智能型数字压力计的设计与在煤矿下的应用

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1、编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第54页 共54页智能型数字压力计的设计与在煤矿下的应用目录摘要2ABSTRACT3第一章绪论51.1课题研究背景和意义51.2煤矿压力计的发展方向561.3论文的主要工作6第二章总体设计方案82.1煤矿数字压力计的主要功能82.2 煤矿数字压力计的技术指标6782.3 煤矿数字压力计的总体设计框图8第三章智能型数字压力计模块设计103.1 硬件电路概述103.2 微控芯片的简介111213103.3 压力变送模块的设计123.3.1 压阻式压力传感器的测量原理123.3.2 小信号采集变换模块133.3.3 A/D采样模块13

2、3.4 红外采集模块的设计153.4.1 红外发送模块的设计153.4.2 红外接收模块的设计173.5 其他相关电路的设计193.5.1 低功耗电源电路设计193.5.2 压力显示模块设计203.5.3 数据存储模块设计223.6 本章小结28第四章上位机监控分析软件的设计294.1 软件开发软、硬件环境294.2 软件总体功能概述294.3 软件子模块介绍304.3.1 数据通信子模块304.3.2 系统参数设置子模块344.3.3 数据查询模块364.3.4 数据图表分析模块31-42374.3.4 数据库管理模块434.4 本章小结44第五章总结与展望44参考文献：47附录1： 采集终

3、端原理图50附件2：智能型数字压力采集终端51摘要近年来，我国煤矿安全事故频繁发生，其中主要是瓦斯和顶板事故，煤矿顶板事故对矿井安全生产危害极大。从我国煤矿事故统计来看，顶板事故一直居各类事故之首。对煤矿顶板的压力情况进行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一般采用机械式、液压式观测仪器，精度低，工作效率低下。而国外较先进的矿井压力监测系统，配置复杂，采用有线的通信方式，布线、维护也比较困难。因此，研制一种新型的测量精度高、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。本文根据煤矿安全标准

4、，认真分析了目前我国各种矿山压力观测仪器存在的不足，考虑到煤矿井下的实际环境，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装置和上位机智能化分析软件，前者采用了低功耗微处理机PIC16F716实现数据采集，后者利用微机强大的处理能力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

5、据采集装置的压力数据、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，文章简要的阐述了采集装置的功能划分、总体思想设计、通信方式的选取。然后分别根据采集装置的功能要求，对其硬件电路设计和软件程序设计部分展开详细的介绍。经过实际使用证明，本系统的硬件和软件程序工作可靠，操作方便。整个系统具有测量精度高、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，保障我国煤炭行业的高效率安全生产有重要的意义。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 min

6、e safety accidents, most of which are gas and roof accidents, have occurred frequently, and roof accidents 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. Monit

7、oring and controlling the pressure on the roof of mine is one of the most effective means to reduce roof 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 an

8、d work efficiency are low. The more advanced foreign mine pressure monitoring systems configure with complexity, 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

9、high accuracy, long standby time, and simple communication, affordable, easy to operate, good work performance is imperative.Based on the safety standards of coal mine, this paper analyzes the deficiencies of current various pressure observation equipment of mining carefully. Taking into account the

10、 actual coal mine environment, a new type of coal mine pressure acquisition and intelligent analysis system 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 co

11、mputer, the former adopts a low-power microprocessor PIC16F716 to acquire the data, and the latter uses the 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 s

12、tore roof pressure data timing; infrared send out the formatted pressure data together with their own numbers 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 op

13、erated by mouse. The software could achieve such functions as system initialization, serial ports receiving 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 collecti

14、on points, and backup, restore, and delete of database.First, the paper briefly describes the function division 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

15、device. Practical use proves that the hardware and software of the system work reliably and are easy to operate. 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

16、 coal mine roof pressure test and ensuring the high efficiency and safe production of Chinas coal industry. Keywords: pressure test of rock, data collection, intelligent analysis, low-power, pressure sensor第一章 绪论1.1 课题研究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基础产业，对国家经济发展起着重要作用。但是煤炭行业由于资源存在条件特殊、工作环境恶劣等因素。近年

