智能型数字压力计的设计与在煤矿下的应用

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1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.智能型数数字压力力计的设设计与在在煤矿下下的应用目录摘要2ABSTTRACCT3第一章绪绪论51.1课课题研究究背景和和意义551.2煤煤矿压力力计的发发展方向向561.3论论文的主主要工作作6第二章总总体设计计方案882.1煤煤矿数字字压力计计的主要要功能882.2 煤矿数数字压力力计的技技术指标标6782.3 煤矿数数字压力力计的总总体设计计框图88第三章智智能型数数字压力力计模块块设计1103.1 硬件电电路概述述103.2 微控芯芯片的简简介1111

2、21331003.3 压力变变送模块块的设计计123.3.1 压压阻式压压力传感感器的测测量原理理123.3.2 小小信号采采集变换换模块1133.3.3 AA/D采采样模块块133.4 红外采采集模块块的设计计153.4.1 红红外发送送模块的的设计1153.4.2 红红外接收收模块的的设计1173.5 其他相相关电路路的设计计193.5.1 低低功耗电电源电路路设计1193.5.2 压压力显示示模块设设计2003.5.3 数数据存储储模块设设计2223.6 本章小小结288第四章上上位机监监控分析析软件的的设计2294.1 软件开开发软、硬硬件环境境294.2 软件总总体功能能概述2294

3、.3 软件子子模块介介绍3004.3.1数据据通信子子模块3304.3.2 系系统参数数设置子子模块3344.3.3数据据查询模模块3664.3.4数据据图表分分析模块块311-4223774.3.4 数数据库管管理模块块434.4 本章小小结444第五章总总结与展展望444参考文献献：477附录1：采集终终端原理理图500附件2：智能型型数字压压力采集集终端551摘要近年来，我国煤煤矿安全全事故频频繁发生生，其中中主要是是瓦斯和和顶板事事故，煤煤矿顶板板事故对对矿井安安全生产产危害极极大。从从我国煤煤矿事故故统计来来看，顶顶板事故故一直居居各类事事故之首首。对煤矿顶顶板的压压力情况况进行监监

4、测与控控制是减减少顶板板事故和和实现矿矿山科学学管理最最有效的的手段之之一。然而目前前我国绝绝大多数数煤矿井井下顶板板压力检检测一般般采用机机械式、液液压式观观测仪器器，精度度低，工工作效率率低下。而而国外较先先进的矿矿井压力监测系系统，配配置复杂杂，采用用有线的的通信方方式，布布线、维维护也比比较困难难。因此此，研制制一种新新型的测测量精度度高、待待机时间间长、通通信简便便、价格格适中、操操作方便便、工作作性能优优良的便便携式煤煤矿压力力观测设设备势在在必行。本文根据据煤矿安安全标准准，认真真分析了了目前我我国各种种矿山压压力观测测仪器存存在的不不足，考考虑到煤煤矿井下下的实际际环境，研研制

5、了一一种基于于红外线线数据采采集的新新型煤矿矿压力采采集和智智能分析析系统。该该系统由由两部分分组成，即即智能型型煤矿压压力数据据采集装装置和上位机机智能化化分析软软件，前者采采用了低低功耗微微处理机机PICC16FF7166实现数数据采集集，后者者利用微微机强大大的处理理能力实实现压力力数据的的度量与与分析。整个系统采用低功耗设计，其中，煤矿压力数据采集装置能够定时采集和存储顶板压力数据、红外线接收命令后将格式化压力数据和自身编号一起发送出去、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，所有功能通过鼠标即可操作。该软件实现系统初始化、串口接收并存储煤矿压力数据采集装

6、置的压力数据、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，文文章简要要的阐述述了采集集装置的的功能划划分、总总体思想想设计、通通信方式式的选取取。然后后分别根根据采集集装置的的功能要要求，对对其硬件件电路设设计和软软件程序序设计部部分展开开详细的的介绍。经经过实际际使用证证明，本本系统的的硬件和和软件程程序工作作可靠，操操作方便便。整个个系统具具有测量量精度高高、体积积小、功功耗低等等特点。它它的研制制对提高高我国煤煤矿顶板板压力检检测的自自动化程程度，保保障我国国煤炭行行业的高高效率安安全生产产有重要要的意义义。关键字:矿山压压力检测测、数据据采集

7、、智智能化分分析、低低功耗、压压力传感感器ABSTTRACCTIn rreceent yeaars, Chhinaas coaal mminee saafetty aacciidennts, moost of whiich aree gaas aand rooof aacciidennts, haave occcurrred freequeentlly, andd rooof acccideentss haave greeat harrm oon ssafee prroduuctiion of minne.AAccoordiing to thee sttatiistiics froom CCh

8、innass cooal minne aacciidennts, wee caan ssee thaat rrooff accciddentts hhavee beeen thee toop aamonng vvariiouss tyypess off accciddentts. MMoniitorringg annd cconttrolllinng tthe preessuure on thee rooof of minne iis oone of thee moost efffecttivee meeanss too reeducce rrooff accciddentts aand re

