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关键词：总线传输;锚杆应力;低功耗;接口EMC;遥控电路
近些年井隧工程大多采用锚固技术进行支护，该技术具有重大实用价值。锚杆、锚索支护具有便于机械化施工、工艺简单、成本低等优点，被广泛应用于煤矿巷道顶板围岩支护中。锚杆支护效果评价是锚网支护中的一项日常性工作。锚杆应力传感器是专门用于煤矿井下锚网或锚喷支护质量评价、巷道锚杆（索）受力大小监测的专用仪表。目前，普遍采用单点安装的机械式应力仪表和有线传输的应力仪表用于矿用锚杆应力监测。随着智能化程度的提高，有线传输传感器逐步取代了人工定时观察的机械仪表。但传统的锚杆应力传感器基于8051系列内核的单片机设计，存在flash空间小、功能外设资源少、工作电流大、抗干扰能力差、电路板结构复杂的缺点，鉴于此，笔者研制了一种基于RS485总线传输的矿用低功耗锚杆应力传感器，具有极低的整机功耗，具备数码管显示及自动调校、自动超限报警等功能，通过RS485总线与监控分站通讯，实现顶板锚杆受力大小的实时监控。
1传感器总体设计及工作原理
1.1传感器总体设计
锚杆应力传感器电路设计原理图如图1所示，传感器采用锚杆应力元件将应力大小转换为电压信号提供给主板，主板的控制处理核心为PIC16F1783单片机，主要由DC-DC降压电路、显示电路、遥控处理电路、声光报警、差分信号放大电路、RS485通讯电路六部分功能电路组成。PIC16F1783芯片为低功耗单片机，内置12位AD转换模块，片内集成了128字节EEPROM，用于存储传感器校准、通讯地址信息。锚杆应力传感器与上级分站采用矿用通信电缆连接，包括电源正极、负极和RS485总线正极、负极四根线。
目前常用的锚杆应力传感器当工作电压为18V.实测工作电流为26 mA，计算得出功耗为0.468W，测量误差为4%F.S.，因此本研究所提设计的传感器功耗及测量误差性能应不低于此指标参数。
1.2传感器工作原理
锚杆应力传感器采用粘贴有高精度电阻式应变片的金属弹性体作为受力检测元件。弹性体受到轴向拉力后，会发生微小变形，粘贴在其表面的电阻应变片也会产生形变进而其电阻值产生规律性的变化量△R，激励电压将△R转换成△U，经差分信号放大处理及A/D转换，传感器就能计算出弹性体所受的轴向拉力，进而将力值显示出来，并通过RS485总线将测量值逐级上传到地面监控中心。
2硬件电路设计
2.1接口EMC电路
为提高传感器的抗干扰性能，必须对供电及RS485输出接口设计保护电路，以达到防护静电、浪涌电流、群脉冲干扰的能力。接口保护电路如图2所示，在电源输入口设计了TVS1保护器件，其型号为5KP33CA，设计保护电压33 V，可承受7000 V瞬变电压。在RS485通信口设计了TVSI保护器件，型号为SMCJ12CA，其设计保护电压12V，可承受3000 V瞬变电压。同时设计了D1二极管，其型号为SS14.可以消除电源正负极错接对器件的损坏。
2.2DC-DC降压电路设计
传感器关联的本安电源输出电压为24 V，经过2 KM线纜后传感器获得的电压根据电流负载的不同而不同，但要求必须大于9V，因此传感器设计有开关电源电路将9～24 V直流电压转换为适合单片机及元件工作的5V电压，开关电源电路如图3所示。
开关电源采用TI公司的LM25010，该芯片输入电压可达42V，最大输出电流1A，其300mA输出电流时转换效率可达90%以上，且芯片内部集成软启动功能。芯片第8引脚FB处的反馈电压为2.5 V，精度为±2%，通过R4、R5电阻构成分压反馈电路，因此VCC电压为5 V。I_M25010芯片静态电流11.5A，满足整机高转换效率及低功耗设计的需求。
