毕业设计（论文）-刮板输送机机身自动调直装置.doc

摘 要本论文介绍了综采面刮板输送机机身自动调直装置的设计过程，主要介绍了刮板输送机在国内外的发展状况和发展趋势以及早期的调直装置和当下比较先进的调直方法，与目前进行的刮板机机身自动调直方法的研究紧密相连。机身自动调直装置包括支架移位器、网络变换器、干线连接器、刮板机机身调直控制器和刮板机中部槽。网络变换器通过干线连接器与刮板机机身调直控制器连接，并通过干线连接器进行通信，在每一节刮板机中部槽上均连接有支架移位器的一端，每一个支架移位器的另一端均与网络变换器连接。刮板机调直控制器通过检测数据与理论数据的对比分析确定控制方案并发出控制信号；控制系统通过网络变换器发送控制信号至目标支架控制器，改变电磁阀通路，实现对刮板机机身直线度的调整。通过本装置可以实现综采工作面基本上保持直线推进，保证刮板机的机身保持平直确保采煤机平稳运行，并实现对综采面顶板、通风的有效管理。本文在设计刮板输送机机身自动调直装置的过程中，运用理论分析，电路设计和计算机仿真等研究手段，完成了调直装置硬件与软件的设计。该系统分为测距模块、测温模块、支架控制模块、CAN总线通讯模块、调直控制器模块、电磁阀驱动模块以及人机交互模块块，并分别对其进行方案分析，构建了调直装置的构架和设计方案。在硬件电路中详细阐述了运用单片机技术实现的调至装置中的测距原理、测温原理以及通讯方案等，分析了以ATmega16 单片机为主控单元的系统硬件和软件设计,并对该系统进行了误差分析。本文还对整体的外壳进行了详细的设计，根据材料力学的相关知识对外壳板进行了强度和刚度的分析，从而确定了外壳箱体的厚度。通过对外壳盖的受力分析确定了连接方式和固定螺钉的参数。实现了从理论到实际化的过渡。关键词：刮板输送机； 超声波测距； ATmega16； CAN总线； AbstractThis paper introduces the design process of the fully automatic straightening device of mechanized coal face scraper conveyor, mainly introduced the scraper conveyor development at home and abroad and the development trend and the early straightening device and the current advanced straightening method, closely connected with the research of the automatic straightening method of scraper machine. Automatic straightening device comprises a bracket shifter, network converter, main connector, scraper machine straightening controller and scraper transporter fuselage. Network connection converter by trunk connector and the scraper body straightening controller, and communicate through the trunk connector, in each section of scraper conveyor middle groove are connected with the end of the bracket shifter, each bracket shifter and another end is connected with the network converter. Scraper machine straightening controller determines the control scheme and sends control signal by comparing the test data with the theory of poem analysis; control system through the network converter transmits control signals to the target frame controller, change the path of electromagnetic valve, scraper machine straightness adjusting. The device can realize mechanized mining face basically keep straight propulsion, ensure the scraper body straight to ensure coal mining