基于光纖信號傳輸的甲烷傳感器設計

梁光清

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037）

我國煤炭資源總量相對豐富，具有經濟安全、儲運便利等特征。即便到2030年碳達峰前后，煤炭的主體地位仍難以改變。2020年2月，國家發展改革委等八部委聯合印發了《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，明確了煤礦智能化發展目標和任務，如何保證煤礦安全可靠的持續生產，對我國國民經濟的發展有著重要意義[1-3]。煤礦井下環境復雜，瓦斯、火、煤塵、水、頂板等災害時有發生，因此需要安裝安全監控系統及甲烷傳感器設備進行實時瓦斯監測，才能保證整個煤礦的安全運行[4-6]。

近幾年隨著煤安監函【2016】5 號《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》的實施，基于RS485、CAN 通訊技術的傳感器設備及系統得到大量推廣應用，解決了傳統頻率、電流傳輸抗干擾能力差的問題，取得了很好的應用效果，但是現有甲烷傳感器RS485、CAN 通信接口等現場總線交互通訊，普遍存在交互速率慢、傳輸距離受限、遠程設備自助升級維護難以實現等難題也逐漸暴露，因而探索新的傳輸技術具有十分重要的意義[7-9]。煤安監函【2016】5 號文中明確提出，模擬量傳感器至分站的有線傳輸采用工業以太網、RS485、CAN 的要求，隨著光纖通信技術的發展，光纖傳輸技術已廣泛應用于民用、軍用和工業等場合，相對于傳統電纜，光纖具有抗電磁干擾能力強、傳輸損耗小、傳輸速率高以及質量小等特點，特別適合應用于環境復雜，條件惡劣的場合[10-12]。本文設計了一種基于光纖信號傳輸的甲烷傳感器，傳感器設備與監控分站通過光纖進行數據信號交互，保證數據傳輸的穩定性、及時性和可靠性。

1 傳感器總體設計及工作原理

基于光纖信號傳輸的甲烷傳感器電路原理如圖1所示，傳感器電路的控制處理核心為STM32XXX單片機，主要由電源模塊、光電轉換模塊、聲光報警電路、信號處理電路、顯示電路五部分功能電路組成。STM32XXX 單片機在8 M 主頻下工作電流只有2.3 mA，具有明顯的低功耗優勢，同時該芯片是基于ARM 32 位RISC 內核的MCU，具有高達128 KB 的閃存和16 KB SRAM 的高速嵌入存儲器，同時具有各種增強性外設和I/O，提供標準的通信接口，UART，CAN，12 位ADC 和12 位DAC 以及7 個通用16 位計時器，32 位計時器和高端控制PWM 定時器，便于傳感器的設計與功能拓展。

圖1 基于光纖信號傳輸的甲烷傳感器電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of methane sensor circuit based on optical fiber signal transmission

傳感器采用載體催化甲烷元件將甲烷氣體濃度轉化為電壓信號，經信號處理電路放大后進入單片機A/D 轉換。單片機根據甲烷濃度函數及A/D數值計算出被測環境中甲烷氣體濃度值，進行顯示和信號上傳，然后根據用戶設定的報警值進行聲光報警。

2 硬件電路設計

2.1 電源模塊設計

安全監控系統內的防爆兼本安電源輸出電壓為24 V，經過2 km 線纜負載后傳感器電源模塊的輸入電壓在9～24 V 內變化，因此傳感器電源模塊電路將9～24 V 直流電壓轉換為適合單片機、光電模塊及顯示、信號處理電路工作的3.6 V 電壓，電源模塊電路如圖2所示。

圖2 電源模塊電路圖Fig.2 Power module circuit

電源模塊核心DC-DC 降壓芯片采用TI 公司的LM25010MHX，該芯片輸入電壓范圍9～42 V，輸出電流1.25 A，在傳感器工作電流300 mA 時的轉換效率達90%以上。為減小傳感器上電對關聯電源的沖擊，芯片內部集成軟啟動功能，具有一個11.5 μA的電流源，軟啟動時間由芯片第10 腳連接的電容C1決定。C1電容的容值為0.22 uF，根據芯片手冊提供的計算公式，軟啟動時間為50 ms。芯片電壓輸出的反饋電壓為2.5 V，精度為±2%，根據R2、R3電阻的阻值進行計算，計算得出電源模塊輸出電壓為3.6 V，為后級電路供電。

2.2 顯示及聲光報警電路

本文采用動態顯示電路，通過單片機IO 引腳直接控制4 位數碼管點亮顯示，每位數碼管的刷新頻率為35 Hz，從而達到節省電流且顯示檢測數值的效果。

聲光報警電路如圖3所示，單片機控制三極管Q9的通斷，當Control_SG 為低電平時，Q9導通，蜂鳴器LS1和發光二極管D3和D6上電工作，分別發出聲音和光亮。當Control_SG 為高電平時，Q9截止，蜂鳴器LS1和發光二極管D3和D6斷電，從而實現由單片機控制的間歇性報警工作。

圖3 聲光報警電路圖Fig.3 Sound and light alarm circuit

2.3 信號處理電路

如圖4所示，甲烷元件工作電壓為3.0 V，工作電流為100 mA，R29為可調電位器。甲烷元件與R28、R29、R30電阻構成單臂電橋，通過OP2330 運放將單臂電橋的差分信號放大10 倍，轉換為電壓信號CH4，該信號經低通濾波后進入單片機模擬采集通道，由內置12 位A/D 轉換功能模塊將電壓值轉換為對應甲烷氣體濃度成正比的采樣數值，通過相應計算函數關系，得到真實的瓦斯濃度。

圖4 信號處理電路圖Fig.4 Signal processing circuit

2.4 光電轉換模塊

光電轉換模塊采用工作電壓為3.3 V 的單模光收發一體模塊，模塊具有FC 尾纖型光接口，工作波長為1310 nm，1×9 管腳封裝，輸出平均光功率達-3 dBm，通訊速度可以達到5 Mbps，接口電平采用TTL 電平，因此直接和單片機UART 接口連接即可，單模光收發一體模塊原理圖如圖5所示。

圖5 單模光收發一體模塊原理圖Fig.5 Functional block diagram of single-mode optical transceiver module

3 軟件設計

基于光纖信號傳輸的甲烷傳感器的程序采用C語言編寫，采用模塊化函數編程設計，主程序首先進行單片機時鐘、IO 引腳和UART 等外設初始化配置，然后讀取存儲在E2的零點、線性、報警值等參數，然后進入周期性數據采集和超限報警判斷，等待通訊中斷響應，通過UART 發送數據到光電轉換模塊，軟件流程如圖6所示。

圖6 軟件流程Fig.6 Software flow chart

4 結語

隨著煤礦智能化的發展，高速大容量的數據穩定可靠傳輸成為礦用智能傳感器的必然要求，為解決現有傳感器總線通訊距離短、速度慢、抗干擾能力差等問題提供了新的技術方案，對煤礦安全生產有著重要意義。本文基于對甲烷傳感器電源、信號處理、顯示、報警等電路的研究，提出了采用單模光收發一體模塊作為監測數據上傳的通訊方式，非常適用于煤礦井下復雜的工況環境，具有廣闊的推廣應用前景。