17、来，煤矿重特大事故时有发生，安全生产形势十分严峻。所以高技术、智能化测量监控设备已成为煤矿开采不可或缺的辅助设备。早在1987年原煤炭工业部颁发的煤炭工业技术政策第39条“矿山压力测量”中规定1:“各矿区对采煤工作面和井巷进行矿压观测，根据岩层性质、顶板压力、顶板下沉量和下沉速度、放顶步距、周期来压等数据，逐步摸清本矿区的矿压规律，制定本矿区的顶板分类标准。作为采区设计、巷道布置、设备选型、支护设计、顶板控制的依据234。”这充分的说明了矿山压力观测的重要性及在煤矿生产中的地位。随着科学技术的发展，液压技术在煤炭采掘机械中得到了愈来愈广泛的应用。目前，我国绝大多数煤矿回采工作面采用自移式液压支

18、架，它以高压液体为动力，由金属构件和若干液压元件组成，使支架的支撑、切顶、移架和输送机推移等工序全部实现了机械化。液压支架的使用大大地改善了回采工作面的工作条件、降低了人们的劳动强度，有效地增加了劳动安全性，使工作面的产量和效率得到了很大的提高，并为工作面的自动化创造了条件。在液压系统中，压力是非常重要的参数，当压力超过或低于限定值时系统就会发生故障，从而对人身和财产安全构成很大威胁。液压检测不仅可以为综采支架支撑的工作阻力和顶板压力情况提供可靠的数据，而且可以通过分析该数据来预测顶板压力，预防事故发生2。可见，液压支架的压力检测是非常重要的。这里提到的压力，实际上指的是压强，即作用在单位面积

19、上的压力，国际单位为Pa。因为实际工作中，压力的工作介质为气体、油和水，而这些工作介质能够传递的只有压强。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使用传统的机械式液压测量仪表(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移动来记录数据，常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。还有一些煤矿上使用数字压力计，将压力采集后送数码管显示。以上方式都需要人工记录，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工作方式是将矿井下压力、温度等数据采集到后，通过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

20、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，为了提高煤矿中压力观测效率、保证煤矿安全生产，研制一种新型的测量精度高、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 煤矿压力计的发展方向5根据煤矿中压力研究的报导，和电子检测设备在工业化领域的发展，我国的矿用压力观测仪器发展方向应如下。1.矿压仪器研制应优先发展电子化。采用传感器和数据采集器直接相连的信号传输系 统，应用单片机技术进

21、行数据采集和预处理，然后通过接口将数据输入微机进行进一步处理，并对采集现场顶板动态做出预测预报。2.矿压仪器应向智能化方向发展，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装置。3.矿压仪器应向低功耗方向发展，改变以前那种笨重的电源系统。由于矿下条件恶劣，测量仪器一般都要进行密封处理，这样低功耗是必须的，要让测量设备装入电池在矿下连续工作半年以上。4.矿压仪器应向小型化和便携式且安装维修方便的方向发展。这样就可以在矿下使用而不影响液压设备的工作。5.考虑到国情和经济能力，应优先发展并采用适宜于一般情况下的井下数据数据采集和地面中心计算机上处理系统的组合方式的顶板动态监测智能系统。

22、在中央计算机和采集器之间通过接口通讯，传输数据信息，既可避免人工输入数据的麻烦，又可避免设置井下分站和使用传输电缆经济性差的缺陷，同时还可以实现连续监测，适时预报以及日常的顶板动态监控和生产管理工作，在坚硬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，条件许可时，应优先考虑应用全套的顶板计算机检测系统。1.3 论文的主要工作本文根据我国目前煤矿压力检测的实际情况，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存压力数据、红外发送和接收压力数据和命令信息，分析系统实现数据异步收集分析压力数据并进行图表显示。本文根据系统的设计要求，主要做了以下两个

23、方面的工作:1.智能型煤矿压力数据采集装置的研制该装置的主要功能:、定时采集由顶板压力传感器传送过来压力信号，对压力数据进行初步的校验，并和时间信息一同按规定格式存储到铁电EEPROM中。、三端红外接收器收到采集指令后，将已经储存的压力数据和自身编号一起通过红外发送电路发送出去。、手电筒照射触发中断，在中断里面对当前的压力进行采集并显示到高亮度数码管上。根据煤矿压力数据采集装置的功能要求，本文分别从硬件和软件两个方面入手进行设计。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