9、aalizze tthe sciienttifiic mmanaagemmentt off miine.Howweveer, mecchannicaal, hyddrauulicc obbserrvattionn innstrrumeentss arre uusedd inn maajorrityy off Chhinaas coaal mminee rooof preessuure tesst, andd thheirr prreciisioon aand worrk eeffiicieencyy arre llow.Thee moore advvancced forreiggn mmine

10、e prresssuree moonittoriing sysstemms cconffiguure witth ccompplexxityy, bby mmeanns oof wwireed ccommmuniicattionn, tthuss, tthe wirringg annd mmainntennancce iis aalsoo moore diffficcultt.Thhereeforre, thee deevellopmmentt off a neww tyype of porrtabble coaal mminee prresssuree obbserrvattionn eqq

11、uippmennt oof hhighh acccurracyy, llongg sttanddby timme, andd siimplle ccommmuniicattionn, aaffoordaablee, eeasyy too opperaate, goood worrk pperfformmancce iis iimpeerattivee.Baseed oon tthe saffetyy sttanddardds oof ccoall miine, thhis papper anaalyzzes thee deeficciennciees oof ccurrrentt vaario

12、ous preessuure obsservvatiion equuipmmentt off miininng ccareefullly. Taakinng iintoo acccouunt thee acctuaal ccoall miine envviroonmeent, a neww tyype of coaal mminee prresssuree accquiisittionn annd iinteelliigennt aanallysiis ssysttem bassed on thee innfraaredd daata colllecctioon hhas beeen ddev

13、eelopped.Thee syysteem iis fformmed by twoo coompoonennts, inntellliggentt miine preessuure datta aacquuisiitioon ddeviice andd inntellliggentt annalyysiss sooftwwaree off hoost commputter,thee foormeer aadoppts a llow-powwer miccropproccesssor PICC16FF7166 too accquiire thee daata, annd tthe lattte

14、rr usses thee prroceessiing powwer of commputter to achhievve tthe meaasurremeent andd annalyysiss off prresssuree daata.Thee enntirre ssysttem usees llow-powwer dessignn,inn whhichh cooal preessuure datta aacquuisiitioon ddeviice cann caaptuure andd sttoree rooof preessuure datta ttimiing;inffrarre

15、d sennd oout thee foormaatteed ppresssurre ddataa toogettherr wiith theeir ownn nuumbeers aftter recceivvingg thhe ccommmandd，intterrruptt trrigggeriing on-sitte ddispplayys tthe currrennt ppresssurre ddataa. TThe inttellligeent anaalyssis sofftwaare of hosst ddispplayy byy grraphhicaal iinteerfaace

16、,alll fuuncttionns ccan be opeeratted by mouuse. Thhe ssofttwarre ccoulld aachiievee suuch funnctiionss ass syysteem iinittiallizaatioon, serriall poorts rreceeiviing andd sttoriing thee cooal minne ppresssurre ddataa annd ppresssurre ddataa off accquiisittionn deevicce, shoowinng tthe preessuure da

17、tta oof vvariiouss coolleectiion poiintss byy chhartt, aanallysiis tthe preessuure datta oof vvariiouss coolleectiion poiintss, aand bacckupp, rresttoree, aand delletee off daatabbasee.Firsst, thee paaperr brrieffly desscriibess thhe ffuncctioon ddiviisioon oof ccolllecttingg deevicces andd thhe oov

18、erralll deesiggn.AAnd theen iintrroduucess itts hharddwarre ccirccuitt deesiggn aand sofftwaare proograammiing parrt iin ddetaail acccorddingg too thhe ffuncctioonall reequiiremmentts oof ccolllectted devvicee.Prractticaal uuse proovess thhat thee haardwwaree annd ssofttwarre oof tthe sysstemm woork

19、 relliabbly andd arre eeasyy too opperaate. Thhe wwholle ssysttem hass suuch connsummptiionss ass hiigh acccuraacy, smmalll siize andd loow ppoweer.IIts ressearrch andd deevellopmmentt haave an impporttantt siigniificcancce oon iimprroviing thee auutommatiion deggreee off Chhinaas coaal mminee rooof

20、 preessuure tesst aand enssuriing thee hiigh effficiienccy aand saffe pprodducttionn off Chhinaas coaal iinduustrry. Keywwordds: preessuure tesst oof rrockk, ddataa coolleectiion, inntellliggentt annalyysiss, llow-powwer, prresssuree seensoor第一章 绪论1.1 课题研究究背景和和意义煤炭是我我国最重重要的一一次性能能源，煤煤炭工业业是国民民经济的的主要基基

21、础产业业，对国国家经济济发展起起着重要要作用。但但是煤炭炭行业由由于资源源存在条条件特殊殊、工作作环境恶恶劣等因因素。近近年来，煤煤矿重特特大事故故时有发发生，安安全生产产形势十十分严峻峻。所以以高技术术、智能能化测量量监控设设备已成成为煤矿矿开采不不可或缺缺的辅助助设备。早早在19987年年原煤炭炭工业部部颁发的的煤炭炭工业技技术政策策第339条“矿山压压力测量量”中规定定1:“各矿区区对采煤煤工作面面和井巷巷进行矿矿压观测测，根据据岩层性性质、顶顶板压力力、顶板板下沉量量和下沉沉速度、放放顶步距距、周期期来压等等数据，逐逐步摸清清本矿区区的矿压压规律，制制定本矿矿区的顶顶板分类类标准。作作

