王浩，石慧瑤，聶鵬

（中國礦業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 徐州 2 2 1 1 1 6）

基于S T M3 2的單體液壓支柱智能壓力巡檢系統(tǒng)的設(shè)計

王浩，石慧瑤，聶鵬

（中國礦業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 徐州 2 2 1 1 1 6）

單體液壓支柱是礦井下常用的重要支護設(shè)備，其性能的好壞直接關(guān)系到井下的支護安全。本文論述了一種基于S T M 3 2的單體液壓支柱巡檢系統(tǒng)，其最大特點是利用嵌入式芯片采集壓力信號，并將其通過無線通訊模塊傳給上位機。工作人員可以將檢測數(shù)據(jù)存儲、分析并形成表格和數(shù)據(jù)分析圖，便于液壓支柱的維護和檢修。

S T M 3 2；單體液壓支柱；數(shù)據(jù)采集；實時檢測；無線通訊

目前，單體液壓支柱已在我國大、中型煤礦采煤工作面普遍應(yīng)用。隨著國家對煤礦安全管理的進一步加強，全國大、小煤礦將逐步淘汰摩擦支柱，開始使用單體液壓支柱。目前，單體支柱壓力檢測系統(tǒng)有兩種檢測方式，即集中式和分散式。現(xiàn)場工作中，無論是集中式還是分散式都存在數(shù)據(jù)傳輸需要設(shè)計過多的防爆線路的問題，而且由于液壓支柱之間存在一定距離，造成距離相距較遠的單體液壓支柱有較長的時間差，無法得到各個支柱在同一時刻的壓力。

1 壓力巡檢系統(tǒng)的硬件設(shè)計

其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 壓力巡檢系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1 C P U主控制器

本單體液壓支柱智能壓力巡檢系統(tǒng)采用A RM嵌入式芯片S T M3 2系列微控制器；型號為：S T M3 2 F 1 0 3 V E T 6。S T M3 2 F 1 0 3 x E增強型系列使用高性能的A RM C o r t e x?-M3 3 2位的RI S C內(nèi)核，工作頻率為7 2 MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達5 1 2 K字節(jié)的閃存和6 4 K字節(jié)的S RA M)，豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條A P B總線的外設(shè)，以便于功能的擴展；其工作溫度范圍為-4 0～+1 0 5℃，滿足極端惡劣環(huán)境的工作要求；供電電壓為2.0～3.6 V，包括睡眠、待機、停機三種省電模式以保證低功耗應(yīng)用的要求；自身擁有三個1 2位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/ D），兩個1 2位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A）以及4個通用1 6位定時器和兩個P WM定時器，使用時，大大簡化了系統(tǒng)電路。

1.2 傳感器的選用

本單體液壓支柱智能壓力巡檢系統(tǒng)采用陶瓷壓阻壓力傳感器。陶瓷壓阻壓力傳感器采用陶瓷材料經(jīng)特殊工藝精制而成。其工作時，壓力直接作用于陶瓷膜片的前表面，使膜片產(chǎn)生微小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面上，連接成一個惠斯通電橋，壓敏電阻的壓阻效應(yīng)，使電橋產(chǎn)生一個與壓力成正比，與激勵電壓也成正比的高度線性電信號，通過電信號與壓力之間的關(guān)系得到所測壓力值。陶瓷壓力傳感器因穩(wěn)定性好、精度高、不受安裝方向影響等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用在各種測量壓力的場合。

1.3 無線通訊模塊

目前,無線數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，如遙控遙測、無線抄表、門禁系統(tǒng)、身份識別、非接觸RF智能卡、無線標(biāo)簽、安全防火系統(tǒng)、生物信號采集、機器人控制等，凡是布線繁雜或不允許布線的場合都希望能通過無線方案來解決。本單體液壓支柱智能壓力巡檢系統(tǒng)的主機與從機之間的通信基于n RF 2 4 L 0 1無線收發(fā)芯片。n RF 2 4 L 0 1是一款工作在2.4～2.5 G Hz 世界通用I S M 頻段的單片無線收發(fā)器芯片。此無線收發(fā)器由頻率發(fā)生器、增強型S h o c k B u r s t? 模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器等組成。n RF 2 4 L 0 1無線收發(fā)器具有自動應(yīng)答功能(RX）和自動重發(fā)功能（T X），自動重發(fā)功能是對自動應(yīng)答功能的補充，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴嶒炞C明設(shè)計的基于n RF 2 4 L 0 1的近距離無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)功耗低、成本少，運行穩(wěn)定可靠，效果良好。

