便攜式瓦斯?jié)舛葯z測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

□ 朱會東□ 田力勇

1.阜新高等?？茖W(xué)校 遼寧阜新 123000

2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 遼寧阜新 123000

瓦斯爆炸是煤礦重大災(zāi)害事故之一，為了確保礦井的生產(chǎn)安全及礦工的生命安全，國內(nèi)已經(jīng)研制出了諸多類型的瓦斯檢測儀器，但絕大多數(shù)瓦斯檢測儀器都存在一些缺點(diǎn)，如儀器體積相對較大、使用安裝不便等[1-2]。因此，開發(fā)研制一套新型便攜式瓦斯?jié)舛葯z測系統(tǒng)，對于煤炭開采行業(yè)的安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 系統(tǒng)組成

便攜式瓦斯?jié)舛葯z測系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示，主要由主控制芯片、傳感器、信號放大電路、模擬與數(shù)字信號轉(zhuǎn)換模塊、發(fā)光二極管（LED）顯示模塊、時(shí)鐘模塊、聲光報(bào)警模塊、復(fù)位電路和把關(guān)器電路組成。為適應(yīng)安全生產(chǎn)的需要，同時(shí)滿足體積小、耗電少、精度高、攜帶方便的要求[3]，硬件電路設(shè)計(jì)中選用了功耗低、性能穩(wěn)定的STM32F103RBT6單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制芯片。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 瓦斯?jié)舛葯z測電路

對瓦斯?jié)舛鹊臋z測方法有多種，目前最常采用催化劑燃燒式傳感器來構(gòu)成檢測電路，如圖2所示。電路中R2是載體催化劑燃燒式電子元件，利用在金屬鉑金加熱絲表面鍍一層催化劑制成，遇到可燃?xì)怏w時(shí)，通過電流的鉑金加熱絲溫度會升高，在催化劑作用下使瓦斯與氧氣在低溫條件下發(fā)生無焰燃燒，產(chǎn)生的熱量進(jìn)一步使鉑金加熱絲的溫度升高，進(jìn)而使鉑金加熱絲電阻值產(chǎn)生一定改變，最終使檢測電路的電橋失去平衡，輸出一個(gè)電壓信號值，以此來反映空氣中瓦斯含量的大小[4]。電路中的R1是補(bǔ)償元件，與R2不同的是R1表面沒有鍍催化劑，因此不會參與低溫條件下的燃燒。R1在檢測電路中主要對非甲烷含量變化引起的R2阻值變化起補(bǔ)償作用，從而提高儀器零點(diǎn)穩(wěn)定性和抗干擾能力[5]。

圖2 瓦斯?jié)舛葯z測電路

便攜式瓦斯?jié)舛葯z測系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮使用便攜性及經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)，因此催化劑燃燒法非常適合。同時(shí)，考慮到檢測系統(tǒng)的性價(jià)比和便攜性，采用型號為MJC4/2.8J的催化燃燒式傳感器。

2.2 信號放大電路

當(dāng)被測瓦斯氣體的濃度通過氣體傳感器轉(zhuǎn)換為電量時(shí)，獲得的電壓變化量往往很小，通常只有幾毫伏到幾十毫伏，而共模電壓卻很高，輸入到放大器的噪聲與放大器自身產(chǎn)生的噪聲，往往大于放大器的輸入信號。因此，如何減小噪聲或?qū)⒃肼暸c信號分離，是信號放大器設(shè)計(jì)選型的關(guān)鍵。一般，置于傳感器后的放大器必須具有很高的共模抑制比，同時(shí)要求有較高的輸入電阻，以免對傳感器產(chǎn)生影響[6]。

考慮到便攜性及經(jīng)濟(jì)性，選擇MCP6002作為放大電路的放大器。MCP6002是高精度低失調(diào)電壓的精密運(yùn)算放大器，常應(yīng)用于微弱信號的放大。如果使用雙電源，能達(dá)到最好的放大效果[7]。瓦斯檢測轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 瓦斯檢測轉(zhuǎn)換電路

2.3 模擬與數(shù)字信號轉(zhuǎn)換模塊

由于便攜式瓦斯?jié)舛葯z測系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需突出體積小、耗電少、精度高、攜帶方便等特點(diǎn)，因此模擬與數(shù)字信號轉(zhuǎn)換模塊采用主控制芯片內(nèi)嵌的模擬與數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器。STM32F103RBT6內(nèi)置兩個(gè)十二位模擬與數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器，每個(gè)模擬與數(shù)字轉(zhuǎn)換器共用多達(dá)十六個(gè)外部通道，各個(gè)外部通道的模擬與數(shù)字信號轉(zhuǎn)換可以按單次、連續(xù)掃描及間斷模式執(zhí)行。

