基于總線傳輸的錨桿應力傳感器研制

趙慶川　孫世嶺

關鍵詞：總線傳輸;錨桿應力;低功耗;接口EMC;遙控電路

近些年井隧工程大多采用錨固技術進行支護，該技術具有重大實用價值。錨桿、錨索支護具有便于機械化施工、工藝簡單、成本低等優點，被廣泛應用于煤礦巷道頂板圍巖支護中。錨桿支護效果評價是錨網支護中的一項日常性工作。錨桿應力傳感器是專門用于煤礦井下錨網或錨噴支護質量評價、巷道錨桿（索）受力大小監測的專用儀表。目前，普遍采用單點安裝的機械式應力儀表和有線傳輸的應力儀表用于礦用錨桿應力監測。隨著智能化程度的提高，有線傳輸傳感器逐步取代了人工定時觀察的機械儀表。但傳統的錨桿應力傳感器基于8051系列內核的單片機設計，存在flash空間小、功能外設資源少、工作電流大、抗干擾能力差、電路板結構復雜的缺點，鑒于此，筆者研制了一種基于RS485總線傳輸的礦用低功耗錨桿應力傳感器，具有極低的整機功耗，具備數碼管顯示及自動調校、自動超限報警等功能，通過RS485總線與監控分站通訊，實現頂板錨桿受力大小的實時監控。

1傳感器總體設計及工作原理

1.1傳感器總體設計

錨桿應力傳感器電路設計原理圖如圖1所示，傳感器采用錨桿應力元件將應力大小轉換為電壓信號提供給主板，主板的控制處理核心為PIC16F1783單片機，主要由DC-DC降壓電路、顯示電路、遙控處理電路、聲光報警、差分信號放大電路、RS485通訊電路六部分功能電路組成。PIC16F1783芯片為低功耗單片機，內置12位AD轉換模塊，片內集成了128字節EEPROM，用于存儲傳感器校準、通訊地址信息。錨桿應力傳感器與上級分站采用礦用通信電纜連接，包括電源正極、負極和RS485總線正極、負極四根線。

目前常用的錨桿應力傳感器當工作電壓為18V.實測工作電流為26 mA，計算得出功耗為0.468W，測量誤差為4%F.S.，因此本研究所提設計的傳感器功耗及測量誤差性能應不低于此指標參數。

1.2傳感器工作原理

錨桿應力傳感器采用粘貼有高精度電阻式應變片的金屬彈性體作為受力檢測元件。彈性體受到軸向拉力后，會發生微小變形，粘貼在其表面的電阻應變片也會產生形變進而其電阻值產生規律性的變化量△R，激勵電壓將△R轉換成△U，經差分信號放大處理及A/D轉換，傳感器就能計算出彈性體所受的軸向拉力，進而將力值顯示出來，并通過RS485總線將測量值逐級上傳到地面監控中心。

2硬件電路設計

2.1接口EMC電路

為提高傳感器的抗干擾性能，必須對供電及RS485輸出接口設計保護電路，以達到防護靜電、浪涌電流、群脈沖干擾的能力。接口保護電路如圖2所示，在電源輸入口設計了TVS1保護器件，其型號為5KP33CA，設計保護電壓33 V，可承受7000 V瞬變電壓。在RS485通信口設計了TVSI保護器件，型號為SMCJ12CA，其設計保護電壓12V，可承受3000 V瞬變電壓。同時設計了D1二極管，其型號為SS14.可以消除電源正負極錯接對器件的損壞。

2.2DC-DC降壓電路設計

傳感器關聯的本安電源輸出電壓為24 V，經過2 KM線纜后傳感器獲得的電壓根據電流負載的不同而不同，但要求必須大于9V，因此傳感器設計有開關電源電路將9～24 V直流電壓轉換為適合單片機及元件工作的5V電壓，開關電源電路如圖3所示。

開關電源采用TI公司的LM25010，該芯片輸入電壓可達42V，最大輸出電流1A，其300mA輸出電流時轉換效率可達90%以上，且芯片內部集成軟啟動功能。芯片第8引腳FB處的反饋電壓為2.5 V，精度為±2%，通過R4、R5電阻構成分壓反饋電路，因此VCC電壓為5 V。I_M25010芯片靜態電流11.5A，滿足整機高轉換效率及低功耗設計的需求。

2.3元件供電電路設計

檢測錨桿應力的電橋電路的工作電壓為4.0V，為了降低差壓信號處理電路的噪聲以及控制元件電路供電通斷，將采用MOS管控制LDO上電通斷的方法進行電壓轉換。元件供電電路如圖4所示。

MCP1702T4002芯片將電壓降為4V，該芯片為低壓差LDO穩壓器，其靜態電流只有2A，輸出電壓的精度為±0. 4%，滿足錨桿傳感器高精度低功耗測量的設計要求。當單片機控制輸出引腳YJGD輸出高電平時，MOS管BSS84截止，MCP1702T4002芯片無輸出，錨桿元件及信號處理電路休眠不工作;當單片機控制輸出引腳YJGD輸出低電平時，MCP1702T4002芯片輸出4V電壓，錨桿元件及信號處理電路處于上電工作，錨桿元件即能測量受力大小。控制引腳YJGD的高電平與低電平的脈沖時間寬度，從而控制錨桿元件電路的工作時間，達到既有效檢測錨桿受力大小，又能最大限度降低功耗的效果，這是實現傳感器整機低功耗的關鍵措施之一。

