摘要：為了適應(yīng)煤炭工業(yè)向機(jī)械化和自動化方向發(fā)展，確保礦井的生產(chǎn)安全，防止瓦斯爆炸事故的發(fā)生，礦用甲烷傳感器的研究和設(shè)計從未停止過。現(xiàn)有的甲烷傳感器普遍存在著功耗較大、功能單一、度不高的缺點(diǎn)，而且采用模擬電路技術(shù)，造成系統(tǒng)的抗*力和智能化程度都很低。因此，研制便于攜帶、多功能、高精度和抗*力強(qiáng)的高可靠性甲烷檢測儀具有很大的應(yīng)用價值。
　　
　　1、儀表新特點(diǎn)
　　
　　甲烷傳感器是一種礦用儀表，必須首先滿足井下安全生產(chǎn)的規(guī)程，但較其他普通傳感器又有如下主要特點(diǎn)：
　　
　　(1)高可靠性處理
　　
　　低功耗采用AT89LV51單片機(jī)進(jìn)行集中處理，從而大大減少了繁瑣的模擬電路和元器件，節(jié)省了電路功耗。
　　
　　(2)高精度要求
　　
　　片內(nèi)對黑白元件電路的設(shè)置。
　　
　　煤礦安全規(guī)程規(guī)定，甲烷濃度超過1%時，傳感器應(yīng)進(jìn)行報警;超過1.5%時，井下設(shè)備應(yīng)斷電;超過2%時應(yīng)立即撤離所有人員。文中研究的甲烷傳感器檢測范圍為0%～4%，*煤礦安全規(guī)程的要求。
　　
　　在0%～4%甲烷濃度有效檢測范圍之內(nèi)的測量誤差為：
　　
　　當(dāng)甲烷濃度為0%～1%時，誤差范圍≤±0.1%;
　　
　　當(dāng)甲烷濃度為1%～2%時，誤差范圍≤±0.2%;
　　
　　當(dāng)甲烷濃度為2%～4%時，誤差范圍≤±0.3%。
　　
　　(3)高智能化
　　
　　采用紅外遙控和機(jī)載按鍵兩種方式。正常工作時，儀表配有時間顯示。
　　
　　(4)功能強(qiáng)大的數(shù)字處理方式打破以往甲烷傳感器功能單一的缺點(diǎn)，加入了方便井下工人使用的輔助功能，如礦井環(huán)境溫度顯示、年月日時間顯示、儀器電量檢測、歷史濃度數(shù)據(jù)存儲等。
　　
　　2、儀器工作原理
　　
　　傳感器系統(tǒng)中以AT89LV51單片機(jī)為中心，傳感器檢測井下的甲烷濃度，甲烷傳感器線性輸出與濃度成正比的電壓信號經(jīng)放大器放大之后輸入至A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換之后得到數(shù)字信號送入單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理之后送入LCD顯示相應(yīng)的濃度值。當(dāng)甲烷濃度超出安全值進(jìn)行聲光報警，工作原理如圖1所示。　　　　
　　溫度測量：由溫度傳感器檢測環(huán)境溫度，輸出相應(yīng)的電壓信號直接送入A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入通道，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號之后送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，zui后由LCD顯示溫度。
　　
　　電量檢測部分：在電源端設(shè)置相應(yīng)的檢測電路，同樣由單片機(jī)處理之后在液晶屏上用圖形的方法顯示剩余電量。
　　
　　紅外遙控部分：TOSHIBA的TC9148P紅外調(diào)制發(fā)射芯片，有選擇、上調(diào)、下調(diào)三鍵。
　　
　　看門狗部分：采用XICOR公司帶有串行接口EEPROM的看門狗芯片X5045，在傳感器開始階段進(jìn)行設(shè)置，并且將其設(shè)置數(shù)據(jù)保存在EEPROM中。
　　
　　時間顯示部分：加入的時鐘芯片產(chǎn)生日歷和時鐘，與單片機(jī)連接進(jìn)行時間調(diào)節(jié)和顯示控制。
　　
