一种基于ARM的煤矿盘闸在线监测装置的研制

葛腾飞，孙顺祥，文金玉（..中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州，6）



一种基于ARM的煤矿盘闸在线监测装置的研制

葛腾飞1，孙顺祥2，文金玉3
（1.2.3中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州，221116）

摘要：本文针对煤矿闸间隙监测仪现有的测量与转换精度不高、存储容量小的缺点，设计了一套新的基于STM32F103VET6高速微处理器的闸间隙监测装置，采用德州仪器公司的高速高精度的AD转换芯片ADS7953。该装置能够在线监测闸间隙并显示出来，具有超限自动控制油压、稳定闸盘并及时报警处理。通过与上位机通讯可以查询历史数据。可以存储约两年的数据。经测试，该装置性能稳定可靠。

关键词：煤矿提升机；闸间隙；监测装置；自动控制

0　引言

在煤矿，作为“四大件”之一的矿井提升机的可靠运行是安全生产的关键，而提升机的制动系统则是保证提升机安全运行以及实现提升机正常减速停车或者在各种故障情况下执行紧急制动安全停车的最终手段。盘形闸的作用是：在提升机正常工作的减速阶段或下放重物时，参与调整提升机的运行速度，并在提升终了时使之正常停车；当工作制动发生故障时，能迅速而合乎要求地闸住提升机即安全制动；当提升机检修时，使之静止不动。有关行业标准规定：盘形闸的闸瓦与制动盘的间隙应不大于2mm。这就要求实时监测闸间隙并将其显示出来。目前盘闸检测仪存在AD转换精度不够高、存储量小的缺点。本文选用了高性能处理器STM32F103VET6，该处理器具有512KB flash，设计了一种闸间隙监测装置。该装置能够与上位机通讯，可以存储约两年的历史数据，且具有超限自动调节油压稳定闸盘并及时报警处理的作用。

1　结构与工作原理

盘形闸监测装置结构图如图1所示。按功能可将装置分为测量模块、微处理器模块、通信模块、报警模块、人机接口模块五部分。测量模块由信号调理电路和AD转换部分构成，微处理器模块由STM32F103VET6及其附属电路构成，人机接口模块包括复位、键盘输入、带字库的LCD12864点阵屏，通信模块由SPI通信构成。

盘形闸监测装置的工作原理是：选用接近传感器IG6083，该传感器测量范围是0.8-8mm，线性、倾斜度：2.22 mA/mm，模拟量输出4-20mA电流信号，信号调理电路将该信号转换为0.52-2.6V电压，并作滤波、限流等处理，然后送给A/D转换为数字信号送给微处理器，微处理器进行运算处理，通过LCD12864显示出来，如果位移超出给定值（2mm），则通过报警电路进行声光报警。另外可通过键盘对装置行设置，如修改系统时间、切换不同通道显示、查询历史数据，也可以删除存储数据。复位电路用于系统故障时手动复位系统。

图1　 盘形闸间隙监测装置结构

2　硬件电路设置

2.1AD转换电路

本设计选用德州仪器公司生产的高速A/D转换芯片ADS7953，该芯片具有1MHz采样速率串行输出12位采样值［1］，模拟输入多达16路，又使用了STM32F103VET6片内ADC的8路通道，所以共有24路通道。AD转换电路如图2所示。ADS7953的通道CH0-CH15分别接调理电路输出的模拟量ADC_IN1-16，串行数据接口部分的数据输出SDO，数据输入SDI，时钟SCLK，和片选信号CS分别接微处理器的SPI总线，即PA4-PA7。精准电源芯片ZXCL280E5TA负责为ADS7953以及片内ADC提供2.85V的基准电压。

2.2微处理器电路设计

STM32F103VET6的最小系统主要包括晶振电路，复位电路，下载电路等，本设计选用外部8MHz晶振，下载方式为SW方式。对STM32F103VET6的I/O口作如下分配：PA4-PA7用于读取AD转换的数据，PC0-PC5、PB0-PB1用于片内ADC模拟量输入口。PA8-PA11用于向LCD12864输出数据。PD10-PD14用于键盘电路。PB12-PB15用于片内外设SPI与以太网芯片W5500总线通讯接口，PD8-PD9用于SPI控制接口。PC7-PC8用于声光报警接口。

2.3液晶显示电路

液晶显示器选用比较常用的LCD12864，其中可调电阻用来调节显示的对比度。采用串行方式工作。目的是节省IO口数量，点阵屏的刷新频率也会满足现场使用要求。

2.4通信电路

本设计采用W5500以太网芯片来进行通信。采用SPI总线数据协议，与上位机连接输出AD采样数据并保存。电路如图3所示

3　软件设计

监测装置软件设计部分主要包括A/D转换数据的读取程序和主程序，根据ADS7953的工作时序，如图4所示，可用微处理器的的I/O口模拟产生相应时序来读取A/D转换结果。

读取过程如图5（a）流程图所示，首先将PA5（SCLK）拉成低电平，然后将PA4（CS）拉成低电平，使片选信号有效，再将PA5拉高，然后读取PA6（SDO）的输出值，如此循环读取16位就可将A/D转换结果读出。

图3　W5500以太网通信电路

主程序设计如图5（b）流程图所示，系统上电复位后首先进行初始化，这部分内容有液晶显示器初始化、A/D转换初始化，然后采样信号输入值，再进行计算处理、显示，接下来判断是否有功能键按下，有按下则调用功能键处理程序，主要有：时间设定、通道选择、历史纪录查询。处理完功能键后返回采样部分循环。

4　实验结论

本套盘闸监测装置能够在线监测闸间隙并显示出来，并具有数据存储量大、能与上位机通讯、传送历史数据的特点。经实验验证该装置测量精度和刷新频率可以满足煤矿现场的生产要求，工作可靠程度还有待于长时间的运行验证。

参考文献

［1］刘军，张洋，严汉宇.原子教你玩STM32.寄存器版［M］.北京：北京航空航天大学出版社， 2013.

［2］刘军，张洋，严汉宇.例说STM32 ［M］.北京：北京航空航天大学出版社， 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

作者简介

葛腾飞（1992-），男，江苏东海人，本科生，研究方向：嵌入式系统设计

图4　ADS7953的工作时序

图5　监测装置软件流程

项目名称：煤矿提升机盘式制动器在线监测系统

项目编号：201410290016