CN101051409A

CN101051409A - 嵌入式瓦斯突出报警仪及其工作方法

Info

Publication number: CN101051409A
Application number: CN 200610039691
Authority: CN
Inventors: 宋记锋; 葛运建
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2006-04-08
Filing date: 2006-04-08
Publication date: 2007-10-10

Abstract

本发明公开了一种嵌入式瓦斯突出报警仪及其工作方法。报警仪包括与处理部件电连接的瓦斯传感器(4)和声光提示部件(2)，特别是处理部件由模数转换器AD574和单片机AT89C51组成嵌入式模块(3)，用于将瓦斯传感器(4)输出的模拟信号转换成数字信号并对其进行运算、处理及将结果送往声光提示部件(2)；方法包括接收传感器的模拟信号和输出数字信号，特别是设定数据采集、分析的时间片，设定瓦斯突出报警时的瓦斯浓度、速度、加速度的阈值，计算瓦斯浓度变化的速度、加速度，并进行数字去噪、消毛刺。根据瓦斯浓度、瓦斯浓度的变化速度、加速度的大小，判断是否为瓦斯突出，并将其结果送往声光提示部件(2)，该发明能够对煤矿的瓦斯突出进行准确实时地报警。

Description

嵌入式瓦斯突出报警仪及其工作方法

技术领域本发明涉及矿井瓦斯报警领域，特别涉及嵌入式瓦斯突出报警仪及其工作方法。

背景技术瓦斯是一种易燃性气体，当其浓度过高时，极易发生爆炸，尤为在煤矿的巷道中进行采挖煤时，常因煤矿巷道中的瓦斯突发而引发爆炸事故，从而造成煤矿的重大灾难。为此，研发瓦斯突发实时预警技术就具有重大的安全意义。目前，现有的瓦斯报警仪器如在授权公告日为1998年6月17日的一份中国实用新型专利说明书CN 2284397Y中曾描述的过一种瓦斯双参数检测报警仪，它是在原有瓦斯报警仪的基础上增设了瓦斯动态检测指示电路而构成的，其中，原有瓦斯报警仪由依次电连接的电源、稳压器、检测电桥、放大器、浓度显示电路和报警电路构成。检测时，检测电桥将测得的瓦斯浓度送放大器放大后，由放大器分送浓度显示电路和瓦斯动态检测指示电路，以便由它们分别显示、报警和指示瓦斯浓度值及其上升变化率。但是，这种报警仪存在着一些不足之处，首先，构成仪器的电路较复杂，电路所用的元器件多且集成度较低，致使其工作稳定性差，易受环境的干扰；其次，当检测到的信号中有毛刺噪音时，会错误地发出警报，从而既干扰煤矿的正常生产，又极易使矿工造成麻痹大意或使煤矿生产间断；再次，因其只割裂地考虑瓦斯浓度和瓦斯浓度变化速度这两个因素，故对瓦斯突出的预警判断不准确，易发生误报；最后，对于打钻、放炮等煤矿的正常作业引起的巷道内瓦斯浓度的短时波动，也易于错误地发出警报。

发明内容本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种结构简单、可靠实用，使用更方便的嵌入式瓦斯突出报警仪及其工作方法。

嵌入式瓦斯突出报警仪包括与处理部件电连接的瓦斯传感器和声光提示部件，特别是所说处理部件为嵌入式模块，所说嵌入式模块由模数转换器AD574和单片机AT89C51组成，用于将瓦斯传感器输出的模拟信号转换成数字信号和对其进行运算、处理及将结果送往声光提示部件。

