基于STM32的瓦斯突出檢測(cè)儀硬件電路設(shè)計(jì)

閆曉兵 張大磊 李敬

1．泰山科技學(xué)院通信工程學(xué)院；2．泰山科技學(xué)院教務(wù)處

預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出并將預(yù)測(cè)結(jié)果指標(biāo)化已經(jīng)成為開采煤與瓦斯突出煤層現(xiàn)場一項(xiàng)必不可少的工作。是減少煤與瓦斯突出事故、實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)的有效舉措。本文以應(yīng)用研究為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)了基于STM32的硬件電路，具有電路簡單、測(cè)量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，可有效彌補(bǔ)現(xiàn)有儀器的不足。

近年來，我國煤礦瓦斯事故的發(fā)生頻次仍然較高，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者對(duì)煤礦瓦斯突出的預(yù)測(cè)指標(biāo)一直進(jìn)行著不懈的研究與探討。礦用瓦斯突出檢測(cè)儀，是一種預(yù)測(cè)煤礦井下掘進(jìn)工作面瓦斯突出危險(xiǎn)性大小，能有效預(yù)測(cè)和防止瓦斯突出災(zāi)害的現(xiàn)代化電子設(shè)備。它有利于作業(yè)人員實(shí)時(shí)掌握掘進(jìn)工作面瓦斯突出的危險(xiǎn)程度，在我國有著廣泛的應(yīng)用。

但是此類礦用瓦斯突出檢測(cè)儀性能難以穩(wěn)定，可靠性不高，測(cè)量數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，功耗也比較大，甚至在使用的過程中運(yùn)送也不十分方便。隨著嵌入式系統(tǒng)和DSP技術(shù)的飛速發(fā)展，此類儀器的工作速度和智能化程度也有了較大的提升空間。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 硬件系統(tǒng)框圖

礦用瓦斯突出檢測(cè)儀，是一種典型的具備數(shù)據(jù)采集計(jì)算功能的嵌入式終端儀器。其硬件組成如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖Fig.1 Hardware system block diagram

1.2 嵌入式微處理器選擇

為達(dá)到低功耗、高可靠性、操作簡便的目的，本設(shè)計(jì)采用選擇意法半導(dǎo)體的144引腳的增強(qiáng)型處理器STM32103ZET6芯片為中央處理器。該處理器采用32位Cortex-M3內(nèi)核，片上系統(tǒng)時(shí)基（System Tick）能為輕量級(jí)操作系統(tǒng)的運(yùn)行提供精準(zhǔn)可控的硬件系統(tǒng)時(shí)鐘，能靈活定制應(yīng)用軟件并運(yùn)行輕量級(jí)操作系統(tǒng)。

為更好地運(yùn)行嵌入式系統(tǒng)的圖形庫，在芯片內(nèi)部已有64K字節(jié)SRAM的基礎(chǔ)上，又?jǐn)U充了一片外部SRAM，以增加系統(tǒng)內(nèi)存，具體電路如圖2所示。

圖2 外擴(kuò)SRAM電路圖Fig.2 External expansion SRAM circuit diagram

1.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元

為使系統(tǒng)具備存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)和系統(tǒng)配置的能力，設(shè)計(jì)了SPI Flash存儲(chǔ)器。SPI Flash選用SST25VF064C，工作電壓為3.3V，該存儲(chǔ)芯片容量為8MB。芯片采用SPI通信協(xié)議，可擦寫次數(shù)高達(dá)10萬次，數(shù)據(jù)保留時(shí)間長于100年。讀取和擦除方式十分靈活，在80MHz的讀操作下，工作電流僅12mA。SPI Flash存儲(chǔ)器電路如圖3所示。

圖3 SPI Flash存儲(chǔ)器電路Fig.3 SPI Flash memory circuit

1.4 傳感器和數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

作為硬件系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，傳感器和A/D數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)采用表壓型氣體壓力傳感器。由于實(shí)際工況中采集瓦斯解吸壓力數(shù)據(jù)時(shí)煤樣桶是暴露與大氣中的，所以壓力測(cè)量值必須要減去大氣壓力值，才能得到瓦斯解吸的實(shí)際壓力大小。大氣壓力傳感器芯片采用MS5611-01BA01芯片，通過I2C總線與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。氣體壓力傳感器采用PS1210芯片，傳感器和A/D數(shù)據(jù)采集電路如圖4所示。

圖4 傳感器和數(shù)據(jù)采集電路Fig.4 Sensor and data acquisition circuit

1.5 電源電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的大部分模塊的供電電壓為3.3V，而數(shù)據(jù)采集模塊中的AD芯片除數(shù)字部分供電需要3.3V外，同時(shí)模擬部分需要5.0V進(jìn)行供電。所以設(shè)計(jì)有兩種不用電壓值的穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓芯片采用DC-DC類型，使用TPS63001和TPS63002分別實(shí)現(xiàn)3.3V和5.0V的穩(wěn)壓源供給。該系列芯片DC-DC轉(zhuǎn)換效率高達(dá)96%，輸入電壓范圍為1.8～5.5V，3.3V電壓下輸出電流可達(dá)1200mA，能很好的滿足本設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)需求，具體電路原理如圖5所示。

圖5 電源電路Fig.5 Power supply circuit

2 性能測(cè)試

硬件電路系統(tǒng)加載由操作系統(tǒng)、圖形庫、驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序構(gòu)成的軟件系統(tǒng)后，軟件系統(tǒng)中的操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)度控制，驅(qū)動(dòng)層負(fù)責(zé)管理硬件并實(shí)現(xiàn)和操作系統(tǒng)的對(duì)接。整機(jī)在煤礦井下210m的深度進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試。現(xiàn)場用42mm孔徑的鉆頭打預(yù)測(cè)孔3個(gè)，預(yù)測(cè)孔深10m。現(xiàn)場氣路連接如圖6所示。測(cè)量前煤樣罐先連通大氣，將煤樣放置至煤樣杯中，再將其平放到煤樣罐。關(guān)閉大氣通氣閥門并密封煤樣罐，操作儀器開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。等待5分鐘，采集結(jié)束，填寫并保存測(cè)量結(jié)果。預(yù)測(cè)結(jié)果如表1所示。鉆孔2煤層發(fā)生瓦斯突出的風(fēng)險(xiǎn)要較鉆孔1和3大，預(yù)測(cè)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

表1 預(yù)測(cè)測(cè)量報(bào)告Tab.1 Forecast measurement report

圖6 現(xiàn)場氣路連接電路Fig.6 Field gas circuit connection circuit

本文利用現(xiàn)代電子技術(shù)，設(shè)計(jì)了合理的硬件電路系統(tǒng)，并制造了較為高效可靠的工程樣機(jī)并進(jìn)行了實(shí)測(cè)，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。但本設(shè)計(jì)的應(yīng)用場合為煤礦井下較為復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境，對(duì)電氣設(shè)備的安全性具有非常高的要求。因此，本設(shè)計(jì)的電路性能及安全設(shè)計(jì)，客觀上仍有極大的提升空間。