22、为采区区设计、巷巷道布置置、设备备选型、支支护设计计、顶板板控制的的依据234。”这充分分的说明明了矿山山压力观观测的重重要性及及在煤矿矿生产中中的地位位。随着科学学技术的的发展，液液压技术术在煤炭炭采掘机机械中得得到了愈愈来愈广广泛的应应用。目目前，我我国绝大大多数煤煤矿回采采工作面面采用自自移式液液压支架架，它以以高压液液体为动动力，由由金属构构件和若若干液压压元件组组成，使使支架的的支撑、切切顶、移移架和输输送机推推移等工工序全部部实现了了机械化化。液压压支架的的使用大大大地改改善了回回采工作作面的工工作条件件、降低低了人们们的劳动动强度，有有效地增增加了劳劳动安全全性，使使工作面面的产

23、量量和效率率得到了了很大的的提高，并并为工作作面的自自动化创创造了条条件。在在液压系系统中，压压力是非非常重要要的参数数，当压压力超过过或低于于限定值值时系统统就会发发生故障障，从而而对人身身和财产产安全构构成很大大威胁。液液压检测测不仅可可以为综综采支架架支撑的的工作阻阻力和顶顶板压力力情况提提供可靠靠的数据据，而且且可以通通过分析析该数据据来预测测顶板压压力，预预防事故故发生2。可可见，液液压支架架的压力力检测是是非常重重要的。这这里提到到的压力力，实际际上指的的是压强强，即作作用在单单位面积积上的压压力，国国际单位位为Paa。因为为实际工工作中，压压力的工工作介质质为气体体、油和和水，而

24、而这些工工作介质质能够传传递的只只有压强强。压力力计量实实指对压压强的计计量。目前国内内大多数数煤矿对对支架压压力参数数检测均均使用传传统的机机械式液液压测量量仪表(通常称称为机械械圆图仪仪)。这类类仪表对对支架压压力参数数的获取取是靠指指针在记记录纸上上移动来来记录数数据，常常常由于于记录纸纸的伸缩缩性、曲曲线线条条的宽度度等因数数，使得得仪表的的精度低低、误差差大，读读数困难难。还有有一些煤煤矿上使使用数字字压力计计，将压压力采集集后送数数码管显显示。以以上方式式都需要要人工记记录，劳劳动量大大其容易易出错。有一些较先进的矿用压力监测系统主要工作方式是将矿井下压力、温度等数据采集到后，通过

25、专用电缆或电话线等方式传送到井上，然后再用计算机对这些数据进行分析处理、打印等。虽然这种系统可连续进行监测，信息容量大，处理功能强，并能提前进行人工预报和声光报警，可以大大提高监测质量，减少事故发生，但同时亦存在着价格昂贵、系统配置复杂和布线、维护困难等缺陷。因此，为为了提高高煤矿中中压力观测测效率、保保证煤矿矿安全生生产，研研制一种种新型的的测量精精度高、待机时间长、通信简便、价格适中、操作方便、工作性能优良的便携式煤矿压力观测设备势在必行。1.2 煤矿压力力计的发发展方向向5根据煤矿矿中压力力研究的的报导，和和电子检检测设备备在工业业化领域域的发展展，我国国的矿用用压力观观测仪器器发展方方

26、向应如如下。1.矿压压仪器研研制应优优先发展展电子化化。采用用传感器器和数据据采集器器直接相相连的信信号传输输系统，应应用单片片机技术术进行数数据采集集和预处处理，然然后通过过接口将将数据输输入微机机进行进进一步处处理，并并对采集集现场顶顶板动态态做出预预测预报报。2.矿压压仪器应应向智能能化方向向发展，并并应满足足数显直直接读的的要求、自自动量程程控制机机制和具具有自动动化报警警装置。3.矿压压仪器应应向低功功耗方向向发展，改改变以前前那种笨笨重的电电源系统统。由于于矿下条条件恶劣劣，测量量仪器一一般都要要进行密密封处理理，这样样低功耗耗是必须须的，要要让测量量设备装装入电池池在矿下下连续工

27、工作半年年以上。4.矿压压仪器应应向小型型化和便便携式且且安装维维修方便便的方向向发展。这样就可以在矿下使用而不影响液压设备的工作。5.考虑虑到国情情和经济济能力，应应优先发发展并采采用适宜宜于一般般情况下下的井下下数据数数据采集集和地面面中心计计算机上上处理系系统的组组合方式式的顶板板动态监监测智能能系统。在在中央计计算机和和采集器之之间通过过接口通通讯，传传输数据据信息，既既可避免免人工输输入数据据的麻烦烦，又可可避免设设置井下下分站和和使用传传输电缆缆经济性性差的缺缺陷，同同时还可可以实现现连续监监测，适适时预报报以及日日常的顶顶板动态态监控和和生产管管理工作作，在坚坚硬顶板板矿区特特别

