基于霍尔元件的液压支架测距系统

尹冬冬

（晋煤集团晋城金力电气有限责任公司，山西 晋城 048000）

随着晋煤集团煤机板块的快速发展，晋煤集团晋城金力电气有限责任公司的装备制造向着更可靠更智能化方向不断进步。支架公司生产的液压支架已经能够很好地满足井下各种工况，但是在集成化和智能化方面还有很大发展空间。

此设计是针对液压支架的集成测控方面进行改进，以便更好地适应工作面无人化和少人化发展。

1 设计背景

激光测距技术是目前测距系统中应用最广泛的技术，由于是通过发射激光束至目标物体，利用反射光束精确计算距离，因此在不加反射靶的情况下，也可达到很远的检测距离，而且对目标物体的尺寸面积比超声波要求的面积小很多，使得对远距离的小尺寸物体位置检测成为可能[1]。但由于成本较高，而且极易受到井下工作面恶劣环境的干扰，所以不适合在工作面使用。

霍尔元件在控制系统中占有非常重要的地位，具有分辨能力强、高精度和检测速度快的特点。本设计所用的脉冲发生器成本低、构造简单、性能好。电气控制系统中存在着较为恶劣的电磁环境，因此霍尔元件大多要求具有较强的抗干扰能力[2]。

2 设计简介

本文以STC89C52单片机为核心，设计了基于开关霍尔的液压支架伸缩量测量系统，主要研究工作包括以下3个方面。

（1）硬件电路方面，用霍尔开关完成信号采样电路的设计，采样到的电信号并行输入移位寄存器CD4021，再通过串行方式输出到单片机，由单片机接收并计算，通过通信模块传至上位机集控系统，集控系统对各液压支架的伸缩量进行分析和显示。

（2）软件方面，下位机单片机控制移位寄存器串行输出实时信号，并由单片机检测电信号和计算。通信模块通过485通信把各个液压支架的伸缩量信息发送至上位机。上位机把各个液压支架的情况通过组态软件实时显示。

（3）上位机与下位机联机系统调试。

3 系统设计

3.1 系统整体设计方案

液压支架上安装两个同心套筒，外层是坚固的金属筒，金属筒底端是磁环，内层是霍尔传感器做成的量尺。基于单片机用霍尔开关实现液压支架伸缩量的检测，通过霍尔开关模块检测磁环位移信号。当液压支架伸长时，外层套筒随着支架向上移动，套筒底端的磁环相对内部的量尺发生位移，移位寄存传输模块把采集到的位移信号串行传送到单片机进行处理，计算出液压支架的实时长度。下位机单片机通过通信模块把伸缩量信号传送给上位机，上位机通过组态软件显示。见图1。

图1 系统总框图

3.2 下位机整体电路图

伸缩量信号的采集模块由霍尔开关和移位寄存器组成。

44E型霍尔开关属于有源磁电转换器件，它是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制作而成，它把磁输入信号转换成电信号，当磁环靠近某一霍尔开关时其输出低电平，无磁体靠近时则为高电平。通过CD4021的并行输入存储起来等待单片机的检测[3]。

CD4021传输霍尔开关量的流程：先使CD4021转换到并行模式，再转换到串行模式，单片机读取Q7的信号，然后输出一个脉冲给CD4021，单片机再读取一个开关信号，如此循环到结束，输出电平为低电平时的计数值，然后重复前面的步骤[4]。

霍尔开关模块电路的输出端接至移位寄存器的并行输入端，再加上单片机最小系统电路、单片机与移位寄存器的连接，即可作出下位机的整体电路图，如图2所示。

3.3 下位机程序流程

本系统下位机采用C语言进行软件设计，实现了系统各项功能。

先使CD4021转换到并行模式，再转换到串行模式，单片机读取Q7的信号，然后输出一个脉冲给CD4021，单片机再读取一个开关信号，如此循环到结束，输出电平为低电平的计数值，然后重复前面的步骤。

读取后的数据送到数据存储器单元中，经过单片机运算，将计数值转化为伸缩量。

3.4 上位机调试与应用实例

液压支架的伸缩量被实时测量计算，上位机通过组态软件能够实时显示每一个支架的伸缩量，能够反映井下工作面的实际情况。本系统现已在山西长治大峪煤业得到应用，调度中心能够实时监控工作面的液压支架的工作状态，及时发现问题，保证采煤工作面的工作安全高效地进行。整体系统图如图3，应用实例图如图4。

图2 整体电路图

图3 整体系统图

图4 应用实例图

4 结论

通过使用基于霍尔元件的液压支架伸缩量监测系统，能够实时监测液压支架的工作情况，有效地提高了地面调度部门对井下工作面的监控能力，减少了井下生产事故，提高了煤矿自动化水平[5]。