礦用瓦斯檢測報警儀的研究

張瑞哲，鐘育伶，李時東，呂煒熠，胡博源

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083）

0 引 言

煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中具有重要地位，2021年我國煤炭消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的56%。煤礦開采過程中容易引發(fā)種類繁多的事故，其中由瓦斯氣體引起的瓦斯爆炸在各類煤礦事故中最為嚴(yán)重。瓦斯事故具有極強(qiáng)的突發(fā)性、破壞性，極易造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失，是現(xiàn)代采煤作業(yè)中不可忽視的一大安全隱患。

煤炭事故深受公眾關(guān)注，一旦發(fā)生，不僅會給煤炭生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響，還會引起強(qiáng)烈的輿論反響，嚴(yán)重阻礙我國煤炭行業(yè)發(fā)展，不利于保障我國能源安全。得益于近幾年煤炭災(zāi)害防控方面的研究與發(fā)展，煤礦事故的發(fā)生率、死亡率得以大幅下降，瓦斯氣體濃度的實(shí)時監(jiān)測報警工作是保障煤炭生產(chǎn)安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是從源頭上防范化解重大安全風(fēng)險，真正將問題解決在萌芽之時、成災(zāi)之前的重要保障，研究瓦斯氣體的檢測具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。現(xiàn)在常用的礦用瓦斯檢測報警儀結(jié)構(gòu)簡單成本低廉，但在功能性與精度上仍有較大的發(fā)展空間。

通常認(rèn)為瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1%以上就有引發(fā)瓦斯事故的危險，在不同工作地點(diǎn)，安全濃度閾值要求略有不同。礦用瓦斯檢測報警儀選用高低溫循環(huán)檢測傳感器，其輸出電平轉(zhuǎn)換為氣體濃度在液晶屏上顯示，借助有線通信將氣體濃度信息實(shí)時反饋給上位機(jī)，并在瓦斯?jié)舛雀哂陬~定值時進(jìn)行聲光報警。

1 硬件設(shè)計

1.1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計

礦用瓦斯檢測報警儀的硬件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集電路、顯示電路、電源電路以及聲光報警電路。核心控制單元采用基于ARM32 位Cortex-M3 CPU 為內(nèi)核的STM32F103 的開發(fā)板，核心處理器最高支持36 MHz 工作頻率，可進(jìn)行單周期乘法和硬件除法。擁有兼容8 060/6 800 模式的并行LCD 接口以及112 個多功能雙向I/O 端口，每個端口最高電壓可達(dá)5 V。供電區(qū)間在2.0～3.6 V，具有2 通道12 位D/A 轉(zhuǎn)換器。功耗低，具有睡眠、停機(jī)以及待機(jī)三種模式，接口豐富，可拓展性好，可以根據(jù)預(yù)定功能使用對應(yīng)接口連接驅(qū)動多個應(yīng)用模塊。

礦用瓦斯檢測報警儀的顯示、濃度檢測、聲光報警等外設(shè)裝置通過通用I/O 口與開發(fā)板相連；微控制器通過UART接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。如圖1所示。

圖1 硬件框圖

1.2 模塊介紹

LCD12864 是一種擁有豐富接口的點(diǎn)陣式液晶顯示模塊，包括128×64 點(diǎn)的液晶面板以及CMOS 驅(qū)動。由于該模塊有整體的圖形點(diǎn)陣顯示，因而用它來顯示圖形和字符。具有功耗低，體積小、質(zhì)量輕、驅(qū)動可編程性強(qiáng)等眾多優(yōu)點(diǎn)。該模塊操作靈活、簡便，可借助簡單指令構(gòu)建人機(jī)交互界面。不僅可以顯示字符與圖案，而且能實(shí)現(xiàn)屏幕左右分屏、全自由滾動以及動畫等功能。LCD12864 共有20 個引腳，其中引腳7～14 位D0～D7 為數(shù)據(jù)總線端口。CS1、CS2 引腳分別控制液晶屏的左右半屏顯示。為解決IO 口緊張的情況，選擇將其中一個接地，使用串行方式控制液晶屏幕。與單片機(jī)之間采用串行通信模式，通過RS、RW、END0～D7 等多個引腳控制液晶屏幕，向其發(fā)送指令、讀取工作狀態(tài)以及驅(qū)動顯示數(shù)據(jù)。