2.4 溫度傳感器

通常，熱敏電阻價(jià)格高、非線性，需要復(fù)雜的恒流源伺服電路，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜[8]。熱電偶需要加上補(bǔ)償電路，材料價(jià)高。以上兩種方案還都要配置模擬與數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器。如果采用DS18B20型溫度傳感器，那么只需要利用三條連接導(dǎo)線和一個(gè)合適的電阻，就能檢測溫度數(shù)據(jù)，同時(shí)又使電路非常簡單。DS18B20型溫度傳感器不僅體積小、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，而且適用電壓范圍寬[9]，這些特點(diǎn)非常符合便于攜帶的特點(diǎn)。系統(tǒng)選擇DS18B20型溫度傳感器作為溫度測量元件，其外部接線如圖4所示。

圖4 溫度傳感器外部接線

2.5 時(shí)鐘模塊

便攜式瓦斯?jié)舛葯z測系統(tǒng)具有時(shí)鐘顯示功能，為工作人員帶來便利[10]。由于DS1302具有引腳少、體積小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，因此選擇該芯片用作時(shí)鐘顯示芯片，如圖5所示。

圖5 DS1302芯片電路

2.6 把關(guān)器電路

便攜式瓦斯?jié)舛葯z測系統(tǒng)所選用的STM32F103RBT6單片機(jī)內(nèi)部嵌有兩個(gè)把關(guān)器定時(shí)器。

2.7 LED顯示模塊

便攜式瓦斯?jié)舛葯z測系統(tǒng)采用LED數(shù)碼管顯示。四位LED顯示器的外部電路如圖6所示。

2.8 鍵盤與接口技術(shù)

便攜式瓦斯?jié)舛葯z測系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，考慮到按鍵數(shù)目不多，單片機(jī)輸入輸出口占用不多，采用獨(dú)立式結(jié)構(gòu)。獨(dú)立式鍵盤如圖7所示。

2.9 聲光報(bào)警模塊

圖6 四位LED顯示器外部電路

圖7 獨(dú)立式鍵盤

便攜式瓦斯?jié)舛葯z測系統(tǒng)采用電磁式蜂鳴器作為聲報(bào)警的發(fā)聲器件，當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^限定值時(shí)，單片機(jī)PB10口輸出低電平，使PNP型三極管r8550導(dǎo)通，蜂鳴器兩端腳產(chǎn)生壓差，從而發(fā)出聲報(bào)警信號。采用LED串接限流電阻作為光報(bào)警的發(fā)光器件，當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^限定值時(shí)，單片機(jī)P8口輸出低電平，使LED導(dǎo)通，發(fā)出光亮，產(chǎn)生光報(bào)警信號。聲光報(bào)警模塊電路如圖8所示。

圖8 聲光報(bào)警模塊電路

3 軟件設(shè)計(jì)

便攜式瓦斯?jié)舛葯z測系統(tǒng)的軟件主程序流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)軟件主程序流程

4 結(jié)束語

筆者所設(shè)計(jì)的便攜式瓦斯?jié)舛葯z測系統(tǒng)中，主控制芯片采用STM32F103RBT6單片機(jī)。該單片機(jī)內(nèi)嵌兩個(gè)十二位模擬與數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器、兩個(gè)把關(guān)器定時(shí)器，使所設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)可不再另選模擬與數(shù)字信號轉(zhuǎn)換模塊、把關(guān)器等器件，這樣既能減小檢測系統(tǒng)的體積，又可以降低成本，還能為后續(xù)維護(hù)帶來便利。

便攜式瓦斯?jié)舛葯z測系統(tǒng)集數(shù)碼顯示及聲光報(bào)警功能于一體，具有體積小、便于攜帶、使用簡單、測量精準(zhǔn)、讀數(shù)方便及穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛葯z測的基礎(chǔ)上增加溫度、時(shí)間等顯示功能，便于煤礦井下工作人員了解時(shí)間及井下溫度?？梢姡@一檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)將會給井下工作人員帶來許多便利，可以成為井下工作人員的得力助手。