通用型礦用本安壓力變送器的研制

摘要:壓力變送器主要用于壓力信號的測量和變換處理。在煤礦井下的壓力變送器通常用來測量支架壓力、錨桿(索)應力、礦井水壓等,不同應用場合的壓力變送器不能夠相互替換，即不具有通用性。針對這一問題,我們提出一種通用的礦用本安壓力變送器的解決辦法，該變送器輸出200-1000赫茲頻率信號，通過選擇接線、撥碼設置即可將其應用于不同的測量場合。
       壓力變送器”是煤礦安全生產過程中最重要的基礎自動化設備之一,主要完成壓力信號的測量和變換處理。在眾多的礦用監測監控系統科技項目中,由于各個生產廠家的需求不同，在應用壓力變送器進行系統關聯時，出現了壓力變送器型號多、通用性差的問題。為了解決現有礦用本安壓力變送器通.用性差的問題,提出了研制一種通用性強的礦用本安壓力變送器。此外，礦用壓力變送器用量較大,市.場前景非常廣闊。
1技術研制
1.1通用性需求分析
       礦用本安壓力變送器是能夠滿足煤礦井下使用的,可以將壓力探頭輸出的毫伏級電壓信號或0~5V電壓信號經過處理后,變換成能夠實現遠距離傳輸的信號制式。通常的信號制式有:4~20mA電流.信號、200~1000Hz頻率信號及總線信號等。
       為了實現礦用本安型壓力變送器的通用性,需要完成的功能有以下幾點:①為了達到監測不同數據的硬件要求，需要增加輸入接口,以適應不同信號的輸入，可對毫伏級信號及0~5V電壓信號進行處理。②需要增設撥碼開關,配合自主編制的多套監測程序,軟硬件結合實現同一檢測設備,可以對支架壓力、錨索應力、水壓、水位等數據進行監測及數據處理。③需要增設JTAG接口，實現單片機的ISP在線編程，更好地增強了設備的通用性。④需要實現0~10MPa量程數據顯示，誤差0.1MPa;200~1000Hz頻率輸出,誤差不大于1Hz。通過調整程序也可達到0~60MPa量程。⑤關鍵器件盡量采用表貼封裝，以縮小變送器外形尺寸，節省空間。
1.2工作原理.
       礦用本安型壓力變送器工作原理圖早如圖1所示。單片機對信號進行采集,經過A/D轉換器將模擬信號經過放大、位換算、阻尼、開方等一-系列運算,轉換輸出標準電流信號或者頻率信號，并送到顯示模塊進行顯示，方便用戶讀取。同時將數據保存在EEPROM內，即使斷電數據也保存完整。

1.3實驗板設計
       在對礦用本安型壓力變送器的需求進行分析，完成其通用性設計。設計的礦用本安壓力變送器是由AT89s52單片機單元、電源變換單元、信號放大單元、存儲電路單元、A/D轉換單元、頻率信號驅動電路單元、顯示器、撥碼開關等組成。單片機最小系統包括外部晶體振蕩器、硬件復位電路及ISP編程接口,其中硬件復位電路可以實現單片機的上電復位、欠壓復位及看門狗定時復位。礦用本安型壓力變送器電路原理圖如圖2所示:
       如圖所示:礦用本安壓力變送器包括了由U1、U9等構成的單片機系統;由U3、U4等構成的電源變換電路單元;由U6等構成的信號放大器;由U5等構成的A/D轉換器;由U8等構成的存儲電路單元;由U7等構成的頻率信號驅動電路單元
       工作時，接入的直流電壓通過二極管進行隔離.和反向保護,通過增加一級串接功率電阻的方式達到降低三端線性穩壓器的輸入電壓，從而減小三端穩壓器的功率損耗。設計了兩級三端穩壓電路，目的是分別得到12VDC和5VDC電壓，以便滿足不同的應用需求。轉換得到的5VDC電壓，一是接入到板.上其他各電路單元作為供電電源，一是接入到U4輸入引腳，進而產生A/D轉換芯片所需的5VDC電壓。

       通過調整電阻R63阻值,可調節運算放大器的放大倍數;調整信號分壓電阻R51、R52阻值，即可實現對輸入到A/D轉換器的信號范圍調節，又可將探頭輸出的高于5VDC信號進行降壓處理，增大壓力變送器的信號處理范圍;設置J3跳線，作用是實現信號放大器與A/D轉換器的分離與連接。設置J7按鍵,可以完成變送器測試數據的清零調校。設計電位器R2可以實現調節液晶顯示器的亮度。
       現已將設計完成的礦用本安型壓力變送器的實驗板進行加工焊接,樣機圖如圖3所示:

2實施方式
       本設計可以選擇16種不同量程范圍的壓力變送器。在測量前，首先判斷是哪一類的信號和哪一個量程范圍的信號，同時將撥碼開關置于相應的位置上。撥碼開關的設計解決了不同應用場合壓力變送器的通用性。當測量時，將壓力變送器接入相應的電路中,并采用24V直流給其供電,經過內部的信號放大、AD轉換等-系列的信號處理后，最終實現實時測量，顯示測量的數據，與此同時將測量的數據進行存儲，方便日后的讀取。此外，也可以根據現場的實際情況，調節電位器R,以改變液晶顯示器的亮度。
3結語
       根據實際需求情況,我們設計研制出一種通用的本安型礦用壓力變送器。該壓力變送器可以通過它將監測到的信號轉換成電信號,并在液晶上顯示，同時能夠以通訊協議的方式輸出。設計中四位撥碼.開關S,,根據單片機程序存儲空間容量大小，最多可選擇16種不同量程范圍的壓力變送器。
       本設計結構簡單、設計靈活.有效解決了礦用本安壓力變送器通用性差的問題。滿足適用于應用于支架壓，力監測系統、頂板動態監測系統、水害預警系統中有關壓力數據的采集、顯示、傳輸。同時還可適用于各類煤礦井下監測監控系統中。