基于STM32的激光甲烷断电仪的研发

张江涛

（晋煤集团技术研究院有限责任公司,山西 晋城 048006）

甲烷断电仪是一种在监测区域内能够实现甲烷浓度显示、报警，并对受控电气设施实施闭锁、解锁控制的装置。根据《煤矿安全规程》规定，在采煤工作面、岩巷掘进工作面、采区回风巷、地面瓦斯抽采泵房内等11处地点必须安装甲烷断电仪。而激光甲烷传感器采用激光器作为光源，利用甲烷气体对特定波长激光的吸收原理测量甲烷浓度，可实现甲烷0～100%浓度范围直接测量。工作稳定性大于180d，无零点漂移，不受温度变化、硫化氢、二氧化硫、一氧化碳等影响，检测精度高，调校周期长。特别适用于煤矿井下甲烷浓度实时检测。根据上述情况，可设计一款配套激光甲烷检测的断电仪设备。利用激光技术监测瓦斯浓度，当浓度超过预设的报警点时，仪器能发出声光报警；当浓度超过预设的断电点时，仪器能自动切断电源，以确保安全生产；当浓度回落到报警点或复电点以下时，仪器能解除报警或自动解锁。

1 激光甲烷断电仪的原理

激光甲烷断电仪由激光接收头、电源转换电路、STM32芯片、显示电路、报警电路、断电控制电路构成，如图1所示。激光接收头通过波长调制激光吸收光谱技术和识别甲烷气体，通过串口信号传送给STM32芯片，通过程序对信号进行分析，与设定的报警、断电、复电值进行比较，根据比较结果控制相应的电路进行动作。

图1 激光甲烷断电仪的原理图

2 激光甲烷传感器硬件电路设计

2.1 激光接收头电路设计

传统的催化燃烧式的黑白元件探头调校周期短，维护工作量大，易受其他气体影响，而激光探头具有抗干扰能力强、反应灵敏、检测精度高的功能，粉尘、水和硫化氢气体的影响几乎可忽略不计。

激光探头检测甲烷浓度采用的是波长调制激光吸收光谱技术（简称WMAS），该技术的基本原理为利用半导体红外激光的可调谐特性和气体的选择性吸收性质来检测待测气体浓度。WMAS利用二极管激光器的波长扫描和电流调谐特性来实现痕量气体吸收曲线的二次谐波检测。可调谐二极管激光器的线宽小于10MHz。激光线宽远小于被测气体单吸收谱线宽度，其频率调制扫描范围也仅包含被测气体单吸收谱线，避免气体交叉干扰。

激光探头的电路原理如图2所示，激光探头接收到信号后传输给隔离芯片（激光探头内），隔离芯片将数据转化为485信号，通过连接线传输给485芯片SN65HVD72，转化为串口信号传输给CPU的ADC模块。

图2 激光探头电路原理图

2.2 电源转换电路设计

断电仪的供电电源分为交流电、直流电和电池供电三种供电模式。供电原理如图3所示，交流电源是AC127V/AC36V，直流电源为DC24V。交流电通过不同的接口接入主机内部，通过ACDC电源模块进行电源变换，转化为DC24V，再通过DCDC电源模块转化为DC18V、DC5V和DC3.3V。DC18V进行外部报警器供电，DC5V进行继电器输出供电，DC3.3V进行芯片及模块供电。外部报警器为本质安全型矿用仪器，DC18V需增加本安保护电路才能向外输出。为了防止干扰，DC18V与DC5V、DC3.3V要进行本安隔离。

图3 激光甲烷断电仪的供电原理

2.3 STM32芯片电路设计

2.3.1 STM32芯片选用

STM32系列专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。按性能分成两个不同的系列：STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，是16位产品用户的最佳选择。两个系列都内置32K到128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品。本文断电仪选用STM32F103RCT6芯片作为CPU，该芯片拥有48KB SRAM、256KB FLASH、2个基本定时器、4个通用定时器、2个高级定时器、2个DMA控制器（共12个通道）、3个SPI、2个IIC、5个串口、1个USB、1个CAN、3个12位ADC、1个12位DAC、1个SDIO接口及51个通用IO口。

