基于S T M3 2的單體液壓支柱智能壓力巡檢系統的設計

王浩，石慧瑤，聶鵬

（中國礦業大學 機電工程學院，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的設計

王浩，石慧瑤，聶鵬

（中國礦業大學 機電工程學院，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備，其性能的好壞直接關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，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據存儲、分析并形成表格和數據分析圖，便于液壓支柱的維護和檢修。

S T M 3 2；單體液壓支柱；數據采集；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有兩種檢測方式，即集中式和分散式。現場工作中，無論是集中式還是分散式都存在數據傳輸需要設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 壓力巡檢系統的硬件設計

其硬件結構如圖1所示。

圖1 壓力巡檢系統硬件結構圖

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內核，工作頻率為7 2 MHz，內置高速存儲器(高達5 1 2 K字節的閃存和6 4 K字節的S RA M)，豐富的增強I/O端口和聯接到兩條A P B總線的外設，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用的要求；自身擁有三個1 2位的模數轉換器（A/ D），兩個1 2位的數模轉換器（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，使電橋產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系得到所測壓力值。陶瓷壓力傳感器因穩定性好、精度高、不受安裝方向影響等優點而被廣泛應用在各種測量壓力的場合。

1.3 無線通訊模塊

目前,無線數據通信的應用領域越來越廣，如遙控遙測、無線抄表、門禁系統、身份識別、非接觸RF智能卡、無線標簽、安全防火系統、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的主機與從機之間的通信基于n RF 2 4 L 0 1無線收發芯片。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器芯片。此無線收發器由頻率發生器、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無線收發器具有自動應答功能(RX）和自動重發功能（T X），自動重發功能是對自動應答功能的補充，以保證數據傳輸的可靠性。實驗證明設計的基于n RF 2 4 L 0 1的近距離無線數據傳輸系統功耗低、成本少，運行穩定可靠，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，以便于顯示主機數據采集等各種功能的設置界面；從機部分為L E D數碼管顯示模塊，兩個L E D數碼管分別由兩個WA X7 2 1 9芯片驅動。

1.5 存儲模塊

存儲模塊是數據采集系統的重要組成部分，本單體液壓支柱智能壓力巡檢系統的存儲模塊主要包括主機和從機兩部分。其中，主機部分存儲數據量較大，采用大容量可擦寫的S D卡進行存儲；從機部分存儲對應的單體液壓支柱上不同時刻的壓力數據，為長期保存從機獨立工作的有關數據參數，保證數據存儲的可靠性和快速性，從機存儲模塊采用掉電不丟失數據的非易失大容量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據。

2 壓力巡檢系統的軟件設計

軟件編程是儀器功能實現不可或缺的組成部分，本著結構化程序設計思想,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的軟件設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置三大部分，以實現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。

主機部分的程序實現數據的存儲分析、工作模式的設置以及相關界面的顯示等功能。主要由S T M3 2主控制器通過軟件控制存儲模塊、顯示模塊等相關配置來實現。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據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轉換器將模擬電信號轉換為數字信號，通過軟件按一定的關系計算出相應的壓力值，并以一定周期間隔存儲在F L A S H存儲器中，同時在數碼管上顯示出來。當主機在無線傳輸范圍中時，觸發無線通訊模塊中斷程序，從機將其F L A S H存儲器中的數據傳送給主機。

圖2 壓力檢測流程圖

3 結語

本單體液壓支柱智能壓力巡檢系統能夠對單體液壓支柱的壓力值進行實時監測，并將所有壓力數據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險和損失。系統的主機與從機之間采用無線通訊技術，傳輸速度快、能耗低，符合國家節能減排的要求，并且解決了有線通信容易引起火花、需要防爆處理、導致設備笨重的缺點，提高了系統的使用性能。此外，本系統是基于S T M3 2主控制器進行設計，具有強大的數據處理功能，便于系統功能和系統數據庫的擴展，具有廣泛的通用性和適應性。

[1]何建，席振寧，單體液壓支柱壓力變化分析與快速檢測的研究[J].液壓氣動與密封， 2 0 1 2. 8: 3 4~3 6.

[2]趙勝民，基于智能傳感器的單體液壓支柱壓力檢測系統[D].山東科技大學：趙勝民，2 0 0 7.5:1 0~1 1.

[3]王啟廣，陳軍，檢測技術與實驗方法[M].徐州：中國礦業大學出版社，2 0 0 9.1 2:6 0~8 7

[4]陳麗娟,常丹華,基于n RF 2 4 L 0 1的無線數據通信[J].電子器件，2 0 0 6,1:2 4 8~2 5 0.

[5]秦玉鑫，基于8 9 S 5 2單片機的單體液壓支柱智能壓力檢測儀設計[N].云南大學學報(自然科學版)，2 0 0 9, 3 1(S 2): 2 8 4~2 8 7.

T H 8 2 3.2

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