带式输送机滚筒温度检测装置设计

摘要：针对传统带式输送机滚筒温度检测方法存在布线困难、测量误差大等问题，设计了一种基于射频通信的带式输送机滚筒温度检测装置。该装置检测终端采用集成温度检测与射频发射功能的轮胎压力传感器芯片SP370，定时采集温度数据并通过射频通信发送给由射频接收芯片、单片机和CAN收发器组成的接收终端，接收终端将接收到的温度数据发送到CAN总线上。测试结果表明，该装置测量误差为±3.73 ℃，单个纽扣电池可为检测终端连续供电1.5 a以上，满足现场应用要求。

关键词：带式输送机；滚筒温度；滚筒包胶；温度检测；射频通信

0 引言

在煤矿井下众多运输物料的设备中，带式输送机承担了大部分运输任务[1]。《煤矿安全规程》第三百七十四条规定，采用滚筒驱动带式输送机运输时，必须装设防打滑、跑偏、堆煤、撕裂等保护装置，同时应当装设温度、烟雾监测装置和自动洒水装置[2]。当带式输送机发生打滑时，滚筒包胶和胶带产生摩擦，导致滚筒温度升高，长时间高温会引起胶带损坏甚至火灾[3]，因此，对滚筒温度进行检测十分必要。

温度检测方法分为接触式和非接触式。接触式测温定位准确、精度高，但在带式输送机运行过程中，滚筒一直处于转动状态且被胶带挤压，接触式测温方法在检测运动部件温度时不易布线。目前滚筒测温一般采用非接触式，其中大多采用红外温度传感器检测滚筒温度[4-7]，但检测精度易受环境湿度、粉尘等因素影响，且胶带上溅出的煤泥容易堵住红外探头，测量误差较大。文献[8-11]采用接触式测温与无线通信结合的方式实现温度检测，但检测部分由温度传感器、CPU和无线收发模块组成，体积较大，不利于在滚筒上固定，同时功耗大，需要定期更换电池，在煤矿井下恶劣的生产环境中不利于维护。

轮胎压力传感器芯片SP370集成了温度采集、数据处理和无线收发功能[12]，具有体积小、功耗低等特点，因此，本文采用SP370设计了一种基于射频通信的带式输送机滚筒温度检测装置，既避免了接触式测量运动部件温度需要布线的情况，又解决了非接触式红外测温易受干扰的问题。

1 装置工作原理

基于射频通信的带式输送机滚筒温度检测装置由检测终端和接收终端组成，其工作原理如图1所示。将检测终端固定在驱动滚筒侧壁上靠近包胶的位置，检测终端检测滚筒温度并通过射频通信向接收终端发送数据，通信频率为434 MHz[13]。接收终端固定在距离滚筒较近的巷道壁或带式输送机支架上，接收来自检测终端的数据，并转换为现场总线信号传输给带式输送机控制系统主机。为实现可靠通信，检测终端与接收终端的距离在3 m以内。

图1 带式输送机滚筒温度检测装置工作原理
Fig.1 Operating principle of temperature detection device for drum of belt conveyor

2 装置硬件设计

检测终端核心器件选用SP370，利用该芯片的温度采集和射频发射功能进行设计。由于SP370具有较高集成度，内含8051内核的微处理器，所以检测终端硬件设计时只需外加晶振电路、供电电池和射频天线即可。

考虑到带式输送机工作时滚筒表面温度较高，为保证检测终端长时间正常工作，供电电池选用容量为550 mA·h的耐高温CR2450HT型纽扣电池。为减小检测终端体积，射频天线选用体积较小的AN1603型贴片天线[14]。检测终端最终设计尺寸为25 mm×25 mm×10 mm。

文献[15]规定，当直接测量滚筒表面温度超过70 ℃时，应停止带式输送机运行，并开启洒水装置。因此检测终端的最高工作温度不应低于70 ℃，以保证滚筒表面温度超过阈值时检测终端仍可正常工作。在检测终端主要部件中，SP370工作温度上限为125 ℃，CR2450HT型纽扣电池工作温度上限为125 ℃，AN1603型贴片天线工作温度上限为85 ℃，充分保证了检测终端可在70 ℃以上正常工作。

接收终端主要由单片机、射频接收芯片和CAN收发器组成，如图2所示。单片机选用内部集成CAN控制器的LPC11C14，射频接收芯片选用TDA5235，CAN收发器选用PCA82C250。TDA5235接收到检测终端发送的数据后，通过SPI总线传输至LPC11C14，LPC11C14按照带式输送机控制系统的协议对数据进行处理，通过PCA82C250发送到CAN总线上。

