基于無(wú)線帶式輸送機(jī)溫度檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

范 文

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 030600）

由于帶式輸送機(jī)的連續(xù)性好，運(yùn)輸能力強(qiáng)大，在礦井生產(chǎn)中承擔(dān)著煤炭運(yùn)輸任務(wù)。根據(jù)煤礦安全生產(chǎn)相關(guān)規(guī)定，帶式輸送機(jī)必須具備八大保護(hù)來(lái)判別和預(yù)防故障的功能，同時(shí)還要有相關(guān)的故障處理措施。帶式輸送機(jī)的運(yùn)行是通過(guò)滾筒和膠帶之間的相互摩擦提供動(dòng)力的，摩擦?xí)?dǎo)致溫度的升高，如果溫度持續(xù)升高就會(huì)有發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)，所以對(duì)帶式輸送機(jī)滾筒溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)是很有必要的。

目前工業(yè)上對(duì)溫度的檢測(cè)方法主要有兩種，分別是接觸式檢測(cè)方法和非接觸式檢測(cè)方法。其中非接觸式檢測(cè)方法可以方便地放置安裝檢測(cè)設(shè)備，但是在精確度方面比較低，定位不夠準(zhǔn)確。接觸式溫度檢測(cè)裝置的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)和定位比較準(zhǔn)確，但是由于滾筒不斷運(yùn)動(dòng)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(cè)設(shè)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(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)。由于紅外線固有的特點(diǎn)導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果很容易受到環(huán)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(shí)溫度探頭長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后很容易堆積灰塵，導(dǎo)致檢測(cè)的精確度下降。文獻(xiàn)中提出了一種將接觸式傳感器和無(wú)線通訊結(jié)合的方法，能夠有效地避免布線的困擾，但由于設(shè)計(jì)不太合理導(dǎo)致體積偏大，實(shí)際應(yīng)用效果不太理想，同時(shí)在功耗方面優(yōu)化也不太合理導(dǎo)致頻繁地更換電池，非常不利于現(xiàn)場(chǎng)的維護(hù)。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(shù)據(jù)采集處理模塊集合一體的設(shè)計(jì)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(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，合理地避免了缺點(diǎn)[1]。

1 裝置工作原理

如圖1所示為本文設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)滾筒溫度檢測(cè)裝置。從圖中可以看出本裝置主要由兩部分組成，分別是數(shù)據(jù)檢測(cè)終端和數(shù)據(jù)接收終端。其中檢測(cè)終端主要安裝在滾筒內(nèi)側(cè)靠近膠帶的位置，由于金屬良好的熱傳導(dǎo)效應(yīng)，在內(nèi)側(cè)就能夠檢測(cè)到外側(cè)的溫度，同時(shí)將檢測(cè)到的溫度通過(guò)內(nèi)置的射頻芯片處理后以廣播的形式發(fā)送出去，考慮到距離和傳輸速度以及信號(hào)強(qiáng)度等各方面的因素，本系統(tǒng)將通訊頻率定為420MHz。信號(hào)的接收端固定在離滾筒較近的機(jī)架上，內(nèi)部有射頻信號(hào)接收裝置，將廣播的信號(hào)接收下來(lái)，并通過(guò)內(nèi)部的信號(hào)處理芯片將信號(hào)大包為現(xiàn)場(chǎng)總線格式的信號(hào)，并將其傳輸?shù)娇刂破骰蛐盘?hào)中繼站，從而完成整個(gè)系統(tǒng)流程。

圖1 溫度檢測(cè)裝置工作原理圖

2 檢測(cè)裝置硬件設(shè)計(jì)

2.1 檢測(cè)終端硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的溫度射頻集成芯片是由英飛凌公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的高集成度、多功能工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)芯片，型號(hào)為SP370。該芯片內(nèi)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(dòng)晶振，供給電源和信號(hào)發(fā)射用的天線就可以正常工作。

由于帶式輸送機(jī)工作時(shí)間比較長(zhǎng)，所以本系統(tǒng)選用鋰電池容量為600mA/h的18650電池為系統(tǒng)供電。為了信號(hào)能夠更好地廣播出去，本系統(tǒng)選用射頻天線型號(hào)為AN1603的貼片型天線，既能夠縮小體積，又具有很高的信號(hào)強(qiáng)度。

