1 引言
矿井罐道作为提升容器运行的导轨，其作用是消除提升容器运行过程中的横向摆动，保证提升容器高速、安全运行，并阻止提升容器的坠落。井筒装备按罐道结构不同分为刚性装备（刚性罐道）和柔性装备（钢丝绳罐道）两种。煤矿罐道间距的测量是煤矿安全的重要部分。首先选用超声波传感器测距，测量水平方向的罐道与罐道壁的间距，具有抗干扰性强、测量数据精确等优点。其次选用编码器测量垂直方向的距离，以便于实现对水平方向间距的定点分析。
在传统的间距测量中，缺少一种可以远程监控并实现数据分析的系统，本项目研讨单片机和Labview软件分别编程解决方案，实现数据的传输与在上位机的显示和数据分析功能。
2 功能要求
利用超声波传感器和编码器测距，达到测量精度的要求，然后通过单片机与电脑进行数据的串口传输，最后通过Labview编程接收数据，在前面板即人际交互界面生成图表，实现距离数据的传输、保存和分析，如图1所示。具体内容如下：
图1 罐道间距测量及数据分析图示
(1)本文主要实现了利用STC12C5A36AD单片机及超声波传感器与增量式光电编码进行测距，并把数据传输到上位机，实现数据的显示与图表生成等功能。
(2)要求测量精度达到0.5cm，在超声波传感器及编码器数据测量完成后，利用LCD1602液晶显示屏显示数据，并在人机交互界面显示数据并自动生成波形图与表格，以便于工作人员进行数据分析。
3 下位机实现
下位机为超声波传感器、编码器和单片机的组合。
首先，罐道水平间距测量超声波传感器选用HC-SR04，在测量范围上该传感器可以最远达到400cm，最近可以实现2cm，分别参见图2和图3所示。
图2 HC-SR04正面 图3 HC-SR04背面
其次，罐道垂直间距测量编码器选用增量式光电编码器。增量式光电编码器可通过计米轮与导轨的接触产生轴的正转与反转，然后通过设置脉冲与位移的关系方程，实现垂直方向上的距离测量，参见图3-3所示。
图4 增量式光电编码器
最后，选用51单片机系列里的STC12C5A36AD单片机，实现接收超声波传感器和编码器测得的数据并传输到上位机的功能。图3-4为下位机实物模型。
图5 下位机实物模型
4 上位机实现
上位机的实现主要在于Labview编程，实现接收单片机传输过来的一系列字符串数据，并进行进制转换，最后转化为波形图和表格等功能。
首先选择串口通信方式，然后通过VISA的一系列操作模块例如本设计用到的串口配置和VISA读操作模块等实现数据的传输与接收功能。其中通信程序的核心部分就是对与串口的配置，参见图6所示。
图6 串口配置程序
图7为串口配置程序前面板，直观地显示了VISA资源名称、波特率、数据比特、奇偶校验、错误输入、停止位、流控制启用终止符、终止符等。运行前可进行各个参数的设置。
图7 VISA serial前面板
使用VISA Read子VI对单片机上传进来的数据完成读取，参见图8所示。
图8 VISA Read模块连线
使用VISA Read将上传得到的数据进行读取，经由串口收到的信息为字符串，为了得到可以直观的进行显示并便于处理的格式需要将字符串转换为数字。从偏移量位置开始，控件的功能为将字符串中的数字字符自动转换为十进制的整数，参见图9所示。
图9 字符串数字转换模块
在将串口各个参数设置完成后，对串口通信程序与单片机通信进行仿真，仿真结果如图10所示，数字窗口示当前单片机测得的编码器测得距离为12m，超声波测得距离为3cm。
图10串口程序配置方式
在接收到单片机距离数据后，需要对测得的数据进行实时的显示，以帮助检测人员对煤矿罐道与入口井道壁之间的安全距离是否符合安全距离要求得到直观的了解。测得距离的曲线图通过Labview中的XY图表模块进行绘制，数值直接输入到XY图表模块中，参见图11所示。
图11 XY图模块
检测人员可以在煤矿罐道运行过程中通过间距智能测量系统现场观测到此时煤矿罐道与其入口井道壁之间的距离数据(X为超声波测距距离，Y为编码器测距距离）。可以现场对超出安全距离的位置进行停罐复测。也可以在测距完成后进行数据分析。
5 结束语
本文以实例介绍了传感器结合单片机测距和所得数据的通信与分析。通过超声波传感器测距，具有精度高、抗干扰性强等优点，结合单片机和电脑的数据传输及通过Labview编程实现数据图表的直观显示，这将是未来煤矿罐道间距测量的主流。