RS232 是最常用的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)之一，廣泛應(yīng)用于儀器儀表設(shè)備以及嵌入式領(lǐng)域的調(diào)試接口。具有傳輸穩(wěn)定性好、成本低廉等特點(diǎn)。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，所有煤礦必須裝備有線調(diào)度系統(tǒng)，有線調(diào)度系統(tǒng)通信電纜必須專用。RS232 無須單獨(dú)設(shè)置電源模塊，保證了供電的穩(wěn)定性，進(jìn)而提升了通信模塊的可靠性。RS232 在傳輸過程中易出現(xiàn)共模干擾的問題，抗噪聲性能較弱。為解決信號傳輸中易受噪聲干擾的問題，需加裝一個利用磁光晶體效應(yīng)僅允許光單向通過的光隔離器。光隔離器穿過一個隔離的屏障來傳輸信號。一個光隔離器由一個光敏電阻耦合的發(fā)光二極管構(gòu)成。流過發(fā)光二極管的電流使得它以可見光或者紅外線的方式釋放能量。這些能量將這個光敏電阻打開，導(dǎo)致在這個電阻的發(fā)射極和集電極之間的低阻抗。

聲光報警模塊選用103 型聲光報警器。其工作效果符合我國安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 13486—2014）對報警音量大小和報警光線強(qiáng)度的要求。該型號聲光報警器采用5 V 電壓供電，對工作環(huán)境的要求低，電路構(gòu)造十分簡單但可以保證在大多數(shù)場景下穩(wěn)定工作，成本低廉，經(jīng)濟(jì)性較高。103 型聲光報警器性能與國家標(biāo)準(zhǔn)對照表如表1所示。

表1 “國標(biāo)”與報警器性能對照表

MQ-7 型CO 氣體監(jiān)測器具有成本低廉、檢測靈敏、誤差小的特性。其通過檢測內(nèi)置的二氧化錫氣體敏感材料在高低溫循環(huán)情況下因氣體成分變化導(dǎo)致的電導(dǎo)率的改變引起端口電壓值的變化來測定一氧化碳濃度，電導(dǎo)率正比于待測氣體中一氧化碳的氣體濃度。低溫（1.5 V）下檢測待測氣體中的一氧化碳濃度，高溫（5.0 V）下清洗氣敏材料在低溫工作狀態(tài)下吸附的雜散氣體。傳感器模組通過A/D 轉(zhuǎn)換將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與所測得的氣體濃度相對應(yīng)的電平輸出信號，其他組件接收后進(jìn)行預(yù)設(shè)反應(yīng)，也可經(jīng)處理轉(zhuǎn)換為PPM 濃度值供工作人員直接讀取。該型號傳感器內(nèi)部電路如圖2所示。

圖2 傳感器模塊電路圖

2 軟件設(shè)計

2.1 軟件開發(fā)環(huán)境

STM32F103 開 發(fā) 板 基 于ARM32 位Cortex-M3 CPU 系列內(nèi)核設(shè)計。適于STM32 開發(fā)平臺的ARM 嵌入式開發(fā)環(huán)境眾多，考慮到編譯效率與操作難度，選用較為常用的開發(fā)工具Keil MDK。Keil 是嵌入式系統(tǒng)最常用的開發(fā)環(huán)境之一，版本種類眾多。Keil 生成的目標(biāo)代碼效率高且相對容易理解，借助Keil 開發(fā)可以更好地展現(xiàn)采用高級語言編寫程序的優(yōu)勢。

采用Visual studio2019 編譯C 程序，開發(fā)工具集較為齊全，包括整個軟件生命周期所需的大部分開發(fā)工具。經(jīng)Visual studio 2019完成編寫與編譯的代碼具有良好的移植性，適用于微軟支持的所有平臺。

2.2 軟件總體設(shè)計

軟件系統(tǒng)包括主程序、數(shù)據(jù)采集子程序、瓦斯?jié)舛蕊@示子程序、報警子程序及通信子程序，是依托STM32 固件函數(shù)庫進(jìn)行模塊化設(shè)計的程序。軟件的主程序和各個子程序遵循自頂向下的原則完成編寫與設(shè)計。軟件程序體系框圖如圖3 所示。

圖3 軟件框圖

程序在通電后進(jìn)入初始化階段，各傳感器置零、復(fù)位，LCD 顯示模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，UART 有線通信模塊進(jìn)行準(zhǔn)備工作，待初始化完成后開始采集數(shù)據(jù)，通過A/D 轉(zhuǎn)換輸出數(shù)字量。核心板接收數(shù)字信號并依據(jù)預(yù)設(shè)程序判斷氣體濃度是否超限，超過限定值聲光報警模塊發(fā)出具有警示作用的聲光信號。將相應(yīng)數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)的同時在顯示模塊顯示，軟件的工作流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

