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矿工井下安全监测智能头盔的信号 采集技术研究 摘要 煤炭是我国重要的基础能源，在国民经济中具有重要的战略地位。然而近年来，我 国的煤矿事故发生频繁，不仅造成了巨大的人员伤亡，同时也给我国经济带来了很大的 损失，因此煤矿生产安全已成为我国当前亟待解决的问题。 本文研究的矿工井下安全监测智能头盔能够连续对周围环境中的c h 。、c o 、h ：s 等气体浓度和环境温度进行准确、可靠的检测，并通过n r f 2 4 0 1 将测量到的数据实时传 输到监控中心，具有数据本地显示、本地存储、报警参数设置、超限声光报警等功能。 本文提出了在矿工安全帽上集成多种环境参数监控系统的总体方案，引入了低功 耗、小型化的设计思想，系统地阐述了矿工安全智能监测头盔的设计要求和设计原理。 完成了硬件系统设计，主要包括c h 。、c o 、日：s 等气体和温度的检测电路和信号调理 电路、电源电路、嵌入式微处理系统、键盘电路、显示电路、报警电路和无线数据传输 接口电路；完成了软件系统设计，通过软件实现当所测参数超过设定的报警值时进行报 警、切换到节能模式等功能，同时对三种气体参数的零点和灵敏度进行了校正。并结合 煤矿井下的实际情况，提出了抗干扰和降低功耗的措施。 实验结果表明，该系统在测量基本误差、响应时间、报警性能等主要技术指标上均 达到设计要求。系统满足小型化、低功耗、功能易扩展的要求，为实现对矿井的事故检 测和早期预测提供了新的装备。 关键词：矿工智能头盔，气体浓度检测，温度检测，m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，n r f 2 4 0 1 t h er e s e a n ：h g n a l u i s i t i ( t e c h n o l o g yofthehe r e s e a r c ho ns l r n a la c q u i s i t i o nt e c r m o l ot h em l n e r s a f e t y - - m o n i t o r i n gi n t e l l i g e n th e l m e tu n d e rm i n e - s h a f t a b s t r a c t a sc o a li st h em o s ti m p o r t a n tf o u n d a t i o ne n e r g y , i th a sas t r a t e g i cs t a t u si nt h en a t i o n a l e c o n o m y i nr e c e n ty e a r s ，c o a lm i n ea c c i d e n to c c u r si no u rc o u n t r ya tah i 曲f r e q u e n c y i t m a k e sh u g ep e r s o nf a t a l i t ya n db r i n g s g r e a tl o s s i ne c o n o m y c o n s e q u e n t l yt h es a f e p r o d u c t i o nb e c o m e sa nu r g e n tp r o b l e mi no u rc o u n t r y t h es a f e t y m o n i t o r i n gi n t e l l i g e n th e l m e td e s i g n e di nt h i sp a p e rc a nc o n t i n u o u s l ym o n i t o r t h ec h 4 ，c o ，h 2sa n dt e m p e r a t u r ei na m b i e n te n v i r o n m e n t 、析mah i 曲a c c u r a c ya n d r e l i a b i l i t y i tc a na l s ot r a n s f e rt h em e a s u r e dd a t at om o n i t o r i n gc e n t e rt h r o u g hn r f 2 4 0 1 i th a s f u n c t i o n ss u c ha sd a t al o c a l - d i s p l a y , d a t al o c a l s t o r e ，a l a r mp a r a m e t e r - s e ta n da c o u s t o o p t i c a l a r m t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e daw h o l es y s t e mc o n c e p tt h a ti n t e g r a t e sm a n yk i n d so f e n v i r o n m e n tp a r a m e t e rs u p e r v i s o r ys y s t e mo nt h