文章介绍了一种智能数显压力表的硬件组成和软件结构。该压力表在完成压力检测和显示的同 时,能够把压力数据传送给计算机,计算机根据釆集到的数据画出三用阀检测规程中要求的压力-时间特性 曲线,并有上、下限设定和报警功能。

0.引言

三用阀(煤炭行业标准中称为安全阀)作为单体 液压支柱(以下称单体支柱）中不可缺少的一部分,在单体支柱使用过程中起着重要的作用。三用阀可 以使单体支柱加压、卸载、当超过额定压力（一般为 38.2 MPa)时溢流。溢流的作用非常重要,煤矿生 产釆煤工作面的压力分布不均衡,有时会出现局部 压力过大,单体支柱会通过溢流出一部分液体来降低自身高度，使得压力分散到其它相邻单体支柱，以 减轻自身承重，起到保护自身的作用。但这种溢流 不能无限制地进行下去，当所受压力小于额定压力 的15 %时，三用阀要关闭，继续保持单体支柱内有 一定的压力。每个单体支柱生产厂家或者单体支柱 维修中心都有三用阀试验台，以检测三用阀的性能。 目前，普遍釆用传统的机械压力表显示压力。机械 压力表存在读数不直观、准确性差等缺点，例如:机 械式压力表无法准确读出小数。如果釆用智能数显 压力表上述问题便迎刃而解了。另外，现有三用阀 试验台上的压力表只有压力指示，而压力-时间特 性曲线的检测在单体支柱生产企业安全认证时是 一个非常重要的检测项目。

智能数显压力表既可显示压力值,也可通过计 算机将传送来的压力值和时间画出压力-时间特性 曲线,有自校准和自标定等功能。

1.智能数显压力表的功能

（1）实时显示数字压力；

（2）压力超过或达不到设定值时报警指示；

（3）具有自校准、自清零、自标定功能,压力表 操作面板有清零和标定设置按键；

（4）通信功能,接收上位计算机发来的各种命 令,同时反馈给计算机需要的数据,或者按照计算机 指令完成操作；

（5）智能数显压力表除了能够实时地显示压 力,还能把一定时间内所测得的压力值传给计算机, 由计算机画出压力-时间特性曲线。

2.硬件系统

(1)硬件系统组成

硬件系统由微处理器、压力传感器、A/D转换 器、显示、通信、设定报警等模块组成。硬件系统原 理框图如图1所示。

（2）CPU模块的选型

实现智能化需要有单片机作为核心器件。在选 择单片机时,就要考虑多方面的因素。环境条件是 要考虑的首要因素,在煤矿生产的大环境下,一般三 用阀试验台工作环境较差。并且微处理器釆用弱 电,煤矿生产多数使用强电设备，电磁环境复杂,需 要较强的抗干扰能力。硬件系统设计要尽量减少元 件数目。PHILIPS公司的P89LPC932A1单片机可 满足这些条件。

（3）压力传感器

压力传感器的作用是将压力信号转化为电压信 号。电阻应变压力传感器发展到今天应用很广、性 能可靠,具有线性度好、误差小等优点,输出电压信 号可线性地反映压力的变化。为提高传感器精度, 供电电压选择为12 V ,最大量程选择为60 MPa。

压力传感器使用之前都要标定,标定的目的就是确定A/D转换出来的数字量与压力值的对应关 系。因为对应关系是线性的,所以只有1个常数。 压力传感器常数K的计算公式：

K = 40/ (Dmax - D0)

式中：Dmax为压力为40 MPa时A/D转换出来 的数字量,D0为压力为0 MPa时A/D转换出来的 数字量（由于电桥的不平衡导致0压力时总有一定 的电压输出）。

对于常数K的计算公式,软件编程时,可以很 轻松地实现自动计算。

实际测量时,将A/D实时转换的数字量D与 D 0相减,差值乘以K即得到压力数值。这些都由 软件完成 。

(4) A/D转换器

A/ D转换器将传感器输出的电压信号转换为 单片机可以处理的数字信号。由于釆集的压力变化 缓慢,对转换速度要求不高,釆样周期也没有特殊要 求,可选用AD7705接口芯片。AD7705是16位

