郭二孩

（華陽(yáng)集團(tuán)開(kāi)元公司通風(fēng)部遙測(cè)隊(duì)，山西 晉中 045400）

引言

近年來(lái)，煤礦瓦斯事故一直是影響我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)的重要因素，建立安全高效通用的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)的重要保障，因此智能瓦斯傳感器的設(shè)計(jì)與研發(fā)是一項(xiàng)重要的研究課題[1]。智能傳感器以微處理器為核心，由傳感器和相關(guān)電路組成，在傳統(tǒng)傳感器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了功能擴(kuò)展和升級(jí)，主要分為模塊式、混合式和集成式三種形式[2]。將智能傳感器與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，一方面大大增加了傳感器的數(shù)據(jù)判斷和信息處理能力，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)傳感器的遠(yuǎn)程監(jiān)控和調(diào)試[3]。目前，集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)是工業(yè)控制系統(tǒng)中的兩大主要通訊系統(tǒng)，而CAN 總線(xiàn)是現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)中的一種，具有通訊效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍極為廣泛[4]。本文通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)了以嵌入式微處理器為核心，以CAN 總線(xiàn)為通訊方式的智能瓦斯傳感器，并在實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)傳感器的硬件和軟件進(jìn)行了調(diào)試和運(yùn)行，進(jìn)行了瓦斯?jié)舛鹊臏y(cè)試和報(bào)警實(shí)驗(yàn)，對(duì)傳感器的可靠性和穩(wěn)定性進(jìn)行了考察與驗(yàn)證。

1 智能瓦斯傳感器的設(shè)計(jì)方案

智能瓦斯傳感器的設(shè)計(jì)主要包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分，硬件系統(tǒng)包括控制器最小系統(tǒng)、傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)、報(bào)警顯示以及CAN 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，軟件部分需根據(jù)各模塊軟件流程編寫(xiě)相應(yīng)的程序代碼。CAN 網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能完成特定的功能，同時(shí)也能以多種方式實(shí)現(xiàn)，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，提高了準(zhǔn)確性和可靠性。

1.1 智能瓦斯傳感器硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 微處理單元模擬系統(tǒng)單元

瓦斯智能傳感器的核心是微處理單元，該單元由傳感元件、放大器和A/D 轉(zhuǎn)換器組成。目前，常用的檢測(cè)瓦斯的傳感器有催化傳感器、紅外傳感器和光纖傳感器?？紤]到礦井瓦斯的主要成分為甲烷，甲烷在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下是一種無(wú)色、無(wú)味、密度小于空氣、難溶于水的氣體，主要集中在礦井巷道的頂部；而且甲烷不支持呼吸，有窒息的風(fēng)險(xiǎn)，濃度超過(guò)一定范圍時(shí)可以發(fā)生燃燒甚至引起爆炸。因此，本文中設(shè)計(jì)的智能瓦斯傳感器的濃度監(jiān)測(cè)范圍為1%～4%，采用的傳感器為熱效式瓦斯傳感器，利用可燃?xì)怏w在催化劑條件下發(fā)生燃燒產(chǎn)生的熱量，使得測(cè)量元件的電阻值發(fā)生改變，從而間接表征瓦斯的濃度。在傳感器中，以L(fǎng)XK 系列催化氣敏元件作為瓦斯傳感器的敏感元件。

A/D 電路能夠?qū)⑼咚節(jié)舛刃盘?hào)轉(zhuǎn)化為電路信號(hào)，具體的工作原理為：首先由瓦斯敏感元件采集濃度信號(hào)，將濃度信號(hào)傳至調(diào)理電路進(jìn)行放大處理，最終至微處理器進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。實(shí)驗(yàn)對(duì)A/D 電路的采樣頻率進(jìn)行了優(yōu)化，最終確認(rèn)在0～3.3 V的電壓下，每秒進(jìn)行400 000 次10 位采樣。

1.1.2 系統(tǒng)控制電路

系統(tǒng)控制電路是系統(tǒng)運(yùn)行的基本電路，由系統(tǒng)電源電路、存儲(chǔ)電路、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路四部分組成。由于微處理器芯片需在3.3 V 電壓條件下工作，因此系統(tǒng)電源電路先通過(guò)USB 直接連接5 V 直流電源，經(jīng)過(guò)濾波處理和穩(wěn)壓器作用后，將整體電壓穩(wěn)定至3.3 V；系統(tǒng)的存儲(chǔ)部分由FLASH 存儲(chǔ)器和RAM存儲(chǔ)器組成，主要用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序；復(fù)位電路是在系統(tǒng)上電、掉電和跳電情況下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位的單元，一般通過(guò)RESET 管腳和看門(mén)狗復(fù)位兩種方式進(jìn)行復(fù)位操作，本文選用RESET 管腳復(fù)位方式，通過(guò)施密特觸發(fā)輸入管腳進(jìn)行調(diào)控，確保整個(gè)系統(tǒng)的各部分均以確定的初始狀態(tài)開(kāi)始工作；系統(tǒng)時(shí)鐘電路是處理數(shù)字化信息的基礎(chǔ)，直接影響系統(tǒng)的正常工作，本文選擇有源晶體振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，振蕩器頻率為60 MHz，晶振頻率為11.059 2 MHz，此外，在定時(shí)器、A/D 和CAN 控制器上也均設(shè)有時(shí)鐘信號(hào)。

