【正文】 度和穩(wěn)定性，因此設(shè)計(jì)一種高精度和高穩(wěn)定性 供 橋電源尤為重要 [5]。 5） 數(shù)字式電阻應(yīng)變儀 利用數(shù)字化技術(shù)，把靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，在儀器的面板上直接顯示或由打印機(jī)打印出記錄結(jié)果。整套的應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)包括敏感元件、信號(hào)的放大和變換 (調(diào)制 )、記錄和顯示、測(cè)量數(shù)據(jù)的存貯、傳遞復(fù)現(xiàn)及自動(dòng)處理等部分。按照相鄰橋臂匹配情況的不同，可 分為輸出對(duì)稱電橋，電源對(duì)稱電橋和等臂電橋。如果選用柵長(zhǎng)很小的應(yīng)變計(jì)，則可以使測(cè)量值盡可能地接近測(cè)點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)變值。 （ 3）動(dòng)態(tài)特性好。 通過測(cè)量阻值的變化量，就可反映出外界作用力的大小。 與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)的許多高校也在積極開發(fā)，南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院精儀系已經(jīng)成功地開發(fā)出基于 VXI 總線的可程控應(yīng)變儀模塊，目前它已成功的廣泛應(yīng)用于各種科學(xué)實(shí)驗(yàn)與實(shí)際的工程測(cè)試中。 目前國(guó)內(nèi)做的比較好的 應(yīng)變儀 廠商 有華東電子儀器廠、靖江東華 、 揚(yáng)州泰司 、 北戴河蘭德公司等，國(guó)外有日本東京測(cè)器和美國(guó)的 NEFF 公司等 。但也存在明顯的缺點(diǎn)：一是頂板冒落突然，沒有明顯征兆 ； 二是冒落范圍大，對(duì)工人的人身安全和礦井正常生產(chǎn)威脅大。瓦斯和頂板事故最嚴(yán)重，死亡人數(shù)占全國(guó)煤礦死亡人數(shù) 74%以上，事故次數(shù)也占 70%。 2 1 緒論 本節(jié)主要介紹了應(yīng)變儀的研究背景及意義、國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況和論文的主要 研究 工作。 錨索錨桿聯(lián)合支護(hù)是煤礦巷道支護(hù)改革的發(fā)展方向，得到了廣泛的應(yīng)用，取得巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益 。微弱信號(hào)的測(cè)量與分析一直是檢測(cè)技術(shù)中的難點(diǎn)，如μ V 級(jí)信號(hào)的檢測(cè)，應(yīng)變測(cè)量就是其中一類。 2021 年，全國(guó)頂板事故 2364 起，死亡 2766 人，占事故次數(shù)和死亡人數(shù) %和 % [1]。 礦用便攜式靜態(tài) 電阻 應(yīng)變儀 的研制 成功，可以為巷道技術(shù)人員更好的了解支護(hù)體的受 3 力情況提供數(shù)據(jù)保障， 為進(jìn)一步研究支護(hù)構(gòu)件的設(shè)計(jì)和機(jī)理提供一種新的科研手段； 降低頂板事故發(fā)生的概率，從而減小 對(duì)工人的人身安全和礦井正常生產(chǎn) 的 威脅 ， 對(duì)煤礦安全生產(chǎn)和實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效具有重要的意義 ，同時(shí)具有很高的 社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 應(yīng)變儀 以前采用交流電橋，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需電容平衡，很難實(shí)現(xiàn)橋路的自動(dòng)平衡與自動(dòng)標(biāo)定，采用載波放大，相敏檢波，主要是當(dāng)時(shí)直流放大器性能不高，因此只能采用交流放大。這樣的儀器將越來越不能適應(yīng)科研和實(shí)際工程 測(cè) 試的需要 。 圍繞儀表裝置的研制過程進(jìn)行展開，介紹了應(yīng)變的測(cè)量原理，詳細(xì)分析礦用便攜式靜態(tài) 電阻 應(yīng)變儀裝置的 工作原理和 硬軟件 組成 ，并分析了干擾來源 和 常用的一些抗干擾措施 ,以及 防爆設(shè)計(jì)方面需要注意的問題 。 應(yīng)變測(cè)量的特點(diǎn) 應(yīng)變測(cè)量是分析研究機(jī)械結(jié)構(gòu)和機(jī)械強(qiáng)度問題的重要手段，對(duì)保證機(jī)械設(shè)備安全運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制等方面都具有重要的作用。一般 測(cè)量范圍在 10104μ ε 。 為此，需把應(yīng)變片接入某種電路 ， 此電路將應(yīng)變片的電阻變化信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 R 1R 4R 2R 3I N +I N ACBD 圖 21惠斯登電橋電路 Wheatstone bridge circuit 一、 單臂測(cè)量接線法 單臂測(cè)量接法： 如 圖 21所示， R1為工作應(yīng)變片， R2為溫度補(bǔ)償應(yīng)變片， R R4是固定電阻。 1） 靜態(tài)電阻應(yīng)變儀 主要用于靜態(tài)應(yīng)變或靜力試驗(yàn)中有關(guān)力學(xué)量的測(cè)量。 