基于無線帶式輸送機溫度檢測裝置設計

范 文

（山西新元煤炭有限責任公司，山西 晉中 030600）

由于帶式輸送機的連續性好，運輸能力強大，在礦井生產中承擔著煤炭運輸任務。根據煤礦安全生產相關規定，帶式輸送機必須具備八大保護來判別和預防故障的功能，同時還要有相關的故障處理措施。帶式輸送機的運行是通過滾筒和膠帶之間的相互摩擦提供動力的，摩擦會導致溫度的升高，如果溫度持續升高就會有發生火災的風險，所以對帶式輸送機滾筒溫度進行實時檢測是很有必要的。

目前工業上對溫度的檢測方法主要有兩種，分別是接觸式檢測方法和非接觸式檢測方法。其中非接觸式檢測方法可以方便地放置安裝檢測設備，但是在精確度方面比較低，定位不夠準確。接觸式溫度檢測裝置的優點是檢測和定位比較準確，但是由于滾筒不斷運動的特性在傳感器安裝方面比較困難。目前礦井下普遍采用的溫度檢測設備主要以非接觸式為主，而在非接觸式傳感器中主要是利用紅外線原理對溫度進行檢測。由于紅外線固有的特點導致檢測結果很容易受到環境的影響，例如溫度的變化或者是空氣中粉塵的濃度等，同時溫度探頭長時間運行后很容易堆積灰塵，導致檢測的精確度下降。文獻中提出了一種將接觸式傳感器和無線通訊結合的方法，能夠有效地避免布線的困擾，但由于設計不太合理導致體積偏大，實際應用效果不太理想，同時在功耗方面優化也不太合理導致頻繁地更換電池，非常不利于現場的維護。鑒于此，本文提出了一種利用高度集成芯片將溫度傳感器和數據采集處理模塊集合一體的設計方案，能夠有效地減小體積和降低功耗，巧妙地將接觸式溫度傳感器和非接觸式溫度傳感器的優點結合起來，合理地避免了缺點[1]。

1 裝置工作原理

如圖1所示為本文設計的帶式輸送機滾筒溫度檢測裝置。從圖中可以看出本裝置主要由兩部分組成，分別是數據檢測終端和數據接收終端。其中檢測終端主要安裝在滾筒內側靠近膠帶的位置，由于金屬良好的熱傳導效應，在內側就能夠檢測到外側的溫度，同時將檢測到的溫度通過內置的射頻芯片處理后以廣播的形式發送出去，考慮到距離和傳輸速度以及信號強度等各方面的因素，本系統將通訊頻率定為420MHz。信號的接收端固定在離滾筒較近的機架上，內部有射頻信號接收裝置，將廣播的信號接收下來，并通過內部的信號處理芯片將信號大包為現場總線格式的信號，并將其傳輸到控制器或信號中繼站，從而完成整個系統流程。

圖1 溫度檢測裝置工作原理圖

2 檢測裝置硬件設計

2.1 檢測終端硬件設計

本系統采用的溫度射頻集成芯片是由英飛凌公司設計生產的高集成度、多功能工業現場芯片，型號為SP370。該芯片內置8051系列處理器，能夠完成一定量的邏輯處理功能，只需外加啟動晶振，供給電源和信號發射用的天線就可以正常工作。

由于帶式輸送機工作時間比較長，所以本系統選用鋰電池容量為600mA/h的18650電池為系統供電。為了信號能夠更好地廣播出去，本系統選用射頻天線型號為AN1603的貼片型天線，既能夠縮小體積，又具有很高的信號強度。

2.2 接收終端硬件設計

如圖2所示為本裝置信號接收終端結構圖。接收裝置主要由三部分組成，分別是CPU、CAN收發芯片、射頻接收芯片。其中CPU使用的是NXP公司生產的ARM系列芯片，型號為LPC11C04，射頻接收芯片為英飛凌公司設計的芯片，型號為TDA5235。CAN接收芯片型號為PCA82C250。當射頻芯片接收到信號后利用SPI總線將信號傳輸到CPU，CPU將信號處理后通過CAN接收器轉化為CAN總線信號發送到CAN總線上。

3 檢測裝置軟件設計

3.1 檢測終端軟件設計

如圖3所示為檢測終端的軟件流程圖。裝置通電后首先進行的是射頻發射裝置的初始化，主要是配置相關的參數，本射頻芯片的發射參數包括以下幾項，分別是工作、調試模式以及數據的編碼方式等。然后是晶振的初始化，其中晶振主要分為高低兩種頻率的工作模式。初始化后便可以進行溫度檢測，其中無線芯片內部提供了API函數接口，能夠通過相應的接口函數實現溫度的檢測和數據的發送等操作。當數據發送后是系統進入到休眠模式，這樣能夠最大限度地節能。當內部定時器時間到時再次喚醒系統進行溫度檢測，依次循環。其中內部定時器的定時時間可以通過API函數進行調節[2]。

圖2 接收終端硬件結構圖

圖3 檢測終端軟件運行流程

3.2 接收終端軟件設計

如圖4所示為接收終端的軟件流程圖。系統上電后首先進行晶振即系統時鐘的初始化，然后是CAN總線初始化、SPI總線的初始化以及射頻芯片的初始化。這其中主要包括LPC11C14、TDA5235和PCA82C250的初始化及參數配置。

其中CAN總線配置涉及到數據格式、波特率以及位時序等。SPI總線的參數包括工作模式、數據模式及大小等。初始化完畢后配置CPU的看門狗復位功能，這項功能能夠有效地避免方式程序卡死等現象的發生。然后CPU通過SPI總線TDA5235讀取數據，其中數據的讀取間隙時間可以通過程序調節。CPU將數據進行一定程度的處理，將處理后的信息通過CAN收發器發送到CAN總線上。每隔30s循環一次數據讀取功能[3-4]。

圖4 接收終端軟件流程

4 試驗驗證

表1 溫度測試結果

為了驗證無線溫度傳感器的檢測精度，在實驗室條件下設計了一個溫度對比試驗，使用紅外溫度檢測裝置和無線傳感器放置于同一溫度條件下，通過讀取兩個器件的溫度值來比較精度。具體的檢測結果如表1所示。

通過對比兩組結果，根據紅外溫度檢測裝置的誤差得出無線傳感器的誤差在可接受范圍內，符合工業應用標準。

5 結語

本文設計的帶式輸送機滾筒溫度檢測裝置通過礦井下實際試驗后驗證了其功能的完整性和工作的穩定性。在連續使用情況下發送裝置能夠持續工作半個月，通過后期的節能優化還能夠進一步提升使用時間。該設備完全具備井下使用條件，為礦井下同類型設備的設計提供了經驗。