葛騰飛，孫順祥，文金玉（..中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州，6）

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一種基于ARM的煤礦盤閘在線監(jiān)測裝置的研制

葛騰飛1，孫順祥2，文金玉3
（1.2.3中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州，221116）

摘要：本文針對煤礦閘間隙監(jiān)測儀現(xiàn)有的測量與轉(zhuǎn)換精度不高、存儲容量小的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套新的基于STM32F103VET6高速微處理器的閘間隙監(jiān)測裝置，采用德州儀器公司的高速高精度的AD轉(zhuǎn)換芯片ADS7953。該裝置能夠在線監(jiān)測閘間隙并顯示出來，具有超限自動(dòng)控制油壓、穩(wěn)定閘盤并及時(shí)報(bào)警處理。通過與上位機(jī)通訊可以查詢歷史數(shù)據(jù)。可以存儲約兩年的數(shù)據(jù)。經(jīng)測試，該裝置性能穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：煤礦提升機(jī)；閘間隙；監(jiān)測裝置；自動(dòng)控制

0　引言

在煤礦，作為“四大件”之一的礦井提升機(jī)的可靠運(yùn)行是安全生產(chǎn)的關(guān)鍵，而提升機(jī)的制動(dòng)系統(tǒng)則是保證提升機(jī)安全運(yùn)行以及實(shí)現(xiàn)提升機(jī)正常減速停車或者在各種故障情況下執(zhí)行緊急制動(dòng)安全停車的最終手段。盤形閘的作用是：在提升機(jī)正常工作的減速階段或下放重物時(shí)，參與調(diào)整提升機(jī)的運(yùn)行速度，并在提升終了時(shí)使之正常停車；當(dāng)工作制動(dòng)發(fā)生故障時(shí)，能迅速而合乎要求地閘住提升機(jī)即安全制動(dòng)；當(dāng)提升機(jī)檢修時(shí)，使之靜止不動(dòng)。有關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：盤形閘的閘瓦與制動(dòng)盤的間隙應(yīng)不大于2mm。這就要求實(shí)時(shí)監(jiān)測閘間隙并將其顯示出來。目前盤閘檢測儀存在AD轉(zhuǎn)換精度不夠高、存儲量小的缺點(diǎn)。本文選用了高性能處理器STM32F103VET6，該處理器具有512KB flash，設(shè)計(jì)了一種閘間隙監(jiān)測裝置。該裝置能夠與上位機(jī)通訊，可以存儲約兩年的歷史數(shù)據(jù)，且具有超限自動(dòng)調(diào)節(jié)油壓穩(wěn)定閘盤并及時(shí)報(bào)警處理的作用。

1　結(jié)構(gòu)與工作原理

盤形閘監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。按功能可將裝置分為測量模塊、微處理器模塊、通信模塊、報(bào)警模塊、人機(jī)接口模塊五部分。測量模塊由信號調(diào)理電路和AD轉(zhuǎn)換部分構(gòu)成，微處理器模塊由STM32F103VET6及其附屬電路構(gòu)成，人機(jī)接口模塊包括復(fù)位、鍵盤輸入、帶字庫的LCD12864點(diǎn)陣屏，通信模塊由SPI通信構(gòu)成。

盤形閘監(jiān)測裝置的工作原理是：選用接近傳感器IG6083，該傳感器測量范圍是0.8-8mm，線性、傾斜度：2.22 mA/mm，模擬量輸出4-20mA電流信號，信號調(diào)理電路將該信號轉(zhuǎn)換為0.52-2.6V電壓，并作濾波、限流等處理，然后送給A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送給微處理器，微處理器進(jìn)行運(yùn)算處理，通過LCD12864顯示出來，如果位移超出給定值（2mm），則通過報(bào)警電路進(jìn)行聲光報(bào)警。另外可通過鍵盤對裝置行設(shè)置，如修改系統(tǒng)時(shí)間、切換不同通道顯示、查詢歷史數(shù)據(jù)，也可以刪除存儲數(shù)據(jù)。復(fù)位電路用于系統(tǒng)故障時(shí)手動(dòng)復(fù)位系統(tǒng)。

圖1　 盤形閘間隙監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)

2　硬件電路設(shè)置

2.1AD轉(zhuǎn)換電路

本設(shè)計(jì)選用德州儀器公司生產(chǎn)的高速A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS7953，該芯片具有1MHz采樣速率串行輸出12位采樣值［1］，模擬輸入多達(dá)16路，又使用了STM32F103VET6片內(nèi)ADC的8路通道，所以共有24路通道。AD轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。ADS7953的通道CH0-CH15分別接調(diào)理電路輸出的模擬量ADC_IN1-16，串行數(shù)據(jù)接口部分的數(shù)據(jù)輸出SDO，數(shù)據(jù)輸入SDI，時(shí)鐘SCLK，和片選信號CS分別接微處理器的SPI總線，即PA4-PA7。精準(zhǔn)電源芯片ZXCL280E5TA負(fù)責(zé)為ADS7953以及片內(nèi)ADC提供2.85V的基準(zhǔn)電壓。

