礦山巷道斷面自動監(jiān)測硬件方案設(shè)計

朱少群

（安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

我國是全球產(chǎn)出和消費煤數(shù)量最多的國家，在我國能源結(jié)構(gòu)下煤礦為主要能源的方式在50年內(nèi)基本都不會變動。但長期以來生產(chǎn)過程中的安全隱患大大阻礙了煤炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。煤礦工業(yè)的發(fā)展過程對我國經(jīng)濟支撐起著巨大的促進作用，不管是在人們的平常生活中還是在產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過程中，煤都是不能缺少的供能物質(zhì)。伴隨時代的進步，煤礦產(chǎn)業(yè)開始朝著自動智能化的道路邁進，建設(shè)智慧型礦山已成為煤礦開采的一個趨勢。同時煤炭向深部開采更易引起地表塌陷、巷道冒頂脫落等風(fēng)險事故的發(fā)生，給安全生產(chǎn)帶來極大的隱患。在智能化礦山建設(shè)持續(xù)推進的背景下，開展對巷道的自動監(jiān)測的精確化研究對深部開采支護及巷道事故的預(yù)防有著重大意義。

目前對巷道斷面進行的監(jiān)測主要是通過巷道圍巖位移的變化量及支護體受力情況兩種方法，這兩種方法分別是對巷道變化率及穩(wěn)定性程度的一種評判。王運森等人針對巷道變形提出了一種監(jiān)測巷道斷面位移的實施方案，通過對巷道表面研究構(gòu)建物理模型，然后利用激光測距得到測距的數(shù)據(jù)值，對數(shù)據(jù)值進行空間插值數(shù)學(xué)運算使采樣的數(shù)據(jù)更豐富，最后實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化量在上位機上的動態(tài)顯示。朱文杰等人對巷道斷面變形開展了有效監(jiān)測的研究，在礦井下充分利用了激光測量的原理對巷道斷面變形進行了數(shù)據(jù)測量，數(shù)據(jù)通過計算機來進行初步運算處理，得到巷道變形的收斂性，并對巷道的穩(wěn)定性做了一個大致評價。楊曉慶團隊針對深部巷道頂板安全問題，開發(fā)制造了一種包含圍巖變形、支護體受力及頂板離層的安全監(jiān)測系統(tǒng)，并把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳到地面，實現(xiàn)了在地面上的監(jiān)測。

在以上對巷道變形的研究中，這些方法在數(shù)據(jù)采集及處理速度上較為復(fù)雜且精確性有待提高；同時在監(jiān)測方面對巷道斷面布置比較單一，選取的測量點個數(shù)有限，無法實現(xiàn)多斷面多測點的實時監(jiān)測及數(shù)據(jù)傳輸組網(wǎng)等一些問題。針對以上問題，本文提出了一種基于激光測距原理和STM32單片機的礦山巷道斷面自動監(jiān)測硬件方案設(shè)計，該監(jiān)測可實現(xiàn)巷道斷面監(jiān)測功能，可進行多斷面測點布置來得到巷道斷面的測距值，進行CAN組網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間傳輸。

1 巷道斷面自動監(jiān)測總原理

基于激光測距的原理，通過32單片機來控制脈沖的數(shù)目和頻率帶動步進電動的轉(zhuǎn)動，每給一個脈沖步進電機就會轉(zhuǎn)動一次，其步進角帶動激光測距模塊實現(xiàn)一個轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動，在步進角帶動下實現(xiàn)激光測距模塊的180度旋轉(zhuǎn)，激光測距模塊掃描斷面同時得到測距數(shù)據(jù)值，最后通過CAN總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸。其巷道斷面自動監(jiān)測硬件方案設(shè)計主要分為電源輸入供電、電機及電機驅(qū)動、激光測距傳感器、CAN通信及故障報警五大模塊，其總原理圖如圖1所示。

