一种抗干扰矿用多参数传感器设计

张德胜

1煤炭科学技术研究院有限公司 北京 100013

2煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 北京 100013

3北京市煤矿安全工程技术研究中心 北京 100013

煤矿井下环境参数检测是安全生产的重中之重，但目前常见的矿用传感器功能较为单一，且多为单参数传感器，集成化程度较低。此外，在实际应用中，布置在大型变频设备附近的传感器经常会出现冒大数等误报警情况[1-3]，因此传感器的抗干扰能力有待加强。

笔者设计了一种环境多参数传感器，可同时检测一氧化碳、氧气、二氧化碳、硫化氢、温度、湿度 6种参数，并采用抗电磁干扰设计消除了环境中变频等设备对传感器的影响，提高了检测的可靠性。

1 传感器总体设计

传感器总体架构分为 2 个部分。第 1 部分是信号采集，即分别独立采集一氧化碳、氧气、二氧化碳、硫化氢、温度、湿度 6 种信号，信号通过光耦隔离电路后进入传感器单片机串口，进行进一步分析；第 2部分是传感器数据的传输与显示。多参数传感器架构如图1 所示。

图1 多参数传感器架构Fig.1 Architecture of multi-parameter sensor

2 硬件设计

2.1 关键信号采集设计

基于模块化设计理念设计多参数传感器信号采集，分别将 6 种参数根据检测原理实现数据采集并采用同一标准协议通过串口输出，有效增强了传感器的可扩展性和兼容性。根据标准协议实现传感器通用主板电路设计，通过轮询方式实现探头信号采集，方便更换探头以及根据需要采用组合方式实现一个或多个参数的采集。

2.1.1 氧气检测设计

氧气采用 4OXV 系列氧气敏感元件，其灵敏度为5 µA/(1.00% O2)，最大检测范围为 (0～25.00%) O2，传感器整个量程段信号变化为 5 µA×30＝150 µA，检测电路如图2 所示。探头输出的电流经过放大器AD8603 放大后，采用规定的 100 Ω 负载电阻取样信号变化量为 15 mV，并再次处理后，按照标准协议通过串口输出。

图2 氧气检测电路Fig.2 Oxygen detection circuit

2.1.2 硫化氢检测设计

硫化氢敏感元件采用英国 4HS 探头，量程为 0～200×10-6，检测电路如图3 所示。探头输出的电流信号经过运算放大器放大，转换为电压信号同过 RC 滤波后，进入单片机 AD 转换，处理后按照标准协议通过串口输出。

图3 硫化氢检测电路Fig.3 Hydrogen sulfide detection circuit

2.1.3 其他电路设计

二氧化碳采用英国 DYNAMENT 探头，量程为 0～ 5.00% CO2；一氧化碳采用山东微感光电子有限公司MSP1000CO(M) 探头，量程为 0～1 000×10-6，两者输出信号均为串口 TTL，因此，无需单独的信号采集电路，根据标准协议输出信号即可。温湿度采用瑞士Sensirion 公司 SHT21 型号的探头，其输出信号为串口 IIC，采用信号处理电路转换为串口 TTL。

2.2 多路串口复用设计

2.2.1 串口干扰问题

多参数传感器采用一路串口接收 5 路探头串口数据，但是在实际测试时发现当并联其中任意两路串口会出现无法正常收发数据的情况。因此，以其中 2 组串口为例，使用示波器分析串口工作情况。模块 1 与模块 2 TX 单独工作时，输出信号如图4 所示。

图4 模块串口输出信号波形Fig.4 Signal output waveform of module serial port

如果将模块 1 与模块 2 的 TX 并联接入主控制器的 RX，输出信号如图5 所示。当其中一个串口模块发送数据时，并联后的输出信号 TX 高电平为 3.26 V，而低电平被拉高为 2.14 V。通常情况下，微控制器的有效低电平不高于 1.5 V，当低电平被拉高，导致其无法正确接收串口模块 1 发送来的数据。虽然两个模块的 TX 配置为输出，但任然具备吸附电流的能力，会影响另一个模块的输出，并会使输出低电平抬高，从而造成电平逻辑混乱。

图5 模块 TX 并联后输出信号波形Fig.5 Signal output waveform after parallel connection of TX in modules

2.2.2 解决思路

通过上述分析，基于光耦模块设计了一种 TTL串口复用电路，如图6 所示。串口模块不发送数据时，TX 处于空闲状态，引脚为高电平，光耦模块不导通，此时，微控制器 RX 管脚的信号为高电平。当其中一个串口模块开始发送数据，当数据为高电平时，进入微控制器 RX 管脚的信号为高电平；当数据为低电平时，与该串口模块 TX 连接的光耦导通，进入微控制 RX 管脚的信号接地，引脚为低电平，微控制可以正确接收串口模块发送来的数据[4-6]。

图6 串口复用隔离电路Fig.6 Serial port multiplexing isolation circuit

进一步使用示波器对设计的串口复用电路进行验证，其中一个串口模块发送数据时，并联后的 TX脚输出信号如图7 所示。当串口模块输出高电平时，电压为 3.68 V；当串口模块输出低电平时，电压为 0 V，可以正常收发数据。

图7 优化后模块 TX 并联后输出信号波形Fig.7 Output signal waveform after parallel connection of TX in modules with optimized circuit

2.3 传感器缓启设计

在传感器上电瞬间，存在一定的电压波动产生相对比较大的冲击电流，可能会触发供电电源的过流保护[7-8]。因此，需要在电源输入端设计缓启电路来平缓电源上电瞬间产生的大电流。基于 MOS 管法，设计了多参数传感器的缓启电路，如图8 所示。

