基于AVR單片機的煤礦傳感器設(shè)計研究

【摘 要】作為礦井生產(chǎn)中的重要技術(shù)設(shè)備，煤礦傳感器的良好應(yīng)用對于改善煤礦生產(chǎn)綜合效益具有重要作用。本文首先介紹了AVR單片機的優(yōu)勢，然后具體探討了基于AVR單片機的煤礦傳感器設(shè)計，以期為相關(guān)的技術(shù)與設(shè)計人員提供參考。

【關(guān)鍵詞】AVR單片機；煤礦傳感器；設(shè)計

在現(xiàn)代煤礦安全事故問題頻發(fā)的社會狀態(tài)下，相關(guān)法律文件明確規(guī)定各類礦井中應(yīng)安置相應(yīng)的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)。隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)也在逐步升級與提高。作為煤礦工作環(huán)境瓦斯?jié)舛葯z測、保證煤礦職工井下工作安全的重要技術(shù)設(shè)備，煤礦用傳感器的穩(wěn)定性、使用性能、可操作性與調(diào)節(jié)性等將直接干擾煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的綜合工作質(zhì)量。因此，加強有關(guān)基于AVR單片機的煤礦傳感器設(shè)計研究，對于改善煤礦傳感器的應(yīng)用水平具有重要的現(xiàn)實意義。

1.AVR單片機的優(yōu)勢

（1）包含多類外圍電路：AVR單片機內(nèi)部設(shè)置了模塊獨立的PWM輸出、看門狗、上電自動復位、A/D轉(zhuǎn)換、E2PROM等電路，使用AVR單片可大范圍提高外圍電路的簡便性及可靠性。

（2）性能優(yōu)越：AVR單片機選用HARVARD結(jié)構(gòu)，采用16進制指令，取指令與執(zhí)行指令并列運行，各時鐘周期均執(zhí)行1條指令，設(shè)備運行效率可達到普通指令計算系統(tǒng)的20倍以上。

（3）具備SPI編程功能：AVR單片機具有的SPI編程功能可使程序更新更加便捷，免除了插拔芯片的工作流程，對于降低程序更新過程中單片機破壞的概率具有重要作用。[1]

（4）使用FLASH存儲器：AVR單片機可選用1～128kB的各類FALSH存儲器，其可依據(jù)需求選用不同的芯片實施擴充，而FALSH的可寫次數(shù)可滿足1000次以上的功能標準。

（5）當前廣泛應(yīng)用的煤礦傳感器軟件系統(tǒng)在經(jīng)過實踐改進與升級后，軟件系統(tǒng)已達到較高的成熟水平，而AVR單片機同時支持C語言，因此無需再次研發(fā)新型軟件系統(tǒng)，只相應(yīng)改變傳統(tǒng)煤礦傳感器的軟件系統(tǒng)便能將其移植到采用AVR單片機的傳感器上，轉(zhuǎn)換簡單方便，且成本較低。

2.基于AVR單片機的煤礦傳感器設(shè)計

2.1軟件設(shè)計

2.1.1瓦斯傳感元件的非線性補償

依據(jù)催化燃燒效應(yīng)規(guī)律，在適當濃度范圍內(nèi)，瓦斯檢測電路的探測電壓值會隨著瓦斯?jié)舛鹊淖兓l(fā)生線性變化。但因瓦斯氣敏元件本身具有的機械誤差及附近工作環(huán)境等不可控因素的影響，瓦斯檢測電路的探測電壓值與瓦斯?jié)舛乳g具有不相匹配的非線性特征。為解決此類問題，應(yīng)選用科學的技術(shù)方法做好對應(yīng)的非線性補償。如選用查表法，其計算方式簡單，在單片機上更容易實現(xiàn)。實際運行中可依據(jù)探測電壓與對應(yīng)瓦斯?jié)舛戎登€劃分成5各區(qū)段，并在單片機的EEPROM軟件中輸入相應(yīng)的折點坐標（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3）、（x4，y4）、（x5，y5）、（x6，y6）；測量過程中應(yīng)先區(qū)分電壓值xi在那部分區(qū)段，依據(jù)此段斜率實施線性插值，由此獲取瓦斯的濃度值yi。[2]

2.1.2數(shù)字濾波子程序

在信號傳輸?shù)絾纹瑱C的過程中，由于工作環(huán)境與外圍電路的影響系統(tǒng)內(nèi)會侵入部分干擾信號。為有效清理此類干擾信號，確保輸入信號的可靠性與真實性，可選用數(shù)字濾波技術(shù)完成此過程。在煤礦瓦斯傳感器中可選用算數(shù)平均濾波法，依據(jù)需求連續(xù)選擇10個樣本值實施算數(shù)平均運算。常規(guī)條件下，平均值濾波技術(shù)還能促進減少因噪聲影響而引發(fā)的誤報警過程。

