礦用電機車乘車安全距離監(jiān)測與自動閉鎖防護裝置

張 偉

(潞安化工集團 王莊煤礦,山西 長治 046031)

窄軌電機車是煤礦井下運送人員的主要運輸設(shè)備。在煤礦生產(chǎn)過程中,礦工因趕時間、搶座位而引起的扒車、跳車、車未停穩(wěn)上下車或從危險地點上下車等嚴(yán)重違章行為引發(fā)的運輸安全事故時有發(fā)生,嚴(yán)重威脅著職工的人身安全?；诖?設(shè)計了一種電機車乘車安全距離檢測和自動閉鎖防護裝置。本裝置安全可靠、針對性強,可徹底解決上述問題,具有較大的推廣意義。

1 項目設(shè)計

1) 本裝置由電磁鎖、速度檢測、超聲波測距、單片機控制、遙控等相關(guān)電路組成。

2) 首先采用加速度傳感器檢測車輛是否靜止和超聲波檢測與車廂門口障礙物的實際距離。并通過對這些條件的檢測,來判斷電機車是否滿足人員上下車的基本要求。

3) 當(dāng)車輛處于靜止?fàn)顟B(tài),且與車門平行的障礙物(一般為巷道幫、其他車輛)超過允許乘車距離時(設(shè)計乘車距離為1 m),單片機才會在乘車人員按下開鎖按鍵后打開電磁鎖。電磁鎖打開后,乘車人員才可隨手摘下防護鏈或打開車門進行上下車。

4) 若檢測車輛未在靜止?fàn)顟B(tài)或?qū)嶋H乘車距離小于允許乘車距離時,單片機將始終閉鎖電磁鎖,使防護鏈或車門不能打開,從而保證乘車人員的安全。

5) 為保證測距裝置的檢測范圍,每個車門應(yīng)至少安設(shè)兩個以上超聲波測距探頭,用以多方位檢測乘車距離,確保乘車安全。

6) 本裝置還具有遙控功能,在乘車人員高峰期時,電機車司機或跟車工能夠使用無線發(fā)射模塊遙控打開電磁鎖,使礦工的乘車時間盡可能縮短。無線收發(fā)模塊分左右兩路,車廂左右各一路。在遙控打開左右兩側(cè)任意一路的電磁鎖后,該路所有的檢測功能(車輛運動檢測和乘車距離檢測)將被暫時關(guān)閉。數(shù)秒后恢復(fù)檢測功能。

7) 本裝置用兩種顏色高亮度LED作為相應(yīng)指示燈,用于顯示本裝置的實時狀態(tài)。

2 技術(shù)方案

1) 本裝置由于功耗小,故采用兩節(jié)9 V層疊干電池串聯(lián)后作為本裝置電源。也可采用電機車照明電源DC12 V/24 V做為本裝置電源。使用電機車照明電源時,各節(jié)車廂之間的連接應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)礦用橡套電纜,并配合礦用防爆插銷或礦用接線盒使用。

為使本裝置穩(wěn)定可靠工作,設(shè)計專用的穩(wěn)壓電路,如圖1所示。

圖1 智能防護鏈專用穩(wěn)壓電路原理

本裝置穩(wěn)壓電源設(shè)計為DC12 V～50 V寬電壓輸入,可保證在電壓波動較大的情況下穩(wěn)定工作。其中R17為壓敏電阻,其壓敏電壓值為82 V,當(dāng)系統(tǒng)電壓超過82 V時可有效進行保護,D3為保護二極管,其作用是防止電源反接,E4、C4、C5為濾波電容。D2、Q6、Q5、Q4組成18 V穩(wěn)壓電路。當(dāng)電源電壓大于18 V時,穩(wěn)壓管D2導(dǎo)通,D2導(dǎo)通使得Q6導(dǎo)通,Q6又導(dǎo)致Q5導(dǎo)通,從而引起Q4進入放大工作狀態(tài),多余的壓降降到Q4上。使得進入系統(tǒng)的電壓始終不超過18 V.

