一種基于ARM的煤礦盤閘在線監測裝置的研制

2016-07-22 10:50:26葛騰飛孫順祥文金玉中國礦業大學信息與電氣工程學院江蘇徐州

電子測試 2016年11期

葛騰飛，孫順祥，文金玉（..中國礦業大學信息與電氣工程學院，江蘇徐州，6）

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

摘要：本文針對煤礦閘間隙監測儀現有的測量與轉換精度不高、存儲容量小的缺點，設計了一套新的基于STM32F103VET6高速微處理器的閘間隙監測裝置，采用德州儀器公司的高速高精度的AD轉換芯片ADS7953。該裝置能夠在線監測閘間隙并顯示出來，具有超限自動控制油壓、穩定閘盤并及時報警處理。通過與上位機通訊可以查詢歷史數據。可以存儲約兩年的數據。經測試，該裝置性能穩定可靠。

關鍵詞：煤礦提升機；閘間隙；監測裝置；自動控制

0　引言

在煤礦，作為“四大件”之一的礦井提升機的可靠運行是安全生產的關鍵，而提升機的制動系統則是保證提升機安全運行以及實現提升機正常減速停車或者在各種故障情況下執行緊急制動安全停車的最終手段。盤形閘的作用是：在提升機正常工作的減速階段或下放重物時，參與調整提升機的運行速度，并在提升終了時使之正常停車；當工作制動發生故障時，能迅速而合乎要求地閘住提升機即安全制動；當提升機檢修時，使之靜止不動。有關行業標準規定：盤形閘的閘瓦與制動盤的間隙應不大于2mm。這就要求實時監測閘間隙并將其顯示出來。目前盤閘檢測儀存在AD轉換精度不夠高、存儲量小的缺點。本文選用了高性能處理器STM32F103VET6，該處理器具有512KB flash，設計了一種閘間隙監測裝置。該裝置能夠與上位機通訊，可以存儲約兩年的歷史數據，且具有超限自動調節油壓穩定閘盤并及時報警處理的作用。

1　結構與工作原理

盤形閘監測裝置結構圖如圖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、報警模塊、人機接口模塊五部分。測量模塊由信號調理電路和AD轉換部分構成，微處理器模塊由STM32F103VET6及其附屬電路構成，人機接口模塊包括復位、鍵盤輸入、帶字庫的LCD12864點陣屏，通信模塊由SPI通信構成。

盤形閘監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，信號調理電路將該信號轉換為0.52-2.6V電壓，并作濾波、限流等處理，然后送給A/D轉換為數字信號送給微處理器，微處理器進行運算處理，通過LCD12864顯示出來，如果位移超出給定值（2mm），則通過報警電路進行聲光報警。另外可通過鍵盤對裝置行設置，如修改系統時間、切換不同通道顯示、查詢歷史數據，也可以刪除存儲數據。復位電路用于系統故障時手動復位系統。

圖1　盤形閘間隙監測裝置結構

2　硬件電路設置

2.1AD轉換電路

本設計選用德州儀器公司生產的高速A/D轉換芯片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16路，又使用了STM32F103VET6片內ADC的8路通道，所以共有24路通道。AD轉換電路如圖2所示。ADS7953的通道CH0-CH15分別接調理電路輸出的模擬量ADC_IN1-16，串行數據接口部分的數據輸出SDO，數據輸入SDI，時鐘SCLK，和片選信號CS分別接微處理器的SPI總線，即PA4-PA7。精準電源芯片ZXCL280E5TA負責為ADS7953以及片內ADC提供2.85V的基準電壓。

2.2微處理器電路設計

STM32F103VET6的最小系統主要包括晶振電路，復位電路，下載電路等，本設計選用外部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轉換的數據，PC0-PC5、PB0-PB1用于片內ADC模擬量輸入口。PA8-PA11用于向LCD12864輸出數據。PD10-PD14用于鍵盤電路。PB12-PB15用于片內外設SPI與以太網芯片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，其中可調電阻用來調節顯示的對比度。采用串行方式工作。目的是節省IO口數量，點陣屏的刷新頻率也會滿足現場使用要求。

2.4通信電路

本設計采用W5500以太網芯片來進行通信。采用SPI總線數據協議，與上位機連接輸出AD采樣數據并保存。電路如圖3所示

3　軟件設計

監測裝置軟件設計部分主要包括A/D轉換數據的讀取程序和主程序，根據ADS7953的工作時序，如圖4所示，可用微處理器的的I/O口模擬產生相應時序來讀取A/D轉換結果。

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，如此循環讀取16位就可將A/D轉換結果讀出。

圖3　W5500以太網通信電路

主程序設計如圖5（b）流程圖所示，系統上電復位后首先進行初始化，這部分內容有液晶顯示器初始化、A/D轉換初始化，然后采樣信號輸入值，再進行計算處理、顯示，接下來判斷是否有功能鍵按下，有按下則調用功能鍵處理程序，主要有：時間設定、通道選擇、歷史紀錄查詢。處理完功能鍵后返回采樣部分循環。

4　實驗結論

本套盤閘監測裝置能夠在線監測閘間隙并顯示出來，并具有數據存儲量大、能與上位機通訊、傳送歷史數據的特點。經實驗驗證該裝置測量精度和刷新頻率可以滿足煤礦現場的生產要求，工作可靠程度還有待于長時間的運行驗證。

參考文獻

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

［2］劉軍，張洋，嚴漢宇.例說STM32 ［M］.北京：北京航空航天大學出版社， 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：嵌入式系統設計