一種抗干擾礦用多參數(shù)傳感器設(shè)計(jì)

張德勝

1煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 北京 100013

2煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100013

3北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心 北京 100013

煤礦井下環(huán)境參數(shù)檢測(cè)是安全生產(chǎn)的重中之重，但目前常見(jiàn)的礦用傳感器功能較為單一，且多為單參數(shù)傳感器，集成化程度較低。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，布置在大型變頻設(shè)備附近的傳感器經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)冒大數(shù)等誤報(bào)警情況[1-3]，因此傳感器的抗干擾能力有待加強(qiáng)。

筆者設(shè)計(jì)了一種環(huán)境多參數(shù)傳感器，可同時(shí)檢測(cè)一氧化碳、氧氣、二氧化碳、硫化氫、溫度、濕度 6種參數(shù)，并采用抗電磁干擾設(shè)計(jì)消除了環(huán)境中變頻等設(shè)備對(duì)傳感器的影響，提高了檢測(cè)的可靠性。

1 傳感器總體設(shè)計(jì)

傳感器總體架構(gòu)分為 2 個(gè)部分。第 1 部分是信號(hào)采集，即分別獨(dú)立采集一氧化碳、氧氣、二氧化碳、硫化氫、溫度、濕度 6 種信號(hào)，信號(hào)通過(guò)光耦隔離電路后進(jìn)入傳感器單片機(jī)串口，進(jìn)行進(jìn)一步分析；第 2部分是傳感器數(shù)據(jù)的傳輸與顯示。多參數(shù)傳感器架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 多參數(shù)傳感器架構(gòu)Fig.1 Architecture of multi-parameter sensor

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 關(guān)鍵信號(hào)采集設(shè)計(jì)

基于模塊化設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)多參數(shù)傳感器信號(hào)采集，分別將 6 種參數(shù)根據(jù)檢測(cè)原理實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集并采用同一標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議通過(guò)串口輸出，有效增強(qiáng)了傳感器的可擴(kuò)展性和兼容性。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)傳感器通用主板電路設(shè)計(jì)，通過(guò)輪詢(xún)方式實(shí)現(xiàn)探頭信號(hào)采集，方便更換探頭以及根據(jù)需要采用組合方式實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)參數(shù)的采集。

2.1.1 氧氣檢測(cè)設(shè)計(jì)

氧氣采用 4OXV 系列氧氣敏感元件，其靈敏度為5 μA/(1.00% O2)，最大檢測(cè)范圍為 (0～25.00%) O2，傳感器整個(gè)量程段信號(hào)變化為 5 μA×30＝150 μA，檢測(cè)電路如圖2 所示。探頭輸出的電流經(jīng)過(guò)放大器AD8603 放大后，采用規(guī)定的 100 Ω 負(fù)載電阻取樣信號(hào)變化量為 15 mV，并再次處理后，按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議通過(guò)串口輸出。

圖2 氧氣檢測(cè)電路Fig.2 Oxygen detection circuit

2.1.2 硫化氫檢測(cè)設(shè)計(jì)

硫化氫敏感元件采用英國(guó) 4HS 探頭，量程為 0～200×10-6，檢測(cè)電路如圖3 所示。探頭輸出的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器放大，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)同過(guò) RC 濾波后，進(jìn)入單片機(jī) AD 轉(zhuǎn)換，處理后按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議通過(guò)串口輸出。

圖3 硫化氫檢測(cè)電路Fig.3 Hydrogen sulfide detection circuit

2.1.3 其他電路設(shè)計(jì)

二氧化碳采用英國(guó) DYNAMENT 探頭，量程為 0～ 5.00% CO2；一氧化碳采用山東微感光電子有限公司MSP1000CO(M) 探頭，量程為 0～1 000×10-6，兩者輸出信號(hào)均為串口 TTL，因此，無(wú)需單獨(dú)的信號(hào)采集電路，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議輸出信號(hào)即可。溫濕度采用瑞士Sensirion 公司 SHT21 型號(hào)的探頭，其輸出信號(hào)為串口 IIC，采用信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)換為串口 TTL。

