基于STM32的激光甲烷斷電儀的研發(fā)

張江濤

（晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,山西 晉城 048006）

甲烷斷電儀是一種在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)甲烷濃度顯示、報(bào)警，并對(duì)受控電氣設(shè)施實(shí)施閉鎖、解鎖控制的裝置。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，在采煤工作面、巖巷掘進(jìn)工作面、采區(qū)回風(fēng)巷、地面瓦斯抽采泵房?jī)?nèi)等11處地點(diǎn)必須安裝甲烷斷電儀。而激光甲烷傳感器采用激光器作為光源，利用甲烷氣體對(duì)特定波長(zhǎng)激光的吸收原理測(cè)量甲烷濃度，可實(shí)現(xiàn)甲烷0～100%濃度范圍直接測(cè)量。工作穩(wěn)定性大于180d，無(wú)零點(diǎn)漂移，不受溫度變化、硫化氫、二氧化硫、一氧化碳等影響，檢測(cè)精度高，調(diào)校周期長(zhǎng)。特別適用于煤礦井下甲烷濃度實(shí)時(shí)檢測(cè)。根據(jù)上述情況，可設(shè)計(jì)一款配套激光甲烷檢測(cè)的斷電儀設(shè)備。利用激光技術(shù)監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛龋?dāng)濃度超過預(yù)設(shè)的報(bào)警點(diǎn)時(shí)，儀器能發(fā)出聲光報(bào)警；當(dāng)濃度超過預(yù)設(shè)的斷電點(diǎn)時(shí)，儀器能自動(dòng)切斷電源，以確保安全生產(chǎn)；當(dāng)濃度回落到報(bào)警點(diǎn)或復(fù)電點(diǎn)以下時(shí)，儀器能解除報(bào)警或自動(dòng)解鎖。

1 激光甲烷斷電儀的原理

激光甲烷斷電儀由激光接收頭、電源轉(zhuǎn)換電路、STM32芯片、顯示電路、報(bào)警電路、斷電控制電路構(gòu)成，如圖1所示。激光接收頭通過波長(zhǎng)調(diào)制激光吸收光譜技術(shù)和識(shí)別甲烷氣體，通過串口信號(hào)傳送給STM32芯片，通過程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行分析，與設(shè)定的報(bào)警、斷電、復(fù)電值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果控制相應(yīng)的電路進(jìn)行動(dòng)作。

圖1 激光甲烷斷電儀的原理圖

2 激光甲烷傳感器硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 激光接收頭電路設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的催化燃燒式的黑白元件探頭調(diào)校周期短，維護(hù)工作量大，易受其他氣體影響，而激光探頭具有抗干擾能力強(qiáng)、反應(yīng)靈敏、檢測(cè)精度高的功能，粉塵、水和硫化氫氣體的影響幾乎可忽略不計(jì)。

激光探頭檢測(cè)甲烷濃度采用的是波長(zhǎng)調(diào)制激光吸收光譜技術(shù)（簡(jiǎn)稱WMAS），該技術(shù)的基本原理為利用半導(dǎo)體紅外激光的可調(diào)諧特性和氣體的選擇性吸收性質(zhì)來檢測(cè)待測(cè)氣體濃度。WMAS利用二極管激光器的波長(zhǎng)掃描和電流調(diào)諧特性來實(shí)現(xiàn)痕量氣體吸收曲線的二次諧波檢測(cè)。可調(diào)諧二極管激光器的線寬小于10MHz。激光線寬遠(yuǎn)小于被測(cè)氣體單吸收譜線寬度，其頻率調(diào)制掃描范圍也僅包含被測(cè)氣體單吸收譜線，避免氣體交叉干擾。

激光探頭的電路原理如圖2所示，激光探頭接收到信號(hào)后傳輸給隔離芯片（激光探頭內(nèi)），隔離芯片將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為485信號(hào)，通過連接線傳輸給485芯片SN65HVD72，轉(zhuǎn)化為串口信號(hào)傳輸給CPU的ADC模塊。

