張 偉

(潞安化工集團(tuán) 王莊煤礦,山西 長(zhǎng)治 046031)

窄軌電機(jī)車是煤礦井下運(yùn)送人員的主要運(yùn)輸設(shè)備。在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中,礦工因趕時(shí)間、搶座位而引起的扒車、跳車、車未停穩(wěn)上下車或從危險(xiǎn)地點(diǎn)上下車等嚴(yán)重違章行為引發(fā)的運(yùn)輸安全事故時(shí)有發(fā)生,嚴(yán)重威脅著職工的人身安全?；诖?設(shè)計(jì)了一種電機(jī)車乘車安全距離檢測(cè)和自動(dòng)閉鎖防護(hù)裝置。本裝置安全可靠、針對(duì)性強(qiáng),可徹底解決上述問(wèn)題,具有較大的推廣意義。

1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

1) 本裝置由電磁鎖、速度檢測(cè)、超聲波測(cè)距、單片機(jī)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(cè)車輛是否靜止和超聲波檢測(cè)與車廂門口障礙物的實(shí)際距離。并通過(guò)對(duì)這些條件的檢測(cè),來(lái)判斷電機(jī)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(guò)允許乘車距離時(shí)(設(shè)計(jì)乘車距離為1 m),單片機(jī)才會(huì)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(hù)鏈或打開車門進(jìn)行上下車。

4) 若檢測(cè)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(shí),單片機(jī)將始終閉鎖電磁鎖,使防護(hù)鏈或車門不能打開,從而保證乘車人員的安全。

5) 為保證測(cè)距裝置的檢測(cè)范圍,每個(gè)車門應(yīng)至少安設(shè)兩個(gè)以上超聲波測(cè)距探頭,用以多方位檢測(cè)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(shí),電機(jī)車司機(jī)或跟車工能夠使用無(wú)線發(fā)射模塊遙控打開電磁鎖,使礦工的乘車時(shí)間盡可能縮短。無(wú)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(cè)功能(車輛運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和乘車距離檢測(cè))將被暫時(shí)關(guān)閉。數(shù)秒后恢復(fù)檢測(cè)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(shí)時(shí)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(jī)車照明電源DC12 V/24 V做為本裝置電源。使用電機(jī)車照明電源時(shí),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(jì)專用的穩(wěn)壓電路,如圖1所示。

圖1 智能防護(hù)鏈專用穩(wěn)壓電路原理

本裝置穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)為DC12 V～50 V寬電壓輸入,可保證在電壓波動(dòng)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(guò)82 V時(shí)可有效進(jìn)行保護(hù),D3為保護(hù)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(shí),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(jìn)入放大工作狀態(tài),多余的壓降降到Q4上。使得進(jìn)入系統(tǒng)的電壓始終不超過(guò)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(jìn)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(cè)距電路原理設(shè)計(jì):本設(shè)計(jì)采用STC89C52RC單片機(jī),超聲波的實(shí)現(xiàn)主要采用12 MHz的晶振,用以獲得較為穩(wěn)定的時(shí)間頻率。STC89C52RC用P3.6端口輸出40 kHz的超聲波方波信號(hào),而接收P3.6端口輸出的返回信號(hào)則是利用中斷口來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如圖2所示。

圖2 超聲波測(cè)距電路設(shè)計(jì)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(jī)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(hào)經(jīng)反向器U5A、U5B、U5E送到超聲波換能器其中的一個(gè)電極,另一路經(jīng)二級(jí)反向器U5C、U5D送至超聲波換能器的另一個(gè)電極,這種設(shè)計(jì)有助于提高換能器的發(fā)射強(qiáng)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(shí)踐表明:CX20106A芯片用于40 kHz超聲波的接收檢測(cè)電路,不但靈敏度較高,且干擾能力很強(qiáng),幾乎不存在誤動(dòng)作?？紤]到井下環(huán)境的特殊性,還專門設(shè)計(jì)了從CX20106A腳2輸入的由C39和R40組成的負(fù)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(shí),會(huì)在CX20106集成電路的7腳上產(chǎn)生一個(gè)下降沿,該腳接到STC89C52RC的外部中斷0上,即單片機(jī)P3.2.STC89C52RC在接收到外部中斷0的中斷請(qǐng)求后,會(huì)轉(zhuǎn)入外部中斷0的中斷服務(wù)程序進(jìn)行距離計(jì)算和處理。

以下是CX20106A的引腳注釋:

