基于礦山工程開(kāi)采的鉆探機(jī)械單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006）

由于礦產(chǎn)資源是我國(guó)重要的能源物質(zhì)之一，因此必須更加重視其開(kāi)采和管理方法，擴(kuò)大國(guó)家建設(shè)和擴(kuò)大礦產(chǎn)資源的消耗，使能源儲(chǔ)備具有一定的多樣性[1]。我國(guó)礦產(chǎn)資源分布比較分散，為了有效地改善資源的開(kāi)放利用，使其與我國(guó)的社會(huì)主義建設(shè)步伐保持同步，必須保證礦產(chǎn)資源的供應(yīng)。進(jìn)行一定的施工安全管理[2]。

相對(duì)與國(guó)內(nèi)研究，國(guó)外研究效果較高，尤其是美國(guó)MF公司的嵌入式標(biāo)準(zhǔn)控制電路。在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，對(duì)大口徑鉆探設(shè)備的需求很大，鉆探機(jī)械單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)也需要被設(shè)計(jì)得更加實(shí)用，因此在礦山開(kāi)采中，鉆探機(jī)械單片機(jī)控制電路需要被進(jìn)一步研究設(shè)計(jì)。

1 鉆探機(jī)械單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

1.1 鉆探機(jī)械單片機(jī)控制電路總體

在鉆探機(jī)械單片機(jī)中，需要用到的電容傳感器分單極板和雙極板[3]。

就優(yōu)缺點(diǎn)而言，雙極板電容傳感器有2個(gè)優(yōu)點(diǎn)，第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在測(cè)量電路中，傳感器兩端接口能夠避免雜散電容干擾，第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以保證傳感器的兩個(gè)平面可以光潔并且平整。這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)都是單極板電容傳感器所不具備的。對(duì)地位移測(cè)量中會(huì)應(yīng)用到鉆探機(jī)械單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)，所以在本次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中采用單極板電容傳感器設(shè)計(jì)。可以將整個(gè)電容測(cè)量系統(tǒng)分為四個(gè)部分，分別是前置電路、單片機(jī)連接電路設(shè)計(jì)，以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，涵蓋3部分的具體關(guān)系電容測(cè)量電路框圖如下圖1所示。

圖1 電容測(cè)量電路框圖

1.2 前置電路設(shè)計(jì)

為了測(cè)量電容傳感器電壓變化，在前級(jí)電路的設(shè)計(jì)中，主要采用電阻和電容傳感器串聯(lián)的設(shè)計(jì)方式。前級(jí)電路為了將傳感器輸出電壓作為正反饋加到正弦激勵(lì)，可以采取適當(dāng)屏蔽措施進(jìn)行整改，繼而避免前級(jí)電路因?yàn)殡妷鹤兓　⑹芡饨缬绊懚a(chǎn)生的結(jié)果差異[4]。傳感器電壓與正弦激勵(lì)直接相關(guān)，正弦激勵(lì)對(duì)測(cè)量電路的影響更大。使用1：1放大器提取傳感器電壓，然后將其乘以M的合適倍數(shù)，然后添加到正弦激勵(lì)中。以M為前鏈設(shè)計(jì)。在通過(guò)1:1放大器采用運(yùn)放和場(chǎng)效應(yīng)管搭建的手段進(jìn)行運(yùn)作，在電路中，場(chǎng)效應(yīng)管的高輸入阻抗起到良好的隔離緩沖作用。具體的前置電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

1.3 單片機(jī)連接電路設(shè)計(jì)

Nrf19L02微電路主要用于單芯片控制電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，作為無(wú)線(xiàn)通信模塊的傳輸介質(zhì)。正常運(yùn)行時(shí)，平均電壓為3V，待機(jī)時(shí)，系統(tǒng)的電流均值為18uA,ISM頻段的電流頻率為2.8GHz，在系統(tǒng)運(yùn)行的高速時(shí)間段里，最高頻率可達(dá)3Mbps，在電路鏈接時(shí)可以直接與單片機(jī)相連。在電路中添加上拉電阻可以防止無(wú)線(xiàn)模塊中發(fā)生過(guò)電壓火災(zāi)。 當(dāng)無(wú)線(xiàn)發(fā)射器模塊連接到MCU以檢測(cè)和控制環(huán)境時(shí)，二者通過(guò)引腳與PO口連接，從而達(dá)到控制鉆探機(jī)械單片機(jī)的目的。

1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

在鉆探機(jī)械單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)采用H橋原理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的方向與速度的控制。一個(gè)橋臂會(huì)由單片機(jī)的P35和P40分別掌控，四個(gè)NPN三極管構(gòu)成H橋。在P40輸出低電平時(shí)，單片機(jī)P35輸出高電平，這個(gè)時(shí)候電機(jī)會(huì)出現(xiàn)正轉(zhuǎn)現(xiàn)象，電機(jī)的右端接電源地，左端就成了高電平。如果單片機(jī)的P35和P40調(diào)換輸出方式的話(huà)，電機(jī)的左右兩端也會(huì)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，從而達(dá)到對(duì)電機(jī)方向的掌控。根據(jù)PWM原理，電機(jī)的速度也能夠被更改。

