基于单片机的压力测量控制系统研发

基于单片机的压力测量控制系统研发

单片机开发与应用

文章编号：１００８－０５７０（２００８）０３－２－００００－０３

中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００８年第２４卷第３－２期

基于单片机的压力测量控制系统研发

Ａｐｒｅｓｓｕｒｅｍｅａｓｕｒｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ

（贵州大学）陈燕秀

ＣＨＥＮＹＡＮＸＩＵ

摘要：用计算机作为控制监测及数据处理手段，实现了快速监测处理和及时反馈信息，将为监测提供一条全新的途径，对采矿工作的安全、高效生产将起到重要作用。本文开发了一种基于单片机的压力测量控制系统，包含传感器、光耦６Ｎ１３９、数据开关７４ＨＣ１５１、ＲＳ－４８５接口电路及高效电源电路等模块设计。关键字：压力传感器，控制系统，单片机

文献标识码：Ａ中图分类号：ＴＰ２１２

技

术创新

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｓｉｎｇｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒａｓｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃａｎｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｒｅａｌｔｉｍｅｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｃａｎｐｒｏｖｉｄｅａｎｅｗａｐｐｒｏａｃｈｔｏｇｕａｒａｎｔｅｅｔｈｅｓｅｃｕｒｉｔｙａｎｄｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｎｔｈｅｍｉｎｉｎｇｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ａｐｒｅｓｓｕｒｅｍｅａｓｕｒｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｗｏｒｋｉｎｃｌｕｄｅｓｔｈｅｓｅｎｓｏｒｍｏｄｕｌｅ，６Ｎ１３９ｍｏｄｕｌｅｅｔｃ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰｒｅｓｓｕｒｅＳｅｎｓｏｒ；ＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ；Ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ

１引言

目前我国发展煤炭生产机械化发展迅速。综采设备的应用，是提高效率、改善安全状况的措施。影响开机率的一个主要因素是支架对工作面的顶板控制的好坏，因此，对综采工作面进行矿压监测与控制是很有必要的。要做到这一点，首先需要对井下工作面的液压支架的实际工作状况进行监测，通过对检测数据处理、分析，评定其效果，并采取相应措施，以提高开机率、提高产量。本文以监测综采液压支架的压力为研究内容，开发了一套基于单片机的压力测量控制系统。

压力测量控制系统的结构如图１所示，它以８０Ｃ５１单片机为核心，包括传感器、光耦、多路数据开关、ＬＣＤ液晶显示器、自动复位电路、ＳＲＡＭ，ＥＰＲＯＭ、ＲＳ－４８５接口电路及高效电源电路等。下面分别介绍一下它们各自的设计特点。

３．１传感器

传感器采用前面设计的活塞传压大量程谐振弦式液压传感器，传感器输出幅度为５伏的矩形波。

２压力测量控制系统功能设计

压力测量控制系统用于监测支架压力，每台测量控制系统平衡配有四只传感器，可分别通过高压油管连接支架的立柱、千斤顶，前探梁千斤顶的油压腔。压力测量控制系统接收到通讯测量控制系统传来的数据采集命令后，采集四通道的压力，传给通讯测量控制系统，再由通讯测量控制系统传至地面。压力测量控制系统设有按键，当按下时，可在ＬＣＤ液晶显示窗口循环显示四通道的压力值。

３．２信号输入电路

（１）多路数据开关（多路数据选择器）７４ＨＣ１５１

７４ＨＣ１５１是８选１数据选择器，它有８个数据输入端Ｄ０－－Ｄ７，１个选通端Ｓ，３个数据选择端Ａ，Ｂ，Ｃ和２个输出端Ｙ，Ｗ。当３个数据选择端Ａ，Ｂ，Ｃ从０００到１１１之间变化时，可

选择不同的通道。

（２）信号输入电路：以Ｄ０通道为例，其电路如图２所示。

３压力测量控制系统的结构件设计

图２信号输入电路

由图２看出，传感器频率信号是通过光电耦合器６Ｎ１３９耦合到７４ＨＣ１５１的输入引脚Ｄ０。８０Ｃ５１的Ｐ１．０，Ｐ１．１输出控制码，选择Ｄ０－－Ｄ３输入中的一路，用单片机的Ｔ０测信号频率。

