小绞车的测速定位系统定稿.docx

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小绞车的测速定位系统定稿

毕业论文

姓名：

韩广来

专业班级：

2013级矿山机电专业

论文题目：

小绞车的测速定位系统

日期：

2015年1月20日

目录

摘要………………………………………………………………4

1绪论……………………………………………………………5

1.1井下小绞车的用途…………………………………………5

1.2小绞车测速定位系统的作用……………………………5

1.3论文的主要工作…………………………………………6

2系统的总体设计和工作原理…………………………………9

2.1系统设计方案的选择……………………………………9

2．2系统的总体结构…………………………………………11

3系统的硬件设计…………………………………………………13

3.1微处理器选型……………………………………………13

3.2电源电路设计……………………………………………13

3.3开关电路设计……………………………………………14

3.4光电编码器………………………………………………15

3.5输入信号处理电路………………………………………17

3.6复位及看门狗电路………………………………………18

3.7时钟脉冲电路……………………………………………19

3.8485通讯线路……………………………………………21

3.9161计数线路……………………………………………22

3.10显示电路………………………………………………23

4系统的软件设计…………………………………………………26

4.1引言………………………………………………………26

4.2主单片机流程图…………………………………………26

4.3片口单片机主程序………………………………………30

4.4片口单片机串行通信中断服务程序…………………32

4.5片口单片机外部中断0服务程序……………………33

参考文献………………………………………………………33

摘要

首先，在综合分析了影响模拟量和数字量测速的基础上，对基于数字脉冲计数的测速方法进行了全面的研究。

其次，AT89C52单片机为核心构成了测速系统，并完成了用M/T法实现对绞车高低速的测量，以及基于485协议实现信号井下远程传输并通过通信实现深度数据的校正。

再次,本系统采用增量式光电编码器，通过测量滚筒的转速，再根据滚筒的直径进行测量缆绳的线速度，同时同多对滚筒直径的变化进行校正。

关键词；小型绞车测速定位单片机校正

ABSTRACT

First,thecomprehensiveanalysisoftheimpactofanaloganddigitalspeedbasedonthecountbasedondigitalpulsevelocitymethodacomprehensivestudy.

FollowedbySTCmicrocontrollercoreconstitutethegunsystem,andcompletedwiththeM/Tmethodtoachievehigh-speedmeasurementsonthewinch,andthe485protocol-basedsignaltransmissionandundergroundremotedatathroughcommunicationtoachievethedepthofthecorrection.

Again,thissystemusesanincrementalphotoelectricencoder,bymeasuringthespeedofroller,andthenmeasuredaccordingtothediameterofthecabledrumlinespeed,whilemanyofthedrumwiththechangesindiametercorrection.

Keyword：

SmallwinchSpeedLocateSCMRegulate

1绪论

1.1井下小绞车的用途

在煤矿井下不可或缺的是小绞车，它的出现不仅为井下矿工节省了大量的劳动力，使井下工人节省了体力，并可以把节省下来的体力用在其工作面，在这种情况下井下矿工减少了使其疲惫的工作量，相对来说也为井下工人提供了安全的保障，而且也提高了煤矿井下的工作效率，为国家在一定的时间内开采出更多煤炭，所以在某种程度上来说，井下小绞车的作用是不可忽视的。

JD系列调度绞车用于矿井内的井下车场、中间巷道和采区运输巷等调度车及地面拖拽搬运重物等作业。

煤矿井下频繁开采出大量的矸石，这些矸石不能随煤炭一起经主井绞车提到地面，否则对井上的工作量大大增加，也降低了产煤的效率，显然，这些矸石需要寻求另一种方式运到地面，这时，小绞车的作用是至关重要的，如果绞车用人来拉，在上山和下山的轨道上，造成事故的概率是非常大的，不仅是这些矸石，当井下工作面需要安装新设备，更换设备，回收设备的时候，小绞车起到了运输的做用。

1.2小绞车测速定位系统的作用

目前，在煤矿中绞车运输应用广泛，特别是小型绞车，包括JD-25、JD-40、JD-55应用更加广泛，而且数量较多，而对于这类绞车的各类保护少之又少，这些绞车均为滚筒式多层缠绕，电动机的转速是一定的，但其间有离合器，而每层绳在滚筒上的直径是不同的，所以出绳的速度是变化的，而现在所有的限速规定均是以钢丝绳的线速度为考核标准的，所以这类小型绞车的绳速准确与否成为这种考核落实的关键所在