em i n e r sh e l m e t t h ed e s i g nt h o u g h to f m i n i a t u r i z a t i o na n dl o wp o w e rl o s sa r ei n t r o d u c e d t h ed e s i g nr e q u i r e m e n ta n dp r i n c i p l eo f t h em i n e rs a f e t y - m o n i t o r i n gi n t e l l i g e n th e l m e ta r ee x p o t m d e ds y s t e m a t i c a l l y t h eh a r d w a r e d e s i g ni sp r o p o s e d ，w h i c hi sm a i n l yc o m p o s e do fd e t e c t i n gc i r c u i ta n ds i g n a lp r o c e s s i n g c i r c u i ta b o u tc h 4 ，c o ，h2 sa n dt e m p e r a t u r e ，t h ep o w e rc i r c u i t ，t h ee m b e dm i c r o p r o c e s s o r , t h ek e y b o a r dc i r c u i t ，t h ed i s p l a yc i r c u i t ，t h ea l a r mc i r c u i ta n dt h ew i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n c i r c u i t t h es o f t w a r ei sc o m p l e t e l yc o m p i l e d a c c o r d i n gt ot h es o f t w a r e ，t h es y s t e mc a ng i v e a na l a r mw h e nt h em e a s u r e dp a r a m e t e rs u r p a s s e st h ew a r n e dv a l u e a n di tc a nt u r nt ot h e p o w e rs a v em o d e t h ez e r op o i n ta n da c c u r a c ya r ec a l i b r a t e d a c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o no f t h em i n es h a f t ，t h em e a s u r eo fa n t i i n t e r f e r e n c ea n d r e d u c i n gs y s t e m sp o w e r a r ep r o p o s e d t h et e s tr e s u l ts h o w st h a tt h i ss y s t e mr e a c h e st h ed e s i g nr e q u i r e m e n ti nf u n d a m e n t a l e r r o r , r e s p o n s et i m e ，w a r n i n gp e r f o r m a n c ea n ds oo n t h i ss y s t e ms a t i s f i e st h er e q u e s to ft h e m i n i a t u r i z a t i o n ，t h el o wp o w e rl o s sa n dt h ef u n c t i o ne x p a n d i n ge a s i l y , o f f e r i n gan e wd e v i c e t oa c c i d e n tt e s ta n de a r l yf o r e c a s t k e y w o r d s ：t h e m i n e r i n t e l l i g e n th e l m e t ，g a sd e t e c t i o n ，t e m p e r a t u r e d e t e c t i o n ， m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，n r f 2 4 0 1 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 赵娅日期：型缍盟幽 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包 括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件： 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复 制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容 ( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：趟 导师签名：哆主! 