便携式瓦斯浓度检测系统的设计

□ 朱会东□ 田力勇

1.阜新高等专科学校 辽宁阜新 123000

2.辽宁工程技术大学 机械工程学院 辽宁阜新 123000

瓦斯爆炸是煤矿重大灾害事故之一，为了确保矿井的生产安全及矿工的生命安全，国内已经研制出了诸多类型的瓦斯检测仪器，但绝大多数瓦斯检测仪器都存在一些缺点，如仪器体积相对较大、使用安装不便等[1-2]。因此，开发研制一套新型便携式瓦斯浓度检测系统，对于煤炭开采行业的安全生产具有重要意义。

1 系统组成

便携式瓦斯浓度检测系统硬件框图如图1所示，主要由主控制芯片、传感器、信号放大电路、模拟与数字信号转换模块、发光二极管（LED）显示模块、时钟模块、声光报警模块、复位电路和把关器电路组成。为适应安全生产的需要，同时满足体积小、耗电少、精度高、携带方便的要求[3]，硬件电路设计中选用了功耗低、性能稳定的STM32F103RBT6单片机作为系统的主控制芯片。

图1 系统硬件框图

2 硬件电路设计

2.1 瓦斯浓度检测电路

对瓦斯浓度的检测方法有多种，目前最常采用催化剂燃烧式传感器来构成检测电路，如图2所示。电路中R2是载体催化剂燃烧式电子元件，利用在金属铂金加热丝表面镀一层催化剂制成，遇到可燃气体时，通过电流的铂金加热丝温度会升高，在催化剂作用下使瓦斯与氧气在低温条件下发生无焰燃烧，产生的热量进一步使铂金加热丝的温度升高，进而使铂金加热丝电阻值产生一定改变，最终使检测电路的电桥失去平衡，输出一个电压信号值，以此来反映空气中瓦斯含量的大小[4]。电路中的R1是补偿元件，与R2不同的是R1表面没有镀催化剂，因此不会参与低温条件下的燃烧。R1在检测电路中主要对非甲烷含量变化引起的R2阻值变化起补偿作用，从而提高仪器零点稳定性和抗干扰能力[5]。

图2 瓦斯浓度检测电路

便携式瓦斯浓度检测系统设计时，要考虑使用便携性及经济性特点，因此催化剂燃烧法非常适合。同时，考虑到检测系统的性价比和便携性，采用型号为MJC4/2.8J的催化燃烧式传感器。

2.2 信号放大电路

当被测瓦斯气体的浓度通过气体传感器转换为电量时，获得的电压变化量往往很小，通常只有几毫伏到几十毫伏，而共模电压却很高，输入到放大器的噪声与放大器自身产生的噪声，往往大于放大器的输入信号。因此，如何减小噪声或将噪声与信号分离，是信号放大器设计选型的关键。一般，置于传感器后的放大器必须具有很高的共模抑制比，同时要求有较高的输入电阻，以免对传感器产生影响[6]。

考虑到便携性及经济性，选择MCP6002作为放大电路的放大器。MCP6002是高精度低失调电压的精密运算放大器，常应用于微弱信号的放大。如果使用双电源，能达到最好的放大效果[7]。瓦斯检测转换电路如图3所示。

图3 瓦斯检测转换电路

2.3 模拟与数字信号转换模块

由于便携式瓦斯浓度检测系统设计时需突出体积小、耗电少、精度高、携带方便等特点，因此模拟与数字信号转换模块采用主控制芯片内嵌的模拟与数字信号转换器。STM32F103RBT6内置两个十二位模拟与数字信号转换器，每个模拟与数字转换器共用多达十六个外部通道，各个外部通道的模拟与数字信号转换可以按单次、连续扫描及间断模式执行。

2.4 温度传感器

通常，热敏电阻价格高、非线性，需要复杂的恒流源伺服电路，数据处理复杂[8]。热电偶需要加上补偿电路，材料价高。以上两种方案还都要配置模拟与数字信号转换器。如果采用DS18B20型温度传感器，那么只需要利用三条连接导线和一个合适的电阻，就能检测温度数据，同时又使电路非常简单。DS18B20型温度传感器不仅体积小、经济实用，而且适用电压范围宽[9]，这些特点非常符合便于携带的特点。系统选择DS18B20型温度传感器作为温度测量元件，其外部接线如图4所示。

图4 温度传感器外部接线

2.5 时钟模块

便携式瓦斯浓度检测系统具有时钟显示功能，为工作人员带来便利[10]。由于DS1302具有引脚少、体积小、价格低等优点，因此选择该芯片用作时钟显示芯片，如图5所示。

图5 DS1302芯片电路

2.6 把关器电路

便携式瓦斯浓度检测系统所选用的STM32F103RBT6单片机内部嵌有两个把关器定时器。

2.7 LED显示模块

便携式瓦斯浓度检测系统采用LED数码管显示。四位LED显示器的外部电路如图6所示。

2.8 键盘与接口技术

便携式瓦斯浓度检测系统设计中，考虑到按键数目不多，单片机输入输出口占用不多，采用独立式结构。独立式键盘如图7所示。

2.9 声光报警模块

图6 四位LED显示器外部电路

图7 独立式键盘

便携式瓦斯浓度检测系统采用电磁式蜂鸣器作为声报警的发声器件，当瓦斯浓度超过限定值时，单片机PB10口输出低电平，使PNP型三极管r8550导通，蜂鸣器两端脚产生压差，从而发出声报警信号。采用LED串接限流电阻作为光报警的发光器件，当瓦斯浓度超过限定值时，单片机P8口输出低电平，使LED导通，发出光亮，产生光报警信号。声光报警模块电路如图8所示。

图8 声光报警模块电路

3 软件设计

便携式瓦斯浓度检测系统的软件主程序流程如图9所示。

图9 系统软件主程序流程

4 结束语

笔者所设计的便携式瓦斯浓度检测系统中，主控制芯片采用STM32F103RBT6单片机。该单片机内嵌两个十二位模拟与数字信号转换器、两个把关器定时器，使所设计的检测系统可不再另选模拟与数字信号转换模块、把关器等器件，这样既能减小检测系统的体积，又可以降低成本，还能为后续维护带来便利。

便携式瓦斯浓度检测系统集数码显示及声光报警功能于一体，具有体积小、便于携带、使用简单、测量精准、读数方便及稳定性好等特点，在实现瓦斯浓度检测的基础上增加温度、时间等显示功能，便于煤矿井下工作人员了解时间及井下温度。可见，这一检测系统的设计研发将会给井下工作人员带来许多便利，可以成为井下工作人员的得力助手。