2.3元件供电电路设计
检测锚杆应力的电桥电路的工作电压为4.0V，为了降低差压信号处理电路的噪声以及控制元件电路供电通断，将采用MOS管控制LDO上电通断的方法进行电压转换。元件供电电路如图4所示。
MCP1702T4002芯片将电压降为4V，该芯片为低压差LDO稳压器，其静态电流只有2A，输出电压的精度为±0. 4%，满足锚杆传感器高精度低功耗测量的设计要求。当单片机控制输出引脚YJGD输出高电平时，MOS管BSS84截止，MCP1702T4002芯片无输出，锚杆元件及信号处理电路休眠不工作;当单片机控制输出引脚YJGD输出低电平时，MCP1702T4002芯片输出4V电压，锚杆元件及信号处理电路处于上电工作，锚杆元件即能测量受力大小。控制引脚YJGD的高电平与低电平的脉冲时间宽度，从而控制锚杆元件电路的工作时间，达到既有效检测锚杆受力大小，又能最大限度降低功耗的效果，这是实现传感器整机低功耗的关键措施之一。
2.4元件信号处理电路设计
传感器采用高精度应变式压力元件作为受力敏感检测元件，其阻值为1K，因此工作电流为4mA，并且采用TI公司的低温漂、低失调OPA2330AIDGK运放芯片作为差分放大电路的核心芯片，将锚杆元件0～400 KN量程内4 mV/KN的锚杆应力灵敏度转换为对应的电压信号，输入到单片机进行A/D转换，具体电路如如图5所示。
在图5中，锚杆应力元件IC2内部为电阻应变片部件构成的惠更斯电桥，当锚杆元件受力后就会在S+和S
间产生mV级的微弱电压差。微弱电压信号经过R35、R39、R30、R40和OPA2330芯片构成的差分放大电路后放大为0-3V的电压信号，经单片机A/D转换及运算，得出锚杆传感器真正的受力大小。
2.5数码管显示电路
设计的锚杆应力传感器具有4位LED数码管，第一位为状态显示位，后三位为显示数值。显示电路采用动态扫描设计，每位数码管8位全亮时电流消耗为2.5 mA左右。电路共需要“DBO、DB1、DB2、DB3、DP4、DP5、DP6、DB7”8个控制显示段码的段位选线，以及“LEDO、LEDI、LED2、LED3”4根数码管点亮控制引脚线，由单片机端口串联限流电阻直接驱动。 采用图6所示的动态显示电路，任意时刻只有一位数码管在上电点亮显示，同时DBO～DB7输出对应字符的逻辑电平。每位数码管的刷新频率为40Hz，而人眼能够识别的闪烁为25Hz以下，因此本研究采用的动态显示电路既能有效节省电流消耗又能高亮度显示监测数值。
2.6遥控电路设计
遥控电路是人机交互的重要电路设计，是传感器零点、精度、报警点、通讯地址等设置信息的输入接口。具体电路如图7所示。
电路主要包括红外遥控接收头SFHI和三极管Q8及R32、R33、C11阻容器件组成。遥控接收头SFHI接收到经调制的一定频率的红外光后，会在1管脚输出高低电平信号。当SFHI输出高电平时，Q8导通，YK电位为低电平;当SFHI输出低电平时，Q8为高阻抗状态，YK此时电压为VCC。单片机采集到YK的高低电平及脉宽信息后，经过红外信号逻辑算法即可识别出遥控信息的指令，从而实现传感器设置信息的输入识别。
2.7声光报警电路设计
采用KG1203有源蜂鸣器作为声音报警信号源，正常驱动电流情况下声音可以达到80db以上。采用的采用高亮红光二极管并联作为光报警信号源，黑暗环境下20m外可见。传感器监测数值低于报警点时报警电路不工作，漏电流只有2A，可以忽略不计。当应力数值超限报警时，蜂鸣器和发光二极管的电流约为25mA。
2.8通讯电路设计