作为嵌入式瓦斯突出报警仪的进一步改进，所述的模数转换器AD574的输入端口接瓦斯传感器的输出端，用于接收该传感器送来的模拟信号，模数转换器AD574的高8位和低4位的数字输出端口分别与单片机AT89C51的脚P1.0～P1.7和脚P2.0～P2.3电连接，用于将转换的数字信号输出至单片机AT89C51，单片机AT89C51的输出端口脚P2.4、脚P2.5和脚P3.3与声光提示部件电连接，用于提示瓦斯突出警报状态，其中，脚P2.4和脚P2.5分别接声光提示部件中的LED1和LED2，脚P3.3接声光提示部件中的扬声器的输入控制端；所述的LED1为发绿色光的发光二极管，用于安全状态的光提示，LED2为发红色光的发光二极管，用于瓦斯突出警报的光提示；所述的单片机AT89C51的输出端口电连接有通信芯片MAX489，用于将嵌入式模块处理后的数字信号送往上位计算机和接收上位计算机的指令，其中，单片机AT89C51的脚P2.6、P2.7与通信芯片MAX489的脚DE、RE电连接，用于控制串行接口RS-485的通信状态，单片机AT89C51的脚RXD、TXD与通信芯片MAX489的脚RO、DI电连接，用于串行信号的传输；所述的单片机AT89C51的脚P3.4输出开关信号，用于提供安全抑爆系统的触发信号。

嵌入式瓦斯突出报警仪的工作方法包括接收传感器的模拟信号和输出数字信号，特别是设定数据采集、分析的时间片，产生一个瓦斯浓度的变化速度、加速度分析的时间步长；设定瓦斯突出报警时的瓦斯浓度、速度、加速度的阈值，产生一个瓦斯突出的判断基准；对转换成数字信号的数据进行处理，即计算瓦斯浓度变化的速度、加速度，并进行数字去噪、消毛刺；根据瓦斯浓度、瓦斯浓度的变化速度、加速度的大小，判断是否为瓦斯突出，并将其结果送往声光提示部件。

作为嵌入式瓦斯突出报警仪的工作方法的进一步改进，所述的送往声光提示部件的结果为：若瓦斯突出为否，则结果送LED1，使其通电发出绿光，并使单片机AT89C51的脚P3.4为0，即对外输出低电平，若瓦斯突出为是，则结果送LED2和扬声器，使LED2通电发出红光和使扬声器发出警报音，并使单片机AT89C51的脚P3.4为1，即对外输出高电平，以触发安全抑爆系统；所述的将处理结果送往声光提示部件的同时将其送往上位计算机，并接收来自上位计算机的指令。

相对于现有技术的有益效果是，其一，由模数转换器AD574和单片机AT89C51组成的嵌入式模块的应用，使整机的结构简洁、集成度得到较大的提高，降低了整机的故障率，使其能够在环境恶劣的采煤工作面正常工作而不受任何干扰；其二，选用不同色彩的发光提示器，更便于矿工们于采煤面或巷道中识别瓦斯突出是否发生，不用近距离地仔细观察报警仪就可得知瓦斯突出的状态；其三，采用通信芯片MAX489作为单片机AT89C51与上位计算机间的数据传输接口，既简单、标准，又工作可靠，通过与上位机进行远距离的全双工通信，不仅可使远离采煤面的地面生产调度指挥中心能随时地了解到工作面的瓦斯浓度及突出的情况，还可根据整个煤矿中其它采煤面的瓦斯突出的状况，决定是否通知该采煤面的工作人员及时撤离；其四，单片机AT89C51的脚P3.4设置的输出开关信号，在整机具备报警功能的基础上，还具有了向煤矿的安全抑爆系统提供令其工作的触发信号，利于将事故提前消灭在萌芽状态；其五，体积小、功耗低，既利于作为便携式仪器使用，又能固定于采煤面对其的瓦斯突出进行实时报警与抑爆；其六，单片机AT89C51中驻有的工作方法的程序，既能方便地识别出信号噪音和毛刺并加以排除，以杜绝误警，又能将瓦斯浓度、瓦斯浓度变化速度和加速度三个因素进行有机地综合分析，提高了瓦斯突出预警的准确度，还能对于正常的打钻、放炮等煤矿作业造成的短暂的瓦斯浓度波动不报警。程序除了能进行日常的瓦斯检测和当瓦斯突出发生超标，在发出警报的同时，自动地启动安全抑爆系统工作，大大地提升自身的智能化功能之外，且同时还使其上位计算机的程序的模块化得到了改善，控制算法、运行速度也变得简单和获得了较大的提高，相对于整个煤矿的安全系统来说，本发明是一台单独具有智能化的自动测控设备。

