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為了適應煤炭工業(yè)向機械化和自動(dòng)化方向發(fā)展,確保礦井的生產(chǎn)安全,防止瓦斯爆炸事故的發(fā)生,礦用甲烷傳感器的研究和設計從未停止過(guò)�，F有的甲烷傳感器普遍存在著(zhù)功耗較大、功能單一、精確度不高的缺點(diǎn),而且采用模擬電路技術(shù),造成系統的抗干擾能力和智能化程度都很低。因此,研制便于攜帶、多功能、高精度和抗干擾能力強的高可靠性甲烷檢測儀具有很大的應用價(jià)值。 1 儀表新特點(diǎn) 甲烷傳感器是一種礦用儀表,必須首先滿(mǎn)足井下安全生產(chǎn)的規程,但較其他普通傳感器又有如下主要特點(diǎn): (1)高可靠性處理 低功耗采用AT89LV51 單片機進(jìn)行集中處理,從而大大減少了繁瑣的模擬電路和元器件,節省了電路功耗。 (2)高精度要求 片內對黑白元件電路的設置。 煤礦安全規程規定,甲烷濃度超過(guò)1%時(shí),傳感器應進(jìn)行報警;超過(guò)1.5%時(shí),井下設備應斷電;超過(guò)2%時(shí)應立即撤離所有人員。文中研究的甲烷傳感器檢測范圍為0%～4%,完全滿(mǎn)足煤礦安全規程的要求。 在0%～4%甲烷濃度有效檢測范圍之內的測量誤差為: 當甲烷濃度為0%～1% 時(shí), 誤差范圍≤±0.1%; 當甲烷濃度為1%～2% 時(shí), 誤差范圍≤±0.2%; 當甲烷濃度為2%～4% 時(shí), 誤差范圍≤±0.3%。 (3)高智能化 采用紅外遙控和機載按鍵兩種方式。正常工作時(shí),儀表配有時(shí)間顯示。 (4)功能強大的數字處理方式打破以往甲烷傳感器功能單一的缺點(diǎn),加入了方便井下工人使用的輔助功能,如礦井環(huán)境溫度顯示、年月日時(shí)間顯示、儀器電量檢測、歷史濃度數據存儲等。 2 儀器工作原理 傳感器系統中以AT89LV51單片機為中心,傳感器檢測井下的甲烷濃度,甲烷傳感器線(xiàn)性輸出與濃度成正比的電壓信號經(jīng)放大器放大之后輸入至A /D轉換器,轉換之后得到數字信號送入單片機,單片機進(jìn)行相應的處理之后送入LCD顯示相應的濃度值。當甲烷濃度超出安全值進(jìn)行聲光報警,工作原理如圖1所示。 溫度測量:由溫度傳感器檢測環(huán)境溫度,輸出相應的電壓信號直接送入A /D轉換器的模擬輸入通道,轉換成數字信號之后送入單片機進(jìn)行數據處理,最后由LCD顯示溫度。 電量檢測部分:在電源端設置相應的檢測電路,同樣由單片機處理之后在液晶屏上用圖形的方法顯示剩余電量。 紅外遙控部分: TOSH IBA的TC9148P紅外調制發(fā)射芯片,有選擇、上調、下調三鍵。 看門(mén)狗部分: 采用XICOR 公司帶有串行接口EEPROM的看門(mén)狗芯片X5045,在傳感器開(kāi)始階段進(jìn)行設置,并且將其設置數據保存在EEPROM中。 時(shí)間顯示部分:加入專(zhuān)用的時(shí)鐘芯片產(chǎn)生日歷和時(shí)鐘,與單片機連接進(jìn)行時(shí)間調節和顯示控制。 3 硬件電路工作原理 3.1 檢測電路 3.1.1 甲烷傳感器工作原理 甲烷檢測的方法有很多種,如熱導法、紅外光譜系數法、超聲波測量法、氣敏半導體法、熱載體催化元件檢測法等。儀表采用熱載體催化元件檢測法,這種元件內部以鉑絲為核心,外部以氧化鋁為載體,載體上涂有催化劑,當鉑絲通過(guò)一定的電流且元件處于含有甲烷的氣體中時(shí),表面會(huì )產(chǎn)生無(wú)焰燃燒,使鉑絲因溫度增加而阻值增加,從而實(shí)現對甲烷的檢測。目前甲烷傳感器均采用這種方法。采用熱載體催化元件檢測甲烷濃度的原理如圖2所示。它是一個(gè)簡(jiǎn)單的電橋,催化元件r1 (黑元件)作為工作元件, r2 (白元件)作為對比元件。R2 用于補償r1 , r2 的不一致。當無(wú)甲烷時(shí), 調節RP使電橋處于平衡狀態(tài), r1 , r2 中流過(guò)相同的恒定電流, 并使兩元件溫度上升到500 ℃左右。當有甲烷時(shí)甲烷與氧氣在工作元件表面發(fā)生反應,放出的熱量使工作元件溫度升高ΔT,從而引起工作元件電阻增加Δr,使電橋失去平衡,產(chǎn)生一個(gè)與甲烷濃度成正比的電壓信號輸出,測出此信號的大小即可知道甲烷濃度的高低,信號將輸出到A /D轉換電路。 3.1.2 甲烷檢測橋路 將圖2簡(jiǎn)化如圖3所示。當電橋輸出端接至高輸入阻抗裝置(如運算放大器或數字電壓表等)時(shí),電橋相當于工作在輸出開(kāi)路狀態(tài),其輸出電壓為: 3.2 A /D轉換電路 根據該傳感器的多功能與高精度要求,A /D轉換電路采用TLC2543C,把測量模擬信號轉換成數字信號。