基于光纖傳輸?shù)牡V用溫度傳感器設(shè)計(jì)

王祖迅

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400039）

煤礦井下溫濕度對(duì)煤礦安全生產(chǎn)有著非常重要的影響[1]，在煤礦井下作業(yè)中，溫度是影響煤礦安全的重要因素之一，在有煤塵的危險(xiǎn)環(huán)境中，若溫度過(guò)高很容易造成爆炸，對(duì)于溫度的檢測(cè)及報(bào)警提醒，一直是煤礦安全作用防護(hù)中的重點(diǎn)。隨著煤礦自動(dòng)化、智能化水平的不斷提高，除了對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)外，還要對(duì)抽采泵、排水泵、皮帶、風(fēng)機(jī)等大型設(shè)備的溫度和電機(jī)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止設(shè)備因溫度過(guò)高而損壞，影響煤礦安全和生產(chǎn)[2-5]。目前大部分礦用溫度傳感器采用電纜線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在傳輸過(guò)程中容易受到電磁場(chǎng)的干擾，存在抗干擾能力差、傳輸速率低和傳輸距離短等問(wèn)題。因此，筆者設(shè)計(jì)了一種基于光纖傳輸?shù)牡V用溫度傳感器，具備就地顯示及自動(dòng)調(diào)校、超限報(bào)警等功能，通過(guò)光纖總線與監(jiān)控分站通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦環(huán)境或大型機(jī)電設(shè)備的溫度在線監(jiān)測(cè)。

1 傳感器總體設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 傳感器總體設(shè)計(jì)

礦用溫度傳感器電路設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示，主要由抗干擾電路、供電電路、Pt100 采樣電路、光纖通訊電路、顯示電路、遙控處理電路、聲光報(bào)警電路等組成。其中微處理器采用ARM CortexM3 內(nèi)核的STM32 L1 超低功率微控制器STM32L051C8T6，可提供動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)、 一個(gè)超低功率時(shí)鐘振蕩器、比較器、 數(shù)模轉(zhuǎn)換器和硬件加密等功能。內(nèi)置12 位AD 轉(zhuǎn)換模塊，片內(nèi)集成了2 kB 的EEPROM，可用于存儲(chǔ)傳感器參數(shù)信息、報(bào)警值、通訊地址編碼等信息。

圖1 礦用溫度傳感器原理圖Fig.1 Schematic diagram of mine temperature sensor

1.2 傳感器工作原理

礦用溫度傳感器采用高精度的鉑電阻Pt100 作為溫度敏感檢測(cè)元件，測(cè)量時(shí)鉑電阻與標(biāo)準(zhǔn)電阻構(gòu)成測(cè)量電橋電路，將環(huán)境或物體的溫度變化量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后進(jìn)入微處理器。通過(guò)微處理器反算出Pt100 鉑電阻的電阻值，查詢鉑電阻的分度表，將鉑電阻值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度值。通過(guò)顯示電路就地顯示環(huán)境或物體的溫度值，同時(shí)通過(guò)光纖遠(yuǎn)距離傳輸至監(jiān)控分站。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 抗干擾電路設(shè)計(jì)

由于礦用溫度傳感器工作環(huán)境惡劣，對(duì)傳感器輸入電源進(jìn)行二級(jí)浪涌、二級(jí)群脈沖抗干擾設(shè)計(jì)[6]，抗干擾電路如圖2 所示。在電源輸入接口處設(shè)計(jì)了雙向瞬態(tài)二級(jí)管5KP33CA 保護(hù)器件，保護(hù)電壓為33 V，可承受的瞬變電壓為7 kV。同時(shí)設(shè)計(jì)了防反接二極管SS14，可以消除電源正負(fù)極錯(cuò)接對(duì)器件的損壞。通過(guò)對(duì)抗干擾電路的設(shè)計(jì)使傳感器具有靜電防護(hù)、抗浪涌電流、抗群脈沖干擾的能力。

圖2 抗干擾電路Fig.2 Anti interference circuit

2.2 供電電路設(shè)計(jì)

礦用溫度傳感器的供電來(lái)自于礦用本安電源箱，考慮到遠(yuǎn)距離供電，電源箱輸出的電壓等級(jí)為15 V、18 V、24 V 等直流本安電源，而微處理器及外圍電路的工作電壓為3.3 V 和5 V，需要將不同電壓等級(jí)轉(zhuǎn)換為3.3 V 或5 V 的工作電壓等級(jí)，因此設(shè)計(jì)了將9～24 V 直流電壓轉(zhuǎn)換3.3 V 和5 V 電壓的電源電路，如圖3 所示。分站提供的9～24 V 本安直流電源首先經(jīng)過(guò)KYB2405 電源轉(zhuǎn)換芯片，將9～24 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V 電壓，供外設(shè)電路使用。然后再將5 V 電壓經(jīng)過(guò)SPX1117M3 電源轉(zhuǎn)換芯片，將5 V 電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V 電壓供微處理器使用。其中對(duì)5 V 電源電路進(jìn)行了三級(jí)過(guò)壓保護(hù)設(shè)計(jì)，保護(hù)電路由電阻、電容、齊納二極管MM3Z5V6T1G 和晶閘管RX0405K組成。正常工作時(shí)，齊納二極管和晶閘管均處于截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)換芯片輸出的電壓高于6 V 時(shí)，齊納二極管反向擊穿，將電壓鉗位在5.6 V，由于齊納二極管被擊穿，此時(shí)晶閘管的控制腳得到控制電壓，晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)，將電壓拉低實(shí)現(xiàn)輸出保護(hù)，防止后續(xù)電路出現(xiàn)電壓過(guò)高而損壞。

