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    基于PIC 單片機(jī)的礦用甲烷傳感器的設(shè)計(jì)

    2010-09-08 03:27:36衛(wèi)文慧
    中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2010年19期
    關(guān)鍵詞:氣敏電橋電路設(shè)計(jì)

    衛(wèi)文慧

    (煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院,重慶 400037)

    我國煤礦每年的重特大事故中,甲烷爆炸約占到70%,其破壞力極強(qiáng),而且有數(shù)據(jù)表明,近幾年隨著煤層開采深度的進(jìn)一步加大,這種災(zāi)害呈上升趨勢。因此對礦井進(jìn)行甲烷濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警是十分必要的,且意義重大[1-2]。甲烷爆炸界限為5%~16%當(dāng)甲烷濃度低于5%時(shí),遇火不爆炸,但能在火焰外圍形成燃燒層,當(dāng)甲烷濃度為9.5%時(shí),其爆炸威力最大(氧和甲烷完全反應(yīng));甲烷濃度在16%以上時(shí),失去其爆炸性,但在空氣中遇火仍會燃燒。因此,監(jiān)測控制井下甲烷濃度是杜絕甲烷爆炸主要手段。而單片機(jī)傳感器近年來發(fā)展相當(dāng)快,本身具有速度快、精度高、操作簡便、運(yùn)行可靠等特點(diǎn),十分適合作為甲烷監(jiān)測傳感器的核心[3-4]。本文設(shè)計(jì)了一種使用PIC16F877 單片機(jī)的智能礦井甲烷傳感器,除具有濃度顯示,聲光報(bào)警等傳統(tǒng)功能外,還具有人機(jī)對話功能,大大提高了此類產(chǎn)品的可靠性、方便性和網(wǎng)絡(luò)化程度。

    1 智能甲烷傳感器的設(shè)計(jì)方案

    智能甲烷傳感器的甲烷檢測電路采用多個甲烷氣敏元件,每個甲烷氣敏元件所在電橋的輸出端都可以得到一個電壓信號,該信號特別小,不易被PIC 單片機(jī)采樣,將該信號通過一個放大電路放大,再送入PIC 單片機(jī)的AD 端口,將該信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,利用微處理器強(qiáng)大的運(yùn)算和邏輯控制功能,分析處理采樣數(shù)據(jù)并在顯示器上顯示當(dāng)前甲烷濃度。如果甲烷濃度超限,則進(jìn)行聲光報(bào)警,并自動斷電保護(hù)甲烷氣敏元件。為了方便與其它設(shè)備或上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù),設(shè)置了通信接口。傳感器的零點(diǎn)漂移系數(shù)、非線性補(bǔ)償系數(shù)和礦井的安全濃度值都存放在PIC 單片機(jī)的EEPROM 中。智能甲烷傳感器的硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

    圖1 智能甲烷傳感器的硬件結(jié)構(gòu)圖

    2 硬件設(shè)計(jì)

    2.1 單片機(jī)

    單片機(jī)是甲烷傳感器的核心,經(jīng)過比較,采用了MicroChip 公司的PIC16F877 單片機(jī)。它的最大優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在引腳少、功能強(qiáng)、可直接帶LED 負(fù)載;具有低耗能工作方式,較簡便地實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù);外圍配置簡單、明晰、提高了整機(jī)的可靠性;并且具有較強(qiáng)的抗干擾性,大大提高了抵御外界的電磁干擾和本機(jī)控制電路的電磁干擾的能力,所以特別適合在條件相對惡劣的井下工作。

    2.2 甲烷氣敏元件的選用及檢測電路設(shè)計(jì)

    甲烷氣敏元件選擇鄭州煒盛電子生產(chǎn)的MJC4/2.8J 催化燃燒式氣敏元件,它的工作電壓為2.8V,工作電流為90mA,具有低功耗、響應(yīng)速度快、抗H2S 中毒等特點(diǎn)。甲烷檢測電路如圖2所示,Ra 為催化傳感元件,Rb 為補(bǔ)償元件,由干電池供電。在新鮮空氣(無甲烷)中,Ra=Rb,調(diào)整Rp 使電橋平衡,輸出端電壓=0;在有甲烷的環(huán)境中,Ra 表面發(fā)生無焰催化燃燒引起溫度上升,其阻值便隨之增加,而Rb 阻值不變,從而電橋失去平衡,輸出端電壓U>0。輸出端電壓U 經(jīng)放大電路調(diào)整為單片機(jī)能夠檢測到的標(biāo)準(zhǔn)信號后,送入單片機(jī)的AD0~AD2。