锚杆应力传感器作为顶板安全监测系统的主要监测设备之一，具有低功耗、布点多等特点，为降低现场施工难度，节约电缆用量，传感器通过RS485总线与监测分站进行参数设置和检测值上传交互。传感器采用美国德州仪器公司的SN65HVD3082芯片作为485总线信号与单片机UART接口的转换芯片。SN65HVD3082芯片工作电流只有0.3mA，而節点数量可以达到256个，非常适合锚杆应力传感器作为分布式设备运用。单片机与SN65HVD3082采用UART接口，UART的通讯速率为2400 bps。
3软件设计
基于总线传输的锚杆应力传感器的程序采用C语言模块化编程设计，主程序首先是进行单片机各功能模块及外设初始化及端口配置，然后读取存储在E的零点、线性等参数，然后进入周期性数据采集和超限报警判断，等待通讯中断响应，软件程序的核心任务有两个，一个是主程序循环判断，以进行锚杆应力采集及运算、显示、超限报警;另一个是实现UART通讯中断响应，UART发送数据到总线，软件流程图如图9所示。
4实验分析
根据以上硬件电路设计方案及软件程序流程完成了传感器实验样机的设计加工，样机如图9所示。
对传感器工作电压、工作电流、测试误差等基本性能指标进行测试，测试结果如表1所示。由表1可知，锚杆应力传感器功耗约为0. 27W，测量误差为2%F.S.，与目前市场主流常用的锚杆应力传感器相比，功耗降低了42%，测量误差大幅提高，满足设计要求。
5结论
基于总线传输的锚杆应力传感器研制是顶板安全监测领域的需求之一，锚杆应力传感器是监测顶板运动规律预防顶板事故发生的重要设备。传感器在实验室基本性能实验，在山西某矿进行了工业性实验，实验结果表明：传感器具有较低的功耗和较强的抗电磁干扰的能力，通讯稳定，监测数据真实可靠，适合在矿山压力大的巷道环境下应用。分析监测数据，真实反映了巷道锚杆受力变化情况，为加强顶板危险倾向区域的支护提高了数据支撑，保障了煤矿安全生产，具有广阔的推广应用的前景。
近些年井隧工程大多采用锚固技术进行支护，该技术具有重大实用价值。锚杆、锚索支护具有便于机械化施工、工艺简单、成本低等优点，被广泛应用于煤矿巷道顶板围岩支护中。锚杆支护效果评价是锚网支护中的一项日常性工作。锚杆应力传感器是专门用于煤矿井下锚网或锚喷支护质量评价、巷道锚杆（索）受力大小监测的专用仪表。目前，普遍采用单点安装的机械式应力仪表和有线传输的应力仪表用于矿用锚杆应力监测。随着智能化程度的提高，有线传输传感器逐步取代了人工定时观察的机械仪表。但传统的锚杆应力传感器基于8051系列内核的单片机设计，存在flash空间小、功能外设资源少、工作电流大、抗干扰能力差、电路板结构复杂的缺点，鉴于此，笔者研制了一种基于RS485总线传输的矿用低功耗锚杆应力传感器，具有极低的整机功耗，具备数码管显示及自动调校、自动超限报警等功能，通过RS485总线与监控分站通讯，实现顶板锚杆受力大小的实时监控。
1传感器总体设计及工作原理
1.1传感器总体设计
锚杆应力传感器电路设计原理图如图1所示，传感器采用锚杆应力元件将应力大小转换为电压信号提供给主板，主板的控制处理核心为PIC16F1783单片机，主要由DC-DC降压电路、显示电路、遥控处理电路、声光报警、差分信号放大电路、RS485通讯电路六部分功能电路组成。PIC16F1783芯片为低功耗单片机，内置12位AD转换模块，片内集成了128字节EEPROM，用于存储传感器校准、通讯地址信息。锚杆应力传感器与上级分站采用矿用通信电缆连接，包括电源正极、负极和RS485总线正极、负极四根线。
目前常用的锚杆应力传感器当工作电压为18V.实测工作电流为26 mA，计算得出功耗为0.468W，测量误差为4%F.S.，因此本研究所提设计的传感器功耗及测量误差性能应不低于此指标参数。