图8 缓启电路Fig.8 Slow-start circuit

其中，由 MOS 管、电阻、电容、二极管等构成的电源输入保护电路，其中由 MOS 管 Q1、电阻R1、R2、电容 C1 构成缓启电路。在电路上电瞬间，电容 C1 通过电阻 R2 缓慢充电，使电压Vgs缓慢升高，MOS 管导通电阻Rd逐渐减小，导通电流Id缓慢增加。缓启动的速度由充电常数τ=(R2/R1)C1决定，C1越大缓启动时间越长，R2与R1比例越大，缓启动时间也越长。

在电路掉电瞬间，C1 通过 R1 进行放电，使电压Vgs缓慢降低，MOS 管导通电阻Rd逐渐增加，导通电流Id缓慢减小。随后电压降低到 MOS 管的开启电压后，MOS 管 Q1 被关断，放电常数τ=R1C1。

其中 R3 和 C2 组成阻容能量吸收电路，吸收在关断时产生的反向电动势，防止对 MOS 管造成伤害。钳位二极管 D1 是为了防止 MOS 管的栅极电压过高被击穿，电阻 R4 可以防止 MOS 管出现自激振荡。在电源输入端增加自恢复保险 F1，可以防止电流过大，保护后级电路，增加钳位二极管 D3，可以防止输入电压过大对后级电路产生不可逆的损坏。

在LTspice 软件中建立电路模型[9]，输入电压为21 V。分别将探针放置在负载上端、下端、负载中可以分别检测到负载上部电压U002、下部电压U005、电流IR3，如图9 所示。由图9 可以看出，在上电 14 ms时开始导通，负载下部电压U005开始逐渐下降，负载电流开始逐渐增加。通过仿真验证了缓启电路设计的正确性。

图9 电路缓启仿真Fig.9 Simulation of slow-start circuit

2.4 抗干扰设计

通过井下实际测试发现大型变频模块产生的干扰频段集中在 80 MHz 以下，该频段的干扰极易引起传感器产生数据采集异常[10-11]。为解决该问题，设计滤波器电路如图10(a) 所示，滤波电容C＝2 200 pF，共模电感LP＝10 µH，电容滤波处于第一级。应用 ADS(Advanced Design System) 仿真软件对滤波器的参数进行仿真计算[12]，结果如图10(b) 所示。从仿真结果可以看出，滤波器电路插入损耗为 81.13 dB，对 80 MHz 以下频段有明显抑制作用。

图10 滤波器仿真Fig.10 Filter simulation

2.5 显示设计

由于井下环境黑暗，且传感器安装时一般位于巷道顶端，故采用数码管设计，方便查看数据。数据通过数码管显示时，存在传感器显示参数种类较多时无法分清当前显示参数的情况，此外，数码管也无法显示参数类型。因此，采用数码管显示数值时，可以通过使用双色 LED 灯 (红蓝) 指示方法实现 6 个参数的区分，如图11 所示。将当前显示参数的位置显示为红色，其余灯全部常亮为蓝色，依次循环显示。通过不同位置的红色灯，实现对 6 个参数的识别。

图11 多参数显示Fig.11 Multi-parameter display

3 软件设计

软件程序移植 RT-Thread 实时操作系统[13-16]，提高传感器响应速度。软件流程如图12 所示。基于RT-Thread 设计了 4 个线程，分别处理数据采集、显示与存储、与上位机通信以及遥控操作。利用 RTThread 的信号量、时间、消息队列机制，实现了多参数传感器的高效、可靠运行。

图12 软件流程Fig.12 Software flowchart

4 试验测试

(1) 缓启测试 采用多次拔插传感器航插接口的方式测试多参数传感器在上电瞬间是否引起供电电源过流保护，并用示波器记录缓启电路启动时间。测试结果表明缓启电路延缓时间约为 18 ms，上电期间电源均未出现过流保护，可以有效平缓电源上电瞬间产生大电流。

(2) 性能测试 按照相关标准分别使用 500×10-6CO、21.00% O2、2.50% CO2、50×10-6H2S 标准气以及采用 50 ℃、50% RH 温湿度完成对传感器 6 种参数调校，并进行误差测试，结果如表1 所列，测试结果均符合要求。同时，也间接验证了基于光耦模块设计的多路串口复用电路可以准确收发数据。

表1 传感器误差测试Tab.1 Sensor error test

(3) 抗干扰测试 在实验室对传感器进行 150 kHz～80 MHz 射频场感应的传导骚扰抗扰度试验，对传感器抗干扰能力进行验证，并进行脉冲群、浪涌、射频电磁场辐射抗扰度试验。滤波器抗干扰测试结果如表2 所列。试验结果表明，增加滤波电路对 80 MHz 以下的干扰亦具有良好的滤波效果。

表2 抗干扰测试结果Tab.2 Test results of anti-interference

5 结语

(1) 针对传感器多路串口复用时 TTL 信号电平混乱问题，设计了基于光耦模块的串口复用电路，增强了通信的可靠性。

(2) 设计了多参数传感器缓启电路，避免了传感器上电启动时瞬间产生的大电流触发供电电源的过流保护的现象发生。

(3) 针对矿井中 80 MHz 以下的电磁干扰引起传感器数据异常的问题，基于 ADS 软件设计了滤波器，通过仿真优化后的滤波器在实验室对传感器进行 150 kHz～80 MHz 射频场感应的传导骚扰抗扰度试验时，传感器未再出现“上大数”等问题。