CN102998421B - 基于单片机的64路矿用气体传感器智能校验仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种矿用气体传感器校验系统，尤其是一种64路多浓度矿用气体传感器智能校验系统。包括微控制器单元、信号调理单元、通信接口单元和气路系统，微控制器单元包括单片机、配套电源、晶振和复位电路，通信接口单元包括RS-232串口通讯模块，信号调理单元包括传感器输出信号的采集电路及气体流量控制的模拟信号调理电路，的气路系统包括64路控制继电器、流量控制器和电磁阀，信号调理单元、气路系统和瓦斯传感器断电信号通过I/O口与单片机连接，气路系统通过单片机的I/O口控制8个级联的移位寄存器输出64路继电器的控制信号。本发明降低了煤矿对矿用气体传感器校验调校和维护的投入，减少了因为不同设备误差的原因导致传感器校验误差的累积。
Description
技术领域
本发明涉及一种矿用气体传感器校验系统，尤其是一种64路多浓度矿用气体传感器智能校验系统。
背景技术
矿用气体传感器作为能够反映矿井下工作环境中各类易燃易爆、有毒有害气体浓度的主要器件被广泛的应用到煤矿安全监测监系统中，包含的主要类别有瓦斯传感器、一氧化碳传感器、氧气传感器、硫化氢传感器等，这些传感器的检测精度直接关系到整个煤矿安全监测系统工作的可靠性，对检测监控的实时性与准确性起着决定性的作用，目前煤矿使用的气体传感器都是依据热催化原理制成的，可以输出表征被检气体浓度的电流信号或者是频率信号，由于热催化式气体敏感元件的特性使其在使用的过程中必然会出现零点漂移和量程漂移导致不能准确反映被检气体的浓度，因而必须对其进行定期校准来达到煤矿安全生产的要求，在《煤矿安全规程》第l62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样调校一次，每7天必须对甲烷超限断电功能进行测试”。
目前自动校验装置最多可以同时校验8路传感器，对于需要调校大量气体传感器的煤矿来说需要同时购置5-8台矿用气体校验仪才能满足矿井安全生产的需求，这样不仅增加了设备成本，更增加了调校工作量，基于此我们研发出一种能同时调校64路传感器的自动化校验仪，该型校验仪采用新的设计方案，可以同时完成对64路传感器进行多种浓度的自动调校，并对校验数据进行保存和打印，同时在校验的过程中可以实时监测到校验数据的变化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何使得气体传感器校验能同时调校64路传感器的自动化校验仪进行多种浓度的自动调校。
本发明所要解决的技术问题是：一种基于单片机的64路矿用气体传感器智能校验仪，其特征在于：包括微控制器单元、信号调理单元、通信接口单元和气路系统，所述微控制器单元包括单片机、配套电源、晶振和复位电路，所述通信接口单元包括RS-232串口通讯模块，所述信号调理单元包括传感器输出信号的采集电路及气体流量控制的模拟信号调理电路，所述的气路系统包括64路控制继电器、流量控制器和电磁阀，所述信号调理单元、所述气路系统和瓦斯传感器断电信号通过I/O口与单片机连接，所述气路系统通过单片机的I/O口控制8个级联的移位寄存器输出64路继电器的控制信号。
所述通信接口单元主要完成在所述单片机和上位机PC电脑之间通过所述RS-232串口通讯模块构建数据传输线路。
所述信号调理单元主要完成对传感器输出的变送信号的采集和气路系统中流量计的模拟控制信号的调理，传感器的输出信号经光耦隔离和整形后调制成频率信号后通过I/O口接入到所述单片机内部。
所述的气路系统是通过单片机的I/O口控制8个级联的移位寄存器输出64路继电器的控制信号；所述的标准气体的流量控制是经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，自动根据待测传感器的数量和位置控制标准气体流量的大小和输出通道的开闭，通过自动闭环控制为传感器提供足够的流量，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调校传感器规定的流量上，提高测量精度。
本发明的有益效果是：本发明降低了煤矿对矿用气体传感器校验调校和维护的投入，减少了因为不同设备误差的原因导致传感器校验误差的累积，更加适合大中型煤矿使用。
附图说明
图1是本发明基于单片机矿用气体传感器校验仪的原理框图；
图2是本发明的气路结构框图；
图3是本发明微控制器原理图；
图4是本发明频率量信号采集控制电路；
图5是本发明频率量信号采集整形电路；
图6是本发明模拟量信号的调理电路；
图7本发明通信接口电路图；
图8是本发明继电器控制图；
图9是本发明的标气控制电路图。
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，本发明一种基于单片机的矿用气体传感器智能校验仪，包括微控制器单元、信号调理单元、通信接口单元和气路系统。其中：
所述的微控制器单元包括C8051F020单片机和配套电源、晶振和复位电路；
所述的通信接口单元包括RS-232串口通讯模块；
所述的信号调理单元包括传感器输出信号的采集电路及气体流量控制的模拟信号调理电路；
