基于激光测距的摩擦提升机滚筒绳槽 参数测量仪设计

       摩擦式提升机具有占地面积小、重量轻、安全 系数高、提升能力大等优点［1］，担负着矿井的煤炭、 矸石、人员等各种材料和设备的提升和运输任务， 是矿山生产中极为重要的一个环节［2－5］。多绳摩擦 式提升机是用多根钢丝绳代替单根钢丝绳，正常情 况下，要保持各钢丝绳处于相同响，各绳间的张力重新分配，使得各绳槽磨损程度 不同［6］，为保证各钢丝绳的拉力相等，要求各绳槽 的深度尽量一致。传统的绳槽测量是采用标记法测 量绳槽的周长误差［7］，或是用标准尺直接测量，其 测量方法虽然简单实用，但是效率低、数据少、精 度不高，不能实时测量。深度的绳槽中，即 各钢丝绳有相同的摩擦半径，但由于各种因素的影.

       为了掌握各绳槽的深度信息，确保各钢丝绳的拉力相等，设计了一种基于激光测距的滚筒绳槽参 数检测的专用测量仪，测量仪使用激光传感器测得 绳槽的模拟信号，实现非接触式测量，避免了接触 式测量磨损器件的情况，通过 A/D 转换将模拟信号 转化为单片机可以处理的数字信号，单片机读取信 号并做数据处理，由 DWIN 液晶屏实时显示测量的 结果并存储，便于操作人员及时了解各绳槽的情况。 与传统的标记法相比，该滚筒绳槽参数测量仪测量 精度高、自动化程度高。

1     仪器的总体结构

        本测量仪器主要由激光位移传感器、微控制器 和 DWIN 液晶屏等组成。将激光传感器固定在滚筒 周围可测得绳槽的地方( 安装示意图如图 1 所示) ， 激光传感器可直接测得与绳槽的间距，经微处理器 处理后在液晶屏上显示。

2     硬件设计

       绳槽参数检测仪的硬件主要有激光位移传感器、 存储器、稳压电源及通信电路、显示电路等部分， 总体框图如图 2 所示。

2. 1    微控制器

        测量仪需要处理时刻变化的滚筒绳槽半径的数 据，选择 STC89C52 芯片作为本系统的微控制器。 STC89C52 是一种低功耗、高性能的 CMOS 8 位微控 制器［8］，可以实时处理数据，满足系统的数据处理 要求。

       测量仪测得的初始数据和新测得的绳槽数据要 实时存储，防止数据丢失，STC89C52 单片机的内部数据存储器满足不了测量数据的要求，因此外接一 个 1024 位可编程可擦除带电的串行存储的 93C46 存 储芯片用来存储数据。

2. 2    激光传感器

       测量仪的传感器可以选择接触传感器和非接触 传感器，接触式传感器相对于静态测量比较好，而 对于绳槽检测这种动态的情况就比较不合适，因此， 测量仪选用非接触式的激光位移传感器。

2. 2. 1 激光位移传感器的工作原理

       激光位移传感器以激光器为光源，利用三角测 距原理［9］进行测距。三角位移测量系统是激光器发 出的光线，经过透镜聚焦后垂直入射到被测物体表 面上，物体移动导致入射光线变化，反射方向上光 线通过透镜在探测器成像，从而计算出被测物体的 位移。

       激光位移传感器的工作原理如图 3 所示，若光 线在探测器上的位移为 y，按下式可求出被测物体的 位移:

       式中，a 为激光器发出的光线和被测物体的交 点到接收透镜前的距离; b 为接收透镜后到探测器 表面的距离; α 为激光器发出的光线与接收透镜光 线之间的夹角。

2. 2. 2 激光位移传感器的运行模式

        传感器上电延时一会，接通之后进入运行模式。 按下激光传感器调零按键，检测到按键时，此时的 绳槽参数数据做为基准数据，后面测量的数据都与 此做比较，等待计数中断将绳槽参数数据存储在存 储器中。

       由于 STC89C52 单片机不能直接处理模拟信号， 所以位移传感器输出的电流模拟信号要转换成单片 机可以处理的数字信号。使用一个转换电路将电流 信号转换成电压信号，为了保证测量数据的准确性、滤除高频信号，加上一阶低通 ＲC 滤波电路［10］滤除 高频信号，一阶低通 ＲC 滤波电路的计算公式为:

        式中，f 为频率; Ｒ 为滤波电路中电阻值; C 为 滤波电路中电容值。

       信号再经 A/D 转换芯片 TLC2543 转化成数字量 后交由单片机进行处理，具体电路如图 4 所示。

2. 2. 3 激光位移传感器的测量结果

       由于激光的方向性强、单色性好［11，12］，加上电 子线路的集成化半导体化，与其他非接触类的测距 传感器相比，不仅可以非接触式连续测距，而且在 满量程运行时，测距精度可达到 0. 001mm，功耗低， 安装方便简单。在大屯煤电公司孔庄煤矿主井的检 测时，将激光传感器固定、调零校准之后，测量四 个绳槽的数据见表 1。从表中可以看出 2 号绳槽的磨 损程度稍微大一些。

2. 3     显示电路

       在本测量仪的设计中，为了方便工作人员及时 的掌握绳槽的变化，需要对所测数据实时的显示。 传统的显示部分大多采用数码管显示，数码管显示 方便简单，易编程，但是占用的端口资源较多，对于测量仪中需要显示的参数数据较多，如果每个数 据都占用四位数码管，则需要较多的端口和数码管， 显然是不可取的。

       测量仪选用了一款 DWIN 液晶屏来实时显示测量 数据，该液晶屏不仅占用单片机引脚资源少、能够实 时的显示测量数据，而且还有强大的图形显示功能， 把绳槽磨损的变化以图像的形式显示出来，满足测量 仪的需要。在使用的过程中，功率过低、电流不稳、 电压过小都可能导致 DWIN 液晶屏出现黑屏、闪屏等 不正常的显示情况，为保证 DWIN 液晶屏正常显示和 稳定工作，在设计时采用 24V 供电方式［13］。

2. 4    电源电路

       本设计中，由于测量仪中存在不同电压等级下 工作的元器件，所以需要设计不同类型的电源电路。 激光位移传感器的工作电压范围是 18 ～ 30V，在 24V 工作电压下功耗小于 40mA，选用两块 12V 的蓄电池 串联连接，形成 24V 直流电源，完全满足激光位移 传感器正常工作的需要，同时也满足 DWIN 液晶屏 的工作需要。STC89C52 单片机及储存芯片的工作电 压为 5V，选用 CW7805 构建降压电路为 STC89C52、 存储电路等提供 5V 的电压。电源电路如图 5 所示， 为了降低芯片的耗散功率，加上 CW7812 作为中间 电路，在 CW7805 两边添加电容作为旁路电容，确 保输出的+5V 电压稳定可靠，电阻为限流电阻与发 光二极管相连用于指示电源电路的正常工作。

2. 5   通信电路

       测量仪器需要与上位机通信，因此需要相应的 数据通信接口。本测量仪选用 ＲS－485 作为通信接 口，485 芯片选择 Maxim 公司生产的 MAX485 接口 芯片。MAX485 芯片的内部结构十分简单，含有一 个接收器和一个驱动器，其连接方便，接收器的输 出 ＲO 引脚连接单片机的 ＲXD 引脚，驱动器的输入 ＲI 引脚接单片机的 TXD 引脚，芯片的接收使能ＲE 引脚和发送使能 DE 引脚与单片机的同一个引脚相 连［14］，连接两个 LED 灯，用来指示发送接收信息。

3     参数检测仪软件

      在绳槽参数检测仪的控制系统中，硬件电路是 整个系统的执行机构，而软件编程控制着整个系统 的运行过程，是实现系统功能必不可少的一部分。

      本测量仪器的软件是以 Keil uvision4 为开发工 具，以 C 语言为编程语言设计的，主程序流程图如 图 6 所示。首先给测量仪上电，初始化单片机和各 单元，将初始值通过液晶屏显示出来，当系统处于 检测状态时，激光传感器采集到的模拟量经 A/D 转 化为单片机可以处理的数字量，单片机读取并做相 应的处理后，由液晶屏实时显示测量数据，并将数 据存储在存储芯片中。

4    结 语

      设计了基于激光测距的摩擦提升机滚筒绳槽 参数测量仪。介绍了检测仪的总体结构和硬件要求，并且使用激光测距传感器，实现了检测仪的非接触 性测距，避免了接触式器件磨损的情况。用 DWIN 液晶屏实时显示绳槽的参数，并直观的反应绳槽参 数曲线的变化，对于准确掌握滚筒绳槽各点的磨损 情况、真正解决安全隐患起了重要作用。本文设计 的不足之处在于激光测距传感器的价格比较高，以 后可以考虑使用雷达等价格比较低一些的器件，提 高参数测量仪的性价比。