凌阳16位单片机在煤矿瓦斯浓度自动监测系统中的应用.docx

凌阳 16 位单片机在煤矿瓦斯浓度自动监测 系统中的应用 点击浏览该文件 点击浏览该文件 单强 摘要:介绍凌阳 SPCE061 在数据采集中的应用及其井下 瓦斯的自动检测、预测及监控系统的设计。 关键词:SPCE061 单片机；瓦斯浓度检测；数据采集 The application of Sunplus 16-bit MCU to the Mine gas Auto-detection System Shan Qiang (Shendong company of Chinese Shenhua Group,Shaanxi-Shenmu,719300,China) Abstract:The paper introduced the application of Sunplus SPCE061 MCU to data-acquisition and design of mine gas Auto-detection ,Prediction and monitoring system. Key words:SPCE061;monolithic processor;gas detection; data acquisition 1 问题的提出 我国煤矿百万吨煤死亡率是美国的 60 倍,是印度的 5 倍1。近几年来,煤矿重大、特大事故频繁发生,其中,瓦 斯爆炸事故占了一大部分,给国家和人民的生命财产造成了 重大损失。加强企业管理预防事故发生,是煤矿企业管理的 重要课题。要从根本上增强在高危险环境下作业的安全性, 必须依靠先进的科技检测手段和先进的技术预防措施。 目前,国内外用于检测瓦斯的装置分为固定式和便携式 检测仪表,这些仪器的缺点是不能实现在线实时检测、预测 和监控。我们设计的井下瓦斯自动检测、预测和监控系统 解决了这些问题。 本设计系统框图如图 1 所示。其中,前三个框部分放置 在井下作业面或排风口,后三个框 信 号 检 测 信 号 处 理 PC 微 机 凌 阳 SPCE061 控制板 报警 显示器 图 1 井下瓦斯检测、预测、报警和监控系统框图 部分放置在井上,井下与井上通过光缆连接成一个完整 的系统。本系统工作过程如下:从现场(作业面、出风口等) 传感器送来的瓦斯信号经放大、滤波,变成 SPCE061 单片微 机可以接受的信号。单片微机将模拟信号转换成数字信号, 根据设定值发出预警、报警的声、光信号,并以数字信号的 形式发送给 PC 微机。PC 微机以时间为横坐标,以瓦斯浓度 为纵坐标和以时间为横坐标,以瓦斯浓度变化率为纵坐标 (可以观测瓦斯浓度、瓦斯浓度变化率的实际值)的两条曲 线表示出井下各处瓦斯浓度、瓦斯浓度变化率的真实情况, 同时, PC 微机也会根据具体情况发出声、光报警、预警信 号,从而为领导层在处理井下瓦斯工作的决策提供依据。 2 系统各单元设计 2.1 瓦斯检测单元 瓦斯检测电路的设计原则应该是:一方面既要安全可靠,又 要真实反映瓦斯浓度；另一方面,瓦斯检测电路的电信号有 利于后级电路的处理。我们采用电桥测量,瓦斯传感器(包 括补偿部分)作为电桥的两臂,可调的电阻电路作为电桥的 另外两臂。检测瓦斯的电桥两臂如图 1 所示。随着瓦斯浓 度的增大,热催化传感器 Rw 表面由于发生氧化放热反应,使 Rw 随着温度上升阻值增大。图 2 中流过 Rw 的电流减小,U 减小。即传感器两端为一恒压。这种恒压检测的方法有利 于提高传感器的稳定性、抗高浓度瓦斯冲击能力和使用寿 命。由表 1 可以看出,用图 2 所示的电路检测瓦斯的浓度, 输出电压与瓦斯浓度的线性关系非常好。 表 1 瓦斯浓度与电桥输出电压值 瓦斯浓度/% 0.00 0.31 0.74 1.31 2.03 2.73 3.39 3.92 电压/mV 0.01 5.19 13.87 22.35 33.15 48.32 58.02 68.05 图 2 瓦斯采样电路 2.2 仪表放大电路化 仪表放大电路的任务是把由于瓦斯浓度的变而产生的 电压变化信号放大为 03.3V 的电压。