24、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、红外通信子程序。2.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，主要能够实现的功能有:、串口接收并存储煤矿压力数据采集装置的压力数据;、对工作系统进行初始化设置;、图表显示各个采集点压力数据:、分析各个采集点压力数据;、数据库进行备份、恢复和删除操作。第二章 总体设计方案2.1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工作阻力检测记录。系统主要功能可以总结为以下几点：l 由电脑控制定时采集各点压力传感器的压力信号，系统默认采集压力数据的时间

25、为5分钟， 且可以连续记录7天的数据l 收到白光照射时可以实时显示当前支柱的压力。l 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。l 压力采集器在掉电时数据保护不丢失；l 电池供电，更换一次电池可连续工作8个月。l 智能处理软件至少可以运行在Window 98/XP操作系统下；l 可以对指定的采集层面进行原始压力数据查询；l 通过对工作阻力的均方差、初撑力、末阻力曲线的对比分析对压力数据进行图表曲线显示；l 可以对压力数据库进行智能化管理包括数据备份、数据恢复和数据删除等基本操作。2.2 煤矿数字压力计的技术指标67l 量 程 0 60Mpal 精 度 4级（1）l 测量点数 2

26、 点l 引 压 孔 10mm(国标公制) l 显示方式 LED 数字显示l 触发方式 手电筒100cc的光照l 防爆标志 ExibIl 电 源 DC 6V （四节一号电池）l 通讯方式 红外无线通讯2.3 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2所示。根据煤矿压力数据采集装置要实现的功能，该装置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、红外数据传输电路。该数字压力计的工作原理如图2-1所示。图2-1 ：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核心，采用32.768k

27、的低频率晶振，一是为了降低功耗、二是为了产生比较精确的时钟信号。该模块每隔10分钟给系统供电一次，让主控芯片进行一次压力采集并存储。同时该模块受到触发时也会给系统供电进行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8，信号放大后经过TLC549采样。TLC549为8bit的A/D采样芯片，其采样分辨率为1280.00390625大约为0.4，加上电阻转换大约为0.1的误差，所以整个采集装置的精度1(1-0.1%)*(1-0.4%)0.005996,大约0.6的精度，满足技术指标1的精度要求。存储、显示电路：将采集的压力同时间格式化

28、保存到铁电存储芯片中10，系统选用铁电存储芯片的容量为64k，每天存储的数据量大约为2k，所以系统可以满足要求。红外传输电路：该部分分为两部分，一是红外接收主要负责采集触发指令，二是红外发送主要负责将数据通过38k载波调制发送到采集设备便于数据整理分析。第三章 智能型数字压力计模块设计3.1 硬件电路概述煤矿压力数据采集装置的硬件功能框图如图3-1所示。该装置的主要功能是压力数据采集、存储和红外传输。因此，煤矿压力数据采集装置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。煤矿压力数据采集系统的硬件原理图见附录1

29、 图3-1 煤矿数字压力计的硬件框图3.2 微控芯片的简介1112该系统的微控芯片主要有两个，一是电源监控芯片PIC16F716，一是主采样芯片AT89S52。AT89S52是51系列里面一款性价比最高的单片机，该单片机拥有3个定时器，8K的程序存储空间，丰富的片上资源。PIC16F716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格，其主要特性如下15:工作速度：DC20 MHz时钟输入，DC200 ns 指令周期中断能力（多达7个内部/ 外部中断源）8层深硬件堆栈直接、间接和相对寻址模式上电复位（Power-on Reset， POR）上电延时定时器（Power-up Timer，

30、 PWRT）和振荡器起振定时器（Oscillator Start-up Timer，OST）看门狗定时器（Watchdog Timer， WDT），带片上RC 振荡器，确保可靠工作双阈值欠压复位电路2.5 VBOR （典型值）4.0 VBOR （典型值）可编程代码保护节能休眠模式可供选择的振荡器选项在线串行编程（In-Circuit Serial Programming，ICSP）宽工作电压范围：工业级：2.0V 至5.5V扩展级：3.0V 至5.5V高灌/ 拉电流：25/25mA宽温度范围：工业级：-40C 至85C扩展级：-40C 至125C待机电流：2.0V时典型值为100nA工作电流：