圖3 供電電路Fig.3 Power supply circuit

2.3 Pt100 鉑電阻采樣電路

礦用溫度傳感器采用高精度鉑電阻Pt100 作為溫度敏感檢測(cè)元件[7-8]，在溫度為0 ℃時(shí)鉑電阻的阻值為100 Ω，當(dāng)溫度變化時(shí)鉑電阻的阻值隨溫度有規(guī)律地變化，根據(jù)此原理設(shè)計(jì)了Pt100 鉑電阻采樣電路，如圖4 所示。Pt100 鉑電阻通過(guò)與R32、R34、R60組成測(cè)量電橋，經(jīng)R56、R58進(jìn)行線性運(yùn)算放大器AD8237進(jìn)行放大，再由運(yùn)算放大器的Vo輸出引腳經(jīng)過(guò)肖特基二極管BAT54S 進(jìn)入微處理器的A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行運(yùn)算處理，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的鉑電阻值，查詢鉑電阻的分度表，將鉑電阻值轉(zhuǎn)換為-30 ℃～200 ℃的溫度值。在Pt100 鉑電阻的輸入兩端設(shè)計(jì)有SMBJ5.0A 和SMBJ24A 單向瞬態(tài)抑制二極管，防止高電壓從Pt100 鉑電阻接線端子串入電路，損壞采樣電路的AD 放大器芯片和其它電路芯片。

圖4 Pt100 鉑電阻采樣電路Fig.4 Pt100 platinum resistance sampling circuit

2.4 光纖通訊電路設(shè)計(jì)

為了解決傳統(tǒng)的礦用溫度傳感器抗干擾能力差、傳輸速率低和傳輸距離短的問(wèn)題，采用了收發(fā)一體化光纖收發(fā)模塊設(shè)計(jì)[9-10]，接口電路如圖5 所示。模塊的接口電平兼容標(biāo)準(zhǔn)的TTL 電平和CMOS電平，也可直接將RS232、RS485 等信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)進(jìn)行傳輸。模塊由接收和發(fā)射兩個(gè)部分組成，接收部分采用平面工藝單PIN 光探測(cè)器，適用于對(duì)1100 nm～1700 nm 的光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，主放大器（限幅放大器）把接收到的信號(hào)放大到穩(wěn)定的幅度，并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)TTL 輸出，還可以根據(jù)接收到的信號(hào)幅度提供信號(hào)檢測(cè)指示，當(dāng)接收到的信號(hào)幅度由大減小到設(shè)定值時(shí)，信號(hào)檢測(cè)指示由高電平轉(zhuǎn)為低電平；發(fā)送部分主要選用高性能的1310 nm 多量子阱FP 激光發(fā)射器，閾值電流低、發(fā)光效率高、消耗功率低、傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)20 km。光纖收發(fā)模塊的RD 與微處理器UART 異步通訊接收引腳RXD 相連，TD 與微處理器UART異步通訊發(fā)送引腳TXD相連，通過(guò)SD 引腳控制數(shù)據(jù)在光纖模塊上的接收和發(fā)送，傳輸速率最高可達(dá)到10 Mbps。

圖5 光纖通訊接口電路Fig.5 Optical fiber communication interface circuit

2.5 顯示電路設(shè)計(jì)

礦用溫度傳感器顯示電路采用低功耗的4 位LED 數(shù)碼管進(jìn)行設(shè)計(jì)，每個(gè)數(shù)碼管8 位全點(diǎn)亮?xí)r消耗電流為2.5 mA 左右，第一位顯示位狀態(tài)信息，后三位顯示監(jiān)測(cè)數(shù)值和設(shè)置值，由微處理器動(dòng)態(tài)控制數(shù)碼管段碼的位碼，如圖6 所示。顯示電路的段碼控制線通過(guò)1 k 的限流電阻與微處理器的I/O 口進(jìn)行連接，位碼控制線通過(guò)三極管9013 與微處理器的I/O 口進(jìn)行連接，在工作時(shí)任意時(shí)刻只有一個(gè)數(shù)碼管上電點(diǎn)亮顯示，需要顯示的數(shù)據(jù)在DB0～DB7上對(duì)應(yīng)輸出字符的邏輯電平，對(duì)每位數(shù)碼管以45 Hz的頻率動(dòng)態(tài)刷新。因此采用動(dòng)態(tài)顯示電路設(shè)計(jì)既能有效減小工作電流消耗又能高亮度顯示溫度監(jiān)測(cè)數(shù)值。

圖6 顯示電路Fig.6 Display circuit

2.6 紅外遙控電路設(shè)計(jì)