圖2 激光探頭電路原理圖

2.2 電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

斷電儀的供電電源分為交流電、直流電和電池供電三種供電模式。供電原理如圖3所示，交流電源是AC127V/AC36V，直流電源為DC24V。交流電通過不同的接口接入主機(jī)內(nèi)部，通過ACDC電源模塊進(jìn)行電源變換，轉(zhuǎn)化為DC24V，再通過DCDC電源模塊轉(zhuǎn)化為DC18V、DC5V和DC3.3V。DC18V進(jìn)行外部報(bào)警器供電，DC5V進(jìn)行繼電器輸出供電，DC3.3V進(jìn)行芯片及模塊供電。外部報(bào)警器為本質(zhì)安全型礦用儀器，DC18V需增加本安保護(hù)電路才能向外輸出。為了防止干擾，DC18V與DC5V、DC3.3V要進(jìn)行本安隔離。

圖3 激光甲烷斷電儀的供電原理

2.3 STM32芯片電路設(shè)計(jì)

2.3.1 STM32芯片選用

STM32系列專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。按性能分成兩個(gè)不同的系列：STM32F103“增強(qiáng)型”系列和STM32F101“基本型”系列。增強(qiáng)型系列時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型時(shí)鐘頻率為36MHz，是16位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。兩個(gè)系列都內(nèi)置32K到128K的閃存，不同的是SRAM的最大容量和外設(shè)接口的組合。時(shí)鐘頻率72MHz時(shí)，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗36mA，是32位市場(chǎng)上功耗最低的產(chǎn)品。本文斷電儀選用STM32F103RCT6芯片作為CPU，該芯片擁有48KB SRAM、256KB FLASH、2個(gè)基本定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)高級(jí)定時(shí)器、2個(gè)DMA控制器（共12個(gè)通道）、3個(gè)SPI、2個(gè)IIC、5個(gè)串口、1個(gè)USB、1個(gè)CAN、3個(gè)12位ADC、1個(gè)12位DAC、1個(gè)SDIO接口及51個(gè)通用IO口。

2.3.2 時(shí)鐘電路

對(duì)于STM32芯片，三種不同的時(shí)鐘源可被用來驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)鐘：HSI振蕩器時(shí)鐘、HSE振蕩器時(shí)鐘、PLL時(shí)鐘；另外兩種時(shí)鐘可作為2級(jí)時(shí)鐘源：40kHz低速內(nèi)部RC(LSI RC)振蕩器、32.768kHz低速外部晶體(LSE晶體)。

本產(chǎn)品對(duì)時(shí)鐘精度要求不高，選用8MHz晶振作為STM32芯片的外部時(shí)鐘HSE輸入，芯片可內(nèi)部進(jìn)行自分頻，為各寄存器、I/O端口、定時(shí)器等提供時(shí)鐘使能。

2.3.3 程序下載電路

芯片程序下載有SWD模式和JTAG模式兩種方式。相比較JTAG模式，SWD只需要2根線（SWCLK和SWDIO）就可以下載并調(diào)試代碼，而且速度非常快，故選用SWD模式進(jìn)行程序的下載。

2.3.4 遙控接收電路設(shè)計(jì)

斷電儀參數(shù)設(shè)定使用紅外遙控器進(jìn)行設(shè)置。斷電儀選用TL1838紅外接收頭進(jìn)行紅外接收，將接收到的信號(hào)通過引腳直接傳送給CPU，根據(jù)軟件程序?qū)b控信號(hào)進(jìn)行分析處理。

2.3.5 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的斷電儀配接本質(zhì)安全型報(bào)警器。選用TPL251作為聲光報(bào)警驅(qū)動(dòng)模塊，當(dāng)甲烷濃度值超過所設(shè)報(bào)警線時(shí)，由CPU向驅(qū)動(dòng)模塊輸出低電平，TPL251為下拉電阻輸入模式，輸出高電平，連接配接的報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警。