2.3.2 时钟电路

对于STM32芯片，三种不同的时钟源可被用来驱动系统时钟：HSI振荡器时钟、HSE振荡器时钟、PLL时钟；另外两种时钟可作为2级时钟源：40kHz低速内部RC(LSI RC)振荡器、32.768kHz低速外部晶体(LSE晶体)。

本产品对时钟精度要求不高，选用8MHz晶振作为STM32芯片的外部时钟HSE输入，芯片可内部进行自分频，为各寄存器、I/O端口、定时器等提供时钟使能。

2.3.3 程序下载电路

芯片程序下载有SWD模式和JTAG模式两种方式。相比较JTAG模式，SWD只需要2根线（SWCLK和SWDIO）就可以下载并调试代码，而且速度非常快，故选用SWD模式进行程序的下载。

2.3.4 遥控接收电路设计

断电仪参数设定使用红外遥控器进行设置。断电仪选用TL1838红外接收头进行红外接收，将接收到的信号通过引脚直接传送给CPU，根据软件程序对遥控信号进行分析处理。

2.3.5 报警电路设计

本文设计的断电仪配接本质安全型报警器。选用TPL251作为声光报警驱动模块，当甲烷浓度值超过所设报警线时，由CPU向驱动模块输出低电平，TPL251为下拉电阻输入模式，输出高电平，连接配接的报警器进行报警。

2.3.6 显示电路设计

断电仪的显示电路采用两种不同的数码管。一种为数码管，断电仪硬件电路包括两种数码管，其中0.36英寸单体数码管显示断电仪的工作模式，CL-5461B三位一体共阳数码管显示实时的甲烷浓度；另一种为发光二极管，用来指示断电仪的工作状态。每个I/O口设置为推挽输出，由CPU直接控制数码管和发光二极管进行显示。

2.4 断电控制电路设计

断电仪的断电控制电路如图4所示。其中U3为光耦元器件，主要起信号隔离作用，稳定继电器的供电环境，防止电压波动导致继电器误动作。U9为驱动模块，当CPU输出断电信号后，接通T4，为继电器T3供电，控制外围设备。T3继电器选用宏发继电器HF115F-005-2ZS4，供电电压为5.5V，输出端1路为常开常闭接点，断电接点容量为DC24V/3A，AC127V/3A。

图4 输出电路图

3 断电仪软件设计

断电仪的程序采用模块化设计，包括485通讯程序、数据采集程序、显示程序、遥控程序、数据判定程序、输出控制程序、定时器程序等。软件流程图如图5所示，可实现以下功能：

（1）当断电仪主机中的甲烷浓度达到预置的报警点时，断电仪输出报警；当甲烷浓度恢复到报警点以下时，应能解除报警。

（2）断电仪在以下情况时实现断电闭锁:

① 当甲烷浓度达到预置的断电点时；

② 当发生供电电源或通讯开路、短路等故障时；

③ 当断电仪主机失电时；

④ 当主机在送电1min以内。

（3）断电仪在以下情况时自动复电:

① 当被测甲烷浓度降到复电点时；

② 当故障排除且主机恢复正常运行并达到稳定时；

③ 当主机送电1min后正常稳定运行时。

4 结语

矿井生产情况恶劣，状况复杂多变，激光断电仪作为更新产品，不仅具备原先断电仪的功能，而且具有以下优点：（1）输入模式多样化，可与不同的机组设备安装，适用于交直流供电环境；（2）甲烷探头采用激光探头，抗干扰能力强、反应灵敏、检测精度高；（3）电路中供电部分都用光耦模块进行隔离，有效防止电信号的干扰；（4）使用数字化传输，可以为矿井数字化提供断电仪实时数据，提高安全调度工作的实时性和准确性。目前，该产品已在晋煤集团煤矿井下完成3个月的工业性试验，运行稳定，为激光断电仪的应用提供实际参考。

图5 断电仪程序流程图