礦用液壓支柱電路設(shè)計方法研究

1、礦用液壓支柱電路設(shè)計方法研究 摘要：綜合工作面是礦井生產(chǎn)的核心場所，液壓支架在綜合采礦工作面起著重要的支護(hù)作用。為科學(xué)管理礦井煤礦生產(chǎn)安全、減少頂板事故，采煤現(xiàn)場需對綜合工作面液壓支架的支護(hù)狀況進(jìn)行監(jiān)測。目前有很多礦用液壓支柱無線監(jiān)測方法，文章僅探討一種相對較高精度硬件電路設(shè)計方法。文章所研究的監(jiān)測系統(tǒng)以液壓支架壓力作為監(jiān)測對象，由終端采集節(jié)點和路由節(jié)點兩部分組成。終端采集節(jié)點安裝在每個液壓支架上，用來監(jiān)測支架壓力，路由節(jié)點負(fù)責(zé)將收到的數(shù)據(jù)通過多跳的方式傳給上位機(jī)。對節(jié)點間的通信及終端節(jié)點的監(jiān)測可靠性和功耗進(jìn)行了測試，表明本系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定、體積小、成本低、測量精度高等特點?？煽康谋O(jiān)測降低了開

2、采面事故發(fā)生，提高了人身設(shè)備安全，降低功耗提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和使用壽命。 關(guān)鍵詞：液壓支架；監(jiān)測；電路設(shè)計 1液壓支架監(jiān)測系統(tǒng)模型的建立 1.1無線通信技術(shù) 液壓支架工作環(huán)境比較復(fù)雜，通信頻率、巷道的傾斜程度和井下的導(dǎo)體等多種因素都會影響無線通信信號。因此在設(shè)計礦井液壓支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)時必須要考慮到井下的特殊環(huán)境，考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｍㄟ^對目前市場上常用的無線通信技術(shù)比較，本文將ZigBee短距離無線通信技術(shù)應(yīng)用于礦井環(huán)境監(jiān)測中。ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離、低速率的雙向無線通信技術(shù)，有自己的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可以在很多傳感器間進(jìn)行通信，具有很強的自適應(yīng)性，主要應(yīng)用于自動控制領(lǐng)域，同時可以

3、實現(xiàn)系統(tǒng)定位，具有低功耗、近距離、短延遲、低速率、低成本、網(wǎng)絡(luò)容量大、高安全性、工作頻段靈活的特點。 1.2液壓支架監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)模型 液壓支架會隨著煤礦開采工作的推進(jìn)而移動，但移動的距離很短。液壓支架的排列呈直線型，針對液壓支架的這種物理排布情況，節(jié)點的分布也應(yīng)是帶狀的。采用星形與網(wǎng)狀的混合網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點與協(xié)調(diào)器組成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡潔、節(jié)點功耗減少，每個星形網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通信采用單跳通信，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的路由節(jié)點采用多跳通信。在實際工作環(huán)境中，每個液壓支架上放置一個采集節(jié)點，每隔3個液壓支架放置一個路由節(jié)點。在礦井實際環(huán)境中，液壓支架的排列呈直線型，節(jié)點的分布是帶狀的，整體網(wǎng)絡(luò)組成簇型線狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

4、結(jié)構(gòu)。 2電路詳細(xì)設(shè)計方案 監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案分為2部分，一是終端采集節(jié)點，二是路由節(jié)點。終端采集節(jié)點包括電源管理模塊、傳感器、信號調(diào)理電路。終端節(jié)點采用定時喚醒模式，降低功耗，提高監(jiān)測系統(tǒng)的使用壽命。終端采集節(jié)點與路由節(jié)點通過線纜連接。每個路由節(jié)點最大可以連接3個傳感器節(jié)點，即相鄰的三個液壓支架需要采用同一個路由節(jié)點。每個路由節(jié)點配備一個5V的電池供路由節(jié)點與傳感器節(jié)點使用。路由節(jié)點將從終端節(jié)點獲得的模擬信號經(jīng)過ADC芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并通過ZigBee射頻口傳送給井下匯聚節(jié)點。路由節(jié)點也帶有顯示功能與按鍵，可以任何時候被喚醒查看3個終端節(jié)點的壓力數(shù)值。終端采集節(jié)點的作用如下：將壓力傳

