采煤機截割煤巖嵌入測量裝置設(shè)計研究

羅興臣　董璇璇

（江蘇中機礦山設(shè)備有限公司，徐州 221116）

采煤機截割煤巖嵌入測量裝置設(shè)計研究

羅興臣董璇璇

（江蘇中機礦山設(shè)備有限公司，徐州 221116）

為獲得采煤機截割煤巖工作過程中滾筒截割性能的影響因素，提出采用支持FAT文件系統(tǒng)的嵌入式測試裝置對截割過程相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量。該嵌入式測量裝置在不需要外接導(dǎo)線的條件下，保證采集到煤巖截割工作過程中的受力和振動信號能夠被直接存儲，具有完整的數(shù)據(jù)采集和存儲功能，從而為上位機做數(shù)據(jù)分析提供可靠保障，減少信號損失及干擾信號的影響。

嵌入式測量裝置煤巖截割采煤機滾筒FAT文件系統(tǒng)

引言

隨著煤礦安全生產(chǎn)要求的不斷提高，作為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，采煤機的自動化成為實現(xiàn)綜采工作面自動化和少人化的必要條件。采煤機截割部是一種典型的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)機械。對于該類結(jié)構(gòu)的機械進(jìn)行數(shù)據(jù)測量和監(jiān)測時，需要根據(jù)實際工況進(jìn)行測量和監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計［1-2］。在采煤機截割部破巖研究中，煤巖是非均勻物質(zhì)，其崩落時產(chǎn)生的沖擊對機器造成嚴(yán)重破壞，因此通過研究截齒受力并分析其沖擊規(guī)律具有重要意義［3-4］。目前，比較常見的做法是采用通用的數(shù)據(jù)采集卡，利用有線傳輸模塊進(jìn)行實時數(shù)據(jù)通信。這樣電路板卡數(shù)量較多，電路之間的連線也比較復(fù)雜。一方面，占用空間比較大，旋轉(zhuǎn)機械部件上可利用空間有限。另一方面，不利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性［5-7］。

針對上述情況，設(shè)計一種旋轉(zhuǎn)機械受力和振動測量裝置。該嵌入式測量裝置具有溫度補償、軟件校準(zhǔn)、模擬信號和數(shù)字信號雙重輸出等功能。本裝置把多個模塊集成在一塊電路板上，形成一個功能完整的數(shù)據(jù)采集和存儲系統(tǒng)，為上位機做數(shù)據(jù)分析提供可靠保障。

1嵌入式測量裝置的硬件設(shè)計

旋轉(zhuǎn)機械受力和振動測量裝置包括應(yīng)變片、加速度測量模塊、信號采集放大模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊。本實驗裝置設(shè)計的的信號調(diào)理模塊對應(yīng)變電路的mV輸入信號進(jìn)行濾波處理。其中，一端主要與應(yīng)片計連接的能夠調(diào)理信號并分別進(jìn)行放大的調(diào)理電路，調(diào)理電路的另一端接信號（A/D）轉(zhuǎn)換模塊，信號調(diào)理模塊另一端接avr單片機，avr單片機接有數(shù)據(jù)采集/串口通信切換開關(guān)和SD卡讀寫模塊。該裝置支持FAT文件系統(tǒng)，主要表現(xiàn)在單片機數(shù)據(jù)存儲后，與上位機的數(shù)據(jù)交換模式是具有FAT文件系統(tǒng)功能的模式。嵌入式測量裝置的硬件電路框圖，如圖1所示。

主控制電路采用信號（A/D）轉(zhuǎn)換模塊對濾波后的傳感器信號直接進(jìn)行放大、A/D轉(zhuǎn)換等處理，并對外圍器件進(jìn)行控制；電源電壓輸入調(diào)節(jié)電路對輸入的直流電源進(jìn)行調(diào)節(jié)。通信電路用于數(shù)字信號的傳輸，同時實現(xiàn)嵌入式測量裝置與上位機直接的數(shù)據(jù)交互。

圖1測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

1.1電源調(diào)節(jié)電路設(shè)計

本文選取鎳氫電池作為直流電源。根據(jù)后續(xù)信號采集處理電路的輸入電壓在DC4.5～9.0V，因此需要串聯(lián)多節(jié)鎳氫電池，但串聯(lián)電池的節(jié)數(shù)不是越多越好。當(dāng)串聯(lián)多節(jié)電池時，由于電池間性能差異，使得各單節(jié)電池電壓的離散變化可能性增加，可能造成一組電池在充電若干次后有的過充有的充不滿。因此，作為本設(shè)計的直流電源方案為串聯(lián)2節(jié)鎳氫電池，既能滿足信號采集裝置的電源需求，也避免了電源電路的復(fù)雜性。所述的電源模塊將充電電池的電量轉(zhuǎn)換成5V電壓提供給單片機，另外還需給SD卡讀寫模塊供3.7V電壓。電源主調(diào)節(jié)芯片采用德州儀器公司的7805芯片。

