采煤机截割煤岩嵌入测量装置设计研究

罗兴臣　董璇璇

（江苏中机矿山设备有限公司，徐州 221116）

采煤机截割煤岩嵌入测量装置设计研究

罗兴臣董璇璇

（江苏中机矿山设备有限公司，徐州 221116）

为获得采煤机截割煤岩工作过程中滚筒截割性能的影响因素，提出采用支持FAT文件系统的嵌入式测试装置对截割过程相关参数进行测量。该嵌入式测量装置在不需要外接导线的条件下，保证采集到煤岩截割工作过程中的受力和振动信号能够被直接存储，具有完整的数据采集和存储功能，从而为上位机做数据分析提供可靠保障，减少信号损失及干扰信号的影响。

嵌入式测量装置煤岩截割采煤机滚筒FAT文件系统

引言

随着煤矿安全生产要求的不断提高，作为综采工作面的关键设备，采煤机的自动化成为实现综采工作面自动化和少人化的必要条件。采煤机截割部是一种典型的旋转结构机械。对于该类结构的机械进行数据测量和监测时，需要根据实际工况进行测量和监测系统的设计［1-2］。在采煤机截割部破岩研究中，煤岩是非均匀物质，其崩落时产生的冲击对机器造成严重破坏，因此通过研究截齿受力并分析其冲击规律具有重要意义［3-4］。目前，比较常见的做法是采用通用的数据采集卡，利用有线传输模块进行实时数据通信。这样电路板卡数量较多，电路之间的连线也比较复杂。一方面，占用空间比较大，旋转机械部件上可利用空间有限。另一方面，不利于提高系统的稳定性和可靠性［5-7］。

针对上述情况，设计一种旋转机械受力和振动测量装置。该嵌入式测量装置具有温度补偿、软件校准、模拟信号和数字信号双重输出等功能。本装置把多个模块集成在一块电路板上，形成一个功能完整的数据采集和存储系统，为上位机做数据分析提供可靠保障。

1嵌入式测量装置的硬件设计

旋转机械受力和振动测量装置包括应变片、加速度测量模块、信号采集放大模块、数据存储模块、A/D转换模块、电源模块。本实验装置设计的的信号调理模块对应变电路的mV输入信号进行滤波处理。其中，一端主要与应片计连接的能够调理信号并分别进行放大的调理电路，调理电路的另一端接信号（A/D）转换模块，信号调理模块另一端接avr单片机，avr单片机接有数据采集/串口通信切换开关和SD卡读写模块。该装置支持FAT文件系统，主要表现在单片机数据存储后，与上位机的数据交换模式是具有FAT文件系统功能的模式。嵌入式测量装置的硬件电路框图，如图1所示。

主控制电路采用信号（A/D）转换模块对滤波后的传感器信号直接进行放大、A/D转换等处理，并对外围器件进行控制；电源电压输入调节电路对输入的直流电源进行调节。通信电路用于数字信号的传输，同时实现嵌入式测量装置与上位机直接的数据交互。

图1测试系统的结构形式

1.1电源调节电路设计

本文选取镍氢电池作为直流电源。根据后续信号采集处理电路的输入电压在DC4.5～9.0V，因此需要串联多节镍氢电池，但串联电池的节数不是越多越好。当串联多节电池时，由于电池间性能差异，使得各单节电池电压的离散变化可能性增加，可能造成一组电池在充电若干次后有的过充有的充不满。因此，作为本设计的直流电源方案为串联2节镍氢电池，既能满足信号采集装置的电源需求，也避免了电源电路的复杂性。所述的电源模块将充电电池的电量转换成5V电压提供给单片机，另外还需给SD卡读写模块供3.7V电压。电源主调节芯片采用德州仪器公司的7805芯片。

1.2主控制电路设计

嵌入式测量装置的主控制电路包括ATmega16L单片机芯片、晶振、复位、数据采集/串口通信切换开关等。其中，数据采集/串口通信切换开关是切换该装置数据采集和串口通信两种工作状态的开关电路。所述的SD卡读写模块是直接根据avr单片机的指令对采集到的数据进行存储。

目前，市场上单片机的种类、功能多种多样。本文根据监测装置采集发射的需求，本着方便实用、易于购买、高性价比的原则，结合作者对单片机知识和使用经验的积累，嵌入式测量装置主控制器使用了 ATMEL公司的ATmega16L系列的单片机。ATmega16L单片机是美国ADI公司推出的基于AVR内核的低成本、性能好、性价比高的机型，广泛应用于目前的嵌入式系统中。作为这个设计的电路方案，少了很多外围电路，这是由于ATmega16L芯片内集成了计算机的基本功能部件，芯片本身就是一个完整的最小微机系统，能完成本文要求的各项功能。单片机控制A/D转换器对蓄电池电压和钢丝绳张力进行采集与转换，并将转换后的信号进行数字处理、编码和存储。在进行硬件设计时，如何选择单片机芯片来开发本监测装置非常重要，它决定了其外围电路的设计和相关软件的设计。

1.3嵌入式测量装置信号处理电路

嵌入式测量装置信号中的受力信号调理电路为4路，直接由信号调理模块放大处理后，经由信号（A/D）转换模块直接接入avr单片机，并对数据进行存储操作。这是本采集系统的重要部分之一。模/数转换模块的型号为TLC2543IDW，TLC2543是12位串行模数转换器，它工作电压范围广可达到4～20V，线性度好，最大非线性失真小于0.01%，分辨率可达到 12位，满刻度输出从 1Hz到100kHz，且外接电路简单，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。数据信号从TLC2543IDW输出的频率接入到高速光耦6N137中控制发光二极管的导通，而副边接入到单片机的T0端子进行计数，从而实现单片机监测中心与前端电路的隔离，增强抗干扰性，单片机通过测得输入到T0端子的频率就能知道单体电池的电压。

2结语

基于支持FAT文件系统的嵌入式测试方案，充分利用嵌入式系统的高精度、高性价比的特点，结合相应的信号A/D转换芯片及电源调理电路，完成数据的采集和存储，保证在不需要外接导线的条件下，采集到旋转机械工作过程中的受力和振动信号直接存储，既节省了材料，又能够保证足够大的采样频率，减少信号的损失以及干扰信号的影响，同时提高系统运行的稳定性和可靠性，且具有智能化、结构紧凑、适用范围广、工作可靠等优点，克服了传统装置非智能化、应用现场不便于调节、不便于与上位机通信等缺点。

［1］赵耀军.煤炭三向截割力传感器特性研究 ［J］.煤炭学报，2000，（3）：316-320.

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［7］乔爱民，张炜.基于ARM及温度补偿的智能变送器设计［J］.电子技术应用，2011，（9）：88-96.

Study on the Design of Embedded Measuring Device for Cutting Coal and Rock in Coal Mining Machine

LUO Xingchen，DONG Xuanxuan
（Jiangsu China Mining Equipment Co.Ltd.，Xuzhou 221116）

In order to obtain the influence factors of the cutting performance of the roller during the cutting process of the coal mining machine，the embedded test device which supports the FAT file system is put forward to measure the cutting process parameters.The embedded measurement device needs no outer conductors，which collected in the work process of coal rock cutting by force，and the vibration signal can be stored directly，with complete data collection and storage，and computer data analysis provide a reliable guarantee，reduce loss of signal and interference signal is less affected.

embedded measurement device，coal and rock cutting，shearer drum，FAT file system