machine running smoothly, and to realize the effective management of fully mechanized coal face roof, ventilation.This paper, in the design process of the automatic device of scraper conveyor, using theoretical analysis, circuit design and computer simulation and other research methods, completed the design of hardware and software of the straightening device. This system is composed of measurement module, temperature measurement module, support control module, CAN bus communication module, straightening controller module, solenoid valve drive module and man-machine interaction module, and the scheme analysis, constructs the framework and design scheme of the straightening device. In the hardware circuit in detail to the device by means of single chip microcomputer in the ranging principle, principle of temperature measurement and communication scheme, analysis of the system hardware and software design based on ATmega16 microcontroller as the main control unit, and the system error is analyzed.This article also has carried on the detailed design to the overall housing, according to the relevant knowledge of mechanics of materials were analyzed and the strength and stiffness of shell plate, so as to determine the thickness of the shell. On the cover of the casing through stress analysis to determine the connections and screw parameters. Has realized from the theory to the practice of transition.Keywords: scraper conveyor; ultrasonic ranging; ATmega16; CAN bus;目 录1 绪论11.1概述11.2背景技术21.3国内外研究现状及发展趋势22 综采面刮板输送机机身自动调直装置的总体设计42.1设计总体方案42.2整体硬件电路的设计52.3控制方法62.4设计预期成果73 综采面刮板输送机机身自动调直装置的详细设计83.1控制器的选型83.1.1 ATmega16单片机介绍83.1.2 ATmega16单片机最小系统设计103.2超声波测距模块103.2.1超声波测距原理103.2.2超声波发射电路113.2.3超声波接收电路123.2.4温度补偿电路133.3支架推移千斤顶液压回路的设计143.3.1液压回路的设计143.3.2 三位四通电磁换向阀153.3.3支架推移千斤顶163.3.4支架推移千斤顶具体工作过程173.3.5电磁换向阀驱动电路设计173.4 CAN总线通讯模块的设计193.4.1 总线控制器193.4.2 总线收发器213.4.3 CAN总线通讯系统223.5 调直控制器系统的设计233.5.1 单片机最小系统与键盘电路233.5.2 LCD12864简介243.5.3 ATmega16与LCD12864连接电路273.6 5V本安电源的设计293.6.1 交直流转换电路293.6.2 两级过流保护电路293.6.3 过压保护电路304 系统的软件设计314.1支架控制器系统软件设计314.1.1支架控制器主程序314.1.2超声波发射子程序324.1.3超声波接收中断程序324.1.4 温度读取子程序334.1.5CAN总线通讯程序344.2调直控制器系统软件设计364.3VB MSCOMM控件与单片机通讯及显示365 防爆箱体外壳的设计385.1防爆箱体外壳的基本要求385.2外壳及主要零部件的基本计算385.2.1外壳的设计385.2.2螺钉的选择405.3箱体设计示意图405.4系统改进措施416 总结42参考文献43附录一 控制器电路原理图44附录二 箱体设计图与装配图44附录三 基于单片机开发板的测温模块程序44附录四 VB MSCOMM控件与单片机通讯及显示程序53翻译部分55英文原文55中文译文64致 谢73中国矿业大学2013届本科生毕业设计（论文）第55页1 绪论1.1概述综采技术，简单来说即长壁采煤系统所有作业都实现机械化。