矿用带式输送机扩音电话系统研制.pdf

第 4 3卷 第 1期 2 0 1 7年 1月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i n e Aut o ma t i on Vo 1 ． 4 3 NO ． 1 J a n ． 2 0 1 7 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 1 0 0 1 7 0 5 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 7 ． 0 1 ． 0 0 5 李宏伟 ， 曲兵妮 ， 李璐 ， 等． 矿用带式输送机扩音电话系统研制E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 1 1 7 2 1 ． 矿用带式输送机扩音电话系统研制 李宏伟 ， 曲兵妮 ， 李璐 ， 宋建成 太原理 工大 学 煤 矿 电气设 备与 智能控 制 山西省 重点 实验 室 ，山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 针对现有矿用带式输送机监控 系统的语音报警声音在胶 带沿线不能扩音播放的 问题， 研制 了一种 矿用带式输送机扩音电话 系统。该系统具有语音报警 、 半双工通话和打点联络功能， 声音清晰度好且音量高 达 1 0 0 d B， 能 够满足 煤矿 复杂 环境 的使 用要 求。 关键 词 带式输 送机 ；扩音 电话 ； 语 音报 警 ；半双 工通 话 ；打 点联络 ；电池组 充放 电管理 中 图分类号 T D6 5 5 文献标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 6 1 2 3 0 0 9 3 3 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 1 2 3 0 ． 0 9 3 3 ． 0 0 5 ． h t ml De v e l o p me n t o f a n a mp l i f i e d t e l e p ho n e s ys t e m f o r mi n e u s e d be l t c o n v e y o r LI Ho n g we i ， QU B i n g n i ， LI Lu， S ONG J i a n c h e n g S h a n x i Ke y La b o r a t o r y o f M i n i n g El e c t r i c a l Eq u i p me n t a n d I n t e l l i g e n t Co n t r o l ， Ta i y u a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ，Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4 ，C h i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f p r o bl e m t h a t v o i c e a l a r m s ou nd c a n t br o a dc a s t a l on g b e l t o f e xi s t i n g m o ni t o r i ng s y s t e m o f mi n e u s e d b e l t c o nv e y o r ， a n a mpl i f i e d t e l e ph o ne s ys t e m f or mi ne u s e d b e l t c o nv e y o r wa s de ve l op e d． The s ys t e m ha s f un c t i o ns o f v oi