姬翔宇

(徽商職業(yè)學(xué)院 安徽合肥 231201)

礦井井壁在施工前期，由于注漿等原因，會造成土壤中含水量的變化。由于土壤中含水量分布不均勻，在使用凍結(jié)技術(shù)的過程中，會使井壁所受的壓力分布不均勻[1]。為了對礦井井壁各位置的壓力進(jìn)行監(jiān)控，避免安全事故的發(fā)生，文章設(shè)計(jì)了一塊具有遠(yuǎn)程通信功能的井壁多點(diǎn)壓力監(jiān)控系統(tǒng)。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由3部分構(gòu)成：井壁壓力監(jiān)控單元、總控單元和上位機(jī)。監(jiān)控單元分布于井壁需要進(jìn)行壓力監(jiān)控的位置。由RS-485總線進(jìn)行連接，同總控單元構(gòu)成局域網(wǎng)?？偪貑卧?fù)責(zé)采集各間單元的壓力數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行校驗(yàn)，同時將校驗(yàn)過后的壓力數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸至上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時顯示。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由兩部分構(gòu)成：總控單元和監(jiān)測單元?？偪貑卧?fù)責(zé)輪詢和接收各監(jiān)測點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)，并與上位機(jī)的遠(yuǎn)程通信，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。監(jiān)測單元分布于井壁內(nèi)層，同于實(shí)時監(jiān)測壓力數(shù)據(jù)，并通過RS-485總線與總控單元通信。

2.1總控單元硬件設(shè)計(jì)

總控單元由以太網(wǎng)通信電路、單片機(jī)和RS-485通信電路構(gòu)成。以太網(wǎng)通信電路采用W5500芯片作為通信芯片，用于總控單元與上位機(jī)通信(見圖2)；RS-485通信電路實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測單元和總控單元的數(shù)據(jù)傳輸。單片機(jī)用于整個總控單元的協(xié)調(diào)控制?？偪貑卧紫葘⒔邮盏降母鞅O(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，并與接收到的校驗(yàn)碼進(jìn)行對比，檢驗(yàn)通過的數(shù)據(jù)，通過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)打包[2]。

由于單片機(jī)的資源有限，采用UDP協(xié)議，以減少對單片機(jī)資源的占用，提高系統(tǒng)執(zhí)行效率。

圖2 W5500電路連接圖

總控單元與各監(jiān)測單元的通信方式采用RS-485通信模式，最大傳輸速率10Mbps，傳輸距離可達(dá)1219m。RS-485采用差分傳輸方式，可有效降低噪聲的影響。同時，RS-485支持多從機(jī)模式，適用于組建局域網(wǎng)[3]。該系統(tǒng)采用的MAX485作為RS-485通信芯片，電路連接如圖3所示。

為了實(shí)現(xiàn)電路系統(tǒng)與RS-485總線的電氣隔離，系統(tǒng)的接收、發(fā)送和控制引腳均通過光耦芯片與MAX485鏈接。有效的提高了系統(tǒng)的安全性，防止RS-485對電路系統(tǒng)的損壞。在該設(shè)計(jì)中，RS-485A、B線之間的匹配電阻采用120 ohm。

圖3 MAX485 電路原理圖

總控單元采用的單片機(jī)為Atmel公司的ATmega128。芯片自帶可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI串行接口，以及兩個可編程的串行USART，完全滿足設(shè)計(jì)需求。

2.2監(jiān)測單元硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測單元由壓力傳感器MPX5999、ATmega16單片機(jī)、RS-485通信電路和MAX706硬件看門狗電路構(gòu)成。單片機(jī)將壓力傳感器輸出的電壓值進(jìn)行采樣，根據(jù)電壓-壓力轉(zhuǎn)換公式，將電壓值轉(zhuǎn)換為壓力值。同時，將壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，并將校驗(yàn)碼放入壓力值尾部。經(jīng)過校驗(yàn)的數(shù)據(jù)，頭部加入監(jiān)測點(diǎn)的編號，通過RS-485總線發(fā)送給總控單元[4]。

該設(shè)計(jì)選用的壓力傳感器為摩托羅拉公司的MPX5999，最大測量壓力為1000kPa,輸出的滿量程電壓值為4.7V，傳感器的測量精度為±2.5%。由于傳感器對溫度較為敏感，內(nèi)部自帶了溫度補(bǔ)償功能，壓力-電壓轉(zhuǎn)換可由公式(1)計(jì)算得到。

Vout=Vs*(0.000901*P+0.04)±ERROR

(1)

式(1)中，Vout為傳感器輸出電壓，Vs為傳感器供電電壓，ERROR為誤差補(bǔ)償，P為輸出電壓對應(yīng)的壓力值，傳感器轉(zhuǎn)換曲線如圖4所示。

圖4 MPX5999 電壓-壓力轉(zhuǎn)換曲線

傳感器輸出的電壓值，通過ATmega16進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。ATmega16通過公式(1)，計(jì)算出壓力值，將壓力值進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，得到奇偶校驗(yàn)結(jié)果。單片機(jī)將目的地址、自身的地址編號、壓力值和奇偶校驗(yàn)值打包，通過RS-485發(fā)送給總控單元[5]。

由于礦井中的環(huán)境較為惡劣，為了保護(hù)監(jiān)測單元可靠穩(wěn)定的運(yùn)行，系統(tǒng)采用了硬件看門狗芯片MAX706。如果在1.6s內(nèi)，單片機(jī)沒有對MAX706進(jìn)行復(fù)位操作，芯片會想單片機(jī)發(fā)送一個復(fù)位信號，強(qiáng)制單片機(jī)復(fù)位。

3系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)基于AVR Studio 4 + GCC軟件環(huán)境，流程圖如圖5所示。監(jiān)測單元接收到總控單元的指令后，提取目的地址與監(jiān)測單元的本地地址相比較，若不匹配，說明指令不是發(fā)給本監(jiān)測單元。若地址匹配，監(jiān)測單元采集壓力傳感器數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為壓力值。監(jiān)測單元將數(shù)據(jù)打包以后，通過RS-485發(fā)送至總控單元，完成本次采集。

總控單元對監(jiān)控單元采用輪詢的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集?？偪貑卧獙δ骋槐O(jiān)測單元發(fā)送采集指令，接著總控單元等待監(jiān)測單元返回壓力數(shù)據(jù)，若等待時間超過預(yù)設(shè)值，系統(tǒng)從新發(fā)送采集指令?？偪貑卧绦蛄鞒倘鐖D6所示。

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)程序流程圖

圖6 總控系統(tǒng)程序流程圖

4結(jié)論

該系統(tǒng)通過RS-485串行總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離、多點(diǎn)實(shí)時井壁壓力監(jiān)控[6]。每一個井壁監(jiān)控單元具有唯一的本地地址，總控單元通過輪詢方式實(shí)現(xiàn)了所有監(jiān)控點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)采集，避免了數(shù)據(jù)沖突。監(jiān)控人員可通過上位機(jī)實(shí)時觀測井壁眼里數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。在測試過程中，系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性得以證實(shí)。數(shù)據(jù)誤碼率和丟包率較低?？傊到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)了礦井井壁壓力數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)控。