基于S T M3 2的单体液压支柱智能压力巡检系统的设计

王浩，石慧瑶，聂鹏

（中国矿业大学 机电工程学院，江苏 徐州 2 2 1 1 1 6）

基于S T M3 2的单体液压支柱智能压力巡检系统的设计

王浩，石慧瑶，聂鹏

（中国矿业大学 机电工程学院，江苏 徐州 2 2 1 1 1 6）

单体液压支柱是矿井下常用的重要支护设备，其性能的好坏直接关系到井下的支护安全。本文论述了一种基于S T M 3 2的单体液压支柱巡检系统，其最大特点是利用嵌入式芯片采集压力信号，并将其通过无线通讯模块传给上位机。工作人员可以将检测数据存储、分析并形成表格和数据分析图，便于液压支柱的维护和检修。

S T M 3 2；单体液压支柱；数据采集；实时检测；无线通讯

目前，单体液压支柱已在我国大、中型煤矿采煤工作面普遍应用。随着国家对煤矿安全管理的进一步加强，全国大、小煤矿将逐步淘汰摩擦支柱，开始使用单体液压支柱。目前，单体支柱压力检测系统有两种检测方式，即集中式和分散式。现场工作中，无论是集中式还是分散式都存在数据传输需要设计过多的防爆线路的问题，而且由于液压支柱之间存在一定距离，造成距离相距较远的单体液压支柱有较长的时间差，无法得到各个支柱在同一时刻的压力。

1 压力巡检系统的硬件设计

其硬件结构如图1所示。

图1 压力巡检系统硬件结构图

1.1 C P U主控制器

本单体液压支柱智能压力巡检系统采用A RM嵌入式芯片S T M3 2系列微控制器；型号为：S T M3 2 F 1 0 3 V E T 6。S T M3 2 F 1 0 3 x E增强型系列使用高性能的A RM C o r t e x™-M3 3 2位的RI S C内核，工作频率为7 2 MHz，内置高速存储器(高达5 1 2 K字节的闪存和6 4 K字节的S RA M)，丰富的增强I/O端口和联接到两条A P B总线的外设，以便于功能的扩展；其工作温度范围为-4 0～+1 0 5℃，满足极端恶劣环境的工作要求；供电电压为2.0～3.6 V，包括睡眠、待机、停机三种省电模式以保证低功耗应用的要求；自身拥有三个1 2位的模数转换器（A/ D），两个1 2位的数模转换器（D/A）以及4个通用1 6位定时器和两个P WM定时器，使用时，大大简化了系统电路。

1.2 传感器的选用

本单体液压支柱智能压力巡检系统采用陶瓷压阻压力传感器。陶瓷压阻压力传感器采用陶瓷材料经特殊工艺精制而成。其工作时，压力直接作用于陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面上，连接成一个惠斯通电桥，压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比，与激励电压也成正比的高度线性电信号，通过电信号与压力之间的关系得到所测压力值。陶瓷压力传感器因稳定性好、精度高、不受安装方向影响等优点而被广泛应用在各种测量压力的场合。

1.3 无线通讯模块

目前,无线数据通信的应用领域越来越广，如遥控遥测、无线抄表、门禁系统、身份识别、非接触RF智能卡、无线标签、安全防火系统、生物信号采集、机器人控制等，凡是布线繁杂或不允许布线的场合都希望能通过无线方案来解决。本单体液压支柱智能压力巡检系统的主机与从机之间的通信基于n RF 2 4 L 0 1无线收发芯片。n RF 2 4 L 0 1是一款工作在2.4～2.5 G Hz 世界通用I S M 频段的单片无线收发器芯片。此无线收发器由频率发生器、增强型S h o c k B u r s t™ 模式控制器、功率放大器、晶体振荡器等组成。n RF 2 4 L 0 1无线收发器具有自动应答功能(RX）和自动重发功能（T X），自动重发功能是对自动应答功能的补充，以保证数据传输的可靠性。实验证明设计的基于n RF 2 4 L 0 1的近距离无线数据传输系统功耗低、成本少，运行稳定可靠，效果良好。

1.4 显示模块

单体液压支柱智能压力巡检系统的显示模块由主机部分和从机部分两部分组成。其中，主机部分为液晶显示模块，以便于显示主机数据采集等各种功能的设置界面；从机部分为L E D数码管显示模块，两个L E D数码管分别由两个WA X7 2 1 9芯片驱动。

1.5 存储模块

存储模块是数据采集系统的重要组成部分，本单体液压支柱智能压力巡检系统的存储模块主要包括主机和从机两部分。其中，主机部分存储数据量较大，采用大容量可擦写的S D卡进行存储；从机部分存储对应的单体液压支柱上不同时刻的压力数据，为长期保存从机独立工作的有关数据参数，保证数据存储的可靠性和快速性，从机存储模块采用掉电不丢失数据的非易失大容量F L A S H存储器W2 5 X1 6，W2 5 X1 6系列F L A S H存储器具有P C B板占用空间少、引脚量两少、功耗低、具有软件写保护和硬件写保护等优点。与普通串行F L A S H相比，使用更灵活，性能更出色，非常适合存储文本和数据。

2 压力巡检系统的软件设计

软件编程是仪器功能实现不可或缺的组成部分，本着结构化程序设计思想,仪器程序具有良好的模块性、可修改性和可移植性。单体液压支柱智能压力巡检系统的软件设计主要包括主机存储显示部分、从机压力检测显示部分以及无线通讯模块的设置三大部分，以实现对单体液压支柱的压力值得测量、分析、传输、显示和存储等功能。

主机部分的程序实现数据的存储分析、工作模式的设置以及相关界面的显示等功能。主要由S T M3 2主控制器通过软件控制存储模块、显示模块等相关配置来实现。从机压力检测显示模块主程序的程序框图如图2所示。陶瓷压力传感器将测得的压力模拟信号通过数据采集模块处理后传递给S T M3 2主控制器，主控制器中的A/D转换器将模拟电信号转换为数字信号，通过软件按一定的关系计算出相应的压力值，并以一定周期间隔存储在F L A S H存储器中，同时在数码管上显示出来。当主机在无线传输范围中时，触发无线通讯模块中断程序，从机将其F L A S H存储器中的数据传送给主机。

图2 压力检测流程图

3 结语

本单体液压支柱智能压力巡检系统能够对单体液压支柱的压力值进行实时监测，并将所有压力数据及其测得时间存储起来，以便后期查看以及对压力趋势进行预测，及时避免因压力过大引起单体液压支柱故障而引起的风险和损失。系统的主机与从机之间采用无线通讯技术，传输速度快、能耗低，符合国家节能减排的要求，并且解决了有线通信容易引起火花、需要防爆处理、导致设备笨重的缺点，提高了系统的使用性能。此外，本系统是基于S T M3 2主控制器进行设计，具有强大的数据处理功能，便于系统功能和系统数据库的扩展，具有广泛的通用性和适应性。

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