在最近50多年中，由于它创造了很多世界纪录，故成为了当之无愧的全球最科学的井下开采技术。随着高产高效集约化矿井的飞速发展，一些大型煤矿都在争取实现一矿一井一面高集约度的生产模式。而刮板输送机作为长壁工作面的主要运输设备，它的输送能力决定了由高产高效矿井的生产能力。刮板输送机是综合机械化采煤工作面的运输设备。按卸载方式不同可分为端卸式与侧卸式刮板输送机。端卸式即卸载方向与运输方向一致，侧卸式为卸载方向与运输方向存在一定的夹角，一般为90。按刮板链的安装方式可分为中双链、边双链与单链刮板输送机圆环链在刮板两边的安装方式为边双链，圆环链在刮板中间且为双链的安装方式为中双链。圆环链在刮板中间且为单链的安装方式为单链式。无论刮板输送机的结构形式如何，其基本结构与工作原理是基本相同的。它们大体都是由机头、尾架、溜槽、传动部、刮板链等几部分组成。其结构组成如图1.1所示。1-电动机 2-液力耦合器 3-减速器 4-机尾 5-机尾过渡槽 6-中部槽 7-机头过渡槽图1.1 刮板输送机的结构组成刮板输送机基本工作原理都是由电动机通过传动部分将动力传递到刮板链，使封闭的刮板链循环运动，带动煤等载荷运动从而达到运输的目的。具体的说是将煤炭、矸石等承载与溜槽上，其牵引件为刮板链（刮板与链条固定相连）。启动位于机头上的传动件以后，即可将链轮带动旋转，使刮板链循环移动，从而将溜槽中的物料推动，运送到机头部后即可卸载。刮板输送机与采煤机、液压支架、转载机、破碎机、及胶带输送机配套，可实现采煤工作面落煤、装煤、运煤、推输送机和顶板支护等工序的综合机械化采煤。总的来说，刮板输送机作为煤矿工作面运输设备，不但担负着运煤的作用，还是采煤机的运行轨道以及液压支架的推移支点。在设备使用过程中还要悬挂工作面设备的电缆、水管等。所以，刮板输送机的可靠、稳定、高效运行将直接影响着矿井的生产能力和煤矿企业的经济效益。因此，考虑到设备的运行与维护、工作面通风状况、顶板的有效管理等方面，一般都希望输送机大体上的推进是呈直线状的，即除了液压支架进行推溜拉架的部分可以有一些必要的弯曲以外，其它部份应尽可能直线推进，保证采煤机成直线运动，采煤面保持平整，不至于凹凸不平。这也当今研究的重要技术问题。综上所述，若能实现综采面刮板输送机机身的自动调直将对刮板输送机的运输性能、运输效率带来很大的进步。1.2背景技术综采工作面刮板输送机是关键的综采设备之一，在煤炭生产中起着非常重要的作用，主要体现在一下几点：第一，它将采煤机截割的碎煤及时运离综采面；第二，作为液压支架移架时的支点保证移架动作的进行；第三，作为采煤机的运行轨道保证采煤机在综采面正常牵引。刮板输送机的直线度是其发挥作用的重要保证，若刮板机的机身直线度无法得到保证，一方面会加快刮板链的磨损，缩短刮板链的使用寿命，若出现断链情况，导致综采面刮板机无法运行，进而影响其他综采设备的运行和综采面的正常生产；另一方面会影响液压支架对综采面顶板的有效管理及通风状况。刮板输送机机身调直是实现综采面“三机”（采煤机、液压支架、刮板输送机）协同工作的关键技术之一。目前，国内刮板输送机的机身调直多采用人工观测为依据的手动调整，其精度无法得到保证；或者通过支架推移千斤顶的实际位移与理论给定值的比较误差控制伺服阀来调节支架推移千斤顶的位移，其控制对象仅针对与刮板机的一节中部槽，对刮板输送机机身整体的直线度无法进行全面的调节。在人工调节刮板机的机身直线度的方式中，由于井下工况复杂以及工人经验的差异，这种方式不可靠。煤矿工人在通过液压支架操纵阀对刮板机中部槽的位置进行调整时，支架推移千斤顶的位移量完全取决于工人打开操纵阀的时间，时间的长短由工人根据综采面的工况及工作经验来决定。在根据支架推移千斤顶的实际位移与理论给定值的比较误差进行刮板机机身调直的控制方式中，位移传感器测量支架推移千斤顶的实际位移，支架控制器根据推移千斤顶的实际位移与理论给定位移的比较误差实现对刮板机中部槽位置的调节。1.3国内外研究现状及发展趋势刮板输送机在煤矿的生产与建设中的发展，大致经历了三个阶段。第一阶段在30-40年代，是可拆卸的刮板输送机，它在工作面内只能直线铺设，随工作面的推进，需人工拆卸、搬移、组装。刮板链是板式，多为单链，如V型、SGD-11型、SGD-20型等小功率轻型刮板输送机。第二阶段是40年代前期由德国制造出可弯曲刮板输送机，它与采煤机、金属支架配合实现了机械化采煤。