图１压力测量控制系统框图

陈燕秀：讲师

－

３．３８０Ｃ５１外扩８ＫＢＥＰＲＯＭ和８ＫＢＳＲＡＭ

在压力测量控制系统中，８０Ｃ５１扩展８Ｋ的ＥＰＲＯＭ（２７Ｃ６４）和８Ｋ的ＳＲＡＭ（６２６４）作为外部的程序存贮器和数据存贮器。选择了较低的６ＭＨｚ作为８０Ｃ５１单片机的工作频率，能满足数据采集要求，同时还可以降低单片机的功耗，扩展系统连接图如图３所示。

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给负载电流，并且这个电流随着电感磁场储存的能量转移到输出滤波电容和负载中而减少为零。

图３压力测量控制系统８０Ｃ５１扩展系统

在８０Ｃ５１单片机中，外部Ｉ／Ｏ口是作为外部ＲＡＭ来扩展的，选址的方法与扩充外部ＲＡＭ的方法完全相同。本电路除了外部的ＲＡＭ外，还有ＬＣＤ显示器作为外部Ｉ／Ｏ器件，因此，只采用线选址方式是不够的，应采用译码选址方式。

３．４ＬＣＭ点阵式液晶显示模块接口设计

ＬＣＭ点阵式液晶显示模块能显示的字符多，并且能显示汉

字，因而在智能化测量控制仪表中得到了广泛的应用。本系统选用的是ＥＰＳＯＮ公司生产的ＥＡ－Ｄ２００４０ＡＲ点阵式液晶显示模块，它由ＴＮ型液晶显示器、ＣＭＯＳ驱动器和ＣＭＯＳ控制器组成，模块内集成有字符发生器和数据存贮器，采用单±５Ｖ电源供电，内部有能显示９６个ＡＳＣＩＩ字符和９２个特殊字符的字库。ＥＡ－

３．６ＲＳ－４８５接口电路

本系统中，通讯测量控制系统与各压力测量控制系统属主从式通讯网络，为适合此远距离、多点、干扰大的通讯环境，采用ＲＳ－４８５接口电路。本系统中选用的ＭＡＸ４８３接口电路，是由ＭＡＸＩＭ生产的专用于ＲＳ－４８５通讯的小功率收发器，含有一个驱动器和一个接收器，其特点是具有减小转换速率的驱动器，可以使ＥＭＩ（电磁干扰）减到最少，并减少因电缆终端不适当而产生的影响，可以以高达２５０ｋｂ／ｓ的速率无误差地传送数据。

３．７自动复位电路

由于压力测量控制系统在井下连续运行，为了防止由于意外干扰引起＂死机＂，特在压力测量控制系统引入自动复位电路，即看门狗电路。看门狗电路种类很多，为了减少元件个数，本系统选用ＭＡＸ７０６。

ＭＡＸ７０６确保在加电期间复位，并防止掉电或降压情况下微处理器代码执行出错。在加电时一旦Ｖｃｃ达到１Ｖ，即可保证ＲＥＳＴ输出低电平，当Ｖｃｃ上升超过复位门限电压时，需经过大约２００ｍｓ，一个内部定时器才允许ＲＥＳＴ变为当电平。只要ＶＣＣ降低到复位门限电压以下，ＲＥＳＴ就变为低电平。

