一種煤礦瓦斯檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

韋曉虎

摘要：礦井中瓦斯的主要成分是甲烷，做好礦井中甲烷氣體濃度的實(shí)時(shí)檢測能為安全生產(chǎn)提供準(zhǔn)確判斷依據(jù)，對煤礦生產(chǎn)有著十分重要的意義。設(shè)計(jì)了一種基于紅外吸收原理的甲烷濃度檢測儀，檢測儀由PC上位機(jī)，RS485通訊中間層以及以STM32單片機(jī)為核心的檢測下位機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，精度能夠達(dá)到實(shí)用要求，可有效實(shí)現(xiàn)對礦井中的甲烷進(jìn)行檢測。

關(guān)鍵詞：瓦斯檢測 實(shí)時(shí)監(jiān)控 RS485 總線通訊

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0173-01

瓦斯爆炸一直是煤礦生產(chǎn)的重大威脅，為避免由于瓦斯爆炸而引發(fā)的安全事故，對煤礦中瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控顯得異常重要。甲烷（CH4）是礦井中瓦斯的主要成分，約占83%～89%，實(shí)時(shí)監(jiān)測礦井中甲烷氣體濃度能為安全生產(chǎn)提供判斷依據(jù)，可減少傷亡事故發(fā)生次數(shù)，對煤礦完全生產(chǎn)意義重大。按檢測原理，目前常用煤礦甲烷檢測儀大致可分為光干涉型、熱導(dǎo)型、氣敏半導(dǎo)體型和紅外型等。通過分析比較當(dāng)前已有技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于紅外吸收原理的甲烷檢測儀，該檢測儀以PC為上位機(jī)，以STM32單片機(jī)集成相關(guān)傳感器構(gòu)成為下位機(jī)，上位機(jī)與下位機(jī)通過RS485總線通訊傳輸數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)同時(shí)對多點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，精度能夠達(dá)到實(shí)用要求，可有效實(shí)現(xiàn)對礦井中的甲烷進(jìn)行檢測。

1 檢測儀的工作原理

監(jiān)測系統(tǒng)由上位機(jī)監(jiān)控部分、通訊中間層以及下位機(jī)三部分組成。上位機(jī)為部署在監(jiān)控辦公室普通PC，中間層是通訊層，負(fù)責(zé)上位機(jī)與下位機(jī)的通訊，通訊部分通過RS232接口與上位機(jī)連接，通過RS485總線與下位機(jī)連接，在通訊層中實(shí)現(xiàn)RS485信號到RS232的信號轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控。數(shù)據(jù)采集部分作為下位機(jī)，在多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行部署，實(shí)現(xiàn)對礦井中的氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，每一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)都以STM32 MCU為核心，再連接相應(yīng)的檢測傳感器。

下位機(jī)檢測儀核心為STM32單片機(jī)，系統(tǒng)啟動后下位機(jī)驅(qū)動電路控制紅外光源發(fā)出一定波長的紅外光，發(fā)光頭與紅外探測器探頭分別位于氣室兩端，發(fā)出的紅外光經(jīng)過充滿被檢測氣體的氣室到達(dá)紅外光探測器，由于氣室中不同濃度的甲烷氣體對紅外光的吸收率不同，于是在紅外光探測器將產(chǎn)生與氣室濃度相關(guān)的不同大小電壓信號，通過該電壓信號就可以計(jì)算出檢測氣體的濃度，同時(shí)下位機(jī)溫度傳感器檢測出氣室溫度；由紅外傳感器以及問題傳感器獲得電壓信號和溫度信號比較微弱，需要通過放大濾波電路放大后才能傳回處理核心單片機(jī)；下位機(jī)對接收到的信號進(jìn)行數(shù)字濾波、溫度補(bǔ)償和A/D轉(zhuǎn)換等處理后再通過中間層向上位機(jī)發(fā)送。上位機(jī)獲得數(shù)據(jù)后，對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)分析處理然后就可轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的氣體濃度，通過與預(yù)設(shè)值的比較，判斷出該監(jiān)測點(diǎn)甲烷濃度值是否正常，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、顯示，如果檢測到的濃度值大于預(yù)設(shè)值就立即發(fā)出濃度超標(biāo)警報(bào)聲。根據(jù)煤礦生產(chǎn)作業(yè)要求，如果礦井中瓦斯?jié)舛瘸^1%就必須停工，根據(jù)甲烷占所占比重，故設(shè)置甲烷濃度閾值為0.8%，系統(tǒng)一旦檢測到濃度超預(yù)定值，將及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號并啟動相關(guān)操作，通知生產(chǎn)人員立即停止生產(chǎn)。

2 檢測儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 探測器設(shè)計(jì)

