基于STM32的激光甲烷斷電儀的研發

張江濤

（晉煤集團技術研究院有限責任公司,山西 晉城 048006）

甲烷斷電儀是一種在監測區域內能夠實現甲烷濃度顯示、報警，并對受控電氣設施實施閉鎖、解鎖控制的裝置。根據《煤礦安全規程》規定，在采煤工作面、巖巷掘進工作面、采區回風巷、地面瓦斯抽采泵房內等11處地點必須安裝甲烷斷電儀。而激光甲烷傳感器采用激光器作為光源，利用甲烷氣體對特定波長激光的吸收原理測量甲烷濃度，可實現甲烷0～100%濃度范圍直接測量。工作穩定性大于180d，無零點漂移，不受溫度變化、硫化氫、二氧化硫、一氧化碳等影響，檢測精度高，調校周期長。特別適用于煤礦井下甲烷濃度實時檢測。根據上述情況，可設計一款配套激光甲烷檢測的斷電儀設備。利用激光技術監測瓦斯濃度，當濃度超過預設的報警點時，儀器能發出聲光報警；當濃度超過預設的斷電點時，儀器能自動切斷電源，以確保安全生產；當濃度回落到報警點或復電點以下時，儀器能解除報警或自動解鎖。

1 激光甲烷斷電儀的原理

激光甲烷斷電儀由激光接收頭、電源轉換電路、STM32芯片、顯示電路、報警電路、斷電控制電路構成，如圖1所示。激光接收頭通過波長調制激光吸收光譜技術和識別甲烷氣體，通過串口信號傳送給STM32芯片，通過程序對信號進行分析，與設定的報警、斷電、復電值進行比較，根據比較結果控制相應的電路進行動作。

圖1 激光甲烷斷電儀的原理圖

2 激光甲烷傳感器硬件電路設計

2.1 激光接收頭電路設計

傳統的催化燃燒式的黑白元件探頭調校周期短，維護工作量大，易受其他氣體影響，而激光探頭具有抗干擾能力強、反應靈敏、檢測精度高的功能，粉塵、水和硫化氫氣體的影響幾乎可忽略不計。

激光探頭檢測甲烷濃度采用的是波長調制激光吸收光譜技術（簡稱WMAS），該技術的基本原理為利用半導體紅外激光的可調諧特性和氣體的選擇性吸收性質來檢測待測氣體濃度。WMAS利用二極管激光器的波長掃描和電流調諧特性來實現痕量氣體吸收曲線的二次諧波檢測。可調諧二極管激光器的線寬小于10MHz。激光線寬遠小于被測氣體單吸收譜線寬度，其頻率調制掃描范圍也僅包含被測氣體單吸收譜線，避免氣體交叉干擾。

激光探頭的電路原理如圖2所示，激光探頭接收到信號后傳輸給隔離芯片（激光探頭內），隔離芯片將數據轉化為485信號，通過連接線傳輸給485芯片SN65HVD72，轉化為串口信號傳輸給CPU的ADC模塊。

圖2 激光探頭電路原理圖

2.2 電源轉換電路設計

斷電儀的供電電源分為交流電、直流電和電池供電三種供電模式。供電原理如圖3所示，交流電源是AC127V/AC36V，直流電源為DC24V。交流電通過不同的接口接入主機內部，通過ACDC電源模塊進行電源變換，轉化為DC24V，再通過DCDC電源模塊轉化為DC18V、DC5V和DC3.3V。DC18V進行外部報警器供電，DC5V進行繼電器輸出供電，DC3.3V進行芯片及模塊供電。外部報警器為本質安全型礦用儀器，DC18V需增加本安保護電路才能向外輸出。為了防止干擾，DC18V與DC5V、DC3.3V要進行本安隔離。

圖3 激光甲烷斷電儀的供電原理

2.3 STM32芯片電路設計

2.3.1 STM32芯片選用

STM32系列專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核。按性能分成兩個不同的系列：STM32F103“增強型”系列和STM32F101“基本型”系列。增強型系列時鐘頻率達到72MHz，是同類產品中性能最高的產品；基本型時鐘頻率為36MHz，是16位產品用戶的最佳選擇。兩個系列都內置32K到128K的閃存，不同的是SRAM的最大容量和外設接口的組合。時鐘頻率72MHz時，從閃存執行代碼，STM32功耗36mA，是32位市場上功耗最低的產品。本文斷電儀選用STM32F103RCT6芯片作為CPU，該芯片擁有48KB SRAM、256KB FLASH、2個基本定時器、4個通用定時器、2個高級定時器、2個DMA控制器（共12個通道）、3個SPI、2個IIC、5個串口、1個USB、1個CAN、3個12位ADC、1個12位DAC、1個SDIO接口及51個通用IO口。

