摘要:针对传统的甲烷传感器测量精度低、稳定性差、缺乏智能性等问题,介绍了一种智能甲烷传感器的设计方案。该传感器采用多个甲烷气敏元件,以PIC16F877单片机为控制核心,采用C语言进行程序设计。通过单片机控制甲烷传感器,实现对井下甲烷浓度实时采集、处理,并当所测甲烷浓度超过设定的报警上、下限时自动报警,使矿工能够及时脱离危险,是煤矿传感器设计的首选器件。
关键词:甲烷传感器;甲烷检测;单片机
我国煤矿每年的重特大事故中,甲烷爆炸约占到70%,其破坏力极强,而且有数据表明,近几年随着煤层开采深度的进一步加大,这种灾害呈上升趋势。因此对矿井进行甲烷浓度的实时监测与预警是十分必要的,且意义重大[1-2]。甲烷爆炸界限为5%～16%当甲烷浓度低于5%时,遇火不爆炸,但能在火焰外围形成燃烧层,当甲烷浓度为9.5%时,其爆炸威力最大(氧和甲烷完全反应);甲烷浓度在16%以上时,失去其爆炸性,但在空气中遇火仍会燃烧。因此,监测控制井下甲烷浓度是杜绝甲烷爆炸主要手段。而單片机传感器近年来发展相当快,本身具有速度快、精度高、操作简便、运行可靠等特点,十分适合作为甲烷监测传感器的核心[3-4]。本文设计了一种使用PIC16F877单片机的智能矿井甲烷传感器,除具有浓度显示,声光报警等传统功能外,还具有人机对话功能,大大提高了此类产品的可靠性、方便性和网络化程度。
1 智能甲烷传感器的设计方案
智能甲烷传感器的甲烷检测电路采用多个甲烷气敏元件,每个甲烷气敏元件所在电桥的输出端都可以得到一个电压信号,该信号特别小,不易被PIC单片机采样,将该信号通过一个放大电路放大,再送入PIC单片机的AD端口,将该信号转换为数字信号,利用微处理器强大的运算和逻辑控制功能,分析处理采样数据并在显示器上显示当前甲烷浓度。如果甲烷浓度超限,则进行声光报警,并自动断电保护甲烷气敏元件。为了方便与其它设备或上位机传输数据,设置了通信接口。传感器的零点漂移系数、非线性补偿系数和矿井的安全浓度值都存放在PIC单片机的EEPROM中。智能甲烷传感器的硬件结构如图1所示。
2硬件设计
2.1单片机
单片机是甲烷传感器的核心,经过比较,采用了MicroChip公司的PIC16F877 单片机。它的最大优点表现在引脚少、功能强、可直接带LED负载;具有低耗能工作方式,较简便地实现掉电保护;外围配置简单、明晰、提高了整机的可靠性;并且具有较强的抗干扰性,大大提高了抵御外界的电磁干扰和本机控制电路的电磁干扰的能力,所以特别适合在条件相对恶劣的井下工作。
2.2甲烷气敏元件的选用及检测电路设计
甲烷气敏元件选择郑州炜盛电子生产的MJC4/2.8J催化燃烧式气敏元件,它的工作电压为2.8V,工作电流为90mA,具有低功耗、响应速度快、抗H2S中毒等特点。甲烷检测电路如图2所示,Ra为催化传感元件,Rb为补偿元件,由干电池供电。在新鲜空气(无甲烷)中,Ra=Rb,调整Rp使电桥平衡,输出端电压=0;在有甲烷的环境中, Ra表面发生无焰催化燃烧引起温度上升,其阻值便随之增加,而Rb阻值不变,从而电桥失去平衡,输出端电压U>0。输出端电压U经放大电路调整为单片机能够检测到的标准信号后,送入单片机的AD0～AD2。
2.3信号放大电路设计
当在甲烷浓度为0～4%的环境中进行检测时,甲烷检测电路输出电压非常小(mV级),所以必须经过放大电路对该微小的电压信号进行放大,才能被单片机采样到。考虑到低成本和干电池能量有限,选择B-URR-BROWN公司生产的OPA2272运放。
2.4声光报警电路设计
为了保障井下的安全生产,当甲烷浓度超过安全值时,需要提醒井下工作人员及时采取保护措施。为了实现多方位报警功能,该传感器的声光报警电路采用二极管发光报警和鸣音报警2种方式。
2.5甲烷浓度显示电路设计
液晶显示器采用大连东显电子有限公司生产的标准段式低功耗3 位液晶显示器EDS812A,有23个段输出和1个公共端输出,采用静态驱动方法直接连线。
2.6电桥自动断电保护电路设计
当甲烷浓度超过4%时,甲烷气敏元件容易受到冲击而损坏。于是笔者设计了一个电桥自动断电保护电路,如图3所示。该电路实现原理:将单片机的PB0端口通过一个反向器加强驱动能力后,再与光耦相连,控制电桥电源的通断;当单片机检测到甲烷浓度达到4%时,置PB0为高电平,控制光耦将甲烷电桥电源断开,从而实现甲烷气敏元件自动断电保护功能。
2.7通信接口电路设计
为了与其它设备或PC机传输数据,需要保留通信接口,该传感器使用的是串行通信接口。由于从单片机输出的为TTL电平,为了使数据能够通过RS232接口正确传输,用MAX3232芯片将TTL电平转换为RS232电平。
3系统软件设计
系统采用C语言进行程序设计,大大提高了开发调试工作的效率,同时,所产生的文档资料也容易理解,便于移植。主处理模块主要是将各个模块进行协调处理和实现数据交互。主处理模块首先完成初始化工作,初始化后进入循环处理,在循环过程中主处理获得采集模块的数据,并将数据进行处理,根据处理后的结果来进行显示或者报警。系统流程图如图4所示。
4 结束语
本文设计的智能甲烷传感器,采用了多种创新的硬件/软件手段,确保了系统的高精度和工作的可靠性,该传感器采用多个甲烷气敏元件,以PIC16F877单片机为控制核心,采用C语言进行程序设计。通过单片机控制甲烷传感器,实现对井下甲烷浓度实时采集、处理,并当所测甲烷浓度超过设定的报警上、下限时自动报警,使矿工能够及时脱离危险,是煤矿传感器设计的首选器件。
参考文献
[1]孙继平.矿井安全监控系统[M].2004.
[2]李学海.PIC单片机原理[M].北京航空航天大学出版社.2005.
[3]杨国庆,侯宏伟.我国煤矿瓦斯监控系统现状及发展[J].煤炭技术,2008(9):63-64.
[4]李冠群.KG9701型智能低浓瓦斯传感器的分析[J].煤炭科学技术,2004(11):37-39.
[5]董宇涵.多传感器数据融合系统设计与算法改进[D].北京:清华大学,2005.
[6]王耀南,李树涛.多传感器信息融合及其应用综述[J].控制与决策,2001(5).
作者简介:卫文慧(1983),男,安徽省人,研究方向为:矿用产品检测检验技术的研究。
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