基于霍爾元件的液壓支架測距系統(tǒng)

尹冬冬

（晉煤集團(tuán)晉城金力電氣有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

隨著晉煤集團(tuán)煤機(jī)板塊的快速發(fā)展，晉煤集團(tuán)晉城金力電氣有限責(zé)任公司的裝備制造向著更可靠更智能化方向不斷進(jìn)步。支架公司生產(chǎn)的液壓支架已經(jīng)能夠很好地滿足井下各種工況，但是在集成化和智能化方面還有很大發(fā)展空間。

此設(shè)計(jì)是針對液壓支架的集成測控方面進(jìn)行改進(jìn)，以便更好地適應(yīng)工作面無人化和少人化發(fā)展。

1 設(shè)計(jì)背景

激光測距技術(shù)是目前測距系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，由于是通過發(fā)射激光束至目標(biāo)物體，利用反射光束精確計(jì)算距離，因此在不加反射靶的情況下，也可達(dá)到很遠(yuǎn)的檢測距離，而且對目標(biāo)物體的尺寸面積比超聲波要求的面積小很多，使得對遠(yuǎn)距離的小尺寸物體位置檢測成為可能[1]。但由于成本較高，而且極易受到井下工作面惡劣環(huán)境的干擾，所以不適合在工作面使用。

霍爾元件在控制系統(tǒng)中占有非常重要的地位，具有分辨能力強(qiáng)、高精度和檢測速度快的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)所用的脈沖發(fā)生器成本低、構(gòu)造簡單、性能好。電氣控制系統(tǒng)中存在著較為惡劣的電磁環(huán)境，因此霍爾元件大多要求具有較強(qiáng)的抗干擾能力[2]。

2 設(shè)計(jì)簡介

本文以STC89C52單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了基于開關(guān)霍爾的液壓支架伸縮量測量系統(tǒng)，主要研究工作包括以下3個(gè)方面。

（1）硬件電路方面，用霍爾開關(guān)完成信號采樣電路的設(shè)計(jì)，采樣到的電信號并行輸入移位寄存器CD4021，再通過串行方式輸出到單片機(jī)，由單片機(jī)接收并計(jì)算，通過通信模塊傳至上位機(jī)集控系統(tǒng)，集控系統(tǒng)對各液壓支架的伸縮量進(jìn)行分析和顯示。

（2）軟件方面，下位機(jī)單片機(jī)控制移位寄存器串行輸出實(shí)時(shí)信號，并由單片機(jī)檢測電信號和計(jì)算。通信模塊通過485通信把各個(gè)液壓支架的伸縮量信息發(fā)送至上位機(jī)。上位機(jī)把各個(gè)液壓支架的情況通過組態(tài)軟件實(shí)時(shí)顯示。

（3）上位機(jī)與下位機(jī)聯(lián)機(jī)系統(tǒng)調(diào)試。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

液壓支架上安裝兩個(gè)同心套筒，外層是堅(jiān)固的金屬筒，金屬筒底端是磁環(huán)，內(nèi)層是霍爾傳感器做成的量尺。基于單片機(jī)用霍爾開關(guān)實(shí)現(xiàn)液壓支架伸縮量的檢測，通過霍爾開關(guān)模塊檢測磁環(huán)位移信號。當(dāng)液壓支架伸長時(shí)，外層套筒隨著支架向上移動(dòng)，套筒底端的磁環(huán)相對內(nèi)部的量尺發(fā)生位移，移位寄存?zhèn)鬏斈K把采集到的位移信號串行傳送到單片機(jī)進(jìn)行處理，計(jì)算出液壓支架的實(shí)時(shí)長度。下位機(jī)單片機(jī)通過通信模塊把伸縮量信號傳送給上位機(jī)，上位機(jī)通過組態(tài)軟件顯示。見圖1。

圖1 系統(tǒng)總框圖

3.2 下位機(jī)整體電路圖

伸縮量信號的采集模塊由霍爾開關(guān)和移位寄存器組成。

44E型霍爾開關(guān)屬于有源磁電轉(zhuǎn)換器件，它是在霍爾效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，利用集成封裝和組裝工藝制作而成，它把磁輸入信號轉(zhuǎn)換成電信號，當(dāng)磁環(huán)靠近某一霍爾開關(guān)時(shí)其輸出低電平，無磁體靠近時(shí)則為高電平。通過CD4021的并行輸入存儲(chǔ)起來等待單片機(jī)的檢測[3]。

CD4021傳輸霍爾開關(guān)量的流程：先使CD4021轉(zhuǎn)換到并行模式，再轉(zhuǎn)換到串行模式，單片機(jī)讀取Q7的信號，然后輸出一個(gè)脈沖給CD4021，單片機(jī)再讀取一個(gè)開關(guān)信號，如此循環(huán)到結(jié)束，輸出電平為低電平時(shí)的計(jì)數(shù)值，然后重復(fù)前面的步驟[4]。

霍爾開關(guān)模塊電路的輸出端接至移位寄存器的并行輸入端，再加上單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、單片機(jī)與移位寄存器的連接，即可作出下位機(jī)的整體電路圖，如圖2所示。

3.3 下位機(jī)程序流程

本系統(tǒng)下位機(jī)采用C語言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)各項(xiàng)功能。

先使CD4021轉(zhuǎn)換到并行模式，再轉(zhuǎn)換到串行模式，單片機(jī)讀取Q7的信號，然后輸出一個(gè)脈沖給CD4021，單片機(jī)再讀取一個(gè)開關(guān)信號，如此循環(huán)到結(jié)束，輸出電平為低電平的計(jì)數(shù)值，然后重復(fù)前面的步驟。

讀取后的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器單元中，經(jīng)過單片機(jī)運(yùn)算，將計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)化為伸縮量。

3.4 上位機(jī)調(diào)試與應(yīng)用實(shí)例

液壓支架的伸縮量被實(shí)時(shí)測量計(jì)算，上位機(jī)通過組態(tài)軟件能夠?qū)崟r(shí)顯示每一個(gè)支架的伸縮量，能夠反映井下工作面的實(shí)際情況。本系統(tǒng)現(xiàn)已在山西長治大峪煤業(yè)得到應(yīng)用，調(diào)度中心能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控工作面的液壓支架的工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，保證采煤工作面的工作安全高效地進(jìn)行。整體系統(tǒng)圖如圖3，應(yīng)用實(shí)例圖如圖4。

圖2 整體電路圖

圖3 整體系統(tǒng)圖

圖4 應(yīng)用實(shí)例圖

4 結(jié)論

通過使用基于霍爾元件的液壓支架伸縮量監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測液壓支架的工作情況，有效地提高了地面調(diào)度部門對井下工作面的監(jiān)控能力，減少了井下生產(chǎn)事故，提高了煤礦自動(dòng)化水平[5]。