井下無線瓦斯濃度傳感器的設計

劉宏宇 張 冰 趙 京 王振 ?

(中國礦業大學 (北京) 機電與信息工程學院, 北京 100083)

1 引言

我國是原煤生產大國, 隨著我國煤礦開采深度的不斷增加, 瓦斯災害日趨嚴重。礦井瓦斯災害主要包括瓦斯窒息、瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出及瓦斯燃燒, 尤其以瓦斯突出和瓦斯爆炸造成的危害最為嚴重, 成為制約煤礦安全生產的瓶頸。現有的瓦斯防治方法主要包括： 對高瓦斯礦井進行預抽采; 強化礦井通風以稀釋瓦斯濃度; 根據地質信息圈定高瓦斯地帶, 進行瓦斯的預測預報; 從管理上嚴格井下作業規程并加強瓦斯監測等。瓦斯檢測對瓦斯防治是十分重要的, 本文基于ZigBee 技術, 設計了一款井下無線瓦斯傳感器。

2 系統功能

本文結合原有的瓦斯監控技術, 研究并設計一款井下無線瓦斯濃度傳感器。該設備具有智能傳感器的特點, 定時采集巷道中不同區域的瓦斯濃度信號, 通過硬件和軟件對瓦斯檢測信號進行處理, 由無線傳輸模塊向井上主控機進行數據傳送。此外,傳感器在對瓦斯濃度的連續檢測中, 利用預測算法具有預警功能, 與原有的瓦斯防治系統相結合, 實現監控瓦斯濃度和預防瓦斯爆炸的目的。以下分別從系統硬件設計和軟件編程兩方面進行介紹。

3 硬件設計

3．1 硬件總體設計

如圖1 所示, 瓦斯催化傳感元件將瓦斯濃度信號轉變為電壓信號輸出, 經差分放大器進行信號放大處理, 經由濾波電路作信號濾波, 經由A/D 轉換電路轉換成數字信號, 通過SPI 接口送入單片機, 單片機根據存儲在片內EEPROM 中的線性補償數據和零位修正系數進行瓦斯濃度校正處理, 獲得較高精度的瓦斯濃度數據。同時通過DS1302 時鐘芯片讀取時間, 將采樣的時間和數據存儲在單片機的片上Flash 存儲器 (20KB) 中, 并通過無線收發模塊將瓦斯濃度傳給井下監控分站, 實時監控瓦斯的濃度情況。瓦斯濃度超標時, 向上位機匯報并報警。

圖1 無線瓦斯濃度傳感設備硬件框圖

3．2 主要元器件選型

由于煤礦井下工作條件特殊, 在硬件設計中,部件的選型有諸多限制。尤其需要注意的是, 煤礦井下電氣設備必須符合防爆要求, 應有接地、過流、漏電保護裝置。本文設計的無線瓦斯傳感器主要有以下幾個部分：

(1) 選擇8051 核的單片機作為核心控制器,該CPU 帶有786 字節的片內SRAM、2K的EEPROM和16K字節的Flash 存儲單元, 具有低功耗、小封裝、處理速度快的特點, 能很好的滿足無線傳感器設備的需求。無線網絡模塊與CPU 的通信采用串行通訊方式, 比并口占線少, 數據傳輸更加可靠安全, 很好的滿足了設備需求。無線通信方式避免了大量電纜的連接, 設備在井下的安裝更為便捷。

(2) 瓦斯檢測采用MJC4T 系列催化元件。該傳感器具有優異的穩定性, 極佳的線性輸出特性和響應特性, 滿足了瓦斯檢測必須具備的測量精度高、工作可靠、工作條件能適應惡劣環境的要求。

傳感元件的部署需要從瓦斯來源、監控對象和風流方向三個角度進行考慮, 安置位置應能及時或提前監測到瓦斯源放出的瓦斯濃度, 消除網絡盲點, 并對所有在監控范圍內的其他的電源供電電纜及其電氣設備進行斷電控制。

