專利名稱：智能型鉆孔應力傳感器及其校表方法
技術領域：
本發明涉及煤礦監測儀表。
背景技術：
目前，在煤礦開采中，為了生產安全要對頂板壓力進行監測。監測方法之一是對巷道圍巖應力進行監測。監測時，在巷道圍巖上鉆若干孔，孔內安裝應力傳感器，應力傳感器采用電阻應變載荷測量原理，輸出標準的電壓信號，通過鉆孔應力傳感器將電壓信號。變送輸出到監測分站。監測分站最大可連接64臺鉆孔應力傳感器，監測分站按地址編碼順序巡測顯示各鉆孔應力傳感器變送的數據。鉆孔應力傳感器市場上有的稱為鉆孔應力表或鉆孔應力監測儀。目前市場上的鉆孔應力傳感器如圖I所示，它是由單片機、通訊模塊RSM3485、AD 轉換模塊、數碼顯示模塊、運算放大器、電阻橋式應力傳感器及校準電位器所組成。其不足是1、信號校準時需要用兩個電位器進行校準，一點一點的調節電位器，非常麻煩，有時需要10幾分鐘，且只能調到2級以下；而且電位器是機械部件，會因為振動，溫度，跌落而發生變化，根本就不能保證產品長期穩定性。2、類似產品都是使用紅外數傳來完成簡單的數據采集等功能，紅外數傳距離小于I. 5米，不能完成自動抄表，抄表時，工作人員需站在凳子上用礦燈照射紅紅外頭才能讀取數據，不能完成自動抄表。
發明內容
本發明的目的是為解決鉆孔應力傳感器校表困難和抄表困難問題，對其進行改進，設計一種智能型鉆孔應力傳感器，并提出一種校表方法。一種智能型鉆孔應力傳感器，它是由單片機、通訊模塊RSM3485、AD轉換模塊、數碼顯示模塊、運算放大器、電阻橋式應力傳感器及校準電位器所組成，其特征在于，它還包括一個無線數據傳輸模塊和智能型數據采集器；其中所述的無線數據傳輸模塊嵌入上述單片機和通訊模塊RSM3485電路中；嵌入時，無線數據傳輸模塊的腳RXD與通訊模塊RSM485的腳RXD同時連接到單片機腳TXD上，通訊模塊RSM3485的腳TXD通過一個二極管聯接到單片機腳RXD上，無線數據傳輸模塊的腳TXD通過一個電阻與上述二極管和單片機腳RXD的接點相連；所述的智能型數據采集器由主控模塊M430FG4618、無線數據傳輸模塊、按鍵模塊ZLG7290B、電池接口、人機交互液晶模塊通訊連接而成；上述無線數據傳輸模塊均是高度集成超低功耗半雙工微功率模塊，比如是深圳市安美通科技有限公司生產的高度集成的超低功耗模塊SX1212。當用戶使用智能型數據采集器時，通過按鍵模塊ZLG7290B發送命令給主控模塊M430FG4618時，主控模塊M430FG4618U1自動識別鍵盤命令，并且根據液晶模塊當前處于哪個界面，從而發送不同的命令給無線數據傳輸模塊，無線數據傳輸模塊再通過無線電波發給智能型鉆孔應力傳感器；智能型數據采集器同時接收智能型鉆孔應力傳感器發出的信號。上述智能型鉆孔應力傳感器，通過二極管和電阻構成精確的配合電路，使通訊模塊RSM3485和無線數據傳輸模塊兼容連接到同一接口上，單片機發送時通訊模塊RSM3485和無線數據傳輸模塊同時接收，當無線數據傳輸模塊發送時因有二極管的存在，通訊模塊RSM3485的電路不受影響，當通訊模塊RSM3485發送時因有電阻的存在，無線數據傳輸模塊的電路不受影響，實現了無線校對時不會影響到系統的在線檢測通訊功能。智能型鉆孔應力傳感器的模擬信號由電阻橋式應力傳感器產生，由AD轉換模塊采集；由電腦軟件通過聯網直接設定地址；由單片機內置的E2PPR0M完成數據存儲；由數碼顯示模塊連接數碼管完成數據顯示；由通訊模塊RSM3485完成通訊，構成監測系統；由無線數據傳輸模塊完成無線校表和抄功能。使用時，電阻橋式應力傳感器通過快速接頭與智能型鉆孔應力傳感器相聯，單片 機通過SPI接口得到最終數據，處理后即可在數碼管顯示并存儲起來，通過無線抄表器或者在線傳輸進行采集數據、數據存儲、設定參數，并可將數據上傳PC機進行數據處理。單片機智能接收無線指令，并且完成自動校表、抄表，設置參數等。