低濃度煤礦瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

丁 艷， 袁隆基， 宋正昶

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)a.徐海學(xué)院；b.電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇徐州221116）

0 引 言

煤礦瓦斯是煤礦開(kāi)采過(guò)程中煤的伴生產(chǎn)物，屬于不可再生能源，在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，煤礦瓦斯被列為重大災(zāi)害源和大氣污染源［1］。瓦斯的聚集極易引起瓦斯事故，及時(shí)掌握煤礦瓦斯的實(shí)時(shí)狀態(tài)顯得非常重要，瓦斯?jié)舛葯z測(cè)便成了煤礦安全生產(chǎn)中一項(xiàng)必不可少的工作。煤礦瓦斯?jié)舛葯z測(cè)方法有：熱傳導(dǎo)型［2］、光學(xué)干涉型［3］、紅外吸收型［3-5］、催化燃燒型［6-8］等。熱傳導(dǎo)檢測(cè)傳感器的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，一般用于高濃度瓦斯檢測(cè)，因?yàn)樵趯?duì)于高濃度瓦斯檢測(cè)來(lái)說(shuō)，精度比較高，而不適用于低濃度煤礦瓦斯的檢測(cè)［9］。光學(xué)干涉檢測(cè)，雖然精度高、性能也比較穩(wěn)定，但是檢測(cè)速度比較慢，讀數(shù)也不直觀［9-10］，我國(guó)20世紀(jì)70年代之前，用的基本上都是這個(gè)方法［11］。紅外吸收檢測(cè)方法的檢測(cè)范圍比較寬，響應(yīng)也比較快，精度也較高，但其精度和成本基本成正比關(guān)系，也就是精度越高，成本越高，所以推廣比較困難［12］。目前對(duì)于低濃度瓦斯檢測(cè)，使用比較多的就是基于催化燃燒原理的檢測(cè)方法，這種方法是20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展而興起的一種檢測(cè)方法。傳統(tǒng)的煤礦瓦斯檢測(cè)儀存在功耗高、體積大、可靠性不高等問(wèn)題。為此，本文基于催化燃燒傳感器原理，提出一種低濃度煤礦瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該方案選取STC89C52RC單片機(jī)為核心控制芯片，采用Keil uVision為系統(tǒng)編程軟件［13］，8 bit 高精度ADC0808 為采集芯片［14，15］，LCD1602為液晶顯示模塊，并通過(guò)Proteus軟件進(jìn)行檢測(cè)系統(tǒng)的仿真測(cè)試，驗(yàn)證了檢測(cè)電路的可行性，實(shí)現(xiàn)了低濃度瓦斯的檢測(cè)，減小了體積，提高了可靠性，降低了成本，達(dá)到了預(yù)期目的，具有一定的適用參考價(jià)值。

1 煤礦瓦斯檢測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理

煤礦瓦斯檢測(cè)傳感器的結(jié)構(gòu)和原理如圖1所示。

圖1 瓦斯傳感器電氣原理圖

圖中RD為測(cè)量元件，該測(cè)量元件主要是由金屬鉑絲、氧化鋁多孔載體和催化劑構(gòu)成，金屬鉑絲繞制成螺旋狀，在其外層涂抹一定厚度的氧化鋁漿，并將其燒制成多孔載體，在載體表面浸漬一層鉑和鈀催化劑，元件表面呈現(xiàn)出黑色，所以通常又被稱(chēng)為黑元件。圖中RC是補(bǔ)償元件，與黑元件RD的阻值相同，不同的是RC表面并沒(méi)有浸漬催化劑，也就不會(huì)參與低溫催化燃燒反應(yīng)，它的作用只是對(duì)非瓦斯含量變化引起的RD阻值變化起到補(bǔ)償作用，圖中的R1和R2相等，與RD和RC共同組成了一個(gè)電橋。黑元件RD在通電的情況下，當(dāng)遇到瓦斯氣體時(shí)，通過(guò)的電流會(huì)使得黑元件內(nèi)部的鉑絲溫度升高，當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)，瓦斯和氧氣在催化劑的作用下進(jìn)行無(wú)焰燃燒反應(yīng)，其反應(yīng)方程式：