LM576為開關(guān)電源,其輸入電壓5 V,效率較高,D8為開關(guān)電源的續(xù)流二極管,L1是開關(guān)電源所必需的電感,E5、C6、C7為濾波電容,用于進一步濾除LM576的高頻雜波。ASM1117為三端穩(wěn)壓芯片,輸出電壓為3.3 V,主要為ADXL345加速度傳感芯片和LED指示燈提供電源。

2) 超聲波測距電路原理設(shè)計:本設(shè)計采用STC89C52RC單片機,超聲波的實現(xiàn)主要采用12 MHz的晶振,用以獲得較為穩(wěn)定的時間頻率。STC89C52RC用P3.6端口輸出40 kHz的超聲波方波信號,而接收P3.6端口輸出的返回信號則是利用中斷口來實現(xiàn)的。如圖2所示。

圖2 超聲波測距電路設(shè)計原理圖

超聲波傳發(fā)射電路由74LS04反向器和超聲波換能器D14構(gòu)成,換能器的作用是將反向器的輸出電功率轉(zhuǎn)換為機械功率(超聲波)發(fā)射出去。圖中可以看出:P3.6端口輸出的40 kHz方波信號經(jīng)反向器U5A、U5B、U5E送到超聲波換能器其中的一個電極,另一路經(jīng)二級反向器U5C、U5D送至超聲波換能器的另一個電極,這種設(shè)計有助于提高換能器的發(fā)射強度。

超聲波接收部分電路采用集成電路CX20106A,該芯片的共振接收頻率為38 kHz常用于家用電器紅外遙控器接收器,由于其共振接受頻率和換能器輸出頻率較為接近,故利用它作為超聲波接受電路。實踐表明:CX20106A芯片用于40 kHz超聲波的接收檢測電路,不但靈敏度較高,且干擾能力很強,幾乎不存在誤動作?？紤]到井下環(huán)境的特殊性,還專門設(shè)計了從CX20106A腳2輸入的由C39和R40組成的負反饋串聯(lián)電路,用于控制CX20106A內(nèi)部的放大增益。U16為超聲波接收頭,當(dāng)收到超聲波時,會在CX20106集成電路的7腳上產(chǎn)生一個下降沿,該腳接到STC89C52RC的外部中斷0上,即單片機P3.2.STC89C52RC在接收到外部中斷0的中斷請求后,會轉(zhuǎn)入外部中斷0的中斷服務(wù)程序進行距離計算和處理。

以下是CX20106A的引腳注釋:

1腳:超聲信號輸入端。

2腳:該腳與地之間組成RC串聯(lián)負反饋。

3腳:該腳與地之間連接為檢波電容,推薦參數(shù)為1 μF.

4腳:接地端。

5腳:該腳與電源間接入一個電阻,用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0,推薦阻值220 kΩ.

6腳:該腳與地之間接一個積分電容,該電容取值不宜過大,否則會使檢測距離縮短,推薦參數(shù)330 pF.

7腳:遙控指令輸出端。

8腳:DC正極,4.5～5 V.

超聲波測距工作過程及原理:

首先用STC89C52RC產(chǎn)生40 kHz的超聲波發(fā)射頻率,然后采用74LS04反向器組成的推挽輸出放大電路驅(qū)動超聲波發(fā)射頭,最后采用CX20106A集成電路對超聲波進行接收。當(dāng)前方有物體時,超聲波接收頭接收到物體反射的超聲波信號后,CX20106A會輸出一個低電平,STC89C52RC通過檢測發(fā)出超聲波與接收到超聲波信號的時間差,通過S=V×t計算出實際距離,當(dāng)前方物體距離機車超過安全乘車距離時(設(shè)計為1 m),則成為滿足開啟防護鏈或車廂的必備條件之一。

電機車運動檢測電路原理設(shè)計,如圖3所示。

圖3 電機車運動檢測電路設(shè)計原理

ADXL345是一款技術(shù)相當(dāng)成熟的3軸加速度檢測芯片,可選擇的檢測范圍有±2 g、±4 g、±8 g等多種規(guī)格。它既能檢測靜止加速度,還能檢測動態(tài)加速度。

ADXL345在本裝置中的作用及應(yīng)用,在機車停止時,ADXL345的X軸的加速度幾乎為0或很小,單片機通過讀取ADXL345中X軸加速度的數(shù)據(jù),可以對電機車的工作狀態(tài)進行判斷。若電機車為運動狀態(tài),單片機將始終對電磁鎖進行閉鎖,從而使防護鏈或車門不能打開;當(dāng)電機車為靜止?fàn)顟B(tài),且乘車距離滿足規(guī)定距離時,單片機將在乘車人員按下開鎖按鈕后發(fā)出指令,打開電磁鎖。電磁鎖打開后,乘車人員才可隨手摘下防護鏈或打開車門進行上下車。

以下是3軸加速度檢測芯片ADXL345的引腳注釋:

1腳:數(shù)字接口電源。

2腳:該腳必須連同4腳、5腳、10腳一起接地。

3腳:保留,但必須保持斷開或與6腳VS連接。

7腳:片選,低電平。

8腳:中斷輸出1.