附图说明下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。

图1是本发明的一种实施例电路结构图；

图2是本发明工作方法的流程图。

具体实施方式参见图1，瓦斯传感器4、嵌入式模块3和声光提示部件2及通信芯片MAX489依次电连接。其中，瓦斯传感器4为基于光谱分析的瓦斯浓度传感器，用以感受采煤现场的瓦斯浓度的变化，并将其变换成电信号后送往嵌入式模块3。嵌入式模块3由模数转换器AD574和单片机AT89C51组成，用于将瓦斯传感器4输出的模拟信号转换成数字信号和对其进行运算、处理及将结果送往声光提示部件2，其中，模数转换器AD574的输入端口接瓦斯传感器4的输出端，用于接收该传感器送来的模拟信号；模数转换器AD574的高8位和低4位的数字输出端口分别与单片机AT89C51的脚P1.0～P1.7和脚P2.0～P2.3电连接，用于将瓦斯浓度模拟信号转换成12位精度的数字信号输出至单片机AT89C51；单片机AT89C51的输出端口脚P2.4、脚P2.5和脚P3.3与声光提示部件2电连接，用于提示瓦斯的浓度状态，其中的脚P2.4接发绿色光的发光二极管LED1，用于安全状态的光提示，脚P2.5接发红色光的发光二极管LED2，用于瓦斯突出状态的警报光提示，脚P3.3经三极管BG1后接扬声器1，用于瓦斯突出发生时的声响报警。另外，单片机AT89C51还与通信芯片MAX489电连接，用于将嵌入式模块3处理后的数字信号送往上位计算机和接收上位计算机的指令，其中，单片机AT89C51的脚P2.6、P2.7与通信芯片MAX489的脚DE、RE电连接，用于控制串行接口RS-485的通信状态，单片机AT89C51的脚RXD、TXD与通信芯片MAX489的脚RO、DI电连接，用于串行信号的传输；通信芯片MAX489的脚A、B、Z、Y用于与上位计算机的通信电连接。此外，单片机AT89C51的脚P3.4输出开关信号，用于在发生瓦斯突出警报时，自动地提供安全抑爆系统的触发信号来触发煤矿安全系统。

参见图2，嵌入式瓦斯突出报警仪的工作方法和仪器的工作流程如下：对嵌入式瓦斯突出报警仪通电后，单片机AT89C51给其自有的功能部件和内存中驻有的各个子程序预置初始值，即设定其初始工作状态，如给16位计时器设定50ms的定时中断值，以作为数据采集、分析的时间片，给各个初始值赋值，以作为瓦斯突出报警时瓦斯浓度、速度、加速度的阈值(步骤110)。接着，在步骤120，单片机AT89C51等待定时中断信号，一旦定时中断信号来到，单片机AT89C51就以50ms的时间片为限，通过模数转换器AD574采集瓦斯传感器9输出的电信号(步骤120)。之后，单片机AT89C51对经模数转换器AD574送来的数字信号去噪，消除毛刺(步骤130)。然后，单片机AT89C51用整理后的数字信号来计算出瓦斯浓度的变化速度、加速度(步骤140)。最后，单片机AT89C51利用已设定的阈值与瓦斯浓度、算出的浓度变化速度和加速度进行比较，以进行瓦斯突出的判断(步骤150)，若结果为非，则使LED1通电发出绿光、单片机AT89C51的脚P3.4为0(步骤160)，并跳转到步骤120；如果判断为瓦斯突出，则转入步骤170，来使LED2通电发出红光和使扬声器发出警报音，并使单片机AT89C51的脚P3.4为1，即对外输出高电平，以触发安全抑爆系统。紧接着，单片机AT89C51将对数字信号的分析结果通过通信芯片MAX489送往上位计算机，并接收来自上位计算机的指令(步骤180)。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的嵌入式瓦斯突出报警仪及其工作方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1、一种嵌入式瓦斯突出报警仪，包括与处理部件电连接的瓦斯传感器(4)和声光提示部件(2)，其特征在于所说处理部件为嵌入式模块(3)，所说嵌入式模块(3)由模数转换器AD574和单片机AT89C51组成，用于将瓦斯传感器(4)输出的模拟信号转换成数字信号和对其进行运算、处理及将结果送往声光提示部件(2)。

