朱少群

（安徽理工大學 安全科學與工程學院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

我國是全球產出和消費煤數量最多的國家，在我國能源結構下煤礦為主要能源的方式在50年內基本都不會變動。但長期以來生產過程中的安全隱患大大阻礙了煤炭產業(yè)的發(fā)展。煤礦工業(yè)的發(fā)展過程對我國經濟支撐起著巨大的促進作用，不管是在人們的平常生活中還是在產業(yè)生產過程中，煤都是不能缺少的供能物質。伴隨時代的進步，煤礦產業(yè)開始朝著自動智能化的道路邁進，建設智慧型礦山已成為煤礦開采的一個趨勢。同時煤炭向深部開采更易引起地表塌陷、巷道冒頂脫落等風險事故的發(fā)生，給安全生產帶來極大的隱患。在智能化礦山建設持續(xù)推進的背景下，開展對巷道的自動監(jiān)測的精確化研究對深部開采支護及巷道事故的預防有著重大意義。

目前對巷道斷面進行的監(jiān)測主要是通過巷道圍巖位移的變化量及支護體受力情況兩種方法，這兩種方法分別是對巷道變化率及穩(wěn)定性程度的一種評判。王運森等人針對巷道變形提出了一種監(jiān)測巷道斷面位移的實施方案，通過對巷道表面研究構建物理模型，然后利用激光測距得到測距的數據值，對數據值進行空間插值數學運算使采樣的數據更豐富，最后實現了監(jiān)測數據的變化量在上位機上的動態(tài)顯示。朱文杰等人對巷道斷面變形開展了有效監(jiān)測的研究，在礦井下充分利用了激光測量的原理對巷道斷面變形進行了數據測量，數據通過計算機來進行初步運算處理，得到巷道變形的收斂性，并對巷道的穩(wěn)定性做了一個大致評價。楊曉慶團隊針對深部巷道頂板安全問題，開發(fā)制造了一種包含圍巖變形、支護體受力及頂板離層的安全監(jiān)測系統(tǒng)，并把監(jiān)測到的數據傳到地面，實現了在地面上的監(jiān)測。

在以上對巷道變形的研究中，這些方法在數據采集及處理速度上較為復雜且精確性有待提高；同時在監(jiān)測方面對巷道斷面布置比較單一，選取的測量點個數有限，無法實現多斷面多測點的實時監(jiān)測及數據傳輸組網等一些問題。針對以上問題，本文提出了一種基于激光測距原理和STM32單片機的礦山巷道斷面自動監(jiān)測硬件方案設計，該監(jiān)測可實現巷道斷面監(jiān)測功能，可進行多斷面測點布置來得到巷道斷面的測距值，進行CAN組網實現數據之間傳輸。

1 巷道斷面自動監(jiān)測總原理

基于激光測距的原理，通過32單片機來控制脈沖的數目和頻率帶動步進電動的轉動，每給一個脈沖步進電機就會轉動一次，其步進角帶動激光測距模塊實現一個轉角轉動，在步進角帶動下實現激光測距模塊的180度旋轉，激光測距模塊掃描斷面同時得到測距數據值，最后通過CAN總線實現數據的采集與傳輸。其巷道斷面自動監(jiān)測硬件方案設計主要分為電源輸入供電、電機及電機驅動、激光測距傳感器、CAN通信及故障報警五大模塊，其總原理圖如圖1所示。

圖1 巷道斷面自動監(jiān)測總原理圖

在原理圖中，電源輸入模塊起到為單片機供電的作用，通過電路輸入供電電壓3.3 V使芯片能夠在正常電壓下運行工作。激光測距傳感器是通過固定軸固定在電機M1的轉軸上，然后給電機驅動一個個的脈沖信號，電機在驅動信號下開始一步步的轉動并帶著激光測距傳感器旋轉一周，剛好能很好地完成對巷道整個斷面的完整掃描。其中測距傳感器通過串行RS485與芯片相接實現數據之間的讀寫傳輸。在得到數據后通過CAN總線可實現數據的采集處理與傳輸通信，可在多測點布局下實現數據之間的組網及傳輸處理。在實際應用中，由于大多數巷道并不是水平巷道，而是可能存在著一定的傾角。若電路板與巷道傾斜面不保持水平就會出現掃描面不規(guī)整、不精確的情況，故在設計中添加了電機M2與板子之間水平相固定。圖中M2就起著矯正水平板子的作用，通過電機旋轉較正電路板的傾角確保電機與巷道垂線保持水平，這樣掃描出來的才是一個完整精確的斷面形狀。當發(fā)生故障時，圖中故障報警單元的蜂鳴器進行報警實現故障預警功能。串口屏負責接收和發(fā)送數據，并可實時地顯示出測距數值。

2 硬件選型

在硬件方案設計中，硬件的選擇非常重要，選擇最合適的硬件會取得更精確的結果。在該自動監(jiān)測設計中：選用了ARM系列的STM32F103RCT6單片機作為控制系統(tǒng)的芯片。其有著8個定時器、多個通信協(xié)議、1個SDIO接口、12個通道的DMA控制、1個12位DAC、3個12位ADC和51個通用輸入輸出口。該芯片功能強大、功耗低且價格合理故選用此作為主控CPU。