c e a l a r m ，ha l f du pl e x c o m mun i c a t i o n a nd do t c a l l s a n d c o n t a c t ， a nd h a s go od s o u nd c l a r i t y wi t h v o l ume a s hi g h a s 1 0 0 d B，whi c h c a n s a t i s f y r e q u i r e me n t s o f c o m p l e x 收稿 日期 2 0 1 6 - 0 8 0 5 ； 修回 日期 2 0 1 6 - 0 9 1 9 ； 责任编辑 张强。 基金项 目 山西省科技重大专项项 目 2 0 1 3 1 1 0 1 0 2 9 。 作者简 介 李宏伟 1 9 9 O 一 ， 男 ， 山西汾 阳人 ， 硕士研究生 ， 研究方 向为 电力 电子与电力传动 ， E ma i l 7 4 5 0 6 1 2 2 1 q q ． c o rn。 [ 1 6 ] 杨 冬冬 ， 汪激 ， 刘 寅． 基 于机器视 觉的 C AN总 线多功 能数字 显 示 器 测 试 系统 的设 计 [ J ] ． 机 电一 体 化 ， 2 0 1 5 3 4 5 4 7 ． [ 1 7 ] 李 听宇， 侯春萍 ， 王宝亮 ， 等． 基于 图像 匹配 的移动应 用 自动 化 测 试 方 法 研 究 [ J ] ． 计 算 机 工 程 与 应 用 ， 2 0 1 6， 5 2 1 3 1 - 6 ． [ 1 8 1 吴立金 ， 唐龙利 ， 韩新 宇 ， 等． 嵌人式软件 G UI自动化 测试平台研究 [ J ] ． 计算 机测 量与控 制 ， 2 0 1 5 ， 2 3 4 1 09 4 1 09 7． [ 1 9 ] 霍卓群． 非介入式主被动客户感知监测技术研究 分析 [ J ] ． 牡丹江师范学院学报 ， 2 0 1 5 2 2 3 2 4 ． [ 2 O ] 金静飞． 液压支架 电液控制系统测试平 台关键技 术研 究[ D ] ．徐州 中国矿业大学 ， 2 0 1 5 1 1 2 2 ． [ 2 1 ] 牛剑峰 ， 李俊 士 ， 吴桐 ， 等．一种液压 支架 电液控 制系 统 的仿 真 测 试 系统 2 0 1 5 1 0 6 1 6 9 3 8 ． 0[ P ] ． 2 0 1 5 0 9 24 ． [ 2 2 2 杨健康 ， 廉 自生 ， 马飞 ， 等． 影 响本 质安全 型电磁 铁静 态吸力特性的关键参数分析[ J ] ． 太原理 工大学学报 ， 2 0 1 2， 4 3 5 6 0 3 4 0 5 ． [ 2 3 ] 杨霞 ， 任伟 ， 洪鹃． 煤矿液压支架控制器测试平 台的研 究设计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 7 ， 3 3 1 8 4 8 6 ． [ 2 4 ] 魏冠伟． S AC型液压支架控制器检测平台的设计 [ J ] ． 煤矿机 电， 2 0 1 4 3 4 2 4 7 ． [ 2 5 ] 李安源 ， 孙 日明 ， 殷杰波． 一种 电子设备 自动化测 试系 统 的设计 与 实现 [ J ] ． 现代 电子技 术 ， 2 0 1 5 ， 3 8 1 0 1 2 8 1 3O ． [ 2 6 ] 党 三磊 ， 张捷 ， 周三 ， 等． 智 能 电能 计量设 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系统 能够对 井下 带式 输送 机煤 炭运输 情况 进行 实 时监 控 ， 并 能对 带 式 输 送 机 的超 温、 烟雾、 跑偏、 堆煤、 撕裂 、 打滑等常见故 障进行报 警 4 ] 。但是系统只能实现故障的语音报警 ， 不能实 现 语音 报警 声音 在 胶带 沿 线 的扩 音播 放 ， 并且 系统 不具有 通话 、 打 点功 能 ， 无 法实 现胶带 沿线 的语 音 和 信号联络 ， 难以满足矿井的安全 、 高效生产要求 。 