由于许多系统对煤矿井下设备的研究绝大多数把重点都放在大型设备上，不断提升大型设备的工作性能，无论在生产性能上，还是在安全性能上都做得很完善，基本实现了自动控制，保障了煤矿井下的生产安全。

但各个厂家对小型设备的研究较少，大多数制造小型设备的厂家，基本上只考虑生产性能，而对其他方面研究设计很少，因此，对小型绞车的研究只停留在生产性能上。

由此可见，小绞车的运行安全对工人的生命有着至关重要的作用，解决小绞车的这些不足，不仅是技术上的改进，还是对井下工人的生命的负责，随着社会的发展，煤矿安全越来越得到社会的关注，国家领导对煤矿安全问题和井下工人生命的重视也越来越明显，

1.3论文的主要工作

本课题以718模型为实验对象，对编码器的测速方法进行了研究。

主要研究工作如下:

1.根据数字测速的原理，确定了在数字信号处理器TMS32OLF24O7上实现对电机低速测量的实验方案。

2.详细比较了各种测速方法的性能后，选择用变M/T法完成对测速系统的硬件电路与软件的设计及调试并采用23位绝对式编码器中的14位精码构成了测速系统，软件上实现了对电机低速转速的测量。

实验结果表明:

用变M/T法解决了最初提出的传统方法测量力矩电机低速转动时，测速精度低，测速范围窄的问题，达到了实验研究的目的。

系统结构主要由测速与校准传感器、单片机信号处理系统和报警系统三大部分组成。

（一）测速与校准传感器

1．主要功能：

绞车钢丝绳速度测量与绞车定位校准；

2．要利用直流测速发电机对绞车钢丝绳的线速度进行测量并进行信号的初步处理。

能够精确测量绞车钢误差不能超过0.5米/秒；

3．测速发电机与主导轮之间加一级传动装置，使得发电机传动轴只受转矩防止被折断；

4．在钢丝绳速度精确测量基础上，对绞车位置精确定位，实时表明绞车位置，误差不超过1米；

5．位置校准传感器系统是一固定在巷道的已知位置的光电传感器，利用它对速度测量的位置进行校正并进行信号的初步处理；

（二）.单片机系统

1.对传感器系统传送来的模拟信号进行A\D转换，并用液晶或数码管显示数据，设置键盘可进行相应参数如片口位置和报警位置的重新设定；

2.通过由速度测算的速度与通过固定位置传感器得到的位置信息相比较对位置进行校正，初步设定为相差0.5米时进行一次位置的重新设定；

3.使用多MPU，分功能使用，可包括只用于信号处理的CPU、用于显示的系统的CPU、用于打印与报警管理与片口位置及报警点的重新设定的CPU（通过外接键盘实现重新设定）；

4.能够对多传感器进行管理，采集多路数据对数据进行减小误差处理，若某路传感器出现故障能够报警及提示故障传感器的编号;

5.单片机之间的通信采用RS—485总线,进行网络化通信实现各片口MPU与主机之间的通信.

（三）警系统三大部分组成。

1．主要功能：

绞车钢丝绳速度测量与绞车定位校准；

2．要利用直流测速发电机对绞车钢丝绳的线速度进行测量并进行信号的初步处理。

能够精确测量绞车钢误差不能超过0.5米/秒；

3．测速发电机与主导轮之间加一级传动装置，使得发电机传动轴只受转矩防止被折断；

4．在钢丝绳速度精确测量基础上，对绞车位置精确定位，实时表明绞车位置，误差不超过1米；

5．位置校准传感器系统是一固定在巷道的已知位置的光电传感器，利用它对速度测量的位置进行校正并进行信号的初步处理；

6.传感器均采用多余度方式，即采用多传感器，对数据进行综合处理，并可防止一个传感器失灵造成整个系统的瘫痪。

2系统的总体设计和工作原理

2.1系统设计方案的选择

目前，在数字系统中测速装置主要分为两类。

一类是把测速机的模拟

输出信号经A/D变换为数字量，然后输入到计算机中。

这是一种比较成熟

的测速方法。

其优点是响应速度快，时间延迟小，其缺点是测速机灵敏度

低，寿命短，而且必须安装测速机。

特别是与力矩电机配合使用的高灵敏

度测速机情况更是如此。

此外速度分辨力和量化误差受到A/D转换芯片的

位数限制。

例如一个n位的A/D转换芯片，考虑到正负转向，其最大测速

比为:

D=2n-1，如果系统要求的最高转速为Vmax，则系统的最高分辨率为Vmax/D=Vmax/2n-1。

另一类方法是直接采用数字测速。

随着数字测速的完善和发展，在速度回路中用它来代替直流测速机，不但可提高测速精度，扩大测速范围，

还可大大简化系统体积结构，这对设计高精度、高分辨率、小型化的测速系统显得尤为重要。

数字测速是多种多样的，有脉冲测速机，光栅盘等。

目前使用最广泛的是增量式编码盘。

在闭环伺服控制系统中，根据脉冲计数来测量转速的方法有下列几种:

M法、T法，以及后来发展的M/T法、变

M/T法等。

而多周期同步测频法是近期在发展变M/T法基础上发展起来的。

各种方法有其各自的优点及其具体的适用与范围。

就本课题所研究的光电跟踪设备而言其跟踪伺服控制系统由高低角

和方位角伺服控制系统组成，用于驱动跟踪架跟踪并拍摄高低空飞行目标，

确定目标参数。

主要伺服控制系统组成结构如图2-1所示。

通常采用速度回路和位置回路二环控制。

跟踪伺服系统的速度精度及低速平稳性是评价转台性能好坏的重要标志。

测量元件、反馈元件的误差（角位置测量误差，

速度测量误差）是一种有规律的误差，它将引起转台产生有规律的速度波

动，而且这种速度误差不能通过改变控制系统的参数来消除或减小。

所以

在测速系统中选择适宜的测量元件和反馈元件，以尽量减小其自身的误差，

对提高系统的测量精度及平稳性将有重要的意义。

图2-1伺服系统基本组成结构

在全面总结了多种测速方法基础上，研究了其结构特征和测速系统新型测速方法的软、硬件实现等问题。

具体说来，本课题对编码器的测速方法进行了研究。

主要研究工作如下:

1.根据数字测速的原理，确定了在数字信号处理器上实现对电机低速测量的实验方案。

2.详细比较了各种测速方法的性能后，选择用变M/T法完成对测速系统的硬件电路与软件的设计。

实验结果表明:

用变M/T法解决了最初提出的传统方法测量力矩电机低速转动时，测速精度低，测速范围窄的问题，达到了实验研究的目的。

2．2系统的总体结构

对输入信号采用光电编码器输入的方式，将光电编码器安装在绞车滚筒的轴心位置，光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。

这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。

光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。

由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。

此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90旱牧铰仿龀逍藕拧

EPC－755A光电编码器具备良好的使用性能，在角度测量、位移测量时抗干扰能力很强，并具有稳定可靠的输出脉冲信号，且该脉冲信号经计数后可得到被测量的数字信号。

因此，我们在研制汽车驾驶模拟器时，对方向盘旋转角度的测量选用EPC－755A光电编码器作为传感器，其输出电路选用集电极开路型，输出分辨率选用360个脉冲/圈，考虑到汽车方向盘转动是双向的，既可顺时针旋转，也可逆时针旋转，需要对编码器的输出信号鉴相后才能计数。

光电编码器实际使用的鉴相与双向计数电路，鉴相电路用1个D触发器和2个与非门组成，计数电路用3片74LS193组成。

当光电编码器顺时针旋转时，通道A输出波形超前通道B输出波形90°，D触发器输出Q（波形W1）为高电平，Q（波形W2）为低电平，上面与非门打开，计数脉冲通过（波形W3），送至双向计数器74LS193的加脉冲输入端CU，进行加法计数；此时，下面与非门关闭，其输出为高电平（波形W4）。

当光电编码器逆时针旋转时，通道A输出波形比通道B输出波形延迟90°，D触发器输出Q（波形W1）为低电平，Q（波形W2）为高电平，上面与非门关闭，其输出为高电平（波形W3）；此时，下面与非门打开，计数脉冲通过（波形W4），送至双向计数器74LS193的减脉冲输入端CD，进行减法计数。

3系统的硬件设计

3.1微处理器选型

本系统中需要检测的信号只有两路传感器信号，信号处理的算法也不是特别的的复杂，不需要进行大量的数据运算，因此对单片机速度的要求不是很高，并且考虑到成本和公司芯片使用延续性等方面，本系统采用了八位单片机51系列的典型产品AT89C52。