段 e l 期：出上目2 豳 b 1 t t l - 2 础互吕碰 中北大学学位论文 1 1 课题提出的背景和意义 1 绪论 煤炭工业是工业生产各行业中自然条件差、危险源多的行业，安全工作始终是煤炭 企业面对的最重要、最严峻的问题。尽管国家有关部门多次下发有关煤矿管理条例，但 煤矿事故每年夺走数千煤矿工人的生命，造成数以亿计的财产损失，不仅损害人民群众 的生命财产和切身利益，也制约着煤炭工业的持续健康发展，对经济发展、社会稳定和 国家形象都产生了负面影响。 目前我国煤矿安全生产形势严峻，突出表现为三点： 一是瓦斯灾害严重，爆炸事故多发。我国煤矿露天开采比重小，井工开采比重大， 地质构造复杂，约半数的煤矿为高瓦斯、“高突”矿井。新中国成立以来共发生1 9 起 一次死亡百人以上的煤矿事故，其中1 5 起为瓦斯爆炸，约占8 0 。 二是技术装备落后。机械化程度国有重点煤矿为7 5 ，地方煤矿为2 5 ，而乡镇和 个体煤矿大多数是非常落后的、原始的开采方式，矿工文化素质低，安全生产基本没有 保证；非法和不具备安全生产条件的小煤矿违法违规生产，伤亡惨重。小煤矿产量约占 全国的1 3 ，死亡人数却占2 3 以上。为数不少的小煤矿忽视安全，管理混乱。 三是我国煤矿安全监测技术相对十分落后，井下安检设备缺乏、安全管理制度不完 善、安全监控成本高、资金投入严重不足、抢灾能力低下。全国国有重点煤矿有3 4 处 矿井风量不足，1 5 4 处高瓦斯矿井未建抽放系统，2 3 1 处矿井没有监控系统，现有的安 全技术装备多数超期服役，带病运转乜1 。有些装备了瓦斯监测系统的煤矿出于运行费用， 特别是频繁的报警对生产的影响，经常甩开系统冒险作业，致使监控系统形同虚设，严重 威胁到矿工安全。 由上可见，瓦斯、火灾等各种安全隐患在造成巨大损失的同时，更严重威胁着矿井 作业工人的人身安全。对煤矿井下c h 。、c o 、h ，s 浓度和温度进行精确测量和实时监测 控制是防止煤矿发生瓦斯爆炸、确保人身安全和生产安全的重要措施4 1 。本课题在原 来矿工安全帽单一矿灯照明的基础上，装配一些探测c h 。、c o 、h ，s 浓度和温度的传感 器，使其在具有照明的同时，也能实时探测一些有害气体的浓度和温度值，并在探测到 中北大学学位论文 它们超出定的范围时自动报警，实现井下数据的实时采集、处理、存储、显示与报警 功能。该矿用头盔为矿井安全生产提供了有力的保障，从而减少人员伤亡和经济损失。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 煤矿监控系统研究现状 我国监测监控技术应用较晚，2 0 世纪8 0 年代初，从波兰、法国、德国、英国和美 国等引进了一批安全监控系统( 如d a n 6 4 0 0 、t f 2 0 0 、m i n o s 和s e n t u r i o n 2 0 0 ) ，装备了 部分煤矿；在引进的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况，先后研制出k j 2 、 k j 4 、k j 8 、k 3 1 0 、k j l 3 、k j l 9 、k j 3 8 、k j 6 6 、k j 7 5 、k j 8 0 、k j 9 2 等监控系统，在我国煤 矿已大量使用畸同。随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展和企业自身发展的需要， 国内各主要科研单位和生产厂家又相继推出了k j 9 0 、k j 9 5 、k j l 0 1 、k j f 2 0 0 0 、k j 4 k 3 2 0 0 0 和k j g 2 0 0 0 等监控系统，以及m s n m 、w e b g i s 等煤矿安全综合化和数字化网络监测管理 系统。系统由早期的地面单微机监测监控已发展成为网络化监测监控以及不同监测监控 系统的联网监测。其主要由监测终端、监测中心站、通信接口装置、井下分站和传感器 等组成。 目前我国广泛使用的矿灯功能单一，使用性能和安全性能均存在较大缺陷，对煤矿 的安全生产和工人生命安全带来了严重隐患。甲烷报警矿灯等多用途矿灯只占矿灯总量 的1 左右，运用铅酸电池的甲烷报警矿灯有k s w l o ( z ) 、k s w i o ( a ) 、k s w i o s ( c ) 、k s w 6 l m ( a ) 。运用锂离子电池的甲烷报警矿灯有k l 5 l m ( k ) 、k l w 7 l m ( a ) 、k l w 6 l m ( a ) 、k s w i o s ( c ) 、k l w 9 z ( c m ) 7 1 。 国外非常重视多功能矿灯的开发。1 9 7 8 年法国奥达姆公司推出兼具照明和甲烷报警 功能的矿灯，1 9 9 3 年美国一公司发表了安全帽灯用瓦斯报警装置专利技术哺1 。其后英国、 前苏联、波兰等国家也相继研制出这类产品，目前在俄罗斯、波兰和乌克兰等国家使用 较为普遍。例如在俄罗斯，甲烷报警矿灯已占矿灯总量的7 0 ，有效地预防了许多瓦斯 事故的发生。 