    圖2 甲烷檢測電路圖

    2.3 信號放大電路設(shè)計(jì)

    當(dāng)在甲烷濃度為0~4%的環(huán)境中進(jìn)行檢測時(shí),甲烷檢測電路輸出電壓非常小(mV 級),所以必須經(jīng)過放大電路對該微小的電壓信號進(jìn)行放大,才能被單片機(jī)采樣到。考慮到低成本和干電池能量有限,選擇B-URR-BROWN 公司生產(chǎn)的OPA2272 運(yùn)放。

    2.4 聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)

    為了保障井下的安全生產(chǎn),當(dāng)甲烷濃度超過安全值時(shí),需要提醒井下工作人員及時(shí)采取保護(hù)措施。為了實(shí)現(xiàn)多方位報(bào)警功能,該傳感器的聲光報(bào)警電路采用二極管發(fā)光報(bào)警和鳴音報(bào)警2 種方式。

    2.5 甲烷濃度顯示電路設(shè)計(jì)

    液晶顯示器采用大連東顯電子有限公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)段式低功耗3位液晶顯示器EDS812A,有23 個段輸出和1 個公共端輸出,采用靜態(tài)驅(qū)動方法直接連線。

    2.6 電橋自動斷電保護(hù)電路設(shè)計(jì)

    當(dāng)甲烷濃度超過4%時(shí),甲烷氣敏元件容易受到?jīng)_擊而損壞。于是筆者設(shè)計(jì)了一個電橋自動斷電保護(hù)電路,如圖3 所示。該電路實(shí)現(xiàn)原理:將單片機(jī)的PB0 端口通過一個反向器加強(qiáng)驅(qū)動能力后,再與光耦相連,控制電橋電源的通斷;當(dāng)單片機(jī)檢測到甲烷濃度達(dá)到4%時(shí),置PB0 為高電平,控制光耦將甲烷電橋電源斷開,從而實(shí)現(xiàn)甲烷氣敏元件自動斷電保護(hù)功能。

    圖3 電橋自動斷電保護(hù)電路圖

    2.7 通信接口電路設(shè)計(jì)

    為了與其它設(shè)備或PC 機(jī)傳輸數(shù)據(jù),需要保留通信接口,該傳感器使用的是串行通信接口。由于從單片機(jī)輸出的為TTL 電平,為了使數(shù)據(jù)能夠通過RS232 接口正確傳輸,用MAX3232芯片將TTL 電平轉(zhuǎn)換為RS232 電平。

    3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)采用C 語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì),大大提高了開發(fā)調(diào)試工作的效率,同時(shí),所產(chǎn)生的文檔資料也容易理解,便于移植。主處理模塊主要是將各個模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)處理和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。主處理模塊首先完成初始化工作,初始化后進(jìn)入循環(huán)處理,在循環(huán)過程中主處理獲得采集模塊的數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,根據(jù)處理后的結(jié)果來進(jìn)行顯示或者報(bào)警。系統(tǒng)流程圖如圖4 所示。

    圖4 系統(tǒng)流程圖

    4 結(jié)束語

    本文設(shè)計(jì)的智能甲烷傳感器,采用了多種創(chuàng)新的硬件/軟件手段,確保了系統(tǒng)的高精度和工作的可靠性,該傳感器采用多個甲烷氣敏元件,以PIC16F877 單片機(jī)為控制核心,采用C 語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。通過單片機(jī)控制甲烷傳感器,實(shí)現(xiàn)對井下甲烷濃度實(shí)時(shí)采集、處理,并當(dāng)所測甲烷濃度超過設(shè)定的報(bào)警上、下限時(shí)自動報(bào)警,使礦工能夠及時(shí)脫離危險(xiǎn),是煤礦傳感器設(shè)計(jì)的首選器件。

    [1]孫繼平.礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)[M].2004.

    [2]李學(xué)海.PIC 單片機(jī)原理[M].北京航空航天大學(xué)出版社.2005.

    [3]楊國慶,侯宏偉.我國煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展[J].煤炭技術(shù),2008(9):63-64.

    [4]李冠群.KG9701 型智能低濃瓦斯傳感器的分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2004(11):37-39.

    [5]董宇涵.多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)設(shè)計(jì)與算法改進(jìn)[D].北京:清華大學(xué),2005.

    [6]王耀南,李樹濤.多傳感器信息融合及其應(yīng)用綜述[J].控制與決策,2001(5).

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