AT89C52是ATMEL公司生产的一种低功耗、低电压、高性能的8位单片机，该单片机的主要特点是片内带有一个8KB的FLASH可编程可擦除只读存储器，该存储器采用CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统都与MSC-51兼容。

片内的FLASH存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程，操作十分方便。

并且，51系列作为最成功的单片机之一，许多功能更强大的单片机也采用的51内核，在芯片的管脚、功能以及寄存器等方面都同AT89C52有着良好的兼容行，因此采用该款单片机的优势在于，以后如果升级系统，需要采用更高级的、功能更强大的芯片时，可以方便的进行程序的移植，不需要重新开始设计整个系统，大大提高了工作效率。

3.2电源电路设计

电源电路是系统中不可缺少的一个环节，系统采用矿用防爆兼不间断电源供电。

矿用防爆爆兼不间断电源是一种允许在瓦斯、煤尘爆炸危险环境中使用的通用防爆兼不间断电源，适用于向矿用本质安全型设备提供电源。

防爆兼不间断电源工作原理为交流电源经由变压器降压后经整流、滤波及稳压等环节，输出稳定的直流电压，此电压经充电电路对备用蓄电池充电，储存电能。

同时经稳压环节得到稳定的电压输出。

为满足安全性能要求，采用双重过流过压保护。

该电源具有不间断供电功能，在煤矿现场因意外事故突然断电时，可以通过电源内部的储电设备为系统负载提供2一3小时的供电需求，保证检测系统的不间断工作。

本系统所需电压有+3.3V和+5V三种。

因此为了满足系统供电电源的需求，还得对防爆电源输出的18V直流电压值进行稳压。

同样，考虑系统的设计成本以及芯片的使用熟练度，本部分采用的稳压芯片为7812、7805，经过两级稳压后，系统便能获得稳定的所需电压值，电源电路设计图如图3.1所示。

图中的稳压芯片7812和7805为W7800系列产品采用塑料封装，图中的电容C1为了对输入电压进行滤波，选用了10UF的电解电容。

C2采用0.olUF的瓷片电容，用于抵消线路中的电感效应，以防止电路产生自激振荡。

，C3采用0.01UF的瓷片电容，用于消除输出电压中的高频噪声。

图3.1电源电路

3.3开关电路设计

本系统涉及到的开关设计主要有两种:

控制系统供电的电源开关和对检测仪进行地址设置的编码开关。

本系统的电源控制开关为触点式按键开关，共有两个按键，按键SWZ控制系统的供电，按键SW1控制系统的断电。

该部分的电路通过一片高压光电隔离继电器AQW214与一个9012配合实现。

AQW214采用光电隔离设计，能够有效地减少电源对系统产生的噪声影响，芯片两端最大隔离电压为400V的直流或交流电压，电路的响应时间在10ms左右，符合系统供电参数的要求。

电路设计图如图3.2所示。

当触点式按键SW2按下时，得到输入电压Vin，AQW214的1、2、3、4管脚以及按键SW2构成回路，芯片的7、s和5、6管脚导通，同时电阻R3、AQW214的1、2、3、4、5、6管脚构成回路，7、8管脚便形成持续性导通，因此9012的基极为低电平，9012实现导通从而Vout=Vin，实现系统的持续供电。

当系统需要断电的时候，按下按键SW1，AQW214的l管脚输入为低电平，导致AQW214的5、6、7、8管脚断路，因此该电路便不能导通，Vout=0，从而实现系统的断电。

图3.2开关电路

3.4光电编码器

对输入信号采用光电编码器输入的方式，将光电编码器安装在绞车滚筒的轴心位置， 光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。

这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。

光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。

由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图3.3所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。

此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差的正负。

增量编码器是以脉冲形式输出的传感器，其码盘比绝对编码器码盘要简单得多且分辨率更高。

一般只需要三条码道，这里的码道实际上已不具有绝对编码器码道的意义，而是产生计数脉冲。

它的码盘的外道和中间道有数目相同均匀分布的透光和不透光的扇形区（光栅），但是两道扇区相互错开半个区。

当码盘转动时，它的输出信号是相位差为90°的A相和B相脉冲信号以及只有一条透光狭缝的第三码道所产生的脉冲信号（它作为码盘的基准位置，给计数系统提供一个初始的零位信号）。

