程雙龍

（淮南聯(lián)合大學(xué) 智能制造學(xué)院，安徽淮南，232000）

0 引言

礦用帶式輸送機(jī)是礦上一種常用的物料輸送機(jī)械，它可以將物料從一個(gè)地方輸送到另一個(gè)地方。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)高效的物料輸送。然而由于井下工況復(fù)雜，傳統(tǒng)的控制方式很難滿足實(shí)際的控制要求。因此，基于單片機(jī)的皮帶機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

礦用帶式輸送機(jī)控制器是一種用于控制礦用帶式輸送機(jī)的裝置，它能夠根據(jù)設(shè)定的參數(shù)控制帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，從而提高生產(chǎn)效率，其通常具有閉鎖、跑偏、煙霧、堆煤、打滑、縱撕、斷帶、超溫灑水等保護(hù)，這些保護(hù)基本上都屬于開關(guān)量輸入信號(hào)。輸送機(jī)配套電氣設(shè)備一般都是開關(guān)量控制如聲光報(bào)警裝置，或者模擬量輸出控制如變頻器工作在模擬量控制模式下。

本文首先介紹了皮帶機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，然后介紹了單片機(jī)控制系統(tǒng)的各部分硬件結(jié)構(gòu)，包括電源、輸入輸出、通訊等模塊，最后介紹了單片機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)的控制算法、調(diào)試方法等。

1 帶式輸送機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

帶式輸送機(jī)由電機(jī)、皮帶輪、皮帶、支架和控制系統(tǒng)等部件組成，電機(jī)通過(guò)皮帶輪帶動(dòng)皮帶，皮帶將物料從一端輸送到另一端?？刂葡到y(tǒng)的主要任務(wù)是負(fù)責(zé)控制電機(jī)的運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)物料的有效輸送。如圖1所示，整個(gè)輸送系統(tǒng)中控制器處于核心地位，電機(jī)和皮帶輸送機(jī)將各自的運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)各種傳感器采集反饋進(jìn)入控制器。通過(guò)屏幕可以進(jìn)行人機(jī)交互，將需要的控制信息反饋進(jìn)入控制器，急停等信號(hào)也是一樣可以直接進(jìn)入控制器?？刂破骶C合反饋的信息通過(guò)開關(guān)量、模擬量或者通訊等方式控制變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行啟停、速度等控制，從而保證皮帶機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 控制器硬件電路設(shè)計(jì)

控制器的硬件電路設(shè)計(jì)可分為電源模塊、開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量輸出模塊、人機(jī)交互電路以及預(yù)留的RS485通訊接口電路。

3 電源模塊設(shè)計(jì)

整個(gè)控制系統(tǒng)需要12V和5V的直流電壓供電，由于井下防爆需求，總電源采用井下12V的本安電源作為輸入，所以電源模塊需要設(shè)計(jì)出12V轉(zhuǎn)5V的電路，電路如圖2所示。

圖2 12V轉(zhuǎn)5V電源電路

井下12V本安電源經(jīng)過(guò)三端穩(wěn)壓芯片78M05轉(zhuǎn)為5V直流電源供給單片機(jī)及控制系統(tǒng)使用，78M05芯片最大能提供1.5A的電流，可以滿足控制系統(tǒng)的需求。C1、C2、C3為濾波電容，作用是濾除電源電路中的高頻和低頻干擾信號(hào)。R1為電源指示燈的限流電阻，D1為單片機(jī)的電源指示燈，用以表示電源電路是否工作正常。

4 開關(guān)量輸入信號(hào)模塊設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)中，堆煤、跑偏、急停、撕裂等傳感器的輸出信號(hào)為開關(guān)量，所以控制系統(tǒng)中需要設(shè)計(jì)開關(guān)量輸入模塊。由于井下工況復(fù)雜，對(duì)于以單片機(jī)為控制核心的控制系統(tǒng)，開關(guān)量輸入電路的設(shè)計(jì)中，需要考慮以下幾個(gè)主要的因素：

（1）輸入信號(hào)需要穩(wěn)定可靠。

（2）輸入信號(hào)需要隔離，防止干擾及損壞控制系統(tǒng)。

（3）要有一定的驅(qū)動(dòng)能力，可以直接用低壓供電。

由于運(yùn)輸通道較長(zhǎng)，導(dǎo)致連接的導(dǎo)線較長(zhǎng)，傳統(tǒng)的單片機(jī)開關(guān)量檢測(cè)電路如圖3所示，不能提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)由于導(dǎo)線較長(zhǎng)信號(hào)容易受到干擾，為解決此問(wèn)題，設(shè)計(jì)出如圖4所示的開關(guān)量輸入采集電路。

