礦用無(wú)線壓力傳感器的設(shè)計(jì)

石杰

摘 要：文章介紹了一款新型的礦用無(wú)線壓力傳感器的設(shè)計(jì)，采用2.4GHz與低功耗技術(shù)，實(shí)現(xiàn)采面支架壓力監(jiān)測(cè)。該設(shè)計(jì)采用無(wú)線傳輸方式，有效的解決了采煤工作面空間狹小拉線困難、支架移動(dòng)扯斷線纜的問(wèn)題，同時(shí)配合壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了采煤工作面支架狀態(tài)的遠(yuǎn)程數(shù)字化監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：煤礦；無(wú)線傳輸；低功耗；壓力監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）31-0094-02

Abstract： This paper introduces the design of a new type of wireless pressure sensor for mining， which adopts 2.4 GHz and low power consumption technology to realize the pressure monitoring of mining face support. This design adopts wireless transmission mode， which effectively solves the problems of the difficulty of drawing wire in small space of coal mining face， the moving of support and the breaking of cable. At the same time， with the cooperation of pressure monitoring system， the remote digital monitoring of the state of support in coal mining face is realized.

Keywords： coal mine； wireless transmission； low power consumption； pressure monitoring

引言

在煤礦的各類自然災(zāi)害中，頂板事故是煤礦的多發(fā)事故。資料顯示在煤礦生產(chǎn)中重大事故40%以上由頂板事故引起[1]。

液壓支架是用來(lái)控制采煤工作面礦山壓力的結(jié)構(gòu)物。采面礦壓以外載的形式作用在液壓支架上。因此液壓支架的支撐力的監(jiān)測(cè)對(duì)于頂板安全管理和預(yù)防頂板事故的發(fā)生都有著重要意義。目前，礦井液壓支架壓力監(jiān)測(cè)主要以有線傳輸方式為主。隨著采煤工作面的推進(jìn)以及升降架等操作，有線網(wǎng)絡(luò)極易被扯斷，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)采集的壓力數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)時(shí)可靠地上傳，為煤礦留下安全隱患[3]。因此本文設(shè)計(jì)了一款礦用無(wú)線壓力傳感器監(jiān)測(cè)采面支架壓力，完全采用無(wú)線傳輸，無(wú)需復(fù)雜布線，配合無(wú)線壓力分站實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤工作面的遠(yuǎn)程數(shù)字化監(jiān)控。

1 無(wú)線壓力傳感器的設(shè)計(jì)原理與組成

該傳感器主要以微處理器為核心，以壓力變送器、電源、存儲(chǔ)電路、顯示液晶、射頻模塊、紅外接收、光控電路等外設(shè)共同組成，主要負(fù)責(zé)采集工作面支架前后柱的工作液壓壓力，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線分站傳輸?shù)降孛孢M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，其組成框圖如圖1。

2 無(wú)線壓力傳感器的硬件設(shè)計(jì)

2.1 MCU核心處理模塊

MCU選用的是TI的MSP430F2274單片機(jī)，該單片機(jī)是一個(gè)16位的單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令。該系列單片機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)是具有超低功耗能力，在1.8V-3.6V的工作電壓范圍，0.1μA RAM（ 保持模式），0.3μA（待機(jī)模式），（VLO）0.7μA（實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式），220μA/MIPS（工作模式），在1μs之內(nèi)超快速地從待機(jī)模式喚醒，因此非常適合本次應(yīng)用。

2.2 無(wú)線射頻模塊

無(wú)線射頻模塊選用的是以TI的CC2530構(gòu)成的射頻模塊，它結(jié)合了高性能的2.4GHz DSSS（直接序列擴(kuò)頻） 射頻收發(fā)器和一個(gè)高性能低功耗的8051微控制器，具有優(yōu)良的無(wú)線接收靈敏度和抗干擾性。CC2530的睡眠模式和其與工作模式超短的激活轉(zhuǎn)換時(shí)間使得其RF模塊成為針對(duì)超長(zhǎng)電池使用壽命應(yīng)用的理想解決方案。其集成的增強(qiáng)型8051控制器可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)編程，嵌入自組網(wǎng)協(xié)議，使傳感器成為自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

2.3 電源

傳感器采用內(nèi)置電池供電，理論上電池容量越大，傳感器工作時(shí)間越久，由于礦井下的特殊環(huán)境限制了電池容量，因此我們選用3.4Ah的一次性鋰電池，自放電率低，溫度特性好。

