王泽林 朱彦谞 张敬淇 朱昱霖 张宸毓

摘要：为解决矿井提升机运行过程中存在的超载提升，钢丝绳受力不均等问题，设计了一款基于ARM的嵌入式矿井提升机超载预警系统。该系统采用先进的传感技术、Sub-G无线通信技术、工业级嵌入式ARM微控制器技术，对数据进行实时采集和无线传输，实现提升机超载监测和钢丝绳张力差监测，有效地避免事故的发生。由于矿井提升机属移动设备，无线数据采集装置只能用电池供电，因此整个系统的设计和选型皆遵循低功耗原则。

关键词：ARM;低功耗;无线传输;数据采集;嵌入式

中图分类号：TD76      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）07-0178-04

Design of Wireless Data Acquisition Device for

Overload Warning System of Mine Hoist

WANG Zelin，ZHU Yanxu，ZHANG Jingqi，ZHU Yulin，ZHANG Chenyu

（China University of Mining and Technology-Beijing，Beijing  100083，China）

Abstract：In order to solve the problem of overload hoisting and uneven force of wire rope in the operation process of mine hoist，an embedded overload warning system of mine hoist based on ARM is designed. The system adopts advanced sensor technology，Sub-G wireless communication technology and industrial embedded ARM microcontroller technology to realize real-time data acquisition and wireless transmission，realize overload monitoring of hoist and tension difference monitoring of wire rope，and effectively avoid accidents. Because the mine hoist is a mobile device，the wireless data acquisition device can only be powered by battery，so the design and selection of the whole system follow the principle of low power consumption.

Keywords：ARM;low power consumption;wireless transmission;data acquisition;embedded

收稿日期：2021-03-14

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助（C202004856）

0  引  言

矿井提升机是我国煤矿生产中一种使用较为频繁的机械设备，为矿产的顺利开采提供技术保障[1]。现代矿井都采用全自动重型矿井提升机，具有容量大、速度快的特点。但有些煤矿为了提高生产效率而超负荷运煤，这大大增加了矿井的危险系数，因此矿井提升机的安全运行问题日益得到重视[2]。

国家已经出台了一系列标准，要求定期对矿井提升机进行检修。但由于矿井提升机工作强度大，出现故障的时间不能确定，定期检修并不能完全杜绝故障的发生;另外，检修时提升机要停止工作，这样会对生产过程造成一定的影响;并且检修的时候需要对提升机进行拆卸，而频繁的拆卸会损害提升机的性能，反而提高了故障的发生率。预警系统与传统的定期检修相比，大大降低了检修成本，这对于确保提升机平稳运行，保证矿井的安全生产具有极其重要的意义[3]。因此通过技术手段對矿井提升机的安全运行进行实时监控，对故障及安全隐患进行及时预警，积极采取应对措施，是目前较为常用的故障诊断形式和方法[4]。

1  系统结构设计

矿井提升机分为两类，一种是缠绕式提升机，另一种就是现在矿井常用的摩擦式提升机[5]。本文的矿井提升机超载预警系统针对多绳摩擦提升机进行设计，由无线数据采集装置和无线数据传输装置两部分组成。无线数据采集装置安装于提升箕斗上，实现对四个分钢丝绳油缸和总钢丝绳油缸的压力采集、换算和传输。通过比较四个分钢丝绳的拉力可判断各钢丝绳的受力是否均匀，避免因受力不均而导致坠落事故的发生，根据总钢丝绳拉力判断箕斗是否超重。无线数据传输装置分别安装在矿井顶部和底部，实现对采集数据的接收以及对无线数据采集装置的唤醒。系统整体示意图如图1所示。