為避免對(duì)傳感器的零點(diǎn)、精度、報(bào)警點(diǎn)、通訊地址等參數(shù)進(jìn)行開(kāi)蓋設(shè)置，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，采用紅外遙控作為傳感器的人機(jī)操作接口，在傳感器側(cè)設(shè)計(jì)紅外接收電路，電路如圖7 所示。電路由遙控接收頭IR 和三極管Q17及R12、R13、C28等阻容器件組成。輸入信息經(jīng)遙控器編碼調(diào)制成一定頻率的紅外光發(fā)送給傳感器，傳感器的接收頭IR 接收到后會(huì)在OUT 引腳輸出高低電平信號(hào)。當(dāng)接收頭IR 輸出高電平時(shí)，三極管Q17導(dǎo)通，YK 電位經(jīng)三極管與地相通，輸出為低電平； 當(dāng)接收頭IR 輸出低電平時(shí)，三極管Q17為高阻抗?fàn)顟B(tài)，YK 此時(shí)的輸出電壓為VCC，輸出為高電平。微處理器采集YK 的高低電平及脈寬信息后，對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，從而實(shí)現(xiàn)傳感器設(shè)置信息的輸入操作。

圖7 紅外遙控電路Fig.7 Infrared remote control circuit

2.7 聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)

礦用溫度傳感器設(shè)計(jì)有聲光報(bào)警功能，通過(guò)采用有源蜂鳴器KG1203 和高亮紅光二極管并聯(lián)作為聲光報(bào)警信號(hào)源，報(bào)警時(shí)以1 Hz 的頻率發(fā)出聲光報(bào)警，產(chǎn)生的報(bào)警聲音在1 m 內(nèi)可以達(dá)80 dB 以上，產(chǎn)生的光亮強(qiáng)度在黑暗環(huán)境下20 m 外可見(jiàn)。當(dāng)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)值低于報(bào)警限制值時(shí)報(bào)警電路不工作，漏電流約為2 μA，當(dāng)溫度數(shù)值高于報(bào)警限制值時(shí)報(bào)警電路工作，工作電流25 mA。

3 軟件設(shè)計(jì)

礦用溫度傳感器的嵌入式軟件采用C 語(yǔ)言模塊化編程，為了提高微處理器的工作效率和不同子程序模塊的響應(yīng)優(yōu)先權(quán)，采用主程序循環(huán)執(zhí)行與通訊子程序中斷執(zhí)行混合方式設(shè)計(jì)，軟件流程如圖8所示。首先主程序進(jìn)入?yún)?shù)初始化子程序模塊讀取傳感器的報(bào)警值、通訊地址等參數(shù)；然后進(jìn)入Pt100采樣子程序，對(duì)采樣值進(jìn)行計(jì)算和查詢鉑電阻分度表，得到相應(yīng)的溫度值；在報(bào)警子程序模塊中通過(guò)與報(bào)警設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)有報(bào)警時(shí)控制聲光電路報(bào)警； 遙控子程序模塊檢測(cè)是否有遙控輸入信號(hào)，當(dāng)有遙控輸入時(shí)進(jìn)行遙控處理，解碼遙控器信息；最后在顯示子程序模塊中更新顯示的數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)刷新數(shù)碼管進(jìn)行就地實(shí)時(shí)顯示。通訊子程序模塊采用中斷執(zhí)行方式進(jìn)行編寫(xiě)，當(dāng)有通訊中斷響應(yīng)時(shí)，微處理器將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)幀發(fā)到總線上，通過(guò)光纖與上級(jí)監(jiān)控分站進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。

圖8 軟件流程Fig.8 Software flow chart

4 測(cè)試結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)溫度測(cè)試平臺(tái)對(duì)0 ℃～200 ℃的溫度范圍進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1 所示，傳感器的測(cè)量誤差≤±2.0%（F.S），滿足傳感器設(shè)計(jì)要求。在溫度值＜100 ℃時(shí)，顯示的分辨率為0.1 ℃，顯示值≥100 ℃時(shí)，顯示的分辨率為1 ℃。

表1 溫度測(cè)試表Tab.1 Temperature test

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)基于光纖傳輸?shù)牡V用溫度傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)，能有效監(jiān)測(cè)礦井的環(huán)境溫度和大型機(jī)電設(shè)備的工作溫度，為煤礦安全生產(chǎn)提供了保障。通過(guò)光纖進(jìn)行與監(jiān)控分站或交換機(jī)進(jìn)行通訊，不僅能提高通訊速率，而且不受電磁環(huán)境的干擾，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｍㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明，傳感器在-30 ℃～200 ℃的溫度范圍測(cè)量準(zhǔn)確，報(bào)警、數(shù)據(jù)顯示、通訊等各項(xiàng)功能正常；通過(guò)光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，傳輸速率最高可達(dá)10 Mbps，為多參數(shù)傳感器大數(shù)據(jù)量的高速傳輸提供了思路。傳感器通過(guò)與監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)聯(lián)網(wǎng)，在線顯示監(jiān)測(cè)的溫度，對(duì)提高煤礦自動(dòng)化、智能化水平具有重要作用。