圖3 單片機(jī)開關(guān)量信號(hào)采集電路

圖4 遠(yuǎn)距離開關(guān)量信號(hào)采集電路

圖5 開關(guān)量輸出控制電路

長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸，5V電壓驅(qū)動(dòng)能力不足，本設(shè)計(jì)直接使用井下12V本安電源驅(qū)動(dòng)，能夠大大增加傳輸距離。電路中U1為光耦，利用光耦進(jìn)行輸入信號(hào)的隔離，以保證控制系統(tǒng)的安全。光耦的驅(qū)動(dòng)電流必須在一定范圍內(nèi)，由于井下工況復(fù)雜，巷道長(zhǎng)度不同，所以設(shè)計(jì)了利用撥碼開關(guān)選擇不同的限流電阻，這樣就可以根據(jù)不同的導(dǎo)線長(zhǎng)度選擇合適的限流電阻來(lái)采集開關(guān)量，當(dāng)遠(yuǎn)處的開關(guān)閉合時(shí)，光耦導(dǎo)通，單片機(jī)對(duì)應(yīng)的I/O引腳采集到低電平。開關(guān)斷開時(shí)，光耦斷開，單片機(jī)對(duì)應(yīng)的I/O引腳采集到高電平，控制系統(tǒng)便可以通過(guò)引腳輸入的高低電平，來(lái)判斷開關(guān)量的輸入狀態(tài)。

5 開關(guān)量輸出控制電路

由于煤礦井下防爆需求，本設(shè)計(jì)中開關(guān)量輸出控制電路中并沒(méi)有使用傳統(tǒng)的電磁繼電器進(jìn)行開關(guān)量輸出控制，以防止電磁繼電器中的電感打火，固態(tài)繼電器因?yàn)槠錈o(wú)觸點(diǎn)、壽命長(zhǎng)、速度快，對(duì)外界的干擾小，所以本設(shè)計(jì)采用了固態(tài)繼電器進(jìn)行開關(guān)量輸出信號(hào)的控制，設(shè)計(jì)電路如圖所示，同時(shí)利用固態(tài)繼電器可以將控制端與負(fù)載端進(jìn)行有效隔離，使得控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性得到大大提高。

一般單片機(jī)的引腳的輸入電流比較大，所以設(shè)計(jì)成了單片機(jī)引腳低電平有效，當(dāng)對(duì)應(yīng)的I/O引腳輸出低電平時(shí)，固態(tài)繼電器輸出端導(dǎo)通，然后便可以通過(guò)開關(guān)量輸出方式控制變頻器、電機(jī)或其他設(shè)備工作。

6 模擬量輸出控制電路

輸送機(jī)的配套設(shè)備中有些需要利用模擬量進(jìn)行控制，如變頻器工作在模擬量調(diào)速控制模式下，為了節(jié)省單片機(jī)的I/O引腳資源，本設(shè)計(jì)中選用了具有串行接口的DA芯片TLC5615，其可以將輸入的數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬量輸出信號(hào)，其分辨率為10位，完全能夠滿足系統(tǒng)的性能需求，其接口電路如圖6所示。

圖6 模擬量輸出接口電路

圖中TLC5615芯片的參考電壓由穩(wěn)壓二極管IN4370反向擊穿后提供，SCLK為時(shí)鐘輸入引腳，提供芯片工作時(shí)序使用，DIN引腳為數(shù)據(jù)輸入引腳，以上引腳均由單片機(jī)的I/O引腳控制。模擬量輸出引腳可以輸出0～5V的電壓用來(lái)控制外圍設(shè)備，由于連接導(dǎo)線具有電阻特性，建議模擬量的連接導(dǎo)線不宜過(guò)長(zhǎng)。

7 RS485串口通信接口電路

RS485是一種先進(jìn)的通信技術(shù)，也是目前工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的通信技術(shù)。它是在單總線標(biāo)準(zhǔn)485基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)。由于煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，干擾嚴(yán)重，因此必須采用具有RS485接口的控制器來(lái)完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。

