智能瓦斯传感器的设计及调试

郭二孩

（华阳集团开元公司通风部遥测队，山西 晋中 045400）

引言

近年来，煤矿瓦斯事故一直是影响我国煤矿安全生产的重要因素，建立安全高效通用的煤矿监控系统是煤矿安全生产的重要保障，因此智能瓦斯传感器的设计与研发是一项重要的研究课题[1]。智能传感器以微处理器为核心，由传感器和相关电路组成，在传统传感器的基础上进行了功能扩展和升级，主要分为模块式、混合式和集成式三种形式[2]。将智能传感器与计算机技术相结合，一方面大大增加了传感器的数据判断和信息处理能力，同时可以实现传感器的远程监控和调试[3]。目前，集散控制系统和现场总线系统是工业控制系统中的两大主要通讯系统，而CAN 总线是现场总线系统中的一种，具有通讯效率高、成本低的优点，应用范围极为广泛[4]。本文通过理论和实验相结合的方式，设计了以嵌入式微处理器为核心，以CAN 总线为通讯方式的智能瓦斯传感器，并在实验条件下，对传感器的硬件和软件进行了调试和运行，进行了瓦斯浓度的测试和报警实验，对传感器的可靠性和稳定性进行了考察与验证。

1 智能瓦斯传感器的设计方案

智能瓦斯传感器的设计主要包括硬件系统和软件系统两部分，硬件系统包括控制器最小系统、传感器信号调节、报警显示以及CAN 总线网络的设计，软件部分需根据各模块软件流程编写相应的程序代码。CAN 网络的每个节点都能完成特定的功能，同时也能以多种方式实现，大大简化了系统，提高了准确性和可靠性。

1.1 智能瓦斯传感器硬件设计

1.1.1 微处理单元模拟系统单元

瓦斯智能传感器的核心是微处理单元，该单元由传感元件、放大器和A/D 转换器组成。目前，常用的检测瓦斯的传感器有催化传感器、红外传感器和光纤传感器。考虑到矿井瓦斯的主要成分为甲烷，甲烷在标准大气压条件下是一种无色、无味、密度小于空气、难溶于水的气体，主要集中在矿井巷道的顶部；而且甲烷不支持呼吸，有窒息的风险，浓度超过一定范围时可以发生燃烧甚至引起爆炸。因此，本文中设计的智能瓦斯传感器的浓度监测范围为1%～4%，采用的传感器为热效式瓦斯传感器，利用可燃气体在催化剂条件下发生燃烧产生的热量，使得测量元件的电阻值发生改变，从而间接表征瓦斯的浓度。在传感器中，以LXK 系列催化气敏元件作为瓦斯传感器的敏感元件。

A/D 电路能够将瓦斯浓度信号转化为电路信号，具体的工作原理为：首先由瓦斯敏感元件采集浓度信号，将浓度信号传至调理电路进行放大处理，最终至微处理器进行A/D 转换。实验对A/D 电路的采样频率进行了优化，最终确认在0～3.3 V的电压下，每秒进行400 000 次10 位采样。

1.1.2 系统控制电路

系统控制电路是系统运行的基本电路，由系统电源电路、存储电路、复位电路和时钟电路四部分组成。由于微处理器芯片需在3.3 V 电压条件下工作，因此系统电源电路先通过USB 直接连接5 V 直流电源，经过滤波处理和稳压器作用后，将整体电压稳定至3.3 V；系统的存储部分由FLASH 存储器和RAM存储器组成，主要用来存储数据和程序；复位电路是在系统上电、掉电和跳电情况下对系统进行复位的单元，一般通过RESET 管脚和看门狗复位两种方式进行复位操作，本文选用RESET 管脚复位方式，通过施密特触发输入管脚进行调控，确保整个系统的各部分均以确定的初始状态开始工作；系统时钟电路是处理数字化信息的基础，直接影响系统的正常工作，本文选择有源晶体振荡器产生时钟信号，振荡器频率为60 MHz，晶振频率为11.059 2 MHz，此外，在定时器、A/D 和CAN 控制器上也均设有时钟信号。

1.1.3 功能电路

为满足智能传感器的瓦斯浓度实时显示和报警等功能，在系统电路之外还需设立键盘电路、液晶显示电路、超限报警电路、风、电、瓦斯闭锁电路和CAN 控制器电路。其中系统显示部分采用1602 液晶显示器，该显示器由内置驱动和电平转换芯片ULN2003 组成，ULN2003 具有耐高压的特点，能够在“关”态时承受高达50 V的电压，并在高负载电流条件下运行；瓦斯传感器的最重要的作用是能够进行超限报警，本文设计了蜂鸣器报警电路，如图1 所示，蜂鸣器使用PNP 三极管进行驱动，当瓦斯浓度达到限定值后，触发报警器报警，此外在报警的同时，微处理器还会输出控制信号，切断矿井内其他电气设备的电源。

图1 蜂鸣器报警电路

1.2 智能瓦斯传感器软件设计

本文采用ADS1.2 集成开发环境进行程序编译，分别使用C 语言编写系统初始化模块、主程序模块、LCD 显示和报警子程序数据处理存储模块、数据通信模块。图2 为主程序的设计流程图，当系统通电后，微处理器控制系统进行初始化和自检操作，然后由数据采集模块采集数据，再将传感器输出的模拟电压经微处理器单元分析处理后转化成瓦斯浓度值，若瓦斯浓度超过预设值1.5%，微处理器输出一个控制信号，控制系统执行断电操作；若未超过预设值，则执行下一步命令；然后继续判断瓦斯浓度是否超过1%，是则调用报警程序，否则直接将数值传输到液晶显示单元进行瓦斯浓度实时显示。

图2 主程序流程图

2 瓦斯传感器的系统调试和实现

对上述智能瓦斯传感器进行硬件和软件两方面的调试，考虑到瓦斯的危害性，因此无法提供标准浓度的瓦斯气体，最终在实验室进行相关的模拟实验。

2.1 硬件调试

实验对智能瓦斯传感器的主体电路、CAN 总线控制电路、液晶显示器件以及整个传感器样机的组装进行了检查，分别在通电运行之前检查各器件的型号、规格，检查电路是否有短路的风险，确认无误后，方可接通电源；最后，把所有控制系统按照设计进行连接，为软件调试做好准备。

2.2 软件调试

在ADS1.2 软件中打开编写好的软件程序，确认代码没有编译错误后，通过JTAG 仿真器软件下载微控制器内Flash 文件，分别设置CPU型号、硬件接口和停机模式，进入调试环境；将编译好的程序下载后，即可进行瓦斯传感器浓度显示和报警功能的演示；如图3 所示，在A/D 端输入不同的电阻值最终可以得到相应的瓦斯浓度值，下页表1 为不同电压值的甲烷浓度值和实测值的比较，当浓度超过预设值时，瓦斯传感器报警。

表1 甲烷浓度值和测量值比较

图3 智能瓦斯传感器显示电路

3 结语

基于我国矿井安全管理中瓦斯监测监控系统的欠缺和不成熟现象，本文将微处理器嵌入式技术和CAN 总线技术相结合，设计了适用于1%～4%瓦斯监测的智能传感器，该智能传感器不仅可实现瓦斯浓度实时显示，还能完成超限报警和断电等功能；此外，在实验条件下，对智能瓦斯传感器的硬件系统和软件代码进行了调试，对样机进行了瓦斯浓度测试和报警等实验，充分证明了智能瓦斯传感器浓度监控的准确性以及运行的稳定性，为矿井的安全生产管理奠定了基础。