31、32kHz、2.0V 时典型值为14A1MHz、2.0V 时典型值为120A看门狗定时器电流：2.0V时典型值为1ATimer1振荡器电流：32kHz、2.0V 时典型值为3.0ATimer0：带有8位预分频器的8 位定时器/ 计数器Timer1：带有预分频器的16 位定时器/ 计数器，在休眠状态下可使用外部晶振/时钟信号继续工作Timer2：带有8 位周期寄存器、预分频器和后分频器的8 位定时器/计数器增强型捕捉/ 比较/PWM 模块：捕捉为16 位，最大分辨率为12.5 ns比较为16 位，最大分辨率为200 nsPWM最大分辨率为10 位增强型PWM：单输出、半桥和全桥模式数字可编程死区

32、延时自动关闭/ 重启8位多通道模数转换器13个可单独进行方向控制的I/O 引脚PORTB上的可编程弱上拉3.3 压力变送模块的设计3.3.1 压阻式压力传感器的测量原理固体受力后电阻率发生变化的现象称为压阻效应1618。压阻式压力传感器是基于半导体材料(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扩散压敏电阻，当硅膜片受压时，膜片的变形将使扩散电阻的阻值发生变化。硅平膜片上的扩散电阻通常构成桥式测量电路，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。CYG115压阻式压力传感器的内部电路结构如图3-2所示：图3-2 压阻

33、式压力传感器内部结构电路由图3-2可以看出，其内部为电阻电桥式结构，压敏电阻为其一桥臂。其中R11、R12、R21均为精密电阻，且R11=R12=R。压力作用于压敏电阻RP，随着压力的增加RP阻值增大。精密电流源Is流入该电桥，其输出电压与RP的关系如下： UR21-RpR21+Rp+2R*R*I 3.1由式3.1可以看出，当R21=RP时，即压力输入为大气压时，U0mV。建议的输入电流为I1.5mA，通过对R11、R12、R21的适当选配，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.S60mV。由于压力传感器中压敏电阻的不同，每一只压力传感器测量的压力范围是不

34、同的。3.3.2 小信号采集变换模块由于压力传感器输出的电压范围为0-40mv之间，这么小的电压无法进行采样。本设计中采用了低噪声、低漂流。高共模抑制比的OP07作为主运放芯片，由于该芯片是双电源供电，所以要产生-5v的电压。其设计原理图如3-3所示：图3-3 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为正电源，VSS为负电源，R1和RW1构成负反馈电路，R2和C3构成输出阻抗匹配电路。该放大器的放大倍数为R1RW1，调节RW1使得输出在0-2.5v之内。其中产生负电源的部分如图3-4所示:图3-4 负电源产生电路负电源产生电路主要用了电压反转芯片LM7

35、660SDCDC变换器，该芯片加上两个电容就可以产生负电源。值得注意的是输出电容的极性连接，地接电容的正极性。3.3.3 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TLC549的8bit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10k（上一节小信号放大电路已加）。德州仪器公司（TI）推出的TLC549是广泛应用的CMOS 8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。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 CLOC

36、K）为1.1MHz。其产品特性如下：l 差分基准电压输入l 转换时间：最大17usl 每秒访问和转换次数：达到40000l 片上软件控制采样和保持功能l 全部非校准误差：0.5LSBl 低功耗：最大15mWl 工作温度范围：070（TLC549）; -4085（TLC549I）该AD转换芯片的功能框图如图3-5所示：图3-5 TLC549功能框图由于A/D采样需要基准源，本设计中2.5v的基准源由三端稳压集成片TL431产生。模拟信号进入采样保持电路，在逻辑控制作用下实现模数转换，转换时间一般为20us左右，在等待一段时间后将数据实现并串变换读入到主控芯片。其AD采样电路如图3-6所示：图3-

37、6 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 TLC549_RD()Unsigned char i, temp; /定义局部变量For(i=0;i7;i+) /循环读取串行数据TLC549_CLK=1;Delay_us();TLC549_CLK=0;Delay_us(); /以上为产生一个时钟temp=temp|TLC549_DATA;temp=1; /读取采集数据TLC549_CLK=1;Delay_us();TLC549_CLK=0;Delay_us(); /根据要求采样结束后产

