基于STC单片机的煤体瓦斯解析速度自动检测装置研究

李 涛，王福忠，李 辉，张且且

（河南理工大学 电气工程与自动化学院，焦作 454000）

0 引言

目前，在现场检测煤体瓦斯解析速度方面法主要采用排水集气检测和压差检测法，其检测过程操作复杂、自动化程度低、检测误差较大[1]。针对这一现实问题，本文提出了一种煤体瓦斯解析速度自动检测仪设计方案，其主要目的在于研发一种可以在井下便携使用的煤体瓦斯解析速度自动检测装置，提高检测精度和现场检测效率。

1 硬件系统设计

1.1 总体设计方案

该系统主要包括气体流量检测单元、系统主控单元及外部数据存储单元等主要部分。其系统主体结构如图1所示。

1.2 系统主控单元设计

由于系统采用了SD卡作为大容量存储单元，但是SD卡是以数据块（512字节）为单位进行数据存储的，但是一般的51系列单片机片内RAM最大只有256字节，因此只有进行片外RAM扩展才能实现对SD卡进行数据读写，RAM扩展需要占用大量I/O端口资源。本系统的主控单元采用了STC12C5A60S2系列单片机，该系列单片机与传统51单片机兼容，其内部RAM高达1280字节，完全可以满足系统对SD卡读写的需要，同时其运算速度提高了8-12倍，具有高速、低功耗、超强抗干扰等特点，而且该型单片机集成了8路10位高速A/D转换（25万次/秒）。

图1 煤体瓦斯解析速度自动检测仪系统结构示意图

1.3 气体流量检测单元设计

在煤体解析瓦斯的过程中，由于瓦斯压力的快速变化其解析速度也变化显著。在检测初期瓦斯解析速度较快，可以达到200-300ml/s，其后解析速度迅速下降，在解析中后期可低至1-5 ml/s，即前快后慢。因此，如何对煤体解析全过程（特别是解析的初始阶段和最后阶段）的瓦斯解析速度进行快速、准确的检测是该系统气体流量检测单元设计的关键。

根据该系统检测对象的特点以及传感器的一般工作原理，如果采用单一传感器检测，难以保证对瓦斯解析过程的高速和低速阶段同时进行高精度的检测，因此本文采用了多级气体流量传感器分段检测设计，如图1所示。该分段检测设计将煤体的解析过程分为多个采集段，给每一个采集段配备一个同精度的适当量程的瓦斯气体流量传感器，在检测过程中系统主控单元会根据当前气体的流速自动选择当前采用的检测通道，如图2所示。

需要注意的是煤体在解析瓦斯气体的过程中必然的由高速解析开始，因此系统默认从最高一级对应的传感器检测通道开始检测，随着气体解析速度的下降，系统根据设定的转换点数值进行检测通道的自动切换。同时，由于传感器在其量程的上下限附近检测精度降低为了提高系统的检测精度，在确定各通道转换点时应当选在量程重叠区。例如若采用0-20ml/min、0-100ml/min、0-300ml/min三路传感器，则其量程转换点可选为15ml/min、80ml/min，分别负责检测0-15ml/min、15-80ml/min、80-300ml/min范围的内的数据[2]。

1.4 外部SD卡存储单元设计

为了便于数据的回显和后期分析处理，系统将会把整个检测过程中的瞬时流量、累积流量、检测时间等数据全部进行存储，需要较大的数据存储容量，对于单片机系统来说远远不能满足要求。因此，系统需要设计一个外部大容量存储单元。近年来SD卡因其具有价格低、存储容量大、使用方便、通用性与安全性强等优点，已经成为数码领域最为通用的数据存储方式。但是，在与STC12C5A60S2系列单片机系统应用时存在电平匹配和通讯模式等问题。

首先，确定单片机与SD卡之间的通讯模式。SD卡有SD模式和SPI模式两种通讯协议，虽然STC系列单片机没有集成SD卡控制器接口也没有SPI接口模块，但可以用软件模拟出SPI总线时序实现单片机与SD卡的数据通讯，其连接方式如图3所示。从图3中可以看到，在SPI通讯模式下只需要CS片选、数据输入、数据输出、始终、电源及电源地等六根线就可以实现单片机与SD卡之间的通讯[3]。

图3 STC12C5A60S2单片机与SD卡接口电路示意图

其次，SD卡的的逻辑电平为3.3V，而STC12C5A60S2系列单片机的逻辑电平为5V，如果不做适当处理可能烧坏SD卡，因此必须解决两者间的电源匹配问题，如图3所示增加电平匹配转换电路。通常在解决电平匹配时应当遵循两条原则：1）输出电平器件输出高电平的最小电压值，应该大于接收电平器件识别为高电平的最低电压值；2）输出电平器件输出低电平的最大电压值，应该小于接收电平器件识别为低电平的最高电压值。其常用的解决方法是选用适当的专用电平转换芯片即可，但是在需要多路转换时，这种方法成本较高。由于在SPI模式下，SD卡与单片机之间的通讯都是单向的，当SD卡向单片机传输数据是两器件可以直接相连；当单片机向SD卡写数据时，则可以采用如图4所示的晶体管及上拉电阻方式，即可解决两者间的电平匹配问题[4]。

图4 单片机与SD卡电平转换电路示意图

2 软件系统设计

本文所设计系统的软件设计主要包括主程序、中断服务程序、数据存储、人机通讯等子程序组成，其主要流程如图5所示。

其中，系统在初始化阶段首先完成工作模式设定、初始显示画面内容、初始检测通道设定、开中断等工作。随后在数据采集部分采用中断模式，即系统每秒钟产生一次中断，采集一次数据并将数据送控制单元进行相应的数据处理，包括累积流量值的计算、检验当前流量是否达到检测通道转换条件及数据的实时显示和存储等。在数据存储部分，由于采用了大容量SD卡存储模式，而SD卡的数据读写是以数据块（512字节）为单位，因此必须在单片机片内RAM中开辟一个512个字节的缓冲区，当缓冲区满后再执行数据存储操作[5]。SD卡数据读写流程如图6所示。

图5 系统程序流程示意图

3 结论

本文针对井下在检测煤体瓦斯解析速度方面缺乏专用自动检测装置的现状，设计了一种基于STC单片机的煤体瓦斯解析速度自动检测装置。该装置体积小、携带方便，可以实现井下对煤体瓦斯解析速度的自动检测。同时，该系统设计了大容量SD卡存储单元用以解决检测过程中大量检测数据的存储问题，为井下检测现场的数据回显

图6 SD卡初始化及数据存储程序流程图

及井上数据分析提供条件。实验证明该系统具有检测精度高、操作方便、运行可靠和抗干扰能力强等优点，对于井下实地检测煤体瓦斯解析速度有极强的使用和推广价值。

[1] 杨宏民, 任子阳, 王兆丰.煤对气体吸附特征的研究现状及应用前景展望[J].煤.2009, 18(8): 1-4.

[2] 宋凤娟, 付侃, 薛雅丽.STC12C5A60S2单片机高速A/D转换方法[J].煤矿机械.2010, 31(6): 219-221.

[3] 韩辉, 丛培田, 郭颖.基于SD卡的多通道数据采集系统[J].工业仪表与自动化装置.2010, 1: 65-67.

[4] 吉涛, 蔡航.应用SD卡实现大容量存储测试系统设计[J].陕西科技大学学报: 自然科学版.2010, 28(5): 97-101.

[5] 林倩, 严桂林.基于STC12C5A60S2单片机的SD卡读写[J].电子元器件应用.2010, 12(4): 1-3.