煤矿瓦斯监控系统传感器硬件设计.doc

斜技信息工程技术 煤矿瓦斯监控系统传感器硬件设计 淮南矿业集团张集煤矿 陈亮 ［摘要】本课题申所研究的智能瓦斯传感器解决了催化元件在高浓度瓦斯环境中出现高温烧结的问题。使瓦斯检测的稳定性、响应速度、量程、使用寿命等参数指标极大地优于传统的电桥检测方法，具有一定的理论意义和很大的实用价值。将这种新型的瓦斯传感器应用于煤矿安全监测监控系统中．可以连续的测量矿井瓦斯浓度，为煤矿安全生产提供了有力的保障。 ［关键词］瓦斯检测恒温单片机智能传感器１。引言 测量矿井瓦斯浓度之所以主要采用载体催化元件，是因为它具有 易于将非电量转换为电量、便于采用电于技术、灵敏度高等优点。其主要缺点足工作温度高（５００。Ｃ以上）。只能做成隔爆型；遇Ｈｓ气体有“中毒”问题，在有Ｈｓ气体的矿井中不能使用；元件稳定性较差。有零点漂移和灵敏度漂移问题。我国标准规定瓦斯敏感元件的稳定性为７天，而国外可达一个月。电化学甲烷敏感元件的主要问题是寿命短，其实际使用寿命仅为半年左右，国外同类元件已可达到３年。因此，有必要继续开发研制稳定性好、使用寿命长的新型瓦斯传感器。 针对目前催化燃烧式瓦斯传感器普遍存在的缺陷，本文提出了“恒温检测”这一独到的理念。解决ｒ在高浓度甲烷环境中催化检测元件的高温烧结使灵敏度变差的缺陷，延长了瓦斯传感器的寿命，扩展了瓦斯浓度的检测范嗣。 ２．红外遥控接收电路 红外遥控由发送和接收两部分组成。发送端将待发送的二进制信号编码调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号；红外接收部分完成对红外信号的接收、放大、检波、整形，并解调出遥控编码脉冲。为了减少干扰。采用的是价格便宜、性能可靠的一体化红外接收头（如ＨＳ００３８，它接收红外信号频率为３８ｋＨｚ，周期约２６ｉｘｓ）接收红外信号，同时对信号进行放大、检波、整形，得到１１Ｌ电平的编码信号。再送给单片机，经单片机解码后去控制相关对象。 （１）发射部分 系统采用普通彩电遥控器作为发射电路来调节瓦斯传感器，无需 再另外设计专用的遥控器。根据原遥控器按键布置和瓦斯传感器的具 体要求，重新设计面板，即可实现对瓦斯传感器的零点、精度调整、报警 点、断电点等参数的遥控操作。 一般红外电视遥控器的输出都是用编码后串行数据对３８４０ｋＨｚ的方波进行脉冲幅度调制而产生的。当发射器按键按Ｆ后。即有遥控码发出，所按的键不同遥控编码也不同。这种遥控码具有以下特征采用脉宽调制的串行码，以脉宽为０．５６５ｍｓ、间隔０．５６ｍｓ、周期为１．１２５ｍｓ的 组合表示二进制的０’；以脉宽为０．５６５ｍｓ、间隔１．６８５ｍｓ、周期为２．２５ｍｓ的组合表示二进制的“ｌ”。上述０’和“１’＇组成的３２位二进制码经 ３８ｋＨｚ的载频进行二次调制，然后再通过红外发射二极管产生红外线向空ｆＨＪ发射。一般电视遥控器的遥控编码是连续的３２位二进制码组，其中前１６位为用户识别码，能区别不同的红外遥拄设备，防止不同机种遥控码互相干扰。后１６位为８位的操作码和８佗的操作反码，用于核对数据是否接收准确。根据红外编码的格式，发送数据前需要先发送９ｍｓ的起始码和４．５ｍｓ的结果码。 图１ＴＣ９１４８应用电路 系统选用的遥控器使用专属微处理芯片ＴＣ９１４８。