这种刮板输送机能适应底板凹凸不平和水平弯曲等条件，移设时不需拆卸，并且运煤量也有所增大，如当时的型号SGW-44型刮板输送机就是这个阶段的代表产品。进入60年代由于液压支架的出现，为了适应综采的需要，刮板输送机发展到了第三阶段，研制出大功率铠装咳弯曲重型刮板输送机，如SGD-630/75型、SGD-630/180型等就是属于这个阶段的产品。随着采煤工作面生产能力的不断增大，刮板输送机主要发展趋势是：1、大运输量。国外先进采煤国家已经发展到小时运输能力高达1500t（80年代）和3500t（90年代）的刮板输送机。2、长运输距离。为了减少采区阶段煤柱的损失量，加大工作面的长度，刮板输送机的长度已经达到335米以上。3、大功率电动机。电动机的功率已发展到单速电机达525kW，双速电机500/250kW。4、寿命长。由于使用大直径圆环链，增加了刮板链的强度，延长了刮板输送机的寿命，整机过煤量高达600万吨以上。国内与国外的典型综采工作面刮板输送机的主要技术特征如表1.1和表1.2所示。表1.1 我国典型综采工作面刮板输送机主要技术特征表型号输送能力(t/h)功率(kW)长度(m)机架形式链条(dt mm)中部槽(LBHmm)特征SGZ960/ 750(西北一厂)180037522501.20341261500960320端卸式SGZ900/ 750(张家口厂)150037522501.31341261500960320交叉侧卸式SGZ880/ 800(西北一厂)120040022001.14341261500880320交叉侧卸式SGZ1000/1050(张家口厂)220052522501.303412615001000320交叉侧卸式表1.2 国外新型综采工作面刮板输送机主要技术特征表型号输送能力(t/h)功率(kW)长度(m)机架形式链条(dt mm)中部槽(LBHmm)特征PF4(德国)45007503350MR42146中双ST ACTS整轧封底槽PF5(德国)45008003450MR48144中双ST ACTS整轧封底槽JOY(美国)450010003430四板式52146中双链20001200410CST ACTS整铸封底槽从表中我们可以看出，国内的刮板输送机与国外的新型刮板输送机不管从运输能力、功率、长度、控制形式上都有很大差距，这也是国内刮板输送机所发展的方向。2 综采面刮板输送机机身自动调直装置的总体设计 对于调直的方法，最原始的做法是在刮板输送机的溜槽上每间隔10m20m装一卷钢绳长度传感器，把输送机各用于测量中部槽的位移数据实时显示出来，并把这些位移数据信号传输到上位机进行计算分析，再通过调节位于液压支架底部的推移千斤顶的行程实现控制调节。近年来，由于超声波测距仪和红外线测距仪的诞生，可以通过超声测距仪或红外线测距仪较精确地测量出刮板输送机的位置，从而得出刮板输送机的直线度并进行自动调直。本设计的主要思路是通过超声波传感器实时检测支架推移千斤顶的位移并传输给控制器，通过控制器的数据处理得出实际直线度，将该直线度与理论直线度对比从而得出输出指令，自动调节输送机的直线度。2.1设计总体方案本设计的刮板输送机机身自动调制装置，由支架推移千斤顶1，超声波传感器2，支架控制器3，电磁换向阀4，网络变换器5，干线连接器6，刮板机调直控制器7和刮板输送机中部槽8构成。其结构图如图2.1所示。1-支架推移千斤顶 2-超声波传感器 3-支架控制器 4-电磁换向阀 5-网络变换器 6-干线连接器 7-调直控制器 8-刮板输送机中部槽图2.1刮板输送机机身自动调制装置结构图其具体实施方式为：网络变换器5通过干线连接器6与刮板机机身调直控制器7连接，并通过干线连接器6进行通信，在每一节刮板机中部槽8上均连接有支架移位器的一端，每一个支架移位器的另一端均与网络变换器连接。所述的支架移位器包括支架推移千斤顶1、超声波传感器2、电磁换向阀4。支架推移千斤顶1的一端与刮板机中部槽8相连，支架推移千斤顶1的另一端通过超声波传感器与支架控制器连接，支架控制器3与电磁换向阀4的控制端连接，电磁换向阀4的油路端与支架推移千斤顶1的油缸连接，支架控制器3的控制输入端和网络变换器5连接。该装置由监测系统和控制系统两部分组成，能够实现刮板机机身的自动调直。支架推移千斤顶与刮板机中部槽相连，通过控制支架推移千斤顶活塞杆的位移即可调节刮板机中部槽的位置。超声波传感器2安装在推移千斤顶1端盖的外部，实时获取推移千斤顶1的位移，即获取刮板机中部槽8的位置。支架控制器3为自动调直装置的关键环节，一方面它处理超声波传感器2的数据并把数据传送到网络变换器5，另一方面它接受刮板机自动调直控制器7的命令，控制电磁换向阀4的阀位，对支架推移千斤顶活塞该的伸出量进行调节，实现对刮板机机身直线度的自动调整。网络变换器5是装置实现通信的核心，它既收集综采面各支架推移千斤顶1的位移数据，并发送到刮板据自动调至控制器7，又接收刮板机调直控制器7发出的控制命令，并发送到目标支架的控制器3。刮板机调直控制器7实时获取支架推移千斤顶1的位移数据，通过最小二乘法进行拟合，并与理论值进行比较，确定刮板机调至控制方案。