ＭＡＸ７０６看门狗电路还监控微处理器的工作，如果在１．６Ｓ内微处理器不触发看门狗输入（ＷＤＩ）且ＷＤＩ并非处于三态，ＷＤＯ将变为低电平。

Ｄ２００４０ＡＲ与单片机８０Ｃ５１的接口电路如图４所示：

４压力测量控制系统软件设计

压力测量控制系统的程序由主程序和几个子程序组成。子程序主要包括测频率子程序、计算压力子程序、显示数据子程序、串行通讯子程序等。

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术创新

４．１测频率子程序

单片机多倍周期同步法测量的两种情形，本系统选用第二种方法，即固定ＴＭ的多倍周期测量法。

４．２计算压力子程序

当单片机测完一个信号频率后，取出对应的压力盒常数Ａ，

Ｂ，ｆ０，由公式

计算出压力Ｐ（为兆帕）或换算成其他单位的压力值。

图４ＥＡ－Ｄ２００４０ＡＲ与８０Ｃ５１的接口电路

４．３显示数据子程序

单片机把前面计算出的压力值输出到ＬＣＭ液晶显示模块显示。ＬＣＭ液晶显示模块ＥＡ－Ｄ２００４０ＡＲ的初始化程序如下：

３．５电源电路

本系统的通讯测量控制系统及所有的压力测量控制系统共用同一本安电源，应尽量地降低线路损耗，提高电源工作效率。为此，压力测量控制系统除控制传感器的电源供电外，还采用了美国ＭＡＸＩＭ公司的高效、＋５Ｖ输出可调降低压稳压器

ＭＡＸ６３９，可将＋５．５￣＋１１．５Ｖ之间的电池电压转换为＋５Ｖ出，并在整个电压范围内提供１００ｍＡ输出电流，静态电流仅为１０μＡ，效率高于９０％。

一个ＭＡＸ６３９所需外围器件较少，即一个小的廉价电感、

输入旁路电容、一个滤波电容和一个肖基特二极管，不需要任何补偿元件。它实质上是一个降压ＤＣ－ＤＣ转换器，当开关合上时，加到电感上的电压等于Ｖ＋减ＶＯＵＴ，通过电感的电流斜坡上升，从而在电感的电场中储能，该电流还流入输出滤波电容和负载；当开关断开时，此电流以相同的方式流过电感，但因开关此时已断开，它必然要流过二极管。当开关断开时，电感仅供

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ＳＴＡＲＴ：ＭＯＶＤＰＴＲ，＃２０００Ｈ；置指令寄存器地址

ＭＯＶＡ，＃３８Ｈ；置功能，数据以８位操作，２行显示，５Ｘ７点阵ＭＯＶＸ＠ＤＰＴＲ，Ａ

ＭＯＶＡ，＃０６Ｈ；置输入模式，设置ＡＣ为增量方式，显示屏不

移动

ＭＯＶＸ＠ＤＰＴＲ，Ａ

ＭＯＶＡ，＃ＯＥＨ：置显示开／关控制，显示开，显示光标，闪耀关ＭＯＶＸ＠ＤＰＴＲ，Ａ

ＭＯＶＡ，＃０１Ｈ；总清，清除屏幕，置ＡＣ地址为零ＭＯＶＸ＠ＤＰＴＲ，ＡＲＥＴ

４．４压力测量控制系统串行通讯子程序

本系统中，各压力测量控制系统与通讯测量控制系统之间属于多机通讯。（下转第１０６页）

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结果都要通过ＷｅｂＳｅｒｖｅｒ来进行。

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解包或者打包的动作，以继续进行后续工作。显然，最终的处理

通常，所谓的ＴＣＰ／ＩＰ协议是一个四层协议系统，包括数据链路层、网络层（含ＩＰ协议）、传输层（含ＴＣＰ协议）和应用层，每一层负责不同的功能。基于ＴＣＰ／ＩＰ协议可以实现多种功能应用。在我们设计的系统中，主要是分析ＨＴＴＰ，也就是ＷｅｂＳｅｒｖｅｒ在应用层的主要构成协议。其它的协议功能的实现就不再分析了。ＰＩ包含编址方案，并提供寻址功能；ＴＣＰ则是在不同主机的对等进程之间提供可靠的进程间通信。与ＴＣＰ两端口所连接的实体中，一端为应用程序进程或用户，另一端则为底层协议，如

ＩＰ协议。ＴＣＰ在建立连接过程中采用三次握手机制，以保证数据的可靠性。利用提供的ＴＣＰ／ＩＰ协议包，可以轻松建立起ＴＣＰ／ＩＰ通信。当通信建立以后，就可以在此基础上进行后续的进一