圖1 巷道斷面自動監(jiān)測總原理圖

在原理圖中，電源輸入模塊起到為單片機供電的作用，通過電路輸入供電電壓3.3 V使芯片能夠在正常電壓下運行工作。激光測距傳感器是通過固定軸固定在電機M1的轉(zhuǎn)軸上，然后給電機驅(qū)動一個個的脈沖信號，電機在驅(qū)動信號下開始一步步的轉(zhuǎn)動并帶著激光測距傳感器旋轉(zhuǎn)一周，剛好能很好地完成對巷道整個斷面的完整掃描。其中測距傳感器通過串行RS485與芯片相接實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的讀寫傳輸。在得到數(shù)據(jù)后通過CAN總線可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集處理與傳輸通信，可在多測點布局下實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的組網(wǎng)及傳輸處理。在實際應(yīng)用中，由于大多數(shù)巷道并不是水平巷道，而是可能存在著一定的傾角。若電路板與巷道傾斜面不保持水平就會出現(xiàn)掃描面不規(guī)整、不精確的情況，故在設(shè)計中添加了電機M2與板子之間水平相固定。圖中M2就起著矯正水平板子的作用，通過電機旋轉(zhuǎn)較正電路板的傾角確保電機與巷道垂線保持水平，這樣掃描出來的才是一個完整精確的斷面形狀。當(dāng)發(fā)生故障時，圖中故障報警單元的蜂鳴器進行報警實現(xiàn)故障預(yù)警功能。串口屏負(fù)責(zé)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，并可實時地顯示出測距數(shù)值。

2 硬件選型

在硬件方案設(shè)計中，硬件的選擇非常重要，選擇最合適的硬件會取得更精確的結(jié)果。在該自動監(jiān)測設(shè)計中：選用了ARM系列的STM32F103RCT6單片機作為控制系統(tǒng)的芯片。其有著8個定時器、多個通信協(xié)議、1個SDIO接口、12個通道的DMA控制、1個12位DAC、3個12位ADC和51個通用輸入輸出口。該芯片功能強大、功耗低且價格合理故選用此作為主控CPU。

電機選用的是四相28BYJ-48步進電機，其原理是把一個個脈沖信號轉(zhuǎn)換為一步步角位移的過程。當(dāng)一個連續(xù)的控制脈沖輸入到步進電機時，它可以實現(xiàn)連續(xù)的轉(zhuǎn)動。每個脈沖信號改變一次步進電機一相或兩相繞組的通電狀態(tài)，并與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一定角度相對應(yīng)。需要電機驅(qū)動電路來驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，電機驅(qū)動的芯片選用ULN2003。ULN2003的每對達林頓均接了一個阻值為2.7 kΩ的基極電阻。在額定工作電壓下，它能夠同CMOS和TTL的電路直接相接。

除此之外，方案中對激光測距模塊的選擇尤為重要，關(guān)系到后期開發(fā)測距后數(shù)據(jù)的精確性。選用了TOF原理的激光測距模塊，其反應(yīng)快、精度較高，具體的測距原理如圖2所示。

圖2 巷道斷面激光測距示意圖

圖2以一個圓拱形巷道為例，在其一端設(shè)為斷面測點，激光測距傳感器發(fā)射端發(fā)射一個信號，等到接收端接收之后，根據(jù)中間時間差可得到測距的距離的值，其數(shù)學(xué)公式為：

其中式中代表光速，單位為m/s；代表Δ代表發(fā)射和接收之間的時間間隔，單位為s；代表測距的距離，單位為m。

最終根據(jù)不同巷道的長寬高綜合考慮，選取測距量程范圍為6～10 m時激光測距傳感器模塊為最佳，選取的測距范圍過大精度會降低且誤差也會較大。同時在此方案中屏幕選用的是智能串口屏，其接口簡單、功能豐富、可編程性強，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲傳輸與顯示等功能。