针 对上 述 问题 ， 笔者研 制 了一种 具备语 音 报警 、 半 双工 通话 和打 点联 络功 能 的矿用 带式输 送机 扩音 电话系统 。根据 系统工作环境和设计要求 ， 采用模 块化的设计思想 ， 遵 照井下电气设备本质安全型设 计 的相关规范 ， 设计了语音报警模块和扩音电话 ； 并 根据 实 际 需 要 提 出基 于 P I C 1 2 F 6 1 5单 片机 的 电池 组充放 电管理方 法 ， 以提 高 电 池组 工 作 的可 靠性 和 稳 定性 。 备， 且多 在强 电压下工作 ， 存 在较 强的 电磁 干扰 ； 矿井 中 电 网 的 电 压 波 动 范 围较 大 ， 常 有 断 电 情 况 发生 。 根据上 述分 析可 知 ， 系统设 计应 满足 以下要 求 ① 声音应能及时准确地传达给胶带沿线工作人员 。 ② 短时间断电仍能维持正 常工作的能力。③ 声音 传输距离要远、 清晰度好且音量高 9 5 d B ， 具有 很 高 的 稳 定 性 、 可 靠 性 和 抗 干扰 能力 。④ 方 便 安 装， 并且具有 良好的可扩展性 。⑤ 采用本质安全型 设 计 ， 并且要 有 防潮 、 防水 、 防尘 和承 受 一 定 机械 冲 击的能力。⑥ 能兼容部分矿井 目前 在用 的扩音 电 话 系统 。⑦ 造 价成 本相对 要 低 ， 且兼 具 实用 性 和经 济 性 。 1 ． 2 系 统 结 构 根据系统设计要求， 并遵 照井下电气设备本质 安 全 型设计 的相 关 规 范 ， 确 定 了系 统 结 构 框 图 ， 如 图 1 所 示 。系统 由语 音 报 警 模块 、 多 部 扩音 电话 和 本安 电源组 成 。语音 报警 模块 布置 在带式 输送 机机 头， 扩音电话和本安电源布置在胶带沿线 ， 各部分之 间通 过音频 线 和 电源 线 即 可连 接 ， 具 有 良好 的 可扩 展 性 。系 统 正 常 工 作 电 压 为 DC 1 5 ～ 2 4 V， 每 个 本 安电源可为 1 O部扩音电话供电， 语音报警模块由靠 其最近的本安电源供 电。 图 1 矿用带式输送机扩音电话系统结构 1 系统 设计 方案 1 ．3 系统功 能 1 ． 1 系统设计 要 求 矿用带式输送机扩音 电话系统作为整个带式输 送机 监控 系统 的一 部 分 ， 安 装 在 井下 带 式 输 送 机 的 机架 上 、 胶 带走 廊或 巷道 一侧 的墙 壁上 ， 工作 环境 复 杂， 设备故障率高 ； 空气中混有 瓦斯和矿尘， 容易发 生爆炸事故； 巷道空间狭小 ， 分布着多种大型机电设 系统 具 有 语 音 报 警 、 半 双 工 通 话 和 打 点 联 络 3种功 能 。 1 语 音报警 。每部扩 音 电话 在正 常 情况 下 均 处 于扩播 状态 ， 当系统 连 接 的任何 一 条 胶 带 发 生设 备启停、 胶带沿线急停、 各类故障保护传感器动作等 情况 时 ， 带式输 送机 监 控 系 统 就会 输 出相 应 的 语 音 2 0 1 7年 第 1期 李宏伟 等 矿 用带式输 送机 扩音 电话 系统研 制 1 9 控制 信 号 ， 将语 音报 警 模 块 中语 音 芯 片 存储 的报 警 声音 信 号输 出耦合 到 系统 的音 频 线上 ， 待 胶带 沿 线 上 的扩 音 电话 接 收 以后 ， 通 过扬 声 器 转 换 为人 耳 可 以听到 的声音 ， 这样 胶 带 沿 线 的所 有 工 作 人员 都 可 知 道 当时设备 的运行 状 态 ， 从 而及 时做 出响应 。 2 半 双工 通话 。每一部 扩 音 电话 都有 一个 通 话按钮和打点按钮 ， 正常运行情况下 ， 通话按钮和打 点 按钮 未按下 ， 扩音 电话 处 于接 收 状 态 。若 需要 喊 话 ， 工 作人员 需按 住通话 按钮 ， 对着 麦克 风拾音 孔喊 话 ， 声音通过麦克风转换为音频信号， 然后传输给整 个 系统 沿线 的所 有扩音 电话进 行扩 音播放 。