图2 接收终端硬件组成

Fig.2 Hardware structure of receiver terminal

3 装置软件设计

检测终端的程序在SP370中运行，其软件流程如图3所示。初始化部分实现射频发射和晶振的参数配置。射频发射参数包括工作模式、调制方式、工作频段、数据编码方式等;晶振参数主要指频移键控(Frequency Shift Keying，FSK)低频和高频模式下的匹配电容。SP370提供了一个片上函数库，温度检测、射频数据发送和休眠模式开启可通过调用相应的库函数来实现。SP370的看门狗定时器周期为1 s，内部定时器唤醒可自动复位看门狗定时器，将内部定时器唤醒周期设为900 ms，保证看门狗定时器能及时复位。射频数据发送周期设为1 min，采用内部定时器唤醒计数实现，即内部定时器唤醒67次后，执行1次温度检测和射频数据发送。

图3 检测终端软件流程

Fig.3 Software process of detection terminal

射频接收芯片TDA5235采用专用配置软件进行配置，生成的头文件包含在LPC11C14程序中。接收终端的主程序在LPC11C14中运行，其软件流程如图4所示。

图4 接收终端软件流程

Fig.4 Software process of receiver terminal

初始化部分实现晶振、CAN总线、SPI总线和TDA5235的参数配置。CAN总线参数包括波特率、位时序、帧类型等；SPI总线参数包括数据模式、工作模式、数据大小、波特率等；TDA5235参数配置通过SPI总线向TDA5235写数据实现。初始化结束后，进入程序主循环，主要包括SPI总线读取数据、CAN总线发送数据2个部分。检测终端每1 min向TDA5235发送1次数据，LPC11C14每30 s从TDA5235读取1次数据，可保证数据及时更新。CAN总线发送数据采用中断机制，每成功发送1帧数据产生1个中断，主循环根据中断标志向CAN发送缓冲区写入数据，数据发送由LPC11C14内部集成的CAN控制器自动完成。

4 实验验证

导热硅胶具有防水和导热功能，采用导热硅胶浇封检测终端，并将检测终端投入逐渐加热的水中，分别用Fluke 61型手持式红外温度计和接收终端对水温进行测量，结果见表1。以手持式红外温度计的测量值作为参考值，接收终端测量最大误差为1.73 ℃，而手持式红外温度计的标称误差为±2 ℃，因此带式输送机滚筒温度检测装置最终误差为±3.73 ℃。

表1 温度测试结果

Table 1 Test results of temperature ℃

检测终端采用纽扣电池供电，测试其连续工作时间需要花费较长时间，因此随机挑选5个纽扣电池，测试每个纽扣电池同时为30个检测终端连续供电时间，结果见表2。经换算，1个纽扣电池为单个检测终端连续供电时间均在1.5 a以上。

表2 连续工作时间测试结果

Table 2 Test results of continuous operating time d

5 结语

基于射频通信的带式输送机滚筒温度检测装置由检测终端和接收终端组成。检测终端采用集成温度检测与射频发射功能的轮胎压力传感器芯片SP370，定时采集温度数据并通过射频通信发送给由射频接收芯片、单片机和CAN收发器组成的接收终端，接收终端将接收到的温度数据发送到CAN总线上。测试结果表明，该装置测量误差为±3.73 ℃，单个纽扣电池可为检测终端连续供电1.5 a以上，满足现场应用要求。

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(School of Electrical Engineering, Chongqing Vocational Institute of Engineering, Chongqing 402260, China)

Abstract：For difficult wiring and big measuring error existed in traditional temperature detection methods for drum of belt conveyor, a temperature detection device for drum of belt conveyor based on radio frequency communication was designed. Detection terminal collects temperature data through tire pressure sensor chip SP370 which integrates functions of temperature detection and radio frequency emission, and receiver terminal, which is composed of radio frequency receiver chip, microcontroller and CAN transceiver, receives the temperature data and sends it to CAN bus.The test results show that the device meets requirements of field application, whose measuring error is ±3.73 ℃ and single button battery can provide continuous current for the detection terminal for over 1.5 a.

Key words：belt conveyor; temperature of drum; drum rubber; temperature detection; radio frequency communication

基金项目：重庆市科委自然科学基金资助项目(cstc2016jcyjA0480)。

作者简介：张丽(1981-)，女，山西临汾人，讲师，硕士，研究方向为监控系统与现场总线、电子技术及应用，E-mail:38438825@qq.com。

引用格式：张丽.带式输送机滚筒温度检测装置设计[J].工矿自动化，2017,43(7)：86-89. ZHANG Li.Design of temperature detection device for drum of belt conveyor[J].Industry and Mine Automation，2017,43(7)：86-89.

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20170627.1713.018.html