楊 驍

（晉能集團大同有限公司， 山西 大同 037000）

引言

運輸系統(tǒng)是煤礦井下必不可少的構成部分，可以劃分成為有軌運輸和無軌運輸兩種，有軌運輸在實踐應用過程中受到很多限制，在很多場合無法滿足實際使用需要[1]。無軌運輸以其顯著的優(yōu)勢越來越受到煤礦行業(yè)的關注，在現(xiàn)代化大型煤礦中，防爆無軌膠輪車是非常重要的輔助運輸設備[2]。但由于煤礦井下工作環(huán)境比較特殊，對防爆無軌膠輪車運行的安全性提出了更加嚴格的要求[3-4]。由于我國對防爆無軌膠輪車在煤礦井下的應用研究相對較晚。導致防爆無軌膠輪車在安全方面存在一定隱患，嚴重威脅著煤礦井下的安全生產(chǎn)。因此為提升防爆無軌膠輪車運行安全性，設計研究了一套安全系統(tǒng)，可有效保障車輛的運行安全，避免出現(xiàn)各種安全事故[5-6]。

1 防爆無軌膠輪車安全系統(tǒng)總體設計

為保障防爆無軌膠輪車安全，需對其運行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進行實時檢測。要檢測的數(shù)據(jù)類型較多，不同數(shù)據(jù)類型格式存在差異。因此，需將不同格式的數(shù)據(jù)信息進行轉(zhuǎn)換，實施標準化處理，再輸入到控制系統(tǒng)中進行對比分析，進而實現(xiàn)防爆無軌膠輪車的安全控制。如圖1 所示為防爆無軌膠輪車安全系統(tǒng)總體框架圖。

1.1 數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換

數(shù)據(jù)采集是系統(tǒng)判斷防爆無軌膠輪車運行狀態(tài)的根本和前提。數(shù)據(jù)采集模塊的作用就是對防爆無軌膠輪車的運行狀態(tài)、井內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊刃畔⑦M行采集，需要采集數(shù)據(jù)信息具體見圖1?？梢钥闯?，需采集的數(shù)據(jù)信息種類非常多，對每種數(shù)據(jù)信號都需要采用對應的專業(yè)傳感器進行檢測收集。因此，最終得到的數(shù)據(jù)信息格式也存在差異。傳感器可以分成為模擬信號、數(shù)字信號傳感器兩類。由于控制器只能識別數(shù)字量信號。所以，模擬信號傳感器采集得到的數(shù)據(jù)信息需要通過A/D 轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號才能夠輸入到控制器中進行分析和處理。數(shù)字信號傳感器采集得到的就是數(shù)字信號，能夠直接輸入到控制器中進行處理，不需要對其進行格式轉(zhuǎn)換。

圖1 防爆無軌膠輪車安全系統(tǒng)總體框架圖

1.2 控制功能

控制器的功能就是對各個專業(yè)傳感器采集得到的信號數(shù)據(jù)進行分析處理。對每個需要檢測的數(shù)據(jù)信號，可根據(jù)煤礦井下具體情況，提前在控制器內(nèi)設置一個安全閾值。控制器將傳感器檢測收集的信號數(shù)據(jù)與系統(tǒng)設置的安全閾值進行比較分析。檢測信號如果在安全閾值范圍內(nèi)認為是安全的，如果檢測信號超過了安全閾值就認為存在危險。控制器根據(jù)處理分析結果輸出對應的控制量，以達到控制的目的。控制器通過防爆無軌膠輪車蓄電池直接進行供電。

1.3 結果響應

響應控制模塊由控制裝置、聲光報警系統(tǒng)以及顯示器構成。傳感器采集得到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過控制器處理后，可以被實時顯示在顯示器上，以供工作人員觀察，進而判斷防爆無軌膠輪車的運行狀態(tài)。當控制系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)實際檢測數(shù)據(jù)信息超過了安全閾值時，會輸出一個控制信號，此時，聲光報警系統(tǒng)發(fā)出聲音和燈光進行報警，以提醒工作人員。此外，還會對車輛進行自動控制，比如將車輛進行熄火處理等。

2 防爆無軌膠輪車安全系統(tǒng)的硬件設計

如圖2 所示為防爆無軌膠輪車安全系統(tǒng)硬件組成。由圖可知，安全系統(tǒng)由多個硬件模塊構成。本文設計的控制系統(tǒng)采用嵌入式思路，由于煤礦井下環(huán)境復雜，為確保數(shù)據(jù)檢測、傳輸和處理過程的準確性，系統(tǒng)中設計了抗干擾電路。以下對防爆無軌膠輪車安全系統(tǒng)中涉及到的主要硬件部分進行詳細介紹。

圖2 防爆無軌膠輪車安全系統(tǒng)硬件組成

2.1 控制器型號的選擇

本文設計的安全控制系統(tǒng)屬于嵌入式系統(tǒng)。因此，需要采用嵌入式芯片作為控制器?？晒┻x擇的控制器類型主要包括PLC、ARM 和DSP。在綜合考慮各種類型控制器性能以及本系統(tǒng)實際需要的基礎上，最終選擇ARM嵌入式微處理器作為安全系統(tǒng)的控制器。具體型號為S3C2440A，這種類型的控制器非常適用于車載系統(tǒng)，在該領域有非常廣泛的應用前景。ARM嵌入式微處理器由三星公司設計生產(chǎn)制作，采用的是ARM920T 核心，性能優(yōu)越。

