矿用红外线闭锁装置的设计与应用.doc

综采维修电工高级技师论文 矿用红外线闭锁装置的设计与应用 马俊波 摘要本文以被动式人体热释电红外检测器电路BISS0001和单片微型计算机AT89C2051为核心及相关数字电路组成的逻辑控制电路设计制作了矿用红外线检测闭锁装置，用于解决煤矿井下特定危险区域防止人员误入而引发安全事故，起到警告报警和自动闭锁开启的机器设备的作用。 关键词人体红外线检测 自动闭锁装置 设计及应用 概述 煤矿井下由于地理条件复杂、区域特殊、空间狭小，人员作业与机械设备共处，因而规定了一些特殊的危险区域，需要分开作业如掘进工作面截割机械的工作区域、综采工作面入口至破碎区域、独立的封闭运输巷道等，人员进入时机器设备必须停止。以往井下这些区域保证安全是靠专人看守，既浪费人力又不能彻底起到作用，为解决这一问题，我们参考有关技术资料，设计制作了本文所述矿用人体红外线自动闭锁装置，解决了危险区域人员误入对机械设备的自动闭锁，同时减少了用工，可靠性也大大得到提高，具有良好的经济和社会效益，为矿山安全在设备上提供了可靠的保证。同时具有体积小、重量轻、安装灵活、使用方便的特点。 原理与应用 一、 总体框图 图 1为系统装置总框图。 图 1 二、 工作原理 本装置分为控制器主机及红外探头两部分。控制器主机为隔爆兼本质安全型，安装在隔爆外壳内，符合煤矿井下使用要求，主要作用是向外置探头和本机控制部分提供电源，同时驱动外接声光报警电笛。红外探头为本质安全型，被设计成标准模块结构，具有灵敏度可调、接口简单、安装方便、消耗省电等特点。红外探头探测通过特制的镜头覆盖一个扇形区域，当探测到有人体运动时，经专用芯片将这一信号放大整形、比较鉴别后输出一个高电平，并通过光电耦合器隔离后经连接电缆与主机控制器的信号接口电路相连，主机控制电路收到信号后再经过单片机内部程序逻辑运算，判断出作用信号使闭锁继电器动作，自动切断设备控制回路，使其停止并闭锁，同时驱动外接声光电笛发出有规律的声光报警，起到醒目的警示作用。在上电或开动机器前必须经专人或者司机在确认无误的情况下才能使用配套的专用工具进行解锁复位，控制器再次投入检测运行。 1、 主机控制器 1.1电源部分 主机控制器的电源部分采用变压器直流稳压电源，采用成熟的集成稳压器电路设计，具有短路、过流和双重过电压保护，发生故障能自动保护并通过发光管指示，短路、过流保护在故障消失后具有间歇式自动恢复功能。稳压电源输出直流双12V，一路供控制器内部电路使用，一路经安全栅向外置红外探头提供电源，电源指标符合本安电路要求，保护稳定可靠。变压器输入可在交流36、127、220V选择使用，同时可通过抽头提供外接声光电笛驱动电源。 1.2控制部分 控制电路是本机控制功能实现的核心，采用单片微型计算机AT89C2051为核心控制器，经软件编程，将电路所需要的各种逻辑控制功能写入单片机，通过单片机强大的运算和处理能力来完成各种功能能的控制、状态显示及驱动输出，同时外围电路元件大大减少，提高了电路的整体可靠度，具有电路简单、运算速度快、抗干扰性能好的特点。控制原理上电，电源指示灯亮。单片机复位自检，P.1口输出低电平，通过光耦隔离驱动电源板上继电器动作，闭锁指示灯亮。复位通过K1使P3.3口接低电平暂态，P1.1口输出高电平，继电器复位，进入监控状态。这时探头如有信号输出，通过光耦使P3.0口为低电平，程序中断相应，P1.1口为低，继电器闭锁，同时，P1.0口输出延时5秒，2HZ左右脉冲通过光耦驱动电源板上固态继电器，接通电笛电源，产生报警，报警指示灯闪烁。当电源有故障，通过光耦使P3.1口置低电平，输出PI.I口为低，闭锁。P1.0口输出2HZ无延时脉冲，报警、故障、闭锁灯点亮。K1使P3.4口置低电平，为手动封锁，可使输出为低电平保持，闭锁灯亮，此时无报警输出。图2为主控部分原理图。 图2 1.3单片机软件程序（略） 1.4接口部分 为了提高设备的抗干扰能力和达到本质安全的目的，直流电源经过晶体管式齐纳安全栅向外接探头的提供，在外电路或线路发生故障时能够及时将电源切断或限制其电源电流在规定的值以下；探头信号的发出和主控制器信号的接受使用了光电耦合器进行双向耦合，减少了干扰，提高了可靠性，同时为电路升级预留了扩展功能。 2、 红外线探头 2.1热释电红外探测原理 热释电红外传感器（PIR）是报警器设计中的核心器件，它可以把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用。热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器，不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶。热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。它的探测波长范围为０．２～２０μｍ，为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片，这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。传感器在设计时将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元，其极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化并将其转换为电信号输出。实质上热释电传感器就是对温度敏感的传感器，当人体进入检测区，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有ΔT输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出了。所以这种传感器也称为人体运动传感器。由实验证明，传感器不加光学透镜也称菲涅尔透镜，其检测距离小于2m，而加上光学透镜后，其检测距离可增加到10m左右。图3所示的是将待测目标、菲涅尔透镜、热释电红外传感器相结合使用时的工作原理示意图。 图3 2.2专用探测芯片 BISS0001是一款具有较高性能的传感信号处理专用集成电路，静态电流极小，它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成信号处理主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较，为报警和功能的实现打下基础。芯片采用CMOS工艺制造，数模混合器件，具有独立的高输入阻抗运算放大，内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰，内设延迟时间定时器和封锁时间定时器利用它可制成各种红外线检测控制报警系统。这里我们将芯片、传感器与输出接口电路作在一块电路板上，形成一个标准的模块 ，具有一定的通用性，灵敏度和信号返回时间可以方便的进行调节。 三、 调整与试验 3.1调试与安装时应满足下列条件 （1）红外线热释电传感器应离地面1.0-1.2 m，防止小动物闯入探测区域。 （2）红外线热释电传感器对人体的敏感程度还与人的运动方向有关。红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感, 而对于横切方向（即与半径垂直的方向）移动则最为敏感。 （3）在现场选择合适的安装位置，调整合适的灵敏度，避免物体与探头发生相对运动产生红外探头误报。 （4）避免强光直接照射探头。 3.2样机试验 通过样机的测试,此红外闭锁装置能实现如下技术指标 （1）探测距离 1 ～5 m （探测器正前方,室温25℃） 。 （2）探测角度小于120,垂直60。 （3）反应时间小于50 ms。 3.3现场应用 首台试验机安装于漳村矿2302综掘工作面，综掘机转载区域禁区入口处，以往在这里设一名专职人员负责把关。在综掘机械工作过程中，如有人员进入该区域，经过负责人与司机通过晃灯的方式传递停车信号，然后司机手动将掘进机械停止，才允许人员进入，有时也因各种原因发生人员误闯禁区的安全事故。安装了红外自动闭锁装置后，人员不需看护，当有人通过禁区入口时，自动将开动的机器停止并闭锁，同时声光警示，提示有人员进入，只有在司机认为工作区域没有其他人员的情况下，才可用专用工具对闭锁装置解锁复位，允许再次开启机器设备。在临时停机或休息时还可将装置手动闭锁。闭锁装置的使用，为使用单位减少了人员、提高了效率、保障了安全，经长时间使用得到了使用单位的好评，也证明了本装置得到了预期的设计效果。 结束语 尽管热释电红外探测技术在地面场所应用非常广泛，技术也已经相当成熟，但用于煤矿井下是一次具有挑战性的尝试，用热释电红外传感器设计的矿用红外线闭锁装置具有结构简单、成本低等优点。经过多月的现场使用与测试，该装置工作情况稳定，具有进一步推广应用的价值。 参考文献 1、基于热释电红外传感器的报警系统[国外电子元器件 International Electronic Elements] 刘舒祺 , 施国梁 。 2、单片机应用技术[西安电子科技大学出版社] 刘守义 主编。 作者简介 马俊波，男，37岁，山西潞城。漳村煤矿从事机电管理工作，高级技师。 二〇〇八年九月七日 第 8 页 共 8 页