液压支架电控系统人员感知模块设计.pdf

第 4 1 卷 第 7期 2 0 1 5 年 7月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n Vo 1 ． 4 1 NO ． 7 J u 1 ．2 0 1 5 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 O 1 5 o 7 0 1 0 1 0 3 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 0 7 ． 0 2 4 康栋梁 ， 刘博 ， 张幸福 ， 等． 液压支架电控系统人员感知模块设计E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 7 1 0 1 1 0 3 ． 液压文架电控系统人员感知模块设计 康栋梁 ， 刘博 ， 张幸福 ， 冯湘。 1 ． 郑 州煤 矿机 械 集 团股份 有 限公 司 ， 河 南 郑州4 5 0 0 0 0 ； 2 ． 郑州 铁 路职业 技 术学 院 ， 河 南 郑州4 5 0 0 0 0 摘要 针 对 液压 支架 动作 范 围 内的人 员感 知 需求 ， 提 出 了一 种液压 支架 电控 系统 人 员感知模 块 的设 计方 案 ， 介 绍 了该模 块 的设计 原 理及 软硬 件设 计 方案 。该 模块 采 用微 波和红 外探 测方 式检 测人 员存在 ， 采 用模糊 路基 数 码分 析 算 法 实现 全 范 围温度补 偿 ， 提 高 了人 员感知 的 准确性 和稳 定性 。 关 键词 液 压 支架 ；电控 系统 ； 人 员感知 ； 微 波探 测 ； 红 外探 测 中图分 类 号 TD 3 5 5 ． 4 文 献标 志 码 A 网络 出版时 间 2 0 1 5 0 7 0 1 1 1 3 0 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 5 0 7 0 1 ． 1 1 3 0 ． 0 2 4 ． h t ml De s i g n o f p e r s o nn e l s e n s i n g mo d u l e i n e l e c t r i c a l c o n t r o l s y s t e m f o r hy d r a ul i c s u p po r t KANG Do ng l i a n g ，LI U Bo ， ZH ANG Xi ng f u ， FENG Xi a n g 1 ． Z h e n g z h o u Co a l M i n i n g Ma c h i n e r y Gr o u p C o． ，L t d． ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 0 ， Ch i n a ； 2 ． Z h e n g z h o u Ra i l wa y Vo c a t i o n a l a n d Te c h n i c a l Co l l e g e ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 0 ，Ch i n a Abs t r a c t A d e s i gn s c he m e o f p e r s o nn e l s e ns i n g mod ul e i n e l e c t r i c a l c on t r o l s ys t e m f o r hyd r a ul i c s u ppo r t wa s pr o po s e d f o r pe r s o nne l s e ns i n g r e q ui r e m e nt i n r a ng e o f hyd r a u l i c s up po r t a c t i o n，a n d d e s i g n pr i nc i pl e a n d de s i g n s c he m e s o f s o f t wa r e a n d ha r d wa r e o f t he mo dul e we r e i nt r od uc e d．The mod ul e s e ns e s pe r s o nne l b y u s e of m i c r o wa v e a n d i n f r a r e d de t e c t i ng me t ho d s，a n d r e a l i z e s t e mpe r a t u r e c o mpe ns a t i o n i n t he wh ol e r a n ge by u s e o f f u z z y s ubg r a d e d i g i t a l a na l y s i s a l g o r i t hm ， whi c h i mpr o v e s c or r e c t n e s s a nd s t a b i l i t y o f p e r s o n n e l s e n s i n g． Ke y wo r d shy d r a ul i c s u pp o r t ； e l e c t r i c a l c o nt r o l s y s t e m ； pe r s o nn e l s e n s i n g； m i c r o wa v e de t e c t i o n； i nf r a r e d d e t e c t j on 0 引言 随着液压支架 电控 系统 的应用 ， 综采工作 面实 现 了机械化 到 自动化 的转变。