基于矿山工程开采的钻探机械单片机控制电路设计

（甘肃畜牧工程职业技术学院，甘肃 武威 733006）

由于矿产资源是我国重要的能源物质之一，因此必须更加重视其开采和管理方法，扩大国家建设和扩大矿产资源的消耗，使能源储备具有一定的多样性[1]。我国矿产资源分布比较分散，为了有效地改善资源的开放利用，使其与我国的社会主义建设步伐保持同步，必须保证矿产资源的供应。进行一定的施工安全管理[2]。

相对与国内研究，国外研究效果较高，尤其是美国MF公司的嵌入式标准控制电路。在基础设施建设中，对大口径钻探设备的需求很大，钻探机械单片机控制电路设计也需要被设计得更加实用，因此在矿山开采中，钻探机械单片机控制电路需要被进一步研究设计。

1 钻探机械单片机控制电路设计

1.1 钻探机械单片机控制电路总体

在钻探机械单片机中，需要用到的电容传感器分单极板和双极板[3]。

就优缺点而言，双极板电容传感器有2个优点，第一个优点是在测量电路中，传感器两端接口能够避免杂散电容干扰，第二个优点是可以保证传感器的两个平面可以光洁并且平整。这两个优点都是单极板电容传感器所不具备的。对地位移测量中会应用到钻探机械单片机控制电路设计，所以在本次设计实验中采用单极板电容传感器设计。可以将整个电容测量系统分为四个部分，分别是前置电路、单片机连接电路设计，以及电机驱动电路设计，涵盖3部分的具体关系电容测量电路框图如下图1所示。

图1 电容测量电路框图

1.2 前置电路设计

为了测量电容传感器电压变化，在前级电路的设计中，主要采用电阻和电容传感器串联的设计方式。前级电路为了将传感器输出电压作为正反馈加到正弦激励，可以采取适当屏蔽措施进行整改，继而避免前级电路因为电压变化小、受外界影响而产生的结果差异[4]。传感器电压与正弦激励直接相关，正弦激励对测量电路的影响更大。使用1：1放大器提取传感器电压，然后将其乘以M的合适倍数，然后添加到正弦激励中。以M为前链设计。在通过1:1放大器采用运放和场效应管搭建的手段进行运作，在电路中，场效应管的高输入阻抗起到良好的隔离缓冲作用。具体的前置电路设计如图2所示。

1.3 单片机连接电路设计

Nrf19L02微电路主要用于单芯片控制电路设计系统中，作为无线通信模块的传输介质。正常运行时，平均电压为3V，待机时，系统的电流均值为18uA,ISM频段的电流频率为2.8GHz，在系统运行的高速时间段里，最高频率可达3Mbps，在电路链接时可以直接与单片机相连。在电路中添加上拉电阻可以防止无线模块中发生过电压火灾。 当无线发射器模块连接到MCU以检测和控制环境时，二者通过引脚与PO口连接，从而达到控制钻探机械单片机的目的。

1.4 电机驱动电路设计

在钻探机械单片机控制电路设计中，电机驱动电路设计采用H桥原理，进而实现对直流电机的方向与速度的控制。一个桥臂会由单片机的P35和P40分别掌控，四个NPN三极管构成H桥。在P40输出低电平时，单片机P35输出高电平，这个时候电机会出现正转现象，电机的右端接电源地，左端就成了高电平。如果单片机的P35和P40调换输出方式的话，电机的左右两端也会出现反转现象，从而达到对电机方向的掌控。根据PWM原理，电机的速度也能够被更改。

1.5 示值稳定性设计单片机控制电路

就控制电路总体对钻探机械单片机控制电路设计之后，依据电路示值稳定性设计出整体的电路连接，将前置电路、连接电路、驱动电路整合在一起。数据示值稳定性是衡量单片机控制电路设计程度的一个指标数据。

在单片机控制电路设计过程中应用示值稳定性，单片机控制电路输出为电压形式，因此，有必要记录结构的应力漂移。在超净室中，进行稳定性测试，将温度设置为22℃，并将波动范围设置为0.01℃。进行稳定性实验时，应使用8位数字3458A数字仪表在400mm的距离上进行，每1分钟测量10次，所得示值稳定性数据如表1所示。

表1 示值稳定性数据

根据表1可以发现，10min内示值稳定性为0.1V左右。在数据展示时采用N-201闭环驱动器，从而达到微位移驱动目的。N-201采用压电陶瓷来驱动位移，使显示数据发生变化。当压电陶瓷致动器的输出电压波动时，会出现一些蠕变和磁滞现象，这些因素将导致失调漂移，所以可知，测量系统示值稳定性较高，能够满足钻探机械单片机控制电路设计中的基本要求，示值稳定性设计单片机控制电路可以正常运行，单片机控制电路需要示值稳定性来配合设计。

2 位移测量对比实验

2.1 实验过程

使用单片机控制电路，就其是否能够在矿山工程开采过程中获得更大工作效率进行研究。在就钻探机械单片机控制电路设计过程中，将设计的钻探机械单片机控制电路，与嵌入式标准控制电路进行比对,通过实验平台进行统一汇总得到实验结果，在实验操作中采用相同的电容传感器作为实验工具，包括：B-R37.100型号单极板电容传感器，设定测试次数均为10次，观察实验结果得到比对数据，从而得出结论。对比实验数据如下表所示。

表2 本文设计电路测试数据

嵌入式标准控制电路平台如表3所示。

表3 对比电路测试数据

2.2 实验结论

根据本文设计电路与对比电路表中数据所示，在单片机控制电路中，随着实验测量次数的增加，位移测量值逐渐的变大，而且变化过程较为快速、趋势较大，标准值与偏差也在相对变大。而在嵌入式标准控制电路中，位移测量值虽然随着测量次数的增加而逐渐变大，但是变化幅度较小。在第10次对比测量时二者位移测量值相差最大，差值为155.435。总体上看，本文设计电路位移测量值均大于对比电路，位移测量值越大控制电路运行更流畅，所以使用单片机控制电路效率更高。

3 结束语

在矿山开采的基础上，设计钻探机械单片机控制电路总体，依据示值稳定性连接前置电路、连接电路与驱动电路，获得完整单片机控制电路，得到了更大的位移测量值。通过钻探机械单片机控制电路的设计，对采矿效率有了进一步提升，通过确保采矿设备的安全生产，为采矿业务的发展奠定一定的基础，从而提高采矿效率。