1.4 顯示模塊

單體液壓支柱智能壓力巡檢系統(tǒng)的顯示模塊由主機部分和從機部分兩部分組成。其中，主機部分為液晶顯示模塊，以便于顯示主機數(shù)據(jù)采集等各種功能的設(shè)置界面；從機部分為L E D數(shù)碼管顯示模塊，兩個L E D數(shù)碼管分別由兩個WA X7 2 1 9芯片驅(qū)動。

1.5 存儲模塊

存儲模塊是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要組成部分，本單體液壓支柱智能壓力巡檢系統(tǒng)的存儲模塊主要包括主機和從機兩部分。其中，主機部分存儲數(shù)據(jù)量較大，采用大容量可擦寫的S D卡進行存儲；從機部分存儲對應(yīng)的單體液壓支柱上不同時刻的壓力數(shù)據(jù)，為長期保存從機獨立工作的有關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)，保證數(shù)據(jù)存儲的可靠性和快速性，從機存儲模塊采用掉電不丟失數(shù)據(jù)的非易失大容量F L A S H存儲器W2 5 X1 6，W2 5 X1 6系列F L A S H存儲器具有P C B板占用空間少、引腳量兩少、功耗低、具有軟件寫保護和硬件寫保護等優(yōu)點。與普通串行F L A S H相比，使用更靈活，性能更出色，非常適合存儲文本和數(shù)據(jù)。

2 壓力巡檢系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軟件編程是儀器功能實現(xiàn)不可或缺的組成部分，本著結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計思想,儀器程序具有良好的模塊性、可修改性和可移植性。單體液壓支柱智能壓力巡檢系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括主機存儲顯示部分、從機壓力檢測顯示部分以及無線通訊模塊的設(shè)置三大部分，以實現(xiàn)對單體液壓支柱的壓力值得測量、分析、傳輸、顯示和存儲等功能。

主機部分的程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲分析、工作模式的設(shè)置以及相關(guān)界面的顯示等功能。主要由S T M3 2主控制器通過軟件控制存儲模塊、顯示模塊等相關(guān)配置來實現(xiàn)。從機壓力檢測顯示模塊主程序的程序框圖如圖2所示。陶瓷壓力傳感器將測得的壓力模擬信號通過數(shù)據(jù)采集模塊處理后傳遞給S T M3 2主控制器，主控制器中的A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過軟件按一定的關(guān)系計算出相應(yīng)的壓力值，并以一定周期間隔存儲在F L A S H存儲器中，同時在數(shù)碼管上顯示出來。當(dāng)主機在無線傳輸范圍中時，觸發(fā)無線通訊模塊中斷程序，從機將其F L A S H存儲器中的數(shù)據(jù)傳送給主機。

圖2 壓力檢測流程圖

3 結(jié)語

本單體液壓支柱智能壓力巡檢系統(tǒng)能夠?qū)误w液壓支柱的壓力值進行實時監(jiān)測，并將所有壓力數(shù)據(jù)及其測得時間存儲起來，以便后期查看以及對壓力趨勢進行預(yù)測，及時避免因壓力過大引起單體液壓支柱故障而引起的風(fēng)險和損失。系統(tǒng)的主機與從機之間采用無線通訊技術(shù)，傳輸速度快、能耗低，符合國家節(jié)能減排的要求，并且解決了有線通信容易引起火花、需要防爆處理、導(dǎo)致設(shè)備笨重的缺點，提高了系統(tǒng)的使用性能。此外，本系統(tǒng)是基于S T M3 2主控制器進行設(shè)計，具有強大的數(shù)據(jù)處理功能，便于系統(tǒng)功能和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的擴展，具有廣泛的通用性和適應(yīng)性。

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