38、生最后一个时钟并释放Return temp; /返回采样值3.4 红外采集模块的设计3.4.1 红外发送模块的设计当接收到用户采集指令后，采集终端要将数据通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3-7所示：图3-7 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9013和R25组成红外发射管驱动电路，或非门7402和R24组成开关调制电路，Data为二进制数据流，38k为载波信号。为了便于通信和应对干扰，采用自定义的红外通信协议，该协议帧格式如表3.1所示： 表3.1 红外通信数据帧结构前导码用户识别码用户识别反码数据信息000011110100111

39、110110000为了节约硬件成本，设计中38k的载波通过主控单片机产生，AT89S52的定时器2可以设计为捕捉方式、自动重载方式、波特率发生器、可编程时钟输出等多种工作方式，这里设计定时器2为可编程时钟输出，其内部工作原理如图3-8所示1223：图3-8 定时器2工作在可编程时钟方式下的内部原理图由图3-7所示，可以通过编程在P1.0 引脚输出一个占空比为50%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。它可以通过编程作为定时器/计数器2 的外部时钟输入或占空比为50%的时钟输出。当工作频率为16MHZ时，时钟输出频率范围为61HZ到4HZ。为了把定时器2配置成时钟发生器

40、，位C/T2（T2CON.1）必须清0，位T2OE（T2MOD.1）必须置1。位TR2（T2CON.2）启动、停止定时器。时钟输出频率取决于晶振频率和定时器2捕捉寄存器（RCAP2H，RCAP2L）的重载值，如公式所示：时钟输出频率晶振频率465536-RCAP2H，RCAP2L在时钟输出模式下，定时器2不会产生中断，这和定时器2用作波特率发生器一样。系统晶振为6M，为了获得38k的载波信号，设置RCAP2H，RCAP2L为FF,D9，这样最终获得大概38.461KHz的载波信号在允许的范围内。通过单片机串口以波特率为2400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

41、通过载波调制驱动红外发射管，将压力数据通过红外的方式传输出去由接收器接收并上传处理。3.4.2 红外接收模块的设计红外接收模块分为两个部分：一是采集器上面的红外数据接收，一是压力采集终端上面的接收请求，图3-9为采集器上面的红外数据接收部分：图3-9 采集器上红外采集部分数据采集部分采用日本索尼公司的低噪声、高稳定性的红外接收集成芯片CX20106A，该芯片是红外遥控接收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2526。CX20106A的技术特点主要有以下几点：l 低电压供电，其典型值为5V；l 功耗

42、低。Vcc5V时，其典型功耗为9mW；l 带通滤波器的中心频率可通过改变5脚和电源之间的电阻进行调节，其调节的范围为30-60kHz。由于未使用电感，可不受磁场的干扰，因此抗干扰能力强；l 能与PIN光电二极管直接连接；l 集电极开路输出，能直接驱动TTL或CMOS电路；l 8脚单列只插式塑料封装。CX20106A的以上技术特点使得可以在系统中使用，作为采集器的红外数据接收模块可以简化硬件设计，提高产品的稳定性，其内部逻辑结构图如图3-10所示：图3-10 CX20106A内部逻辑结构图PH3028能将接受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CX20106A的脚

43、，CX20106A的总放大增益约为80dB，以确保其脚输出的控制脉冲序列信号幅度在3.55V 范围内。总增益大小由脚外接的R1、C1决定，R1越小或C1越大，增益越高。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偏离载波频率时，放大增益会显著下降，C3为积分电容，一般

44、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3.1 CX20106A引脚符号及功能说明引脚号符号功能1IN遥控数据信号进入端（此脚与地之间接红外接收二极管）2C1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）3C2接检波电容4GND接地5F0设定带通滤波器的中心频率（此脚与电源间接电阻）6C3外接积分电容7OUT遥控数据指令输出端8Vcc外接电源压力采集终端上面的红外接收请求比较简单，使用红外集成接收头P0038

