CN102435221A

CN102435221A - 矿用气体传感器无人值守智能校验仪

Info

Publication number: CN102435221A
Application number: CN2011102740280A
Authority: CN
Inventors: 田慕琴; 刘西青; 王雪松; 邢倩; 孟磊; 邓生明; 李乃忠
Original assignee: SHANXI KEZHICHENG SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd; Taiyuan University of Technology
Current assignee: SHANXI KEZHICHENG SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd; Taiyuan University of Technology
Priority date: 2011-09-16
Filing date: 2011-09-16
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2031-09-16
Also published as: CN102435221B

Abstract

矿用气体传感器无人值守智能校验仪，目的是实现同时对多浓度多路矿用气体传感器的无人值守全自动校验，极大地提高调校过程的精度和安全作业性，同时实现零污染处理和排放，保护环境。为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案基于单片机的矿用气体传感器无人值守智能校验仪，包括微控制器单元、信号调理单元、通信接口单元、显示单元、触摸控制单元和气路系统、红外信号发射系统，本发明可直接在触摸屏上控制，除控制外还可对气体传感器类型、量程等进行数据库维护，自动换算实际值进行显示，自动计算传感器的测量偏差，自动根据偏差值发送红外信号进行调校。

Description

矿用气体传感器无人值守智能校验仪

技术领域

本发明涉及一种气体传感器校验仪，尤其是一种用于多浓度多路的矿用气体传感器无人值守智能校验仪。

背景技术

矿用气体传感器是指瓦斯传感器、一氧化碳传感器、负压传感器和风速传感器等。在煤矿安全监控系统中，作为检测的传感器直接关系到煤矿安全监控系统的可靠性和灵敏度，对监测监控起着决定性的作用。为保证矿用气体传感器测量的准确性，需定期进行校验。在《煤矿安全规程》第162条规定，“甲烷传感器、便携式甲烷检测报警仪等采用载体催化元件的甲烷检测设备，每7天必须用校准气样和空气气样调校一次，每7天必须对甲烷超限断电功能进行测试”。

现有公告号为：CN101988912A的“一种基于DSP的矿用气体传感器智能校验仪”为本发明团队之前的研究成果，可实现同时对8路或更多路的矿用气体传感器如CH₄、CO等进行自动或手动调校和检测，实现数据记录、通讯、查询和分析，但未考虑对有毒有害传感器进行校验和调校时的安全问题，也没有实现自动闭环调校。因为在校验有毒有害气体传感器时，通入的标准气样为有毒有害气体，而且根据国家对调校规程的要求，调校过程要分别在低浓度、中浓度和高浓度下持续较长的时间，这些通入的气体直接散发到空气中，造成空气中混入大量高浓度的有害气体，直接威胁到调校人员的生命安全，所以调校员不能手持遥控器对传感器进行校准，因此现有煤矿对这些有毒有害气体传感器的调校问题一直不敢问津，致使这些传感器得不到有效调校，使煤矿监测用的作为标准仪的有毒有害气体传感器的精度甚至好坏都得不到保证，更谈不上保证煤矿环境的安全问题，这无疑给煤矿的安全生产留下很大隐患，后果真是不堪设想。而且调校的实质是要达到完成校验，要达到真正的调校必须为测试和调整的结合，仅仅给出标准气样、测回传感器读数，调校人员再通过遥控器来校准，整个校验控制过程为开环控制，在精度、速度和工作量方面还存在缺陷，因此还需对矿用传感器本身的工作原理，特别是红外遥控的机理进行深入的研究，以使调、校真正成为一体，实现检测、分析与调整的自动闭环功能，实现无人值守的调校目标。

该发明在现有校验仪结构基础上，利用CPU技术、电子技术和控制技术为主，发明一种矿用气体传感器无人值守智能校验仪。

发明内容

本发明提供一种基于单片机的矿用气体传感器无人值守智能校验仪，实现同时对多浓度多路矿用气体传感器的无人值守全自动校验，调校的全过程由计算机自动监测和自动进行闭环控制，极大地提高调校过程的精度和安全作业性。被调校的传感器在具有余气回收和无害化处理的密闭室内放置，与操作者完全隔离，调校过程中散发的有毒有害气体不会危害到工作人员，还可实现零污染处理和排放，保护环境。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案包括微控制器单元、信号调理单元、通信接口单元、显示单元、触摸控制单元和气路系统、红外信号发射系统，其中：

