基于單片機的礦井液壓支架控制器設計

郇郭建

(霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦， 山西 方山 033100)

1 前言

目前我國礦井綜采大型機械設備基本上已經實現了國有化，工作穩定性以及各方面性能基本滿足需求。但是在礦井電液控制領域我國目前現有的技術還處于起步階段，沒有一款國內產品在礦井中大規模使用，主要依賴進口。由于進口產品存在價格高、維修不方便和其他同類型產品兼容性差等特點，所以研發一款具有自主知識產權的能夠應用于煤礦井下的電液控制系統就顯的很有必要。

本文結合目前我國煤礦的實際需求以及國家提出的無人綜采工作面總體戰略，設計研發了一套能夠應用于國內大中型煤礦使用的液壓支架電液控制裝置。設計優化了硬件電路和軟件流程，具有一定的自動化控制能力，為礦井其他同類型設備的研發提供了思路[1]。

2 液壓支架控制器的總體方案設計

液壓支架控制器處于整個控制系統的最底層，但并不代表它不重要，恰恰相反，它是整個系統中最為關鍵的一個環節，主要負責控制功能的執行、傳感器信號的采集等任務。本系統采用了RS- 485總線作為主要的通訊線路，控制器內部又分為接口電路和主控電路。接口電路主要的功能是信息顯示、信息輸入等。主控電路主要負責信號采集以及動作命令的執行等。另外主控電路通過兩路RS- 485總線與上位機實現連接，兩路總線分別用來傳輸控制命令和傳感器數據。每臺液壓支架控制器之間的通訊是通過接口電路中的RS- 485通訊總線來實現的，每臺液壓支架控制器可以認為是RS- 485通訊總線上的一個節點，它們都是掛接在端頭控制器的主通訊電路上的。液壓支架控制系統總體架構如圖1所示。

圖1 液壓支架控制系統總體架構

3 控制器硬件設計

圖2所示為液壓支架控制器硬件總體結構圖，從圖中可以看出支架控制器硬件電路由兩部分組成，分別是主控制電路和接口電路。每部分根據功能采用模塊化的設計思路。兩部分電路之間通過SPI總線進行通訊。接口電路由于其主要功能是人機交互以及信息的輸入輸出，所以電路中主要包括LCD和鍵盤等電路。而主控電路主要功能是收集傳感器信號，并將信號上傳，主要包括通訊電路等[2]。

這兩部分的供電電源都是DC12V，在控制板內部經過穩壓電路的轉化最終轉變為DC5V和DC3.3V用于芯片的供電。

圖2 支架控制器硬件總體結構圖

3.1 CPU選型

本系統CPU選用了美國Cygnal公司生產的C805F系列微控制器，其型號為C8051F020，是一款16位芯片，主頻為25MHz。其主要特點是具有豐富的模擬量和數字量外設，具有優秀的混合信號處理能力。其內部硬件資源見表1。

表1 C8051F020內部硬件主要資源

3.2 模擬量信號采集電路

本系統中需要采集的模擬量包括液壓支架千斤頂的位移量和煤層頂板的壓力值。由于目前市面上所使用的模擬量傳感器輸出信號大多是4～20mA的電流信號或者是1～5V的電壓信號。而本控制器所使用的CPU輸入電壓等級為0～3.3V。因此需要將采集到的信號經過特殊的電路調整后轉變為CPU可以直接識別的信號再輸入到CPU的相應管腳[3]。本系統設計的模擬量信號調整電路如圖3所示。

圖3 模擬量信號調理電路

如圖3所示，總電路按功能分為四部分。從左向右首先是信號放大電路部分，其主要功能是將傳感器輸入的模擬量信號進行電流的放大，其中R13是限流電阻，R14將運放的負極和地連接起來，R23用于放大器的調零。一般情況下，由于傳感器信號強度小，所以通過信號放大電路將傳感器信號放大便于后續電路的處理。第二部分是電壓調整電路，通過電路的分壓調理能夠將電流信號轉變為電壓信號。第三部分是電壓跟隨電路，主要作用是抑制電路中的電壓波動，通過由R21組成的反饋電路使輸出端的電壓波動盡可能的小。第四部分是鉗位電路，其主要作用是鉗位出口電路電壓的范圍，防止電壓過高或者是過低造成CPU損壞。