2 - A式A/D转换器,它釆用三线串行接口，能大大 节省单片机的口线。该转换器包括由缓冲器和增益 可编程放大器组成的前端模拟调节电路,能直接转 换传感器测量到的微小信号;具有高分辨率、宽动态 范围、自校准、优良的抗噪声性能,能达到0. 003 %非 线性的16位无误码数据输出；16位数字量,基准电 压选择为2. 5 V ,供电电压为5 V时,满量程输入为 2. 5 mV ,其增益和数据输出更新率均可编程设定, 非常适合仪表测量、工业控制等领域的应用。图2 为A/D转换通道设计电路图。

 (5)通信接口设计

压力表检测到的压力数据由通信接口传输给计算机,计算机进行数据处理,并画出压力-时间特性 曲线。在微机室与试验台的距离小于15 m的情况 下,可釆用RS232接口方式。但要注意RS232接口 地线与单片机地线的隔离,最好选用串口光电隔离 器,将2部分电路互相隔离。三用阀试验台需要 5个压力表检测试验台不同部位的压力值。要随时 取出每一个表的数据就要釆用总线结构,本设计用 485总线结构实现数据的传输。

（6）显示模块设计

用4个LED数码管显示压力数据,数据显示到 小数点的后2位,计算机接收到的数据精确到小数 点后2位。MAX7219是串行8位LED显示驱动集 成电路,广泛应用于各类单片机控制的智能仪器仪 表中。

（7）设定报警模块

在压力表操作面板上有按键,可进行阈值的设 定。当数值超过限值时声光报警。

3.软件系统

(1)软件模块

系统软件主要包括主程序、通信、A/ D转换、显 示、自标定和清零、复位与看门狗以及报警7个主要 模块。系统软件框图如图3所示。

PC机米用Windows程序开发技术,可以根据用户的具体要求编制出符合要求的界面。

4.应用

压力表使用之前要标定。首先,在传感器空载 的情况下，由计算机发送清零命令,压力表显示为 0. 00 ,然后给传感器加压,达到40 MPa时,再从计 算机发出标定命令,压力表微处理器收到命令后，自 动计算常数并存储。

单体液压支柱维修规程MT/ T549中对安全阀 的压力-时间特性曲线的规定是“流量为90〜 110 mL/min时,测得安全阀的溢流曲线应满足:在 安全阀(三用阀)额定工作液压的85 %〜110 %区间 内，曲线全长压力波动值不大于额定工作压力的 15 %”。压力-时间特性曲线在标准中是抽检项目， 不论是三用阀生产企业还是使用单位,必须能够画 出特性曲线。但是实际操作中，如果保持三用阀处 在溢流状态,需要液压系统不停地工作,保持一个恒 定的压力给三用阀,这样压力表检测到的是液压系 统提供的压力值,并不能真正反映三用阀的开启和 关闭特性。

特性曲线的检测过程:首先开启试验台压力系 统,加压到38. 2 MPa额定压力并保持,调整三用 阀,使其打开在溢流状态,通过流量检测仪调整流量 在90〜110 mL/min之间。此时关闭试验台动力使 整个系统处于密封状态,这时三用阀从开启状态逐 步到关闭密封状态,关闭后压力要保持不变。压力 表上显示三用阀上压力的变化情况,并且不断地把 数据传送到计算机,计算机根据这些数据,画出压力 -时间特性曲线。对于合格的三用阀,开启后压力 下降不应超过额定压力的15%,也就是关闭压力不 小于32.5 MPa。当压力小于这一值时,设定自动报 警,图4为压力-时间特性曲线图。

5.结语

该智能数显压力表专门应用于使用三用阀的煤 矿单体支柱生产、维修企业。可以根据用户的不同 要求扩展其它功能,如果前端连接温度传感器,可进 行温度的测量。通过在多家单体支柱维修厂的使用 表明,该智能压力表具有较好的可靠性和实用性。