综 采工作 面环境恶 劣， 噪声大， 粉尘多， 操作人员视线受到限制 ， 无法确 定支架动作范 围内有无人 员作业 ， 造成安全 隐患 。 同时 ， 电控 系统 执 行 自动控 制 时 ， 需 要 明确执 行 区域 内没有人员存在 。人员感知模块即为解决上述问题 而设计 。该模块通过微波与红外探测相结合 ， 可检 测移动、 静止人员 ， 并提供反馈信号 ， 同时配合其他 传感器， 如压力传感器、 位移传感器等 ， 为液压支架 的操作提供安全保障。 1 模 块 设计原 理 人员感知模块组成如图 1所示 。其采用模块化 设计 方式 ， 通 过 四芯 S KK2 4接 口与 支 架 控 制 器 连 接 ， 内含电源线 、 地线和 RS 4 8 5信号线， 既可作为液 压支架电控系统的人员感知模块 ， 又可作为安防设 备的防入侵探测模块。 人 员 感 知 模 块 采 用 C o r t e x M3内 核 的 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 1 1 9 ； 修回 日期 2 0 1 5 0 5 1 9 ； 责任编辑 李 明。 基金项 目 河南省科技攻关计划资 助项 目 1 4 2 1 O 2 2 1 O 5 8 2 。 作 者简 介 康 栋梁 1 9 8 4 -- ， 男 ， 河南方城人 ， 助理工程师 ， 硕士 ， 主要从 事煤矿综采 液压支架 电控系统 设计工作 ， E ma i l d o n g l i a n g k a n g 1 6 3 corn。 1 O 2 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1卷 支架控制器 R S 4 8 5 通信 单元 微波探测单元 红外感知单元 声光报警单元 电源 复位 电路 AD 采样单元 单元 图 1人 员感 知 模 块 组 成 L M3 S 2 9 6 5微控 制 器作 为 MC U_ 】 ] ， 实 现待 机 ， 电压 、 电流 监测 ， 信 息接 收 与 处 理 ， 人 员 感 知 ， 监 测 状 态 上 传等功能 。电源采用 1 2 V供 电， 内置高效率、 低功 耗 的电压转换 电路 ， 提高工作 电压的稳定性 。通信 单 元采 用 RS 4 8 5总线 方式 ， 技术 成 熟 ， 性 能 稳 定 ， 可 实现长距离数据传输。人员感知模块采用微波和红 外 结 合 的方式 ， 微 波 探 测 单元 通 过 多 普 勒 效 应 探 测 当前支架动作 范围 内有无移动物体 ， MC U接 收到 信号后 ， 打开红外感知单元 ， 通过人体红外特征感知 当前 物体 是 否为工 作人 员 。 2模 块硬 件 设计 2 ． 1 电 压 转 换 电 路 电压 转换 电路 如 图 2所示 。电源 由支架 控制 器 通过 电缆接人 ， 经过二极管 D ， D ， 熔断式保险丝接 人开关电源 。双二极 管提高了保护性能 ， 达 到本质 安全设计要求 ； 熔 断式保 险丝实现过 流保护 。R ， R 为高精度电阻， 采 用分压原理 ， 将较低 电压传送 至 MC U 的 AD接 口 ， 实 时 监 测 供 电 电压 。D D 用 于保 护 MC U 引 脚 ， 防止 受 到 过 压 、 负 压 等 损 坏 。 电流采 集芯 片 MAX 4 3 7 2用于 实 时监测 人 员 感 知模 块 的 工 作 电 流 ， 通 过 采 样 电 阻 R 。 ， MAX4 3 7 2的 OUT端 输 出采样 电压 ， 经计 算 得 到模 块 工 作 电流 。 为 防止 电流 过 大 等 原 因损 坏 R ， R 选 用 大 功 率 直 插式 电阻。MC U、 R S 4 8 5 通信单元和微波探测单元 等采用 3 ． 3 V或 5 V 供 电， 1 2 V 电压经开关 电源 L T3 8 4 0转 换 为 所 需 电压 。 L T3 8 4 0功 耗 小 ， 效 率 高 ， 输出电压可调 ， 最大 限度 地提高 了电源转换效 率 ， 减少 因发热等损耗 的能量 ， 同时体 积小 ， 节约电 路板空间。通过调节 R R 阻值 ， 可以方便地调节 电源输 出电压 。瞬 态抑 制二 极 管 D 用 于 保 护 电 源 失效等未知情况的电源故障， 防止 1 2 V电源接人后 续 电路 ， 损 坏 元器 件 。 2 ． 2 R S 4 8 5通信 单元 人员感 知模 块通过 R S 4 8 5通信单元与支架控 制器构建联 系， R S 4 8 5通信单元 电路 如图 3所示 。 R S 4 8 5 收 发 器 S P 3 4 8 5 E N数 据 接 收 端 和 发 送 端 均 D 3 3V 图 2电 压 转 换 电 路 通过光电耦合器 HC P L 2 6 3 0与 MC U 连接 ， 保证 了 通信 的本 质安 全要 求 。HC P L 2 6 3 0输入 与 输 出端 口 间采用硬件隔离 ， 电信号传输具有单 向性等特点 ， 具 备 良好 的 电绝 缘 能力 ， 同 时其 输 入 端 属 于 电流 型 工 作 的低 阻元件 ， 共 模抑 制 能力较 强 ， 提高 了通 信 的稳 定性 和抗 干 扰 能 力 。TVS二 极 管 S M1 2具 有 反 应 速度快 、 过电流 大等特点 ， 可实 现 RS 4 8 5通信 的浪 涌过 电压保护 。