所述的超声波传感器2可以实现对支架推移千斤顶1位移的精确测量。超声波传感器2既作为发射传感器又作为接受传感器，并其发出的发射脉冲，通过乳化液到达活塞杆的底部被反射回来，被超声波传感器接受，通过计算发射脉冲的回波脉冲的时间差即可准确推算出推移千斤顶的位移。另外，选择超声波传感器的频率与乳化介质达到声阻抗匹配，即可达到满意的检测结果。支架控制器通过控制电磁换向阀控制推移千斤顶的伸出或收缩动作，所有的支架控制器（3-0，3-1,3-n）与网络变换器5通过干线连接器6互联成网络，每个支架控制器（3-0，3-1,3-n）都有自己独立的地址编号，地址编号的顺序是连续的。干线连接器6有4根芯线，其中3根是贯通的公共线，1号和4号是电源线，2号芯线是所有控制器间的通信总线，3号芯线是相邻支架间的通信线。刮板机自动调控制器通过干线连接器6与工作面端头的网络变换器5联通，进而与综采面所有的支架控制器（3-0，3-1,3-n）进行通讯，获取综采面所有支架推移千斤顶的位移量，并使用最小二乘法进行拟合，获取实时的刮板机机身直线度，并与理论刮板机机身直线度进行比较，获取支架推移千斤顶的位移偏差点及偏差量，进而通过网络变换器5将控制信号发送到响应的支架控制器3，控制电磁换向阀4的通路，实现对刮板机机身直线度的实时准确调整。2.2整体硬件电路的设计系统的整体硬件电路图如图2.2所示。上位机通过键盘的输入得到直线度的给定值，并发出测距信号给下位机。下位机得到测距信号以后发出方波脉冲信号给超声波发射电路并开始计时，当超声波接收电路接收到脉冲信号时给控制器发出中断信号，停止计时。同时，控制器发出测温信号控制温度传感器测量当前温度。通过下位机的计算得到距离信号。通过CAN总线发送给上位机以后，由上位机拟合以后得到实际直线度，通过与给定值的比较得到控制信号并发出，同时通过LCD12864显示当前直线度和调整的液压支架号。下位机收到控制信号后由驱动电路驱动电磁换向阀的左右位的通断时间达到调直的目的。图2.2系统整体硬件电路图2.3控制方法刮板输送机机身自动调直装置的控制方法流程图如图2.3所示。图2.3刮板机机身自动调直装置控制方法流程图1、对支架推移千斤顶1位移进行检测：刮板机自动调直装置通过超声波传感器2实时检测支架推移千斤顶的位移，并把数据传输到支架控制器3中进行处理；2、对综采面所有支架控制器3中推移千斤顶1位移数据进行汇集：对综采面所有支架控制器进行编号，每一个支架控制器都有其相对独立的编号，该装置通过网络变换器5将综采面所有支架推移千斤顶1位移值汇集，汇集在网络变换器5中的支架推移千斤顶1的位移量按照一定顺序存储，并把汇集的所有支架推移千斤顶1位移值传送到刮板机自动调直控制器7中；3、计算目标支架号及其推移千斤顶位移的给定值：将检测到的支架推移千斤顶位移量进行拟合，获取实时的刮板机机身的直线度，并与理论的刮板机机身直线度进行比较，由该比较误差控制支架控制器3的输出；4、控制支架推移千斤顶位移：所有目标支架控制器的输出量控制相对应的电磁换向阀4的通路，实现对推移千斤顶1位移的调节，最终实现对刮板机机身直线度的自动调节；电磁换向阀4安装在综采面的液压系统中，通过总泵站获取乳化液的流量实现对支架推移千斤顶1位移的调整。2.4设计预期成果本设计选用了超声波传感器测量支架推移千斤顶的位移，可将其直接安装在推移千斤顶端盖的外部，安装及更换方便。超声波传感器具有较高的测试精度，完全可以用于液压支架推移前进中的位移检测和刮板机的调直控制。本设计解决了采用人工观测为依据的手动调整，其精度无法得到保障以及采用推移千斤顶不能对刮板机机身整体的直线度进行全面调节的问题，达到了本设计的目的。本设计适用于调整煤矿井下综采面前移中刮板机机身的直线度，保持直线推进，除连续向前推移时需有必要的弯曲段外，其它部位尽量保持平直。从而保证采煤机成直线运动，采煤面保持平整，不至于凹凸不平，这对于提高采煤的工作效率和提高设备的工作寿命以及方便设备的运行维护都有很大的作用。除此之外，还能实现对综采面顶板、通风的有效管理。3 综采面刮板输送机机身自动调直装置的详细设计3.1控制器的选型3.1.1 ATmega16单片机介绍 由于综采工作面工作环境恶劣，控制器选用基于增强型RISC结构，具有低功耗和 CMOS 技术的高速微控制器ATmega16。ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。 ATmega16 AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算数逻辑单元(ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个寄存器（独立的）。正是由于这种结构的存在，代码效率得到了巨大的提高了，而且其数据吞吐率也比一般微控制器最多高10倍。 工作于空闲模式时CPU 停止工作，而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作，以降低ADC转换时的开关噪声；Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。 