基于霍爾元件的液壓支架測距系統

尹冬冬

（晉煤集團晉城金力電氣有限責任公司，山西 晉城 048000）

隨著晉煤集團煤機板塊的快速發展，晉煤集團晉城金力電氣有限責任公司的裝備制造向著更可靠更智能化方向不斷進步。支架公司生產的液壓支架已經能夠很好地滿足井下各種工況，但是在集成化和智能化方面還有很大發展空間。

此設計是針對液壓支架的集成測控方面進行改進，以便更好地適應工作面無人化和少人化發展。

1 設計背景

激光測距技術是目前測距系統中應用最廣泛的技術，由于是通過發射激光束至目標物體，利用反射光束精確計算距離，因此在不加反射靶的情況下，也可達到很遠的檢測距離，而且對目標物體的尺寸面積比超聲波要求的面積小很多，使得對遠距離的小尺寸物體位置檢測成為可能[1]。但由于成本較高，而且極易受到井下工作面惡劣環境的干擾，所以不適合在工作面使用。

霍爾元件在控制系統中占有非常重要的地位，具有分辨能力強、高精度和檢測速度快的特點。本設計所用的脈沖發生器成本低、構造簡單、性能好。電氣控制系統中存在著較為惡劣的電磁環境，因此霍爾元件大多要求具有較強的抗干擾能力[2]。

2 設計簡介

本文以STC89C52單片機為核心，設計了基于開關霍爾的液壓支架伸縮量測量系統，主要研究工作包括以下3個方面。

（1）硬件電路方面，用霍爾開關完成信號采樣電路的設計，采樣到的電信號并行輸入移位寄存器CD4021，再通過串行方式輸出到單片機，由單片機接收并計算，通過通信模塊傳至上位機集控系統，集控系統對各液壓支架的伸縮量進行分析和顯示。

（2）軟件方面，下位機單片機控制移位寄存器串行輸出實時信號，并由單片機檢測電信號和計算。通信模塊通過485通信把各個液壓支架的伸縮量信息發送至上位機。上位機把各個液壓支架的情況通過組態軟件實時顯示。

（3）上位機與下位機聯機系統調試。

3 系統設計

3.1 系統整體設計方案

液壓支架上安裝兩個同心套筒，外層是堅固的金屬筒，金屬筒底端是磁環，內層是霍爾傳感器做成的量尺。基于單片機用霍爾開關實現液壓支架伸縮量的檢測，通過霍爾開關模塊檢測磁環位移信號。當液壓支架伸長時，外層套筒隨著支架向上移動，套筒底端的磁環相對內部的量尺發生位移，移位寄存傳輸模塊把采集到的位移信號串行傳送到單片機進行處理，計算出液壓支架的實時長度。下位機單片機通過通信模塊把伸縮量信號傳送給上位機，上位機通過組態軟件顯示。見圖1。

圖1 系統總框圖

3.2 下位機整體電路圖

伸縮量信號的采集模塊由霍爾開關和移位寄存器組成。

44E型霍爾開關屬于有源磁電轉換器件，它是在霍爾效應原理的基礎上，利用集成封裝和組裝工藝制作而成，它把磁輸入信號轉換成電信號，當磁環靠近某一霍爾開關時其輸出低電平，無磁體靠近時則為高電平。通過CD4021的并行輸入存儲起來等待單片機的檢測[3]。

CD4021傳輸霍爾開關量的流程：先使CD4021轉換到并行模式，再轉換到串行模式，單片機讀取Q7的信號，然后輸出一個脈沖給CD4021，單片機再讀取一個開關信號，如此循環到結束，輸出電平為低電平時的計數值，然后重復前面的步驟[4]。

霍爾開關模塊電路的輸出端接至移位寄存器的并行輸入端，再加上單片機最小系統電路、單片機與移位寄存器的連接，即可作出下位機的整體電路圖，如圖2所示。

3.3 下位機程序流程

本系統下位機采用C語言進行軟件設計，實現了系統各項功能。

先使CD4021轉換到并行模式，再轉換到串行模式，單片機讀取Q7的信號，然后輸出一個脈沖給CD4021，單片機再讀取一個開關信號，如此循環到結束，輸出電平為低電平的計數值，然后重復前面的步驟。

讀取后的數據送到數據存儲器單元中，經過單片機運算，將計數值轉化為伸縮量。

3.4 上位機調試與應用實例

液壓支架的伸縮量被實時測量計算，上位機通過組態軟件能夠實時顯示每一個支架的伸縮量，能夠反映井下工作面的實際情況。本系統現已在山西長治大峪煤業得到應用，調度中心能夠實時監控工作面的液壓支架的工作狀態，及時發現問題，保證采煤工作面的工作安全高效地進行。整體系統圖如圖3，應用實例圖如圖4。

圖2 整體電路圖

圖3 整體系統圖

圖4 應用實例圖

4 結論

通過使用基于霍爾元件的液壓支架伸縮量監測系統，能夠實時監測液壓支架的工作情況，有效地提高了地面調度部門對井下工作面的監控能力，減少了井下生產事故，提高了煤礦自動化水平[5]。