3.3 急停閉鎖電路

圖4所示為急停閉鎖電路原理圖，其中按鍵K1為急停按鈕，K2按鍵為閉鎖按鈕。急停按鈕的功能是當設備出現突發故障時可以通過急停按鈕立即停止工作面液壓支架的動作，這是優先級最高的操作。閉鎖按鈕的主要功能是當工人對設備進維修時按下閉鎖按鈕可以方式設備的誤動作，能夠有效的保護維修工人的生命安全。具體的電路工作原理是當按鍵沒有按下時，管腳輸入為高電平，此時不能夠觸發CPU的外部中斷；當按鍵按下時，相應的管腳被拉低，此時會立即觸發CPU的外部中斷。U3芯片為施密特觸發器，其主要功能是對按鍵消除抖動。當有急停被觸發時在LCD顯示屏上會顯示觸發急停的位置，便于工作人員及時發現處理[4]。

3.4 通訊電路設計

RS- 485通訊是本系統中的關鍵環節，所有的數據以及控制命令都是通過該總線進行傳遞的。

圖4 急停閉鎖電路原理圖

使用的通訊芯片為Maxim公司生產的RS- 485收發芯片，型號為MAX485。這是一款能夠同時適用于RS- 485和RS- 422兩種通訊方式的功耗比較低的收發芯片，其支持的最高通信速率能夠達到2.5Mbps。

圖5所示為本系統中設計的RS- 485通訊電路原理圖，從圖中可以看出整個電路按功能可以劃分為4個部分。自左向右依次是信號整形電路部分，其作用是通過施密特觸發器將信號中的波動去掉，能夠保證信號的準確性。第二部分是光耦隔離電路，由于井下的工作環境比較復雜，各種干擾層出不窮。為了保障通訊的穩定性在電路中加入了防干擾措施，通過光耦隔離模塊能夠有效的抵御電磁干擾。第三部分是失效保護電路，其作用是保障通訊線路的阻抗匹配，防止通信失效。第四部分是過壓保護電路，由于干擾的存在通訊電路中可能存在瞬時高壓，利用過壓保護電路能夠有效的保護CPU芯片，保障整個系統的安全性和穩定性[5-6]。

4 控制器軟件設計

4.1 接口電路主程序

圖6所示為電路主程序，從圖中可以看出當系統上電后首先進行整個系統的初始化，這其中包括時鐘初始化、端口初始化、中斷配置初始化以及各種通訊模塊的初始化等。初始化完畢后打開中斷等待中斷的發生。如果急停中斷被觸發則進入急停處理子程序然后清除中斷標志位，如果沒有則判斷閉鎖中斷是否觸發。如果兩者都沒有則對鍵盤輸入進行掃描查看是否有數據或者是操作命令的輸入，然后是綜合判斷，這樣依次循環。

圖5 RS- 485通訊電路原理圖

圖6 接口電路主程序

4.2 急停閉鎖子程序

圖7所示為支架急停流程，當有急停中斷時首先在LCD顯示屏上顯示出此時的急停狀態，便于工作人員迅速查看。然后是立即向被觸發急停位置的液壓直接發出停機命令控制停機。當本支架停止后一次向相鄰的液壓支架發出停機命令直到整個工作面的液壓支架動作全部停止。此時會循環判斷急停標志是否減除，如果沒有則繼續查詢知道停止命令減除后立即將其顯示到人際界面上。然后依次向本支架和相鄰的液壓直接發送減除停止的命令，直到所有的液壓支架恢復動作為止。這個過程中的全部指令都是通過RS- 485總線進行傳遞的。故障的排除后需要將所有控制器上的急停按鈕恢復才能完全減除。

圖7 支架急停流程圖

5 結論

本論文在設計的液壓支架控制器通過工業現場的實際應用取得了良好的效果，控制功能科學合理，運行穩定性高。完全能夠滿足礦井生產的需要，為井下同類型控制器的設計研發提供了一定的經驗。