基于光纤传输的矿用温度传感器设计

王祖迅

（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400039）

煤矿井下温湿度对煤矿安全生产有着非常重要的影响[1]，在煤矿井下作业中，温度是影响煤矿安全的重要因素之一，在有煤尘的危险环境中，若温度过高很容易造成爆炸，对于温度的检测及报警提醒，一直是煤矿安全作用防护中的重点。随着煤矿自动化、智能化水平的不断提高，除了对环境温度进行监测外，还要对抽采泵、排水泵、皮带、风机等大型设备的温度和电机温度进行监测，防止设备因温度过高而损坏，影响煤矿安全和生产[2-5]。目前大部分矿用温度传感器采用电缆线进行数据传输，在传输过程中容易受到电磁场的干扰，存在抗干扰能力差、传输速率低和传输距离短等问题。因此，笔者设计了一种基于光纤传输的矿用温度传感器，具备就地显示及自动调校、超限报警等功能，通过光纤总线与监控分站通讯，实现对煤矿环境或大型机电设备的温度在线监测。

1 传感器总体设计及工作原理

1.1 传感器总体设计

矿用温度传感器电路设计框图如图1 所示，主要由抗干扰电路、供电电路、Pt100 采样电路、光纤通讯电路、显示电路、遥控处理电路、声光报警电路等组成。其中微处理器采用ARM CortexM3 内核的STM32 L1 超低功率微控制器STM32L051C8T6，可提供动态电压调节、 一个超低功率时钟振荡器、比较器、 数模转换器和硬件加密等功能。内置12 位AD 转换模块，片内集成了2 kB 的EEPROM，可用于存储传感器参数信息、报警值、通讯地址编码等信息。

图1 矿用温度传感器原理图Fig.1 Schematic diagram of mine temperature sensor

1.2 传感器工作原理

矿用温度传感器采用高精度的铂电阻Pt100 作为温度敏感检测元件，测量时铂电阻与标准电阻构成测量电桥电路，将环境或物体的温度变化量转换成相应的电压信号，此信号经A/D 转换器转换后进入微处理器。通过微处理器反算出Pt100 铂电阻的电阻值，查询铂电阻的分度表，将铂电阻值转换为相应的温度值。通过显示电路就地显示环境或物体的温度值，同时通过光纤远距离传输至监控分站。

2 硬件电路设计

2.1 抗干扰电路设计

由于矿用温度传感器工作环境恶劣，对传感器输入电源进行二级浪涌、二级群脉冲抗干扰设计[6]，抗干扰电路如图2 所示。在电源输入接口处设计了双向瞬态二级管5KP33CA 保护器件，保护电压为33 V，可承受的瞬变电压为7 kV。同时设计了防反接二极管SS14，可以消除电源正负极错接对器件的损坏。通过对抗干扰电路的设计使传感器具有静电防护、抗浪涌电流、抗群脉冲干扰的能力。

图2 抗干扰电路Fig.2 Anti interference circuit

2.2 供电电路设计

矿用温度传感器的供电来自于矿用本安电源箱，考虑到远距离供电，电源箱输出的电压等级为15 V、18 V、24 V 等直流本安电源，而微处理器及外围电路的工作电压为3.3 V 和5 V，需要将不同电压等级转换为3.3 V 或5 V 的工作电压等级，因此设计了将9～24 V 直流电压转换3.3 V 和5 V 电压的电源电路，如图3 所示。分站提供的9～24 V 本安直流电源首先经过KYB2405 电源转换芯片，将9～24 V电压转换为5 V 电压，供外设电路使用。然后再将5 V 电压经过SPX1117M3 电源转换芯片，将5 V 电压转换成3.3 V 电压供微处理器使用。其中对5 V 电源电路进行了三级过压保护设计，保护电路由电阻、电容、齐纳二极管MM3Z5V6T1G 和晶闸管RX0405K组成。正常工作时，齐纳二极管和晶闸管均处于截止状态，当转换芯片输出的电压高于6 V 时，齐纳二极管反向击穿，将电压钳位在5.6 V，由于齐纳二极管被击穿，此时晶闸管的控制脚得到控制电压，晶闸管处于导通状态，将电压拉低实现输出保护，防止后续电路出现电压过高而损坏。

图3 供电电路Fig.3 Power supply circuit

2.3 Pt100 铂电阻采样电路

矿用温度传感器采用高精度铂电阻Pt100 作为温度敏感检测元件[7-8]，在温度为0 ℃时铂电阻的阻值为100 Ω，当温度变化时铂电阻的阻值随温度有规律地变化，根据此原理设计了Pt100 铂电阻采样电路，如图4 所示。Pt100 铂电阻通过与R32、R34、R60组成测量电桥，经R56、R58进行线性运算放大器AD8237进行放大，再由运算放大器的Vo输出引脚经过肖特基二极管BAT54S 进入微处理器的A/D 转换器进行运算处理，将电压信号转换为对应的铂电阻值，查询铂电阻的分度表，将铂电阻值转换为-30 ℃～200 ℃的温度值。在Pt100 铂电阻的输入两端设计有SMBJ5.0A 和SMBJ24A 单向瞬态抑制二极管，防止高电压从Pt100 铂电阻接线端子串入电路，损坏采样电路的AD 放大器芯片和其它电路芯片。

