一種多功能LED智能礦用頭燈的設計

李曉紅

(西山煤電 西銘礦，山西 太原 030052)

0 引言

礦用頭燈作為井下主要移動照明設備，對于保證井下人員正常作業及人身安全具有重要作用。礦用頭燈最關鍵的兩個性能指標分別為照明光源質量及電源續航時間，目前國內90%以上的礦用頭燈均采用以鉛酸蓄電池為電源的KS型鉛酸礦燈，照明光源則采用以單個白熾燈頭為主的基礎型礦燈。這種傳統基礎型礦用頭燈的缺點主要集中在以下幾方面：

(1) 電源方面。KS型礦燈的蓄電池電源容量較小，與同體積鋰電池相比其容量僅為其1/3～2/3，且維護成本較高，需要進行定期補水維護，如果補液過多還會造成漏酸現象，安全性較差。同時蓄電池質量及體積都較大，造成礦燈較重。

(2) 光源方面。傳統礦燈一般采用白熾燈作為光源，其壽命較短，照明效果較差[1-3]；由于白熾燈屬于熱光源，如果發生燈罩破碎極易引發瓦斯爆炸等事故，安全性較差。

(3) 功能方面。傳統礦用頭燈僅具備基礎照明功能，并不具備定位跟蹤、瓦斯檢測等功能，因此其功能性方面有待于進一步開發。

本文針對上述傳統礦用頭燈存在的問題設計了一種采用鋰電池供電的多功能LED智能礦用頭燈，其核心模塊分別為鋰電池供電模塊、LED恒流穩壓驅動模塊、瓦斯監測及定位功能模塊三部分。首先在電源方面采用錳酸鋰電池搭配大功率LED驅動電源實現供電，儲電量大且完全免維護。智能頭燈采用大功率LED冷光源，節能的同時可極大延長使用壽命，不產生電火花，安全性較高。最后通過集成多種傳感器模塊實現現場瓦斯濃度實時監測及跟蹤定位功能，為井下人員安全提供有效保障。

1 LED恒流驅動模塊設計

由于頭燈光源所采用大功率LED屬于電流驅動型器件，其發光效率隨著工作電流增大而提高[4]，同時光效與其工作電壓成反比，因此需通過恒流穩壓驅動單元提供穩定的電流輸出進行供電，并在一定調壓范圍內維持輸出電壓穩定。本文所設計的LED恒流驅動模塊由整流、濾波、穩壓及恒流4種電路組成，模塊結構如圖1所示。

圖1 LED恒流驅動模塊結構圖

由圖1可知，鋰電池電源輸出的交流電壓經LED恒流驅動模塊的整流單元整流后輸出脈動的直流電壓；為了消除直流電壓的諧波，通過濾波單元后即可輸出平滑的直流電壓，僅保留了輸入電壓直流部分；由于負載變化及電源電壓波動影響，將導致整流濾波單元輸出的直流電壓出現波動，經穩壓電路后即可輸出更為穩定的直流電壓，該電壓經恒流單元轉換后即可輸出驅動LED負載的恒定電流，從而完成整個頭燈光源的供電。相應恒流穩壓電路如圖2所示。

圖2 LED恒流穩壓驅動電路原理圖

由圖2可知，恒流驅動模塊的整流濾波單元由單相橋式電容整流濾波電路組成，交流輸入電壓經整流濾波電路后輸出至集成穩壓器進行穩壓輸出，穩壓器型號選用LM2576，其最高輸入電壓為45 V，輸出電壓為3.3 V、5 V、12 V及ADJ可選，滿足本模塊需求。經穩壓器輸出的直流電壓通過以LM2904為核心的恒流電路輸出LED負載可用的恒定電流。

2 鋰電池供電模塊設計

鋰電池相比于傳統酸堿蓄電池及鎳氫電池等電源容量更大、體積及重量更小，同時無需補液便于維護，因此本文選用鋰電池作為智能頭燈的電源模塊。為了保證所選電池的電源容量能夠滿足礦燈的供電需求，首先需對電源模塊的容量進行合理分析選取。根據國家標準對礦燈的性能要求，礦燈的持續點亮時間應大于12 h，本文所選用的LED主光源的額定電流為350 mA，忽略電路損耗等因素，所選電源模塊的最小電能容量為12 h×0.35 A=42 A·h。

為了滿足電源容量需求，本文選用3組標稱容量20 A·h、額定電壓3.2 V的鋰電池完成供電，3組鋰電池并聯后的容量為60 A·h，在滿足頭燈主光源供電需求的同時留有了一定余量。