ＴＣ９１４８为红外发射集成电路，标准的１６脚塑料结构。该Ｉｃ具有较宽的电源电压范围（２．２Ｖ～５．５Ｖ），典型值为３Ｖ，静态电流小于ｌＯｕＡ，可免去电源开关．外围电路简单，只需外接４５５ｋＨｚ陶瓷滤波器即可正常工作，发射距离大 ．－－２６４・－ 万方数据 于８米。典型的应用电路如图１所示。 （２）接收部分 接收电路由一体化红外接收头ＨＳ００３８来完成，图２为Ｈ５００３８的＋红外接收头 接收的波形（赣入） Ｄ Ｅ ＋红外接收失 算谓后■出的波形 图２ＨＳ００３８输入输Ｈ｛波形 它把收到的红外信号（图２巾波形Ｄ）经内部处理并解调复原、输出。ＨＳ００３８的解调呵理解为在输入有脉冲串时，输出端输出低电平，否则输出高电平。一体化红外接收头ＨＳ００３８的外部结构很简单，其中，１ 脚（ＧＮＤ）接电源地，２脚（Ｖｅｃ）接＋５Ｖ，３脚（ＯＵＴ）为数据输出端∽Ｌ电 平，反相输出），可直接与单片机相连，不需任何外接元件，就可以把信号直接送人到微处理器等要求１１１。电平信号输入的芯片中。图３为ＨＳ００３８与单片机的连接电路 ‘’ｕ● Ｐ３．０１Ｐ３．１Ｉ Ｐ３．２ｌ Ｐ３．３ＩＰ３４１Ｐ３５１Ｐ３．６ｌ 图３ＨＳ００３８与单片机的接口电路 单片机把红外接收头送来的二进制编码波形通过相应的软硬件解码，还原出发送端发送的数据。而直接利用波形的长短来判断足否相 同，可用定时／记数器０’和“ｌ”记下接收到波形的长短，再与３８ｋＨｚ的 波形相“与”（可由定时器实现），一１－．述接收到的波形码经３８ｋＨｚ的载频进行调制，提高发射效率，达到降低电源功耗的目的。然后，再通过红外发射二极管进行二次调制，产生红外线向空间发射，这样就可以复原出红外遥控发射的波形。 ３．稳压电源电路 图４５Ｖ直流稳压电源 系统中所用到的直流５ｖ电压均由图４所示的直流稳压电源提供，最大工作电流为３００ｍＡ。这里稳压芯片选用Ｗ７８０５，稳压器压差ＵｉＵｏ一＞２Ｖ，这里取３Ｖ。故输人电压为 Ｕｉ５Ｖ＋３Ｖ８Ｖ （１）滤波电路的负载电流为 Ｉ’ｏ＝ｌｏ（ｍａｘ）＋ｌｑ（Ｗ７８０５漏地电流）＝３００ｍＡ＋８ｍＡ＝３０８ｍＡ（２）电源变压器的副边电压有效值为 ｕＦ尝＝≠ｒ＝６．７ｖ（这里取７ｖ） （３） 整流滤波电路的等效负载为 Ｒ－訾＝警ｏ＝２７．３Ｑ （４） 整流桥正向平均电流为 输入输出波形 科技信息工程技术 骖Ｉ庐｝Ｉ’。＝争３０８ｍＡ＝１５４ｍＡ （５） 最大反向电压为 Ｕ≥Ｕ目。。产ｘ／２Ｕ２＝、／２ｘ７Ｖ一１０Ｖ （６） 电源变压器副边电流有效值为 １２ａ（１．５２）Ｉ７０ ＝（１．５２）ｘ３０８ｍＡ＝４６２６１６ｍＡ（这里取５００ｍＡ）（７）副边容量为 ＰＦＵ２１２＝７ｘ０．５Ｗ＝３．５Ｗ（８）原边容量为 Ｐｌ＝鲁＝等Ｗ＝５．８Ｗ （９） 故平均容量为 Ｐ＿（Ｐｌ＋Ｐ２）＝｝（３．５＋５．８）＝４．６５Ｗ （１０） ４．硬件抗干扰设计 影响单片机系统可靠安全运行的因素主要来自系统内部和外部的各种电气千扰，受系统结构设计、元器件选择、安装、制造【艺影响。这些都构成单片机系统的干扰因索，会导致单片机系统运行失常，轻则影响产品质量和产量，重则会导致事故，造成重大经济损失。干扰形成必须具备三个主要因素，即干扰源、耦合通道、对十扰信号敏感的接收电路。 