2.2 多路串口復(fù)用設(shè)計(jì)

2.2.1 串口干擾問(wèn)題

多參數(shù)傳感器采用一路串口接收 5 路探頭串口數(shù)據(jù)，但是在實(shí)際測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)并聯(lián)其中任意兩路串口會(huì)出現(xiàn)無(wú)法正常收發(fā)數(shù)據(jù)的情況。因此，以其中 2 組串口為例，使用示波器分析串口工作情況。模塊 1 與模塊 2 TX 單獨(dú)工作時(shí)，輸出信號(hào)如圖4 所示。

圖4 模塊串口輸出信號(hào)波形Fig.4 Signal output waveform of module serial port

如果將模塊 1 與模塊 2 的 TX 并聯(lián)接入主控制器的 RX，輸出信號(hào)如圖5 所示。當(dāng)其中一個(gè)串口模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，并聯(lián)后的輸出信號(hào) TX 高電平為 3.26 V，而低電平被拉高為 2.14 V。通常情況下，微控制器的有效低電平不高于 1.5 V，當(dāng)?shù)碗娖奖焕?，?dǎo)致其無(wú)法正確接收串口模塊 1 發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)。雖然兩個(gè)模塊的 TX 配置為輸出，但任然具備吸附電流的能力，會(huì)影響另一個(gè)模塊的輸出，并會(huì)使輸出低電平抬高，從而造成電平邏輯混亂。

圖5 模塊 TX 并聯(lián)后輸出信號(hào)波形Fig.5 Signal output waveform after parallel connection of TX in modules

2.2.2 解決思路

通過(guò)上述分析，基于光耦模塊設(shè)計(jì)了一種 TTL串口復(fù)用電路，如圖6 所示。串口模塊不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，TX 處于空閑狀態(tài)，引腳為高電平，光耦模塊不導(dǎo)通，此時(shí)，微控制器 RX 管腳的信號(hào)為高電平。當(dāng)其中一個(gè)串口模塊開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)為高電平時(shí)，進(jìn)入微控制器 RX 管腳的信號(hào)為高電平；當(dāng)數(shù)據(jù)為低電平時(shí)，與該串口模塊 TX 連接的光耦導(dǎo)通，進(jìn)入微控制 RX 管腳的信號(hào)接地，引腳為低電平，微控制可以正確接收串口模塊發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)[4-6]。

圖6 串口復(fù)用隔離電路Fig.6 Serial port multiplexing isolation circuit

進(jìn)一步使用示波器對(duì)設(shè)計(jì)的串口復(fù)用電路進(jìn)行驗(yàn)證，其中一個(gè)串口模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，并聯(lián)后的 TX腳輸出信號(hào)如圖7 所示。當(dāng)串口模塊輸出高電平時(shí)，電壓為 3.68 V；當(dāng)串口模塊輸出低電平時(shí)，電壓為 0 V，可以正常收發(fā)數(shù)據(jù)。

圖7 優(yōu)化后模塊 TX 并聯(lián)后輸出信號(hào)波形Fig.7 Output signal waveform after parallel connection of TX in modules with optimized circuit

2.3 傳感器緩啟設(shè)計(jì)

在傳感器上電瞬間，存在一定的電壓波動(dòng)產(chǎn)生相對(duì)比較大的沖擊電流，可能會(huì)觸發(fā)供電電源的過(guò)流保護(hù)[7-8]。因此，需要在電源輸入端設(shè)計(jì)緩啟電路來(lái)平緩電源上電瞬間產(chǎn)生的大電流。基于 MOS 管法，設(shè)計(jì)了多參數(shù)傳感器的緩啟電路，如圖8 所示。

