CN104196570B - 一种矿用隔爆兼本质安全型超声波测距报警系统 - Google Patents
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Abstract
一种矿用隔爆兼本质安全型超声波测距报警系统，属于煤矿井下自动化检测技术领域。该系统由本安电源电路、本安超声波测距和报警显示组成，该系统为隔爆兼本质安全型，由本安电源供电，所采用的超声波换能器为防水型收发一体换能器，所设计的本安超声波测距单元包括超声波换能器、升压转换电路、超声波收发切换电路和测距单片机，与报警显示单片机、语言电路、液晶显示器和扬声器，实现超声波发射和回波接受，完成测距和报警功能。本发明具有抗干扰能力强，结构简单，体积小，费用低等优点，可广泛运用于煤矿井下运输工具接近障碍，煤矿水坑积水的水位等需要非接触式距离测量和报警的应用场合。
Description
技术领域
本发明一种矿用隔爆兼本质安全型超声波测距报警系统，属于煤矿井下自动化检测技术领域，它是一种基于超声波测距的隔爆兼本质安全型距离报警装置，克服了现有超声波测距报警系统不能在易燃易爆的煤矿矿井环境中使用的弊端，用于高瓦斯的煤矿井下测距预警等方面。
背景技术
超声波测距技术是常用的非接触测距技术之一，其广泛运用于汽车倒车雷达、机器人避障等方面。超声波测距技术具有使用范围广，对亮度、色彩敏感度要求低，抗电磁、粉尘等干扰的能力强，结构简单，体积小，费用低等优点，因而十分适用于煤矿矿井、化工厂等条件恶劣的场所。
超声波是指超过人类耳朵听觉上限的声波或振动，一般而言声波频率超过20kHz以上时就可称为超声波。超声波是一种纵向振动的弹性机械波，可以在气体、液体和固体内部传播。超声波在相同条件下的同一种传播介质里传播速度相同，在流体介质中超声波的传播方向与振动方向相同，在空气中的传播速度与声速相同。目前超声波测距的方法中，广泛采用的是回波法，即利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到被测物体反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到被测物体的实际距离。
超声波测距需要用到超声波换能器，其作用是通过晶体的压电效应完成电信号和声波信号相互转换。依据换能器防护等级不同可分为防水与不防水型，依据结构功能可分为收发一体与收发分开型。不防水型换能器需要的驱动电压低，但是使用范围有限；防水型换能器的驱动电压高，接收到的超声波转化而成的电脉冲信号振幅小，因而超声波收发电路复杂。收发分开型超声波测距方法具有电路简单，测距盲区小的优点，但是安装不方便；收发一体型超声波测距方法具有结构简单，安装方便的优点，但是由于换能器兼收发两功能，超声波收发电路复杂。煤矿矿井内粉尘多，局部湿度大，因而最适用的超声波测距类型是防水型收发一体超声波测距。
煤矿矿井属于易燃易爆环境，根据国家标准规定，在易燃易爆环境中使用的设备必须是防爆设备，防爆可通过隔爆或者本质安全化来实现。超声波测距系统的换能器需要裸露在空气中发射和接收超声波，因而超声波收发电路必须是本质安全型才能在煤矿矿井内部使用。而现有的防水收发一体型超声波收发电路多采用中周元件或大容量的电感、电容元件，不能满足本质安全的火花点燃实验要求，因此，无法在矿井内安全使用。
发明内容
本发明一种矿用隔爆兼本质安全型超声波测距报警系统，目的在于为解决上述现有技术中存在的超声波测距系统难以做到本质安全的问题，从而公开一种将隔爆技术与本质安全技术相结合，采用高性能本安电源、本安超声波测距和报警显示一体的，可以在高瓦斯含量的煤矿矿井中安全使用，同时也适用于易燃易爆的化工厂车间等其它对电器设备具有防爆要求场所的矿用隔爆兼本质安全型超声波测距报警系统。