45、B2，该接收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3-11所示：图3-11 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行设置，然后等待红外请求信息的来到，一旦有红外数据请求就设置定时器2，使得定时器2工作在产生30k方波的模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通过串口发出去，直到发送完毕返回。3.5 其他相关电路的设计3.5.1 低功耗电源电路设计由于该压力采集器在矿下使用，为了应对矿下恶劣的环境要进行密封处理，这样更换电池相当麻烦，基本上都是一次性长

46、时间工作，因此功耗就比较重要。低功耗是这款产品得以使用的最基本条件，本系统中监控芯片采用业内最低功耗的PIC单片机，系统采用多级供电模式，节约不必要的浪费，其电路如图3-12所示：图3-12 系统电源控制部分电路首先系统采用4节1号电池供电，产生大约5.5v的一级电源VDD，该VDD主要是供给主控单片机进行实时监控；主控芯片根据时间节拍每隔十分钟或者红外读数请求打开一次Q1通过TPS76350电源模块产生大约5V（150mA）的二级电源VCC，该VCC主要供给采样单片机AT89S52和红外发射显示模块，假如是红外读数请求则进行相应的数据传输工作，假如是10分钟时间到则打开Q2产生大约5V的三级

47、电源VEE，该VEE主要供给压力传感器模块、小信号放大模块和压力数据采集模块。其余的时间系统进入睡眠模式来进一步降低功耗，通过以上手段来加长产品的使用寿命效果比较理想。3.5.2 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74LS164移位寄存器对数据进行静态显示，显示时间为一路2秒钟。其硬件设计电路图如图3-13所示：图3-13 压力数据显示模块74LS164是8位移位寄存器，当清除端（CLEAR）为低电平时，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 任意一个为低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（C

48、LOCK）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 74LS164逻辑真值表 Inputs OutputsClearClockA BQ0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7L L L L L L L L LHL Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7H#H HH Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6H#L L Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6H# LL Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6要进行数据正确显示必须了解其时序图，然后按照时

49、序依次送数据显示，74LS164的时序图如3-14所示： 图3-14 74LS164的运行时序图由于74LS164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=0x3F,0x03,0x6D,0x67,0x53,0x76,0x7E,0x23,0x7F,0x77;/编码表void display_led(unsigned char data) /data：要显示的码段数据 unsigned char temp1; PORT_clk=0; /给74LS164的时钟 for(temp1=0;

50、temp18;temp1+)/循环移位8次，依次将数据送数码管显示 if( (data&0X80)=0x00 ) PORT_data=0; else PORT_data=1; PORT_clk=1; delay(1); PORT_clk=0; data=data1; /码段数据向右移位 3.5.3 数据存储模块设计由于系统要对采集的数据进行实时存储，为了保证调电后数据不丢失，本系统采用了铁电存储芯片FM24CL64数据存储芯片。FM25CL64是一款64Kb的非易失性存储器，它采用先进的铁电处理技术。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 相似。它提供45

51、年的数据保存时间，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，FM25CL64以总线速度进行写操作，无须延时。下一个总线周期可以立即开始，无需进行数据轮询。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，因为写操作不需要在内部提升写电路的电源供电电压。所以，在写操作过程中，FRAM比EEPROM 消耗的功率要低得多。FM25CL64的这些功能使得它非常适合用在需要频繁或快速写操作的非易失性存储器应用中。举例说明，它可用在从数据采集到需要工业控制的各种应用中，在数据采集应用中，对写入数

52、据的频率要求很高；在需要工业控制的应用中，太长时间的EEPROM写会导致数据丢失。FM25CL64为串行EEPROM的用户提供了实用的好处，在硬件上可以完全替换EEPROM。FM25CL64使用高速SPI 总线，这加强了FRAM技术的高速写性能。器件确保工作在40到85的工业温度范围内。图3-15为FM25CL64的内部逻辑框图：图3-15 FM25CL64的内部逻辑框图FM25CL64是一款串行FRAM存储器。存储阵列的组织结构在逻辑上划分为8，1928，它可以通过工业标准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很相似。FM25CL64与串行EEPROM的主要