本芯片是以Atmel高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISP Flash允许程序存储器通过ISP 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区(Application Flash Memory)。在更新应用Flash存储区时引导Flash区(Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了RWW操作。 ATmega16产品特性有： 低功耗且高性能的8位AVR微处理器。大部分指令执行时间为一个时钟周期。 高效的精简指令集（RISC）结构。 拥有32个8位的通用工作寄存器。 硬件乘法器的时钟周期只需要两个。当晶振频率为6MHz时，其速度可以达到16MIPS。 16K 字节的片内具有同时读写能力的可编程Flash，擦写寿命高达10000次。程序存储器和数据存储器都是非易失性。 512 字节的电可擦可编程只读存储器（EEPROM），擦写寿命: 100000次。 1K字节的片内静态随机存储器（SRAM）。 可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密。 JTAG接口( 与IEEE 1149.1标准兼容) 符合JTAG 标准的边界扫描功能。 支持扩展的片内调试功能。 通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程。 两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器。一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器。 具有独立振荡器的实时计数器RTC。 四通道PWM。 8路10位ADC，8个单端通道，2个具有可编程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道。 面向字节的两线接口。 两个可编程的串行USART。 可工作于主机/从机模式的SPI 串行接口。 具有独立片内振荡器的可编程WDT（看门狗定时器）。 上电复位且可进行可编程的掉电检测。拥有系统内模拟比较器。系统内RC振荡器的是经过标定的。 6种睡眠模式:空闲模式、掉电模式、省电模式、ADC噪声抑制模式、扩展或不扩展的Standby 模式。其引脚图如图3.1所示 图3.1 ATmega16引脚图1、 电源、系统晶振、芯片复位引脚VCC芯片供电（片内数字电路电源）输入引脚，使用时连接到电源正极。AVcc端口A和片内ADC模拟电路电源输入引脚。不使用ADC时，直接连接到电源正极；使用ADC时，应通过一个低通电源滤波器与Vcc连接。AREF使用ADC时，可作为外部ADC参考源的输入引脚。GND芯片接地引脚，使用时接地。XTAL2片内反向振荡放大器的输出端。XTAL1片内反向振荡放大器和内部时钟操作电路的输入端。芯片复位输入引脚。在该引脚上施加（拉低）一个最小脉冲宽度为1.5s的低电平，将引起芯片的硬件复位（外部复位）。2、 I/O引脚I/O引脚共32只，分成PA、PB、PC和PD4个8位端口，它们全部是可编程控制的双功能复用的I/O引脚。4个端口的第一功能是通用双向数字输入/输出（I/O）口，其中每一位都可以由指令设置为独立的输入口或输出口。当I/O口设置为输入方式时，引脚内部还配置上拉电阻，这个内部的上拉电阻可通过编程设置为上拉有效或上拉无效。如果AVR的I/O口设置为输出方式工作，则当其输出高电平时，能够输出20mA的电流；而当其输出低电平时，可以吸收40mA的电流。因此AVR单片机的I/O口驱动能力非常强，能够直接驱动LED发光二极管、数码管等。芯片RESET复位后，所有I/O口的默认状态为输入方式，上拉电阻无效，即I/O为输入高阻的三态状态。3.1.2 ATmega16单片机最小系统设计 ATmega16单片机最小系统如图3.2所示。图3.2 ATmega16单片机最小系统如图3.2，R23为引脚的上拉电阻，保证了该引脚可靠的高电平。正是有了R23，才能使用户在外部对引脚施加低电平（0V）。当编程下载完成后，外部一旦释放掉，该引脚通过R23又被拉成高电平，AVR就直接进入了正常运行的工作状态。R23的阻值在510k之间，太大和太小都不合适。本设计采用5.1k的电阻。系统采用外接4MHz晶体和芯片内部的振荡电路组成时钟电路，产生4MHz的脉冲作为系统的时钟信号，此时单条指令的执行时间为0.25s。电容C19和C20应与具体使用的石英晶体配合，一般在2030pF之间，改变C19和C20的值，可以对4MHz的频率进行微调，本设计采用25pF的电容。R24与晶体并联，其作用是稳定晶体的阻抗，提高振荡电路的稳定性。在PD6和PD7口接入两个发光二极管，其作用是指示系统工作状态和通讯状态。