2.3 A/D 采集模塊軟件部分

A/D 采集模塊軟件部分內(nèi)部電阻阻值比—PPM 擬合曲線過程如圖5所示。

圖5 內(nèi)部電阻阻值比—PPM 擬合曲線過程

MQ-7 電化學(xué)甲醛傳感器的技術(shù)指標(biāo)如表2所示。輸出電平值，根據(jù)MQ-7 傳感器產(chǎn)品說明書中給定的內(nèi)部工作電阻阻值比—PPM 曲線，經(jīng)過五次多項(xiàng)式標(biāo)點(diǎn)擬合，如圖5。得到PPM 計算公式：PPM=98.322×（Rs/R0）^（-1.458）。

表2 MQ-7 一氧化碳傳感器的技術(shù)指標(biāo)

2.4 RS232 有線通信模塊

基于RS232 的UART 有線串行通信模塊收發(fā)數(shù)據(jù)，根據(jù)約定的報文幀頭和功能字組織報文幀結(jié)構(gòu)，持續(xù)發(fā)送含有瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)的報文幀。組織含瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)的報文幀并向上位機(jī)發(fā)送的子函數(shù)示例程序?yàn)椋?/p>

向上位機(jī)發(fā)送預(yù)先定義的一個包括幀頭、校驗(yàn)位、功能字以及多個數(shù)據(jù)位，代表數(shù)據(jù)幀的數(shù)組。根據(jù)需求將各位置位或置零，用一個循環(huán)調(diào)用發(fā)送函數(shù)，將整個數(shù)組發(fā)送到上位機(jī)。幀頭設(shè)定為0x88，功能字有待根據(jù)使用實(shí)際情況進(jìn)行定義。而校驗(yàn)和為所有數(shù)據(jù)位加和得到的結(jié)果，上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后可再次進(jìn)行校驗(yàn)計算并核對，以確保數(shù)據(jù)的正確傳輸。

2.5 顯示模塊軟件部分

在使用LCD12864 前，需將LCD 初始化，待初始化完成后，方可進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)等操作。

CS 引腳接高電平時，LCD12864 可以接收數(shù)據(jù)，在低電平狀態(tài)下轉(zhuǎn)換為鎖存狀態(tài)。

傳遞信息的過程中，數(shù)據(jù)被拆分成2 個字節(jié)傳輸或接收，低四位均置0。例如大寫字母A 的二進(jìn)制碼0100 0010 在該過程被拆分成0100 0000 與0010 0000 進(jìn)行傳輸。

ST7920 作為LCD12864 的控制芯片，擁有豐富的字庫資源。在串行通信模式下發(fā)送數(shù)據(jù)，字符編碼被寫入控制器內(nèi)部的顯示數(shù)據(jù)隨機(jī)緩存器后芯片從字庫中找到對應(yīng)編碼，在屏幕上顯示對應(yīng)字符。

2.6 聲光報警子程序

在程序中預(yù)先設(shè)置瓦斯?jié)舛葓缶撝担瑐鞲衅鞑杉瘮?shù)據(jù)經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換將氣體濃度模擬量轉(zhuǎn)換為電平值傳送至CPU 核心區(qū)域經(jīng)過PPM 轉(zhuǎn)換公式后與報警濃度閾值比較，當(dāng)采集到的濃度數(shù)據(jù)高于報警閾值時，IO 引腳輸出高電壓信號，引導(dǎo)報警模塊工作。

3 檢測與分析

在濃度數(shù)據(jù)采集子程序中，MQ-7 一氧化碳傳感器采用I/O 口實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)交換與傳遞。檢測儀在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，周期性地向具有數(shù)據(jù)采集功能的傳感器模塊發(fā)出讀取氣體濃度命令。“（adc_get=Get_Adc_Average（ADC_Channel_5，20）；temp（float）adcx*（3.3/4 096）” 并 對模塊返回的電壓數(shù)據(jù)，利用擬合的公式：PPM ＝98.322×（/0）^（-1.458）進(jìn)行處理，得到空氣中的一氧化碳PPM 濃度。程序返回的一氧化碳PPM 濃度數(shù)值高于預(yù)先設(shè)定值會改變報警模塊的輸入電平，誘發(fā)聲光報警模塊進(jìn)入警報工作模式，器件安裝如圖6所示。

圖6 實(shí)際測試安裝效果

4 結(jié) 論

煤炭在能源行業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域仍占有重要地位，瓦斯氣體濃度的實(shí)時監(jiān)測報警工作是保障煤炭生產(chǎn)安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。研究瓦斯氣體災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警對開發(fā)煤炭資源、保障我國能源安全、穩(wěn)定具有現(xiàn)實(shí)意義。研究瓦斯氣體災(zāi)害，是貫徹安全生產(chǎn)、生命至上的體現(xiàn)。本文設(shè)計的礦用瓦斯檢測儀具有成本低、可靠性高、低功耗以及響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，能夠快速可靠地檢測瓦斯氣體的濃度并及時報警。