国内外主要专利有“矿工报警安全帽h 、“智能型瓦斯报警头盔n 们 、“能置于安 全帽内的可燃性、有毒性气体检测报警装置n ”、“头戴式多功能瓦斯报警仪”、“便 2 中北大学学位论文 携式瓦斯报警器n 2 h 、“h e l m e tw i t hi n c o r p o r a t e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 川1 3 1 、“n e w s a f e t yh e l m e tl a m pf o rm i n e 。 国外还开始探索能迅速有效的测定矿井作业工人现行位置的方法，美国、德国、波 兰、奥地利、南非等国家进行了大量试验和研究工作。 1 2 2 气体传感器技术的现状及发展趋势 目前，人们对气体的检测手段主要方法有以下几种：热导分析( 常用于气相色谱分 析) 、磁式氧分析、电子捕获分析、紫外吸收分析、光纤传感器、半导体气敏传感器、 化学发光式气体传感器、化学分析、电化学式传感器n 羽。在众多的分析设备中，一些设 备，如化学发光式气体分析仪等，虽然具有检测灵敏度高、准确性强等优点，但由于体 积庞大，不能用于现场实时监测，而且价格昂贵，超出一般用户的承受能力，所以其应 用受到很大限制；其它一些分析设备，如半导体气敏传感器( 如砌0 2 ，z n o 等) ，灵敏 度虽然比较高，工作温度大多数在3 0 0 度以上，需要加热装置，限制了它在危险环境中 的应用。相对而言，电化学式传感器既能满足一般检测中对灵敏度和准确性的需要，又 具有体积小、操作简单、携带方便、可用于现场监测且价格低廉等优点，所以，在目前 已有的各类气体检测设备中，电化学传感器占有很重要的地位n 6 1 7 1 。 通常以气敏特性来分类，主要分为：半导体型气体传感器、电化学型气体传感器、 固体电解质气体传感器、接触燃烧式气体传感器、光化学型气体传感器、离分子气体传 感器等。 ( 1 ) 半导体型气体传感器 半导体型气体传感器是采用金属氧化物或金属半导体氧化物材料做成的元件，与气 体相互作用时产生表面吸附或反应，引起以载流子运动为特征的电导率或伏安特性或表 面电位变化。这些都是由材料的半导体性质决定的。根据其气敏机制可以分为电阻式和 非电阻式两种。 电阻式半导体气体传感器主要是指半导体金属氧化物陶瓷气体传感器，是一种用金 属氧化物薄膜( 例如：砌0 2 、z n o 、f e ：q 、7 0 ，等) 制成的阻抗器件，其阻值随着气 体含量不同而变化，气体分子在薄膜表面进行还原反应以引起传感器传导率的变化。为 3 中北大学学位论文 了消除气体分子还必须发生一次氧化反应。传感器内的加热器有助于氧化反应过程。它 具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单 等优点。不足之处是必须工作于高温下、对气体的选择性差、元件参数分散、稳定性不 够理想、功率要求高；当探测气体中混有硫化物时，容易中毒。现在除了传统的勋d 、 s n o 和凡，a 三大类外，又研究开发了一批新型材料，包括单一金属氧化物材料、复合 金属氧化物材料以及混合金属氧化物材料。这些新型材料的研究和开发，大大提高了气 体传感器的特性和应用范围。另外，通过在半导体内添加p t 、p d 、i r 等贵金属能有效 地提高元件的灵敏度和响应时间。它能降低被测气体的化学吸附的活化能，因而可以提 高其灵敏度和加快反应速度。 非电阻式半导体气体传感器是m o s 二极管式和结型二极管式以及场效应管( m o s f e t ) 半导体气体传感器。其电流或电压随着气体含量而变化，主要检测氢气等可燃性气体。 其中，m o s f e t 气体传感器工作原理是挥发性有机化合物( v o c ) 与催化金属接触发生反 应，反应物扩散到m o s f e t 的栅极，改变了器件的性能。通过分析器件性能的变化而识 别v o c n 吼1 9 1 。通过改变催化金属的种类以及膜厚可优化灵敏度和选择性，并可改变工作 温度。m o s f e t 气体传感器灵敏度高，但制作工艺比较复杂，成本高。 ( 2 ) 电化学型气体传感器 利用电化学性质的气体传感器在气体传感器中占有相当的比重，它可分为下面一些 种类。一是检测一氧化碳的定电位电解式气体传感器，对检测气体以恒定电位作电化学 性氧化还原，通过测定电场电流获得气体浓度的信息。它的工作原理是利用工作电极与 对电极组成电极对，当这对电极浸入电解液中，在电极间加上电压会产生极化，若工作 电极为正，对电极为负，则电解液中的负离子移向工作电极，正离子移向对电极，此时 被测气体扩散到工作电极上，在催化剂作用下产生电化学反应释放出电荷，使工作电极 与对电极的电位发生变化，产生电流。电流的大小与电极电位和气体浓度等因素有关， 当电极电位一定时，反应电流与气体浓度和扩散系数成正比，与扩散电极厚度成反比。 这种传感器主要用于检测c o 、n o 、0 2 、觚，还可以检测血液中的氧浓度。 电化学式气体传感器还有伽伐尼电池式，可测定被检气体产生的电池电流，如检测 缺氧的仪器几乎都有这种传感器。另外还有电量式气体传感器，通过被测气体与电解质 反应产生的电流，来检测气体的浓度。离子电极式气体传感器，则通过测量离子极化电 4 中北大学学位论文 流来检测气体的浓度。电化学类气体传感器检测气体时选择性好，灵敏度高。 ( 3 ) 固体电解质气体传感器 固体电解质气体传感器是一种以离子导体为电解质的化学电池。2 0 世纪7 0 年代开 始，固体电解质气体传感器由于电导率高、灵敏度和选择性好，获得了迅速的发展，现 在应用于环保、节能、矿业、汽车工业等各个领域，其产量大、应用广，仅次于金属氧 化物半导体气体传感器。近年来国外有些学者把固体电解质气体传感器分为以下三类： 1 ) 材料中吸附待测气体派生的离子与电解质中的移动离子相同的传感器，例如氧 气传感器等。 2 ) 材料中吸附待测气体派生的离子与电解质中的移动离子不相同的传感器，例如 用于测量氧气的由固体电解质s r f 2 h 和r 电极组成的气体传感器。 3 ) 材料中吸附待测气体派生的离子与电解质中的移动离子以及材料中的固定离子 都不相同的传感器，例如新开发高质量的c o ，固体电解质气体传感器是由固体电解质 n a s i c o n ( n a 3 z 如s i 2 p o , 2 ) 和辅助电极材料2 c d 3 一b a c 0 3 或l i 2 c 0 3 一c 口c q ， 上f c q b a c 0 3 组成的。 新近开发的高质量固体电解质传感器大多数属于第三类。又如：用于测量n o ，的由 固体电解质n a s i c o n 和辅助电极n o ：一l i ：c 0 3 制成的传感器；用于测量日：s 的由固体 电解质坯丁一a u w 0 3 制成的传感器；用于测量删，的由固体电解质n h 4 一劬2 q 制成 的传感器；用于测量n 0 2 的由固体电解质彳g o 。，。和电极彳g a u 制成的传感器n 8 1 9 2 0 | 。 ( 4 ) 接触燃烧式气体传感器 接触燃烧式气体传感器可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式，其工作原理是气 敏材料( 如厅电热丝等) 在通电状态下，可燃性气体氧化燃烧或者在催化剂作用下氧 化燃烧，电热丝由于燃烧而升温，从而使其电阻值发生变化。这种传感器对不燃烧气体 不敏感。例如在铅丝上涂敷活性催化剂r h 和p d 等制成的传感器，具有广谱特性，即能 检测各种可燃气体。这种传感器有时称之为热导性传感器，普遍适用于石油化工厂、造 船厂、矿井隧道和浴室厨房的可燃性气体的监测和报警n 引。 ( 5 ) 光学式气体传感器 利用气体的光学特性来检测气体成分和浓度的传感器为光学类气体传感器。根据具 5 中北大学学位论文 体的光学原理可分为红外吸收式、可见光吸收光度式、光干涉式、化学发光式和试纸光 电光度式、光离子化式等气体传感器。红外吸收式气体分析仪是利用气体的特征红外吸 收光谱，鉴别气体和分析其浓度的。其理论依据是：不同气体的特征红外吸收光谱不同， 在一定范围内，每种气体的红外吸光度值与气体的浓度呈线性关系。 光离子化气体检测仪的工作原理是：在一定能量的光照射下，气体分子吸收光子产 生电离。这种光电离形成的离子数与气体分子的浓度有关，通过测定离子流可以得到气 体分子浓度。北京中西集团公司推出的超小型复合式气体监测仪系列，内置强吸气泵， 可更换探头，采用光离子化( p i d ) 技术，监测各种挥发性有机物( v o c s ) 、毒气，如异 丁烯、苯、甲醇和二氧化硫、一氧化碳等，有各种便携式、佩带式、固定式有毒、有害、 易燃气体监测仪器例。 ( 6 ) 高分子气体传感器 近年来，国外在高分子气敏材料的研究和开发上有了很大的进展，高分子气敏材料 由于具有易操作、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波 器件相结合等特点，在毒性气体和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。高分子气体 传感器根据气敏特性主要分为下列几种： 1 ) 高分子电阻式气体传感器该类传感器是通过测量高分子气敏材料的电阻来测量 气体的体积分数，目前的材料主要有欧菁聚合物、l b 膜、聚毗咯等。其主要优点是制作 工艺简单、成本低廉。但这种气体传感器要通过电聚合过程来激活，这既耗费时间，又 会引起各批次产品之间的性能差异。 2 ) 浓差电池式气体传感器浓差电池式气体传感器的工作原理是：气敏材料吸收气 体时形成浓差电池，测量输出的电动势就可测量气体体积分数，目前主要有聚乙烯醇一 磷酸等材料。 3 ) 声表面波( s a w ) 式气体传感器s a w 气体传感器制作在压电材料的衬底上，一端 的表面为输入传感器，另一端为输出传感器。两者之间的区域淀积了能吸收v o c 的聚合 物膜。被吸附的分子增加了传感器的质量，使得声波在材料表面上的传播速度或频率发 生变化，通过测量声波的速度或频率来测量气体体积分数。主要气敏材料有聚异丁烯、 氟聚多元醇等，用来测量苯乙烯和甲苯等有机蒸汽。其优势在于选择性高、灵敏度高、 在很宽的温度范围内稳定、对湿度响应低和良好的可重复性。s a w 传感器输出为准数字 6 中北大学学位论文 信号，因此可简便地与微处理器接口。此外，s a w 传感器采用半导体平面工艺，易于将 敏感器与相配的电子器件结合在一起，实现微型化、集成化，而降低测量成本。 4 ) 石英振子式气体传感器石英振子微秤( q c m ) 由直径为数微米的石英震动盘和 制作在盘两边的电极构成。当振荡信号加在器件上时，器件会在它的特征频率范围发生 共振。