反應(yīng)產(chǎn)生的熱量會(huì)進(jìn)一步加熱鉑絲，導(dǎo)致鉑絲的電阻發(fā)生改變，使得電橋失去了平衡而輸出一個(gè)電壓信號(hào)，用這個(gè)電壓信號(hào)值來(lái)反映瓦斯含量的大小。具體推導(dǎo)如下：

當(dāng)鉑絲的電阻由于溫度而改變?chǔ)D，則

由此可見(jiàn)，輸出電壓UAB與測(cè)量元件的電阻變化量ΔRD成正比。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片電路

本設(shè)計(jì)的主控芯片選擇了STC89C52RC，該芯片不僅沿襲了傳統(tǒng)而經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，且改進(jìn)了傳統(tǒng)51單片機(jī)一些不具備或者是需要通過(guò)外接其他芯片才能實(shí)現(xiàn)的功能，該系統(tǒng)具有8 bit CPU和在線(xiàn)可編程Flash。本設(shè)計(jì)的主控芯片電路如圖2所示。

圖2 主控芯片電路

由圖2中可見(jiàn)，P3口用于ADC0808的數(shù)字量獲取，P2.3～P2.6引腳用于控制ADC0808芯片的相關(guān)操作，P1口在外接一個(gè)上拉電阻的前提下用于輸出數(shù)據(jù)給LCD1602模塊，P2.0～P2.3操作LCD1602的控制命令，從引腳和使用性能上分析可見(jiàn)，該芯片完全可以滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的需求。

2.2 信號(hào)放大電路

低濃度瓦斯檢測(cè)傳感器輸出的電壓信號(hào)非常微弱，一般在mV級(jí)別，只有幾mV至幾十mV，且共模電壓較高，有時(shí)電路噪聲比信號(hào)還大。因此，從噪聲中能識(shí)別出有效信號(hào)顯得非常重要。綜合成本和精度的需求，本文選擇了儀表放大器AD620，AD620是一款高精度儀表放大器，內(nèi)部集成了3個(gè)運(yùn)算放大器，且只需在引腳1和引腳8之間跨接一個(gè)精密電阻就可以實(shí)現(xiàn)1～10 000的增益調(diào)節(jié)，對(duì)于設(shè)計(jì)和操作來(lái)說(shuō)都非常方便。對(duì)于具體增益（G）的選定，可以按照下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Rg為跨接在引腳1和引腳8之間的電阻。本設(shè)計(jì)選用傳感器的輸出電壓在40 mV左右，AD620的放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為100，輸出的電壓信號(hào)就可以供A／D采集模塊。由式（2）可知，放大倍數(shù)為100，則Rg很難取得一個(gè)整數(shù)值，所以在設(shè)計(jì)中采用一個(gè)1 kΩ的精密可調(diào)電阻，將阻值調(diào)至在498.989 8 Ω（即圖3中的RP2）左右，盡量讓放大后獲取100的放大倍數(shù)。具體電路如圖3所示。

圖3 信號(hào)放大電路

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

該部分采用ADC0808模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，該芯片精度高，速度快。ADC0808芯片內(nèi)部集成了8個(gè)通道的A／D轉(zhuǎn)換，每個(gè)通道均為8 bit逐次逼近型A／DC。設(shè)計(jì)的電路圖如圖4所示。

