低濃度煤礦瓦斯檢測系統設計與仿真

丁 艷， 袁隆基， 宋正昶

（中國礦業大學a.徐海學院；b.電氣與動力工程學院，江蘇徐州221116）

0 引 言

煤礦瓦斯是煤礦開采過程中煤的伴生產物，屬于不可再生能源，在煤礦開采過程中，煤礦瓦斯被列為重大災害源和大氣污染源［1］。瓦斯的聚集極易引起瓦斯事故，及時掌握煤礦瓦斯的實時狀態顯得非常重要，瓦斯濃度檢測便成了煤礦安全生產中一項必不可少的工作。煤礦瓦斯濃度檢測方法有：熱傳導型［2］、光學干涉型［3］、紅外吸收型［3-5］、催化燃燒型［6-8］等。熱傳導檢測傳感器的結構相對比較簡單，一般用于高濃度瓦斯檢測，因為在對于高濃度瓦斯檢測來說，精度比較高，而不適用于低濃度煤礦瓦斯的檢測［9］。光學干涉檢測，雖然精度高、性能也比較穩定，但是檢測速度比較慢，讀數也不直觀［9-10］，我國20世紀70年代之前，用的基本上都是這個方法［11］。紅外吸收檢測方法的檢測范圍比較寬，響應也比較快，精度也較高，但其精度和成本基本成正比關系，也就是精度越高，成本越高，所以推廣比較困難［12］。目前對于低濃度瓦斯檢測，使用比較多的就是基于催化燃燒原理的檢測方法，這種方法是20世紀80年代以來，隨著電子技術的飛速發展而興起的一種檢測方法。傳統的煤礦瓦斯檢測儀存在功耗高、體積大、可靠性不高等問題。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系統的設計方案，該方案選取STC89C52RC單片機為核心控制芯片，采用Keil uVision為系統編程軟件［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Proteus軟件進行檢測系統的仿真測試，驗證了檢測電路的可行性，實現了低濃度瓦斯的檢測，減小了體積，提高了可靠性，降低了成本，達到了預期目的，具有一定的適用參考價值。

1 煤礦瓦斯檢測傳感器結構及工作原理

煤礦瓦斯檢測傳感器的結構和原理如圖1所示。

圖1 瓦斯傳感器電氣原理圖

圖中RD為測量元件，該測量元件主要是由金屬鉑絲、氧化鋁多孔載體和催化劑構成，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，元件表面呈現出黑色，所以通常又被稱為黑元件。圖中RC是補償元件，與黑元件RD的阻值相同，不同的是RC表面并沒有浸漬催化劑，也就不會參與低溫催化燃燒反應，它的作用只是對非瓦斯含量變化引起的RD阻值變化起到補償作用，圖中的R1和R2相等，與RD和RC共同組成了一個電橋。黑元件RD在通電的情況下，當遇到瓦斯氣體時，通過的電流會使得黑元件內部的鉑絲溫度升高，當達到一定溫度時，瓦斯和氧氣在催化劑的作用下進行無焰燃燒反應，其反應方程式：

反應產生的熱量會進一步加熱鉑絲，導致鉑絲的電阻發生改變，使得電橋失去了平衡而輸出一個電壓信號，用這個電壓信號值來反映瓦斯含量的大小。具體推導如下：

當鉑絲的電阻由于溫度而改變ΔRD，則

由此可見，輸出電壓UAB與測量元件的電阻變化量ΔRD成正比。

2 系統硬件設計

2.1 主控芯片電路

本設計的主控芯片選擇了STC89C52RC，該芯片不僅沿襲了傳統而經典的MCS-51內核，且改進了傳統51單片機一些不具備或者是需要通過外接其他芯片才能實現的功能，該系統具有8 bit CPU和在線可編程Flash。本設計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，P3口用于ADC0808的數字量獲取，P2.3～P2.6引腳用于控制ADC0808芯片的相關操作，P1口在外接一個上拉電阻的前提下用于輸出數據給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，該芯片完全可以滿足本設計的需求。