图4 Pt100 铂电阻采样电路Fig.4 Pt100 platinum resistance sampling circuit

2.4 光纤通讯电路设计

为了解决传统的矿用温度传感器抗干扰能力差、传输速率低和传输距离短的问题，采用了收发一体化光纤收发模块设计[9-10]，接口电路如图5 所示。模块的接口电平兼容标准的TTL 电平和CMOS电平，也可直接将RS232、RS485 等信号转换成光信号进行传输。模块由接收和发射两个部分组成，接收部分采用平面工艺单PIN 光探测器，适用于对1100 nm～1700 nm 的光信号进行检测，主放大器（限幅放大器）把接收到的信号放大到稳定的幅度，并转换为标准TTL 输出，还可以根据接收到的信号幅度提供信号检测指示，当接收到的信号幅度由大减小到设定值时，信号检测指示由高电平转为低电平；发送部分主要选用高性能的1310 nm 多量子阱FP 激光发射器，阈值电流低、发光效率高、消耗功率低、传输距离最远可达20 km。光纤收发模块的RD 与微处理器UART 异步通讯接收引脚RXD 相连，TD 与微处理器UART异步通讯发送引脚TXD相连，通过SD 引脚控制数据在光纤模块上的接收和发送，传输速率最高可达到10 Mbps。

图5 光纤通讯接口电路Fig.5 Optical fiber communication interface circuit

2.5 显示电路设计

矿用温度传感器显示电路采用低功耗的4 位LED 数码管进行设计，每个数码管8 位全点亮时消耗电流为2.5 mA 左右，第一位显示位状态信息，后三位显示监测数值和设置值，由微处理器动态控制数码管段码的位码，如图6 所示。显示电路的段码控制线通过1 k 的限流电阻与微处理器的I/O 口进行连接，位码控制线通过三极管9013 与微处理器的I/O 口进行连接，在工作时任意时刻只有一个数码管上电点亮显示，需要显示的数据在DB0～DB7上对应输出字符的逻辑电平，对每位数码管以45 Hz的频率动态刷新。因此采用动态显示电路设计既能有效减小工作电流消耗又能高亮度显示温度监测数值。

图6 显示电路Fig.6 Display circuit

2.6 红外遥控电路设计

为避免对传感器的零点、精度、报警点、通讯地址等参数进行开盖设置，减轻工人劳动强度，采用红外遥控作为传感器的人机操作接口，在传感器侧设计红外接收电路，电路如图7 所示。电路由遥控接收头IR 和三极管Q17及R12、R13、C28等阻容器件组成。输入信息经遥控器编码调制成一定频率的红外光发送给传感器，传感器的接收头IR 接收到后会在OUT 引脚输出高低电平信号。当接收头IR 输出高电平时，三极管Q17导通，YK 电位经三极管与地相通，输出为低电平； 当接收头IR 输出低电平时，三极管Q17为高阻抗状态，YK 此时的输出电压为VCC，输出为高电平。微处理器采集YK 的高低电平及脉宽信息后，对调制信号进行解调处理，从而实现传感器设置信息的输入操作。

图7 红外遥控电路Fig.7 Infrared remote control circuit

2.7 声光报警电路设计

矿用温度传感器设计有声光报警功能，通过采用有源蜂鸣器KG1203 和高亮红光二极管并联作为声光报警信号源，报警时以1 Hz 的频率发出声光报警，产生的报警声音在1 m 内可以达80 dB 以上，产生的光亮强度在黑暗环境下20 m 外可见。当温度监测数值低于报警限制值时报警电路不工作，漏电流约为2 μA，当温度数值高于报警限制值时报警电路工作，工作电流25 mA。

3 软件设计

矿用温度传感器的嵌入式软件采用C 语言模块化编程，为了提高微处理器的工作效率和不同子程序模块的响应优先权，采用主程序循环执行与通讯子程序中断执行混合方式设计，软件流程如图8所示。首先主程序进入参数初始化子程序模块读取传感器的报警值、通讯地址等参数；然后进入Pt100采样子程序，对采样值进行计算和查询铂电阻分度表，得到相应的温度值；在报警子程序模块中通过与报警设定值进行比较，当有报警时控制声光电路报警； 遥控子程序模块检测是否有遥控输入信号，当有遥控输入时进行遥控处理，解码遥控器信息；最后在显示子程序模块中更新显示的数据，动态刷新数码管进行就地实时显示。通讯子程序模块采用中断执行方式进行编写，当有通讯中断响应时，微处理器将准备好的数据帧发到总线上，通过光纤与上级监控分站进行远距离传输。

图8 软件流程Fig.8 Software flow chart

4 测试结果

在实验室通过温度测试平台对0 ℃～200 ℃的温度范围进行了测试，测试结果如表1 所示，传感器的测量误差≤±2.0%（F.S），满足传感器设计要求。在温度值＜100 ℃时，显示的分辨率为0.1 ℃，显示值≥100 ℃时，显示的分辨率为1 ℃。

表1 温度测试表Tab.1 Temperature test

5 结语

通过对基于光纤传输的矿用温度传感器进行设计，能有效监测矿井的环境温度和大型机电设备的工作温度，为煤矿安全生产提供了保障。通过光纤进行与监控分站或交换机进行通讯，不仅能提高通讯速率，而且不受电磁环境的干扰，提高了数据传输的可靠性。通过实验室测试表明，传感器在-30 ℃～200 ℃的温度范围测量准确，报警、数据显示、通讯等各项功能正常；通过光纤进行远距离传输，传输速率最高可达10 Mbps，为多参数传感器大数据量的高速传输提供了思路。传感器通过与监控系统平台联网，在线显示监测的温度，对提高煤矿自动化、智能化水平具有重要作用。