2.2微處理器電路設(shè)計(jì)

STM32F103VET6的最小系統(tǒng)主要包括晶振電路，復(fù)位電路，下載電路等，本設(shè)計(jì)選用外部8MHz晶振，下載方式為SW方式。對STM32F103VET6的I/O口作如下分配：PA4-PA7用于讀取AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，PC0-PC5、PB0-PB1用于片內(nèi)ADC模擬量輸入口。PA8-PA11用于向LCD12864輸出數(shù)據(jù)。PD10-PD14用于鍵盤電路。PB12-PB15用于片內(nèi)外設(shè)SPI與以太網(wǎng)芯片W5500總線通訊接口，PD8-PD9用于SPI控制接口。PC7-PC8用于聲光報(bào)警接口。

2.3液晶顯示電路

液晶顯示器選用比較常用的LCD12864，其中可調(diào)電阻用來調(diào)節(jié)顯示的對比度。采用串行方式工作。目的是節(jié)省IO口數(shù)量，點(diǎn)陣屏的刷新頻率也會滿足現(xiàn)場使用要求。

2.4通信電路

本設(shè)計(jì)采用W5500以太網(wǎng)芯片來進(jìn)行通信。采用SPI總線數(shù)據(jù)協(xié)議，與上位機(jī)連接輸出AD采樣數(shù)據(jù)并保存。電路如圖3所示

3　軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測裝置軟件設(shè)計(jì)部分主要包括A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取程序和主程序，根據(jù)ADS7953的工作時(shí)序，如圖4所示，可用微處理器的的I/O口模擬產(chǎn)生相應(yīng)時(shí)序來讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。

讀取過程如圖5（a）流程圖所示，首先將PA5（SCLK）拉成低電平，然后將PA4（CS）拉成低電平，使片選信號有效，再將PA5拉高，然后讀取PA6（SDO）的輸出值，如此循環(huán)讀取16位就可將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果讀出。

圖3　W5500以太網(wǎng)通信電路

主程序設(shè)計(jì)如圖5（b）流程圖所示，系統(tǒng)上電復(fù)位后首先進(jìn)行初始化，這部分內(nèi)容有液晶顯示器初始化、A/D轉(zhuǎn)換初始化，然后采樣信號輸入值，再進(jìn)行計(jì)算處理、顯示，接下來判斷是否有功能鍵按下，有按下則調(diào)用功能鍵處理程序，主要有：時(shí)間設(shè)定、通道選擇、歷史紀(jì)錄查詢。處理完功能鍵后返回采樣部分循環(huán)。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本套盤閘監(jiān)測裝置能夠在線監(jiān)測閘間隙并顯示出來，并具有數(shù)據(jù)存儲量大、能與上位機(jī)通訊、傳送歷史數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該裝置測量精度和刷新頻率可以滿足煤礦現(xiàn)場的生產(chǎn)要求，工作可靠程度還有待于長時(shí)間的運(yùn)行驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

［1］劉軍，張洋，嚴(yán)漢宇.原子教你玩STM32.寄存器版［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2013.

［2］劉軍，張洋，嚴(yán)漢宇.例說STM32 ［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2014.

［3］Texas Instruments.12/10/8-Bit， 1MSPS，16/12/8/4-Channel， Single-Ended， MicroPower，Serial InterfaceADCs［ EB/OL］.［ 2011- 08- 30］.http：//pdf.dzsc. com/20090603/200904050622284034.pdf.

Development of online monitoring device for coal mine disc brake based on ARM

Ge Tengfei1，Sun Shunxiang2，Wen Jinyu3
（1.2.3 School of Information and Electrical Engineering of CUMT， Xuzhou 221116，China）

Abstract：In order to solve problems of few stored data and lack of automatic control of existing detectors of disk brake in coal mine，the paper proposed a design scheme of novel detector of disk brake based on STM32F103VET6 microprocessor and ADS7953 A/D chip.The detector can automatically detect and real-timely display parameters of working status of disk brakes.When brake clearance exceeds the specified value，the detector will pilot oil pressure in order to stabilize the disk brake and give sound and light alarm. Besides，the detector can store data detected in two years，and transmit the historic data to upper computer. The testing result showed that the detector runs stably and reliably.

Keywords：coal mine hoist；brake clearance；detector；automatic control

作者簡介

葛騰飛（1992-），男，江蘇東海人，本科生，研究方向：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4　ADS7953的工作時(shí)序

圖5　監(jiān)測裝置軟件流程

項(xiàng)目名稱：煤礦提升機(jī)盤式制動(dòng)器在線監(jiān)測系統(tǒng)

項(xiàng)目編號：201410290016