当一个箕斗到达矿井顶部时，系统触发接近开关，将到达信号传输给地面上的传输装置，后者通过CAN总线将信号传输给井底传输装置。井底传输装置随即将位于井底的采集装置唤醒，进行数据采集。采集过程中压力传感器将油缸压力转换为电压信号，电压信号经运算放大器和AD转换器处理后传输给MCU。MCU将油缸压力换算成相应的钢丝绳拉力和提升机载荷，最后经无线模块发送给矿井底部的无线数据传输装置。传输装置收到数据后予以应答，同时通过CAN总线将数据传送给上位机实现实时监控。当箕斗离开地面一定距离后3秒内无法收到应答信号，采集装置进入休眠模式等待下次唤醒以达到节电目的。无线数据采集装置如图2所示。

2  系统硬件选型及电路设计

无线数据采集装置的主要作用是采集箕斗的重量，并将所采集的重量数据传输给井下无线数据传输装置。同时采用高精度电源为模数转换芯片提供基准电压，提高了数据的可靠性。无线数据采集装置结构图如图3所示。

以下为系统硬件选型：

（1）压力传感器。采用MIK-P300压力传感器，该压力传感器的压力核心采用高性能的硅压阻式压力充油芯片，内部的专用集成电路将传感器毫伏信号转化为标准电压、电流或频率信号，可以直接与计算机接口、控制仪表、智能仪表或PLC等连接。远距离传输可以采用电流输出。具有体积小，重量轻的优势，全不锈钢密封系统可以在腐蚀环境中工作，具有较高的抗震和抗冲击性能。工作电源9～36 V，输出电压0～5 V，精度0.1% F.S。

（2）运算放大器。AD8606是单电源双路运算放大器，单电源供电为2.7～5.5 V，额定温度范围为-40 ℃～+125 ℃扩展工业温度范围。主要性能指标为，低失调电压65 μV（最大值）、低输入偏置电流1 pA（最大值）、高开环增益1 000 V/mV。

电压跟随器是运算放大器的特例，是同向输入、放大倍数为1的运算放大电路。具体接线是运放的同相端输入，反相端和输出短接。优点是输入阻抗大，输出阻抗小，还可以隔离前后级电路，消除它们之间的相互影响，可以作为模拟信号的采样输入。运算放大器1和2电路设计如图4所示。

（3）ADC。LTC1408具有6个单独的差分输入，这能确保在同一时刻转换所有钢丝绳上的拉力，保证了系统的实时性和可靠性。同时LTC1408具有的14位精度能够满足实际情况下的精度要求。根据BIP引脚状态的不同，该器件可对0～2.5 V单极输入（或±1.25 V双极输入）实施差分转换。任何模拟输入均可拥有轨至轨摆幅，只要差分输入范围得以保持即可。LTC1408电路设计如图5所示。

（4）MCU。LPC824M201JHI33芯片是一款基于ARM Cortex-MO+的低成本32位MCU系列器件，工作时CPU频率高达30 MHz，支持最高32 kB闪存和8 kB SRAM。此外，该芯片还具有低功耗特点，可进行电源管理，在3.3 V供电下，休眠电流低至0.4 mA。配套外设：一个CRC引擎、四个I2C总线接口、三个USART（最多）、两个SPI接口（最多）、一个多速率定时器、一个自唤醒定时器、一个带PWM功能的状态可配置定时器（SCTimer/PWM）、一个DMA、一个12位ADC、一个模拟比较器、功能可配置I/O端口（可通过开关矩阵配置）、一个输入模式匹配引擎和29个通用I/O引脚（最多）。

（5）无线模块。SI4438是一款高性能、低电流，ISM无线收发器，1.8～3.6 V的宽电压供电范围和低功耗，非常适合于电池供电应用中。SI4438内部集成有时分双工（TDD）收发器，以分组交替的形式发送和接收数据，杰出的-124 dBm灵敏度，超高的+20 dBm输出功率，实现了业界领先的144 dB链路预算，实现了扩展和高度可靠的通信链路。SI4438电路设计如图6所示。

