基于PIC 單片機(jī)的礦用甲烷傳感器的設(shè)計(jì)

衛(wèi)文慧

（煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院，重慶 400037）

我國(guó)煤礦每年的重特大事故中，甲烷爆炸約占到70%，其破壞力極強(qiáng)，而且有數(shù)據(jù)表明，近幾年隨著煤層開(kāi)采深度的進(jìn)一步加大，這種災(zāi)害呈上升趨勢(shì)。因此對(duì)礦井進(jìn)行甲烷濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警是十分必要的，且意義重大[1-2]。甲烷爆炸界限為5%～16%當(dāng)甲烷濃度低于5%時(shí)，遇火不爆炸，但能在火焰外圍形成燃燒層，當(dāng)甲烷濃度為9.5%時(shí)，其爆炸威力最大(氧和甲烷完全反應(yīng))；甲烷濃度在16%以上時(shí)，失去其爆炸性，但在空氣中遇火仍會(huì)燃燒。因此，監(jiān)測(cè)控制井下甲烷濃度是杜絕甲烷爆炸主要手段。而單片機(jī)傳感器近年來(lái)發(fā)展相當(dāng)快，本身具有速度快、精度高、操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)，十分適合作為甲烷監(jiān)測(cè)傳感器的核心[3-4]。本文設(shè)計(jì)了一種使用PIC16F877 單片機(jī)的智能礦井甲烷傳感器，除具有濃度顯示，聲光報(bào)警等傳統(tǒng)功能外，還具有人機(jī)對(duì)話功能，大大提高了此類產(chǎn)品的可靠性、方便性和網(wǎng)絡(luò)化程度。

1 智能甲烷傳感器的設(shè)計(jì)方案

智能甲烷傳感器的甲烷檢測(cè)電路采用多個(gè)甲烷氣敏元件，每個(gè)甲烷氣敏元件所在電橋的輸出端都可以得到一個(gè)電壓信號(hào)，該信號(hào)特別小，不易被PIC 單片機(jī)采樣，將該信號(hào)通過(guò)一個(gè)放大電路放大，再送入PIC 單片機(jī)的AD 端口，將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，利用微處理器強(qiáng)大的運(yùn)算和邏輯控制功能，分析處理采樣數(shù)據(jù)并在顯示器上顯示當(dāng)前甲烷濃度。如果甲烷濃度超限，則進(jìn)行聲光報(bào)警，并自動(dòng)斷電保護(hù)甲烷氣敏元件。為了方便與其它設(shè)備或上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，設(shè)置了通信接口。傳感器的零點(diǎn)漂移系數(shù)、非線性補(bǔ)償系數(shù)和礦井的安全濃度值都存放在PIC 單片機(jī)的EEPROM 中。智能甲烷傳感器的硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能甲烷傳感器的硬件結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)

單片機(jī)是甲烷傳感器的核心，經(jīng)過(guò)比較，采用了MicroChip 公司的PIC16F877 單片機(jī)。它的最大優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在引腳少、功能強(qiáng)、可直接帶LED 負(fù)載;具有低耗能工作方式，較簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù);外圍配置簡(jiǎn)單、明晰、提高了整機(jī)的可靠性;并且具有較強(qiáng)的抗干擾性，大大提高了抵御外界的電磁干擾和本機(jī)控制電路的電磁干擾的能力，所以特別適合在條件相對(duì)惡劣的井下工作。

2.2 甲烷氣敏元件的選用及檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

甲烷氣敏元件選擇鄭州煒盛電子生產(chǎn)的MJC4/2.8J 催化燃燒式氣敏元件，它的工作電壓為2.8V，工作電流為90mA，具有低功耗、響應(yīng)速度快、抗H2S 中毒等特點(diǎn)。甲烷檢測(cè)電路如圖2所示，Ra 為催化傳感元件，Rb 為補(bǔ)償元件，由干電池供電。在新鮮空氣(無(wú)甲烷)中，Ra=Rb，調(diào)整Rp 使電橋平衡，輸出端電壓=0;在有甲烷的環(huán)境中，Ra 表面發(fā)生無(wú)焰催化燃燒引起溫度上升，其阻值便隨之增加，而Rb 阻值不變，從而電橋失去平衡，輸出端電壓U>0。輸出端電壓U 經(jīng)放大電路調(diào)整為單片機(jī)能夠檢測(cè)到的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后，送入單片機(jī)的AD0～AD2。