步应用功能扩展。

技术创新

３．２ＲＳ－４８５接入以太网的软件设计

嵌入式控制器把传感器的ＲＳ－４８５通信格式数据转换为工业以太网接收的ＴＣＰ／ＩＰ协议格式的数据包，可以通过两个实时的任务运行实现。一个任务是模块从ＲＳ－４８５串行口读取来自传感器的数据：另一任务则是将模块获得的数据从以太网接口发送到需要数据的其他网络节点，它们通过共享数据缓存区实

现数据交换。

［Ｊ］微计算机信息，２００６．１２，１：８６－８８

［２］隋运峰，刘一博，谢意，周建鸿，ＴＣＰ在有线电视网络中的问题和解决方法［Ｊ］微计算机信息，４，３：１４１－１４３

［３］ＡＲＭ７ＴＤＭＩ（Ｒｅｖ４）ＴｅｃｈｎｉｃａｌＲｅｆｅｒｅｎｃｅＭａｎｕａｌ，

［ＥＢ／ＯＬ］，ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ，ａｒｍ，ｃｏｍ／ｐｄｆｓ／ＤＤＩ０２１０Ｂ＿７ＴＤＭＩ＿Ｒ４，ｐｄｆ

［４］俞建新等，嵌入式应用程序开发综合实验９例［Ｍ］，北京：清华大学出版社，２００６

作者简介：吴强（１９６３，２－），男，安徽萧县人，本科，讲师，研究方向：计算机网络及电子商务。

Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＷｕＱｉａｎｇ（１９６３，２－），Ｍａｌｅ，ＢｏｒｎｉｎＡｎｈｕｉＸｉａｏｘｉ－ａｎ，Ｌｅｃｔｕｒｅｒ，ＲｅｓｅａｒｃｈＡｒｅａｓ：ＣｏｍｐｕｔｅｒＮｅｔｗｏｒｋｓａｎｄＥ－Ｃｏｍ－ｍｅｒｃｅ．

（４５０００２郑州轻工业学院计算机与通信工程学院）吴强

（ＺｈｅｎｇｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＬｉｇｈｔＩｎｄｕｓｔｒｙ，ＨｅｎａｎＺｈｅｎｇｚｈｏｕ４５０００２）ＷｕＱｉａｎｇ

通讯地址：（４５０００２河南郑州市东风路５号郑州轻工业学院计算机与通信工程学院）吴强

（收稿日期：２００８．１．０５）（修稿日期：２００８．２．２０）

（上接第１０３页）

通讯测量控制系统为主机，各压力测量控制系统为从机。压力机发送数据，通讯测量控制系统接收数据。

压力测量控制系统（从机）中断方式通讯程序程序设计思想是：在主程序中设置好与串行通讯接收和中断有关的初始化工作后，等待中断，在收到一帧地址信息后启动中断进入通讯服务程序，在以后的接收或发送通讯中就采用查询方式，直到本次通讯结束，由中断返回到主程序。其中若从机未作好发送准备及出现非法命令等也从中断返回，在主程序中作好准备。主机应重新和从机联络，使从机再次进入串行口中断。

本文作者创新点：本文设计的压力测量控制系统以８０Ｃ５１单片机为核心，包括传感器、光耦６Ｎ１３９、数据开关７４ＨＣ１５１、点阵式液晶显示模块ＥＡ－Ｄ２００４０ＡＲ，ＲＳ－４８５接口电路及高效电源电路等。测控系统接收到通讯分机传来的数据采集命令后，采集四通道的压力，传给通讯分机，再由通讯分机传到地面，实现了快速监测处理和及时反馈信息。

３．３ＪａｖａＡｐｐｌｅｔ在客户端的应用

Ａｐｐｌｅｔ是运行在浏览器上的Ｊａｖａ程序。它不能独立运行，它的字节码文件必须嵌入到另一种语言ＨＴＭＬ的文件中，并由浏览器采用调用Ａｐｐｌｅｔ方法来解释执行，ＪａｖａＡｐｐｌｅｔ字节码程序可以完成特殊的Ａｐｐｌｅｔ任务。本系统客户端软件实际上就是ＪａｖａＡｐｐｌｅｔ的一个应用，用户界面的内容可以由Ａｐｐｌｅｔ