（6）EEPROM。本系统使用CAT1025存储固定参数。CAT1025的电源监控电路和复位电路可在系统上、下电时保护存储器和系统微控制器，防止掉电条件的产生。片内2k位的串行EEPROM构成16字节的页。CAT1025包含1个精确的VCC监控测电路和2个开漏输出。CAT1025还具有写保护输入功能。若要禁用写操作，只需将WP与高电平相连即可。存储器采用400 KHz的I2C总线接口，工作电压范围为2.7～5.5 V，16字节的页写缓冲区，1 000 000个编程/擦除周期，具有工业级及扩展的温度范围。

（7）基准电压源。ADR4550具有高精度、低输出噪声和出色的温度稳定性。采用8引脚SOIC封装，可提供较宽的输出电压范围。主要性能指标：标称电压5 V，输入电压范围3～15 V，初始精度±0.02%（最大值），工作温度范围-40 ℃～+125 ℃，950 μA的最大工作電流和300 mV的最大低压差。

（8）LDO。LP2992AIM5-5.0/NOPB（5 V），将蓄电池的12 V电压变为5 V，给运算放大器、ADC和基准电压源供电。是具有使能功能的250 mA、16 V低压降稳压器。输入电压范围为2.2～16 V，输出电压可选1.5 V、1.8 V、2.5 V、3.3 V、5 V。

LP5907QMFX-3.3Q1，将5 V电压变为3.3 V，给MCU、无线模块和ADC供电。输入电压范围2.2～5.5 V，输出电压范围1.2～4.5 V。

3  系统软件设计

系统的软件设计同样遵循低功耗原则，主要体现在矿井提升机在提升过程中无须进行数据采集，此时系统会进入休眠模式以达到节电目的，与低功耗的硬件选型相互配合，构成了整个系统的低功耗设计。

系统上电之后首先进行系统初始化，然后进入休眠模式等待唤醒。当一个箕斗到达矿井顶部时，相应的另一个箕斗会到达矿井底部开始装载。箕斗在到达矿井顶部时会触发接近开关，将到达信号传输给地面上的传输装置，地面上的传输装置通过CAN总线将信号传输给井底传输装置。井底传输装置随即发送唤醒信号。井底采集装置收到唤醒信号后，MCU将控制压力传感器进行数据采集，采集到的数据经过ADC模数转换后交给MCU处理，最后通过无线模块发送，同时开启定时器。井底传输装置若成功接收到数据则会发送一个应答信号，若在3秒内收到接收装置的应答，定时器清零并进入下一次的数据采集过程，否则进入休眠模式，等待再次唤醒。程序流程图如图7所示。

4  结  论

通过采用SI4438无线模块进行无线数据传输解决了矿井提升机这一移动设备布线难的问题。同时由于矿井提升机是移动设备故系统只能使用电池供电，因此无论是硬件选型还是软件设计，都充分考虑到低功耗原则，在无须采集数据时系统会进入低功耗模式，有效地减少了电池更换的频率。系统采用工业级芯片设计，稳定可靠，适应煤矿恶劣的工业现场环境。本产品与同类产品相比，竞争力更强，具有比较广阔的市场发展前景。

参考文献：

[1] 任文超.矿井提升机检修及常见故障分析与处理 [J].现代制造技术与装备，2019（4）：160-161.

[2] 郭忠彬.分析矿井提升机的检修、常见故障与处理 [J].当代化工研究，2019（9）：8-9.

[3] 杨亚涛.矿井提升机监测与故障诊断系统研究 [D].西安：西安科技大学，2013.

[4] 王建军，武秋俊，王晋涛.基于自适应神经网络的矿井提升机故障诊断 [J].煤矿机械，2020，41（4）：162-164.

[5] 王朋.提升机钢丝绳张力监测系统张力传感器与测力装置的研发 [D].邯郸：河北工程大学，2015.

作者简介：王泽林（2000—），男，汉族，重庆人，本科在读，研究方向：信息工程。