2、根据权利要求1所述的嵌入式瓦斯突出报警仪，其特征是模数转换器AD574的输入端口接瓦斯传感器(4)的输出端，用于接收该传感器送来的模拟信号；模数转换器AD574的高8位和低4位的数字输出端口分别与单片机AT89C51的脚P1.0～P1.7和脚P2.0～P2.3电连接，用于将转换的数字信号输出至单片机AT89C51；单片机AT89C51的输出端口脚P2.4、脚P2.5和脚P3.3与声光提示部件(2)电连接，用于提示瓦斯的浓度状态，其中，脚P2.4和脚P2.5分别接声光提示部件(2)中的LED1和LED2，脚P3.3接声光提示部件(2)中的扬声器(1)的输入控制端。

3、根据权利要求2所述的嵌入式瓦斯突出报警仪，其特征是LED1为发绿色光的发光二极管，用于安全状态的光提示，LED2为发红色光的发光二极管，用于提示瓦斯突出警报状态。

4、根据权利要求1所述的嵌入式瓦斯突出报警仪，其特征是单片机AT89C51的输出端口电连接有通信芯片MAX489，用于将嵌入式模块(3)处理后的数字信号送往上位计算机和接收上位计算机的指令，其中，单片机AT89C51的脚P2.6、P2.7与通信芯片MAX489的脚DE、 RE电连接，用于控制串行接口RS-485的通信状态，单片机AT89C51的脚RXD、TXD与通信芯片MAX489的脚RO、DI电连接，用于串行信号的传输。

5、根据权利要求1所述的嵌入式瓦斯突出报警仪，其特征是单片机AT89C51的脚P3.4输出开关信号，用于提供安全抑爆系统的触发信号。

6、根据权利要求1、2、4或5所述的嵌入式瓦斯突出报警仪的工作方法，包括接收传感器的模拟信号和输出数字信号，其特征在于：

设定数据采集、分析的时间片，产生一个瓦斯浓度的变化速度、加速度分析的时间步长；

设定瓦斯突出报警时的瓦斯浓度、速度、加速度的阈值，产生一个瓦斯突出的判断基准；

对转换成数字信号的数据进行处理，即计算瓦斯浓度变化的速度、加速度，并进行数字去噪、消毛刺；

根据瓦斯浓度、瓦斯浓度的变化速度、加速度的大小，判断是否为瓦斯突出，并将其结果送往声光提示部件(2)。

7、根据权利要求6所述的嵌入式瓦斯突出报警仪的工作方法，其特征是送往声光提示部件(2)的结果为：

若瓦斯突出为否，则结果送LED1，并使单片机AT89C51的脚P3.4为0；

若瓦斯突出为是，则结果送LED2和扬声器(1)，并使单片机AT89C51的脚P3.4为1。

8、根据权利要求6所述的嵌入式瓦斯突出报警仪的工作方法，其特征是将处理结果送往声光提示部件(2)的同时将其送往上位计算机，并接收来自上位计算机的指令。