圖8 緩啟電路Fig.8 Slow-start circuit

其中，由 MOS 管、電阻、電容、二極管等構(gòu)成的電源輸入保護(hù)電路，其中由 MOS 管 Q1、電阻R1、R2、電容 C1 構(gòu)成緩啟電路。在電路上電瞬間，電容 C1 通過(guò)電阻 R2 緩慢充電，使電壓Vgs緩慢升高，MOS 管導(dǎo)通電阻Rd逐漸減小，導(dǎo)通電流Id緩慢增加。緩啟動(dòng)的速度由充電常數(shù)τ=(R2/R1)C1決定，C1越大緩啟動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，R2與R1比例越大，緩啟動(dòng)時(shí)間也越長(zhǎng)。

在電路掉電瞬間，C1 通過(guò) R1 進(jìn)行放電，使電壓Vgs緩慢降低，MOS 管導(dǎo)通電阻Rd逐漸增加，導(dǎo)通電流Id緩慢減小。隨后電壓降低到 MOS 管的開(kāi)啟電壓后，MOS 管 Q1 被關(guān)斷，放電常數(shù)τ=R1C1。

其中 R3 和 C2 組成阻容能量吸收電路，吸收在關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)，防止對(duì) MOS 管造成傷害。鉗位二極管 D1 是為了防止 MOS 管的柵極電壓過(guò)高被擊穿，電阻 R4 可以防止 MOS 管出現(xiàn)自激振蕩。在電源輸入端增加自恢復(fù)保險(xiǎn) F1，可以防止電流過(guò)大，保護(hù)后級(jí)電路，增加鉗位二極管 D3，可以防止輸入電壓過(guò)大對(duì)后級(jí)電路產(chǎn)生不可逆的損壞。

在LTspice 軟件中建立電路模型[9]，輸入電壓為21 V。分別將探針?lè)胖迷谪?fù)載上端、下端、負(fù)載中可以分別檢測(cè)到負(fù)載上部電壓U002、下部電壓U005、電流IR3，如圖9 所示。由圖9 可以看出，在上電 14 ms時(shí)開(kāi)始導(dǎo)通，負(fù)載下部電壓U005開(kāi)始逐漸下降，負(fù)載電流開(kāi)始逐漸增加。通過(guò)仿真驗(yàn)證了緩啟電路設(shè)計(jì)的正確性。

圖9 電路緩啟仿真Fig.9 Simulation of slow-start circuit

2.4 抗干擾設(shè)計(jì)

通過(guò)井下實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)大型變頻模塊產(chǎn)生的干擾頻段集中在 80 MHz 以下，該頻段的干擾極易引起傳感器產(chǎn)生數(shù)據(jù)采集異常[10-11]。為解決該問(wèn)題，設(shè)計(jì)濾波器電路如圖10(a) 所示，濾波電容C＝2 200 pF，共模電感LP＝10 μH，電容濾波處于第一級(jí)。應(yīng)用 ADS(Advanced Design System) 仿真軟件對(duì)濾波器的參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算[12]，結(jié)果如圖10(b) 所示。從仿真結(jié)果可以看出，濾波器電路插入損耗為 81.13 dB，對(duì) 80 MHz 以下頻段有明顯抑制作用。

圖10 濾波器仿真Fig.10 Filter simulation

2.5 顯示設(shè)計(jì)

由于井下環(huán)境黑暗，且傳感器安裝時(shí)一般位于巷道頂端，故采用數(shù)碼管設(shè)計(jì)，方便查看數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)碼管顯示時(shí)，存在傳感器顯示參數(shù)種類(lèi)較多時(shí)無(wú)法分清當(dāng)前顯示參數(shù)的情況，此外，數(shù)碼管也無(wú)法顯示參數(shù)類(lèi)型。因此，采用數(shù)碼管顯示數(shù)值時(shí)，可以通過(guò)使用雙色 LED 燈 (紅藍(lán)) 指示方法實(shí)現(xiàn) 6 個(gè)參數(shù)的區(qū)分，如圖11 所示。將當(dāng)前顯示參數(shù)的位置顯示為紅色，其余燈全部常亮為藍(lán)色，依次循環(huán)顯示。通過(guò)不同位置的紅色燈，實(shí)現(xiàn)對(duì) 6 個(gè)參數(shù)的識(shí)別。

