紅外線采煤機位置檢測裝置的研究

李俊士，魏文艷

（北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京 100013）

0 引言

紅外線檢測技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各種電子設(shè)備（特別是家用電器）上，該技術(shù)成本較低、功耗相對也較低，但是信息傳輸可靠、抗干擾能力強，已經(jīng)逐漸被應(yīng)用到各行業(yè)。本文研究了紅外線在煤礦井下自動化控制器系統(tǒng)中的應(yīng)用，設(shè)計了紅外線采煤機位置檢測裝置。

1 紅外線采煤機位置檢測裝置的構(gòu)成

圖1為采煤機位置檢測裝置結(jié)構(gòu)框圖。紅外線采煤機位置檢測裝置由紅外線發(fā)射器及紅外線接收器構(gòu)成。配置到綜采工作面時，在采煤機機身上安裝一個紅外線發(fā)射器，綜采工作面每個液壓支架的前立柱上安裝一個紅外線接收器。當采煤機運行時紅外線發(fā)射器會不斷地發(fā)射紅外線信號，而處于采煤機附近的液壓支架上的紅外線接收器則會接收到紅外線信號，接收到正確協(xié)議碼的紅外線接收器會主動向液壓支架控制器上報采煤機位置信號。伴隨著采煤機的來回運行割煤，采煤機機身附近液壓支架上的紅外線接收器就可以接收到正確的紅外線信號，通過采煤機的寬度和紅外線發(fā)射器的安裝位置就可以判斷到采煤機的位置，確認采煤機處于多少號液壓支架［1］。

2 紅外線發(fā)射器及接收器原理

2．1 原理概述

圖2為紅外線發(fā)射、接收原理示意圖。紅外線發(fā)射器實時發(fā)射一系列特定的脈沖串信號，該信號由紅外發(fā)射器內(nèi)置的單片機將等待發(fā)射的二進制信號編碼調(diào)制后得到。紅外線接收器使用一體化紅外線接收頭，完成對接收到的紅外線信號的放大、檢波、整形，轉(zhuǎn)變?yōu)門TL電平編碼信號，再由單片機對TTL電平編碼信號進行解碼和分析處理［2，3］。

圖1 采煤機位置檢測裝置結(jié)構(gòu)框圖

圖2 紅外線發(fā)射、接收原理示意圖

2．2 紅外線發(fā)射器二進制信號的編碼

本紅外線發(fā)射器的二進制信號編碼由內(nèi)置的單片機調(diào)制的不同脈寬寬度來表示。當正脈沖的占空比為1／4時，脈沖碼為“0”；當正脈沖的占空比為3／4時，脈沖碼為“1”?！?”與“1”碼識別的波形圖如圖3所示。

圖3 碼位識別波形圖

2．3 紅外線發(fā)射器二進制信號的調(diào)制

紅外線發(fā)射器發(fā)射頻率為38kHz的間斷脈沖串信號，該信號由內(nèi)置的單片機對二進制信號進行調(diào)制而來，調(diào)制方法為使用二進制信號編碼乘以頻率為38 kHz的脈沖信號。無論是“0”還是“1”碼的脈沖，被調(diào)制在38kHz的載波上，而載波的占空比為1／3，這樣有利于減小電路中的功耗，提高紅外線信號的傳送距離［4］。二進制信號的調(diào)制如圖4所示。

圖4 二進制信號的調(diào)制

2．4 紅外線接收器二進制信號的解調(diào)及解碼

紅外線二進制信號的解調(diào)由一體化紅外線接收頭（HS0038）完成，解調(diào)過程如圖5所示，正好是圖4（a）的取反［5］。當一體化紅外線接收頭接收到紅外線信號脈沖串時，由輸出端輸出低電平，否則輸出高電平，接收器的單片機同時將解調(diào)后的信號進行解碼，還原出發(fā)射器發(fā)出的數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖5 二進制信號的解調(diào)

圖6 二進制信號的解碼

3 紅外線發(fā)射器及接收器的實現(xiàn)

3．1 硬件電路設(shè)計

發(fā)射器及接收器單片機均選用C8051F236。C8051F236是完全集成的混合系統(tǒng)級MCU芯片，具有1 280bRAM及8kb的Flash存儲器，32個通用I／O引腳［6，7］，選用晶振頻率為24MHz。圖7為發(fā)射器電路，圖8為接收器電路。TSAL6200紅外線發(fā)射管具有高效、低功耗等特點，其發(fā)射角度為±17°；一體化紅外接收頭HS0038將紅外線信號解調(diào)后的數(shù)據(jù)送入接收器單片機中進行解碼得到發(fā)射端發(fā)出的數(shù)據(jù)。TSAL6200和HS0038之間的有效收發(fā)直線距離＞35m。

圖7 發(fā)射器電路

圖8 接收器電路

3．2 紅外線發(fā)射器程序設(shè)計

紅外線發(fā)射器程序?qū)⑿枰l(fā)送的數(shù)據(jù)調(diào)制為38 kHz的脈沖串，所以使用38kHz的矩形波作為載波信號，子程序產(chǎn)生周期為26μs的載波信號。由于硬件設(shè)計選擇晶振為12MHz，故一個機器周期為0．5 μs，其載波程序如下：

3．3 紅外線接收器程序設(shè)計

為了保證接收信號和發(fā)送信號編碼一致，紅外線接收器內(nèi)置單片機在解碼時需要反向。內(nèi)置單片機接收到一體化紅外接收頭（HS0038）輸出的解調(diào)信號后，首先判斷是否為同步幀，確認是同步幀后進入解碼部分，接收并處理完接收到的數(shù)據(jù)后繼續(xù)等待下一個同步幀并處理。接收器程序流程如圖9所示。

圖9 接收器程序流程圖

4 結(jié)語

本文根據(jù)對紅外線檢測技術(shù)的研究，設(shè)計了紅外線采煤機位置檢測裝置，給出了其軟、硬件的關(guān)鍵設(shè)計，并根據(jù)設(shè)計做出了樣機。在實際應(yīng)用過程中，紅外線采煤機位置檢測準確，可靠實用，擴充了紅外線在煤礦井下自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用。

［1］ 田成金，魏文艷，朱小林．基于SAC型液壓支架電液控制系統(tǒng)的跟機自動化技術(shù)研究［J］．煤礦開采，2012（2）：3．

［2］ 張宏希．紅外接收組件原理及應(yīng)用電路［J］．石河子大學學報，2005，23（6）：1－2．

［3］ 聶詩良，李磊民．采用單片機發(fā)送并接收紅外遙控信號的方法［J］．信息技術(shù)，2004，28（2）：1－2．

［4］ 紀宗南．紅外線遙控發(fā)射器的原理及應(yīng)用［J］．國外電子元器件，1999（10）：2－3．

［5］ 黃如建．紅外遙控器的解碼設(shè)計［J］．電子元器件應(yīng)用，2006（7）：2．

［6］ 孫立中．步進電機的微機遙控系統(tǒng)的設(shè)計［D］．大慶：東北石油大學，2010：23－25．

［7］ 丁元杰．單片微機原理及應(yīng)用［M］．第2版．北京：機械工業(yè)出版社，2001．