井下无线瓦斯浓度传感器的设计

刘宏宇 张 冰 赵 京 王振 ?

(中国矿业大学 (北京) 机电与信息工程学院, 北京 100083)

1 引言

我国是原煤生产大国, 随着我国煤矿开采深度的不断增加, 瓦斯灾害日趋严重。矿井瓦斯灾害主要包括瓦斯窒息、瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出及瓦斯燃烧, 尤其以瓦斯突出和瓦斯爆炸造成的危害最为严重, 成为制约煤矿安全生产的瓶颈。现有的瓦斯防治方法主要包括： 对高瓦斯矿井进行预抽采; 强化矿井通风以稀释瓦斯浓度; 根据地质信息圈定高瓦斯地带, 进行瓦斯的预测预报; 从管理上严格井下作业规程并加强瓦斯监测等。瓦斯检测对瓦斯防治是十分重要的, 本文基于ZigBee 技术, 设计了一款井下无线瓦斯传感器。

2 系统功能

本文结合原有的瓦斯监控技术, 研究并设计一款井下无线瓦斯浓度传感器。该设备具有智能传感器的特点, 定时采集巷道中不同区域的瓦斯浓度信号, 通过硬件和软件对瓦斯检测信号进行处理, 由无线传输模块向井上主控机进行数据传送。此外,传感器在对瓦斯浓度的连续检测中, 利用预测算法具有预警功能, 与原有的瓦斯防治系统相结合, 实现监控瓦斯浓度和预防瓦斯爆炸的目的。以下分别从系统硬件设计和软件编程两方面进行介绍。

3 硬件设计

3．1 硬件总体设计

如图1 所示, 瓦斯催化传感元件将瓦斯浓度信号转变为电压信号输出, 经差分放大器进行信号放大处理, 经由滤波电路作信号滤波, 经由A/D 转换电路转换成数字信号, 通过SPI 接口送入单片机, 单片机根据存储在片内EEPROM 中的线性补偿数据和零位修正系数进行瓦斯浓度校正处理, 获得较高精度的瓦斯浓度数据。同时通过DS1302 时钟芯片读取时间, 将采样的时间和数据存储在单片机的片上Flash 存储器 (20KB) 中, 并通过无线收发模块将瓦斯浓度传给井下监控分站, 实时监控瓦斯的浓度情况。瓦斯浓度超标时, 向上位机汇报并报警。

图1 无线瓦斯浓度传感设备硬件框图

3．2 主要元器件选型

由于煤矿井下工作条件特殊, 在硬件设计中,部件的选型有诸多限制。尤其需要注意的是, 煤矿井下电气设备必须符合防爆要求, 应有接地、过流、漏电保护装置。本文设计的无线瓦斯传感器主要有以下几个部分：

(1) 选择8051 核的单片机作为核心控制器,该CPU 带有786 字节的片内SRAM、2K的EEPROM和16K字节的Flash 存储单元, 具有低功耗、小封装、处理速度快的特点, 能很好的满足无线传感器设备的需求。无线网络模块与CPU 的通信采用串行通讯方式, 比并口占线少, 数据传输更加可靠安全, 很好的满足了设备需求。无线通信方式避免了大量电缆的连接, 设备在井下的安装更为便捷。

(2) 瓦斯检测采用MJC4T 系列催化元件。该传感器具有优异的稳定性, 极佳的线性输出特性和响应特性, 满足了瓦斯检测必须具备的测量精度高、工作可靠、工作条件能适应恶劣环境的要求。

传感元件的部署需要从瓦斯来源、监控对象和风流方向三个角度进行考虑, 安置位置应能及时或提前监测到瓦斯源放出的瓦斯浓度, 消除网络盲点, 并对所有在监控范围内的其他的电源供电电缆及其电气设备进行断电控制。

(3) 单片机内部晶振受井下工作环境影响, 容易出现不稳的情况, 故采用12MHz 的外部晶振。复位电路采用手动复位和自动上电复位两种模式。

综上所述, 设备的硬件设计具有低功耗、低成本、高性能的特点, 具有很高的性价比, 适宜大批量的生产。

4 软件设计

软件开发采用keilC51, 软件设计主要包括监控程序 (主程序) 、数据处理程序、读写程序、无线通信程序几部分。

4．1 监控程序

监控程序是系统的主程序, 主要实现以下功能： 开机后, 首先进行系统初始化, 包括相关变量的初始化、单片机相关寄存器和I/O 口初始化等,初始化完成后, 从片内SRAM 读入数据, 同时负责管理调用各个子程序, 串口处于监听状态, 随时与上位机进行通信。监控程序流程图如图2 所示。