1.1.3 功能電路

為滿(mǎn)足智能傳感器的瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)顯示和報(bào)警等功能，在系統(tǒng)電路之外還需設(shè)立鍵盤(pán)電路、液晶顯示電路、超限報(bào)警電路、風(fēng)、電、瓦斯閉鎖電路和CAN 控制器電路。其中系統(tǒng)顯示部分采用1602 液晶顯示器，該顯示器由內(nèi)置驅(qū)動(dòng)和電平轉(zhuǎn)換芯片ULN2003 組成，ULN2003 具有耐高壓的特點(diǎn)，能夠在“關(guān)”態(tài)時(shí)承受高達(dá)50 V的電壓，并在高負(fù)載電流條件下運(yùn)行；瓦斯傳感器的最重要的作用是能夠進(jìn)行超限報(bào)警，本文設(shè)計(jì)了蜂鳴器報(bào)警電路，如圖1 所示，蜂鳴器使用PNP 三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到限定值后，觸發(fā)報(bào)警器報(bào)警，此外在報(bào)警的同時(shí)，微處理器還會(huì)輸出控制信號(hào)，切斷礦井內(nèi)其他電氣設(shè)備的電源。

圖1 蜂鳴器報(bào)警電路

1.2 智能瓦斯傳感器軟件設(shè)計(jì)

本文采用ADS1.2 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行程序編譯，分別使用C 語(yǔ)言編寫(xiě)系統(tǒng)初始化模塊、主程序模塊、LCD 顯示和報(bào)警子程序數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)通信模塊。圖2 為主程序的設(shè)計(jì)流程圖，當(dāng)系統(tǒng)通電后，微處理器控制系統(tǒng)進(jìn)行初始化和自檢操作，然后由數(shù)據(jù)采集模塊采集數(shù)據(jù)，再將傳感器輸出的模擬電壓經(jīng)微處理器單元分析處理后轉(zhuǎn)化成瓦斯?jié)舛戎?，若瓦斯?jié)舛瘸^(guò)預(yù)設(shè)值1.5%，微處理器輸出一個(gè)控制信號(hào)，控制系統(tǒng)執(zhí)行斷電操作；若未超過(guò)預(yù)設(shè)值，則執(zhí)行下一步命令；然后繼續(xù)判斷瓦斯?jié)舛仁欠癯^(guò)1%，是則調(diào)用報(bào)警程序，否則直接將數(shù)值傳輸?shù)揭壕э@示單元進(jìn)行瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)顯示。

圖2 主程序流程圖

2 瓦斯傳感器的系統(tǒng)調(diào)試和實(shí)現(xiàn)

對(duì)上述智能瓦斯傳感器進(jìn)行硬件和軟件兩方面的調(diào)試，考慮到瓦斯的危害性，因此無(wú)法提供標(biāo)準(zhǔn)濃度的瓦斯氣體，最終在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)的模擬實(shí)驗(yàn)。

2.1 硬件調(diào)試

實(shí)驗(yàn)對(duì)智能瓦斯傳感器的主體電路、CAN 總線(xiàn)控制電路、液晶顯示器件以及整個(gè)傳感器樣機(jī)的組裝進(jìn)行了檢查，分別在通電運(yùn)行之前檢查各器件的型號(hào)、規(guī)格，檢查電路是否有短路的風(fēng)險(xiǎn)，確認(rèn)無(wú)誤后，方可接通電源；最后，把所有控制系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)進(jìn)行連接，為軟件調(diào)試做好準(zhǔn)備。

2.2 軟件調(diào)試

在A(yíng)DS1.2 軟件中打開(kāi)編寫(xiě)好的軟件程序，確認(rèn)代碼沒(méi)有編譯錯(cuò)誤后，通過(guò)JTAG 仿真器軟件下載微控制器內(nèi)Flash 文件，分別設(shè)置CPU型號(hào)、硬件接口和停機(jī)模式，進(jìn)入調(diào)試環(huán)境；將編譯好的程序下載后，即可進(jìn)行瓦斯傳感器濃度顯示和報(bào)警功能的演示；如圖3 所示，在A(yíng)/D 端輸入不同的電阻值最終可以得到相應(yīng)的瓦斯?jié)舛戎?，下?yè)表1 為不同電壓值的甲烷濃度值和實(shí)測(cè)值的比較，當(dāng)濃度超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，瓦斯傳感器報(bào)警。

表1 甲烷濃度值和測(cè)量值比較

圖3 智能瓦斯傳感器顯示電路

3 結(jié)語(yǔ)

基于我國(guó)礦井安全管理中瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的欠缺和不成熟現(xiàn)象，本文將微處理器嵌入式技術(shù)和CAN 總線(xiàn)技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了適用于1%～4%瓦斯監(jiān)測(cè)的智能傳感器，該智能傳感器不僅可實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)顯示，還能完成超限報(bào)警和斷電等功能；此外，在實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)智能瓦斯傳感器的硬件系統(tǒng)和軟件代碼進(jìn)行了調(diào)試，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了瓦斯?jié)舛葴y(cè)試和報(bào)警等實(shí)驗(yàn)，充分證明了智能瓦斯傳感器濃度監(jiān)控的準(zhǔn)確性以及運(yùn)行的穩(wěn)定性，為礦井的安全生產(chǎn)管理奠定了基礎(chǔ)。