28、是具具有冲击击地压矿矿井，或或者具有有雄厚经经济实力力的大型型矿井，条条件许可可时，应应优先考考虑应用用全套的的顶板计计算机检检测系统统。1.3 论文的主主要工作作本文根据据我国目目前煤矿矿压力检检测的实实际情况况，设计计了一种种智能型型数字压压力采集集设备和和智能分分析系统统。该采采集器主主要实现现了定时时采集和和保存压压力数据据、红外外发送和和接收压压力数据据和命令令信息，分分析系统统实现数数据异步步收集分分析压力力数据并并进行图图表显示示。本文根据据系统的的设计要要求，主主要做了了以下两两个方面面的工作作:1.智能能型煤矿矿压力数数据采集集装置的的研制该装置的的主要功功能:、定时时采集由

29、由顶板压压力传感感器传送送过来压压力信号号，对压压力数据据进行初初步的校校验，并并和时间间信息一一同按规规定格式式存储到到铁电EEEPRROM中中。、三端红红外接收收器收到到采集指指令后，将将已经储储存的压压力数据据和自身身编号一一起通过过红外发发送电路路发送出出去。、手电电筒照射射触发中中断，在在中断里里面对当当前的压压力进行行采集并并显示到到高亮度度数码管管上。根根据煤矿矿压力数数据采集集装置的的功能要要求，本本文分别别从硬件件和软件件两个方方面入手手进行设设计。硬硬件设计计内容主主要包括括:红外数据据传输电电路、顶顶板压力力数据存存储电路路、传感感器信号号采集电电路、数据显显示电路路、低

30、功功耗电源源电路等等。软件件设计时时采用模模块化设设计，将将整个功功能分成成各个小小功能模模块实现现，这样样大大减减小了开开发难度度。软件件设计内内容包括括:系统初初始化子子程序、压压力数据据采集、数据格式化存储子程序、中断子程序、红外通信子程序。2.上位位机智能能分析软软件的设设计该智能分分析软件件采用Deelphhi图形形化界面面，主要要能够实实现的功功能有:、串口接收收并存储储煤矿压压力数据据采集装装置的压压力数据据;、对工作作系统进进行初始始化设置置;、图表表显示各各个采集集点压力力数据:、分析析各个采采集点压压力数据据;、数据库库进行备备份、恢恢复和删删除操作作。第二章 总体设计计方

31、案2.1煤煤矿数字字压力计计的主要要功能该数字压压力计主主要用于于煤矿井井下综采采支架工工作阻力力检测记记录。系系统主要要功能可可以总结结为以下下几点：l 由电脑控控制定时时采集各各点压力力传感器器的压力力信号，系系统默认认采集压压力数据据的时间间为5分钟，且且可以连连续记录录7天的的数据l 收到白光光照射时时可以实实时显示示当前支支柱的压压力。l 采用红外外无线通通讯将数据上传传到手持持采集终终端便于于数据整整理分析析。l 压力采集集器在掉掉电时数数据保护护不丢失失；l 电池供电电，更换换一次电电池可连连续工作作8个月。l 智能处理理软件至至少可以以运行在在Winndoww 988/XPP操

32、作系系统下；l 可以对指指定的采采集层面面进行原原始压力力数据查查询；l 通过对工工作阻力力的均方方差、初初撑力、末末阻力曲曲线的对对比分析析对压力力数据进进行图表表曲线显显示；l 可以对压压力数据据库进行行智能化化管理包包括数据据备份、数数据恢复复和数据据删除等等基本操操作。2.2 煤矿数数字压力力计的技技术指标标67l 量 程 00 600Mpaal 精 度 44级（11）l 测量点数数 2 点点l 引 压 孔 10mmm(国标公公制) l 显示方式式 LEDD 数数字显示示l 触发方式式 手电筒筒1000cc的的光照l 防爆标志志 ExiibIl 电 源 DDC 66V （四四节一号号电

33、池）l 通讯方式式 红外无无线通讯讯2.3 煤矿数数字压力力计的总总体设计计框图智能型数数字压力力计的实实物如附附件2所所示。根根据煤矿矿压力数数据采集集装置要要实现的的功能，该该装置的的硬件电电路主要要有以下下几个部部分组成成：电源源监控电电路、主主控芯片片电路、压压力传感感器采集集电路、压压力数据据存储电电路、实实时数据据显示电电路、红红外数据据传输电电路。该该数字压压力计的的工作原原理如图图2-11所示。图2-11 ：数字字压力计计的硬件件框图电源监控控电路：采用业业内功耗耗最低的的PICC单片机机作为系系统监控控核心，采采用322.7668k的的低频率率晶振，一一是为了了降低功功耗、二