圖4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

由圖4可見(jiàn)：ADDA、ADDB和ADDC為模擬通道地址選擇引腳，由于本設(shè)計(jì)中只用了IN0一個(gè)通道對(duì)放大后的瓦斯氣體濃度電壓信號(hào)進(jìn)行采集，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，直接將ADDA、ADDB和ADDC引腳全部接GND，一直默認(rèn)選通IN0通道，由單片機(jī)的P2.3引腳提供CLOCK信號(hào)，單片機(jī)的P2.4引腳啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，ADC0808的START引腳獲取單片機(jī)P24引腳的正脈沖信號(hào)，正脈沖的上升沿對(duì)逐次逼近寄存器清零，下降沿開(kāi)始啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換。當(dāng)轉(zhuǎn)換完成時(shí)，AD0808C的EOC引腳由低電平變?yōu)楦唠娖剑瑔纹瑱C(jī)的P26引腳對(duì)ADC0808C的OE引腳輸出高電平，打開(kāi)ADC0808C的輸出三態(tài)門(mén)，使得轉(zhuǎn)換結(jié)果可以從A0～A7口讀取。

2.4 顯示電路

為方便觀察檢測(cè)到的瓦斯?jié)舛龋驹O(shè)計(jì)采用了LCD1602液晶顯示模塊，如圖5所示，與主控芯片STC89C52RC芯片直接相連，利用STC89C52RC的P1口驅(qū)動(dòng)LCD1602的數(shù)據(jù)口，P2.0～P2.3作為L(zhǎng)CD1602的控制引腳，通常程序控制LCD1602的時(shí)序和顯示內(nèi)容。

圖5 Proteus軟件仿真演示圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要是STC89C52RC主控芯片的內(nèi)部程序，主要功能是實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊牟杉⑻幚砗惋@示。程序的工作流程如圖6所示。

圖6 軟件工作流程圖

首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，包括定時(shí)器、ADC0808以及LCD1602模塊的初始化，由于ADC0808的通道選擇引腳直接接地，所以一直默認(rèn)選通的是IN0通道，通過(guò)AD0808的操作時(shí)序，啟動(dòng)ADC0808芯片進(jìn)行IN0通道的信號(hào)采集，采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值的剔除處理，然后送入LCD1602液晶模塊進(jìn)行顯示。

4 仿真測(cè)試和分析

對(duì)上述電路進(jìn)行了仿真測(cè)試，采用MJC4／2.5J的催化燃燒式傳感器，該傳感器輸出的是毫伏級(jí)電壓信號(hào)，工作電壓為2.5 V，工作電流大致為90 mA。由于Proteus中沒(méi)有這個(gè)傳感器模型，在此用毫伏級(jí)電池電壓來(lái)代替，如圖5（a）所示，從圖5（a）中可見(jiàn)，30 mV經(jīng)過(guò)AD620芯片進(jìn)行100倍放大之后變成3V電壓信號(hào)，這個(gè)信號(hào)通過(guò)ADC0808芯片進(jìn)行采集和STC89C52RC芯片進(jìn)行處理，并通過(guò)圖5（b）、LCD1602進(jìn)行顯示采集到的電壓信號(hào)值和瓦斯的濃度值。表1中列出了廠家傳感器參數(shù)的典型值，通過(guò)Proteus軟件對(duì)典型的參數(shù)值仿真測(cè)試，仿真測(cè)試結(jié)果和廠家傳感器參數(shù)一致，驗(yàn)證了該電路可以實(shí)現(xiàn)低濃度瓦斯的濃度測(cè)試。

表1 傳感器參數(shù)和仿真測(cè)試結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出的一種基于催化燃燒式原理的低濃度煤礦瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，以STC89C52RC單片機(jī)為核心控制芯片，采用Keil uVision為系統(tǒng)編程軟件，8 bit高精度ADC0808為采集芯片，LCD1602液晶為顯示模塊，并通過(guò)Proteus仿真軟件進(jìn)行了檢測(cè)系統(tǒng)的仿真測(cè)試，驗(yàn)證了檢測(cè)電路的可行性，實(shí)現(xiàn)了低濃度瓦斯的檢測(cè)，減小了體積，提高了可靠性，降低了成本，達(dá)到了預(yù)期目的，具有一定的適用參考價(jià)值。