1.2传感器工作原理
锚杆应力传感器采用粘贴有高精度电阻式应变片的金属弹性体作为受力检测元件。弹性体受到轴向拉力后，会发生微小变形，粘贴在其表面的电阻应变片也会产生形变进而其电阻值产生规律性的变化量△R，激励电压将△R转换成△U，经差分信号放大处理及A/D转换，传感器就能计算出弹性体所受的轴向拉力，进而将力值显示出来，并通过RS485总线将测量值逐级上传到地面监控中心。
2硬件电路设计
2.1接口EMC电路
为提高传感器的抗干扰性能，必须对供电及RS485输出接口设计保护电路，以达到防护静电、浪涌电流、群脉冲干扰的能力。接口保护电路如图2所示，在电源输入口设计了TVS1保护器件，其型号为5KP33CA，设计保护电压33 V，可承受7000 V瞬变电压。在RS485通信口设计了TVSI保护器件，型号为SMCJ12CA，其设计保护电压12V，可承受3000 V瞬变电压。同时设计了D1二极管，其型号为SS14.可以消除电源正负极错接对器件的损坏。
2.2DC-DC降压电路设计
传感器关联的本安电源输出电压为24 V，经过2 KM线纜后传感器获得的电压根据电流负载的不同而不同，但要求必须大于9V，因此传感器设计有开关电源电路将9～24 V直流电压转换为适合单片机及元件工作的5V电压，开关电源电路如图3所示。
开关电源采用TI公司的LM25010，该芯片输入电压可达42V，最大输出电流1A，其300mA输出电流时转换效率可达90%以上，且芯片内部集成软启动功能。芯片第8引脚FB处的反馈电压为2.5 V，精度为±2%，通过R4、R5电阻构成分压反馈电路，因此VCC电压为5 V。I_M25010芯片静态电流11.5A，满足整机高转换效率及低功耗设计的需求。
2.3元件供电电路设计
检测锚杆应力的电桥电路的工作电压为4.0V，为了降低差压信号处理电路的噪声以及控制元件电路供电通断，将采用MOS管控制LDO上电通断的方法进行电压转换。元件供电电路如图4所示。
MCP1702T4002芯片将电压降为4V，该芯片为低压差LDO稳压器，其静态电流只有2A，输出电压的精度为±0. 4%，满足锚杆传感器高精度低功耗测量的设计要求。当单片机控制输出引脚YJGD输出高电平时，MOS管BSS84截止，MCP1702T4002芯片无输出，锚杆元件及信号处理电路休眠不工作;当单片机控制输出引脚YJGD输出低电平时，MCP1702T4002芯片输出4V电压，锚杆元件及信号处理电路处于上电工作，锚杆元件即能测量受力大小。控制引脚YJGD的高电平与低电平的脉冲时间宽度，从而控制锚杆元件电路的工作时间，达到既有效检测锚杆受力大小，又能最大限度降低功耗的效果，这是实现传感器整机低功耗的关键措施之一。
2.4元件信号处理电路设计
传感器采用高精度应变式压力元件作为受力敏感检测元件，其阻值为1K，因此工作电流为4mA，并且采用TI公司的低温漂、低失调OPA2330AIDGK运放芯片作为差分放大电路的核心芯片，将锚杆元件0～400 KN量程内4 mV/KN的锚杆应力灵敏度转换为对应的电压信号，输入到单片机进行A/D转换，具体电路如如图5所示。
在图5中，锚杆应力元件IC2内部为电阻应变片部件构成的惠更斯电桥，当锚杆元件受力后就会在S+和S
间产生mV级的微弱电压差。微弱电压信号经过R35、R39、R30、R40和OPA2330芯片构成的差分放大电路后放大为0-3V的电压信号，经单片机A/D转换及运算，得出锚杆传感器真正的受力大小。
2.5数码管显示电路