氣體探測器與溫度傳感器均為非接觸式器件，紅外探測器探頭由透鏡、光纖束、光電管以及放大器等機(jī)構(gòu)組成。紅外光源發(fā)出的紅外線穿過氣室后，光線的輻射能量通過探測器透鏡由光纖束傳輸?shù)竭_(dá)光電管，從而實(shí)現(xiàn)將光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)通過采用雙色光電管來提高能量的集成度，通過使用光纖束來降低了對準(zhǔn)的難度。在煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)中，使用了2層濾光片，對兩種不同波長的光都具有良好的透過性，可實(shí)現(xiàn)對2路光線的選擇，選擇出的波長一路作為探測波長，另一路作為參考波長，兩路光信號經(jīng)過光電管后最終轉(zhuǎn)化為2路電信號輸出。

2.2 信號采集與處理

STM32F系列單片機(jī)是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基于ARM內(nèi)核的單片機(jī)。該系列分為基本型和增強(qiáng)型，STM32F103R8Z6屬于增強(qiáng)型，工作在72MHz，內(nèi)部帶有1μs的雙12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI，18MHz的T/O傳輸速度，有7路工作在72MHz的DMA，能夠快速處理存儲器和外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，片內(nèi)帶有RAM并且擁有豐富的各種外設(shè)，可應(yīng)用于大量不同場合。由于紅外探測器最先獲得的電壓信號較小，需要做好輸入輸出端抗干擾屏蔽避免信號不準(zhǔn)。由于光電管產(chǎn)生的電壓信號過小信號需要經(jīng)過信號放大電路進(jìn)行放大，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)在信號放大器中運(yùn)用程控增益放大電路并加入差動放大電路，提高了信號的共模抑制比以及抗干擾能力。在監(jiān)測端，經(jīng)過氣室的紅外線都經(jīng)過采集轉(zhuǎn)換成兩路電壓信號最終傳至增益放大電路進(jìn)行增益調(diào)節(jié)，如果檢測某一路A/D信號出現(xiàn)飽和就切換到放大倍數(shù)較小的電路，可以減少因?yàn)樾盘栵柡投鴮?dǎo)致的誤判。

2.3 信號通信

RS485總線技術(shù)成熟，通用性好并且具有極高的性價(jià)比，已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制信號的傳輸中，RS485是一種單機(jī)發(fā)送多機(jī)接收的單向平衡傳輸規(guī)范，適用于單主機(jī)多從機(jī)的多點(diǎn)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用場合。RS485接口電路由低功耗的半雙工RS485收發(fā)器與SP3485組成，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)10Mbps可以滿足大部分監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸要求。STM32單片機(jī)使用USART串口與RS485串口總線相連接，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，下位機(jī)通過RS485總線組成的通信中間層將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，在通訊層中需要實(shí)現(xiàn)RS485到RS232的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后采集到的數(shù)據(jù)就可以傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。在這里使用芯片MAX232來實(shí)現(xiàn)RS485到RS232的轉(zhuǎn)換，MAXMIN公司生產(chǎn)的RS232收發(fā)器工作于半雙工狀態(tài)，用于實(shí)現(xiàn)RS485總線和PC機(jī)RS232總線接口的轉(zhuǎn)換。

3 監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)包含系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、配置信息讀取與狀態(tài)判斷模塊；系統(tǒng)啟動后上位機(jī)首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，初始化包括初始化系統(tǒng)時(shí)鐘和通用I/O接口，然后自檢系統(tǒng)是否工作正常。本系統(tǒng)中上位機(jī)軟件主要對各監(jiān)測點(diǎn)傳送上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷與處理，并提供圖形界面來顯示監(jiān)測點(diǎn)環(huán)境的溫度、甲烷氣體的濃度以及傳感器狀態(tài)，并且在檢測到甲烷濃度超限時(shí)實(shí)現(xiàn)報(bào)警等功能；通過上位機(jī)圖形用戶界面可以對檢測儀進(jìn)行閾值設(shè)置、實(shí)現(xiàn)濃度曲線繪制、系統(tǒng)復(fù)位以及校準(zhǔn)等操作。在測試過程中，使用多組標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行了測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明檢測儀模塊能順暢通過通信模塊與上位機(jī)PC機(jī)實(shí)現(xiàn)正常的數(shù)據(jù)通信功能；檢測氣體在0～10%濃度范圍內(nèi)的絕對誤差小于或等于0.01%，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間小于2s，檢測穩(wěn)定時(shí)間小于5s，表明所設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)在監(jiān)測精度以及響應(yīng)時(shí)間上基本滿足生產(chǎn)要求。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32單片機(jī)的煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)測試表明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，可有效實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯的監(jiān)測，能準(zhǔn)確檢測出礦井中甲烷氣體的濃度，測量精度以及響應(yīng)時(shí)間能滿足煤礦生產(chǎn)中對瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測的需要，硬件施工簡單，維修方便，具有一定的實(shí)用推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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