無線數據傳輸模塊是新一代的多通道嵌入式無線數傳模塊，可設置多個頻道，可在線修改串口速率，發射功率，射頻速率等各種參數。該模塊創新的采用了高效的循環交織糾檢錯編碼，其編碼增益高達近3dBm，遠遠高與一般的前向糾錯編碼，對抗突發干擾和靈敏度都較大的改善。同時編碼也包含可靠檢錯能力，能夠自動濾除錯誤及虛假信息，真正實現了連接。所以該模塊特別適合與在工業領域等強干擾的惡劣環境中使用。本發明的的智能校表功能主要是基于一個模擬的軟件電位器完成的，不需要硬件電位器參與。其操作步驟如下第一步，首先把智能型鉆孔應力傳感器連接到標準壓力校表儀上，開機上電后，程序進入初始化階段，通過默認參數進入顯示程序，再把標準壓力校表儀定到O值上；第二步，打開智能型數據采集器上的開機鍵，智能型數據采集器發送校表命令與人交互，按參數設置菜單鍵，進入參數設置界面，再進入“設置參數A”，輸入相應的智能型鉆孔應力傳感器編號，按確認鍵，智能型數據采集器向智能型鉆孔應力傳感器發送校表命令，發完并接收到反饋信息后，智能型鉆孔應力傳感器顯示“0”，至此A參數校正結束；第三步，把標準壓力校表儀設定到60Mpa或需要的設定值上，表上即會顯示一個數據，該數據不一定是60，智能型數據采集器進入“設置參數B”界面，在上述編號后面輸入60Mpa或需要的設定值，按確認鍵后，智能型數據采集器向智能型鉆孔應力傳感器發送校表命令，發完并接收到表的反饋信息后，表上即會顯示一個數據，把該數據與設定值對照，表上顯示就一定是60，至此B參數校正結束。當“參數A”和“參數B”校正結束后，智能型鉆孔應力傳感器精度即達到O. 5級以上，校表完成。本發明的積極效果是；I、單片機內部自帶有存儲器，所有參數存入其中，比外加的存儲器有更好的穩定功能，成本還大大降低。2、數據地址編碼是通過電腦連網后編號的，簡單省事。3、通過一個軟件模擬的電位器實現了自動校表功能。
4、精度高達O. 5級以上，不通過機械部分調節，精度不受震動、溫度、移動的影響。5、不需要用礦燈照射喚醒，只需要工作人員帶著采集器在旁邊10-50米左右位置走過，就能自動完成米集。6、可以通過采集器修復該設備或者設置其他各種參數。7、無線數據通訊模塊用433MHz左右可調的頻率無線通信，能根據現場復雜的環境靈活設置，比單一固定頻率的設備適應性更強；另外433MHz頻率段屬于低頻率段，比一些ZIGBEE等技術使用的IGMHz的頻率繞射能力強很多，對障礙物的穿越能力明顯好，空曠地帶傳輸距離可達700米以上。8、無線數據通訊模塊發射功率大，但功耗低，單節5號電池2000mA時能用2年以上。
圖I是現有鉆孔應力傳感器的電路原理框圖。圖2是本發明實施例的電路原理框圖。圖3是本發明實施例中智能型數據采集器的電路原理框圖。
具體實施例方式參照附圖進一步說明本發明智能型鉆孔應力傳感器的技術方案。如圖I所示，現有鉆孔應力傳感器是由單片機、通訊模塊RSM3485、AD轉換模塊、數碼顯示模塊、運算放大器、電阻橋式應力傳感器及校準電位器所組成。如圖2所示，本發明智能型鉆孔應力傳感器是由單片機、通訊模塊RSM3485、AD轉換模塊、數碼顯示模塊、運算放大器、電阻橋式應力傳感器及校準電位器所組成；它還包括一個無線數據傳輸模塊；無線數據傳輸模塊采用深圳市安美通科技有限公司生產的高度集成的超低功耗模塊SX1212。無線數據傳輸模塊嵌入上述單片機和通訊模塊RSM3485電路中；嵌入時，無線數據傳輸模塊的腳RXD與通訊模塊RSM485的腳RXD同時連接到單片機腳TXD上，通訊模塊RSM3485的腳TXD通過一個二極管聯接到單片機腳RXD上，無線數據傳輸模塊的腳TXD通過一個電阻與上述二極管和單片機腳RXD的接點相連。它還包括一個智能型數據采集器，智能型數據采集器如圖3所示，由主控模塊M430FG4618、無線數據傳輸模塊、按鍵模塊ZLG7290B、電池接口、人機交互液晶模塊連接而成。上述的無線數據傳輸模塊是深圳市安美通科技有限公司生產的高度集成的超低功耗模塊SX1212。