2.2 信號放大電路

低濃度瓦斯檢測傳感器輸出的電壓信號非常微弱，一般在mV級別，只有幾mV至幾十mV，且共模電壓較高，有時電路噪聲比信號還大。因此，從噪聲中能識別出有效信號顯得非常重要。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，內部集成了3個運算放大器，且只需在引腳1和引腳8之間跨接一個精密電阻就可以實現1～10 000的增益調節，對于設計和操作來說都非常方便。對于具體增益（G）的選定，可以按照下式進行計算：

式中：Rg為跨接在引腳1和引腳8之間的電阻。本設計選用傳感器的輸出電壓在40 mV左右，AD620的放大倍數設計為100，輸出的電壓信號就可以供A／D采集模塊。由式（2）可知，放大倍數為100，則Rg很難取得一個整數值，所以在設計中采用一個1 kΩ的精密可調電阻，將阻值調至在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。具體電路如圖3所示。

圖3 信號放大電路

2.3 模數轉換電路

該部分采用ADC0808模數轉換芯片，該芯片精度高，速度快。ADC0808芯片內部集成了8個通道的A／D轉換，每個通道均為8 bit逐次逼近型A／DC。設計的電路圖如圖4所示。

圖4 模數轉換電路

由圖4可見：ADDA、ADDB和ADDC為模擬通道地址選擇引腳，由于本設計中只用了IN0一個通道對放大后的瓦斯氣體濃度電壓信號進行采集，所以在設計時，直接將ADDA、ADDB和ADDC引腳全部接GND，一直默認選通IN0通道，由單片機的P2.3引腳提供CLOCK信號，單片機的P2.4引腳啟動A／D轉換，ADC0808的START引腳獲取單片機P24引腳的正脈沖信號，正脈沖的上升沿對逐次逼近寄存器清零，下降沿開始啟動A／D轉換。當轉換完成時，AD0808C的EOC引腳由低電平變為高電平，單片機的P26引腳對ADC0808C的OE引腳輸出高電平，打開ADC0808C的輸出三態門，使得轉換結果可以從A0～A7口讀取。

2.4 顯示電路

為方便觀察檢測到的瓦斯濃度，本設計采用了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口驅動LCD1602的數據口，P2.0～P2.3作為LCD1602的控制引腳，通常程序控制LCD1602的時序和顯示內容。

圖5 Proteus軟件仿真演示圖

3 系統軟件設計

軟件部分主要是STC89C52RC主控芯片的內部程序，主要功能是實現瓦斯濃度的采集、處理和顯示。程序的工作流程如圖6所示。

圖6 軟件工作流程圖

首先進行系統的初始化，包括定時器、ADC0808以及LCD1602模塊的初始化，由于ADC0808的通道選擇引腳直接接地，所以一直默認選通的是IN0通道，通過AD0808的操作時序，啟動ADC0808芯片進行IN0通道的信號采集，采集后的數據進行異常值的剔除處理，然后送入LCD1602液晶模塊進行顯示。

4 仿真測試和分析

對上述電路進行了仿真測試，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電壓信號，工作電壓為2.5 V，工作電流大致為90 mA。由于Proteus中沒有這個傳感器模型，在此用毫伏級電池電壓來代替，如圖5（a）所示，從圖5（a）中可見，30 mV經過AD620芯片進行100倍放大之后變成3V電壓信號，這個信號通過ADC0808芯片進行采集和STC89C52RC芯片進行處理，并通過圖5（b）、LCD1602進行顯示采集到的電壓信號值和瓦斯的濃度值。表1中列出了廠家傳感器參數的典型值，通過Proteus軟件對典型的參數值仿真測試，仿真測試結果和廠家傳感器參數一致，驗證了該電路可以實現低濃度瓦斯的濃度測試。

表1 傳感器參數和仿真測試結果

5 結 語

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系統的設計方案，以STC89C52RC單片機為核心控制芯片，采用Keil uVision為系統編程軟件，8 bit高精度ADC0808為采集芯片，LCD1602液晶為顯示模塊，并通過Proteus仿真軟件進行了檢測系統的仿真測試，驗證了檢測電路的可行性，實現了低濃度瓦斯的檢測，減小了體積，提高了可靠性，降低了成本，達到了預期目的，具有一定的適用參考價值。