　　3、硬件電路工作原理
　　
　　3.1檢測電路
　　
　　3.1.1甲烷傳感器工作原理
　　
　　甲烷檢測的方法有很多種，如熱導(dǎo)法、紅外光譜系數(shù)法、超聲波測量法、氣敏半導(dǎo)體法、熱載體催化元件檢測法等。儀表采用熱載體催化元件檢測法，這種元件內(nèi)部以鉑絲為核心，外部以氧化鋁為載體，載體上涂有催化劑，當(dāng)鉑絲通過一定的電流且元件處于含有甲烷的氣體中時，表面會產(chǎn)生無焰燃燒，使鉑絲因溫度增加而阻值增加，從而實(shí)現(xiàn)對甲烷的檢測。目前甲烷傳感器均采用這種方法。采用熱載體催化元件檢測甲烷濃度的原理如圖2所示。它是一個簡單的電橋，催化元件r1(黑元件)作為工作元件，r2(白元件)作為對比元件。R2用于補(bǔ)償r1，r2的不一致。當(dāng)無甲烷時，調(diào)節(jié)RP使電橋處于平衡狀態(tài)，r1，r2中流過相同的恒定電流，并使兩元件溫度上升到500℃左右。當(dāng)有甲烷時甲烷與氧氣在工作元件表面發(fā)生反應(yīng)，放出的熱量使工作元件溫度升高ΔT，從而引起工作元件電阻增加Δr，使電橋失去平衡，產(chǎn)生一個與甲烷濃度成正比的電壓信號輸出，測出此信號的大小即可知道甲烷濃度的高低，信號將輸出到A/D轉(zhuǎn)換電路。　　　　
　　3.1.2甲烷檢測橋路
　　
　　將圖2簡化如圖3所示。當(dāng)電橋輸出端接至高輸入阻抗裝置(如運(yùn)算放大器或數(shù)字電壓表等)時，電橋相當(dāng)于工作在輸出開路狀態(tài)，其輸出電壓為：　　　　
　　根據(jù)該傳感器的多功能與高精度要求，A/D轉(zhuǎn)換電路采用TLC2543C，把測量模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。TLC2543C為10位開關(guān)電容逐次逼近的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。通過一個串行的3態(tài)輸出端與主處理器或其他外圍器件相連，減少了硬件走線。除了高速轉(zhuǎn)換和通用控制功能之外，器件具有11路的模擬輸入端，完夠滿足多路采樣和功能升級。器件的轉(zhuǎn)換器結(jié)合外部輸入的差分高阻抗基準(zhǔn)電壓，具有簡化比例轉(zhuǎn)換以及模擬電路與邏輯電路和電源噪聲隔離的特點(diǎn)。開關(guān)電容的設(shè)計還可以使在整個溫度范圍內(nèi)減小轉(zhuǎn)換誤差，提高系統(tǒng)的精度。
　　
　　3.2顯示電路和RS232串行口通信電路及硬件看門狗電路
　　
　　為了適應(yīng)礦井環(huán)境，該傳感器采用帶背光的寬液晶顯示屏，增強(qiáng)視覺效果，并且?guī)в腥諝v、時間顯示功能。
　　
　　與PC機(jī)進(jìn)行通信，存儲數(shù)據(jù)，從而對礦井環(huán)境建立數(shù)據(jù)庫，對環(huán)境進(jìn)行分析，單片機(jī)的串行口加上MAX232電平轉(zhuǎn)換器，采用3線制與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，波特率為9600bps。單片機(jī)T1計數(shù)器作為串行口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的波特率發(fā)生器。采用XI2COR公司帶有串行接口(SPI)EEPROM的看門狗芯片X5045，在傳感器初始化時進(jìn)行設(shè)置，并且將其設(shè)置數(shù)據(jù)保存在EEPROM中。使整個系統(tǒng)的可靠性大大提高，而且zui大程度的節(jié)省了系統(tǒng)的資源。
　　
　　3.3外遙控電路和放大電路
　　