单片机控制系统的抗干扰问题是系统安全可靠运行必须解决的，否则系统将不能得到实际应用。而抗干扰设计的主要任务是使单片机控制系统能在恶劣复杂的应用环境中具有较强的抗十扰能力，能保证系统的正常丁作，当然也希望使用的硬件资源尽可能的少，降低系统成本，提高系统可靠性。可以从以下几个方面阐述单片机控制系统的抗干扰设计 （１）元器件芯片的选择 精心选择。元器件是构成单片机系统的硬件基础，在设计时应精心挑选抗干扰能力强、参数稳定、功耗低的元器件。选择的元器件额定参数应符合运行工况要求并留有一定的余量。尽量选择那些集成化程度高的元器件。 （２）单片机时钟信号抗干扰措施 时钟信号不仅是受噪声干扰最敏感的部位，同时也是ＣＰＵ对外发射辐射千扰和引起内部干扰的噪声源。辐射干扰的产生主要与时钟信号的上升和下降时间有关，即ｆ１电路的跳变时间Ｔｒ。此外，时钟频率越高，信息传输线上信息变换频率也就越高，致使干扰加剧，阂此在满足系统功能要求的前提Ｆ，尽量降低时钟频率有助于提高系统的抗干扰性能。为了避免时钟信号被干扰，可以采取以下措施 １）时钟脉冲电路配置时应注意靠近ＣＰＵ，引线要短而粗。 ２）外部时钟源用的芯片Ｖｃ（与ＧＮＤ之间可接１斗Ｆ左右的去耦电容。 ３）在可能的情况下，用地线包围振荡电路，晶体外壳接地。４）若时钟还做其它芯片的脉冲源。要注意隔离和驱动措施。 ５）印刷板七的大电流信号线、电源变压器要远离晶振信号的连线。 ６悼片机复位电路抗干扰措施。 单片机复位端ｒ丁的干扰主要来自电源和按钮传输线串入的噪声，这有可能导至系统复位，或破坏ＣＰＵ内的程序状态字的某些位的状态，对控制产生不良影响。在印刷电路板上，单片机复位端口处并联０．０１斗Ｆ一０．１斗Ｆ的高频电容，或配置施密特电路提高对串入噪声的抑制能力。 （３）单片机Ｉ，ｏ口抗干扰措施 数据总线、地址总线和控制总线是主机单元与外部存储器、Ｉ／０接口芯片进行信息交换的唯一通路，三总线处理是否合理，直接关系到整个系统的稳定性。在总线Ｅ适当安装上拉电阻可以提高总线信号传输的可靠性，减少外围设备对主机单元的干扰。图５为单片机的Ｐ０．０口 外接上拉电阻的电路图 叫｜ ｌ一 一Ｌｊ ＭＣＳ；５１ 图５Ｐ０口的上拉电阻 万方数据 安装上拉电阻主要有以下一些作用 １）提高信号电平。是提高集成电路抗干扰能力的一个重要措施，如图５所示，当不加上拉电阻时，Ｐ０．０口输出电流为Ｉ．端口的高电平为Ｕ＝ｖｃｃＩＲ。当加入上拉电阻后，Ｐｏ．Ｏ口输出电流变为Ｉ，，由于负载恒定，则Ｉ’＜Ｉ，因此端门电平Ｕ＝Ｖｅｅｌ’Ｒ。Ｕ将有所提高。 ２）提高总线的抗电磁干扰能力。当总线处于高阻状态时是处于悬空状态，比较容易受外界的电磁干扰，干扰信息很容易通过数据总线进入ＣＰＵ。引入虚假的程序指令。 ３）抑制静电干扰。当总线上的负载是ＣＭＯＳ芯片时，由于ＣＭＯＳ芯片的输入阻抗很高。容易积累静电电荷ｆ斫形成静电放电干扰，影响ＣＰＵ正常工作。若在总线七配置上．拉电阻，则降低了输入阻抗。 （４）交直流供电电源的抗ｆ扰措施 电源是整个系统的命脉，电源性能的优劣在很大程度上将直接影响系统的叮靠运行，系统７０％的干扰来自电源。由交流电引进的高频干扰，由于频带很宽，仅仅在交流侧采取抗干扰措施，也难以保证十扰绝对不进入系统，因此要在直流侧采取必要的抗ｆ扰措施。 