2.4 光控顯示

傳感器具備液晶顯示、紅外遙控等人機(jī)交互功能，方便用戶實(shí)時(shí)查看傳感器數(shù)據(jù)和對(duì)傳感器進(jìn)行設(shè)置，但是這些功能會(huì)產(chǎn)生較大的功耗，因此當(dāng)傳感器獨(dú)自工作時(shí)，這些功能需要關(guān)閉。我們采用光照控制方式來(lái)對(duì)這些功能進(jìn)行開(kāi)關(guān)。光照控制主要由光敏二極管組成，當(dāng)外界強(qiáng)光照射時(shí)，光敏二極管的光電效應(yīng)可以產(chǎn)生更大電流，配合電阻可以在單片機(jī)的中斷引腳產(chǎn)生觸發(fā)電平，喚醒單片機(jī)進(jìn)入顯示紅外功能。

2.5 低功耗設(shè)計(jì)

傳感器的低功耗設(shè)計(jì)需要在硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)上進(jìn)行多方面的綜合考慮：

（1）選擇低功耗的元器件，本次設(shè)計(jì)選取的單片機(jī)、射頻芯片、存儲(chǔ)芯片等都是采用低電壓低功耗器件。

（2）單片機(jī)和射頻模塊休眠時(shí)采用32.768KHz的低頻晶振，這個(gè)晶振用于給睡眠定時(shí)器提供振蕩周期，這種情況保證了單片機(jī)休眠時(shí)低功耗性能。

（3）在休眠時(shí)通過(guò)三極管關(guān)斷傳感器無(wú)需工作的外圍設(shè)備，包括壓力變送器，紅外接收器。顯示液晶在常態(tài)下處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)產(chǎn)生光照觸發(fā)或者定時(shí)器喚醒后才工作。

（4）傳感器采用工作休眠機(jī)制，4s工作一次，工作時(shí)進(jìn)行采集處理后發(fā)送數(shù)據(jù)，此時(shí)電流消耗大，因此盡量縮短此時(shí)工作時(shí)間，工作結(jié)束后即關(guān)閉相關(guān)部件，傳感器進(jìn)入休眠。

通過(guò)合理的斷電休眠方式，最終實(shí)現(xiàn)傳感器整機(jī)平均電流0.5mA左右的低功耗性能。

3 無(wú)線壓力傳感器的軟件設(shè)計(jì)

在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際使用中，液壓支架工作的大部分時(shí)間里，壓力信息值的變化是很小的，在軟件設(shè)計(jì)流程中采用間歇性的采集壓力信息，可以大大降低設(shè)備的功耗[2]。傳感器軟件運(yùn)行流程如圖2所示。

傳感器開(kāi)機(jī)后，進(jìn)入初始化狀態(tài)，初始化內(nèi)容包括單片機(jī)各功能引腳和功能外設(shè)初始化、晶振自檢、傳感器參數(shù)預(yù)讀取、復(fù)位故障記錄、液晶顯示開(kāi)機(jī)畫(huà)面等等。初始化結(jié)束后傳感器進(jìn)入LPM3休眠狀態(tài)，此時(shí)可以通過(guò)中斷喚醒。

該傳感器設(shè)計(jì)有兩個(gè)中斷喚醒源（1）休眠定時(shí)器中斷（2）外部光控引腳中斷。當(dāng)中斷產(chǎn)生后，程序判斷是哪種中斷。

如果是定時(shí)器中斷，則進(jìn)入AD采集，采集當(dāng)前的壓力值和電池電壓值，采集完成后關(guān)閉AD并進(jìn)行數(shù)值處理，然后喚醒射頻模塊，將數(shù)值填充入串口數(shù)據(jù)包發(fā)送給射頻模塊，由射頻模塊自主完成無(wú)線信號(hào)上傳。

如果是外部光控引腳中斷，則打開(kāi)液晶，顯示傳感器壓力值和電量等參數(shù)，并打開(kāi)紅外遙控功能，給用戶進(jìn)行遙控設(shè)置。如果未有遙控操作，則3s后液晶自動(dòng)關(guān)閉，關(guān)閉紅外遙控功能，以節(jié)約電池電量。

中斷任務(wù)結(jié)束后，單片機(jī)關(guān)閉傳感器各個(gè)外設(shè)功能，并進(jìn)入LPM3休眠狀態(tài)，等待下一次喚醒。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本次無(wú)線壓力傳感器的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了采煤工作面支架壓力的無(wú)線監(jiān)測(cè)。在安裝實(shí)施過(guò)程中，節(jié)約了大量的線纜鋪設(shè)工程，安裝方便。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，客戶使用操作簡(jiǎn)單易行，配合壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)然本設(shè)計(jì)中還存在一些缺陷，無(wú)線信號(hào)傳輸易受遮擋，在支架移動(dòng)交錯(cuò)的時(shí)候有可能出現(xiàn)傳感器短時(shí)間掉線的情況。這種情況下可以加入無(wú)線中繼器進(jìn)行信號(hào)的中繼，可以解決此類問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

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