竖井井壁压力监控系统设计*

姬翔宇

(徽商职业学院 安徽合肥 231201)

矿井井壁在施工前期，由于注浆等原因，会造成土壤中含水量的变化。由于土壤中含水量分布不均匀，在使用冻结技术的过程中，会使井壁所受的压力分布不均匀[1]。为了对矿井井壁各位置的压力进行监控，避免安全事故的发生，文章设计了一块具有远程通信功能的井壁多点压力监控系统。

1系统总体设计

系统由3部分构成：井壁压力监控单元、总控单元和上位机。监控单元分布于井壁需要进行压力监控的位置。由RS-485总线进行连接，同总控单元构成局域网。总控单元负责采集各间单元的压力数据并对其进行校验，同时将校验过后的压力数据通过以太网传输至上位机进行实时显示。系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构图

2系统硬件设计

系统硬件由两部分构成：总控单元和监测单元。总控单元负责轮询和接收各监测点的压力数据，并与上位机的远程通信，实现人机交互。监测单元分布于井壁内层，同于实时监测压力数据，并通过RS-485总线与总控单元通信。

2.1总控单元硬件设计

总控单元由以太网通信电路、单片机和RS-485通信电路构成。以太网通信电路采用W5500芯片作为通信芯片，用于总控单元与上位机通信(见图2)；RS-485通信电路实现了监测单元和总控单元的数据传输。单片机用于整个总控单元的协调控制。总控单元首先将接收到的各监测点数据进行校验，并与接收到的校验码进行对比，检验通过的数据，通过单片机进行数据打包[2]。

由于单片机的资源有限，采用UDP协议，以减少对单片机资源的占用，提高系统执行效率。

图2 W5500电路连接图

总控单元与各监测单元的通信方式采用RS-485通信模式，最大传输速率10Mbps，传输距离可达1219m。RS-485采用差分传输方式，可有效降低噪声的影响。同时，RS-485支持多从机模式，适用于组建局域网[3]。该系统采用的MAX485作为RS-485通信芯片，电路连接如图3所示。

为了实现电路系统与RS-485总线的电气隔离，系统的接收、发送和控制引脚均通过光耦芯片与MAX485链接。有效的提高了系统的安全性，防止RS-485对电路系统的损坏。在该设计中，RS-485A、B线之间的匹配电阻采用120 ohm。

图3 MAX485 电路原理图

总控单元采用的单片机为Atmel公司的ATmega128。芯片自带可工作于主机/从机模式的SPI串行接口，以及两个可编程的串行USART，完全满足设计需求。

2.2监测单元硬件设计

监测单元由压力传感器MPX5999、ATmega16单片机、RS-485通信电路和MAX706硬件看门狗电路构成。单片机将压力传感器输出的电压值进行采样，根据电压-压力转换公式，将电压值转换为压力值。同时，将压力数据进行奇偶校验，并将校验码放入压力值尾部。经过校验的数据，头部加入监测点的编号，通过RS-485总线发送给总控单元[4]。

该设计选用的压力传感器为摩托罗拉公司的MPX5999，最大测量压力为1000kPa,输出的满量程电压值为4.7V，传感器的测量精度为±2.5%。由于传感器对温度较为敏感，内部自带了温度补偿功能，压力-电压转换可由公式(1)计算得到。

Vout=Vs*(0.000901*P+0.04)±ERROR

(1)

式(1)中，Vout为传感器输出电压，Vs为传感器供电电压，ERROR为误差补偿，P为输出电压对应的压力值，传感器转换曲线如图4所示。

图4 MPX5999 电压-压力转换曲线

传感器输出的电压值，通过ATmega16进行AD转换为数字量。ATmega16通过公式(1)，计算出压力值，将压力值进行奇偶校验，得到奇偶校验结果。单片机将目的地址、自身的地址编号、压力值和奇偶校验值打包，通过RS-485发送给总控单元[5]。

由于矿井中的环境较为恶劣，为了保护监测单元可靠稳定的运行，系统采用了硬件看门狗芯片MAX706。如果在1.6s内，单片机没有对MAX706进行复位操作，芯片会想单片机发送一个复位信号，强制单片机复位。

3系统程序设计

系统程序设计基于AVR Studio 4 + GCC软件环境，流程图如图5所示。监测单元接收到总控单元的指令后，提取目的地址与监测单元的本地地址相比较，若不匹配，说明指令不是发给本监测单元。若地址匹配，监测单元采集压力传感器数据，并转换为压力值。监测单元将数据打包以后，通过RS-485发送至总控单元，完成本次采集。

总控单元对监控单元采用轮询的方式进行数据采集。总控单元对某一监测单元发送采集指令，接着总控单元等待监测单元返回压力数据，若等待时间超过预设值，系统从新发送采集指令。总控单元程序流程如图6所示。

图5 监测系统程序流程图

图6 总控系统程序流程图

4结论

该系统通过RS-485串行总线技术，实现了远距离、多点实时井壁压力监控[6]。每一个井壁监控单元具有唯一的本地地址，总控单元通过轮询方式实现了所有监控点压力数据采集，避免了数据冲突。监控人员可通过上位机实时观测井壁眼里数据，实现了远程监控的功能。在测试过程中，系统的可靠性和稳定性得以证实。数据误码率和丢包率较低。总之，系统实现了矿井井壁压力数据的实时监控。