所述的微控制器单元包括CPU、电源、晶振电路、LCD指示灯及和跳线；

所述的通信接口单元包括RS-232驱动电路；

所述的信号调理单元包括频率量信号的调理电路及模拟信号的调理电路；

所述的显示单元包括LCD显示电路；

所述的触摸控制单元包括计算机主机和触摸屏；

所述的气路系统包括16路控制继电器、流量控制器和电磁阀；

所述的红外信号发射系统包括8路控制电路以及载波电路；

对上所述的各模块，通信接口单元通过串口通信接口模块与微控制器连接，信号调理单元、显示单元、气路系统、红外信号发射系统、瓦斯传感器断电信号通过I/O口与单片机连接；所述的通信接口单元单片机的串口通信模块通过驱动芯片MAX232与上位机相连接；所述的信号调理单元的频率量信号经光耦隔离及缓冲电路与单片机的I/O口连接，模拟量信号经RC低通滤波、电压跟随和差分比例运算调理，通过片内的ADC与单片机连接；所述的LCD通过电平转换模块与单片机的并行I/O连接；所述的触摸控制单元通过通信接口单元与单片机连接；所述的气路系统是通过单片机的I/O口输出控制信号，通过光耦隔离、驱动电路去控制16路继电器的通断；所述的流量控制是经D/A及调理后的电压信号输出给流量控制器来控制电磁比例调节阀的开度，其输出电压信号的大小是根据所要校验的传感器的数量而设定，即200×N(ml/min)，其中，N为传感器数量，以保证每一个传感器得到稳定的流量200ml/min；所述的流量引入闭环控制以保证流量的准确性；所述的红外信号发射系统经开关电路产生低频信号，再与载波相与后通过红外发射头发送传感器可接收辨识的红外信号来调校传感器的检测值、报警值。

本发明是一种基于单片机的矿用气体传感器无人值守智能校验仪，通过对现有产品的结构改进，并结合红外信号调制、发送技术，解决了现有产品由于其开环控制系统，校验时存在着工作效率低、对有毒有害传感器校验时存在人身安全的问题，尤其是在煤矿井下校验瓦斯传感器、一氧化碳传感器、硫化氢传感器、二氧化硫传感器、氧气传感器、负压传感器和风速传感器等设备调校安全问题，增加了校验设备的安全系数，为煤矿安全生产提供服务。

本发明可直接在触摸屏上控制，除控制外还可对气体传感器类型、量程等进行数据库维护，自动换算实际值进行显示，自动计算传感器的测量偏差，自动根据偏差值发送红外信号进行调校，由于现有矿用传感器被调时接收的控制命令是红外信号，因此设计了发送红外信号的硬件电路和实现软件。另外，反馈回的流量值与给定值的比较，通过预测控制不断调整电磁比例调节阀的开度以实现流量的稳定精确控制(N×200ml/min，其中N为传感器数量)。

与现有校验仪相比，其主要优点与积极效果在于；(1)功能强大兼容性好。可同时校验8台气体传感器(数量可扩展)，可校验各种类型、各种型号的矿用气体传感器；(2)校验速度快，自动化程度高，精度高。通过自动控制能提供足够的流量，在校验多台气体传感器时确保每一台得到的气体流量稳定在200ml/min，保证了调校精度；(3)可实现多种形式的调校，如多浓度自动调校、单浓度自动调校和个选智能调校等；(4)产品更集成化、便携化、可靠性高、成本低、使用寿命长；(5)系统结构较为清晰、易操作性强、校验结果显示直观；(6)调校过程的全范围监测和自动闭环控制，极大地提高调校过程的精度和安全作业性；(7)零污染排放和处理，将调校过程中的余气进行回收和处理，实现零污染排放，保护环境。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明的气路结构框图；

图3是本发明红外控制系统载波电路图；

图4是本发明红外控制结构图；

图5是本发明微控制器原理图；

图6是本发明频率量信号的调理电路图；

图7是本发明模拟量信号的调理电路图；

图8本发明通信接口电路图；

图9是本发明显示电路图；

图10是本发明继电器控制图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做出进一步的详细说明，以使本专业的中等技术人员在阅读了本具体实施方式后，能够实现为准。

如图1所述，本发明包括微控制器单元、信号调理单元、通信接口单元、显示单元、触摸控制单元、气路系统和红外信号发射系统。其中：

所述的微控制器单元，即单片机的最小系统包括CPU、电源、晶振电路、JTAG接口电路，LCD指示灯及必要的跳线。

所述的通信接口单元包括RS-232驱动电路。

所述的信号调理单元包括频率量信号的调理电路及模拟信号的调理电路。

所述的显示单元包括LCD显示电路。

所述的触摸控制单元包括计算机主机和触摸屏。

所述的红外信号发射系统包括8路控制电路和载波电路。

对上述的各模块，通信接口单元通过串口通信接口模块与微控制器连接。频率量信号调理单元、显示单元、气路系统、红外发射系统都是通过I/O口与单片机连接，模拟信号的调理电路接单片机的ADC。