对仪表放大电路的 基本要求是:为了尽可能减小对检测电路的影响,输入阻抗 要足够高;要有滤波功能。本设计采用 ispPAC 加一运算放 大器电路。ispPAC (in-system Programmable Analog Circuits)具有在系统可编程技术的优势和特点,可通过开 发软件在计算机上快速、方便地进行模拟电路的设计、修 改,对电路的特性进行仿真,然后用编程电缆将设计方案下 载到目标芯片中。ispPAC10 有四个 PAC 块,每一个 PAC 由两 个仪用放大器 IA 和一个输出放大器 OA 组成的求和/滤波模 拟电路。每一个 PAC 均为差动输入、差分输出。仪用放大 器 IA 的输入阻抗为 1G。由表 1 可以看出,当瓦斯浓度的 变化范围在 03.92%时,电桥电路的差动输出电压范围为 068.05mV,单片机的 A/D 输入电压范围为 03.3V。因此, 仪表放大电路的总放大倍数为 48.5。在调试过程中,由于采 用了 PAC,反复几次调整 IA 的增益和滤波参数,就解决了前 级放大电路的所有问题。这在采用其他运算放大器电路中 是做不到的。 2.3 信号处理电路 信号处理电路采用台湾凌阳单片微机 SPCE061。SPCE061 是台湾凌阳科技股份有限公 司的一款 16 位单片微机,内部采用总线结构,把各功能 部件模块化地集成在一个芯片里,有效地减少了各功能部件 之间的连线,提高了集成度,增强了系统的可靠性和抗干扰 能力2。它有 8 通道 10 位 A/D 输入(其中,一个通道具有 内置自动增益控制功能的麦克风输入方式);双通道 10 位 DAC 方式的音频输出功能；32 位可编程并行 I/O 口；一个 通用异步全双工串行通信接口 UART。这些功能为本系统设 计提供了很大的方便。本设计包括井下瓦斯浓度、岩石压 力和温度等检测信号,经仪表放大电路放大到 03.3V 的电 压,馈送到 SPCE061 的 ADC 端口。经过软件滤波后， SPCE061 通过串行口把数据传送至上位计算机,并把此数据 与预警值和报警值进行比较,如果低于预警值,则在现场发 出绿灯信号；如果达到或超过预警值而低于报警值,则在现 场发出黄灯信号,并发出间隙声响的预警声音；如果达到或 超过报警值,则在现场发出红灯信号,并发出连续急促声响 的报警声音。SPCE061 具有较强的语音信号处理、存储功能。 只要把语音录入,并根据采集的信号值选择相应的语音数据 数输出,便可完成相应的语音功能。 3 计算机软件功能 下位机 SPCE061 的软件功能如图 3 所示。其中,所有程 序均采用汇编语言完成。 A/D 转换 转换完否？ LED 显 瓦 示 斯 当 浓 前 度 向 传 上 送 位 数 机 据 报警 预警 警报 结束 开始 N Y 图 3 下位机程序框图 上位机软件用 Visual Basic 6.0 编写3。主要 功能如下:对数据库进行读写操作；输出瓦斯浓度实时曲线； 输出瓦斯浓度预警曲线和供随时调用任一时刻的瓦斯浓度、 瓦斯浓度预警值。瓦斯浓度预警曲线是根据各时间段瓦斯 浓度的变化率和各时间点瓦斯浓度的实际值,计算机采用一 定的算法绘制出的一条曲线。 4 结语 本设计充分利用凌阳 SPCE061 高度集成化的特点, Lattic 公司的 PAC 设计方便、调试简单为设计者节省了时 间,提供了极大的方便。该系统经过安装调试,各项性能指 标均达到了设计要求。预测功能是由瓦斯浓度梯度的变化 曲线和现场实际瓦斯浓度的变化规律作出的。本系统经过 实验室多次实验,以及与经过现场调查的实际情况相比较, 可以证明,该系统性能、功能稳定可靠,完全可以投入现场 应用,为我国的矿山生产安全作出贡献。本系统设计是凌阳 SPCE061 和 P