智能瓦斯傳感器的設計及調試

郭二孩

（華陽集團開元公司通風部遙測隊，山西 晉中 045400）

引言

近年來，煤礦瓦斯事故一直是影響我國煤礦安全生產的重要因素，建立安全高效通用的煤礦監控系統是煤礦安全生產的重要保障，因此智能瓦斯傳感器的設計與研發是一項重要的研究課題[1]。智能傳感器以微處理器為核心，由傳感器和相關電路組成，在傳統傳感器的基礎上進行了功能擴展和升級，主要分為模塊式、混合式和集成式三種形式[2]。將智能傳感器與計算機技術相結合，一方面大大增加了傳感器的數據判斷和信息處理能力，同時可以實現傳感器的遠程監控和調試[3]。目前，集散控制系統和現場總線系統是工業控制系統中的兩大主要通訊系統，而CAN 總線是現場總線系統中的一種，具有通訊效率高、成本低的優點，應用范圍極為廣泛[4]。本文通過理論和實驗相結合的方式，設計了以嵌入式微處理器為核心，以CAN 總線為通訊方式的智能瓦斯傳感器，并在實驗條件下，對傳感器的硬件和軟件進行了調試和運行，進行了瓦斯濃度的測試和報警實驗，對傳感器的可靠性和穩定性進行了考察與驗證。

1 智能瓦斯傳感器的設計方案

智能瓦斯傳感器的設計主要包括硬件系統和軟件系統兩部分，硬件系統包括控制器最小系統、傳感器信號調節、報警顯示以及CAN 總線網絡的設計，軟件部分需根據各模塊軟件流程編寫相應的程序代碼。CAN 網絡的每個節點都能完成特定的功能，同時也能以多種方式實現，大大簡化了系統，提高了準確性和可靠性。

1.1 智能瓦斯傳感器硬件設計

1.1.1 微處理單元模擬系統單元

瓦斯智能傳感器的核心是微處理單元，該單元由傳感元件、放大器和A/D 轉換器組成。目前，常用的檢測瓦斯的傳感器有催化傳感器、紅外傳感器和光纖傳感器。考慮到礦井瓦斯的主要成分為甲烷，甲烷在標準大氣壓條件下是一種無色、無味、密度小于空氣、難溶于水的氣體，主要集中在礦井巷道的頂部；而且甲烷不支持呼吸，有窒息的風險，濃度超過一定范圍時可以發生燃燒甚至引起爆炸。因此，本文中設計的智能瓦斯傳感器的濃度監測范圍為1%～4%，采用的傳感器為熱效式瓦斯傳感器，利用可燃氣體在催化劑條件下發生燃燒產生的熱量，使得測量元件的電阻值發生改變，從而間接表征瓦斯的濃度。在傳感器中，以LXK 系列催化氣敏元件作為瓦斯傳感器的敏感元件。

A/D 電路能夠將瓦斯濃度信號轉化為電路信號，具體的工作原理為：首先由瓦斯敏感元件采集濃度信號，將濃度信號傳至調理電路進行放大處理，最終至微處理器進行A/D 轉換。實驗對A/D 電路的采樣頻率進行了優化，最終確認在0～3.3 V的電壓下，每秒進行400 000 次10 位采樣。

1.1.2 系統控制電路

系統控制電路是系統運行的基本電路，由系統電源電路、存儲電路、復位電路和時鐘電路四部分組成。由于微處理器芯片需在3.3 V 電壓條件下工作，因此系統電源電路先通過USB 直接連接5 V 直流電源，經過濾波處理和穩壓器作用后，將整體電壓穩定至3.3 V；系統的存儲部分由FLASH 存儲器和RAM存儲器組成，主要用來存儲數據和程序；復位電路是在系統上電、掉電和跳電情況下對系統進行復位的單元，一般通過RESET 管腳和看門狗復位兩種方式進行復位操作，本文選用RESET 管腳復位方式，通過施密特觸發輸入管腳進行調控，確保整個系統的各部分均以確定的初始狀態開始工作；系統時鐘電路是處理數字化信息的基礎，直接影響系統的正常工作，本文選擇有源晶體振蕩器產生時鐘信號，振蕩器頻率為60 MHz，晶振頻率為11.059 2 MHz，此外，在定時器、A/D 和CAN 控制器上也均設有時鐘信號。

