80C51單片機(jī)對(duì)壓力測(cè)量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

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1引言

目前我國發(fā)展煤炭生產(chǎn)機(jī)械化發(fā)展迅速。綜采設(shè)備的應(yīng)用，是提高效率、改善安全狀況的措施。

影響開機(jī)率的一個(gè)主要因素是支架對(duì)工作面的頂板控制的好壞，因此，對(duì)綜采工作面進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)與控制是很有必要的。要做到這一點(diǎn)，首先需要對(duì)井下工作面的液壓支架的實(shí)際工作狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)處理、分析，評(píng)定其效果，并采取相應(yīng)措施，以提高開機(jī)率、提高產(chǎn)量。本文以監(jiān)測(cè)綜采液壓支架的壓力為研究?jī)?nèi)容，開發(fā)了一套基于單片機(jī)的壓力測(cè)量控制系統(tǒng)。

2壓力測(cè)量控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

壓力測(cè)量控制系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)支架壓力，每臺(tái)測(cè)量控制系統(tǒng)配有四只傳感器，可分別通過高壓油管連接支架的立柱、平衡千斤頂，前探梁千斤頂?shù)挠蛪呵?。壓力測(cè)量控制系統(tǒng)接收到通訊測(cè)量控制系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)采集命令后，采集四通道的壓力，傳給通訊測(cè)量控制系統(tǒng)，再由通訊測(cè)量控制系統(tǒng)傳至地面。壓力測(cè)量控制系統(tǒng)設(shè)有按鍵，當(dāng)按下時(shí)，可在LCD液晶顯示窗口循環(huán)顯示四通道的壓力值。

3壓力測(cè)量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)

圖1壓力測(cè)量控制系統(tǒng)框圖

壓力測(cè)量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它以80C51單片機(jī)為，包括傳感器、光耦、多路數(shù)據(jù)開關(guān)、LCD液晶顯示器、SRAM，EPROM、自動(dòng)復(fù)位電路、RS-485接口電路及高效電源電路等。下面分別介紹一下它們各自的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

3.1傳感器

傳感器采用前面設(shè)計(jì)的活塞傳壓大量程諧振弦式液壓傳感器，傳感器輸出幅度為5伏的矩形波。

3.2信號(hào)輸入電路

（1）多路數(shù)據(jù)開關(guān)（多路數(shù)據(jù)選擇器）74HC151

74HC151是8選1數(shù)據(jù)選擇器，它有8個(gè)數(shù)據(jù)輸入端D0--D7，1個(gè)選通端S，3個(gè)數(shù)據(jù)選擇端A，B，C和2個(gè)輸出端Y，W。當(dāng)3個(gè)數(shù)據(jù)選擇端A，B，C從000到111之間變化時(shí)，可選擇不同的通道。

（2）信號(hào)輸入電路：以D0通道為例，其電路如圖2所示。

圖2信號(hào)輸入電路

由圖2看出，傳感器頻率信號(hào)是通過光電耦合器6N139耦合到74HC151的輸入引腳D0。80C51的P1.0，P1.1輸出控制碼，選擇D0--D3輸入中的一路，用單片機(jī)的T0測(cè)信號(hào)頻率。

3.380C51外擴(kuò)8KBEPROM和8KBSRAM

在壓力測(cè)量控制系統(tǒng)中，80C51擴(kuò)展8K的EPROM（27C64）和8K的SRAM（6264）作為外部的程序存貯器和數(shù)據(jù)存貯器。選擇了較低的6MHz作為80C51單片機(jī)的工作頻率，能滿足數(shù)據(jù)采集要求，同時(shí)還可以降低單片機(jī)的功耗，擴(kuò)展系統(tǒng)連接圖如圖3所示。

圖3壓力測(cè)量控制系統(tǒng)80C51擴(kuò)展系統(tǒng)

在80C51單片機(jī)中，外部I/O口是作為外部RAM來擴(kuò)展的，選址的方法與擴(kuò)充外部RAM的方法完全相同。本電路除了外部的RAM外，還有LCD顯示器作為外部I/O器件，因此，只采用線選址方式是不夠的，應(yīng)采用譯碼選址方式。

3.4LCM點(diǎn)陣式液晶顯示模塊接口設(shè)計(jì)

LCM點(diǎn)陣式液晶顯示模塊能顯示的字符多，并且能顯示漢字，因而在智能化測(cè)量控制儀表中得到了廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)選用的是EPSON公司生產(chǎn)的EA-D20040AR點(diǎn)陣式液晶顯示模塊，它由TN型液晶顯示器、CMOS驅(qū)動(dòng)器和CMOS控制器組成，模塊內(nèi)集成有字符發(fā)生器和數(shù)據(jù)存貯器，采用單±5V電源供電，內(nèi)部有能顯示96個(gè)ASCII字符和92個(gè)特殊字符的字庫。EA-D20040AR與單片機(jī)80C51的接口電路如圖4所示：

圖4EA-D20040AR與80C51的接口電路

3.5電源電路

本系統(tǒng)的通訊測(cè)量控制系統(tǒng)及所有的壓力測(cè)量控制系統(tǒng)共用同一本安電源，應(yīng)盡量地降低線路損耗，提高電源工作效率。為此，壓力測(cè)量控制系統(tǒng)除控制傳感器的電源供電外，還采用了美國MAXIM公司的高效、+5V輸出可調(diào)降低壓穩(wěn)壓器MAX639，可將+5.5~+11.5V之間的電池電壓轉(zhuǎn)換為+5V出，并在整個(gè)電壓范圍內(nèi)提供100mA輸出電流，靜態(tài)電流僅為10μA，效率高于90%。