喊话结 束 之后 ， 放 开通话 按 钮 ， 所 有 话 机保 持 在 接 收状 态 ， 这样就 可 以进行 下一个 通话 。 3 打点 联 络 。正 常 运 行 情 况下 ， 电话 处 于接 收状态 ， 若 需要 打点 ， 工 作 人 员需 按 住 打 点 按钮 ， 打 点电路产生的声音信号传输给整个系统沿线的所有 扩音 电话 扩音播 放 。打点结 束之 后 ， 打 点按 钮弹起 ， 电话恢 复 到扩播 状态_ 7 ] 。打点 时 间和打点 次数 可 以 自行 约定 。 2系统硬 件设 计 2 ． 1 语 音报 警模块 语 音 报警模 块 以 S T M3 2 RB T6为控 制 核 心 ， 包 括语音存储电路 、 音频功放 电路 、 R S 4 8 5 总线通信 电 路 和 电源 电路 等 ， 如 图 2 所 示 。 嚣 繇}． s邶z 音频功 放 电路 R S 4 8 5 总线通信 电路 外部 电源 图 2语 音 报 警 模 块 组 成 语 音 存 储 电 路 中 的 语 音 芯 片 选 用 I S D 4 0 0 4 0 8 MP， 该 芯 片 采 用 多 电 平 直 接 模 拟 量 存 储 技 术 ， 每 个采 样值直 接存 储 在 片 内 闪烁 存储 器 中 ， 能够 真 实 、 自然 地再 现语音 ， 避免 了一 般 固体 录音 电路 因量 化 和压 缩造成 的量 化噪声 和“ 金 属声 ” 。所 有操 作 由 微控制器控制 ， 操作命令通过串行通信接 口 S P I 送 入 。语音芯片中存储了带式输送机启停 、 沿线急停 、 各 类故 障保 护传感 器动作 等报 警声 音信号 。报 警声 音 信号 经 过 功 耗 低 、 总 谐 波失 真 小 的 L M3 8 6音 频 功放后 ， 通过音频耦合隔离变压器耦合到系统的音 频 线上 。带 式输 送 机监 控 系统 通 过 RS 4 8 5通 信 总 线控制 语音 报警 声音信 号输 出 。 2 ． 2扩 音 电 话 扩 音 电话 主 要 由通 话 电 路 、 打 点 电路 、 扩 音 电 路 、 电源管理 电路和其他相关器件组成。扩音电话 原理如图 3所示 。该 电话 由内置的充 电电池供 电， 外 部 电源 D C 1 5 ～2 4 V 只需 通 过 电源 管理 电路 给 电池 提供一 定 的充 电 电流 ， 充 放 电过 程 由充 放 电 管 理单元 进行 有效 保护 和管理 。为了降低 电话 内部 电 路 的功耗 ， 正 常 情 况 下 ， 只 有 扩 音 电路 处 于工 作 状 态 。当需要 使用 通话 或 打点 功 能 时 ， 需要 分 别 按 下 通话按钮和打点按钮 ， 同时相应电路得电工作 ， 使用 结束 以后 ， 按钮 弹起 ， 电话恢 复 到扩播 状态 。 电源管理 电路 通 话电路 打点电路 充 电电池 XS1 冈 通 充电电源 调整开关 麦克风 打点按钮 l扩 音 电 路 二 1 H l扩 音 电 路 卜 卜 _ l_ ] 一 1 L 卜丽丽_ L 图 3 扩音 电话原理 1 通 话 电 路 。通 话 电路 基 于 功放 集 成 芯 片 TD A2 8 2 2 M 及 其外 围 电路 实现 。TD A2 8 2 2 M 具 有 静 态 电流小 、 交叉 失 真 小 等 优 点 。通 话 电路 原理 如 图 4所 示 。TD A2 8 2 2 M 工 作 在 单 声 道 桥 式 B TL 模 式 ， 输 出功率 ≥2 W ， 保证 了声 音 的远 距离 传输 和 语 音 质 量 。C 用 于 交 流 负 反 馈 ， 确 定 响应 低 频 下 限 。C 。 和 R 构成 茹贝 尔 网络 ， 抑制 高频 高次谐 波 ， 使 音频 更加 纯 正 。输 入 和 输 出信号 单 点 接 地 ， 避 免 由高增 益带来 的 自激效 应 。麦克 风拾音 孔将 拾取 的 声音信号转换成 电信号， 在进入音频放大器前 ， 设计 低 噪 声 晶体 管 放 大 电路 ， 然 后 通 过 R C 电路 进行 滤 波和去噪 ， 减少声音传输过程中的高频噪声 ， 避免转 换过程的失真。