3 電路設(shè)計模塊

礦下的機電控制房輸出的直流電壓在12～36 V之間，而給控制芯片的供電電壓3.3 V，需要使用降壓穩(wěn)壓芯片進行直流降壓，從而達到相應(yīng)供電電壓。其電源供電模塊電路設(shè)計圖如圖3所示。

主控制CPU最小單元的電路圖如圖4所示。電源輸入通電后，DSO藍色和綠色指示燈分別亮起。PA9和PA10芯片的引腳為USART接口的串行通信，中間分別連接100 Ω電阻。EPROM存儲單元采用2位串行存儲芯片24C02，可存儲256字節(jié)的數(shù)據(jù)。其工作電壓范圍為1.8 V至6.0 V。它具有低功耗CMOS技術(shù)、自定時擦除周期和一百萬次編程/擦除周期。它可以在斷電的情況下保存程序和數(shù)據(jù)100年。

圖3 電源供電模塊電路

圖4 主控單元電路圖

電路設(shè)計中同時需要USB轉(zhuǎn)TTL電路可轉(zhuǎn)換為電平信號，其各外設(shè)模塊電路如圖5所示，圖中包含了下載程序接口電路、串口屏、測距傳感器及步進電機等電路圖。其中，下載程序口方便快捷且可選擇接口豐富，可通過MDK燒錄軟件使用SWD接口把程序燒錄進去。其中電路圖中增設(shè)了撥碼開關(guān)，其可以使程序?qū)崿F(xiàn)更加靈活化，一共可有16種不同的地址狀態(tài)，可按照不同產(chǎn)品要求設(shè)計不同的使用方式，可實現(xiàn)功能多樣化。

方案中最重要的是通信模塊和故障預(yù)警模塊，得到測距數(shù)據(jù)后可通過CAN通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸組網(wǎng)。圖6中CAN通信模塊用了兩塊芯片，其供電電壓為5 V，通過電源模塊給該電路供電，芯片的功耗低且收發(fā)數(shù)據(jù)信號強，CAN總線的傳輸距離遠，數(shù)據(jù)的傳輸更精準(zhǔn)。圖6上側(cè)為報警蜂鳴電路，可以起到報警的作用，蜂鳴器正極與電壓相連，負(fù)極與Q1三極管相連。三極管的主要功能是電流放大和開關(guān)。電流從發(fā)射極流入三極管。在電路中，三極管Q1為NPN型。NPN型由三個半導(dǎo)體組成，包括兩個N型半導(dǎo)體和一個P型半導(dǎo)體。P型在中間，兩個N型半導(dǎo)體在兩側(cè)。BEEP為蜂鳴器，其為感性元件，在Q1導(dǎo)通蜂鳴器通電時，就會有導(dǎo)通電流流過蜂鳴器。

圖5 各外設(shè)模塊電路設(shè)計圖

圖6 CAN通信及報警蜂鳴電路

圖6中R36和R37起限流作用，其中R36起下拉作用，可以提高三極管的關(guān)斷速度。在運行中，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)或飽和傳導(dǎo)狀態(tài)，即管的非線性應(yīng)用。電路中R36的電阻值為10 kΩ。如果R36的電阻值太大，可能會損壞三極管。如果R36電阻值剛好能使三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，則其電阻太小，會增加整個電路的損耗。

4 結(jié) 論

基于激光測距的原理，提出了一種以STM32F103RCT6芯片的巷道斷面自動監(jiān)測硬件環(huán)節(jié)設(shè)計的方案。硬件設(shè)計環(huán)節(jié)包括了電源供電模塊、電機及驅(qū)動模塊、激光測距模塊、通信模塊、故障報警模塊，其中增設(shè)較正電機可解決巷道傾角問題，使巷道斷面自動監(jiān)測更加精確。該方案實現(xiàn)起來較為簡單且生產(chǎn)成本較低，燒錄程序口方便且更靈活。在礦井各巷道布置及其他重要位置布置中有著很大的應(yīng)用價值。