R 为终端电阻 ， 有效减少 了信号反 射 等影 响 。 n3 3V 图 3 RS 4 8 5通 信 单 元 电 路 2 ． 3红 外感知 单元 红外感 知 单 元 电路 如 图 4所 示 。红 外 传 感 器 RE 2 0 0 B用于探测 是否有工作人员存 在 ， 当探测 到 人员存在时产生微弱 的电平信号 ， 通过 由运算放大 器、 电压 比较器 、 状态控制器 、 延迟时 间定时器 以及 封 锁 时 间 定 时 器 等 构 成 的 数 模 混 合 专 用 芯 片 B I S S 0 0 0 1 E 对信号进行调理后 ， 经 VO端 口输 出并 2 0 1 5年 第 7 期 康 栋 梁等 液 压 支架 电控 系统人 员感 知模 块设 计 1 0 3 连接二极管 D 。 及三极管 Q 。MC U 采集 Q 集 电 极电平高低 变化 ， 以此确定 是否感知 到人员存 在。 同时， MC U通过控制 Q 导通与否 ， 实现 B I S S 0 0 0 1 工作与关 闭， 降低功耗。二极管 D D 。 具有单向导 通功能 ， 提高了控制的稳定性 ， 同时防止 MC U管脚 因电压 过高 而损 坏 ] 。 r3． 3V Y c c5V 图 4红 外 感 知 单 元 电路 2 ． 4微 波探 测 单元 微波探 测 单 元 电路 如 图 5所 示 。微 波 模 块 HB 1 0 0为电路核心 ， 以 L M3 2 4为外 围电路。MC U 生成的 P WM 波控制 Q。通断 ， 在低 占空 比脉 冲供 电 P W 模 式 下工 作 时， 由宽 度 为 2 O s 、 频 率 为 2 ． 0 k Hz 的脉冲供 电， 1 O 的 占空 比脉冲供 电时平 均 电流为 1 ． 2 ～ 4 mA， 有 效 降低 了 电路 功耗 。当探 测到人员时 ， HB 1 0 0的 I F脚输出信号 ， 经 C 。 滤 除 直流信号 ， R 。 耦合 到 L M3 2 4同相输 入端进 行放 大。方波通过 C 。 ， R 3 耦合到 L M3 2 4 构成的比较电 路 ， 转换为相 同频率方波 ， 传输 至 MC U 管脚 P D1 。 高低电平的变化触发 MC U 中断程序 ， 计算 出频率 值 ， 根据频率变化确定是否有人员变化[ 4 ] 。 图 5 微 波探 测单元 电路 2 ． 5其他 单 元 声光报警单元用于支架动作前和支架动作中的 警 示 ， 声 音 和灯光 可 同时或 单 独启动 。多个 L E D 指 示灯指示电源通断、 程序运行状态等。数字地和电 源地有效隔离 ， 增强了模块的稳定性和抗干扰能力 。 温度监测单元用于监测当前环境实时温度， 修正探 测 误 差 。 3模 块软 件设 计 人 员感 知模 块软 件 主要完 成 电源 电压稳 定性监 测 、 模块工作电流监测、 指令接收、 数据上传、 探测单 元功耗控制、 探测信号接 收、 声光报警 、 温度监测等 功 能 。软件 流程 如 图 6 所 示 。 塑 主 系统初始化 二 三 发送 系统状态 习厂一 等待指 令 测命 高 声光报警 ；可 发送人员 感知信息 图 6 人员 感知模块 软件流程 人员感知模块通信协议采用 Mo t o B u s 协议 ， 应 用 中只需 发 布对应 的数 据 链 表 即 可 实现 集 成 应 用 。 为保证通信的稳定性和准确性 ， 防止通信数据丢失 ， 增加 了通信缓存 队列设计 ， 并 计算 了通信冗余 量。 探测信号处理程序基于模糊路基数码分析算法I s 3 ， 具备全范 围精密温度补偿 ， 抗 干扰能力强 ， 可防误 报 ， 提高了人员感知模块的灵敏度和准确度 。 4 结语 液压支架 电控系统人员感知模块可实现液压支 架执行动作前获取人员所在位置信息 的功能 ， 以保 证 工作 面所有 人员 的安 全 ， 具 有很 好 的应用 前景 。 参考文献 1- 1 ] 赵曼 ， 武风波 ， 汪正进 ， 等． 矿井信号 收发器通 信模块设 计 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 1 2 9 - 1 2 ． [ 2 ] 曾李荣． 红外热释电 B I S S 0 0 0 1 处理芯 片级 电路 的应用 [ E B ／ O L] ．[ 2 0 1 2 4 1 O ] ．h t t p ／ ／ we n k u ． b a i d u ．c o m／ v i e w／ 0 9 e c a f 7 7 7 f d 5 3 6 0 c b a l a d b 5 6 ． h t ml r e v i e w． [ 3 ] 严 刚峰 ， 方红 ， 杨维 ， 等． 减小 干扰源耦合影 响的电路设 计探讨[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 5 2 2 2 6 ． [ 4 ] Ag i l i s 通信技术公司． HB 1 0 0微 波 模 块 使 用 说 明 书 [ E B ／ O L] ． [ 2 0 1 4 0 8 2 0 ] ． h t t p ／ ／ w e n k u ． b a i d u ． c o m／ v i e w／ a a 2 4 b 9 4 b 8 5 2 4 5 8 f b 7 7 0 b 5 6 f O ． h t ml r e v i e w． [ 5 ] 何燕玲． 雷达测速 算法研 究与软 件实现[ D ] ．武汉 华 中科技大学 ， 2 0 1 2 ． r l N