其中Ul是主CPU，采用M430FG4618，本模塊內帶時鐘，從而可以完成時間記錄功能；U2是超低功耗模塊SX1212，和主機上的一樣型號，超低功耗模塊SX1212是收發一體的模塊；U3是按鍵模塊，型號是ZLG7290B，主要完成鍵盤輸入功能；U4是電池接口，用來接受電池供電;U5是液晶模塊，用來完成人機交互。工作原理是當用戶通過鍵盤U3發送命令給Ul時，Ul自動識別鍵盤命令，并且根據U5當前處于哪個界面，從而發送不同的命令給無線模塊U2，U2再通過無線電波發給表，接收時相反的過程。
本采集器既能完成自動采集功能，又有校表功能。采集時，由用戶對著主機，按自動采集鍵，顯示接收成功后，再把采集器放到電腦跟前，把數據通過 軟件傳給電腦。該電腦上需要I個軟件和一個串口無線數據傳輸模塊，該模塊和上述的模塊SX1212是同一個型號的模塊，并加一個串口 TTL轉RS232的轉換板。校表的操作步驟如下第一步，首先把智能型鉆孔應力傳感器連接到標準壓力校表儀上，開機上電后，程序進入初始化階段，通過默認參數進入顯示程序，再把標準壓力校表儀定到O值上；第二步，打開智能型數據采集器上的開機鍵，智能型數據采集器發送校表命令與人交互，按參數設置菜單鍵，進入參數設置界面，再進入“設置參數A”，輸入相應的智能型鉆孔應力傳感器編號，按確認鍵，智能型數據采集器向智能型鉆孔應力傳感器發送校表命令，發完并接收到反饋信息后，智能型鉆孔應力傳感器顯示“0”，至此A參數校正結束；第三步，把標準壓力校表儀設定到60Mpa或需要的設定值上，表上即會顯示一個數據，該數據不一定是60，智能型數據采集器進入“設置參數B”界面，在上述編號后面輸入60Mpa或需要的設定值，按確認鍵后，智能型數據采集器向智能型鉆孔應力傳感器發送校表命令，發完并接收到表的反饋信息后，表上即會顯示一個數據，把該數據與設定值對照，表上顯示就一定是60，至此B參數校正結束。當“參數A”和“參數B”校正結束后，智能型鉆孔應力傳感器精度即達到O. 5級以上，校表完成。智能型采集器的連接關系主要描述如下如圖3，U2的管腳3與Ul的管腳12相連，U2的管腳4與Ul的管腳19相連，U2的管腳5與Ul的管腳21相連，U2的管腳6與Ul的管腳31相連，U2的管腳7與Ul的管腳39相連，U3的管腳14與Ul的管腳15相連，U3的管腳19與Ul的管腳22相連，U3的管腳20與Ul的管腳26相連，U4的管腳+3. 3v與Ul的管腳43相連，U4的管腳GND與Ul的管腳42相連，U5的管腳DO與Ul的管腳PO. 15相連，U5的管腳Dl與Ul的管腳PO. 16相連，U5的管腳D2與Ul的管腳PO. 17相連，U5的管腳D3與Ul的管腳PO. 18相連，U5的管腳D4與Ul的管腳PO. 19相連，U5的管腳D5與Ul的管腳PO. 20相連，U5的管腳D6與Ul的管腳PO. 21相連，U5的管腳D7與Ul的管腳PO. 22相連，U5的管腳RST與Ul的管腳PO. 29相連，U5的管腳CS2與Ul的管腳PO. 28相連，U5的管腳CSl與Ul的管腳PO. 27相連，U5的管腳E與Ul的管腳PO. 23相連，U5的管腳D/Ι與Ul的管腳PO. 31相連，U5的管腳LIGHT+接 +5V，U5 的管腳 LIGHT-接 GND。上述無線數據傳輸模塊是新一代的多通道嵌入式無線數傳模塊，模塊主芯片型號是CC1100o單片機是完全集成的低功耗混合信號片上系統型MCU。采用型號C8051F310系列。下面列出了一些主要特性I、高速8051微控制器內核流水線指令結構；70%的指令的執行時間為個或兩個系統時鐘周期；速度可達25MIPS(時鐘頻率為25MHz時)；擴展的中斷系統。2、存儲器1280 字節內部數據 RAM(1024+256) ；16KB(C8051F310/1)或8KB (C8051F312/3/4)。3、FLASH存儲器；可在系統編程，扇區大小為512字節。