2.2 接收終端硬件設(shè)計(jì)

如圖2所示為本裝置信號(hào)接收終端結(jié)構(gòu)圖。接收裝置主要由三部分組成，分別是CPU、CAN收發(fā)芯片、射頻接收芯片。其中CPU使用的是NXP公司生產(chǎn)的ARM系列芯片，型號(hào)為L(zhǎng)PC11C04，射頻接收芯片為英飛凌公司設(shè)計(jì)的芯片，型號(hào)為T(mén)DA5235。CAN接收芯片型號(hào)為PCA82C250。當(dāng)射頻芯片接收到信號(hào)后利用SPI總線將信號(hào)傳輸?shù)紺PU，CPU將信號(hào)處理后通過(guò)CAN接收器轉(zhuǎn)化為CAN總線信號(hào)發(fā)送到CAN總線上。

3 檢測(cè)裝置軟件設(shè)計(jì)

3.1 檢測(cè)終端軟件設(shè)計(jì)

如圖3所示為檢測(cè)終端的軟件流程圖。裝置通電后首先進(jìn)行的是射頻發(fā)射裝置的初始化，主要是配置相關(guān)的參數(shù)，本射頻芯片的發(fā)射參數(shù)包括以下幾項(xiàng)，分別是工作、調(diào)試模式以及數(shù)據(jù)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(jìn)行溫度檢測(cè)，其中無(wú)線芯片內(nèi)部提供了API函數(shù)接口，能夠通過(guò)相應(yīng)的接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)溫度的檢測(cè)和數(shù)據(jù)的發(fā)送等操作。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送后是系統(tǒng)進(jìn)入到休眠模式，這樣能夠最大限度地節(jié)能。當(dāng)內(nèi)部定時(shí)器時(shí)間到時(shí)再次喚醒系統(tǒng)進(jìn)行溫度檢測(cè)，依次循環(huán)。其中內(nèi)部定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間可以通過(guò)API函數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)[2]。

圖2 接收終端硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3 檢測(cè)終端軟件運(yùn)行流程

3.2 接收終端軟件設(shè)計(jì)

如圖4所示為接收終端的軟件流程圖。系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行晶振即系統(tǒng)時(shí)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(shù)配置。

其中CAN總線配置涉及到數(shù)據(jù)格式、波特率以及位時(shí)序等。SPI總線的參數(shù)包括工作模式、數(shù)據(jù)模式及大小等。初始化完畢后配置CPU的看門(mén)狗復(fù)位功能，這項(xiàng)功能能夠有效地避免方式程序卡死等現(xiàn)象的發(fā)生。然后CPU通過(guò)SPI總線TDA5235讀取數(shù)據(jù)，其中數(shù)據(jù)的讀取間隙時(shí)間可以通過(guò)程序調(diào)節(jié)。CPU將數(shù)據(jù)進(jìn)行一定程度的處理，將處理后的信息通過(guò)CAN收發(fā)器發(fā)送到CAN總線上。每隔30s循環(huán)一次數(shù)據(jù)讀取功能[3-4]。

圖4 接收終端軟件流程

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

表1 溫度測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證無(wú)線溫度傳感器的檢測(cè)精度，在實(shí)驗(yàn)室條件下設(shè)計(jì)了一個(gè)溫度對(duì)比試驗(yàn)，使用紅外溫度檢測(cè)裝置和無(wú)線傳感器放置于同一溫度條件下，通過(guò)讀取兩個(gè)器件的溫度值來(lái)比較精度。具體的檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

通過(guò)對(duì)比兩組結(jié)果，根據(jù)紅外溫度檢測(cè)裝置的誤差得出無(wú)線傳感器的誤差在可接受范圍內(nèi)，符合工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)滾筒溫度檢測(cè)裝置通過(guò)礦井下實(shí)際試驗(yàn)后驗(yàn)證了其功能的完整性和工作的穩(wěn)定性。在連續(xù)使用情況下發(fā)送裝置能夠持續(xù)工作半個(gè)月，通過(guò)后期的節(jié)能優(yōu)化還能夠進(jìn)一步提升使用時(shí)間。該設(shè)備完全具備井下使用條件，為礦井下同類(lèi)型設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)。