基于STM32的煤矿用噪声声级传感器的设计

张 强

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

0 引言

目前，我国用于煤矿井下噪声监测的仪器较少，对煤矿噪声危害的调查多集中在煤炭生产的地面企业[1]。本文设计了基于STM32芯片的煤矿用噪声声级传感器，移植了μCOS-Ⅲ嵌入式实时操作系统，提高了系统数据处理速度，并设计了噪声信号处理电路，实现了噪声的精确测量，同时增加了通讯功能，可与煤矿安全监控系统联网，使其能实时在线监测煤矿井下噪声。

1 噪声测量原理

噪声传感器的工作原理图如图1所示，采用电容传声器接收外部声信号，将声压信号转换成电信号，再进行信号处理后送入到STM32中进行分析运算，然后得到噪声值，并把噪声值上传至监控系统。

图1 噪声传感器工作原理图

2 传感器的硬件设计

传感器的硬件原理图如图2所示，传声器的声压信号经过前置放大器放大后，送入噪声频率计权选择电路，选择其中有效信号，再送入信号处理电路，进行信号放大降噪处理，然后送入A/D转换器转换为处理器可识别的信号，最后送入STM32处理器进行分析运算，最终得出噪声值。传感器的硬件电路还包括显示电路、红外遥控电路、数据通讯电路等。

图2 传感器硬件原理框图

2.1 前置放大器电路

由于传声器的声压信号非常微弱，需经过前置放大电路[2]，再送入后级处理电路。前置放大电路先经过EMI滤波后，滤除所需频率以外的信号，再经过三级积分器进行采样，然后采用斩波稳定技术将信号和失调电压调制到所需频段。

2.2 频率计权选择电路

声级计中的频率计权网络有A、B、C 3种标准计权网络。本文选用A计权网络，它是模拟人耳听觉的一种噪声信号处理方式，对信号进行频率计权，并经过一定的衰减，使信号能够满足A/D转换要求。

2.3 A/D转换电路

A/D转换电路主要用于将处理过的信号变为STM32可识别的信号。传感器的A/D转换电路主芯片采用MAX197A，它是12位8通道A/D转换芯片，具有12位的分辨率，精度高，可同时采样8路信号输入，转换时间快，采样速率高。

2.4 数据通讯

数据通讯是传感器的主要功能之一，用于上传传感器的数据。数据通讯采用光耦芯片实现光电隔离，采用隔离电源模块隔离，使核心处理单元与外部信号实现物理上的隔离，以增强数据通讯的抗干扰能力[3]。

在RS485通讯中，通过收发驱动器与串行总线挂接，实现与多设备的连接，如果出现核心单元意外“死机”，可能会出现“抢占”串行总线情况，致使整个串行网络“死锁”。在设计通讯电路时，通过“看门狗”电路来实现对“死机”的总线解锁，其结构如图3所示。核心单元“死机”时，不再提供“喂狗”信号，“看门狗”电路输出低电平信号，使RS485收发驱动器处于接收状态，释放出总线，避免“死锁”情况的出现。

图3 RS485总线防“死锁”电路原理图

2.5 显示电路

采用SD7218A作为显示电路核心控制芯片，SD7218A是智能显示驱动芯片，内部含有译码器，可直接接收16进制码，主控芯片通过两线串行接口向SD7218A发送控制指令自动完成读键、译码以及显示等操作。它还具有多种控制指令，通过与主控芯片的通信实现相应的功能。同时可通过两线串行接口级联，最多可级联8片，驱动64位数码管。

2.6 红外遥控电路

红外遥控接收电路采用HS0038作为IC接收芯片，BL9149为红外遥控接收译码电路芯片，作为红外接收部分的核心，与选择的BL9148遥控发射IC相对应，接收遥控编码脉冲，实现对装置参数的设定以及运行状态的查看等功能。

BL9149是用于红外遥控接收器的CMOS大规模集成电路，其中RxIN端为接收信号输入端，红外接收芯片HS0038接收到的遥控信号经过滤波放大后由此端输入；HP1 ～HP5为连续信号输出端，当有遥控按键接收时，对应引脚由低电平变为高电平，直到接收信号结束为止；振荡引脚端到地之间通过并联电阻和电容来产生振荡，激励芯片开始工作。

3 传感器的软件设计

STM32可移植μCOS-Ⅲ嵌入式系统，系统的软件采用C语言编写，C语言简洁紧凑、灵活方便、语法限制低，而且适用范围大、适用于多种操作系统，C语言是以函数形式提供给用户的，这些函数可方便地调用，并具有多种循环、条件语句控制程序流向，从而使程序完全结构化，并且采用C语言编写的程序能够很容易地在不同类型的处理器之间进行移植。

3.1 总体软件流程图

传感器的总体软件流程图如图4所示，系统开始运行时，首先读取传感器工作所需的系统参数，然后开始采样并进行A/D转换，在采样过程中，始终检测是否有地面监控中心下发的命令，若有则先执行中断服务程序；若没有则检测是否有按键遥控修改设备参数命令。检测完成后，对A/D转换的数据进行数字滤波，然后计算噪声值并显示。

图4 传感器软件流程图

3.2 中断服务程序

分站的中断服务程序主要用于传感器与地面监控中心的数据传输，其流程图如图5所示，进入中断后，先接收地面监控中心下发的通信命令并解析，然后将传感器检测到的噪声值发送给地面监控中心。

图5 中断服务程序流程图

3.3 按键服务程序

按键服务程序主要用于分站系统参数修改，其流程图如图6所示，参数修改经红外遥控键盘通过编码电路发出信号，再由系统中相应的解码电路对电路进行解码后送到ARM芯片中进行处理，修改完成后将参数存储起来并应用于程序中。

图6 按键服务程序流程图

4 实验室验证

为验证传感器的测量精度，在实验室搭建测试系统，采用1级声级计与传感器做对比，将传感器和1级声级计放于距发声源相同距离的位置，调节发声源，改变其发出的噪声值，同时记录传感器和1级声级计的测量值，然后分析传感器与1级声级计的相对误差。部分实验数据见表1。从表1可以看出，与1级声级计相比，传感器的最大测量误差为2.03%，精度较高。

5 结论

设计了基于STM32的煤矿用噪声声级传感器，介绍了传感器的测量原理，传声器接收的噪声信号经前置放大、频率计权、信号处理后，再通过A/D转换电路送入STM32中进行检测，同时采用RS485方式实现传感器与监控分站的数据通信。通过与1级声级计的对比，传感器的最大测量误差为2.03%，测量精度较高，实现了煤矿井下噪声的精确测量。同时可以将噪声值上传至地面监控中心，实现对煤矿井下噪声的在线监控。

表1 传感器精度实验表