4、數字外設29/25個端口 I/O ;所有口線均耐5V電壓；硬件增強型UART、SMBus和SPI串口 ；4個通用16位計數器/定時器；16位可編程計數器/定時器陣列(PCA);有捕捉/比較模塊；使用PCA或定時器和外部時鐘源的時鐘方式。5、時鐘源內部可編程振蕩器24. 5MHz, ±2%的精度；可支持無晶體UART操作。外部振蕩器晶體、RC、C、或外部時鐘。6、具有片內上電復位、VDD監視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的器件是真正能獨立工作的片上系統。FLASH存儲器還具有在系統重新編程能力，可用于非易失性數據存儲，
并允許現場更新8051固件。用戶軟件對所有外設具有完全的控制，可以關斷任何一個或所有外設以節省功耗。
權利要求
1.一種智能型鉆孔應力傳感器，它是由單片機、通訊模塊RSM3485、AD轉換模塊、數碼顯示模塊、運算放大器、電阻橋式應力傳感器及校準電位器所組成，其特征在于，它還包括一個無線數據傳輸模塊和智能型數據采集器；其中 所述的無線數據傳輸模塊嵌入上述單片機和通訊模塊RSM3485電路中；嵌入時，無線數據傳輸模塊的腳RXD與通訊模塊RSM485的腳RXD同時連接到單片機腳TXD上，通訊模塊RSM3485的腳TXD通過一個二極管聯接到單片機腳RXD上，無線數據傳輸模塊的腳TXD通過一個電阻與上述二極管和單片機腳RXD的接點相連； 所述的智能型數據采集器由主控模塊M430FG4618、無線數據傳輸模塊、按鍵模塊ZLG7290B、電池接口、人機交互液晶模塊通訊連接而成； 上述無線數據傳輸模塊均是高度集成超低功耗半雙工微功率模塊。
2.如權利要求I所述的智能型鉆孔應力傳感器，其特征在于，所述的單片機采用型號C8051F310系列的單片機。
3.—種如權利要求I所述的鉆孔應力傳感器的校表方法，其特征在于，其操作步驟如下 第一步，首先把智能型鉆孔應力傳感器連接到標準壓力校表儀上，開機上電后，程序進入初始化階段，通過默認參數進入顯示程序，再把標準壓力校表儀定到O值上； 第二步，打開智能型數據采集器上的開機鍵，智能型數據采集器發送校表命令與人交互，按參數設置菜單鍵，進入參數設置界面，再進入“設置參數A”，輸入相應的智能型鉆孔應力傳感器編號，按確認鍵，智能型數據采集器向智能型鉆孔應力傳感器發送校表命令，發完并接收到反饋信息后，智能型鉆孔應力傳感器顯示“O”，至此A參數校正結束； 第三步，把標準壓力校表儀設定到60Mpa或需要的設定值上，表上即會顯示一個數據，該數據不一定是60，智能型數據采集器進入“設置參數B”界面，在上述編號后面輸入60Mpa或需要的設定值，按確認鍵后，智能型數據采集器向智能型鉆孔應力傳感器發送校表命令，發完并接收到表的反饋信息后，表上即會顯示一個數據，把該數據與設定值對照，表上顯示就一定是60，至此B參數校正結束。
當“參數A”和“參數B”校正結束后，智能型鉆孔應力傳感器精度即達到O. 5級以上，校表完成。
全文摘要
本發明公開了一種智能型鉆孔應力傳感器及其校表方法，它是由單片機、通訊模塊RSM3485、AD轉換模塊、數碼顯示模塊、運算放大器、電阻橋式應力傳感器、校準電位器所組成、無線數據傳輸模塊和智能型數據采集器組成；其中無線數據傳輸模塊是高度集成超低功耗半雙工微功率模塊，它嵌入上述單片機和通訊模塊RSM3485電路中。本發明通過一個軟件模擬的電位器實現了自動校表功能，精度高達0.5級以上；不需要用礦燈照射喚醒，只需要工作人員帶著采集器在旁邊10-50米左右位置走過，就能自動完成采集。
文檔編號G08C17/02GK102759420SQ20111011569
公開日2012年10月31日 申請日期2011年4月24日 優先權日2011年4月24日
發明者孟鴻鑫, 彭慧, 湯元信, 邱文明 申請人:孟鴻鑫, 山東大成電氣有限公司