9腳:中斷輸出2.

11腳:內(nèi)部無連接。

12腳:串行數(shù)據(jù)輸出(SPI4線)。

13腳:串行數(shù)據(jù)輸入(SPI4線)。

14腳:串行通信時鐘。

2.1 無線收發(fā)模塊工作原理設(shè)計

無線發(fā)射模塊采用市面上性能較好的2262無線發(fā)射模塊(現(xiàn)有產(chǎn)品)。該模塊的調(diào)制方式為調(diào)幅;工作電壓DC12 V(23 A/12 V電池1粒);工作電流10 mA;傳輸距離空闊地在120 m～150 m之間。

與發(fā)射模塊配套的接收模塊為5 V高頻超再生四路解碼接收模塊。該模塊的工作電壓為DC5 V;靜態(tài)電流4.5 mA;工作方式有三種:M4(點動:按住不松手就輸出,松手停止輸出)、L4(互鎖:四路同時只有一路輸出)、T4(自鎖:四路相互獨立輸出、互不影響,按一下輸出,再按一下停止輸出)。根據(jù)智能防護鏈的需要,我們設(shè)計為互鎖工作方式(多路同時只有一路輸出),確保乘車人員只能從一側(cè)下車。為區(qū)分電機車左右兩側(cè)門的控制,可將左右兩側(cè)的接收處理分別按A、B兩鍵設(shè)置(C、D兩鍵做備用)。如圖4、圖5和圖6所示。

圖5 接受模塊接線示意

圖6 執(zhí)行繼電器控制原理

表1為無線接受模塊電路腳位的使用說明。

表1 無線接受模塊電路腳位的使用說明

無線遙控工作過程:遙控機車防護鏈時,電磁鎖將在打開并持續(xù)30 s(時間可調(diào))后自動關(guān)閉。如:當(dāng)電機車司機需要開啟機車防護鏈時,按下無線遙控A按鍵,無線接收模塊將在接收到該鍵的鍵碼后,立即在數(shù)據(jù)輸出口D0產(chǎn)生一個低電平,當(dāng)單片機P2.4端口檢測到低電平時,迅速在端口P04輸出高電平,使得執(zhí)行繼電器吸合,執(zhí)行繼電器吸合后將導(dǎo)致電磁鎖吸合,電磁鎖吸合后,將失去對防護鏈或車廂門的閉鎖控制功能。經(jīng)過一定時間延時,單片機在端口P04輸出低電平,使執(zhí)行繼電器斷開電磁鎖回路,此時,電磁鎖鎖舌將在舌簧作用下彈出,恢復(fù)其特有的閉鎖控制功能。

2.2 LED指示燈點亮工作原理

本裝置設(shè)計有紅色和綠色兩種LED指示燈,當(dāng)實際乘車距離小于規(guī)定乘車距離或車輛還在運動狀態(tài)時,單片機P1.5管腳輸出低電平,三極管2N5401導(dǎo)通,使紅色LED燈點亮;反之,機車在靜止?fàn)顟B(tài)下,下車距離大于規(guī)定距離時,單片機輸出高電平,三極管2N5401截止,紅色LED熄滅。

綠色LED指示燈則表示電磁鎖的工作狀態(tài),當(dāng)電磁鎖釋放(閉鎖)時,單片機P1.6管腳輸出低電平,三極管2N5401導(dǎo)通,使綠色LED點亮。反之,當(dāng)電磁鎖吸合(解除閉鎖)時,單片機P1.6管腳輸出高電平,三極管2N5401截止,綠色LED熄滅。

3 實施效果

本裝置的人性化設(shè)計,不但有效杜絕了因礦工扒車、跳車、車未停穩(wěn)上下車或從險隘地點上下車等違章乘車行為引發(fā)的運輸安全事故,而且避免了乘車高峰期出現(xiàn)的人員擁擠。根據(jù)應(yīng)用后可知:該裝置靈敏度極高,且性能穩(wěn)定,故障率低,為礦井創(chuàng)造了很高的安全效益,值得在全煤行業(yè)推廣。

4 結(jié) 語

礦用乘人電機車上下人員乘車距離檢測與智能閉鎖防護裝置自投運以來,除了定期更換電池外,未曾發(fā)生故障,更未出現(xiàn)拒動和誤動,說明該裝置設(shè)計是合理可行的,該裝置的成功應(yīng)用,填補了我國礦井運輸領(lǐng)域的技術(shù)空白,具有很好的推廣前景和良好的社會效益。