2.2 電源模塊的設計

系統(tǒng)由防爆無軌膠輪車蓄電池進行供電，蓄電池輸出電壓為12 V 直流電壓。安全系統(tǒng)中需要用到三個等級的電壓進行供電，分別為5 V、3.3 V、1.25 V。因此，需要設計專門的電路對蓄電池的電壓進行降低處理。其中需要用到調(diào)壓器，選用的型號為LM1117，調(diào)壓器對電流大小進行了限制并且提供有熱保護功能。經(jīng)過調(diào)壓器處理后的輸出電壓誤差可以控制在1%范圍內(nèi)，利用鉭電容改善輸出端電壓的穩(wěn)定性。根據(jù)使用需要不同，LM1117 型調(diào)壓器還可進一步劃分成為多種類型。結合實際使用需要，最終選 用 的 類 型 包 括 LM1117-5.0、LM1117-3.3、LM1117-ADJ 型，分別可以實現(xiàn)12 V→5.0 V、5.0 V→3.3 V、3.3 V→1.25 V 的電壓轉(zhuǎn)變。

2.3 報警器硬件模塊的設計

本系統(tǒng)中設計的報警器系統(tǒng)由兩大部分構成，分別為聲音系統(tǒng)和燈光系統(tǒng)，通過聲音和燈光同時提示工作人員存在危險。對應的，報警系統(tǒng)的電路同樣由兩部分構成，分別為蜂鳴器電路和LED 燈電路。控制器對傳感器檢測收集的數(shù)據(jù)信號進行分析后，如果認為存在危險就會發(fā)出控制信號，驅(qū)動報警器發(fā)出聲響和燈光。蜂鳴器可以分成為有源和無源兩種類型，兩種類型適用于不同場合。其中有源蜂鳴器的電路結構比較簡單，因此本系統(tǒng)中選用這種類型的蜂鳴器。如圖3 所示為聲光報警系統(tǒng)的電路圖。

圖3 聲光報警系統(tǒng)的電路圖

3 防爆無軌膠輪車安全系統(tǒng)的軟件設計

3.1 安全系統(tǒng)主程序的設計

安全系統(tǒng)軟件開發(fā)在ADS1.2 編譯軟件中進行。軟件采用模塊化設計，系統(tǒng)程序主要包含三大部分，分別為啟動程序、數(shù)據(jù)分析程序、響應控制程序。為了達到模塊化的效果，對每個程序單獨進行編譯，方便日后的維護。

安全系統(tǒng)正式運行時首先執(zhí)行啟動程序，主要對整個系統(tǒng)進行自檢，自檢過程中如果發(fā)現(xiàn)安全系統(tǒng)存在問題則系統(tǒng)無法正常啟動。啟動程序中還要實現(xiàn)各個模塊的初始化。啟動程序執(zhí)行完成后開始執(zhí)行數(shù)據(jù)分析程序。數(shù)據(jù)分析程序又主要由三大部分構成，分別為DS18B20 程序、A/D 程序和ADCO809 程序。其中，DS18B20 程序的作用是接受來自傳感器的信號數(shù)據(jù)，A/D 程序則是對數(shù)據(jù)信號進行轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)分析程序的作用是將傳感器檢測得到的實際數(shù)據(jù)信息與系統(tǒng)中設置的安全閾值進行比較分析。如果實際運行狀態(tài)數(shù)據(jù)超過了安全閾值，安全系統(tǒng)會輸出控制量，調(diào)用報警系統(tǒng)子程序。一方面對防爆無軌膠輪車進行控制，避免車輛發(fā)生危險；另一方面通過報警系統(tǒng)發(fā)出報警聲響和燈光信號。而如果檢測信號在正常范圍內(nèi)時，則將結果顯示在顯示器中，響應控制軟件程序由三部分構成，分別為液晶顯示、聲光報警和控制程序。通過液晶顯示程序可以將防爆無軌膠輪車運行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息顯示在液晶顯示器中，通過聲光報警程序可以驅(qū)動聲光報警系統(tǒng)發(fā)生警告聲音和燈光，通過控制程序可以對防爆無軌膠輪車的發(fā)動機進行控制。如下頁圖4 所示為防爆無軌膠輪車安全系統(tǒng)軟件程序流程圖。

圖4 防爆無軌膠輪車安全系統(tǒng)軟件程序流程圖

3.2 數(shù)據(jù)顯示程序的設計

本安全系統(tǒng)中，選用的是LRO43JC211 型顯示器顯示防爆無軌膠輪車運行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息。顯示器中的圖像由多個像素構成，每個像素可通過多個二進制數(shù)來進行表達。本系統(tǒng)選用的顯示器每個像素通過16個二進制數(shù)進行表達。顯示器的分辨率為480×272，即總共有272 行像素，每行像素包含480 個像素點，利用像素點可以組成不同的漢字進行顯示。

4 結語

1）安全保護系統(tǒng)利用專業(yè)傳感器可對防爆無軌膠輪車運行狀態(tài)信息、瓦斯?jié)舛鹊冗M行實時采集并分析。具有良好的兼容性，可以對采集得到的不同格式數(shù)據(jù)信息進行標準化處理；

2）系統(tǒng)可以對采集到的數(shù)據(jù)進行綜合研判，分析防爆無軌膠輪車的安全狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)存在安全隱患，系統(tǒng)會發(fā)出聲音和燈光警告信息，工作人員通過警示信息可以快速定位故障問題并排除；

3）選用S3C2440A 型ARM 嵌入式微處理器，該型號控制器性能優(yōu)越且比較穩(wěn)定，非常適用車載系統(tǒng)。