是煤礦安全生產(chǎn)過程中最重要的基礎(chǔ)自動化設(shè)備之一,主要完成壓力信號的測量和變換處理。在眾多的礦用監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)科技項(xiàng)目中,由于各個(gè)生產(chǎn)廠家的需求不同，在應(yīng)用壓力變送器進(jìn)行系統(tǒng)關(guān)聯(lián)時(shí)，出現(xiàn)了壓力變送器型號多、通用性差的問題。為了解決現(xiàn)有礦用本安壓力變送器通.用性差的問題,提出了研制一種通用性強(qiáng)的礦用本安壓力變送器。此外，礦用壓力變送器用量較大,市.場前景非常廣闊。
1技術(shù)研制
1.1通用性需求分析
       礦用本安壓力變送器是能夠滿足煤礦井下使用的,可以將壓力探頭輸出的毫伏級電壓信號或0~5V電壓信號經(jīng)過處理后,變換成能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男盘栔剖健Ｍǔ５男盘栔剖接?4~20mA電流.信號、200~1000Hz頻率信號及總線信號等。
       為了實(shí)現(xiàn)礦用本安型壓力變送器的通用性,需要完成的功能有以下幾點(diǎn):①為了達(dá)到監(jiān)測不同數(shù)據(jù)的硬件要求，需要增加輸入接口,以適應(yīng)不同信號的輸入，可對毫伏級信號及0~5V電壓信號進(jìn)行處理。②需要增設(shè)撥碼開關(guān),配合自主編制的多套監(jiān)測程序,軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)同一檢測設(shè)備,可以對支架壓力、錨索應(yīng)力、水壓、水位等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理。③需要增設(shè)JTAG接口，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的ISP在線編程，更好地增強(qiáng)了設(shè)備的通用性。④需要實(shí)現(xiàn)0~10MPa量程數(shù)據(jù)顯示，誤差0.1MPa;200~1000Hz頻率輸出,誤差不大于1Hz。通過調(diào)整程序也可達(dá)到0~60MPa量程。⑤關(guān)鍵器件盡量采用表貼封裝，以縮小變送器外形尺寸，節(jié)省空間。
1.2工作原理.
       礦用本安型壓力變送器工作原理圖早如圖1所示。單片機(jī)對信號進(jìn)行采集,經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號經(jīng)過放大、位換算、阻尼、開方等一-系列運(yùn)算,轉(zhuǎn)換輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號或者頻率信號，并送到顯示模塊進(jìn)行顯示，方便用戶讀取。同時(shí)將數(shù)據(jù)保存在EEPROM內(nèi)，即使斷電數(shù)據(jù)也保存完整。

1.3實(shí)驗(yàn)板設(shè)計(jì)
       在對礦用本安型壓力變送器的需求進(jìn)行分析，完成其通用性設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的礦用本安壓力變送器是由AT89s52單片機(jī)單元、電源變換單元、信號放大單元、存儲電路單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、頻率信號驅(qū)動電路單元、顯示器、撥碼開關(guān)等組成。單片機(jī)最小系統(tǒng)包括外部晶體振蕩器、硬件復(fù)位電路及ISP編程接口,其中硬件復(fù)位電路可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的上電復(fù)位、欠壓復(fù)位及看門狗定時(shí)復(fù)位。礦用本安型壓力變送器電路原理圖如圖2所示:
       如圖所示:礦用本安壓力變送器包括了由U1、U9等構(gòu)成的單片機(jī)系統(tǒng);由U3、U4等構(gòu)成的電源變換電路單元;由U6等構(gòu)成的信號放大器;由U5等構(gòu)成的A/D轉(zhuǎn)換器;由U8等構(gòu)成的存儲電路單元;由U7等構(gòu)成的頻率信號驅(qū)動電路單元
       工作時(shí)，接入的直流電壓通過二極管進(jìn)行隔離.和反向保護(hù),通過增加一級串接功率電阻的方式達(dá)到降低三端線性穩(wěn)壓器的輸入電壓，從而減小三端穩(wěn)壓器的功率損耗。設(shè)計(jì)了兩級三端穩(wěn)壓電路，目的是分別得到12VDC和5VDC電壓，以便滿足不同的應(yīng)用需求。轉(zhuǎn)換得到的5VDC電壓，一是接入到板.上其他各電路單元作為供電電源，一是接入到U4輸入引腳，進(jìn)而產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換芯片所需的5VDC電壓。

       通過調(diào)整電阻R63阻值,可調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器的放大倍數(shù);調(diào)整信號分壓電阻R51、R52阻值，即可實(shí)現(xiàn)對輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的信號范圍調(diào)節(jié)，又可將探頭輸出的高于5VDC信號進(jìn)行降壓處理，增大壓力變送器的信號處理范圍;設(shè)置J3跳線，作用是實(shí)現(xiàn)信號放大器與A/D轉(zhuǎn)換器的分離與連接。設(shè)置J7按鍵,可以完成變送器測試數(shù)據(jù)的清零調(diào)校。設(shè)計(jì)電位器R2可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)液晶顯示器的亮度。
       現(xiàn)已將設(shè)計(jì)完成的礦用本安型壓力變送器的實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行加工焊接,樣機(jī)圖如圖3所示:

2實(shí)施方式
       本設(shè)計(jì)可以選擇16種不同量程范圍的壓力變送器。在測量前，首先判斷是哪一類的信號和哪一個(gè)量程范圍的信號，同時(shí)將撥碼開關(guān)置于相應(yīng)的位置上。撥碼開關(guān)的設(shè)計(jì)解決了不同應(yīng)用場合壓力變送器的通用性。當(dāng)測量時(shí)，將壓力變送器接入相應(yīng)的電路中,并采用24V直流給其供電,經(jīng)過內(nèi)部的信號放大、AD轉(zhuǎn)換等-系列的信號處理后，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測量，顯示測量的數(shù)據(jù)，與此同時(shí)將測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，方便日后的讀取。此外，也可以根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，調(diào)節(jié)電位器R,以改變液晶顯示器的亮度。
3結(jié)語
       根據(jù)實(shí)際需求情況,我們設(shè)計(jì)研制出一種通用的本安型礦用壓力變送器。該壓力變送器可以通過它將監(jiān)測到的信號轉(zhuǎn)換成電信號,并在液晶上顯示，同時(shí)能夠以通訊協(xié)議的方式輸出。設(shè)計(jì)中四位撥碼.開關(guān)S,,根據(jù)單片機(jī)程序存儲空間容量大小，最多可選擇16種不同量程范圍的壓力變送器。
       本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)靈活.有效解決了礦用本安壓力變送器通用性差的問題。滿足適用于應(yīng)用于支架壓，力監(jiān)測系統(tǒng)、頂板動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、水害預(yù)警系統(tǒng)中有關(guān)壓力數(shù)據(jù)的采集、顯示、傳輸。同時(shí)還可適用于各類煤礦井下監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中。