34、二是为了了产生比比较精确确的时钟钟信号。该该模块每每隔100分钟给给系统供供电一次次，让主主控芯片片进行一一次压力力采集并并存储。同同时该模模块受到到触发时时也会给给系统供供电进行行采样同同时把采采样的值值实时显显示在数数码管上上。信号放大大采样电电路：采采用低噪噪声、低低漂流、高高共模抑制比比的小信信号放大大芯片电电路88，信信号放大大后经过过TLCC5499采样。TTLC5549为为8biit的AA/D采采样芯片片，其采采样分辨辨率为1280.00039906225大约约为0.4，加加上电阻阻转换大大约为00.1的误差差，所以以整个采采集装置置的精度度1(1-0.11%)*(1-0.44%

35、)0.00059996,大约00.6的精度度，满足足技术指指标1的精度度要求。存储、显显示电路路：将采采集的压压力同时时间格式式化保存存到铁电电存储芯芯片中10，系统统选用铁铁电存储储芯片的的容量为为64kk，每天天存储的的数据量量大约为为2k，所所以系统统可以满满足要求求。红外传输输电路：该部分分分为两两部分，一一是红外外接收主主要负责责采集触触发指令令，二是是红外发发送主要要负责将将数据通通过388k载波波调制发发送到采采集设备备便于数数据整理理分析。第三章 智能型数数字压力力计模块块设计3.1 硬件电电路概述述煤矿压力力数据采采集装置置的硬件件功能框框图如图图3-11所示。该该装置的的主

36、要功功能是压压力数据据采集、存存储和红红外传输输。因此此，煤矿矿压力数数据采集集装置的的硬件电电路应该该有以下下几个部部分组成成:电源监监控电路路、压力力传感器器信号变变换电路路、红外外数据传传输电路路、压力力数据存存储电路路和压力力数据实实时显示示电路。煤煤矿压力力数据采采集系统统的硬件件原理图图见附录录1 图3-1 煤煤矿数字字压力计计的硬件件框图3.2 微控芯芯片的简简介11112该系统的的微控芯芯片主要要有两个个，一是是电源监监控芯片片PICC16FF7166，一是是主采样样芯片AAT899S522。ATT89SS52是是51系系列里面面一款性性价比最最高的单单片机，该该单片机机拥有3

37、3个定时时器，88K的程程序存储储空间，丰丰富的片片上资源源。PIIC166F7116是微微芯公司司的低功功耗单片片机，具具有优越越的稳定定性和低低廉的价价格，其其主要特特性如下下155:工作速度度：DCC20 MHzz时钟输输入，DC2000 nss 指令令周期中断能力力（多达达7个内部部/ 外部部中断源源）8层深硬硬件堆栈栈直接、间间接和相相对寻址址模式上电复位位（Poowerr-onn Reesett， POOR）上电延时时定时器器（Poowerr-upp Tiimerr， PWWRT）和和振荡器器起振定定时器（Oscillator Start-up Timer，OST）看门狗定定时器（

38、Watchdog Timer， WDT），带片上RC 振荡器，确保可靠工作双阈值欠欠压复位位电路2.5 VBOOR （典典型值）4.0 VBOOR （典典型值）可编程代代码保护护节能休眠眠模式可供选择择的振荡荡器选项项在线串行行编程（In-Circuit Serial Programming，ICSP）宽工作电电压范围围：工业级：2.00V 至至5.55V扩展级：3.00V 至至5.55V高灌/ 拉电流流：255/255mA宽温度范范围：工业级：-400C至至85C扩展级：-400C至至1255C待机电流流：2.0VV时典型型值为1100nnA工作电流流：32kHHz、2.00V 时时典型值值

39、为144A1MHzz、2.00V 时时典型值值为1220AA看门狗定定时器电电流：2.0VV时典型型值为11ATimeer1振振荡器电电流：32kHHz、2.00V 时时典型值值为3.0AATimeer0：带有88位预分分频器的的8 位定定时器/ 计数数器Timeer1：带有预预分频器器的166 位定定时器/ 计数数器，在在休眠状状态下可可使用外外部晶振振/时钟信信号继续续工作Timeer2：带有88 位周周期寄存存器、预预分频器器和后分分频器的的8 位定定时器/计数器器增强型捕捕捉/ 比较/PPWM 模块：捕捉为116 位位，最大大分辨率率为122.5 ns比较为116 位位，最大大分辨率率

40、为2000 nnsPWM最最大分辨辨率为110 位位增强型PPWM：单输出、半半桥和全全桥模式式数字可编编程死区区延时自动关闭闭/ 重启启8位多通通道模数数转换器器13个可可单独进进行方向向控制的的I/OO 引脚脚PORTTB上的的可编程程弱上拉拉3.3 压力变变送模块块的设计计3.3.1 压压阻式压压力传感感器的测测量原理理固体受力力后电阻阻率发生生变化的的现象称称为压阻阻效应16188。压压阻式压压力传感感器是基基于半导导体材料料(单晶晶硅)的的压阻效效应原理理制成的的传感器器，就是是利用集集成电路路工艺直直接在硅硅平膜片片上按一一定晶向向制成扩扩散压敏敏电阻，当当硅膜片片受压时时，膜片片