圖2 甲烷檢測(cè)電路圖

2.3 信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)

當(dāng)在甲烷濃度為0～4%的環(huán)境中進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，甲烷檢測(cè)電路輸出電壓非常小(mV 級(jí))，所以必須經(jīng)過(guò)放大電路對(duì)該微小的電壓信號(hào)進(jìn)行放大，才能被單片機(jī)采樣到。考慮到低成本和干電池能量有限，選擇B-URR-BROWN 公司生產(chǎn)的OPA2272 運(yùn)放。

2.4 聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)

為了保障井下的安全生產(chǎn)，當(dāng)甲烷濃度超過(guò)安全值時(shí)，需要提醒井下工作人員及時(shí)采取保護(hù)措施。為了實(shí)現(xiàn)多方位報(bào)警功能，該傳感器的聲光報(bào)警電路采用二極管發(fā)光報(bào)警和鳴音報(bào)警2 種方式。

2.5 甲烷濃度顯示電路設(shè)計(jì)

液晶顯示器采用大連東顯電子有限公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)段式低功耗3位液晶顯示器EDS812A，有23 個(gè)段輸出和1 個(gè)公共端輸出，采用靜態(tài)驅(qū)動(dòng)方法直接連線。

2.6 電橋自動(dòng)斷電保護(hù)電路設(shè)計(jì)

當(dāng)甲烷濃度超過(guò)4%時(shí)，甲烷氣敏元件容易受到?jīng)_擊而損壞。于是筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)電橋自動(dòng)斷電保護(hù)電路，如圖3 所示。該電路實(shí)現(xiàn)原理:將單片機(jī)的PB0 端口通過(guò)一個(gè)反向器加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力后，再與光耦相連，控制電橋電源的通斷;當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到甲烷濃度達(dá)到4%時(shí)，置PB0 為高電平，控制光耦將甲烷電橋電源斷開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)甲烷氣敏元件自動(dòng)斷電保護(hù)功能。

圖3 電橋自動(dòng)斷電保護(hù)電路圖

2.7 通信接口電路設(shè)計(jì)

為了與其它設(shè)備或PC 機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，需要保留通信接口，該傳感器使用的是串行通信接口。由于從單片機(jī)輸出的為TTL 電平，為了使數(shù)據(jù)能夠通過(guò)RS232 接口正確傳輸，用MAX3232芯片將TTL 電平轉(zhuǎn)換為RS232 電平。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用C 語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，大大提高了開(kāi)發(fā)調(diào)試工作的效率，同時(shí)，所產(chǎn)生的文檔資料也容易理解，便于移植。主處理模塊主要是將各個(gè)模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)處理和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。主處理模塊首先完成初始化工作，初始化后進(jìn)入循環(huán)處理，在循環(huán)過(guò)程中主處理獲得采集模塊的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)處理后的結(jié)果來(lái)進(jìn)行顯示或者報(bào)警。系統(tǒng)流程圖如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的智能甲烷傳感器，采用了多種創(chuàng)新的硬件/軟件手段，確保了系統(tǒng)的高精度和工作的可靠性，該傳感器采用多個(gè)甲烷氣敏元件，以PIC16F877 單片機(jī)為控制核心，采用C 語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。通過(guò)單片機(jī)控制甲烷傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下甲烷濃度實(shí)時(shí)采集、處理，并當(dāng)所測(cè)甲烷濃度超過(guò)設(shè)定的報(bào)警上、下限時(shí)自動(dòng)報(bào)警，使礦工能夠及時(shí)脫離危險(xiǎn)，是煤礦傳感器設(shè)計(jì)的首選器件。

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