振动盘上淀积了有机聚合物，聚合物吸附气体后，使器件质量增加，从而引起石 英振子的共振频率降低，通过测定共振频率的变化来识别气体。 高分子式气体传感器，对特定气体分子的灵敏度高、选择性好、结构简单，可在常 温下使用，补充其他气体传感器的不足，发展前景良好n 8 2 。 1 3 本文的主要工作 本课题在原来矿工安全帽单一矿灯照明的基础上，装配一些探测c h 。、c o 、h ：s 浓 度和温度的传感器，使其具有照明的同时，也能实时探测有害气体的浓度和温度值，并 在探测到它们超出一定的范围时自动报警，实现井下数据的实时采集、处理、存储、显 示与报警功能，同时通过无线传输模块将测量到的数据传输到监控中心。该矿用头盔为 矿井安全生产提供了有力的保障，从而减少人员伤亡和经济损失。 具体章节的安排如下： 第一章绪论，论述了本课题研究的背景和意义，总结了煤矿监控系统及气体传感器 的国内外研究现状。 第二章系统总体方案的设计，阐述了矿工安全监测智能头盔的设计要求，传感器及 微处理器的选型，确定了系统的总体方案。 第三章系统的硬件电路设计，分别阐述了电源电路、数据采集电路、单片机外围电 路的设计及硬件抗干扰的措施。 第四章系统的软件设计，在软件设计目标的指导下，编制了具体实现a d 转换、数 据采集、显示、按键控制、超限报警的软件程序。 第五章无线数据传输平台的设计，选择了适合该系统的无线收发模块，完成了无线 收发模块的外围电路设计，使本系统方便与课题矿井下无线传输技术的研究进行衔接。 第六章结果分析与讨论，设计了上位机显示，并通过实验分析了系统的可靠性、报 7 中北大学学位论文 警性能、响应时间等，对引起误差的原因进行了分析。 第七章成果与展望，总结了本文主要的研究工作，指出了设计中的不足，提出了今 后需要改进的一些地方。 8 中北大学学位论文 系统方案的总体设计 2 1 矿工井下安全监测智能头盔的设计要求 本系统在原来矿工安全帽单一矿灯照明的基础上，装配探测c h 。、c o 、h ：s 等气体 浓度和温度值的传感器，实时探测有害气体的浓度和温度等环境参数，并在探测到它们 超出一定的范围时自动报警，实现井下数据的实时采集、处理、存储、显示与报警功能， 同时通过无线传输模块将采集到的数据传输到监控中心。 2 1 1 矿井下监控对象的指标分析 ( 1 ) 温度测量范围矿井下空气温度是影响矿井内气候条件的主要因素。矿井安 全条例规定井下作业地点的空气温度不得超过2 8 度。超过时应当采取降温或其他防 护措施。煤炭工业部发布的煤矿安全规程规定，采掘工作面的空气温度不得超过2 6 度乜别。 ( 2 ) 有害气体的性质及测量范围矿井内空气中有毒有害气体主要有：沼气( c h 4 ) 、 氧化碳( c o ) 、硫化氢( h ，s ) 等。它们的来源、性质和危害以及允许浓度如表2 1 所示2 4 3 ： 表2 1 有害气体的性质 性质 名称主要来源 比重色和味溶水性 危害性允许浓度 沼气 无色不易溶于 ( c h 4 ) 伴煤生成0 5 5 4无味水浓度5 1 6 时遇火爆炸 o 5 无臭 爆破工作、火极毒。由于它与血色素结 一氧化碳灾瓦斯和煤无色 合比氧大2 5 0 3 0 0 倍，会 ( c 0 ) 尘爆炸燃烧， 0 9 7 无味微溶于水 阻碍氧与血色素结合，使0 0 0 2 4 煤的自然无臭 人体缺氧。浓度达1 3 1 5 时有爆炸性 9 中北大学学位论文 接上表： 性质 名称主要来源比色和味溶水性危害性允许浓度 重 无色，微有强烈毒性，能使血液中 有机物腐烂、甜，臭鸡毒，对眼黏膜及呼吸系统 硫化氢硫化矿物水蛋味，有强烈刺激作用，浓度达 0 0 0 0 6 6 ( h 2 s ) 解煤岩中放 1 1 90 0 0 0 1 易溶于水4 3 - 4 6 时有爆炸性 出 时即可嗅 2 1 2 主要功能及特点 一机多用，能同时连续检测作业环境的空气中所含甲烷( c h 。) 、一氧化碳( c o ) 、 硫化氢( h ，s ) 及环境温度四种参数。并可同时连续采样、数据处理、监测数据的显示、 超限报警、存储监测数据等。可查看并修改四种参数的报警设定值。当电池电量不足时， 可以通过按键控制使系统仅完成现场参数的采集和超限报警工作，达到降低功耗的要 求。在必要的情况下，还可以通过开关切断电池和系统之间的连接，使电池电量全部用 于供矿灯的发光。 2 1 3 功耗及尺寸的要求 本系统采用电池供电，所以要满足低功耗的要求。系统功耗规划如下： 1 微处理器最大功耗：1 0 m w 2 传感器最大功耗：3 4 0 m w 3 调理电路平均功耗：2 7 0 m w 4 按键电路平均功耗：1 0 e w 1o 中北大学学位论文 5 显示电路平均功耗：6 0 0 m w 6 报警电路平均功耗：2 0 0 m w 7 串口电路及无线传输模块最大功耗：7 0 m w 按标称8 安时的4 v 矿灯电池容量，其光源电流为0 1 6 a ，需要系统平均输出电流在 3 0 0 - 6 0 0 m h 之间( 功耗维持在1 5 0 0 m w 一2 5 0 0 m w 之间) ，才能保证矿灯和系统工作时间在 1 0 小时左右。 现有安全帽的尺寸要求为：帽壳内部尺寸、帽舌、帽沿、垂直间距、水平间距、佩 戴高度、突出物和透气孔。其中垂直间距和佩戴高度是安全帽的两个重要尺寸要求。垂 直间距是指安全帽在佩戴时，头顶最高点与帽壳内表之间的轴向距离( 不包括项筋的空 间) 。