放大的信号最后 由音频隔离耦合变 压器从 A OUT1端耦合到系统的音频线上。 2 打 点 电 路 。打 点 电路 基 于 施 密 特 触 发 器 C D4 0 9 3 、 功放集成芯片 TD A2 8 2 2 M 及其外围电路 实现 。首 先通 过 C D 4 0 9 3正边 缘触 发单 稳态 电路 产 生 1 1 0 0 Hz 的频率信号 ， 经过 TD A2 8 2 2 M 转换放 2 O 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 GNDI G ND GND 图 4通话 电 路 原 理 大 、 R C滤波 、 去 噪后 ， 由音 频 隔 离 耦 合 变压 器 耦 合 到 系统 的音频 线 上 。 3 扩音 电路。扩音 电路基 于功放集成 芯片 L A4 1 8 3及其外 围电路 实现 。L A4 1 8 3具有开关噪 声低、 饱和失真小和分离度高等优点 ， 工作在输出电 压增 益 较大 的桥 式 B T L 功 放 模 式 ， 其 输 出 电压 增 益 大小 可 以通 过 滑 动变 阻 器 进 行 调节 ， 保证 了在 高 噪声 、 大范围工作环境下声音的响度 。音频信号从 系统 的音 频线 上 由音 频 隔离 耦 合 变压 器 耦 合 过来 ， 经 过 R C滤波 、 去 噪后 ， 通过 L A 4 1 8 3音 频 功 放扩 播 出来 。 4 电源管 理 电路 。电源 模块 采 用镍 氢 电池 组 作为工作电源， 当外部供电临时中断时， 电源模块仍 能维 持 电话正 常工 作l_ 8 ] 。 电池 组 由 6节 电池 串联 而 成 ， 电压 为7 ． 2 V， 容量 为 2 0 0 0 mA h ， 由外部 电源 DC 1 5 ～2 4 V 供 电 ， 通 过 S P X1 1 1 7 一M3组 成 的恒 流 源 电路为 其涓 流充 电 ， 充 电 电流分 为 4 档 1 O ， 1 5 ， 2 0 ， 2 5 mA， 可通 过拨码 开关 S 进行 设置 选择 。 镍 氢 电池 组 充 放 电管 理 电路 如 图 5所示 ， 主芯 片选用 P I C 1 2 F 6 1 5单片机 ， 其模拟量 输入 口 AN3 采 集外 部 电源 电压 ； 模 拟量 输入 口 AN2采 集 电池输 出 电压 ； I ／ O 口 GP 5通过 三极 管 Q 控 制 Q。 实现 充 电 电压 回路 的关 断 ； I ／ O 口 GP 0通 过 三极 管 Q 控 制 Q 。 实现放 电回路的关断 ] 。 1 5 ～2 4V N 。 9 I R 2 lfll 罐 乙 瞎 D 4． R3。 t Q3 图 5 电源管理 电路原理 3系统软 件设 计 3 ． 1语音报 警 子程序 为了保证报警声音的语音质量 ， 语音报警声音 通 过专 业 录音 软 件 Ne wWa y录 入 。 当带 式 输 送 机 启停、 沿线急停 、 各类故 障保护传感器动作等情况发 生 时 ， 带式输 送 机监 控 系 统会 发 送 相 应 的语 音控 制 命令 ， 待语音报警模块接收后 ， 执行准备语音播放命 令 ， 设置语音播放地址 ， 同时调取相应地址上的语音 报警声音进行播放， 播放完成后 ， 程序进入等待控制 命 令状 态 。语 音 报警 子程 序流程 如 图 6 所 示 。 ● 豳 1 N禽 l 执行准备语音 l 播 放 命 令 二二[二 设置语音播放地 二二[ 执行语音播放命 播放完成 图 6语 音 报警 子程 序 流 程 3 ． 2 电池组 管理子 程序 为了保障电话在短时间断电情况下正常工作的 能力 ， 同时有效降低镍氢电池管理电路的功耗 ， 单片 机处于休眠状态 ， 通过定时唤醒监测外部供电电压 和 电 池 组 输 出 电 压 。外 部 供 电 电 压 为 DC 1 5～ 2 4 V， 充电回路工作在最佳状态。图 5中， 当 1 5 V 2 4 V 时 ， 打开 Q 进 行 充 电 ， 否 则 关 闭 Q。 ， 切 断充 电 回路 。