勘探光電一體化多功能安全帽的機理研究

萬 濤，曾 進，韓 濤，孫 虎

(1.武漢海翼科技有限公司，武漢 430079； 2.江蘇大學，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

人們對地下資源勘探需求日趨迫切，因此地下工作人員的安全問題尤為重要[1-3]。尤其是氧氣稀薄的工作環(huán)境成為威脅地下勘探作業(yè)人員生命財產(chǎn)安全的主要因素[4]，研究用于地下勘探的光電一體化多功能安全帽已迫在眉睫。

用于氧氣檢測的氣體傳感器的研發(fā)始于20世紀30年代，按所用氧氣氣敏材料及氧氣靈敏特性不同，主要有半導體、固體電解質(zhì)、電化學、接觸燃燒、高分子氧氣氣敏傳感等[5-6]?，F(xiàn)有的氧氣報警器多采用貴金屬催化劑氧氣氣敏元件，但因催化劑中毒而影響了氧氣報警的準確性及安全性。此外，常溫下氧氣敏感度較低，隨著溫度的升高氧氣敏感度增加。

光電一體化多功能安全帽的持久動力離不開鋰電池的應(yīng)用。鋰電池是一類以金屬鋰或含鋰物質(zhì)作負極的化學電源的總稱，1958年美國加州大學開始了對鋰電池的研究[7]，1971年日本松下公司發(fā)明了鋰氟化碳電池并使鋰電池實現(xiàn)了應(yīng)用化、商品化[8]。與常規(guī)電池相比，其具有電壓高、比能量大等特點。已實用化的鋰電池有LiMnO2、LiSOCl2、LiSO2等，而當鋰電極用碳代替時便成了新式的鋰離子蓄電池。

單片機是把中央處理器(CPU)、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、輸入/輸出端口(I/O)等主要計算機功能部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。單片機具有性能高、速度快、體積小、價格低、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛、通用性強等突出優(yōu)點。單片機的設(shè)計目標主要是增強控制能力，滿足實時控制方面的需要，因此它在硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、I/O端口、功率消耗及可靠性等方面均有其獨特之處，其最顯著的特點之一是具有非常有效的控制功能。而應(yīng)用于地下勘探光電一體化多功能安全帽的控制系統(tǒng)選用了已經(jīng)成熟的單片機接口，為安全帽的研制提供了極大的便利。

1 光電一體化多功能安全帽設(shè)計功能及要求

用于地下勘探光電一體化多功能安全帽的設(shè)計需實現(xiàn)的主要功能：

著裝標志和護首功能。地下勘探光電一體化多功能安全帽是地下工作者的著裝標志，要保證一定的美觀性和統(tǒng)一性，應(yīng)有足夠的機械強度保護戴帽者的頭部。

電源和照明功能。特別是由于突發(fā)地下災(zāi)難時為被困者提供盡可能長時間的光照，為此要考慮在地下利用現(xiàn)場能源對鋰電池充電。電源需要根據(jù)系統(tǒng)中各元件的要求提供不同的工作電壓。鋰電池的選用較其他電池具有更優(yōu)異的性能。

靈敏、穩(wěn)定的氧氣傳感器功能。氧氣傳感器是光機電一體化多功能安全帽完成地下環(huán)境氧氣檢測的關(guān)鍵，既要靈敏精確又要穩(wěn)定，可靠地檢測井下的氧氣濃度，一旦氧氣濃度不達標，應(yīng)及時準確地發(fā)出報警信息。

燈光報警功能。由于地下噪音危害巨大，不宜用聲音報警，以安全帽體振動報警消耗的能量大。應(yīng)選用照明的燈光按設(shè)置的不同規(guī)律閃爍，以閃爍規(guī)律的差異實現(xiàn)不同故障的報警。

2 光電一體化多功能安全帽的工作原理

用于地下勘探的光電一體化多功能安全帽的工作控制基于單片機的工作效率，要求單片機的指令簡單，不需外接晶振，抗干擾能力強。而單片機PIC16F630是較好的選擇，圖1給出了其14個接口引腳說明。

在選用好單片機的基礎(chǔ)上應(yīng)對其進行初始化，再對光電一體化安全帽的變光照明、燈光照明進行判斷選擇。啟動氧氣傳感器檢測，當氧氣傳感器無缺損時，對工作環(huán)境中的氧氣進行檢測，經(jīng)脫附處理后，調(diào)整好工作電壓，使光電一體化多功能安全帽的檢測與報警功能進入正常工作狀態(tài)。

3 光電一體化多功能安全帽電路設(shè)計及機理分析

用于地下勘探的光電一體化多功能安全帽中的電路初始化包括堆棧、I/O接口、定時/計數(shù)器、寄存器等設(shè)置。在完成以上工作后，其中的CPU按圖3電路所示的順序查詢輸入口狀態(tài)，其中箭頭指向單片機接口，對氧氣傳感器是否缺損、是否脫附進行檢測，使其工作處于正確狀態(tài)。對氧氣濃度是否達標進行準確判斷，對發(fā)光體組數(shù)和報警形式選擇實時的準確識別，經(jīng)輸入出口控制變光照明。各種燈光報警和脫附電路等部分的正常工作如圖2所示。圖3給出了光電一體化多功能安全帽的總體電路設(shè)計圖。

圖2 光電一體化多功能安全帽電路機理圖Fig.2 Mechanism diagram of photoelectric integrated multifunctional safety helmet circuit

圖3 光電一體化多功能安全帽總體設(shè)計電路圖Fig.3 Overall design circuit diagram of photoelectric integrated multifunctional safety helmet

光電一體化多功能安全帽總體設(shè)計電路時，在單片機內(nèi)存儲常用氧氣傳感器所需用到的編碼，作業(yè)人員可通過輸入代碼或自動搜索兩種方式選擇遙控電器功能，達到通用目的，其中的各項特性參數(shù)如表1所示。

表1 光電一體化多功能安全帽主要特性參數(shù)Tab.1 Main characteristic parameters of photoelectric integrated multi-functional safety helmet

4 結(jié)語

應(yīng)用于地下勘探光電一體化多功能安全帽的研制與機理分析，大大提高了光電一體化多功能安全帽的實用效率，具有較強的實用價值，開創(chuàng)了光電一體化多功能安全帽研發(fā)的先河，并對此進行了工作機制研究。為光電一體化多功能安全帽走向市場、提高地下工作人員的工作效率提供了廣闊的前景。