尺寸要求是2 5 毫米 - 一5 0 毫米。佩戴高度是指安全帽在佩戴时安全帽侧面帽箍底边 至头顶最高点的轴向距离，尺寸要求是8 0 毫米 - - - 9 0 毫米n 制。垂直间距太小，直接影响 安全帽佩戴的稳定性，这两项要求任何一项不合格都会直接影响到安全帽的整体安全 性。 由于本系统安装在矿工头盔上，所以对体积的要求十分严格。在芯片封装的选择上， 除三个气体传感器的体积稍大外，都应选择贴片式的，保证所设计的系统足够小，使其 能安装在矿工安全帽矿灯的上方。 2 1 4 防爆性能的要求 煤矿井下工作环境特殊，空间狭窄，湿度大，存在易燃易爆的瓦斯和灰尘。所以， 煤矿井下用电设备不同于地面的一般电气设备，要求防尘、防水、防爆，必须符合乜5 2 6 | ： 1 ) g b 3 8 3 6 卜2 0 0 0 ：爆炸性气体环境用电设备第1 部分：通用要求； 2 ) g b 3 8 3 6 2 - 2 0 0 0 ：爆炸性气体环境用电设备第2 部分：隔爆型“d ”； 3 ) g b 3 8 3 6 4 - 2 0 0 0 ：爆炸性气体环境用电设备第4 部分：本质安全型“i ； 具体体现为以下几点： 1 ) 任何与本质安全性能有关的元件，在正常工作和故障条件下，不得在超过元件 安装条件和温度范围规定的最大电流、电压和功率额定值的三分之二的情况下工作； 2 ) 仪器的外壳防护性能能达到i p 5 4 的要求； 中北大学学位论文 3 ) 仪器的外壳采用工程塑料的表面电阻应不大于1 i 0 9 q ； 4 ) 仪器电器元件的允许最高表面温度应不大于+ 1 5 0 。 2 2 传感器的选型 2 2 1 温度传感器的选型 d s l 8 8 2 0 遵循严格的单线串行通信协议，每一个d s l 8 8 2 0 在出厂时都用激光进行了 调校，并具有唯一的6 4 位序列号。d s l 8 8 2 0 的内部使用了在板( o n b o a r d ) 专利技术。 全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内，三端口分别是地线、数 据、电源线。采用3 脚t 0 - - 9 2 封装或8 脚s o i c 封装，其外围电路简单，可广泛应用于 温度控制、温度测量、工作系统及任何热敏感系统中乜7 删。 下面是它的主要技术特性： 1 ) 具有独特的单线接口方式，即微处理器与其接口时仅需占用一位i o 端口； 2 ) 支持多接点，使分布式测温系统的线路结构设计和硬件开销大为简化； 3 ) 测温时无需任何外部元件； 4 ) 可以通过数据线供电，具有超低功耗工作方式； 5 ) 测温范围为- 5 5 。c + 1 2 5 ，测温精度为0 5 c ； 6 ) 温度转换精度为9 - - - 1 2 位可变，能够直接将温度转换值以1 6 位二进制数码的方 式串行输出。1 2 位精度转换的最大时间为7 5 0 m s 。 因为它是数字输出，而且只占用一个i o 端口，所以它特别适用于微处理器控制的 各种温度测控系统，避免了模拟温度传感器与微处理器接口时需要的a d 转换和较复杂 的外围电路。缩小了系统的体积，提高了系统的可靠性。 d s l 8 8 2 0 内部结构主要由四部分组成：6 4 位光刻r o m 、温度传感器、非挥发的温度 报警触发器t h 和t l 、配置寄存器，如图2 1 所示口引。 1 2 中北大学学位论文 l 徽渊l 5 z 翻瞪 霉一溢度爱敏宠件 l 一一 一 氍曩 高速 叫蕞嬲亿i 一王一 和 缓存 1 一簟绫 存f i i i 誊 引蕊一疆i 椤z s电 源 接口 检 毒配鹳棚 i测 i 啦僦搠l 图2 1d s l 8 8 2 0 内部结构图 每片d s l 8 8 2 0 含有一个唯一的6 4 位r o m 编码。前8 位是产品系列编码，接着的4 8 位是产品序列号，最后8 位是循环冗余( c r c ) 校验码。所以多片d s l 8 8 2 0 能够连接在 同一条数据线上而不会造成混乱口羽。 温度传感器的转换结果以1 6 位二进制补码的形式存放在便笺式存储器中，如果测 量的温度值高于温度报警触发器t h 或低于t l 中的值，则d s l 8 8 2 0 内部的报警标志位就 被置位，表示温度测量值超出范围。d s l 8 8 2 0 的温度转换位数可以选择9 1 2 位，分别 对应的测温分辨率为0 56 c ，0 2 5 。c ，0 1 2 5 ，0 0 6 2 5 。c 。不过温度转换位数越大，转 换时间也越长。1 2 位精度的最大转换时间为7 5 0 m s 。温度转换位数的改变通过改变设置 寄存器的值来实现的。 温度报警触发器和设置寄存器都由非易失性电可擦写存储器( e e p r o m ) 组成，设置 值可以通过相应命令写入，一旦写入后不会因为掉电而丢失。 当d s l 8 8 2 0 接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以1 6 位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1 、2 字节。单片机可通过 单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以0 0 6 2 5 l s b 形式表 示。温度值格式如下表2 1 所示：其中s 为符号位。 