MAX639所需外圍器件較少，即一個(gè)小的廉價(jià)電感、一個(gè)輸入旁路電容、一個(gè)濾波電容和一個(gè)肖基特二極管，不需要任何補(bǔ)償元件。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，當(dāng)開關(guān)合上時(shí)，加到電感上的電壓等于V+減VOUT，通過電感的電流斜坡上升，從而在電感的電場(chǎng)中儲(chǔ)能，該電流還流入輸出濾波電容和負(fù)載;當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，此電流以相同的方式流過電感，但因開關(guān)此時(shí)已斷開，它必然要流過二極管。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電感僅供給負(fù)載電流，并且這個(gè)電流隨著電感磁場(chǎng)儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)移到輸出濾波電容和負(fù)載中而減少為零。

3.6RS-485接口電路

本系統(tǒng)中，通訊測(cè)量控制系統(tǒng)與各壓力測(cè)量控制系統(tǒng)屬主從式通訊網(wǎng)絡(luò)，為適合此遠(yuǎn)距離、多點(diǎn)、干擾大的通訊環(huán)境，采用RS-485接口電路。本系統(tǒng)中選用的MAX483接口電路，是由MAXIM生產(chǎn)的專用于RS-485通訊的小功率收發(fā)器，含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器，其特點(diǎn)是具有減小轉(zhuǎn)換速率的驅(qū)動(dòng)器，可以使EMI（電磁干擾）減到少，并減少因電纜終端不適當(dāng)而產(chǎn)生的影響，可以以高達(dá)250kb/s的速率無誤差地傳送數(shù)據(jù)。

3.7自動(dòng)復(fù)位電路

由于壓力測(cè)量控制系統(tǒng)在井下連續(xù)運(yùn)行，為了防止由于意外干擾引起“死機(jī)”，特在壓力測(cè)量控制系統(tǒng)引入自動(dòng)復(fù)位電路，即看門狗電路?？撮T狗電路種類很多，為了減少元件個(gè)數(shù)，本系統(tǒng)選用MAX706。

MAX706確保在加電期間復(fù)位，并防止掉電或降壓情況下微處理器代碼執(zhí)行出錯(cuò)。在加電時(shí)一旦Vcc達(dá)到1V，即可保證輸出低電平，當(dāng)Vcc上升超過復(fù)位門限電壓時(shí)，需經(jīng)過大約200ms，一個(gè)內(nèi)部定時(shí)器才允許變?yōu)楫?dāng)電平。只要VCC降低到復(fù)位門限電壓以下，就變?yōu)榈碗娖健?/p>

MAX706看門狗電路還監(jiān)控微處理器的工作，如果在1.6S內(nèi)微處理器不觸發(fā)看門狗輸入（WDI）且WDI并非處于三態(tài)，WDO將變?yōu)榈碗娖健?/p>

4壓力測(cè)量控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

壓力測(cè)量控制系統(tǒng)的程序由主程序和幾個(gè)子程序組成。子程序主要包括測(cè)頻率子程序、計(jì)算壓力子程序、顯示數(shù)據(jù)子程序、串行通訊子程序等。

4.1測(cè)頻率子程序

單片機(jī)多倍周期同步法測(cè)量的兩種情形，本系統(tǒng)選用第二種方法，即固定TM的多倍周期測(cè)量法。

4.2計(jì)算壓力子程序

當(dāng)單片機(jī)測(cè)完一個(gè)信號(hào)頻率后，取出對(duì)應(yīng)的壓力盒常數(shù)A，B，f0，由公式

計(jì)算出壓力P（為兆帕）或換算成其他單位的壓力值。

4.3顯示數(shù)據(jù)子程序

單片機(jī)把前面計(jì)算出的壓力值輸出到LCM液晶顯示模塊顯示。LCM液晶顯示模塊EA-D20040AR的初始化程序如下：

START：MOVDPTR，#2000H;置指令寄存器地址

MOVA，#38H;置功能，數(shù)據(jù)以8位操作，2行顯示，5X7點(diǎn)陣

MOVX@DPTR，A

MOVA，#06H;置輸入模式，設(shè)置AC為增量方式，顯示屏不移動(dòng)

MOVX@DPTR，A

MOVA，#OEH：置顯示開/關(guān)控制，顯示開，顯示光標(biāo)，閃耀關(guān)

MOVX@DPTR，A

MOVA，#01H;總清，清除屏幕，置AC地址為零

MOVX@DPTR，A

RET

4.4壓力測(cè)量控制系統(tǒng)串行通訊子程序

本系統(tǒng)中，各壓力測(cè)量控制系統(tǒng)與通訊測(cè)量控制系統(tǒng)之間屬于多機(jī)通訊。通訊測(cè)量控制系統(tǒng)為主機(jī)，各壓力測(cè)量控制系統(tǒng)為從機(jī)。壓力機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，通訊測(cè)量控制系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)。

壓力測(cè)量控制系統(tǒng)（從機(jī)）中斷方式通訊程序程序