1.2主控制電路設(shè)計

嵌入式測量裝置的主控制電路包括ATmega16L單片機芯片、晶振、復(fù)位、數(shù)據(jù)采集/串口通信切換開關(guān)等。其中，數(shù)據(jù)采集/串口通信切換開關(guān)是切換該裝置數(shù)據(jù)采集和串口通信兩種工作狀態(tài)的開關(guān)電路。所述的SD卡讀寫模塊是直接根據(jù)avr單片機的指令對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。

目前，市場上單片機的種類、功能多種多樣。本文根據(jù)監(jiān)測裝置采集發(fā)射的需求，本著方便實用、易于購買、高性價比的原則，結(jié)合作者對單片機知識和使用經(jīng)驗的積累，嵌入式測量裝置主控制器使用了 ATMEL公司的ATmega16L系列的單片機。ATmega16L單片機是美國ADI公司推出的基于AVR內(nèi)核的低成本、性能好、性價比高的機型，廣泛應(yīng)用于目前的嵌入式系統(tǒng)中。作為這個設(shè)計的電路方案，少了很多外圍電路，這是由于ATmega16L芯片內(nèi)集成了計算機的基本功能部件，芯片本身就是一個完整的最小微機系統(tǒng)，能完成本文要求的各項功能。單片機控制A/D轉(zhuǎn)換器對蓄電池電壓和鋼絲繩張力進(jìn)行采集與轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的信號進(jìn)行數(shù)字處理、編碼和存儲。在進(jìn)行硬件設(shè)計時，如何選擇單片機芯片來開發(fā)本監(jiān)測裝置非常重要，它決定了其外圍電路的設(shè)計和相關(guān)軟件的設(shè)計。

1.3嵌入式測量裝置信號處理電路

嵌入式測量裝置信號中的受力信號調(diào)理電路為4路，直接由信號調(diào)理模塊放大處理后，經(jīng)由信號（A/D）轉(zhuǎn)換模塊直接接入avr單片機，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲操作。這是本采集系統(tǒng)的重要部分之一。模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的型號為TLC2543IDW，TLC2543是12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它工作電壓范圍廣可達(dá)到4～20V，線性度好，最大非線性失真小于0.01%，分辨率可達(dá)到 12位，滿刻度輸出從 1Hz到100kHz，且外接電路簡單，因此在儀器儀表中有較為廣泛的應(yīng)用。數(shù)據(jù)信號從TLC2543IDW輸出的頻率接入到高速光耦6N137中控制發(fā)光二極管的導(dǎo)通，而副邊接入到單片機的T0端子進(jìn)行計數(shù)，從而實現(xiàn)單片機監(jiān)測中心與前端電路的隔離，增強抗干擾性，單片機通過測得輸入到T0端子的頻率就能知道單體電池的電壓。

2結(jié)語

基于支持FAT文件系統(tǒng)的嵌入式測試方案，充分利用嵌入式系統(tǒng)的高精度、高性價比的特點，結(jié)合相應(yīng)的信號A/D轉(zhuǎn)換芯片及電源調(diào)理電路，完成數(shù)據(jù)的采集和存儲，保證在不需要外接導(dǎo)線的條件下，采集到旋轉(zhuǎn)機械工作過程中的受力和振動信號直接存儲，既節(jié)省了材料，又能夠保證足夠大的采樣頻率，減少信號的損失以及干擾信號的影響，同時提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性，且具有智能化、結(jié)構(gòu)緊湊、適用范圍廣、工作可靠等優(yōu)點，克服了傳統(tǒng)裝置非智能化、應(yīng)用現(xiàn)場不便于調(diào)節(jié)、不便于與上位機通信等缺點。

［1］趙耀軍.煤炭三向截割力傳感器特性研究 ［J］.煤炭學(xué)報，2000，（3）：316-320.

［2］李曉豁.煤巖截割綜合試驗系統(tǒng)的研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，1998，（6）：21-23.

［3］劉送永，杜長龍，崔新霞.采煤機滾筒截齒排列的試驗研究［J］.中南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，（5）：1281-1287.

［4］田澤.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)，2005.

［5］曹恒.基于MSP430的高精度智能變送器研究與設(shè)計 ［J］.振動、測試與診斷，2006，（26）：29-32.

［6］劉忠鵬，張海艷.智能變送器的供電和阻抗匹配探討［J］.自動化儀表，2009，（30）：76-78.

［7］喬愛民，張煒.基于ARM及溫度補償?shù)闹悄茏兯推髟O(shè)計［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2011，（9）：88-96.

Study on the Design of Embedded Measuring Device for Cutting Coal and Rock in Coal Mining Machine

LUO Xingchen，DONG Xuanxuan
（Jiangsu China Mining Equipment Co.Ltd.，Xuzhou 221116）

In order to obtain the influence factors of the cutting performance of the roller during the cutting process of the coal mining machine，the embedded test device which supports the FAT file system is put forward to measure the cutting process parameters.The embedded measurement device needs no outer conductors，which collected in the work process of coal rock cutting by force，and the vibration signal can be stored directly，with complete data collection and storage，and computer data analysis provide a reliable guarantee，reduce loss of signal and interference signal is less affected.

embedded measurement device，coal and rock cutting，shearer drum，F(xiàn)AT file system