電機選用的是四相28BYJ-48步進電機，其原理是把一個個脈沖信號轉換為一步步角位移的過程。當一個連續(xù)的控制脈沖輸入到步進電機時，它可以實現連續(xù)的轉動。每個脈沖信號改變一次步進電機一相或兩相繞組的通電狀態(tài)，并與轉子轉動一定角度相對應。需要電機驅動電路來驅動電機旋轉，電機驅動的芯片選用ULN2003。ULN2003的每對達林頓均接了一個阻值為2.7 kΩ的基極電阻。在額定工作電壓下，它能夠同CMOS和TTL的電路直接相接。

除此之外，方案中對激光測距模塊的選擇尤為重要，關系到后期開發(fā)測距后數據的精確性。選用了TOF原理的激光測距模塊，其反應快、精度較高，具體的測距原理如圖2所示。

圖2 巷道斷面激光測距示意圖

圖2以一個圓拱形巷道為例，在其一端設為斷面測點，激光測距傳感器發(fā)射端發(fā)射一個信號，等到接收端接收之后，根據中間時間差可得到測距的距離的值，其數學公式為：

其中式中代表光速，單位為m/s；代表Δ代表發(fā)射和接收之間的時間間隔，單位為s；代表測距的距離，單位為m。

最終根據不同巷道的長寬高綜合考慮，選取測距量程范圍為6～10 m時激光測距傳感器模塊為最佳，選取的測距范圍過大精度會降低且誤差也會較大。同時在此方案中屏幕選用的是智能串口屏，其接口簡單、功能豐富、可編程性強，可以實現數據的存儲傳輸與顯示等功能。

3 電路設計模塊

礦下的機電控制房輸出的直流電壓在12～36 V之間，而給控制芯片的供電電壓3.3 V，需要使用降壓穩(wěn)壓芯片進行直流降壓，從而達到相應供電電壓。其電源供電模塊電路設計圖如圖3所示。

主控制CPU最小單元的電路圖如圖4所示。電源輸入通電后，DSO藍色和綠色指示燈分別亮起。PA9和PA10芯片的引腳為USART接口的串行通信，中間分別連接100 Ω電阻。EPROM存儲單元采用2位串行存儲芯片24C02，可存儲256字節(jié)的數據。其工作電壓范圍為1.8 V至6.0 V。它具有低功耗CMOS技術、自定時擦除周期和一百萬次編程/擦除周期。它可以在斷電的情況下保存程序和數據100年。

圖3 電源供電模塊電路

圖4 主控單元電路圖

電路設計中同時需要USB轉TTL電路可轉換為電平信號，其各外設模塊電路如圖5所示，圖中包含了下載程序接口電路、串口屏、測距傳感器及步進電機等電路圖。其中，下載程序口方便快捷且可選擇接口豐富，可通過MDK燒錄軟件使用SWD接口把程序燒錄進去。其中電路圖中增設了撥碼開關，其可以使程序實現更加靈活化，一共可有16種不同的地址狀態(tài)，可按照不同產品要求設計不同的使用方式，可實現功能多樣化。

方案中最重要的是通信模塊和故障預警模塊，得到測距數據后可通過CAN通信實現數據的傳輸組網。圖6中CAN通信模塊用了兩塊芯片，其供電電壓為5 V，通過電源模塊給該電路供電，芯片的功耗低且收發(fā)數據信號強，CAN總線的傳輸距離遠，數據的傳輸更精準。圖6上側為報警蜂鳴電路，可以起到報警的作用，蜂鳴器正極與電壓相連，負極與Q1三極管相連。三極管的主要功能是電流放大和開關。電流從發(fā)射極流入三極管。在電路中，三極管Q1為NPN型。NPN型由三個半導體組成，包括兩個N型半導體和一個P型半導體。P型在中間，兩個N型半導體在兩側。BEEP為蜂鳴器，其為感性元件，在Q1導通蜂鳴器通電時，就會有導通電流流過蜂鳴器。

圖5 各外設模塊電路設計圖

圖6 CAN通信及報警蜂鳴電路

圖6中R36和R37起限流作用，其中R36起下拉作用，可以提高三極管的關斷速度。在運行中，三極管處于截止狀態(tài)或飽和傳導狀態(tài)，即管的非線性應用。電路中R36的電阻值為10 kΩ。如果R36的電阻值太大，可能會損壞三極管。如果R36電阻值剛好能使三極管處于導通狀態(tài)，則其電阻太小，會增加整個電路的損耗。

4 結 論

基于激光測距的原理，提出了一種以STM32F103RCT6芯片的巷道斷面自動監(jiān)測硬件環(huán)節(jié)設計的方案。硬件設計環(huán)節(jié)包括了電源供電模塊、電機及驅動模塊、激光測距模塊、通信模塊、故障報警模塊，其中增設較正電機可解決巷道傾角問題，使巷道斷面自動監(jiān)測更加精確。該方案實現起來較為簡單且生產成本較低，燒錄程序口方便且更靈活。在礦井各巷道布置及其他重要位置布置中有著很大的應用價值。