傳 感 器 與 信號(hào) 采 集 電 路切 換通 道信 號(hào) 放大 電 路濾 波電 路A / D 轉(zhuǎn)換 電 路微 處理 器m e g a 1 6鍵 盤 電 路通 訊 電 路L C D 顯 示 電 路圖 31 整機(jī)的硬件框圖 The hardware diagram of the model 信號(hào)采 集部分 信號(hào)采集調(diào)理電路 設(shè)計(jì)是檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部分 ， 是將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量信號(hào)的中間過程 ， 是影響檢測(cè)準(zhǔn)確性的最為關(guān)鍵的部分。 綜合以上因素，最好的電源需滿足，精度高，穩(wěn)定性好，和輸出的電流滿足應(yīng)變片工作的需要等條件。但干簧繼電器的缺點(diǎn)是體積大（與電子開關(guān)相比），工作頻率低，在通斷時(shí)存在抖動(dòng)現(xiàn)象。因此 本儀表選擇的是圖 35（ a）所示 接法，其可以切斷除測(cè)量橋路以外的其他橋路的電流通過， 降低 了 功耗 ；同時(shí)，也可以選取適當(dāng)?shù)碾娮娱_關(guān)來減小電子開關(guān)的導(dǎo)通電阻對(duì)橋路 11 的影響 [6]。當(dāng)今市場(chǎng)上儀表放大器 CMRR 在 2021Hz 開始下降。10V 的應(yīng)用。對(duì)于 CMOS運(yùn)放，其輸入阻抗在 1013數(shù)量級(jí)。 電容濾波器的結(jié)構(gòu)主要有以下幾種： 圖 311（ a）中 機(jī)構(gòu)最簡(jiǎn)單，接在干擾源線間能抑制電源噪聲，接在干擾源與和地線間能衰減共模噪聲。這種噪聲 16 確實(shí)存在于模擬信號(hào)中，需要采 用模擬低通濾波器（ LPF）應(yīng)歸結(jié)到奈奎斯特定律。 本人根據(jù)查看的許多資料和研制本儀表過程中的體驗(yàn)，感到在檢測(cè)動(dòng)態(tài)信號(hào)（其頻率fB≥1kHz）時(shí)，選擇采樣頻率高的 ADC 轉(zhuǎn)換器，應(yīng)用奈奎斯特定律，在電路中設(shè)計(jì)抗混疊濾波器，是比較適合的。其 中主要有： 低速 A/D 轉(zhuǎn)換器件：適合采樣頻率低于每秒 10 次的場(chǎng)合，其檢測(cè)對(duì)象為變化緩慢的物理量，如溫度，壓力等，這類 A/D 轉(zhuǎn)換器件以 “雙積分型 ”為主，具有很高的抗工頻干擾能力。 ICL7135的部分主要引腳功能如下： B B B B1： BCD碼的輸出端。積分器在積分過程中（包括對(duì)信號(hào)積分和反積分） BUSY端輸出高電平，積分器在反積分過零后輸出低電平。其中的積分器回零和自動(dòng)調(diào)零可歸為一個(gè)階段；在模擬輸入積分階段： BUSY輸出為高電平，被測(cè)電壓在固定時(shí)間（ 10000T）進(jìn)行積分；在基準(zhǔn)電壓反積分階段：對(duì)被測(cè)電壓以相同的斜率（ 10000/ VRef）進(jìn)行量化， ICL7135內(nèi)部的十進(jìn) 制計(jì)數(shù)器在此階段對(duì)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，其計(jì)數(shù)值為10000Vin/VRef，即為模擬輸入的 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，當(dāng)積分器輸出為零， BUSY變?yōu)榈碗娖剑豢偟臏y(cè)量周期為 40002T，如圖 313所示。 CPU 最小系統(tǒng) AVR單片機(jī)是 ATMEL公司出品的具有眾多成員 的單片機(jī)家族，它使用精簡(jiǎn)指令集，每個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行一條指令。 AT90系列屬于 AVR的中等性能類別，具有多個(gè)型號(hào)，目前 AT90系列的老式低檔芯片已經(jīng)基本停產(chǎn)。 在串行通 信 時(shí)， 采用 RS 232C 接口（又稱 EIA RS232C）是目前最常用的一種串行通 信 接口。在串行通訊中，有兩種基本的通信方式：一是異步通訊；另一種是同步通訊。抖動(dòng)會(huì)引起一次按鍵被多次識(shí)別并誤動(dòng)作。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12ABCD121110987654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i o nS iz eA1D a t e : 16 J un 20 10 S h e e t o f F il e : E : \畢業(yè)設(shè)計(jì) \初稿 上交 \大圖 \復(fù)件 復(fù)件 M y D e s i g n. dd bD r a w n B y:1234567891011121314151617181920YB12864V C CRSRWENP S BCS 2RS T L CDV E EV C CBL ABL KY B 1 2 8 6 4P C7P C6P C1 圖 318 LCD 與單片機(jī)的連接圖 The circuit diagram of the singlechip and LCD 由于采用的是漢 字 顯 示 的人機(jī)對(duì)話界面，這樣就使得此儀表在國(guó)內(nèi)更易被技術(shù)人員和普通工人 理解和 掌握，給測(cè)量帶來了方便。