(3) 單片機內部晶振受井下工作環境影響, 容易出現不穩的情況, 故采用12MHz 的外部晶振。復位電路采用手動復位和自動上電復位兩種模式。

綜上所述, 設備的硬件設計具有低功耗、低成本、高性能的特點, 具有很高的性價比, 適宜大批量的生產。

4 軟件設計

軟件開發采用keilC51, 軟件設計主要包括監控程序 (主程序) 、數據處理程序、讀寫程序、無線通信程序幾部分。

4．1 監控程序

監控程序是系統的主程序, 主要實現以下功能： 開機后, 首先進行系統初始化, 包括相關變量的初始化、單片機相關寄存器和I/O 口初始化等,初始化完成后, 從片內SRAM 讀入數據, 同時負責管理調用各個子程序, 串口處于監聽狀態, 隨時與上位機進行通信。監控程序流程圖如圖2 所示。

圖2 監控程序流程圖

4．2 數據處理程序

瓦斯濃度信號通過A/D 轉換和數字濾波后,依然存在誤差, 誤差原因及處理方案如下：

(1) 由于傳感元件及各種元器件, 都會存在電路結構不對稱、電氣特性對溫度變化敏感等特點,存在零點漂移等現象, 影響系統長時間工作后讀入數據的精度。本文在軟件設計中采用零點補償的方法, 用程序控制單片機先測出無輸入時傳感器的值, 把它存儲在單片機存儲器內, 工作時每一次采集的數據都減去此值, 這樣就排除了零位誤差的影響, 提高了測量精度。既不影響傳感器的工作特性, 也不附加元器件, 簡單易行, 準確可靠。

(2) 隨著瓦斯濃度的升高, 元件輸出增量明顯減少, 使元件在檢測較高濃度瓦斯時, 呈現較嚴重的非線性特征。本文在軟件設計中采用非線性補償的方法, 將測量相對變化量數值及相對變化量修正系數存入單片機中, 采用程序做校正處理, 校正元件的輸出值, 實現傳感器輸出值與瓦斯濃度之間的非線性補償。

(3) 當信號通過放大器等環節時, 由于硬件因素的影響, 會串入一些干擾信號。本文在軟件設計中采用算數平均值濾波的方法, 濾除隨機誤差對輸出值的影響。實踐表明, 起到了很好的濾波效果。

4．3 讀寫程序

單片機內部2K字節的EEPROM 用來存放零點漂移數據、非線性補償系數和報警點等數據, 16K字節的FLASH 存儲單元用來存儲瓦斯濃度發生超標的時間及濃度值等數據。無線瓦斯濃度傳感器具有一定的數據存儲能力, 以備上位機調用。

4．4 無線通信程序

本文通過IP- LINK 無線數據收發模塊進行傳感器與上位機之間的通信。通信程序主要由串口中斷子程序和命令處理子程序組成。軟件設計中, 先對單片機的特殊功能寄存器及其他參數進行設定,然后進入通信接口程序。在收到數據幀后, 根據數據幀的內容決定進行何種操作, 規則如下：

(1) 正常狀態下瓦斯濃度不超過安全濃度時,傳感設備定時向上位機發出傳輸命令, 這時下位機將本機編號、實時時間和濃度值傳給上位機;

(2) 當瓦斯濃度超過安全濃度時, 傳感設備將記錄濃度值和發生的時間, 并將本編號、濃度值和發生的時間一并傳給上位機;

(3) 上位機給下位機設置時間, 下位機將接收到的準確時間寫到DS1302 時鐘芯片中, 準確記錄時間。

(4) 傳感器電池電量不足時, 向上位機發出電池更換提示。

基于以上規則, 單個無線瓦斯濃度傳感器可以實現與上位機之間的通信, 無線收發模塊示意圖如圖3 所示。當設備從外接收數據時, 無線數據傳輸模塊 (IPLink1223) 檢測到電磁波信號, 系統被喚醒, 無線數據傳輸模塊接收完一個數據包后會在單片機的I/O 口產生一個脈沖, 將數據包傳送給單片機。節點設備向外發送數據時, 串口中斷, 單片機接收數據并將其打包, 轉發給IPLink1223 芯片, 進而通過Mesh 網絡轉發給上位機。

圖3 無結收發模塊示意圖

5 結語

本文設計了一款應用于煤礦井下的無線瓦斯濃度傳感器, 并對其硬件結構及軟件設計做了介紹。該傳感器具有智能和無線通信的雙重優點。隨著井下瓦斯監測系統的不斷提高和瓦斯治理方案的優化進展, 隨著無線通訊技術在井下的推廣應用, 無線瓦斯傳感器將與井下現有的監控系統相融合, 更加有利于對瓦斯濃度超標狀況的及時處理, 為井下安全生產提供更有力的保障。

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