低濃度煤礦瓦斯檢測系統(tǒng)設(shè)計與仿真

丁 艷， 袁隆基， 宋正昶

（中國礦業(yè)大學a.徐海學院；b.電氣與動力工程學院，江蘇徐州221116）

0 引 言

煤礦瓦斯是煤礦開采過程中煤的伴生產(chǎn)物，屬于不可再生能源，在煤礦開采過程中，煤礦瓦斯被列為重大災(zāi)害源和大氣污染源［1］。瓦斯的聚集極易引起瓦斯事故，及時掌握煤礦瓦斯的實時狀態(tài)顯得非常重要，瓦斯?jié)舛葯z測便成了煤礦安全生產(chǎn)中一項必不可少的工作。煤礦瓦斯?jié)舛葯z測方法有：熱傳導(dǎo)型［2］、光學干涉型［3］、紅外吸收型［3-5］、催化燃燒型［6-8］等。熱傳導(dǎo)檢測傳感器的結(jié)構(gòu)相對比較簡單，一般用于高濃度瓦斯檢測，因為在對于高濃度瓦斯檢測來說，精度比較高，而不適用于低濃度煤礦瓦斯的檢測［9］。光學干涉檢測，雖然精度高、性能也比較穩(wěn)定，但是檢測速度比較慢，讀數(shù)也不直觀［9-10］，我國20世紀70年代之前，用的基本上都是這個方法［11］。紅外吸收檢測方法的檢測范圍比較寬，響應(yīng)也比較快，精度也較高，但其精度和成本基本成正比關(guān)系，也就是精度越高，成本越高，所以推廣比較困難［12］。目前對于低濃度瓦斯檢測，使用比較多的就是基于催化燃燒原理的檢測方法，這種方法是20世紀80年代以來，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展而興起的一種檢測方法。傳統(tǒng)的煤礦瓦斯檢測儀存在功耗高、體積大、可靠性不高等問題。為此，本文基于催化燃燒傳感器原理，提出一種低濃度煤礦瓦斯檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案，該方案選取STC89C52RC單片機為核心控制芯片，采用Keil uVision為系統(tǒng)編程軟件［13］，8 bit 高精度ADC0808 為采集芯片［14，15］，LCD1602為液晶顯示模塊，并通過Proteus軟件進行檢測系統(tǒng)的仿真測試，驗證了檢測電路的可行性，實現(xiàn)了低濃度瓦斯的檢測，減小了體積，提高了可靠性，降低了成本，達到了預(yù)期目的，具有一定的適用參考價值。

1 煤礦瓦斯檢測傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理

煤礦瓦斯檢測傳感器的結(jié)構(gòu)和原理如圖1所示。

圖1 瓦斯傳感器電氣原理圖

圖中RD為測量元件，該測量元件主要是由金屬鉑絲、氧化鋁多孔載體和催化劑構(gòu)成，金屬鉑絲繞制成螺旋狀，在其外層涂抹一定厚度的氧化鋁漿，并將其燒制成多孔載體，在載體表面浸漬一層鉑和鈀催化劑，元件表面呈現(xiàn)出黑色，所以通常又被稱為黑元件。圖中RC是補償元件，與黑元件RD的阻值相同，不同的是RC表面并沒有浸漬催化劑，也就不會參與低溫催化燃燒反應(yīng)，它的作用只是對非瓦斯含量變化引起的RD阻值變化起到補償作用，圖中的R1和R2相等，與RD和RC共同組成了一個電橋。黑元件RD在通電的情況下，當遇到瓦斯氣體時，通過的電流會使得黑元件內(nèi)部的鉑絲溫度升高，當達到一定溫度時，瓦斯和氧氣在催化劑的作用下進行無焰燃燒反應(yīng)，其反應(yīng)方程式：

反應(yīng)產(chǎn)生的熱量會進一步加熱鉑絲，導(dǎo)致鉑絲的電阻發(fā)生改變，使得電橋失去了平衡而輸出一個電壓信號，用這個電壓信號值來反映瓦斯含量的大小。具體推導(dǎo)如下：

當鉑絲的電阻由于溫度而改變ΔRD，則

由此可見，輸出電壓UAB與測量元件的電阻變化量ΔRD成正比。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控芯片電路

本設(shè)計的主控芯片選擇了STC89C52RC，該芯片不僅沿襲了傳統(tǒng)而經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，且改進了傳統(tǒng)51單片機一些不具備或者是需要通過外接其他芯片才能實現(xiàn)的功能，該系統(tǒng)具有8 bit CPU和在線可編程Flash。本設(shè)計的主控芯片電路如圖2所示。

圖2 主控芯片電路

由圖2中可見，P3口用于ADC0808的數(shù)字量獲取，P2.3～P2.6引腳用于控制ADC0808芯片的相關(guān)操作，P1口在外接一個上拉電阻的前提下用于輸出數(shù)據(jù)給LCD1602模塊，P2.0～P2.3操作LCD1602的控制命令，從引腳和使用性能上分析可見，該芯片完全可以滿足本設(shè)計的需求。