为 了防止 电池 由于过 度放 电造成 不可 逆转的损坏 ， 电池输 出电压 。 6 ． 5 V 时 ， 电池 组才 允许 持续输 出 。电池 组管 理子 程序 流程 如 图 7所示 。 图 7 电池组管理子程序流程 ． 二 一 2 0 1 7年第 1 期 李宏伟等 矿用带式输送机扩音 电话 系统研制 2 1 4系统 试验 和调试 4 ． 1 语 音报 警 、 半 双 工通话 和打点 联络 功能 测试 试验 系统 由 1 8 V 开 关 电源 、 语 音 报 警 模 块 和 2部 扩音 电话组 成 ， 如 图 8所 示 。 图 8试 验 系 统 语音 报警 模块 用 于 输 出语 音 报 警 信号 ， 试 验 过 程 中 ， 每 部扩音 电话 的扬 声 器 都 能输 出相 应 的语 音 报警声音 。按下其 中一部电话 的通话按钮 ， 在距离 麦 克风 1 0 2 0 c m 处 对 其持 续 喊 话 ， 另 一 部 电话 的 扬 声器立 即输 出相 应的通 话声 音 ， 通话 按 钮弹起 后 ， 对 另一部 电话 进行 同样 的操 作 ， 均能 达 到 良好 的通 话效 果 。按下 打点 按 钮 ， 打点 声 音 在 2部 电话 上 进 行 扩音播 放 ， 并 且 打点 时 长 由打点 按 钮 按 下 的时 间 自由控制 。试验结果表明， 系统能够实现语音报警 、 半双工通话和打点联络功能。 通过 调节 各部 分 电路 的滑 动变 阻器测 试 电话扩 播 的最高 输 出音量 ， 在不 出现 杂声 的情 况下 ， 用 分 贝 测试 仪记 录扬 声器输 出的最大声 音 分 贝值 。声 音分 贝值 曲线 如 图 9所 示 。由 图 9可 知 ， 在 保 证声 音 清 晰度好的前提下， 扩音 电话的声音平均分贝值可高 达 1 0 0 d B ， 达 到 了预期 的设计 效果 。 图 9 声音 分贝值 曲线 4 ． 2 电池组 充放 电管理功 能测 试 外部 电源 电压 Vi 在 D C1 5 --2 4 V 范 围之 内 ， Q 打开 ， 对 电池 进 行 充 电 ， 否 则关 闭 Q ， 切 断 充 电 回 路 。电池输 出电压 V 6 ． 5 V 时 ， 电池才允 许 续 工作 。电 池 充 放 电管 理 功 能测试 结果 见表 1 ， 达 到了设计 要求 。 表 l 电池组充放电管理功能测试结果 5 结 语 根据带式输送机的现场需求 ， 设计了扩音电话 系统 ， 该系统具备完善的语音报警 、 半双工通话及打 点联络 功能 ， 并且 声音 清 晰度 好 ， 音 量 可达 1 0 0 d B， 解决了现有矿用带式输送机监控系统语音报警 、 通 话功能 不足等 问题 ， 满 足 了煤 矿复 杂环境 的使用 需 求 。 参 考 文献 [ 1 ] 石祥春． 煤矿带 式输送 机安全保 护装置安装 及检验 方 式探讨[ J ] ． 内蒙古煤炭经济 ， 2 o 1 4 7 2 0 9 ． [ 2 3 白亚林 ， 宋建 成． 基 于 P I C的带式输 送机综 合保护 系 统的研 究[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 8 ， 3 4 5 5 2 5 5 ． [ 3 1 黄民 ． 潘虎生 ， 胡 成 ， 等． 钢绳芯带式输送机实时综 合监 测与保护 系统 [ J ] ． 中国矿 业 大学 学报 ， 2 0 0 6 ， 3 5 5 6 73 67 8 ． [ 4 ] 张玉华． 基于 MC G S组 态软件的带式输送 机监控 系统 [ J ] ． 煤 矿机械 ， 2 O l 2 ， 3 3 1 1 2 6 4 2 6 5 ． [ 5 ] 周雷 ， 张振忠 ， 邢进． 井下安 全语音广 播系统 在矿井 生 产中的应用研究[ J ] ． 煤矿现代 化． 2 0 1 1 5 6 2 6 5 ． [ 6 ] 王玉林 ． 基于 C AN 总线 的矿 用广播 对讲 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