2.3.2 時鐘電路

對于STM32芯片，三種不同的時鐘源可被用來驅動系統時鐘：HSI振蕩器時鐘、HSE振蕩器時鐘、PLL時鐘；另外兩種時鐘可作為2級時鐘源：40kHz低速內部RC(LSI RC)振蕩器、32.768kHz低速外部晶體(LSE晶體)。

本產品對時鐘精度要求不高，選用8MHz晶振作為STM32芯片的外部時鐘HSE輸入，芯片可內部進行自分頻，為各寄存器、I/O端口、定時器等提供時鐘使能。

2.3.3 程序下載電路

芯片程序下載有SWD模式和JTAG模式兩種方式。相比較JTAG模式，SWD只需要2根線（SWCLK和SWDIO）就可以下載并調試代碼，而且速度非常快，故選用SWD模式進行程序的下載。

2.3.4 遙控接收電路設計

斷電儀參數設定使用紅外遙控器進行設置。斷電儀選用TL1838紅外接收頭進行紅外接收，將接收到的信號通過引腳直接傳送給CPU，根據軟件程序對遙控信號進行分析處理。

2.3.5 報警電路設計

本文設計的斷電儀配接本質安全型報警器。選用TPL251作為聲光報警驅動模塊，當甲烷濃度值超過所設報警線時，由CPU向驅動模塊輸出低電平，TPL251為下拉電阻輸入模式，輸出高電平，連接配接的報警器進行報警。

2.3.6 顯示電路設計

斷電儀的顯示電路采用兩種不同的數碼管。一種為數碼管，斷電儀硬件電路包括兩種數碼管，其中0.36英寸單體數碼管顯示斷電儀的工作模式，CL-5461B三位一體共陽數碼管顯示實時的甲烷濃度；另一種為發光二極管，用來指示斷電儀的工作狀態。每個I/O口設置為推挽輸出，由CPU直接控制數碼管和發光二極管進行顯示。

2.4 斷電控制電路設計

斷電儀的斷電控制電路如圖4所示。其中U3為光耦元器件，主要起信號隔離作用，穩定繼電器的供電環境，防止電壓波動導致繼電器誤動作。U9為驅動模塊，當CPU輸出斷電信號后，接通T4，為繼電器T3供電，控制外圍設備。T3繼電器選用宏發繼電器HF115F-005-2ZS4，供電電壓為5.5V，輸出端1路為常開常閉接點，斷電接點容量為DC24V/3A，AC127V/3A。

圖4 輸出電路圖

3 斷電儀軟件設計

斷電儀的程序采用模塊化設計，包括485通訊程序、數據采集程序、顯示程序、遙控程序、數據判定程序、輸出控制程序、定時器程序等。軟件流程圖如圖5所示，可實現以下功能：

（1）當斷電儀主機中的甲烷濃度達到預置的報警點時，斷電儀輸出報警；當甲烷濃度恢復到報警點以下時，應能解除報警。

（2）斷電儀在以下情況時實現斷電閉鎖:

① 當甲烷濃度達到預置的斷電點時；

② 當發生供電電源或通訊開路、短路等故障時；

③ 當斷電儀主機失電時；

④ 當主機在送電1min以內。

（3）斷電儀在以下情況時自動復電:

① 當被測甲烷濃度降到復電點時；

② 當故障排除且主機恢復正常運行并達到穩定時；

③ 當主機送電1min后正常穩定運行時。

4 結語

礦井生產情況惡劣，狀況復雜多變，激光斷電儀作為更新產品，不僅具備原先斷電儀的功能，而且具有以下優點：（1）輸入模式多樣化，可與不同的機組設備安裝，適用于交直流供電環境；（2）甲烷探頭采用激光探頭，抗干擾能力強、反應靈敏、檢測精度高；（3）電路中供電部分都用光耦模塊進行隔離，有效防止電信號的干擾；（4）使用數字化傳輸，可以為礦井數字化提供斷電儀實時數據，提高安全調度工作的實時性和準確性。目前，該產品已在晉煤集團煤礦井下完成3個月的工業性試驗，運行穩定，為激光斷電儀的應用提供實際參考。

圖5 斷電儀程序流程圖