41、的变形形将使扩扩散电阻阻的阻值值发生变变化。硅硅平膜片片上的扩扩散电阻阻通常构构成桥式式测量电电路，相相对的桥桥臂电阻阻是对称称布置的的，电阻阻变化时时，电桥桥输出电电压与膜膜片所受受压力成成对应关关系。CCYG1115压压阻式压压力传感感器的内内部电路路结构如如图3-2所示示：图3-22 压阻阻式压力力传感器器内部结结构电路路由图3-2可以以看出，其其内部为为电阻电电桥式结结构，压压敏电阻阻为其一一桥臂。其其中R11、R12、R21均为为精密电电阻，且且R11=R122=R。压压力作用用于压敏敏电阻RRP，随着着压力的的增加RRP阻值增增大。精精密电流流源Iss流入该电电桥，其其输出电电压与

42、RRP的关系系如下：UR21-RpR21+Rp+2R*R*I 33.1由式3.1可以以看出，当当R211=RPP时，即即压力输输入为大大气压时时，U0mVV。建议议的输入入电流为为I1.55mA，通通过对RR11、RR12、RR21的适适当选配配，实现现满压力力输入时时电压输输出的归归一化，即即当压力力输入为为满量程程时，输输出电压压均为UUF.SS60mVV。由于于压力传传感器中中压敏电电阻的不不同，每每一只压压力传感感器测量量的压力力范围是是不同的的。3.3.2 小小信号采采集变换换模块由于压力力传感器器输出的的电压范范围为00-400mv之之间，这这么小的的电压无无法进行行采样。本本设计

43、中中采用了了低噪声声、低漂漂流。高高共模抑抑制比的的OP007作为为主运放放芯片，由由于该芯芯片是双双电源供供电，所所以要产产生-55v的电电压。其其设计原原理图如如3-33所示：图3-33 小信信号放大大电路图中Viin为小小信号输输入，VVoutt为信号号放大整整形后输输出到下下一级，VVEE为为正电源源，VVSS为为负电源源，R11和RWW1构成成负反馈馈电路，RR2和CC3构成成输出阻阻抗匹配配电路。该该放大器器的放大大倍数为为R1RW1，调节节RW11使得输输出在00-2.5v之之内。其其中产生生负电源源的部分分如图33-4所所示:图3-44 负电电源产生生电路负电源产产生电路路主要

44、用用了电压压反转芯芯片LMM76660SDDCDDC变换换器，该该芯片加加上两个个电容就就可以产产生负电电源。值值得注意意的是输输出电容容的极性性连接，地地接电容容的正极极性。3.3.3 AA/D采采样模块块由于主采采样芯片片没有AAD采集集功能，本本设计中中采用外外接ADD模块TTLC5549的的8biit采样样芯片。该该芯片是是串行采采样芯片片，用到到的IOO资源比比较少，其其输入阻阻抗为110k（上上一节小小信号放放大电路路已加）。德州仪器公司（TI）推出的TLC549是广泛应用的CMOS8位A/D转换器。该芯片有一个模拟输入端口，3态的数据串行输出接口可以方便的和微处理器或外围设备连接

45、。TLC549仅仅使用输入输出时钟（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1.1MHz。其产品特性如下：l 差分基准准电压输输入l 转换时间间：最大大17uusl 每秒访问问和转换换次数：达到4400000l 片上软件件控制采采样和保保持功能能l 全部非校校准误差差：00.5LLSBl 低功耗：最大115mWWl 工作温度度范围：070（TLLC5449）; -44085（TLLC5449I）该AD转转换芯片片的功能能框图如如图3-5所示示：图3-55 TLLC5449功能能框图由于A/D采样样需要基基准源，本本设计中中2.55v的基基准

46、源由由三端稳稳压集成成片TLL4311产生。模模拟信号号进入采采样保持持电路，在在逻辑控控制作用用下实现现模数转转换，转转换时间间一般为为20uus左右右，在等等待一段段时间后后将数据据实现并并串变换换读入到到主控芯芯片。其其AD采采样电路路如图33-6所示：图3-66 A/D采采样模块块电路Vin为为上一节节小信号号放大后后的输出出。软件件设计中中涉及到到片选CCS、数数据DAATA、时时钟CLLK，其其单片机机编程如如下所示示：Unsiigneed ccharr TLLC5449_RRD()Unsiigneed ccharr i,temmp; /定定义局部部变量For(i=00;i7;ii

47、+) /循循环读取取串行数数据TLCC5499_CLLK=11;Delaay_uus();TLCC5499_CLLK=00;Delaay_uus(); /以上上为产生生一个时时钟temmp=ttempp|TLLC5449_DDATAA;temmp=1; /读取取采集数数据TLC5549_CLKK=1;Delaay_uus();TLC5549_CLKK=0;Delaay_uus(); /根根据要求求采样结结束后产产生最后后一个时时钟并释释放Retuurn temmp; /返返回采样样值3.4 红外采采集模块块的设计计3.4.1 红红外发送送模块的设设计当接收到到用户采采集指令令后，采采集终端端要