2.3.6 顯示電路設(shè)計(jì)

斷電儀的顯示電路采用兩種不同的數(shù)碼管。一種為數(shù)碼管，斷電儀硬件電路包括兩種數(shù)碼管，其中0.36英寸單體數(shù)碼管顯示斷電儀的工作模式，CL-5461B三位一體共陽(yáng)數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)的甲烷濃度；另一種為發(fā)光二極管，用來指示斷電儀的工作狀態(tài)。每個(gè)I/O口設(shè)置為推挽輸出，由CPU直接控制數(shù)碼管和發(fā)光二極管進(jìn)行顯示。

2.4 斷電控制電路設(shè)計(jì)

斷電儀的斷電控制電路如圖4所示。其中U3為光耦元器件，主要起信號(hào)隔離作用，穩(wěn)定繼電器的供電環(huán)境，防止電壓波動(dòng)導(dǎo)致繼電器誤動(dòng)作。U9為驅(qū)動(dòng)模塊，當(dāng)CPU輸出斷電信號(hào)后，接通T4，為繼電器T3供電，控制外圍設(shè)備。T3繼電器選用宏發(fā)繼電器HF115F-005-2ZS4，供電電壓為5.5V，輸出端1路為常開常閉接點(diǎn)，斷電接點(diǎn)容量為DC24V/3A，AC127V/3A。

圖4 輸出電路圖

3 斷電儀軟件設(shè)計(jì)

斷電儀的程序采用模塊化設(shè)計(jì)，包括485通訊程序、數(shù)據(jù)采集程序、顯示程序、遙控程序、數(shù)據(jù)判定程序、輸出控制程序、定時(shí)器程序等。軟件流程圖如圖5所示，可實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）當(dāng)斷電儀主機(jī)中的甲烷濃度達(dá)到預(yù)置的報(bào)警點(diǎn)時(shí)，斷電儀輸出報(bào)警；當(dāng)甲烷濃度恢復(fù)到報(bào)警點(diǎn)以下時(shí)，應(yīng)能解除報(bào)警。

（2）斷電儀在以下情況時(shí)實(shí)現(xiàn)斷電閉鎖:

① 當(dāng)甲烷濃度達(dá)到預(yù)置的斷電點(diǎn)時(shí)；

② 當(dāng)發(fā)生供電電源或通訊開路、短路等故障時(shí)；

③ 當(dāng)斷電儀主機(jī)失電時(shí)；

④ 當(dāng)主機(jī)在送電1min以內(nèi)。

（3）斷電儀在以下情況時(shí)自動(dòng)復(fù)電:

① 當(dāng)被測(cè)甲烷濃度降到復(fù)電點(diǎn)時(shí)；

② 當(dāng)故障排除且主機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)行并達(dá)到穩(wěn)定時(shí)；

③ 當(dāng)主機(jī)送電1min后正常穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)。

4 結(jié)語(yǔ)

礦井生產(chǎn)情況惡劣，狀況復(fù)雜多變，激光斷電儀作為更新產(chǎn)品，不僅具備原先斷電儀的功能，而且具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）輸入模式多樣化，可與不同的機(jī)組設(shè)備安裝，適用于交直流供電環(huán)境；（2）甲烷探頭采用激光探頭，抗干擾能力強(qiáng)、反應(yīng)靈敏、檢測(cè)精度高；（3）電路中供電部分都用光耦模塊進(jìn)行隔離，有效防止電信號(hào)的干擾；（4）使用數(shù)字化傳輸，可以為礦井?dāng)?shù)字化提供斷電儀實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，提高安全調(diào)度工作的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。目前，該產(chǎn)品已在晉煤集團(tuán)煤礦井下完成3個(gè)月的工業(yè)性試驗(yàn)，運(yùn)行穩(wěn)定，為激光斷電儀的應(yīng)用提供實(shí)際參考。

圖5 斷電儀程序流程圖