因此本設(shè)計(jì)以 GCC for AVR 為編譯環(huán)境編寫下位機(jī)軟件程序。//PD7輸出 1000 0000 TCCR2=0X19。 addata2=(addata21)。 } } 顯示程序部分 由上文可知，顯示的控制模塊為 ST7920。//PB1輸入 POL，判斷 AD轉(zhuǎn)換的正負(fù) DDRA=0xff。 lcdout(28,Vin*100%10+0X30)。=~BIT(5)。=~BIT(7)。 30 PORTBamp。 PORTBamp。 while(*lcmchararray) { writedata(*lcmchararray)。然而在許多場(chǎng)合，用優(yōu)質(zhì)元件構(gòu)成的電路或系統(tǒng)卻達(dá)不到額定的性能指標(biāo)，有 時(shí) 甚至不能正常工作，究其原因，常常是噪聲干擾造成的。 } //***************************設(shè)置坐標(biāo) *****************************// void setxy(uchar x,uchar y) { writemand(0x36)。//選擇 8bit數(shù)據(jù)流 writemand(0x0c)。 //RS1 PORTBamp。 //RS0 PORTBamp。 while((PINAamp。while(i)。 29 while(1) { //lcdout(29,Vin/10+0X30)。 int main(void) { uint i=65535。 TCCR1B=0X03。 MCUCR=0x03。 下位機(jī)軟件的構(gòu)成 本 儀表的軟件采用模塊化程序 設(shè)計(jì)思想，整個(gè)軟件系統(tǒng)由 主程序， 初始化程序 ，采樣程序，轉(zhuǎn)換與處理程序，顯示程序和通訊程序等子程序構(gòu)成。本設(shè)計(jì)采用 C 語言編寫應(yīng)用程序，可以有多種開發(fā)環(huán)境供選擇，包括 ICC for AVR、 IAR for AVR、 GCC for AVR、等。 ST7920 是臺(tái)灣矽創(chuàng)電子公司生產(chǎn)的中文圖形控制芯片，它 是一種內(nèi)置漢字圖形點(diǎn)陣的液晶顯示控制模塊，用于顯示漢字及圖形。 在 圖 316 中 ， MAX232 的 9 腳和 10 腳分別接單片機(jī)的 TXD 和 RXD 腳 ； 7 腳和 8 腳和數(shù)字地通過數(shù)據(jù)線與上位機(jī)的串口相連，數(shù)據(jù)線選擇是一端為 4 芯的航空接頭， 另一端為 DB9 串口的電纜線。 22 表 31 RS232C 串口引腳定義表 Tab31 The pin definition table of the serial port with RS232C 引腳 簡(jiǎn)寫 功能說明 1 CD 載波偵測(cè)（ Carrier Detect） 2 RXD 接收數(shù)據(jù)（ Receive） 3 TXD 發(fā)送數(shù)據(jù)（ Transmit） 4 DTR 數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備（ Data Terminal Ready） 5 GND 地線（ Ground） 6 DSR 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好（ Data Set Ready） 7 RTS 請(qǐng)求發(fā)送（ Request To Send） 8 CTS 清除發(fā)送 （ Clear To Send） 9 RI 振鈴指示（ Ring Indicator） 本設(shè)計(jì)采用 MAXIM 公司的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX232。片內(nèi) ISP Flash 允 許程序存儲(chǔ)器通過 ISP串行接口，或者通用編程器進(jìn)行編程，也可以通過運(yùn)行于AVR內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)行編程。 AVR單片機(jī)的外設(shè)接口多，自帶 EEPROM的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，因此在大多數(shù)情況下，可以基本擺脫外接的串行 EEPROM，使得產(chǎn)品制造成本降低，同時(shí)也縮小了產(chǎn)品的體積。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i o nS iz eBD a t e : 16 J un 20 10 S h e e t of F il e : E : \ 畢業(yè)設(shè)計(jì) \ 初稿 上交 \ 大圖 \ 復(fù)件 復(fù)件 M y D e s i g bD r a w n B y:V U N D E R R A N G ER E F O V E R R A N G EV A L O G C O M M O N S T R O B EI N T O U T R / HA Z I N D I G I T A L G N DB U F F O U T P O LR E F C A P C L O C K I NR E F C A P + B U S YI N L O ( L S D ) D 1I N H I D2V+ D3( M S D ) D 5 D4( L S B ) B 1 ( M S B ) B 8B2 B4ICL713512435678910111213142827262524232221201918171615J P 1 5 V+ VR1R410KG N DC40 . 1 u F+ 1 VD1R21 0 0KC10 . 4 7 u FR