48、将数数据通过过红外的的方式传传输到采采集器上上便于统统计分析析。其红红外发射射电路如如图3-7所示：图3-77 红外外发射电电路模块块的硬件件设计FRM为为砷化镓镓红外发发射二极极管，NNPN三三极管990133和R225组成成红外发发射管驱驱动电路路，或非非门74402和和R244组成开开关调制制电路，DDataa为二进进制数据据流，338k为为载波信信号。为为了便于于通信和和应对干干扰，采采用自定定义的红红外通信信协议，该该协议帧帧格式如如表3.1所示示： 表表3.11 红外外通信数数据帧结结构前导码用户识别别码用户识别别反码数据信息息000001111101000111111011100

49、000为了节约约硬件成成本，设设计中338k的的载波通通过主控控单片机机产生，AAT899S522的定时时器2可可以设计计为捕捉捉方式、自自动重载载方式、波波特率发发生器、可可编程时时钟输出出等多种种工作方方式，这这里设计计定时器器2为可可编程时时钟输出出，其内内部工作作原理如如图3-8所示11223：图3-88 定时时器2工工作在可可编程时时钟方式式下的内内部原理理图由图3-7所示示，可以以通过编编程在PP1.00 引脚脚输出一一个占空空比为550%的的时钟信信号。这这个引脚脚除了常常规的II/O 角外，还还有两种种可选择择功能。它它可以通通过编程程作为定定时器/计数器器2 的外外部时钟钟输

50、入或或占空比比为500%的时时钟输出出。当工工作频率率为16MHHZ时，时时钟输出出频率范范围为661HZZ到4HZZ。为了把定定时器22配置成成时钟发发生器，位位C/TT2（T2CCON.1）必必须清00，位T22OE（T2MMOD.1）必必须置11。位TRR2（T2CCON.2）启启动、停停止定时时器。时时钟输出出频率取取决于晶晶振频率率和定时时器2捕捉寄寄存器（RCAP2H，RCAP2L）的重载值，如公式所示：时钟输出出频率晶振频率465536-RCAP2H，RCAP2L在时钟输输出模式式下，定定时器22不会产产生中断断，这和和定时器器2用作波波特率发发生器一一样。系系统晶振振为6MM，

51、为了了获得338k的的载波信信号，设设置RRCAPP2H，RRCAPP2L为为FFF,D99，这这样最终终获得大大概388.4661KHHz的载载波信号号在允许许的范围围内。通过单片片机串口口以波特特率为224000的速率率依次发发送前导导码、用用户码、用用户反码码、压力力数据信信息，串串口发出出的数据据通过载载波调制制驱动红红外发射射管，将将压力数据据通过红红外的方方式传输输出去由由接收器器接收并并上传处处理。3.4.2 红红外接收收模块的设设计红外接收收模块分分为两个个部分：一是采采集器上上面的红红外数据据接收，一一是压力力采集终终端上面面的接收收请求，图图3-99为采集集器上面面的红外外

52、数据接接收部分分：图3-99 采集集器上红红外采集集部分数据采集集部分采采用日本本索尼公公司的低低噪声、高高稳定性性的红外外接收集集成芯片片CX2201006A，该该芯片是是红外遥遥控接收收前置放放大双极极性集成成电路，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2526。CX20106A的技术特点主要有以下几点：l 低电压供供电，其其典型值值为5VV；l 功耗低。VVcc5V时时，其典典型功耗耗为9mmW；l 带通滤波波器的中中心频率率可通过过改变55脚和电电源之间间的电阻阻进行调调节，其其调节的的范围为为30-60kkHz。

53、由由于未使使用电感感，可不不受磁场场的干扰扰，因此此抗干扰扰能力强强；l 能与PIIN光电电二极管管直接连连接；l 集电极开开路输出出，能直直接驱动动TTLL或CMMOS电电路；l 8脚单列列只插式式塑料封封装。CX2001066A的以以上技术术特点使使得可以以在系统统中使用用，作为为采集器器的红外外数据接接收模块块可以简简化硬件件设计，提提高产品品的稳定定性，其其内部逻逻辑结构构图如图图3-110所示示：图3-110 CCX2001066A内部部逻辑结结构图PH30028能能将接受受到的发发射电路路所发射射的红外外光信号号转换成成数十毫毫伏至数数百毫伏的电电信号，送送到CXX201106AA

54、的脚，CXX201106AA的总放放大增益益约为880dBB，以确确保其脚输出出的控制制脉冲序序列信号号幅度在在3.555VV 范围围内。总总增益大大小由脚外接接的R11、C1决定定，R11越小或或C1越大大，增益益越高。C1取值过大时将造成频率响应变差，通常取为1uF。C2为检波电容，一般取3.3uF。CX20106A采用峰值检波方式，当C2容量较大时将变成平均值检波，瞬态响应灵敏度会变低，C2较小时虽然仍为峰值检波，且瞬态响应灵敏度很高，但检波输出脉冲宽度会发生较大变动，容易造成解调出错而产生误操作。R2为带通滤波器中心频率f0的外部电阻，改变R2阻值，可改变载波信号的接受频率，当f0偏离