TLC2543C為10位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近的模數轉換器。通過(guò)一個(gè)串行的3態(tài)輸出端與主處理器或其他外圍器件相連,減少了硬件走線(xiàn)。除了高速轉換和通用控制功能之外,器件具有11路的模擬輸入端,完全能夠滿(mǎn)足多路采樣和功能升級。器件的轉換器結合外部輸入的差分高阻抗基準電壓,具有簡(jiǎn)化比例轉換以及模擬電路與邏輯電路和電源噪聲隔離的特點(diǎn)。開(kāi)關(guān)電容的設計還可以使在整個(gè)溫度范圍內減小轉換誤差,提高系統的精度。 3.3 顯示電路和RS232串行口通信電路及硬件看門(mén)狗電路 為了適應礦井環(huán)境,該傳感器采用帶背光的寬液晶顯示屏,增強視覺(jué)效果,并且帶有日歷、時(shí)間顯示功能。 與PC機進(jìn)行通信,存儲數據,從而對礦井環(huán)境建立數據庫,對環(huán)境進(jìn)行分析,單片機的串行口加上MAX232電平轉換器,采用3線(xiàn)制與PC機進(jìn)行數據傳送,波特率為9 600 bp s。單片機T1計數器作為串行口發(fā)送和接收數據的波特率發(fā)生器。采用XI2COR公司帶有串行接口( SP I) EEPROM的看門(mén)狗芯片X5045,在傳感器初始化時(shí)進(jìn)行設置,并且將其設置數據保存在EEPROM中。使整個(gè)系統的可靠性大大提高,而且最大程度的節省了系統的資源。 3.4 外遙控電路和放大電路 系統中也使用了紅外通信的模式。TOSH IBA的TC9148P紅外調制發(fā)射芯片,有單鍵發(fā)射功能和連續發(fā)射功能。遙控發(fā)射器的選擇、上調、下調三鍵均采用連續發(fā)射的模式。接收部分只采用了紅外接收頭,在單片機內部實(shí)現了軟件解碼的功能。紅外遙控的使用使得操作方便、可靠。 采用數字電位器X9313 取代了模擬電位器。對傳感器的精度和靈敏度進(jìn)行調整,使得精度和準確度提高。 4 軟件設計和算法實(shí)現 系統上電后,首先對單片機進(jìn)行初始化,然后對A /D進(jìn)行初始化,之后系統開(kāi)始工作。首先采樣甲烷濃度并顯示,超過(guò)安全值報警; 然后采樣環(huán)境溫度并顯示; 最后顯示時(shí)間,循環(huán)采樣并實(shí)時(shí)顯示。 另一方面用外部中斷INT0等待鍵盤(pán)輸入,INT0中斷即進(jìn)入鍵盤(pán)設置程序,可調整日歷時(shí)間、設置安全報警值。其主程序與PC機和紅外線(xiàn)、鍵盤(pán)中斷程序流程圖如圖4所示。在系統工作的初始狀態(tài)設定完成之后,可以對甲烷傳感器進(jìn)行氣體的測定。 圖4 主程序與PC和紅外線(xiàn)、鍵盤(pán)中斷程序流程圖 5 誤差討論 5.1 工作電壓帶來(lái)的誤差 由傳感器測量電路輸出電壓推導公式可知,在對輸出電壓線(xiàn)性化時(shí)忽略了二次項,因此存在著(zhù)非線(xiàn)性誤差,這個(gè)誤差可以在單片機中采用模糊數學(xué)補償的方法進(jìn)行消除。在A(yíng) /D ( TLC2543)轉換通道中,基準電壓的波動(dòng)可導致不可預測的誤差甚至錯誤結果。這種誤差的消除方法只有在基準電壓輸入端采用精密電源芯片,使電壓值穩定在準確值2.5 V。 5.2 算法誤差 設計中乘除法采用4字節的定點(diǎn)算法,數字表示范圍是: 0～4 294 967 295。計算結果的相對誤差在0.9 ×10-4 ,所以計算精度可以得到保證。最終的相對誤差在0.3%以下。 6 結論 (1)處理芯片的升級,滿(mǎn)足0%～4%甲烷濃度測量。在此范圍之中測量誤差在0.3%以?xún)�。甲烷濃度超出安全值準確報警,同時(shí)可測量和顯示環(huán)境溫度。 (2)傳統儀表功能擴展:日歷、時(shí)鐘顯示,紅外遙控芯片使用和硬件看門(mén)狗電路。 (3)測量?jì)x表自動(dòng)化程度高,無(wú)需大量手工操作�？膳cPC機進(jìn)行通信,為礦井環(huán)境數據庫的建立,從而分析井下環(huán)境走勢提供了必要條件。尤其是儀表的紅外芯片的使用方便了調試和使用。 (4)實(shí)現了低功耗,高可靠性,操作方便。正常工作情況下處于充電,備用電池在現場(chǎng)斷電情況下自動(dòng)切換。 在目前的試用中,對該傳感器的設計反映很好,它能夠可靠、穩定、安全的測量井下瓦斯,對于預防井下安全事故起到了重要作用,具有推廣應用價(jià)值。 |
