摘  要：主要研究开发了一种用于检测锚杆预紧力的新型矿用智能锚杆测量仪，利用VC++设计开发出便于操作的友好交互界面，进行数据的接收、存储、检索、排序和打印，实现C语言与汇编语言的相互调用，并采用KEILC算法，实现普通数字滤波和巴特沃思数字低通滤波。

    关键词：锚杆；扭力仪；低功耗；VC++

    中图分类号：TD353    文献标志码：A    文章编号：1003-0794(2007)03-0120-03

Abstract: It mainly designed a kind of new intelligent anchor torsion-apparatuses which was used to detect the anchor pretightening force. Using VC++ , we have designed and developed user-friendly interactive interface which ease to be operate, and can receive, store, range and print data, carry out calling each other between language C and assembly language. Adopted KEILC algorithm, it realized ordinal, digital filtering and butter worth digital low pass filtering.

Keywords: anchors; torsion-apparatuses; low-consumption; VC++

    锚杆支护技术是巷道支护中的先进技术，也是当今世界巷道支护技术的主要发展趋势。在锚杆支护的检测仪器方面，国内外已经有了成套的技术，如无损锚杆测力仪、顶板离层指示仪、锚杆拉拔计、测力锚杆，但其配套性强且多数设备都需要千斤顶来支持，体积庞大，不便于携带和高空作业，智能性不高的机械式扭力计精度差，没有记忆功能，操作人员不能直观地看出预紧力的大小，使得锚杆预紧力的合格率不能得到保障；国内现有的数显式报警扭力计样机，其结构、强度、防爆等与井下的使用环境不相应，不适合井下使用。针对目前这一现状，开发设计了一种小型、通用、防爆的锚杆检测仪器。

本设计方案是在美国、澳大利亚等当今世界主要采煤国家最先进的锚杆支护检测技术基础上，结合中国煤矿现状，研制开发适合国内条件、施工机具特点及性能的新型锚杆支护检测产品，用来保障快速支护的施工质量，检测出不能承担围岩变形力的不合格锚杆，及时发现潜在的安全隐患，避免重大的意外事故；也可用于井下其他设备的安装，螺栓扭力的测试；还可用于铁路、隧道以及水库的紧坝固堤，使煤矿、铁路和桥梁水库的安全保障系数大大提高，因此具有广阔的应用前景和推广价值。

    整个系统由电源电路、放大电路、调理电路、监控处理器及其外围设备(存储部分，显示部分，报警部分，通信)四大部分构成。主处理器是一片PHIL- IP公司生产的带4K字节OTP程序存储器，前向通道配有预处理电路，另外采用E2PROM以防数据掉电丢失，每次最多可以存储1K锚杆的信息，液晶显示使结果更直观，既方便设置报警的初值，也方便看出施加外力的大小。合格时有明显的报警声，不测量时可以连接上位机进行打印。

    为满足便于携带、系统稳定可靠等要求，设计了一种电压变换电路，如图1所示，其负载的大小并不改变输出电压的大小，流经负载的电流由三极管9012来提供，从而保证了3 V输出电压的稳定性。此方案成本低，电路实用，输出对负载的要求不高，适合系统采用。

    考虑到系统低功耗的要求，故采用P87LPC767作为控制器；采用仪用放大器AD623，它在信号输入前，通过了一阶模拟抗混叠滤波器，可以滤除干扰；调理电路采用单电源供电的运算放大器LM358，构成一个减法器和量程变换器。

    本系统实际上是一个可连接PC机的现场检测设备，具有记忆功能，可存储每个锚杆的测量值，以备输入主计算机，进行打印和查询，能够实时显示扭力传感器的输出值，合格时发出报警信号，在扭力撤去时，停止显示和报警，而且具有防爆、防水、防尘、防震等功能。该扭力仪是由螺母套管、扭力传感器(采用山东科技大学生产的NL-2004-15T型电阻应变式传感器)、扭力扳手和控制电路及外围功能器件组成。在进行扭力测试时，由螺母套管与锚杆相连，锚杆起支护作用，通过动摩擦测量力矩信号，扭力仪内置电路板，转动扭力仪时，扭力传感器输出信号，被后继电路放大处理，从而实现信号检测。

    由于系统大量的时间都处在空闲和掉电模式下，无法实时检测键盘的状态，这使用键盘设置报警初值有些困难，但P87LPC767提供了键盘中断功能，可以使键盘上连至P87LPC767特殊脚的键被按下时能产生一个中断，该中断可用于将MCU从空闲模式或掉电模式中唤醒，这非常适合便携式且使用电池供电的系统。由于看门狗定时器不能准确地为采样周期定时，而且也不能准确测量2个锚杆之间的时间，所以在电路中增加了复位键盘来代替看门狗定时器；3V的稳压电源可以通过三极管9012和运算放大器LM358构成的恒流源，在电阻上产生压降来获得。