如图2所述，所述的气路系统包括16路控制继电器(8路标准气体和8路气体传感器)、流量控制器和电磁阀。8路标准气体可以是任何气体或浓度，以校验时的选择为准。

如图3所示，采用NE555定时器产生38KHz的载波，通过单片机对光偶的通断控制，产生所需的红外脉冲信号，将所对应的传感器调校准确。可通过调节R₁、R₂、C1的参数调节载波的振荡频率f以及占空比q。公式如下：

f = \frac{1}{T} = \frac{1}{\ln 2 (R_{1} + R_{2}) C}

q = \frac{R_{1}}{R_{1} + R_{2}}

如图4所述，防干扰措施采用每个红外信号发送端对准一个传感器，并在各传感器间加装隔离板的方法，使本路红外信号不会对对相邻几路的调校控制产生干扰。

如图5所示，微控制器单元CPU采用CYGNAL公司的C8051F020芯片，仿真器通过JTAG仿真接口与单片机连接。电源模块是采用12V的开关电源经过L7805三端稳压器转换成5V直流电。电压转换采用TI公司的5V/3V高性能稳压芯片TPS7333Q将+5V转换成+3.3V供单片机使用。模数电压之间采用2欧姆电阻进行隔离，模数地之间采用单点接地的方法用0欧姆电阻连接。复位电路采用MAXIM公司具有人工复位功能的MAX811芯片来实现。D/A调理电路采用正向比例放大电路，根据D/A调理后的电压信号控制流量控制器以控制电磁比例调节阀的开度。

如图6所示，信号调理单元的频率量(气体传感器输出)信号经光耦TLP521-4隔离、SN74LS244N缓冲后与单片机的I/O口连接。

如图7所述，模拟量(流量计输出和气体传感器模拟量变送输出)经RC低通滤波、电压跟随和差分比例运算调理后，送入单片机的A/D口，采样保持和ADC采用单片机片内集成的资源。每次通入一种标准气样后要等待足够的时间(约90-120秒)使气体传感器的数值达到稳定后再读取数据，读回后与标准气样值进行比较，如果偏差在要求的范围内则此传感器通过校验，否则发射红外信号校准传感器，再读取数据，如经过连续三次均不能达到要求则认为此传感器已坏，显示“第n个传感器在第N浓度不合格！″，提示送厂家处理。

如图8所述，通信接口单元采用了符合RS-232标准的驱动芯片MAX3232，通过Modbus协议实现单片机和上位机之间的通信。

如图9所述，显示电路液晶模块采用1602液晶显示器。能够同时显示16乘以2即32个字符(16列2行)。

如图10所述，I/O口输出的控制信号经光耦隔离TLP521-4及ULN2803达林顿驱动后控制16路继电器的通断，进而控制电磁阀的开关状态。16路继电器分别控制8路直流24V供电的电控阀(连接8路气体浓度，还可扩展)、8路直流24V供电的电磁阀(连接8路气体传感器，还可扩展)。

Claims

1.矿用气体传感器无人值守智能校验仪，其特征是包括微控制器单元、信号调理单元、通信接口单元、显示单元、触摸控制单元和气路系统、红外信号发射系统；微控制器单元包括CPU、电源、晶振电路、LCD指示灯及和跳线；通信接口单元包括RS-232驱动电路；信号调理单元包括频率量信号的调理电路及模拟信号的调理电路；显示单元包括LCD显示电路；触摸控制单元包括计算机主机和触摸屏；气路系统包括16路控制继电器、流量控制器和电磁阀；红外信号发射系统包括8路控制电路以及载波电路；通信接口单元通过串口通信接口模块与微控制器连接，信号调理单元、显示单元、气路系统、红外信号发射系统、瓦斯传感器断电信号通过I/O口与单片机连接；通信接口单元单片机的串口通信模块通过驱动芯片MAX232与上位机相连接；信号调理单元的频率量信号经光耦隔离及缓冲电路与单片机的I/O口连接，模拟量信号经RC低通滤波、电压跟随和差分比例运算调理，通过片内的ADC与单片机连接；LCD通过电平转换模块与单片机的并行I/O连接；触摸控制单元通过通信接口单元与单片机连接；气路系统是通过单片机的I/O口输出控制信号，通过光耦隔离、驱动电路去控制16路继电器的通断；流量控制是经D/A及调理后的电压信号输出给流量控制器来控制电磁比例调节阀的开度，其输出电压信号的大小是根据所要校验的传感器的数量而设定，即200×N(ml/min)，其中，N为传感器数量，以保证每一个传感器得到稳定的流量200ml/min；流量引入闭环控制以保证流量的准确性；红外信号发射系统经开关电路产生低频信号，再与载波相与后通过红外发射头发送传感器可接收辨识的红外信号来调校传感器的检测值、报警值。