為了保證頭燈電源的安全性，還需對鋰電池的正極材料進行合理選擇，以避免電池在高溫等環境下發生膨脹、爆炸等事故。目前應用于礦用頭燈的鋰電池其正極材料主要以鈷酸鋰、錳酸鋰及磷酸鐵鋰為主[5]。鈷酸鋰作為最常見的鋰電池正極材料，其電化學性能較好，能量密度較大，因此其容量比較高[6]。但鈷酸鋰電池在充電后會有大量鋰離子在正極殘留形成枝晶，在高溫下極易造成短路從而引起燃燒爆炸，安全性較差。錳酸鋰電池由于材料本身穩定性較差，在高溫環境下極易分解產生氣體，從而造成電池膨脹破裂，不適用于井下環境。磷酸鐵鋰在高溫下極其穩定，同時其工作電壓適中，放電功率較高，可快速充電且循環壽命長，滿足礦用頭燈電源的使用條件。綜上所述，本文選用3組額定容量20 A·h的并聯磷酸鐵鋰電池作為礦用頭燈的供電模塊。

3 瓦斯監測及定位功能模塊設計

3.1 瓦斯監測模塊設計

智能頭燈瓦斯監測模塊主要由瓦斯傳感器、模擬信號放大電路及單片機主控器組成，其硬件結構如圖3所示。

圖3 瓦斯監測模塊硬件結構圖

由圖3可知，瓦斯傳感器將智能頭燈的環境瓦斯濃度信號采集后經放大電路傳輸至MCU主控器中進行上傳及分析處理，當瓦斯濃度超限時，MCU主控器通過控制電路及報警單元發出聲光報警，便于井下工作人員及時排查故障和撤離。瓦斯監測模塊的主控器選用STM32F407VET6型高性能MCU，其工作頻率為168 MHz，芯片內部提供了ADC、DAC、RTC接口及16位及32位計時器，同時還具備存儲器保護裝置(MPU)，有效提高了礦燈的使用安全性，可滿足智能礦燈的控制需求。為了滿足礦用頭燈的使用需求，保證頭燈質量和體積盡可能減小，本文選用SJH微型紅外甲烷傳感器對井下瓦斯濃度進行實時監測，其內部主要由紅外發射器及對偶紅外檢測器構成，紅外發射器所發出的光波在遇到甲烷等氣體后其波長將發生改變，此時對偶紅外檢測器即可對該波長變化作出響應，實現對瓦斯濃度的實時監測。SJH的監測量程為0～5%vol、0～100%vol甲烷，監測精度≤±0.06%vol，通訊接口采用UART/電壓輸出，兼容數字及模擬量信號輸出，可滿足智能頭燈的瓦斯監測及數據傳輸需求。

3.2 跟蹤定位模塊設計

礦用頭燈跟蹤定位系統的設計重點在于通訊網絡架構及定位算法的選取。為了實現頭燈的便攜及可移動屬性，本文采用無線通訊技術結合無線傳感器對頭燈定位系統的通訊網絡進行架構。目前井下無線通訊技術主要以藍牙、Zigbee、433 MHz通訊及WiFi為主，由于頭燈的數據傳輸量較少，且電源容量有限，本文采用433 MHz無線通訊方式進行組網，其信號穿透性強、傳輸距離較遠、功耗低的特點十分符合礦用頭燈的使用需求。無線通訊芯片型號選用CC1101，其工作頻率為433 MHz，正常工作時通訊距離可達200 m，功耗低至10 mA左右。同時模塊加裝了433 MHz標準彈簧天線，天線阻抗匹配設置為50 Ω，可進一步提高數據傳輸距離及通訊質量。

在無線定位算法選擇方面，由于智能頭燈需要通過精確定位來實時獲取井下工作人員的位置，因此本文采用基于兩點精確測距的定位算法，主要包括AOA及RSSI算法。AOA定位算法通過電磁波信號測量角度量從而對目標具體位置進行測算，在井下復雜的地理環境下其抗干擾性能較差，定位誤差較大。而RSSI算法通過測量信號衰減量得到目標點位置信息，無需對時間及角度進行測算，精確度更高，適用于井下工作環境。

4 結束語

本文在對傳統礦用頭燈缺陷分析的基礎上，提出了智能礦用頭燈的改造及設計方案，從電源、光源及功能性三方面入手，通過對鋰電池供電模塊、大功率LED光源、瓦斯監測及跟蹤定位功能模塊的設計有效提高了礦用頭燈的電源續航、照明質量及功能豐富性，對于提高井下工作效率、保證井下人員安全作業具有實際意義。