便攜式瓦斯濃度檢測系統的設計

□ 朱會東□ 田力勇

1.阜新高等專科學校 遼寧阜新 123000

2.遼寧工程技術大學 機械工程學院 遼寧阜新 123000

瓦斯爆炸是煤礦重大災害事故之一，為了確保礦井的生產安全及礦工的生命安全，國內已經研制出了諸多類型的瓦斯檢測儀器，但絕大多數瓦斯檢測儀器都存在一些缺點，如儀器體積相對較大、使用安裝不便等[1-2]。因此，開發研制一套新型便攜式瓦斯濃度檢測系統，對于煤炭開采行業的安全生產具有重要意義。

1 系統組成

便攜式瓦斯濃度檢測系統硬件框圖如圖1所示，主要由主控制芯片、傳感器、信號放大電路、模擬與數字信號轉換模塊、發光二極管（LED）顯示模塊、時鐘模塊、聲光報警模塊、復位電路和把關器電路組成。為適應安全生產的需要，同時滿足體積小、耗電少、精度高、攜帶方便的要求[3]，硬件電路設計中選用了功耗低、性能穩定的STM32F103RBT6單片機作為系統的主控制芯片。

圖1 系統硬件框圖

2 硬件電路設計

2.1 瓦斯濃度檢測電路

對瓦斯濃度的檢測方法有多種，目前最常采用催化劑燃燒式傳感器來構成檢測電路，如圖2所示。電路中R2是載體催化劑燃燒式電子元件，利用在金屬鉑金加熱絲表面鍍一層催化劑制成，遇到可燃氣體時，通過電流的鉑金加熱絲溫度會升高，在催化劑作用下使瓦斯與氧氣在低溫條件下發生無焰燃燒，產生的熱量進一步使鉑金加熱絲的溫度升高，進而使鉑金加熱絲電阻值產生一定改變，最終使檢測電路的電橋失去平衡，輸出一個電壓信號值，以此來反映空氣中瓦斯含量的大小[4]。電路中的R1是補償元件，與R2不同的是R1表面沒有鍍催化劑，因此不會參與低溫條件下的燃燒。R1在檢測電路中主要對非甲烷含量變化引起的R2阻值變化起補償作用，從而提高儀器零點穩定性和抗干擾能力[5]。

圖2 瓦斯濃度檢測電路

便攜式瓦斯濃度檢測系統設計時，要考慮使用便攜性及經濟性特點，因此催化劑燃燒法非常適合。同時，考慮到檢測系統的性價比和便攜性，采用型號為MJC4/2.8J的催化燃燒式傳感器。

2.2 信號放大電路

當被測瓦斯氣體的濃度通過氣體傳感器轉換為電量時，獲得的電壓變化量往往很小，通常只有幾毫伏到幾十毫伏，而共模電壓卻很高，輸入到放大器的噪聲與放大器自身產生的噪聲，往往大于放大器的輸入信號。因此，如何減小噪聲或將噪聲與信號分離，是信號放大器設計選型的關鍵。一般，置于傳感器后的放大器必須具有很高的共模抑制比，同時要求有較高的輸入電阻，以免對傳感器產生影響[6]。

考慮到便攜性及經濟性，選擇MCP6002作為放大電路的放大器。MCP6002是高精度低失調電壓的精密運算放大器，常應用于微弱信號的放大。如果使用雙電源，能達到最好的放大效果[7]。瓦斯檢測轉換電路如圖3所示。

圖3 瓦斯檢測轉換電路

2.3 模擬與數字信號轉換模塊

由于便攜式瓦斯濃度檢測系統設計時需突出體積小、耗電少、精度高、攜帶方便等特點，因此模擬與數字信號轉換模塊采用主控制芯片內嵌的模擬與數字信號轉換器。STM32F103RBT6內置兩個十二位模擬與數字信號轉換器，每個模擬與數字轉換器共用多達十六個外部通道，各個外部通道的模擬與數字信號轉換可以按單次、連續掃描及間斷模式執行。

2.4 溫度傳感器

通常，熱敏電阻價格高、非線性，需要復雜的恒流源伺服電路，數據處理復雜[8]。熱電偶需要加上補償電路，材料價高。以上兩種方案還都要配置模擬與數字信號轉換器。如果采用DS18B20型溫度傳感器，那么只需要利用三條連接導線和一個合適的電阻，就能檢測溫度數據，同時又使電路非常簡單。DS18B20型溫度傳感器不僅體積小、經濟實用，而且適用電壓范圍寬[9]，這些特點非常符合便于攜帶的特點。系統選擇DS18B20型溫度傳感器作為溫度測量元件，其外部接線如圖4所示。

圖4 溫度傳感器外部接線

2.5 時鐘模塊

便攜式瓦斯濃度檢測系統具有時鐘顯示功能，為工作人員帶來便利[10]。由于DS1302具有引腳少、體積小、價格低等優點，因此選擇該芯片用作時鐘顯示芯片，如圖5所示。

圖5 DS1302芯片電路

2.6 把關器電路

便攜式瓦斯濃度檢測系統所選用的STM32F103RBT6單片機內部嵌有兩個把關器定時器。

2.7 LED顯示模塊

便攜式瓦斯濃度檢測系統采用LED數碼管顯示。四位LED顯示器的外部電路如圖6所示。

2.8 鍵盤與接口技術

便攜式瓦斯濃度檢測系統設計中，考慮到按鍵數目不多，單片機輸入輸出口占用不多，采用獨立式結構。獨立式鍵盤如圖7所示。

2.9 聲光報警模塊

圖6 四位LED顯示器外部電路

圖7 獨立式鍵盤

便攜式瓦斯濃度檢測系統采用電磁式蜂鳴器作為聲報警的發聲器件，當瓦斯濃度超過限定值時，單片機PB10口輸出低電平，使PNP型三極管r8550導通，蜂鳴器兩端腳產生壓差，從而發出聲報警信號。采用LED串接限流電阻作為光報警的發光器件，當瓦斯濃度超過限定值時，單片機P8口輸出低電平，使LED導通，發出光亮，產生光報警信號。聲光報警模塊電路如圖8所示。

圖8 聲光報警模塊電路

3 軟件設計

便攜式瓦斯濃度檢測系統的軟件主程序流程如圖9所示。

圖9 系統軟件主程序流程

4 結束語

筆者所設計的便攜式瓦斯濃度檢測系統中，主控制芯片采用STM32F103RBT6單片機。該單片機內嵌兩個十二位模擬與數字信號轉換器、兩個把關器定時器，使所設計的檢測系統可不再另選模擬與數字信號轉換模塊、把關器等器件，這樣既能減小檢測系統的體積，又可以降低成本，還能為后續維護帶來便利。

便攜式瓦斯濃度檢測系統集數碼顯示及聲光報警功能于一體，具有體積小、便于攜帶、使用簡單、測量精準、讀數方便及穩定性好等特點，在實現瓦斯濃度檢測的基礎上增加溫度、時間等顯示功能，便于煤礦井下工作人員了解時間及井下溫度。可見，這一檢測系統的設計研發將會給井下工作人員帶來許多便利，可以成為井下工作人員的得力助手。