    存储器采用24ILZ35，有8K的存储字节，以存储锚杆的信息；读存储器采用指定地址的随机读方式；写存储器采用页写方式，每次写入1／4页，即8个字节。

    锚杆序号和报警值可随时设置，锚杆序号占2字节，报警值占2字节，扭力值是记录的传感器输出的值，占2字节，其值是该次测量的最大值，所以测量有一个比较过程。状态备注中55h代表“合格”， AAh代表“不合格”，0Ah代表有后继锚杆信息，0Eh代表没有后继锚杆信息，共8字节。存储过程中，并不知道操作人员想要测量多少个锚杆信息，所以采用“游标”访问技术通信时，由上位机发出要读取的起始锚杆序号，直到读到游标结束符0Eh为止。

    EDMl079是一种小型段码式液晶显示模块，它的数据输入为串行方式，数据首先从低位开始传送，其传送格式如图2，采用P口供电，串行送数前，先将P0．1置为强上拉模式，而不想让其显示时，将 P0．1置为开露模式，实现斩波供电，以节省功耗。

    在通信部分由MAX232完成TTL电平和RS232电平的相互转换，要打印时，将九针串口接到PC机上，上位机为主动方，下位机为被动方。输入信息后，点击“通信设置”按钮，完成对锚杆序号和报警值的设置；输入起始锚杆序号后，点击“通信取数”按钮时，上位机发出0Ah+起始锚杆序号，然后下位机开始从(8*起始锚杆序号)的存储器首地址处，读取8字节的锚杆信息，并发送到上位机，上位机判断收到的最后一个字节是否为OEh，若是0Eh，则通信结束；否则，上位机继续发0Ah，索要下一帧数据，收到0Ah后，下位机继续读下一锚杆的8字节信息，如此往复，直到上位机发出游标结束符0Eh为止。通信结束后，数据被自动刷新到右边一栏的打印表格中，点击“存人数据库”后，数据存储到数据库，可供以后查阅。电路原理如图3所示。

    在微机测控系统中，软件的重要性与硬件设置同样重要。当系统的硬件电路确定后，系统的主要功能还要靠软件来实现。本设计方案中上位机采用 MFC编程，下位机采用KEILC编程，下面分别进行介绍。

    (1)上位机部分设计

    这部分设计采用Visual C++中的Microsoft基本类库(MFC)编程实现，系统采用VC++提供的串行通信控件MSComm．利用MFC封装的打印对话框 CPrintDialog来执行简单的表格打印任务。

    (2)下位机部分设计

下位机编程采用单片机C语言中的KEILC编程即可以浮动地址编程，可以指定地址编程，便于调用常见的数学函数，进行曲线的拟合，逼近传感器的输出特性。P87LPC7-67使用Wave界面的c语言编程，使用uvision2的界面进行硬件仿真。

    噪声和干扰会降低仪器的有效分辨能力和灵敏度，使测量结果产生误差。电源在该系统中并不是主要的误差源，其主要处理传感器输出的信号。根据傅立叶分解知识，可以将任何干扰分解成各种频率信号的和，可使用低通滤波器滤除高频成分，以减轻高频信号的干扰，所以在系统中采用模拟抗混叠滤波器和数字低通滤波器。

    下位机Keile编程IIR，递归实现抗干扰

为了便于计算和防止浮点小数的溢出，将各系数放大100倍后，参入计算，计算完后再除以100。运算过程中，需定义8个浮点数变量，下一个数据将刷新前一批数据。每采集一个数据x(n)，都会滤波输出y(n)，Y(n)经过计算转换后，送液晶显示。可由Matlab软件辅助求得巴特沃斯模拟滤波器。

本方案设计出的矿用锚杆扭力仪，上位机采用 VC语言编制出友好的用户界面，便于用户操作，并进行通信、打印、数据库存储、检索和排序，运用DSP中的复数m算法，进而设计巴特沃思(Butterworth)数字低通滤波等；下位机采用KEILC编程，进行复点滤波运算，实现了c语言和汇编语言的相互调用。本方案克服了以前类似产品的诸多缺点，智能性高，性能更加稳定、可靠，且体积小便于携带，具有很大的社会价值。

参考文献：[1]刘吉波，马培梁，李建刚．预应力锚杆支护参数分析及应用[J]．煤炭工程，2005(8)：76—78．

[2]陈玉祥，王霞，刘少伟．煤巷锚杆支护稳定性的数值模拟分析[J]．辽宁工程技术大学学报．2004(10)：588—599．