5、感器轉(zhuǎn)換的微弱模擬信號進(jìn)行放大并通過線纜傳輸給路由節(jié)點；每個終端采集節(jié)點帶有一片數(shù)據(jù)記錄芯片，對由于傳感器及放大電路帶來的誤差進(jìn)行偏差校準(zhǔn)。路由節(jié)點的作用主要如下：每個路由節(jié)點需要有一個5V電池供電路板使用；每個路由節(jié)點可以連接3個終端采集節(jié)點，對終端采集節(jié)點的模擬信號進(jìn)行處理并通過RF模塊傳送給井下匯聚節(jié)點；路由節(jié)點帶有簡單的顯示模塊，便于工人就近查看支架壓力；路由節(jié)點需要有相應(yīng)的按鍵，以便在屏幕關(guān)閉情況下喚醒屏幕；路由節(jié)點電路板能對每個功能模塊進(jìn)行電源管理，便于降低整個系統(tǒng)功耗；路由節(jié)點單片機(jī)必須采用低功耗單片機(jī)；路由節(jié)點的電壓輸入需要適應(yīng)較寬的電壓范圍。終端節(jié)點電路板設(shè)計能使用目前市場上

6、絕大部分的壓力傳感器，且內(nèi)部帶有數(shù)字校準(zhǔn)芯片，可以對每一套終端節(jié)點由于分離元器件帶來的偏差進(jìn)行校準(zhǔn)。煤礦中的電磁干擾較大，為了調(diào)高測量精度，此方案設(shè)計必須把壓力傳感器與信號放大電路就近放置。且此方法可以把由傳感器與放大校準(zhǔn)電路組成的模塊變?yōu)橐粋€液壓監(jiān)測的一個標(biāo)準(zhǔn)化變送器。 2.1放大電路部分設(shè)計 為了能更好的調(diào)配放大電路的帶寬、放大倍率，放大器沒有選擇專用的儀表放大器而選擇了四個獨立的高性能放大器TI公司的OP4376，相對于普通的儀表放大器一般偏置電流在幾十pA以上，輸入偏置電壓在幾十微伏級別，OP4376有較低的輸入偏置電流典型值0.2pA與輸入偏置電壓典型值5uV，可以對uV級的信號變動

7、進(jìn)行采集。且此運放的價格TI官網(wǎng)公布為1.4$，并不貴。經(jīng)過實測此電路設(shè)計的輸入采樣精度能達(dá)到5uV。2.2電源部分設(shè)計電源芯片采用的是MCP1252，為目前市場上用量較大的一款電源芯片，輸入電壓范圍相對較寬，且屬于無感式開關(guān)電源芯片，可以縮小終端節(jié)點的體積。效率相對也比較高。而且?guī)в须娫垂芾砜刂埔_，可以對終端節(jié)點的功耗進(jìn)行有效管理進(jìn)而降低整個系統(tǒng)的功耗。 2.3校準(zhǔn)電路設(shè)計 本文建議校準(zhǔn)芯片采用一線制的數(shù)字EEPROM芯片，具體型號不再指導(dǎo)。2.4路由節(jié)點電路設(shè)計：2.4.1電源模塊設(shè)計整個系統(tǒng)輸入電源由電池供電，電壓比較穩(wěn)定，考慮到電池在滿電與低電壓兩種情況下壓差較大，本文采用了寬范圍的

8、輸入電源芯片TPS63060（輸入電壓范圍2.5-12V），此電壓范圍能使用大量的本安電源。且此電源芯片的電流高達(dá)2.25A足夠整個系統(tǒng)使用，即使是輸入的電壓降到2.5V級別。本設(shè)計還采用了3個mos開關(guān)管對系統(tǒng)的不同終端節(jié)點的電源進(jìn)行管理，在電源功率方面采用了信號控制與電源切斷雙重保護(hù)的方式來降低功耗。2.4.2接口電路接口電路中有3個連接終端節(jié)點接插件，包括插頭輸入檢測（插頭第6引腳與第5引腳通過在外圍插頭上短路，進(jìn)行判斷終端節(jié)點的接通），對輸入信號做了RC濾波與SMBD7000鉗位保護(hù)處理。在與ZigBee模塊通信上采用了串口通信，此處不再做介紹。整個系統(tǒng)的單片機(jī)采用TI公司的MSP430低功耗系列。此芯片有8路12位ADC輸入引腳?？梢岳么艘_直接對終端節(jié)點傳來的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。為了現(xiàn)場方便查看設(shè)置了兩個按鍵開關(guān)（KEY1KEY2）與6位8段數(shù)碼管，可以通過軟件編寫實現(xiàn)現(xiàn)場的液壓支柱壓力檢測、電池電壓檢測、RF通信連接等功能。整個電路在設(shè)計中嚴(yán)格按照礦用本安電路設(shè)計，屬于本安型電路，若再配本安型電池為系統(tǒng)供電后，本系統(tǒng)就可以變?yōu)楸景残偷V用液壓支柱監(jiān)測系統(tǒng)。此系統(tǒng)電路經(jīng)過實際測試正常情況下整個系統(tǒng)功耗在mW級別，且經(jīng)過15個月的測試未發(fā)現(xiàn)任何不良現(xiàn)象，完全能夠使用到實際現(xiàn)場。 參考文獻(xiàn) 1金純.ZigB