图2 监控程序流程图

4．2 数据处理程序

瓦斯浓度信号通过A/D 转换和数字滤波后,依然存在误差, 误差原因及处理方案如下：

(1) 由于传感元件及各种元器件, 都会存在电路结构不对称、电气特性对温度变化敏感等特点,存在零点漂移等现象, 影响系统长时间工作后读入数据的精度。本文在软件设计中采用零点补偿的方法, 用程序控制单片机先测出无输入时传感器的值, 把它存储在单片机存储器内, 工作时每一次采集的数据都减去此值, 这样就排除了零位误差的影响, 提高了测量精度。既不影响传感器的工作特性, 也不附加元器件, 简单易行, 准确可靠。

(2) 随着瓦斯浓度的升高, 元件输出增量明显减少, 使元件在检测较高浓度瓦斯时, 呈现较严重的非线性特征。本文在软件设计中采用非线性补偿的方法, 将测量相对变化量数值及相对变化量修正系数存入单片机中, 采用程序做校正处理, 校正元件的输出值, 实现传感器输出值与瓦斯浓度之间的非线性补偿。

(3) 当信号通过放大器等环节时, 由于硬件因素的影响, 会串入一些干扰信号。本文在软件设计中采用算数平均值滤波的方法, 滤除随机误差对输出值的影响。实践表明, 起到了很好的滤波效果。

4．3 读写程序

单片机内部2K字节的EEPROM 用来存放零点漂移数据、非线性补偿系数和报警点等数据, 16K字节的FLASH 存储单元用来存储瓦斯浓度发生超标的时间及浓度值等数据。无线瓦斯浓度传感器具有一定的数据存储能力, 以备上位机调用。

4．4 无线通信程序

本文通过IP- LINK 无线数据收发模块进行传感器与上位机之间的通信。通信程序主要由串口中断子程序和命令处理子程序组成。软件设计中, 先对单片机的特殊功能寄存器及其他参数进行设定,然后进入通信接口程序。在收到数据帧后, 根据数据帧的内容决定进行何种操作, 规则如下：

(1) 正常状态下瓦斯浓度不超过安全浓度时,传感设备定时向上位机发出传输命令, 这时下位机将本机编号、实时时间和浓度值传给上位机;

(2) 当瓦斯浓度超过安全浓度时, 传感设备将记录浓度值和发生的时间, 并将本编号、浓度值和发生的时间一并传给上位机;

(3) 上位机给下位机设置时间, 下位机将接收到的准确时间写到DS1302 时钟芯片中, 准确记录时间。

(4) 传感器电池电量不足时, 向上位机发出电池更换提示。

基于以上规则, 单个无线瓦斯浓度传感器可以实现与上位机之间的通信, 无线收发模块示意图如图3 所示。当设备从外接收数据时, 无线数据传输模块 (IPLink1223) 检测到电磁波信号, 系统被唤醒, 无线数据传输模块接收完一个数据包后会在单片机的I/O 口产生一个脉冲, 将数据包传送给单片机。节点设备向外发送数据时, 串口中断, 单片机接收数据并将其打包, 转发给IPLink1223 芯片, 进而通过Mesh 网络转发给上位机。

图3 无结收发模块示意图

5 结语

本文设计了一款应用于煤矿井下的无线瓦斯浓度传感器, 并对其硬件结构及软件设计做了介绍。该传感器具有智能和无线通信的双重优点。随着井下瓦斯监测系统的不断提高和瓦斯治理方案的优化进展, 随着无线通讯技术在井下的推广应用, 无线瓦斯传感器将与井下现有的监控系统相融合, 更加有利于对瓦斯浓度超标状况的及时处理, 为井下安全生产提供更有力的保障。

[1] 梅丽凤, 王艳秋, 张军． 单片机原理及接口技术[M] ．北京： 清华大学出版社．2009．

[2] 孙继平, 唐亮．巷道竖直方向瓦斯传感器部署[J] ．煤炭学报．2007, 32 (9) ： 993996．

[3] 张立科．8051 系列单片机C 程序设计完全手册[M] ．北京： 人民邮电出版社．2006．