53、差别是它具有更优越的写性能，虽然它们的管脚配置相同。表3.3为铁电存储芯片FM25CL64的引脚特性描述： 表3.3 FM25CL64的引脚特性描述引脚名I/O描述/CS输入片选：该管脚为低电平时使能器件。当该管脚为高电平时，器件进入低功耗的待机模式，忽略其它输入的状态，而且，所有的输出处于三态。当该管脚为低电平时，器件内部激活SCK信号。/CS的下降沿必须在每个操作码之前出现。SCK输入串行时钟：所有的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，输出在下降沿时输出。因为器件是静态的，时钟频率可以是020MHz之间的任意值且随时都可以被中断。/HOLD输入保持：当主CPU 必

54、须中断存储器当前的操作而执行另一个任务时，/HOLD管脚被使用。当/HOLD管脚为低电平时，当前操作被挂起。器件忽略SCK或者/CS上的任何跳变。/HOLD管脚的所有跳变必须发生在SCK 为低电平的时间内。/WP输入写保护：该管脚为低电平时对状态寄存器进行写保护。因为其它的写保护特征由状态寄存器控制，这个管脚的作用很重要。写保护的完整解释见下述章节。请注意，FM25CL64的/WP管脚功能与FM25040 的是不同的，FM25040的/WP 禁止器件的所有写操作。SI输入串行输入：所有数据都是从该管脚输入到器件的。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

55、逻辑电平以满足IDD的规范。*SI可连接到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使用，在包括/HOLD为低电平的其它所有时间内都保持为三态。数据在串行时钟的下降沿跳变。*SO可连接到SI，用作一个单管脚的数据接口。VDD供电电源电压（2.7V3.65V）VSS供电地SPI接口是一个同步串行接口，它使用时钟和数据管脚。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，FM25CL64将开始监控时钟和数据线。/CS下降沿、时钟和数据之间的关系由SPI模式控制。器件在每个片选的下降沿确定SPI模式。一共有四种模式，

56、但FM25CL64只支持模式0和3。对于这两种模式，数据在SCK的上升沿时移入到FM25CL64，并且器件会在/CS生效之后的第一个上升沿时等待数据。如果时钟的起始状态是高电平，它在开始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3.4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。它们对状态寄存器进行操作。第三类包括了执行存储器操作

57、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3.4 FM25CL64的操作码指令表名称描述操作码WREN设置写使能锁存器0000 0110bWRDI写禁止0000 0100bRDSR读状态寄存器0000 0101bWRSR写状态寄存器0000 0001bREAD读存储器数据0000 0011bWRITE写存储器数据0000 0010b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FM25CL64的存储器读写进行时序分析并用单片机语言实现。其中图3-16为存储器的写操作时序图，图3-17为存储器的读操作时序图：图3-16 存储器的写时序图存储器进行的所有的写操作都是从WR

58、EN操作码开始的。下一个操作码是WRITE。WRITE操作码之后是两个字节地址值。这是写操作的第一个数据字节的开始地址。随后的字节都是数据字节，它们是连续写入的。只要总线主控器继续发布时钟信号并且保持/CS为低电平，地址就会内部递增。如果达到最后地址1FFFh，地址计数器将跳转至0000h。数据以MSB在前的方式写入。/CS的上升沿中止一个WRITE操作。EEPROM使用页缓冲来增加它们的写吞吐量。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8个时钟之后），每个字节立即写入到FRAM 阵列，所以FRAM 存储器不需要页缓冲。这允许写入任何数量的字节而无需页缓冲延迟。其单片机

59、程序如下：#define CS 0x01 /CS-P1.0#define SO 0x02 /SO-P1.1#define SI 0x08 /SI-P1.3#define SCK 0x10 /SCK-P1.4void FRAM_SPI_txByte(unsigned char data) /写数据到存储器unsigned char bits,temp;P1&=CS; /片选有效temp=data;bits=0x08;while(bits!=0x00)if(temp&0x08) P1|=SI; /数据的最高位为1 else P1&=SI; P1|=SCK; temp=(temp0)P1|=SCK; temp=(temp1); if(p1&SO) temp=temp+1; /读出的二进制为1 _NOP(); P1&=SCK; bits=(bits-1); return temp;在存储器的操作中涉及到数据的整块读取和写入，将TxData指向的num个数据整块存放