其定义为：1、设备工作指示灯，绿色，与设备相连的CAN设备正常工作时常亮，CAN 设备故障时闪烁。 2、数据收发指示灯，绿色，无数据收发时常亮，有数据收发时闪烁。 3.2超声波测距模块3.2.1超声波测距原理超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,它在介质中主要产生2种形式的振荡：横向振荡(横波)及纵向振荡(纵波)。横向振荡只能在固体中产生,而纵向振荡可在固体、液体及气体中产生。在工业应用中主要采用纵向振荡，液压支架推移千斤顶用的传动介质为乳化液,只要所选超声波传感器的频率与乳化液介质达到声阻抗匹配,就可以达到满意的效果。超声波传感器一般都是可逆的,既可当作发射传感器使用,又可当作接收传感器使用, 考虑到这一特性和降低制造成本,采用脉冲回波法检测推移千斤顶位移。由超声波传感器先作为发射传感器使用,发出发射脉冲,通过一种或几种传播介质到达被测物体,从被测物体反射回来的脉冲再次被超声波传感器接收,此时超声波传感器又作为接收传感器使用。显然,我们只要测出发射脉冲与回波脉冲的时间差t 就可以推算出推移千斤顶位移。设超声波传感器到刮板输送机中部槽的距离为h,超声波传感器端面与推移千斤顶端盖外端面贴紧, 端盖内外端面间距为h0 ,端盖为金属材料制造,则h = ct/ 2（1）式中, c 为声音传播速度; t 为传播时间的2倍。声波在空气中的传输速率为： （2）其中，T为绝对温度，=331.4m/s。在不要求测距精度很高的情况下，一般认为c=340m/s。由上式可看出,测量推移千斤顶位移精度主要取决于测量时间差和测量声速的精度。超声波测距原理图如图3.3所示。图3.3超声波测距原理图超声波测距模块的硬件电路的设计主要包括单片机系统、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。3.2.2超声波发射电路超声波发射电路原理如图3.4所示。由于脉冲超声波具有较大的功率范围和较强的声强强度，为了充分利用单片机的内部资源，系统通过软件实现在单片机的PB0口产生40kHz的方波信号，峰值为5V。由于单片机产生的信号驱动能力，本系统的设计如下：发射电路由三极管、环形磁芯变压器、超声波换能器组成。其中，利用三极管设计共集电极电路，对超声波信号电压跟随，对电流进行放大，提高系统的带负载能力，利用环形磁芯变压器可以对发生信号的电压进行放大。选择变压器合适的漆包线线圈比，可以调整对发生信号的放大倍数，本设计采用那个的线圈比为1：20，即将输出超声信号的电压放大20倍。放大后的信号驱动超声传感器产生超声波，并传播出去。根据本电路的设计参数，可计算出基极电流IB约为26.2uA，发射极电流IE约为2.9mA (=80)。图3.4超声波发射电路3.2.3超声波接收电路超声波在空气中传播时，能量会随着距离的增加而不断衰减。通过实验测得，当探测距离为1m 左右时，信号能量已经衰减到30mv左右，我们需要把这个接收到的微弱的超声波正弦信号进行放大、滤波等处理，输入到单片机的外部中断口，作为接收到回波的标志。通常的设计思路是首先采用LM系列的放大器进行放大，然后经过滤波、频率锁定等电路输入到INT0 产生中断。该方法的优点在于可以锁定所需要的频率，防止外界其他频率的超声波的干扰，但缺点在于集成度不高，设计和焊接比较繁琐。为此本设计采用索尼公司的CX20106A 红外遥控接收集成芯片。该集成芯片是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接受电路。它集成了放大、限幅、带通滤波、峰值检测、整形和比较等功能，具有很高的灵敏度和抗干扰性。其各引脚功能如表3.1所示。表3.1 CX20106A引脚介绍引脚号说明1超声信号输入端，该引脚的输入阻抗约为40k2该引脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变他们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R3活减小电容C1，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C1的改变会影响到频率特性，一般在实际中不必改动，推荐选用参数为R3=10，C1=1F3该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若电容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3F4接地端5该脚与电源间接入一个电阻，用以布置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200k时，f042kHz，若取R=220k时，f038kHz。由于设计需要40 kHz的脉冲，故将阻值调至210k6该脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。7遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22k，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降8电源正极，4.55.5VCX20106A 芯片的7 引脚与单片机的INT0 相连接，未接收到超声波时，7引脚输出4.1v左右的高电平，不产生中断；当接收到与中心频率40KHz 相符或相近的超声波时，便产生低跳变。当检测到有底跳变时，把第一个下降沿信号输入到INT0 作为外部中断信号，然后关闭定时器T1并读取T1的计数值，进行下一步的时间和距离计算。其原理图如图3.5所示。图3.5超声波接收电路3.2.4温度补偿电路 由于传统的热敏电阻等测温元件测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部元件支持，且硬件电路复杂，制作成本相对较高。并且本设计中温度的测量是为了进行煤矿井下测距的温度补偿，故精度要求不高，这里采用DALLAS公司的数字温度传感器DS18B20作为测温元件。DS18B20 的性能特点如下： 独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯 DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温 DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电 温范围55125，在-10+85时精度为0.5 零待机功耗可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温 在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。 DS18B20最大的特点是单总线数据传输方式，DS18B20 的数据I/O均由同一条线来完成。DS18B20的电源供电方式有2种:外部供电方式和寄生电源方式。工作于寄生电源方式时，VDD和GND均接地,他在需要远程温度探测和空间受限的场合特别有用。但寄生电源方式需要强上拉电路,软件控制变得复杂(特别是在完成温度转换和拷贝数据到E2PROM 时)，同时芯片的性能也有所降低。因此，在条件允许的场合,尽量采用外供电方式。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接一个上拉电阻，一般为10K。在这里采用外部供电方式供电。DS18B20与控制器连接电路如图 3.6所示所示：图3.6温度补偿电路3.3支架推移千斤顶液压回路的设计液压系统的主要功能是为支架推移千斤顶提供动力，通过换向装置使千斤顶具有推移与拉近的功能。为支架推移千斤顶的正常工作提供保证和必要的保护措施3.3.1液压回路的设计由于本设计的系统采用单片机控制，并配有超声波位移传感器来检测支架推移千斤顶的位移量，所以可以通过单片机控制三位四通电磁阀的工作状态。其液压回路的原理图如图3.7所示。1-刮板机中部槽 2-支架推移千斤顶 3-三位四通电磁换向阀 4-电动机 5-液压泵6-溢流阀 7-过滤器图3.7 液压回路原理图通过单片机的控制，在一般液压系统中常用到的节流阀、调速阀、背压阀、减压阀等元器件可不必使用到，液压回路得到极大的简化。在液压油路的进油端设置一个溢流阀，给液压系统提供双重保护。在回油端设置一滤油器，保证油液清洁，可提高装置的使用寿命。使用三位四通电磁换向阀改变油路方向。3.3.2 三位四通电磁换向阀电磁换向阀是用电磁铁的吸力来推动阀芯运动以变换流体流动方向的控制阀，简称电磁阀。电磁换向阀有滑阀和球阀两种结构，通常所说的电磁换向阀为滑阀结构，称球状或锥状阀芯的电磁换向阀为电磁换向座阀，也称电磁球阀电磁换向阀的品种繁多，按其工作位置数和通路数的多少可分为二位三通、二位四通、三位四通等；按其复位和定位形式可分为弹簧复位式、钢球定位式、无复位弹簧式；按其阀体与电磁铁的连接形式可分为法兰连接和螺纹连接；按其所配电磁铁的结构形式可分为干式和湿式，每一类又有交流、直流、本整等形式，而且所需电源电压又有好多种，因而在其结构上存在很多差别。由于支架推移千斤顶实现的是刮板输送机直线度的调整，即实现对刮板输送机微小距离的推出与拉近，故可以采用最大通流量较小的5-WE10型三位四通电磁换向阀，它的特点有：直动式电磁铁操作方向滑阀；带可拆线圈的湿式直流或交流电磁铁；可不泄放油液更换线圈；可选的应急操作按钮；可选的可调式阀芯阻尼；电磁铁线圈可旋转90。其有关电器参数表3.2所示。表3.2 5-WE10型电磁换向阀电气参数电源形式直流(V)交流(V)12、24、42、60、96、110、180、205、22042、110、220、230、50/60HZ常用功率(W)35/切换时间按ISO6403（阀芯无阻尼）开(ms)45至70550关(ms)15至25切换频率(次/h)150007200线圈温度()+150+180三位四通电磁换向阀的结构简图如图3.8所示。图3.8 三位四通电磁换向阀结构简