2.4元件信號處理電路設計

傳感器采用高精度應變式壓力元件作為受力敏感檢測元件，其阻值為1K，因此工作電流為4mA，并且采用TI公司的低溫漂、低失調OPA2330AIDGK運放芯片作為差分放大電路的核心芯片，將錨桿元件0～400 KN量程內4 mV/KN的錨桿應力靈敏度轉換為對應的電壓信號，輸入到單片機進行A/D轉換，具體電路如如圖5所示。

在圖5中，錨桿應力元件IC2內部為電阻應變片部件構成的惠更斯電橋，當錨桿元件受力后就會在S+和S

間產生mV級的微弱電壓差。微弱電壓信號經過R35、R39、R30、R40和OPA2330芯片構成的差分放大電路后放大為0-3V的電壓信號，經單片機A/D轉換及運算，得出錨桿傳感器真正的受力大小。

2.5數碼管顯示電路

設計的錨桿應力傳感器具有4位LED數碼管，第一位為狀態顯示位，后三位為顯示數值。顯示電路采用動態掃描設計，每位數碼管8位全亮時電流消耗為2.5 mA左右。電路共需要“DBO、DB1、DB2、DB3、DP4、DP5、DP6、DB7”8個控制顯示段碼的段位選線，以及“LEDO、LEDI、LED2、LED3”4根數碼管點亮控制引腳線，由單片機端口串聯限流電阻直接驅動。

采用圖6所示的動態顯示電路，任意時刻只有一位數碼管在上電點亮顯示，同時DBO～DB7輸出對應字符的邏輯電平。每位數碼管的刷新頻率為40Hz，而人眼能夠識別的閃爍為25Hz以下，因此本研究采用的動態顯示電路既能有效節省電流消耗又能高亮度顯示監測數值。

2.6遙控電路設計

遙控電路是人機交互的重要電路設計，是傳感器零點、精度、報警點、通訊地址等設置信息的輸入接口。具體電路如圖7所示。

電路主要包括紅外遙控接收頭SFHI和三極管Q8及R32、R33、C11阻容器件組成。遙控接收頭SFHI接收到經調制的一定頻率的紅外光后，會在1管腳輸出高低電平信號。當SFHI輸出高電平時，Q8導通，YK電位為低電平;當SFHI輸出低電平時，Q8為高阻抗狀態，YK此時電壓為VCC。單片機采集到YK的高低電平及脈寬信息后，經過紅外信號邏輯算法即可識別出遙控信息的指令，從而實現傳感器設置信息的輸入識別。

2.7聲光報警電路設計

采用KG1203有源蜂鳴器作為聲音報警信號源，正常驅動電流情況下聲音可以達到80db以上。采用的采用高亮紅光二極管并聯作為光報警信號源，黑暗環境下20m外可見。傳感器監測數值低于報警點時報警電路不工作，漏電流只有2A，可以忽略不計。當應力數值超限報警時，蜂鳴器和發光二極管的電流約為25mA。

2.8通訊電路設計

錨桿應力傳感器作為頂板安全監測系統的主要監測設備之一，具有低功耗、布點多等特點，為降低現場施工難度，節約電纜用量，傳感器通過RS485總線與監測分站進行參數設置和檢測值上傳交互。傳感器采用美國德州儀器公司的SN65HVD3082芯片作為485總線信號與單片機UART接口的轉換芯片。SN65HVD3082芯片工作電流只有0.3mA，而節點數量可以達到256個，非常適合錨桿應力傳感器作為分布式設備運用。單片機與SN65HVD3082采用UART接口，UART的通訊速率為2400 bps。

3軟件設計

基于總線傳輸的錨桿應力傳感器的程序采用C語言模塊化編程設計，主程序首先是進行單片機各功能模塊及外設初始化及端口配置，然后讀取存儲在E的零點、線性等參數，然后進入周期性數據采集和超限報警判斷，等待通訊中斷響應，軟件程序的核心任務有兩個，一個是主程序循環判斷，以進行錨桿應力采集及運算、顯示、超限報警;另一個是實現UART通訊中斷響應，UART發送數據到總線，軟件流程圖如圖9所示。

4實驗分析

根據以上硬件電路設計方案及軟件程序流程完成了傳感器實驗樣機的設計加工，樣機如圖9所示。

對傳感器工作電壓、工作電流、測試誤差等基本性能指標進行測試，測試結果如表1所示。由表1可知，錨桿應力傳感器功耗約為0. 27W，測量誤差為2%F.S.，與目前市場主流常用的錨桿應力傳感器相比，功耗降低了42%，測量誤差大幅提高，滿足設計要求。

5結論

基于總線傳輸的錨桿應力傳感器研制是頂板安全監測領域的需求之一，錨桿應力傳感器是監測頂板運動規律預防頂板事故發生的重要設備。傳感器在實驗室基本性能實驗，在山西某礦進行了工業性實驗，實驗結果表明：傳感器具有較低的功耗和較強的抗電磁干擾的能力，通訊穩定，監測數據真實可靠，適合在礦山壓力大的巷道環境下應用。分析監測數據，真實反映了巷道錨桿受力變化情況，為加強頂板危險傾向區域的支護提高了數據支撐，保障了煤礦安全生產，具有廣闊的推廣應用的前景。