在印刷板上设计安装ＩＣ电路时，各种Ｉ（都通过共同电源相联系。 每个数字电路本身都可以看作是脉冲干扰源。它们通过电源线瓦相干 扰，因此，必须在印刷扳电源入口上接大电容（最好足钽电容），同时每个Ｉｃ芯片（或几个一组）电源入口处接高频性能较好的电容（如陶瓷电容器），作为干扰信号滤波电容器，这些电容器主要有三种作用 Ｉ）降低电源线内阻。 ２）吸收从电源线进入系统或芯片的干扰信号。 ３）吸收该板或芯片产生的干扰信号，防止影响其它电路。（５）印刷电路板的抗ｆ扰措施 在高频情况下，印刷线路板上的引线、过孔、电阻、电容、接插件的分布电感与电容变得不可忽视，电容的分布电感，电感的分布电容都不可忽视的。这些都会产生噪声，干扰系统正常工作。一个过孔大约引起０．６ｐＦ的电容；一个集成电路本身的封装材料引入２ｐＦ～１０ｖｒ的分布电容；一个线路板｜的接插件有５２０ｎｉｌ的分布电感；一个双列直插的４０引脚集成电路插座引入４ｎｉｌ～１０ｎｉｌ的分布电感。可以从以下几方面来增强扰ｆ扰能力 １）印刷电路的设计过程中，从尺寸的选择、元器件的布置、地线布置、电源线布嚣以及去耦电容的配置等各方面均充分考虑。 ２）各逻辑电路芯片未使用的输入端．视逻辑关系接至已使用门的输入端，或都接地，或都接高电平，以减少外部十扰信号对系统影响。 ３）在程序存储器、数据存储器、单片机、接口电路等耗能较大芯片的电源端与接地端之间并接０．Ｏｌ肛Ｆ的独石电容，以减小电源间的耦合作用。 （６）空间电磁辐射抗干扰措施 屏蔽措施可以削弱空间电磁辐射对主机单元的干扰，从而提高系统的稳定性，在采用屏蔽时，町以使用铁来做外壳或屏蔽层，屏蔽罩上的通风孔最好为圆形，并保持电磁的连续性。为此，必须保证屏蔽层的接缝处有良好的接触，可采用焊接处理工艺。其外部噪声不可能改变屏蔽罩内的相对电位，这是肉为外部１二扰电压对罩内来说是无源的，故外部电磁场在内部建立不了电位差，即消除ｒ空间电磁辐射’ｆ扰。但使用不当也会有不良的影响，所以在使用时庇遵循以下两条原则 １）为－厂减少或消弱由于屏蔽所引起的反馈。电子线路的屏蔽罩必需连接到线路的信号地。 ２）屏蔽应当在输入信号零电压基准点接地。实际上的接地都有一定的电阻率，所以各接地点也会有不同的电位。 ５．总结 本课题中所研究的智能瓦斯传感器解决了催化元件在高浓度瓦斯环境中出现高温烧结的问题，使瓦斯检测的稳定性、响应速度、量程、使用寿命等参数指标极大地优于传统的电桥检测方法，具有一定的理论意义和很大的实用价值。将这种新型的瓦斯传感器应用于煤矿安全监测监控系统中，可以连续的测量矿井瓦斯浓度，为煤矿安全生产提供了有力的保障。 参考文献 ［１］煤炭工业部安全司编．矿井安全监控原理与应用．中国矿业大学出版社．１９９６ ［２］童诗白，华成英．模拟电子技术基础．高等教育出版社，２０００［３］康华光主编．电子技术基础（数字部分）．高等教育出版社，１９９８［４］杨晓慧，白雪梅．电子线路学习指导．国防工业出版社，２００６［５］何希才。伊兵．杜煜．实用电子电路设计．电子工业出版社。１９９８［６］杨世成．信号放大电路．电子工业出版社，１９９５［７］赵学泉，张国华．电源电路．科学出版社，１９９５ ［８］电子工程手册编委会编，中外集成电路简明速查手册．电子工业出版社．１９９１ ２６５