红外线采煤机位置检测装置的研究

李俊士，魏文艳

（北京天地玛珂电液控制系统有限公司，北京 100013）

0 引言

红外线检测技术已经广泛应用到各种电子设备（特别是家用电器）上，该技术成本较低、功耗相对也较低，但是信息传输可靠、抗干扰能力强，已经逐渐被应用到各行业。本文研究了红外线在煤矿井下自动化控制器系统中的应用，设计了红外线采煤机位置检测装置。

1 红外线采煤机位置检测装置的构成

图1为采煤机位置检测装置结构框图。红外线采煤机位置检测装置由红外线发射器及红外线接收器构成。配置到综采工作面时，在采煤机机身上安装一个红外线发射器，综采工作面每个液压支架的前立柱上安装一个红外线接收器。当采煤机运行时红外线发射器会不断地发射红外线信号，而处于采煤机附近的液压支架上的红外线接收器则会接收到红外线信号，接收到正确协议码的红外线接收器会主动向液压支架控制器上报采煤机位置信号。伴随着采煤机的来回运行割煤，采煤机机身附近液压支架上的红外线接收器就可以接收到正确的红外线信号，通过采煤机的宽度和红外线发射器的安装位置就可以判断到采煤机的位置，确认采煤机处于多少号液压支架［1］。

2 红外线发射器及接收器原理

2．1 原理概述

图2为红外线发射、接收原理示意图。红外线发射器实时发射一系列特定的脉冲串信号，该信号由红外发射器内置的单片机将等待发射的二进制信号编码调制后得到。红外线接收器使用一体化红外线接收头，完成对接收到的红外线信号的放大、检波、整形，转变为TTL电平编码信号，再由单片机对TTL电平编码信号进行解码和分析处理［2，3］。

图1 采煤机位置检测装置结构框图

图2 红外线发射、接收原理示意图

2．2 红外线发射器二进制信号的编码

本红外线发射器的二进制信号编码由内置的单片机调制的不同脉宽宽度来表示。当正脉冲的占空比为1／4时，脉冲码为“0”；当正脉冲的占空比为3／4时，脉冲码为“1”。“0”与“1”码识别的波形图如图3所示。

图3 码位识别波形图

2．3 红外线发射器二进制信号的调制

红外线发射器发射频率为38kHz的间断脉冲串信号，该信号由内置的单片机对二进制信号进行调制而来，调制方法为使用二进制信号编码乘以频率为38 kHz的脉冲信号。无论是“0”还是“1”码的脉冲，被调制在38kHz的载波上，而载波的占空比为1／3，这样有利于减小电路中的功耗，提高红外线信号的传送距离［4］。二进制信号的调制如图4所示。

图4 二进制信号的调制

2．4 红外线接收器二进制信号的解调及解码

红外线二进制信号的解调由一体化红外线接收头（HS0038）完成，解调过程如图5所示，正好是图4（a）的取反［5］。当一体化红外线接收头接收到红外线信号脉冲串时，由输出端输出低电平，否则输出高电平，接收器的单片机同时将解调后的信号进行解码，还原出发射器发出的数据，如图6所示。

图5 二进制信号的解调

图6 二进制信号的解码

3 红外线发射器及接收器的实现

3．1 硬件电路设计

发射器及接收器单片机均选用C8051F236。C8051F236是完全集成的混合系统级MCU芯片，具有1 280bRAM及8kb的Flash存储器，32个通用I／O引脚［6，7］，选用晶振频率为24MHz。图7为发射器电路，图8为接收器电路。TSAL6200红外线发射管具有高效、低功耗等特点，其发射角度为±17°；一体化红外接收头HS0038将红外线信号解调后的数据送入接收器单片机中进行解码得到发射端发出的数据。TSAL6200和HS0038之间的有效收发直线距离＞35m。

图7 发射器电路

图8 接收器电路

3．2 红外线发射器程序设计

红外线发射器程序将需要发送的数据调制为38 kHz的脉冲串，所以使用38kHz的矩形波作为载波信号，子程序产生周期为26μs的载波信号。由于硬件设计选择晶振为12MHz，故一个机器周期为0．5 μs，其载波程序如下：

3．3 红外线接收器程序设计

为了保证接收信号和发送信号编码一致，红外线接收器内置单片机在解码时需要反向。内置单片机接收到一体化红外接收头（HS0038）输出的解调信号后，首先判断是否为同步帧，确认是同步帧后进入解码部分，接收并处理完接收到的数据后继续等待下一个同步帧并处理。接收器程序流程如图9所示。

图9 接收器程序流程图

4 结语

本文根据对红外线检测技术的研究，设计了红外线采煤机位置检测装置，给出了其软、硬件的关键设计，并根据设计做出了样机。在实际应用过程中，红外线采煤机位置检测准确，可靠实用，扩充了红外线在煤矿井下自动化系统中的应用。

［1］ 田成金，魏文艳，朱小林．基于SAC型液压支架电液控制系统的跟机自动化技术研究［J］．煤矿开采，2012（2）：3．

［2］ 张宏希．红外接收组件原理及应用电路［J］．石河子大学学报，2005，23（6）：1－2．

［3］ 聂诗良，李磊民．采用单片机发送并接收红外遥控信号的方法［J］．信息技术，2004，28（2）：1－2．

［4］ 纪宗南．红外线遥控发射器的原理及应用［J］．国外电子元器件，1999（10）：2－3．

［5］ 黄如建．红外遥控器的解码设计［J］．电子元器件应用，2006（7）：2．

［6］ 孙立中．步进电机的微机遥控系统的设计［D］．大庆：东北石油大学，2010：23－25．

［7］ 丁元杰．单片微机原理及应用［M］．第2版．北京：机械工业出版社，2001．