55、载波频率时，放大增益会显著下降，C3为积分电容，一般取330pF，取值过大，虽然可使抗干扰能力增强，但也会使输出编码脉冲的低电平持续时间增长，造成遥控距离变短。脚为输出端，CX20106A处理后的脉冲信号由脚输出给后续电路以便处理。其引脚符号、功能如表3.1所示：表3.11 CXX201106AA引脚符符号及功功能说明明引脚号符号功能1IN遥控数据据信号进进入端（此此脚与地地之间接接红外接接收二极极管）2C1前置放大大器频率率特性和和增益设设定（此此脚与地地之间接接RC串串联电路路）3C2接检波电电容4GND接地5F0设定带通通滤波器器的中心心频率（此此脚与电电源间接接电阻）6C3外接积分分电

56、容7OUT遥控数据据指令输输出端8Vcc外接电源源压力采集集终端上上面的红红外接收收请求比比较简单单，使用用红外集集成接收收头P000388B2，该该接收头头一旦检检测到已已调制的的红外信信号就给给出低电电平，产产生中断断。整个个红外模模块的软软件流程程图如图图3-111所示：图3-111 红外外数据发发射模块块软件流流程图首先对串串口的波波特率、传传送方式式、校验验位和中中断方式式等信息息进行设设置，然然后等待待红外请请求信息息的来到到，一旦旦有红外外数据请请求就设设置定时时器2，使使得定时时器2工工作在产产生300k方波波的模式式下来产产生所要要的红外外载波信信号，然然后读取取铁电里里面的

57、压压力数据据并加上上红外数数据传输输协议所所定义的的信息将将压力数数据通过过串口发发出去，直直到发送送完毕返返回。3.5 其他相相关电路路的设计计3.5.1 低低功耗电电源电路路设计由于该压压力采集集器在矿矿下使用用，为了了应对矿矿下恶劣劣的环境境要进行行密封处处理，这这样更换换电池相相当麻烦烦，基本本上都是是一次性性长时间间工作，因因此功耗耗就比较较重要。低低功耗是是这款产产品得以以使用的的最基本本条件，本本系统中中监控芯芯片采用用业内最最低功耗耗的PIIC单片片机，系系统采用用多级供供电模式式，节约约不必要要的浪费费，其电电路如图图3-112所示：图3-112 系统统电源控控制部分分电路首

58、先系统统采用44节1号号电池供供电，产产生大约约5.55v的一一级电源源VDDD，该VVDD主主要是供供给主控控单片机机进行实实时监控控；主控控芯片根根据时间间节拍每每隔十分分钟或者者红外读读数请求求打开一一次Q11通过TTPS7763550电源源模块产产生大约约5V（1150mmA）的的二级电电源VCCC，该该VCCC主要供供给采样样单片机机AT889S552和红红外发射射显示模模块，假假如是红红外读数数请求则则进行相相应的数数据传输输工作，假假如是110分钟钟时间到到则打开开Q2产产生大约约5V的的三级电电源VEEE，该该VEEE主要供供给压力力传感器器模块、小小信号放放大模块块和压力力数

59、据采采集模块块。其余余的时间间系统进进入睡眠眠模式来来进一步步降低功功耗，通通过以上上手段来来加长产产品的使使用寿命命效果比比较理想想。3.5.2 压压力显示示模块设设计压力数据据的直观观显示是是该采集集器的一一个比较较重要的的功能，为为了节约约端口和和功耗，采采用低功功耗的774LSS1644移位寄寄存器对对数据进进行静态态显示，显显示时间间为一路路2秒钟钟。其硬硬件设计计电路图图如图33-133所示：图3-113 压力力数据显显示模块块74LSS1644是8位位移位寄寄存器，当当清除端端（CLLEARR）为低电电平时，输输出端（QAQH）均为低电平。串行数据输入端（A，B）可控制数据。当

60、A、B 任意一个为低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（CLOCK）脉冲上升沿作用下 Q0 为低电平。当 A、B有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在 CLOCK 上升沿作用下决定 Q0 的状态。其逻辑真值表如表3.2所示： 表3.2 774LSS1644逻辑真真值表 Innputts OuttputtsCleaarClocckA BQ0 Q1 Q22 QQ3 Q4 Q55 QQ6 Q7LL L L L L LL L LLHLQ0 Q1 Q22 QQ3 Q4 Q55 QQ6 Q7H#H HH Q0 Q11 QQ2 Q3 Q44 QQ5 Q6H#L L Q0 Q11 QQ2 Q3 Q44 Q

61、Q5 Q6H# LLL Q0 Q11 QQ2 Q3 Q44 QQ5 Q6要进行数数据正确确显示必必须了解解其时序序图，然然后按照照时序依依次送数数据显示示，744LS1164的的时序图图如3-14所示： 图3-114 744LS1164的的运行时时序图由于744LS1164的的输出高高电平可可以直接接LEDD发光，本系统选用共阴数码管，移位寄存器的最高位作为第一路、第二路标识，根据真值表和时序图对其进行编程，其单片机程序如下：led10=00x3FF,0xx03,0x66D,00x677,0xx53,0x776,00x7EE,0xx23,0x77F,00x777;/编码码表voidd diispllay_ledd(unnsiggnedd chhar datta) /datta：要要显示的的码段数据据unsiigneed ccharr teemp11;PORTT_cllk=00;