来实现。

可以通过控制界面显示控制参数的开关状态，并通过控制面板的选取控制系统，并进行查询。客户端与服务器通信过程通过创建ｓｏｃｋｅｔ来实现。Ｓｏｃｋｅｔ类和ＳｅｒｖｅｒＳｏｃｋｅｔ类是用

Ｊａｖａ实现Ｓｏｃｋｅｔ通信的主要工具。创建一个ＳｅｒｖｅｒＳｏｃｋｅｔ对象就创建了一个监听服务，创建一个Ｓｏｃｋｅｔ对象就建立一个Ｃｌｉｅｎｔ与Ｓｅｒｖｅｒ间的连接。用下面的语句创建一个Ｓｅｒｖｅｒ－Ｓｏｃｋｅｔ类，同时在运行该语句的控制器的指定端口外建立一个监听服务：

ＳｅｒｖｅｒＳｏｃｋｅｔＭｙＬｉｓｔｅｎｅｒ＝ｎｅｗＳｅｒｖｅｒＳｏｃｋｅｔ（８０００）；

为了随时监听可能的Ｃｌｉｅｎｔ请求，还应该执行如下的语句：ＳｏｃｋｅｔＬｉｎｋＳｏｃｋｅｔ＝ＭｙＬｉｓｔｅｎｅｒ，ａｃｃｅｐｔ（）；

当Ｃｌｉｅｎｔ程序需要从Ｓｅｒｖｅｒ端获取信息及其他服务时，创建一个Ｓｏｃｋｅｔ对象：

ＳｏｃｋｅｔＭｙＳｏｃｋｅｔ＝ｎｅｗＳｏｃｋｅｔ（“ＳｅｖｒｅｒＣｏｍＰｕｔｅｒＮａｍｅ”，８０００）；

本文作者创新点：

在本嵌入式控制器中，嵌入式控制器的设计包括硬、软件两部分设计，向上与计算机通信，设计了ＲＪ－４５接口、存储器接口等，向下与控制设备通信，设计了相应ＲＳ－２３２接口、ＲＳ－４８５接口、电磁控制开关接口等。客户计算机上只要有ＳＱＬＳＥＲＶＥＲ，ＳＯＣＫＥＴ，ＥＸＰＬＯＲＥＲ等即可与嵌入式控制器通信，而嵌入式控制器上有ＷｅｂＳｅｒｖｅｒ，ＳＯＣＫＥＴ，系统软件网页服务器程序等。参考文献：

［１］董小国，王蓉，基于Ｗｅｂ的中水远程监控系统的设计与实现

－

参考文献

［１］唐慧强，孔照林．基金会现场总线压力测量系统的设计［Ｊ］．微计算机信息，２００７，６－１：１９４－１９５

［２］邓宏彬．ＭＳＣ１２１Ｘ系统级单片机原理与应用．第１版，北京：机械工业出版社，２００４，１￣６

［３］唐慧强．精密压力变送器的研制．测控技术，１９９９，６－１８：６３－６４。

作者简介：陈燕秀（１９７５－），女，汉族，讲师，贵州大学职业技术学院信息工程系，研究兴趣：电路设计。

Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＣＨＥＮＹａｎｘｉｕ（１９７５－），Ｆｅｍａｌｅ，ＨａｎＮａｔｉｏｎａｌｉｔｙ，ＬｅｃｔｕｅｒｉｎＧｕｉｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＲｅｓｅａｒｃｈＦｉｅｌｄｓ：ＣｉｒｃｕｉｔＤｅｓｉｇｎ．（５５０００４贵州贵阳贵州大学职业技术学院信息工程）陈燕秀（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＶｏｃａｔｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｚｈｏｕ，Ｇｕｉｙａｎｇ５５０００４）ＣｈｅｎＹａｎｘｉｕ

通讯地址：（５５０００４

贵州贵阳

贵阳市安云路１９号省城乡规

划设计院）陈燕玲转陈燕秀

（收稿日期：２００８．０１．０５）（修稿日期：２００８．０２．２０）

ＧｕｉｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/n0f1.html