谐振弦型压力检测仪的研究

　　1　前言

　　谐振型传感器在精度、长期稳定性、可靠性等方面,是目前其他各种模拟式传感器不能比拟的。特别是在环境恶劣的煤矿井下,谐振弦型压力传感器更显示出这一优越性。为实现煤矿顶板科学管理,达到安全生产之目的,必须对单体液压支柱工作面支柱的初撑力及实际工作阻力进行检测。为此,笔者利用谐振弦式液压传感器及MCS—51系列单片机80C31,成功研制数显测压仪,为煤矿安全提供一种新的先进检测手段。该液压仪集成度高,硬件简单,主要靠软件实现数据采集、处理和显示,具有检测速度快、精度高、操作方便等特点。

　　2　硬件设计

　　基于单片机的谐振弦型压力检测仪硬件由谐振弦型液压传感器、80C31最小系统及输出显示三大部分组成(见图1)。

　　谐振弦型液压压力盒,系频率敏感型传感器,在振弦激发器作用下,其中的钢弦产生稳定振动,将被测压力的变化转化为弦的固有振动频率的变化。激发器输出与钢弦振动同频率的频率信号,经交流放大、整形后,经T0引脚输入到单片机检测。可见,传感器与单片机接口十分简单,不象幅度敏感型传感器那样,必须经A/D转换才能与单片机接口。

　　单片机80C31是检测仪的核心。在设计中,充分利用80C31内部的定时器/计数器、中断、串行口等资源,实现数据采集和显示。

　　显示器选用四位共阴LED数码管,采用动态显示方式显示测量结果。单片机的串行口外部扩展一片串行输入并行输出移位寄存器,为显示器提供段数据,P1·0~3控制位选。串行口工作于方式0,数据从RXD引脚串行输出,TXD引脚输出同步脉冲。当一个数据写入串行口发送缓冲器时,串行口即将8位数据以fosc/12的波特率从RXD引脚输出,经74C164移位后变为并行数据,在相应位上显示出来(fosc为单片机外接晶振的频率)。

　　3　频率信号采集

　　谐振弦式液压传感器的频率范围是600~2 500Hz,要求测量频率的绝对误差为±0·1 Hz。若采用计数测频法,则检测时间要10 s,速度太慢且不能满足实时检测的要求。为兼顾检测速度和精度的要求,采用测周期的方法,利用80C31内部的定时器/计数器T1、T0实现测量。在80C31外接6MHz晶体的前提下,经过分析,测量125个频率信号的周期,然后再换算成频率,可以保证在600 ~ 2 500 Hz范围内,测量误差均满足要求,检测时间最长的也只有0·2 s。设定T0为计数器,工作于方式1,允许中断,它对被测频率信号进行计数,计够125个脉冲后发中断申请;令T1为定时器,工作于方式1,允许中断,它对机器周期进行计数。由于T1为16位计数器,需扩展一内部RAM单元40 H,与T1串联组成24位计数器。当T1溢出时向40H进位,以便得到125个频率信　　号周期所占用的时间。