輸送機(jī)的控制器在某些工況下需要與其他用電設(shè)備進(jìn)行通訊控制，比如某些變頻器支持Modbus等通訊協(xié)議，控制器便可以通過(guò)串口輸出相應(yīng)控制信號(hào)控制設(shè)備的運(yùn)行，由于串口傳輸中RS485電路的傳輸距離較遠(yuǎn)，通信速率較高、抗干擾能力較強(qiáng)，于是在本設(shè)計(jì)中便預(yù)留了RS485串口通信接口電路，接口電路采用了SP3485芯片。SP3485芯片是一款高效的通信芯片，它采用最新的技術(shù)，能夠自動(dòng)收發(fā)信號(hào)，能夠大大降低軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。其內(nèi)部有專業(yè)的通信電路，能夠提供更高的信號(hào)傳輸率，從而滿足不同環(huán)境和應(yīng)用場(chǎng)景的需求。此外，SP3485芯片還具有節(jié)能環(huán)保、低功耗、低噪聲和高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，非常適合使用在礦用環(huán)境下。

RS485串口通信接口電路設(shè)計(jì)如圖7所示，用到了單片機(jī)的一對(duì)串口引腳分別是發(fā)送（TXD）、接收（RXD）引腳。此接口電路的作用是將單片機(jī)控制系統(tǒng)中的TTL電平轉(zhuǎn)變成RS485電平，從而達(dá)到信息的遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪康摹?/p>

圖7 RS485串口通信接口電路

8 人機(jī)交互設(shè)計(jì)

人機(jī)交互是指人與計(jì)算機(jī)之間的交互，是一種復(fù)雜的交互過(guò)程，它涉及人類與計(jì)算機(jī)之間的信息交換、溝通和協(xié)作。人機(jī)交互的目的是使用戶能夠更有效地使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以達(dá)到更好的工作效率。

因?yàn)樗x單片機(jī)的算力不夠強(qiáng)大，為了降低單片機(jī)的編程復(fù)雜度，本設(shè)計(jì)選用了編程簡(jiǎn)單的串口屏。串口屏可以實(shí)現(xiàn)用戶和單片機(jī)之間的雙向交互，其可以通過(guò)簡(jiǎn)單的操作，如用戶可以點(diǎn)擊按鍵、觸摸屏幕等方式來(lái)操作單片機(jī)控制系統(tǒng)，而不需要復(fù)雜的操作，這樣可以提高用戶的操作效率。另外串口屏人機(jī)交互還可以實(shí)現(xiàn)其他多種功能，比如可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音交互、視頻交互等，這樣可以更好地滿足用戶的需求。例如圖8是控制系統(tǒng)中串口屏的監(jiān)控畫面，通過(guò)監(jiān)控畫面可以很方便地看出有沒(méi)有傳感器報(bào)警和哪些傳感器在報(bào)警，這樣就可以很方便地定位報(bào)警信息。還可以通過(guò)串口屏輸入一些控制信息到控制系統(tǒng)里，如圖9所示，可以利用串口屏手動(dòng)輸入電機(jī)的運(yùn)行頻率，這樣對(duì)電機(jī)的調(diào)速更加方便。

圖8 控制系統(tǒng)監(jiān)控畫

圖9 電機(jī)運(yùn)行頻率輸入畫面

9 控制器軟件設(shè)計(jì)

控制器軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖10所示，上電后單片機(jī)會(huì)對(duì)相關(guān)模塊進(jìn)行初始化，然后檢測(cè)各項(xiàng)輸入信號(hào)是否正常，如果輸入信號(hào)不正常禁止啟動(dòng)。輸入信號(hào)正常后接收到啟動(dòng)信號(hào)，則控制設(shè)備啟動(dòng)。在設(shè)備工作的過(guò)程中，單片機(jī)會(huì)不斷地檢測(cè)有無(wú)故障信號(hào)、急停信號(hào)、停止信號(hào)等輸入，一旦有上述信號(hào)出現(xiàn)單片機(jī)便會(huì)控制設(shè)備停機(jī)，直到故障解除，設(shè)備才能重新啟動(dòng)，同時(shí)還會(huì)將上述信息發(fā)送到串口屏進(jìn)行人機(jī)交互，以方便工作人員查看設(shè)備運(yùn)行情況。

圖10 軟件流程圖

10 結(jié)語(yǔ)

基于單片機(jī)控制技術(shù)設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)能夠大大減少設(shè)備體積與重量，減輕工人體力勞動(dòng)，降低生產(chǎn)成本，設(shè)備簡(jiǎn)單易用，在一些特定工況下具有重要的使用價(jià)值。