1.1.3 功能電路

為滿足智能傳感器的瓦斯濃度實時顯示和報警等功能，在系統電路之外還需設立鍵盤電路、液晶顯示電路、超限報警電路、風、電、瓦斯閉鎖電路和CAN 控制器電路。其中系統顯示部分采用1602 液晶顯示器，該顯示器由內置驅動和電平轉換芯片ULN2003 組成，ULN2003 具有耐高壓的特點，能夠在“關”態時承受高達50 V的電壓，并在高負載電流條件下運行；瓦斯傳感器的最重要的作用是能夠進行超限報警，本文設計了蜂鳴器報警電路，如圖1 所示，蜂鳴器使用PNP 三極管進行驅動，當瓦斯濃度達到限定值后，觸發報警器報警，此外在報警的同時，微處理器還會輸出控制信號，切斷礦井內其他電氣設備的電源。

圖1 蜂鳴器報警電路

1.2 智能瓦斯傳感器軟件設計

本文采用ADS1.2 集成開發環境進行程序編譯，分別使用C 語言編寫系統初始化模塊、主程序模塊、LCD 顯示和報警子程序數據處理存儲模塊、數據通信模塊。圖2 為主程序的設計流程圖，當系統通電后，微處理器控制系統進行初始化和自檢操作，然后由數據采集模塊采集數據，再將傳感器輸出的模擬電壓經微處理器單元分析處理后轉化成瓦斯濃度值，若瓦斯濃度超過預設值1.5%，微處理器輸出一個控制信號，控制系統執行斷電操作；若未超過預設值，則執行下一步命令；然后繼續判斷瓦斯濃度是否超過1%，是則調用報警程序，否則直接將數值傳輸到液晶顯示單元進行瓦斯濃度實時顯示。

圖2 主程序流程圖

2 瓦斯傳感器的系統調試和實現

對上述智能瓦斯傳感器進行硬件和軟件兩方面的調試，考慮到瓦斯的危害性，因此無法提供標準濃度的瓦斯氣體，最終在實驗室進行相關的模擬實驗。

2.1 硬件調試

實驗對智能瓦斯傳感器的主體電路、CAN 總線控制電路、液晶顯示器件以及整個傳感器樣機的組裝進行了檢查，分別在通電運行之前檢查各器件的型號、規格，檢查電路是否有短路的風險，確認無誤后，方可接通電源；最后，把所有控制系統按照設計進行連接，為軟件調試做好準備。

2.2 軟件調試

在ADS1.2 軟件中打開編寫好的軟件程序，確認代碼沒有編譯錯誤后，通過JTAG 仿真器軟件下載微控制器內Flash 文件，分別設置CPU型號、硬件接口和停機模式，進入調試環境；將編譯好的程序下載后，即可進行瓦斯傳感器濃度顯示和報警功能的演示；如圖3 所示，在A/D 端輸入不同的電阻值最終可以得到相應的瓦斯濃度值，下頁表1 為不同電壓值的甲烷濃度值和實測值的比較，當濃度超過預設值時，瓦斯傳感器報警。

表1 甲烷濃度值和測量值比較

圖3 智能瓦斯傳感器顯示電路

3 結語

基于我國礦井安全管理中瓦斯監測監控系統的欠缺和不成熟現象，本文將微處理器嵌入式技術和CAN 總線技術相結合，設計了適用于1%～4%瓦斯監測的智能傳感器，該智能傳感器不僅可實現瓦斯濃度實時顯示，還能完成超限報警和斷電等功能；此外，在實驗條件下，對智能瓦斯傳感器的硬件系統和軟件代碼進行了調試，對樣機進行了瓦斯濃度測試和報警等實驗，充分證明了智能瓦斯傳感器濃度監控的準確性以及運行的穩定性，為礦井的安全生產管理奠定了基礎。