2.2 信號放大電路

低濃度瓦斯檢測傳感器輸出的電壓信號非常微弱，一般在mV級別，只有幾mV至幾十mV，且共模電壓較高，有時電路噪聲比信號還大。因此，從噪聲中能識別出有效信號顯得非常重要。綜合成本和精度的需求，本文選擇了儀表放大器AD620，AD620是一款高精度儀表放大器，內(nèi)部集成了3個運算放大器，且只需在引腳1和引腳8之間跨接一個精密電阻就可以實現(xiàn)1～10 000的增益調(diào)節(jié)，對于設(shè)計和操作來說都非常方便。對于具體增益（G）的選定，可以按照下式進行計算：

式中：Rg為跨接在引腳1和引腳8之間的電阻。本設(shè)計選用傳感器的輸出電壓在40 mV左右，AD620的放大倍數(shù)設(shè)計為100，輸出的電壓信號就可以供A／D采集模塊。由式（2）可知，放大倍數(shù)為100，則Rg很難取得一個整數(shù)值，所以在設(shè)計中采用一個1 kΩ的精密可調(diào)電阻，將阻值調(diào)至在498.989 8 Ω（即圖3中的RP2）左右，盡量讓放大后獲取100的放大倍數(shù)。具體電路如圖3所示。

圖3 信號放大電路

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

該部分采用ADC0808模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，該芯片精度高，速度快。ADC0808芯片內(nèi)部集成了8個通道的A／D轉(zhuǎn)換，每個通道均為8 bit逐次逼近型A／DC。設(shè)計的電路圖如圖4所示。

圖4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

由圖4可見：ADDA、ADDB和ADDC為模擬通道地址選擇引腳，由于本設(shè)計中只用了IN0一個通道對放大后的瓦斯氣體濃度電壓信號進行采集，所以在設(shè)計時，直接將ADDA、ADDB和ADDC引腳全部接GND，一直默認選通IN0通道，由單片機的P2.3引腳提供CLOCK信號，單片機的P2.4引腳啟動A／D轉(zhuǎn)換，ADC0808的START引腳獲取單片機P24引腳的正脈沖信號，正脈沖的上升沿對逐次逼近寄存器清零，下降沿開始啟動A／D轉(zhuǎn)換。當轉(zhuǎn)換完成時，AD0808C的EOC引腳由低電平變?yōu)楦唠娖?，單片機的P26引腳對ADC0808C的OE引腳輸出高電平，打開ADC0808C的輸出三態(tài)門，使得轉(zhuǎn)換結(jié)果可以從A0～A7口讀取。

2.4 顯示電路

為方便觀察檢測到的瓦斯?jié)舛?，本設(shè)計采用了LCD1602液晶顯示模塊，如圖5所示，與主控芯片STC89C52RC芯片直接相連，利用STC89C52RC的P1口驅(qū)動LCD1602的數(shù)據(jù)口，P2.0～P2.3作為LCD1602的控制引腳，通常程序控制LCD1602的時序和顯示內(nèi)容。

圖5 Proteus軟件仿真演示圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件部分主要是STC89C52RC主控芯片的內(nèi)部程序，主要功能是實現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊牟杉?、處理和顯示。程序的工作流程如圖6所示。

圖6 軟件工作流程圖

首先進行系統(tǒng)的初始化，包括定時器、ADC0808以及LCD1602模塊的初始化，由于ADC0808的通道選擇引腳直接接地，所以一直默認選通的是IN0通道，通過AD0808的操作時序，啟動ADC0808芯片進行IN0通道的信號采集，采集后的數(shù)據(jù)進行異常值的剔除處理，然后送入LCD1602液晶模塊進行顯示。

4 仿真測試和分析

對上述電路進行了仿真測試，采用MJC4／2.5J的催化燃燒式傳感器，該傳感器輸出的是毫伏級電壓信號，工作電壓為2.5 V，工作電流大致為90 mA。由于Proteus中沒有這個傳感器模型，在此用毫伏級電池電壓來代替，如圖5（a）所示，從圖5（a）中可見，30 mV經(jīng)過AD620芯片進行100倍放大之后變成3V電壓信號，這個信號通過ADC0808芯片進行采集和STC89C52RC芯片進行處理，并通過圖5（b）、LCD1602進行顯示采集到的電壓信號值和瓦斯的濃度值。表1中列出了廠家傳感器參數(shù)的典型值，通過Proteus軟件對典型的參數(shù)值仿真測試，仿真測試結(jié)果和廠家傳感器參數(shù)一致，驗證了該電路可以實現(xiàn)低濃度瓦斯的濃度測試。

表1 傳感器參數(shù)和仿真測試結(jié)果

5 結(jié) 語

本文提出的一種基于催化燃燒式原理的低濃度煤礦瓦斯檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案，以STC89C52RC單片機為核心控制芯片，采用Keil uVision為系統(tǒng)編程軟件，8 bit高精度ADC0808為采集芯片，LCD1602液晶為顯示模塊，并通過Proteus仿真軟件進行了檢測系統(tǒng)的仿真測試，驗證了檢測電路的可行性，實現(xiàn)了低濃度瓦斯的檢測，減小了體積，提高了可靠性，降低了成本，達到了預(yù)期目的，具有一定的適用參考價值。