基于矿用型机车位置传感器的设计与实现

【摘要】针对矿用机车在井下难以定位的问题，本文提出了一种应用于煤矿行业机车位置传感器的设计理念，并应用于实际测试，能有效达到机车定位的实际需求。

【关键词】机车位置传感器;磁阻传感器;C8051F350

1.引言

煤矿井下运输机车不可或缺，而由于煤矿井下特有的环境影响，有时很难确保机车的位置，不但降低了生产运输效率，甚至还会发生意外。而目前随着数字化矿山时代的到来，煤矿井下设备也日益增多，设备之间的干扰也越来越大，导致定位技术也越来越难做。针对上述问题，本文介绍了一种基于磁场变化的检测，有效、可靠地定位机车的方法。

2.硬件设计实现

对机车的研究发现，机车主要有铁皮构成，而地球周围的磁场对铁块这样的金属物比较敏感，基于这样的理念，本设计以磁阻传感器为核心元件，该元件可有效感应到周围磁场的变化，并能将磁场转换成差分输出电压，且传感强度低至30μ高斯的磁场。这类磁阻传感器体型小、成本低、灵敏度高并相当可靠。采用新华龙C8051F350作为核心MCU主要硬件设计如下：（1）电源转换设计（如图1所示），均采用3.3V供电，并提供电源有效指示灯;（2）AD采样设计，采集磁阻传感器输出电压;（3）采用RS-485进行采集量的数据传输。

图1 硬件电路

3.软件设计实现

软件设计主要为单片机中程序设计，程序流程图如图2所示。系统上电运行，软件设计的第一步是要初始化各模块功能，主要包括变量初始化、I/O口初始化、AD采样初始化以及RS485的初始化，初始化完成后MCU进入程序循环执行模式，完成系统功能要求。单片机每隔一段时间输出一个信号喂狗，给看门狗电路清零。如果超出一定是时间范围没有给出信号喂狗，则看门狗会输出一个复位信号给MCU，使MCU复位。看门狗的总要作用是防止程序进入死循环或者MCU死机，是保证单片机正常运行的重要措施。AD采集磁阻传感器输出的差分电压信号，这是设计的核心，当有机车经过磁阻传感器时，会对磁阻传感器周围的磁场产生影响，磁阻传感器会根据其周围不同的磁场强度输出不同幅度的差分电压信号，单片机采用10位AD进行数据采集，并保存采集值。

数据处理部分主要分为三步骤：（1）对采样得到的电压信号进行滤波处理，这里采用多次采样取平均值的算法，滤波后的数据能有效排除采样误差的干扰;（2）将滤波后的数据依据相应的比例关系以及磁阻传感器电压和磁场的对应关系进行转换，得到实际的磁场强度;（3）将此事得到的磁场强度与之前的无车时的磁场强度相比较，如磁场变化超过一定界限，认为有机车运行到传感器位置，将有车经过这个数据保存到485缓冲区。

这里采用RS-485方式进行数据传输，RS-485电气特性好，两线之间电压差位+（2～6）V表示逻辑“1”，两线之间电压差为-（2～6）V表示逻辑“0”，接口信号的电平比RS-232降低了，这样不容易损坏接口电路的芯片，且能与TTL电平兼容，方便与TTL电路连接;RS-485数据的最高传输率可达到10Mbps，其接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰性好;RS485接口最大传输距离实际可达3000米，且RS-485接口在总线上允许连接多达128个收发器，相比之下，RS-232接口在总线上只允许连接一个收发器，RS-485接口可以方便地建立设备网络，因此可以用一台上位机同时监控多个机车位置传感器设备，定位多辆机车。

图2 程序流程图

4.结束语

机车位置传感器采用独特的磁场变化理念，有效地防止非金属物体的干扰，并采用相应的滤波手段，能准确定位机车的位置，对监控机车起到了做要的作用。

参考文献

[1]于彤.传感器应用[M].人民邮电出版社.

[2]李宝树.电磁测量技术[M].北京：中国电力出版社，2007.

作者简介：万纯（1986―），男，江苏常州人，硕士，助理工程师，主要从事煤矿监测监控系统产品研发工作。