1腳:超聲信號(hào)輸入端。

2腳:該腳與地之間組成RC串聯(lián)負(fù)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(gè)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(gè)積分電容,該電容取值不宜過(guò)大,否則會(huì)使檢測(cè)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(cè)距工作過(guò)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(dòng)超聲波發(fā)射頭,最后采用CX20106A集成電路對(duì)超聲波進(jìn)行接收。當(dāng)前方有物體時(shí),超聲波接收頭接收到物體反射的超聲波信號(hào)后,CX20106A會(huì)輸出一個(gè)低電平,STC89C52RC通過(guò)檢測(cè)發(fā)出超聲波與接收到超聲波信號(hào)的時(shí)間差,通過(guò)S=V×t計(jì)算出實(shí)際距離,當(dāng)前方物體距離機(jī)車超過(guò)安全乘車距離時(shí)(設(shè)計(jì)為1 m),則成為滿足開啟防護(hù)鏈或車廂的必備條件之一。

電機(jī)車運(yùn)動(dòng)檢測(cè)電路原理設(shè)計(jì),如圖3所示。

圖3 電機(jī)車運(yùn)動(dòng)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)原理

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

ADXL345在本裝置中的作用及應(yīng)用,在機(jī)車停止時(shí),ADXL345的X軸的加速度幾乎為0或很小,單片機(jī)通過(guò)讀取ADXL345中X軸加速度的數(shù)據(jù),可以對(duì)電機(jī)車的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷。若電機(jī)車為運(yùn)動(dòng)狀態(tài),單片機(jī)將始終對(duì)電磁鎖進(jìn)行閉鎖,從而使防護(hù)鏈或車門不能打開;當(dāng)電機(jī)車為靜止?fàn)顟B(tài),且乘車距離滿足規(guī)定距離時(shí),單片機(jī)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(hù)鏈或打開車門進(jìn)行上下車。

以下是3軸加速度檢測(cè)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?jǐn)嚅_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(wú)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(shí)鐘。

2.1 無(wú)線收發(fā)模塊工作原理設(shè)計(jì)

無(wú)線發(fā)射模塊采用市面上性能較好的2262無(wú)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(diǎn)動(dòng):按住不松手就輸出,松手停止輸出)、L4(互鎖:四路同時(shí)只有一路輸出)、T4(自鎖:四路相互獨(dú)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(hù)鏈的需要,我們?cè)O(shè)計(jì)為互鎖工作方式(多路同時(shí)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(jī)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(wú)線接受模塊電路腳位的使用說(shuō)明。

表1 無(wú)線接受模塊電路腳位的使用說(shuō)明

無(wú)線遙控工作過(guò)程:遙控機(jī)車防護(hù)鏈時(shí),電磁鎖將在打開并持續(xù)30 s(時(shí)間可調(diào))后自動(dòng)關(guān)閉。如:當(dāng)電機(jī)車司機(jī)需要開啟機(jī)車防護(hù)鏈時(shí),按下無(wú)線遙控A按鍵,無(wú)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(gè)低電平,當(dāng)單片機(jī)P2.4端口檢測(cè)到低電平時(shí),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(duì)防護(hù)鏈或車廂門的閉鎖控制功能。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間延時(shí),單片機(jī)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(shí),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(diǎn)亮工作原理

本裝置設(shè)計(jì)有紅色和綠色兩種LED指示燈,當(dāng)實(shí)際乘車距離小于規(guī)定乘車距離或車輛還在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí),單片機(jī)P1.5管腳輸出低電平,三極管2N5401導(dǎo)通,使紅色LED燈點(diǎn)亮;反之,機(jī)車在靜止?fàn)顟B(tài)下,下車距離大于規(guī)定距離時(shí),單片機(jī)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(shí),單片機(jī)P1.6管腳輸出低電平,三極管2N5401導(dǎo)通,使綠色LED點(diǎn)亮。反之,當(dāng)電磁鎖吸合(解除閉鎖)時(shí),單片機(jī)P1.6管腳輸出高電平,三極管2N5401截止,綠色LED熄滅。

3 實(shí)施效果

本裝置的人性化設(shè)計(jì),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(xiǎn)隘地點(diǎn)上下車等違章乘車行為引發(fā)的運(yùn)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(yǔ)

礦用乘人電機(jī)車上下人員乘車距離檢測(cè)與智能閉鎖防護(hù)裝置自投運(yùn)以來(lái),除了定期更換電池外,未曾發(fā)生故障,更未出現(xiàn)拒動(dòng)和誤動(dòng),說(shuō)明該裝置設(shè)計(jì)是合理可行的,該裝置的成功應(yīng)用,填補(bǔ)了我國(guó)礦井運(yùn)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(huì)效益。