表2 1d s l 8 8 2 0 的8 比特r a m 高8 位s ssss2 62 52 4 低8 位2 32 22 12 02 12 2 2 32 4 d s l 8 8 2 0 的温度传感器是通过温度对振荡器的频率影响来测量温度的。d s l 8 8 2 0 内 1 3 中北大学学位论文 部有两个不同温度系数的振荡器。低温度系数振荡器输出的时钟脉冲受高温度系数振荡 器产生的f - i n 期内进行计数。计数初值被预置在一5 5 相对应的一个基数值，如果计数 器在高温度系数振荡器输出的f - i n 期结束前计数到零，表示测量的温度值高于- 5 5 * ( 2 ， 被预置在一5 5 的温度传感器的值就增加1 ，然后重复这个过程，直到高温度系数振荡 器的门周期结束为止，这时温度寄存器中的值就是被测的温度值，一般情况下的温度值 应为9 位( 符号占1 位) ，但因符号位扩展成高8 位陋驯。表2 2 给出了温度和数字量 的关系。温度值由主机通过发读存储器命令读出，经过取补和十进制转换，得到实测的 温度值。斜率累加器用于补偿和修正温度振荡器的非线性。 表2 2d s l 8 8 2 0 输出数据与温度的对应关系 温度温度数据输出( 二进制)温度数据输出( 十六迸制) + 1 2 50 0 0 0 0 1 1 11 1 0 10 0 0 00 7 d 0 h + 2 5 0 6 2 50 0 0 0 0 0 0 11 0 0 10 0 0 10 5 5 0 h + o 50 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 00 0 0 8 h 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 0 h o 51 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 0 0 0f f f 8 h 一2 5 0 6 2 51 1 1 1 1 1 1 00 1 1 01 1 1 lf e 6 f h - 5 51 1 1 11 1 0 01 0 0 10 0 0 0f c 9 0 h d s l 8 8 2 0 的命令是依靠严格的通信协议来支撑的。为保证数据可靠地传送，同一时 刻单总线上只能有一个控制信号或数据。进行数据通信时一定要符合单总线协议。主机 对某一测控对象操作时，一般有以下四个步骤：( 1 ) 初始化信号；( 2 ) 发r o m 命令； ( 3 ) 发r a m 命令；( 4 ) 进行数据交换b 7 | 。 2 2 2 瓦斯传感器的选型 1 甲烷气体检测的原理 煤矿常用的甲烷检测仪器，按检测原理分类有：光学式、催化燃烧式、热导式、气 敏半导体式等。本文采用催化燃烧式原理检测甲烷。下面就催化燃烧式甲烷传感器原理 做简单的介绍。 载体催化元件在具备足够氧气的条件下遇到甲烷气体就会在元件表面产生无焰燃 1 4 中北大学学位论文 烧，其反应方程式为： c h 4 + 2 0 2 毕c 0 2 + 2 1 - 1 2 0 + 7 9 5 r j ( 2 1 ) 催化反应过程中无焰燃烧放出热量，增加了敏感元件铂丝的电阻值，通过图2 2 所 示惠斯通电桥测量电路就可以测量载体催化元件电阻的变化量。图2 2 中，r d 为敏感 元件，r c 为补偿元件，将r d 和r c 置于同一测量气室中，测量电桥由稳压电源供电。在 无甲烷的新鲜空气中，r d = 尺c ，调节电桥使之平衡，信号输出端电压u 曰= 0 。当甲烷 进入气室中时，在敏感元件r d 表面上催化燃烧，r d 阻值随温度上升而增加为r d + 欲d ， 而补偿元件群阻值不变，从而电桥失去平衡。当采用恒压源e 供电时，输出的不平稳 电压为： =西r丽o+mrduas 口 ( 2 2 ) 2 瓦刁湎也一钝 屺纠 设r d = r c = r a r d ，此时， = 盘e 嚣a re 瑙欲。 ( 2 3 ) 从式2 3 可知，电桥输出电压与敏感元件阻值变化量欲。成正比，其中系数蜀2 素为 常数。对于铂丝元件，其电阻变化量可用下式表示： 歙d = 口( 卅办) 欲o = a ( d c q h ) a r o ( 2 4 ) 式中口为铂丝电阻温度系数；口= 3 9 4 8 5 1 0 一 c ；h 为敏感元件热容量；d 为甲烷扩散 系数；c 为被测中的甲烷浓度；q 为甲烷分子燃烧热；肼为甲烷燃烧热量；r 。为铂丝 o 的阳佰。 15 中北大学学位论文 图2 2 催化兀件测量电路 其中，口，h ，r 。与敏感元件材料、性质、结构尺寸有关；扩散系数d 、甲烷分子燃 烧热q 是常数。因此，用一个常数k ，代表这些因素，则式( 2 4 ) 为： a r ，) = k ，c ( 2 5 ) 将式( 2 5 ) 代入( 2 3 ) 得： k l k 2 c ( 2 6 ) 从式( 2 6 ) 可知，电桥输出电压与甲烷浓度成正比。 由式( 2 1 ) 可知，燃烧l m o l 甲烷要消耗2 m o l 氧，加之甲烷燃烧产生的c d 和日，d 会阻止甲烷气体向元件扩散。经实验，要完全燃烧，甲烷浓度与氧气浓度需保持1 ：5 的比例。即当甲烷浓度在0 - 4 c h 4 时输入输出满足式( 2 6 ) 的关系，误差为真值的 1 0 ；当甲烷浓度大于5 c h 。时，输入一输出将呈非线性。这就是