1.5 示值穩(wěn)定性設(shè)計(jì)單片機(jī)控制電路

就控制電路總體對(duì)鉆探機(jī)械單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)之后，依據(jù)電路示值穩(wěn)定性設(shè)計(jì)出整體的電路連接，將前置電路、連接電路、驅(qū)動(dòng)電路整合在一起。數(shù)據(jù)示值穩(wěn)定性是衡量單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)程度的一個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)。

在單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用示值穩(wěn)定性，單片機(jī)控制電路輸出為電壓形式，因此，有必要記錄結(jié)構(gòu)的應(yīng)力漂移。在超凈室中，進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試，將溫度設(shè)置為22℃，并將波動(dòng)范圍設(shè)置為0.01℃。進(jìn)行穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)使用8位數(shù)字3458A數(shù)字儀表在400mm的距離上進(jìn)行，每1分鐘測(cè)量10次，所得示值穩(wěn)定性數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 示值穩(wěn)定性數(shù)據(jù)

根據(jù)表1可以發(fā)現(xiàn)，10min內(nèi)示值穩(wěn)定性為0.1V左右。在數(shù)據(jù)展示時(shí)采用N-201閉環(huán)驅(qū)動(dòng)器，從而達(dá)到微位移驅(qū)動(dòng)目的。N-201采用壓電陶瓷來(lái)驅(qū)動(dòng)位移，使顯示數(shù)據(jù)發(fā)生變化。當(dāng)壓電陶瓷致動(dòng)器的輸出電壓波動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一些蠕變和磁滯現(xiàn)象，這些因素將導(dǎo)致失調(diào)漂移，所以可知，測(cè)量系統(tǒng)示值穩(wěn)定性較高，能夠滿(mǎn)足鉆探機(jī)械單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)中的基本要求，示值穩(wěn)定性設(shè)計(jì)單片機(jī)控制電路可以正常運(yùn)行，單片機(jī)控制電路需要示值穩(wěn)定性來(lái)配合設(shè)計(jì)。

2 位移測(cè)量對(duì)比實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

使用單片機(jī)控制電路，就其是否能夠在礦山工程開(kāi)采過(guò)程中獲得更大工作效率進(jìn)行研究。在就鉆探機(jī)械單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，將設(shè)計(jì)的鉆探機(jī)械單片機(jī)控制電路，與嵌入式標(biāo)準(zhǔn)控制電路進(jìn)行比對(duì),通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一匯總得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)操作中采用相同的電容傳感器作為實(shí)驗(yàn)工具，包括：B-R37.100型號(hào)單極板電容傳感器，設(shè)定測(cè)試次數(shù)均為10次，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到比對(duì)數(shù)據(jù)，從而得出結(jié)論。對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表所示。

表2 本文設(shè)計(jì)電路測(cè)試數(shù)據(jù)

嵌入式標(biāo)準(zhǔn)控制電路平臺(tái)如表3所示。

表3 對(duì)比電路測(cè)試數(shù)據(jù)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)本文設(shè)計(jì)電路與對(duì)比電路表中數(shù)據(jù)所示，在單片機(jī)控制電路中，隨著實(shí)驗(yàn)測(cè)量次數(shù)的增加，位移測(cè)量值逐漸的變大，而且變化過(guò)程較為快速、趨勢(shì)較大，標(biāo)準(zhǔn)值與偏差也在相對(duì)變大。而在嵌入式標(biāo)準(zhǔn)控制電路中，位移測(cè)量值雖然隨著測(cè)量次數(shù)的增加而逐漸變大，但是變化幅度較小。在第10次對(duì)比測(cè)量時(shí)二者位移測(cè)量值相差最大，差值為155.435。總體上看，本文設(shè)計(jì)電路位移測(cè)量值均大于對(duì)比電路，位移測(cè)量值越大控制電路運(yùn)行更流暢，所以使用單片機(jī)控制電路效率更高。

3 結(jié)束語(yǔ)

在礦山開(kāi)采的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)鉆探機(jī)械單片機(jī)控制電路總體，依據(jù)示值穩(wěn)定性連接前置電路、連接電路與驅(qū)動(dòng)電路，獲得完整單片機(jī)控制電路，得到了更大的位移測(cè)量值。通過(guò)鉆探機(jī)械單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)，對(duì)采礦效率有了進(jìn)一步提升，通過(guò)確保采礦設(shè)備的安全生產(chǎn)，為采礦業(yè)務(wù)的發(fā)展奠定一定的基礎(chǔ)，從而提高采礦效率。