　　系統(tǒng)中也使用了紅外通信的模式。TOSHIBA的TC9148P紅外調(diào)制發(fā)射芯片，有單鍵發(fā)射功能和連續(xù)發(fā)射功能。遙控發(fā)射器的選擇、上調(diào)、下調(diào)三鍵均采用連續(xù)發(fā)射的模式。接收部分只采用了紅外接收頭，在單片機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了軟件解碼的功能。紅外遙控的使用使得操作方便、可靠。
　　
　　采用數(shù)字電位器X9313取代了模擬電位器。對傳感器的精度和靈敏度進(jìn)行調(diào)整，使得精度和準(zhǔn)確度提高。
　　
　　4、軟件設(shè)計和算法實(shí)現(xiàn)
　　
　　系統(tǒng)上電后，首先對單片機(jī)進(jìn)行初始化，然后對A/D進(jìn)行初始化，之后系統(tǒng)開始工作。首先采樣甲烷濃度并顯示，超過安全值報警;然后采樣環(huán)境溫度并顯示;zui后顯示時間，循環(huán)采樣并實(shí)時顯示。
　　
　　另一方面用外部中斷INT0等待鍵盤輸入，INT0中斷即進(jìn)入鍵盤設(shè)置程序，可調(diào)整日歷時間、設(shè)置安全報警值。其主程序與PC機(jī)和紅外線、鍵盤中斷程序流程圖如圖4所示。在系統(tǒng)工作的初始狀態(tài)設(shè)定完成之后，可以對甲烷傳感器進(jìn)行氣體的測定。　　
　　圖4主程序與PC和紅外線、鍵盤中斷程序流程圖<Scripttype=text/javascript>functionImgZoom(Id)//重新設(shè)置圖片大小防止撐破表格{varw=$(Id).width;varm=650;if(w<m){return;}else{varh=$(Id).height;$(Id).height=parseInt(h*m/w);$(Id).width=m;}}window.onload=function(){varImgs=$("content").geementsByTagName("img");vari=0;for(;i
　　
　　5、誤差討論
　　
　　5.1工作電壓帶來的誤差
　　
　　由傳感器測量電路輸出電壓推導(dǎo)公式可知，在對輸出電壓線性化時忽略了二次項(xiàng)，因此存在著非線性誤差，這個誤差可以在單片機(jī)中采用模糊數(shù)學(xué)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行消除。在A/D(TLC2543)轉(zhuǎn)換通道中，基準(zhǔn)電壓的波動可導(dǎo)致不可預(yù)測的誤差甚至錯誤結(jié)果。這種誤差的消除方法只有在基準(zhǔn)電壓輸入端采用精密電源芯片，使電壓值穩(wěn)定在準(zhǔn)確值2.5V。
　　
　　5.2算法誤差
　　
　　設(shè)計中乘除法采用4字節(jié)的定點(diǎn)算法，數(shù)字表示范圍是：0～4294967295。計算結(jié)果的相對誤差在0.9×10-4，所以計算精度可以得到保證。zui終的相對誤差在0.3%以下。
　　
　　6、結(jié)論
　　
　　(1)處理芯片的升級，滿足0%～4%甲烷濃度測量。在此范圍之中測量誤差在0.3%以內(nèi)。甲烷濃度超出安全值準(zhǔn)確報警，同時可測量和顯示環(huán)境溫度。
　　
　　(2)傳統(tǒng)儀表功能擴(kuò)展：日歷、時鐘顯示，紅外遙控芯片使用和硬件看門狗電路。
　　
　　(3)測量儀表自動化程度高，無需大量手工操作。可與PC機(jī)進(jìn)行通信，為礦井環(huán)境數(shù)據(jù)庫的建立，從而分析井下環(huán)境走勢提供了必要條件。尤其是儀表的紅外芯片的使用方便了調(diào)試和使用。
　　
　　(4)實(shí)現(xiàn)了低功耗，高可靠性，操作方便。正常工作情況下處于充電，備用電池在現(xiàn)場斷電情況下自動切換。
　　
　　在目前的試用中，對該傳感器的設(shè)計反映很好，它能夠可靠、穩(wěn)定、安全的測量井下瓦斯，對于預(yù)防井下安全事故起到了重要作用，具有推廣應(yīng)用價值。