圖11 多參數(shù)顯示Fig.11 Multi-parameter display

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件程序移植 RT-Thread 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[13-16]，提高傳感器響應(yīng)速度。軟件流程如圖12 所示?；赗T-Thread 設(shè)計(jì)了 4 個(gè)線程，分別處理數(shù)據(jù)采集、顯示與存儲(chǔ)、與上位機(jī)通信以及遙控操作。利用 RTThread 的信號(hào)量、時(shí)間、消息隊(duì)列機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了多參數(shù)傳感器的高效、可靠運(yùn)行。

圖12 軟件流程Fig.12 Software flowchart

4 試驗(yàn)測(cè)試

(1) 緩啟測(cè)試 采用多次拔插傳感器航插接口的方式測(cè)試多參數(shù)傳感器在上電瞬間是否引起供電電源過(guò)流保護(hù)，并用示波器記錄緩啟電路啟動(dòng)時(shí)間。測(cè)試結(jié)果表明緩啟電路延緩時(shí)間約為 18 ms，上電期間電源均未出現(xiàn)過(guò)流保護(hù)，可以有效平緩電源上電瞬間產(chǎn)生大電流。

(2) 性能測(cè)試 按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分別使用 500×10-6CO、21.00% O2、2.50% CO2、50×10-6H2S 標(biāo)準(zhǔn)氣以及采用 50 ℃、50% RH 溫濕度完成對(duì)傳感器 6 種參數(shù)調(diào)校，并進(jìn)行誤差測(cè)試，結(jié)果如表1 所列，測(cè)試結(jié)果均符合要求。同時(shí)，也間接驗(yàn)證了基于光耦模塊設(shè)計(jì)的多路串口復(fù)用電路可以準(zhǔn)確收發(fā)數(shù)據(jù)。

表1 傳感器誤差測(cè)試Tab.1 Sensor error test

(3) 抗干擾測(cè)試 在實(shí)驗(yàn)室對(duì)傳感器進(jìn)行 150 kHz～80 MHz 射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗(yàn)，對(duì)傳感器抗干擾能力進(jìn)行驗(yàn)證，并進(jìn)行脈沖群、浪涌、射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)。濾波器抗干擾測(cè)試結(jié)果如表2 所列。試驗(yàn)結(jié)果表明，增加濾波電路對(duì) 80 MHz 以下的干擾亦具有良好的濾波效果。

表2 抗干擾測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results of anti-interference

5 結(jié)語(yǔ)

(1) 針對(duì)傳感器多路串口復(fù)用時(shí) TTL 信號(hào)電平混亂問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于光耦模塊的串口復(fù)用電路，增強(qiáng)了通信的可靠性。

(2) 設(shè)計(jì)了多參數(shù)傳感器緩啟電路，避免了傳感器上電啟動(dòng)時(shí)瞬間產(chǎn)生的大電流觸發(fā)供電電源的過(guò)流保護(hù)的現(xiàn)象發(fā)生。

(3) 針對(duì)礦井中 80 MHz 以下的電磁干擾引起傳感器數(shù)據(jù)異常的問(wèn)題，基于 ADS 軟件設(shè)計(jì)了濾波器，通過(guò)仿真優(yōu)化后的濾波器在實(shí)驗(yàn)室對(duì)傳感器進(jìn)行 150 kHz～80 MHz 射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗(yàn)時(shí)，傳感器未再出現(xiàn)“上大數(shù)”等問(wèn)題。