从A，B两个输出信号的相位关系（超前或滞后）可判断旋转的方向。

当码盘正转时，A道脉冲波形比B道超前π/2，而反转时，A道脉冲比B道滞后π/2。

图3.4（b）是一实际电路，用A道整形波的下沿触发单稳态产生的正脉冲与B道整形波相‘与’，当码盘正转时只有正向口脉冲输出，反之，只有逆向口脉冲输出。

因此，增量编码器是根据输出脉冲源和脉冲计数来确定码盘的转动方向和相对角位移量。

通常，若编码器有N个（码道）输出信号，其相位差为π/N，可计数脉冲为2N倍光栅数，现在N=2。

图3电路的缺点是有时会产生误记脉冲造成误差，这种情况出现在当某一道信号处于‘高’或‘低’电平状态，而另一道信号正处于‘高’和‘低’之间的往返变化状态，此时码盘虽然未产生位移，但是会产生单方向的输出脉冲。

3.5输入信号处理电路

施密特触发器也有两个稳定状态，但与一般触发器不同的是，施密特触发器采用电位触发方式，其状态由输入信号电位维持；对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号，施密特触发器有不同的阀值电压。

　　门电路有一个阈值电压，当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态将发生变化。

施密特触发器是一种特殊的门电路，与普通的门电路不同，施密特触发器有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。

在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压

图3.3施密特波形图

，在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压。

正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压。

　　它是一种阈值开关电路，具有突变输入——输出特性的门电路。

这种电路被设计成阻止输入电压出现微小变化（低于某一阈值）而引起的输出电压的改变。

　　利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。

输入的信号只要幅度大于Vt+，即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。

当输入电压由低向高增加，到达V+时，输出电压发生突变，而输入电压Vi由高变低，到达V-，输出电压发生突变，因而出现输出电压变化滞后的现象，可以看出对于要求一定延迟启动的电路，它是特别适用的.

从传感器得到的矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变。

当传输线上的电容较大时，波形的上升沿将明显变坏；当传输线较长，而且接受端的阻抗与传输线的阻抗不匹配时，在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象；当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号时，信号上将出现附加的噪声。

无论出现上述的那一种情况，都可以通过用施密特反相触发器整形而得到比较理想的矩形脉冲波形。

只要施密特触发器的Vt+和Vt-设置得合适，均能受到满意的整形效果。

3.6复位及看门狗电路

所谓的“看门狗”是指在系统设计中通过软件或硬件方式在一定的周期内监控CPU的运行状况，单片机系统在正常的工作情况下，每隔一定的周期便对看门狗电路进行一次复位操作，也就是常说的“喂狗”，系统会继续正常运行，如果在规定的时间内看门狗电路没有收到来自CPU的触发信号，说明系统可能出现异常，没有按照预设程序运行，系统会强制被复位，以保证系统在受到干扰时仍然能够维持正常的工作状态。

常用的看门狗芯片有MAxIM公司生产的MAXS13L，DALLAS公司生产的DS1232，XICOR公司的生产的X25045等。

这些芯片都是专门的看门狗芯片，功能也非常强。

在考虑到电路的可靠性及经济性的方面的因素，本系统中的看门狗电路采用了另一种电路。

该看门狗电路应用在公司的多种产品上，经过现场的应用证明可靠性非常高，设计原理图如图3.4所示。

该看门狗电路采用CMOS芯片14级锁存二进制计数器/分频器CD4060以及RC振荡电

电路构成路构成。

图3.4看门狗电路图

振荡电路由电阻R6、R7和电容C4构成，产生振荡频率，经过CD4060的14次频后输出给单片机的复位端RST。

单片机的P3.2脚控制CD4O60的复位端RESET，系统正常运行的时候，每隔一定时间对CD4060进行一次复位操作，复位信号的输出时间应小于Q14端输出的脉冲周期脚]，也就是在单片机程序中每隔一段时间就执行的“喂狗”操作，防止CD406O溢出。

该电路在系统的程序出现错误陷入死机状态或程序“跑飞”时，能够强制单片机进入复位状态，使系统重启，再次实现系统的正常运行。

3.7时钟脉冲电路

用门电路组成的多谐振荡器的振荡周期不仅与时间常数RC有关，而且还取决于门电路的阀值电压V,由于V容易受温度、电源电压及干扰的影响，因此频率稳定性较差，只能应用于对频率稳定性要求不高的场合。

如果要求产生频率稳定性很高的脉冲波形，就要采用由石英晶体组成的石英晶体振荡器。

石英晶体的电路符号和阻抗频率特性