基于89C52单片机控制的煤矿井下冒顶压力监测系统设计

时国平 王 伟 李开伦 陈传新

（池州学院机械与电子工程系，安徽 池州247000）

0 引言

近年来，煤矿事故引起的人员伤亡和经济损失屡屡发生，我国煤炭行业每年的直接经济损失就超过了40亿元，伤亡人数近万人，是全世界其他所有产煤国的10倍还多。在所有煤矿事故中，顶板事故的发生频率最高。所以，我们研究了这样的系统，能对煤矿压力进行准确的检测、记录和分析，同时还能对其进行预测，保障了煤矿的安全生产，减小了此类事故对煤矿工人人身安全和国民经济的影响。

1 系统总体设计图

本设计是以单片机控制为核心，通过压力传感器采集到压力值之后，将信息传给采样板，采样板将信息进行模数转换处理后再传送到控制端，这时控制端将信息进行整合、分析和处理，一方面体现在数码管上，另一方面体现在警铃上。超过额定值，警报器会发出声响，通知工作人员快速撤离。报警处理后，控制端将信息反馈到压力传感器上，使其复位。通过这一过程可以确保人员的人身安全以及生产安全。系统总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体设计框图

2 系统各个模块的组成及其原理

2.1 压力传感器

压力传感器是指能感受压力并转换成可用输出信号的传感器。其是工业实践中最为常用的一种传感器，广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。

压力传感器位于井下，负责采集压力，将阻抗的变化转换为电信号，传给下一个设备采样板。

2.2 系统采集端

系统采集端主要由单片机STC89C52、MAX485、MAX232、晶振电路、复位电路、排阻、排针等组成，位于井下。

本系统采用的压力传感器是半导体压电阻抗扩散压力传感器，它是在薄片表面形成半导体变形压力，通过外力（压力）使薄片变形而产生压电阻抗效果，从而使阻抗的变化转换成电信号。压力传感器采集到的压力值通过HX711芯片处理后经MAX485通信传送给井上控制端。HX711是一款24位A／D转换器芯片，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。MAX485采用单一电源＋5V工作，半双工通讯，它具备将TTL电平转换为RS485电平的功能。井上控制端接收到信号，单片机传送给外部设备，数码管显示压力值，单片机先判断压力值是否达到了预警值，然后再控制是否驱动警报器。MAX232的作用是实现电平之间的转换，将RS232电平转换为TTL电平，保证单片机的正常通信。首先，MAX232将电平转换（TTL电平和RS232的转换）后通过串行输入（RXD）和串行输出（TXD）连接单片机STC89C52和计算机，通过计算机写入程序，然后单片机的串行模块把数据送到程序区。这时已启用P3口的第二功能，可以用于串行输出。

2.3 系统控制端

系统控制端主要由单片机、晶振电路、复位电路、通信模块、报警电路、电源模块和数码显示模块组成。

作为控制器的核心模块，CPU采用高可靠性、超低价、低功耗的STC89C52RC单片机，它有32个I／O口、4个8位并行I／O口、P0口（P0口是一组8位漏极开路型双向I／O口，可作为地址／数 据 复 用 接 口，也 可 作 为 一 般 的I／O 接 口）。STC89C52RC单片机外接12MHz的时钟晶振，采用上电复位方式，单片机的P1.0、P1.1引脚用来指示系统是否工作和所处的工作状态，MAX1232为看门狗控制器，连接单片机的RST引脚，使系统在死机和程序跑飞等情况下能自动复位，P0.0～P0.5口外接上拉电阻并连接拨码开关的6个端口。

2.4 系统的报警

报警电路主要由继电器和三极管组成，其主要作用就是警示，有单频音和音乐报警两种报警方式，它们各有特点，本设计的这一模块采用的是单频音报警。因为报警接口比较简单，采用的是电铃和压电蜂鸣器方式发音的发音器件。本设计的这一电路还有复位功能。

2.5 通信模块

通信模块主要包括两个芯片：MAX232、MAX485。

MAX232芯片是专为RS232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用＋5V单电源供电。计算机与单片机之间的通信就是通过MAX232的串行接口与RS232进行连接的。RS485用于多点互联时非常方便，可以省掉很多信号线。应用RS485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。单片机使用的是TTL电平（0～5V），因此需要用到 MAX232将RS232电平转换为TTL电平。MAX232的151IN、151OUT的引脚分别接单片机的TXD和RXD引脚。

3 系统的软件设计

首先压力传感器采集到压力值，此时是模拟信号，然后通过芯片HX711的模拟输入和输出端将信号传到采样板，采样板上的芯片HX711将信号转换为数字信号，然后通过单片机的P2口将信号传送到采集端的单片机，单片机通过MAX232读入程序，这时采集端的单片机开始执行程序，对程序进行分析和处理，通过串行输入和输出口连接MAX485（无线传输用到定向天线）将数字信号传送到控制端，这时控制端也是先通过MAX232读入程序，控制端的单片机开始执行程序，进行分析和处理，一方面通过单片机P0口将信号传送到报警器，另一方面通过单片机P2口将信号传输到数码显示器，如果大于额定值系统的报警器就会报警。

4 结语

本文提出一种基于89C52单片机控制的煤矿井下冒顶压力监测系统，首先确定了该系统的整体方案，其次对系统的硬件和软件进行了设计。此套系统具有准确、快速、稳定反映冒顶压力的功能，如能成功使用，将会为相关企业提供可靠的安全保障。