2.1.3零點漂移分析與抑制程序

為提高傳感器讀值的精確度，盡量減少因工作環(huán)境影響而導致的外圍電路與氣敏元件漂移，可在軟件中使用零位漂移修正技術(shù)，以在避免增加元器件的同時改善數(shù)據(jù)讀取的可靠性。

應(yīng)用時可先對傳感器在無瓦斯條件下的輸出值進行測量，隨后將其輸入至單片機的EEPROM內(nèi)，隨后再有瓦斯工作環(huán)境中，用新的樣本數(shù)據(jù)與該值做差，將獲取的差值作為實際測量值。為加強對零點漂移的抑制，可設(shè)計傳感器按照半個月的周期對零點漂移值進行循環(huán)采集，并將其設(shè)定為EEPROM中的系統(tǒng)默認值。

2.2硬件設(shè)計

（1）瓦斯?jié)舛蕊@示電路設(shè)計：顯示器可選用標準段式高性能的3位液晶顯示器EDS812，其具備1個公共端輸出與23個段輸出，并采用靜態(tài)驅(qū)動方式進行直接連線。

（2）電橋自動斷電保護電路設(shè)計：在瓦斯?jié)舛雀哂?%時，瓦斯氣敏元件很可能會受到不同程度的沖擊而破損。所以在硬件設(shè)計中可增設(shè)一個電橋自動斷電保護電路，此電路的工作方式為：將利用反向器改善驅(qū)動性能后的PBO端口連接到光耦上，以調(diào)控電橋電源的通斷；在單片機探測到瓦斯?jié)舛瘸^4%時，將PBO置換為高電平，利用光耦使瓦斯電橋電源斷開，由此完成瓦斯氣敏元件的自動斷電保護過程。

（3）信號放大電路設(shè)計：一般在瓦斯?jié)舛葹?～4%時，傳感器的檢測電路輸出電壓會比較低，只有利用放大電路將微弱電壓信號進行放大才有可能使單片機檢測到。設(shè)計過程中可在綜合分析干電池能量與成本因素基礎(chǔ)上，選用BROWN公司研發(fā)的OPA2272運放。[3]

（4）通信接口電路設(shè)計：為保證傳感器與PC機或各類設(shè)備數(shù)據(jù)的正常傳輸，應(yīng)恰當設(shè)置通信接口，且應(yīng)盡量選用串行通信接口。因單片機主要輸出TTL電平，設(shè)計中可使用MAX3232芯片把TTL電平置換為RS232電平，以確保數(shù)據(jù)能利用RS232接口正常傳輸。

2.3多傳感器信息融合

為盡可能減低測量誤差，可將多傳感器元件進行數(shù)據(jù)與信息融合。設(shè)計中將3個瓦斯氣敏元件構(gòu)成瓦斯檢測電路，并將其輸出端與單片機的AD端口通道進行并行結(jié)合。3個瓦斯電路的輸出電壓與相應(yīng)瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)可默認為（X0，Y0）、（X1，Y1）、（X2，Y2），實際權(quán)函數(shù)可表示為q（x）=1，近似函數(shù)采用二次多項式p（x）=ao+a1x+a2x2。關(guān)于a0、a1、a2的線性方程組可選用矩陣表示為：

令z=（∑xi）/3，將線性方程組與二項式結(jié)合即可得出p（z），也就是融合信息。

3.結(jié)束語

煤礦傳感器的設(shè)計質(zhì)量將直接關(guān)系著煤礦企業(yè)生產(chǎn)的安全性和整體質(zhì)量，因此，相關(guān)技術(shù)與設(shè)計人員應(yīng)加強有關(guān)基于AVR單片機的煤礦傳感器設(shè)計研究，總結(jié)煤礦傳感器的設(shè)計要點及關(guān)鍵技術(shù)保護措施，以逐步改善煤礦傳感器的設(shè)計水平。

【參考文獻】

[1]閆愛青，王玉華.煤礦瓦斯傳感器性能評價與改進新方案[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用，2011，05（35）：57-58.

[2]李冠群.KG9701型智能低濃瓦斯傳感器的分析[J].煤炭科學技術(shù)，2012，06（10）：61-62.

[3]施澤全.基于AVR單片機的煤礦傳感器設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，13（14）：74-75.