设计的锚杆应力传感器具有4位LED数码管，第一位为状态显示位，后三位为显示数值。显示电路采用动态扫描设计，每位数码管8位全亮时电流消耗为2.5 mA左右。电路共需要“DBO、DB1、DB2、DB3、DP4、DP5、DP6、DB7”8个控制显示段码的段位选线，以及“LEDO、LEDI、LED2、LED3”4根数码管点亮控制引脚线，由单片机端口串联限流电阻直接驱动。 采用图6所示的动态显示电路，任意时刻只有一位数码管在上电点亮显示，同时DBO～DB7输出对应字符的逻辑电平。每位数码管的刷新频率为40Hz，而人眼能够识别的闪烁为25Hz以下，因此本研究采用的动态显示电路既能有效节省电流消耗又能高亮度显示监测数值。
2.6遥控电路设计
遥控电路是人机交互的重要电路设计，是传感器零点、精度、报警点、通讯地址等设置信息的输入接口。具体电路如图7所示。
电路主要包括红外遥控接收头SFHI和三极管Q8及R32、R33、C11阻容器件组成。遥控接收头SFHI接收到经调制的一定频率的红外光后，会在1管脚输出高低电平信号。当SFHI输出高电平时，Q8导通，YK电位为低电平;当SFHI输出低电平时，Q8为高阻抗状态，YK此时电压为VCC。单片机采集到YK的高低电平及脉宽信息后，经过红外信号逻辑算法即可识别出遥控信息的指令，从而实现传感器设置信息的输入识别。
2.7声光报警电路设计
采用KG1203有源蜂鸣器作为声音报警信号源，正常驱动电流情况下声音可以达到80db以上。采用的采用高亮红光二极管并联作为光报警信号源，黑暗环境下20m外可见。传感器监测数值低于报警点时报警电路不工作，漏电流只有2A，可以忽略不计。当应力数值超限报警时，蜂鸣器和发光二极管的电流约为25mA。
2.8通讯电路设计
锚杆应力传感器作为顶板安全监测系统的主要监测设备之一，具有低功耗、布点多等特点，为降低现场施工难度，节约电缆用量，传感器通过RS485总线与监测分站进行参数设置和检测值上传交互。传感器采用美国德州仪器公司的SN65HVD3082芯片作为485总线信号与单片机UART接口的转换芯片。SN65HVD3082芯片工作电流只有0.3mA，而節点数量可以达到256个，非常适合锚杆应力传感器作为分布式设备运用。单片机与SN65HVD3082采用UART接口，UART的通讯速率为2400 bps。
3软件设计
基于总线传输的锚杆应力传感器的程序采用C语言模块化编程设计，主程序首先是进行单片机各功能模块及外设初始化及端口配置，然后读取存储在E的零点、线性等参数，然后进入周期性数据采集和超限报警判断，等待通讯中断响应，软件程序的核心任务有两个，一个是主程序循环判断，以进行锚杆应力采集及运算、显示、超限报警;另一个是实现UART通讯中断响应，UART发送数据到总线，软件流程图如图9所示。
4实验分析
根据以上硬件电路设计方案及软件程序流程完成了传感器实验样机的设计加工，样机如图9所示。
对传感器工作电压、工作电流、测试误差等基本性能指标进行测试，测试结果如表1所示。由表1可知，锚杆应力传感器功耗约为0. 27W，测量误差为2%F.S.，与目前市场主流常用的锚杆应力传感器相比，功耗降低了42%，测量误差大幅提高，满足设计要求。
5结论
基于总线传输的锚杆应力传感器研制是顶板安全监测领域的需求之一，锚杆应力传感器是监测顶板运动规律预防顶板事故发生的重要设备。传感器在实验室基本性能实验，在山西某矿进行了工业性实验，实验结果表明：传感器具有较低的功耗和较强的抗电磁干扰的能力，通讯稳定，监测数据真实可靠，适合在矿山压力大的巷道环境下应用。分析监测数据，真实反映了巷道锚杆受力变化情况，为加强顶板危险倾向区域的支护提高了数据支撑，保障了煤矿安全生产，具有广阔的推广应用的前景。