所述的气路系统包括64路控制继电器、流量控制器和电磁阀；
上述的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、气路系统都是通过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8路标准气体、64路继电器控制的电磁阀和流量控制器。8路标准气体可以是任何气体或浓度，以校验时接入的标准气为准。
如图3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，可以实现在线编程调试。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4所示，是传感器输出频率信号采集的控制电路，控制信号经P1.4~P1.7输出光耦6N137隔离后传输给模拟多路复用器HCC4067BF的控制端，传感器的输出频率信号连接到HCC4067BF的IO0~IO15上，控制端将传输过来的控制信号经过译码后决定模拟多路复用器IOCOMX端输出哪一路传感器信号到单片机，由于共连接了四块HCC4067BF，所以发送一次控制命令可以将四路传感器的信号传输到单片机，。
如图5所示，是传感器输出频率信号采集的整形电路，由模拟多路复用器片输出的传感器信号，经过CD40106反相后经过光耦6N137隔离整形输出适合C8051F020端口要求的幅值为3.3V的频率信号，而后传输到单片机的P1.0~P1.3，完成对传感器输出信号的采集。
如图6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，否则对传感器进行校准，再读取数据，如经过连续三次调校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7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8所述，为64路继电器控制电路主要是通过继电器控制电磁阀通断来进一步控制是否给传感器供应标准气体，P0.4是数据信号端，P0.5是时钟信号端，P0.6是复位控制端，将需要开通的继电器控制信号编码通过数据信号端P0.4传输到移位寄存器SN54ALS164J的A和B端口，在时钟信号作用下将继电器的控制信号传输到移位寄存器的输出端并将信号锁存，经过达林顿阵列ULN2803放大后控制64路继电器的通断，进而控制电磁阀的开关状态。
如图9所示，为标准气体控制电路，控制信号经过单片机的P2口输出到光耦TIL113隔离整形后，控制继电器的通断进而控制进气电磁阀的通断来完成在传感器调校过程中不同浓度气体的自动切换功能。
使用时，首先安装智能调校检测仪，技术领域的人员都能够实现。其次是智能调校检测仪的使用操作方法。智能调校检测仪可用触摸屏操作，也可使用键盘操作。
Claims (1)
1.一种基于单片机的64路矿用气体传感器智能校验仪，包括微控制器单元、信号调理单元、通信接口单元和气路系统，其特征在于：所述微控制器单元包括单片机、配套电源、晶振和复位电路，所述通信接口单元包括RS-232串口通讯模块，所述信号调理单元包括传感器输出信号的采集电路及气体流量控制的模拟信号调理电路；所述气路系统包括8路标准气体、64路控制继电器、流量控制器和电磁阀；
所述64路控制继电器通过所述微控制器单元的单片机的I/O口控制8个级联的移位寄存器输出64路控制继电器的控制信号；
所述64路控制继电器是通过继电器控制电磁阀通断来进一步控制是否给传感器供应标准气体，将需要开通的继电器控制信号编码通过数据信号端P0.4传输到移位寄存器SN54ALS164J的A和B端口，在时钟信号端P0.5的时钟信号作用下将继电器的控制信号传输到移位寄存器的输出端并将信号锁存，经过达林顿阵列ULN2803放大后控制64路继电器的通断，进而控制电磁阀的开关状态，以实现在传感器调校过程中不同浓度气体的自动切换，能同时对64路传感器进行多种浓度的自动调校；
所述的能同时对64路传感器进行多种浓度的自动调校，是指每次通入一种标准气样后，等待气体传感器的数值达到稳定后读取数据，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，否则对传感器进行校准，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；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；
所述流量控制器用于对标准气体的流量控制；所述的标准气体的流量控制是经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，自动根据待测传感器的数量和位置控制标准气体流量的大小和输出通道的开闭，通过自动闭环控制为传感器提供足够的流量，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调校传感器规定的流量上，提高测量精度。
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