本发明一种矿用隔爆兼本质安全型超声波测距报警系统，其特征在于是一种采用高性能本安电源、本安超声波测距和报警显示一体的技术，将隔爆技术与本质安全技术相结合的矿用隔爆兼本质安全型超声波测距报警系统，该系统由本安电源电路单元、本安超声波测距单元和报警显示单元组成，所述本安电源电路单元采用5V本安稳压电源101，所述报警显示单元由报警显示单片机105、语音电路106、扬声器107和液晶显示器108组成，所述本安超声波测距单元由超声波换能器Ⅰ、升压转换电路102、超声波收发切换电路103和测距单片机104组成，所述本安超声波测距单元由5V本安稳压电源101供电，所述超声波换能器Ⅰ为防水型收发一体换能器；所述升压转换电路102由DC-DC变换器201、电阻R1和R2、滤波电容C1和C2、电感L1以及整流二极管D1组成，DC-DC变换器201引脚VCC与5V本安稳压电源101连接，DC-DC变换器201引脚LX输出的电压经整流二极管D1、电阻R1和滤波电容C2在A点输出30V直流电压，给超声波收发切换电路103提供30V的本安直流电压；所述超声波收发切换电路103由多通道复用器202、电阻R3、滤波电路203、一级放大电路204和二级放大电路205组成，多通道复用器202引脚DA与超声波换能器Ⅰ正极连接，引脚DB与超声波换能器Ⅰ负极连接，多通道复用器202引脚EN、V+、S1A和S2B与升压转换电路102的A点连接，多通道复用器202引脚A0、A1分别与测距单片机104引脚P1.0、P1.1连接，由测距单片机104引脚P1.0和P1.1发出的信号，控制和切换多通道复用器202，驱动超声波换能器Ⅰ发射超声波，并接受回波，回波信号经滤波电路203、一级放大电路204、二级放大电路205处理之后，经端口OUT送入测距单片机104处理，实现距离测量。
所述升压转换电路102中所选电感L1值为47μH，本安电源供电最大电流为260mA，所选滤波电容C1值为1μF，工作电压为30V，所选滤波电容C2值为4.7μF，工作电压为5V，根据国际标准IEC 60079-11:1999《爆炸性气体环境用电气设备 本质安全“i”》中最小点燃电流与电感大小之间的关系曲线和最低点燃电压与电容值之间的关系曲线，均符合本质安全要求。
安装时，将5V本安稳压电源101、升压转换电路102、超声波收发切换电路103、测距单片机104、报警显示单片机105、语音电路106、扬声器107、液晶显示器108置于隔爆箱109之内，隔爆箱109上开一透视窗口，内嵌液晶显示器108，超声波换能器Ⅰ位于隔爆箱109之外，用同轴电缆通过隔爆箱109上的绝缘接线柱与隔爆箱109内部的超声波收发切换电路103相连接。
本发明一种矿用隔爆兼本质安全型超声波测距报警系统的优点在于：
1、采用高性能本安电源、本安超声波测距和报警显示一体的技术，将隔爆技术与本质安全技术相结合，解决了超声波测距系统难以做到本质安全的问题。
2、是一种基于超声波测距的隔爆兼本质安全型距离报警装置，克服了现有超声波测距报警系统不能在易燃易爆的煤矿矿井环境中使用的弊端，可广泛用于高瓦斯的煤矿井下测距预警、煤矿井下运输工具接近障碍，煤矿水坑积水的水位等需要非接触式距离测量和报警的应用场合和易燃易爆的化工厂车间等其它对电器设备具有防爆要求的场所等方面。
3、本发明具有抗干扰能力强，结构简单，体积小，费用低等优点。
附图说明
图1：一种矿用隔爆兼本质安全型超声波测距报警系统结构示意图
101. 5V本安稳压电源 102.升压转换电路 103.超声波收发切换电路
104. 测距单片机 105. 报警显示单片机 106. 语音电路
107. 扬声器 108. 液晶显示器 109. 隔爆箱
Ⅰ. 超声波换能器
图2：本安超声波测距单元原理图
R1、R2、R3. 电阻 C1、C2. 滤波电容 L1. 电感 D1. 整流二极管
201. DC-DC变换器 202. 多通道复用器 203. 滤波电路 204. 一级放大电路
205. 二级放大电路 Ⅰ.超声波换能器 101. 5V本安稳压电源 104. 测距单片机
图3：矿用隔爆兼本质安全型超声波测距报警系统在矿井运输工具安装示意图
I1. 1号超声波换能器 I2.2号超声波换能器 I3.3号超声波换能器
I4. 4号超声波换能器 109. 隔爆箱。
具体实施方案
下面结合附图1、附图2和附图3进一步说明矿用隔爆兼本质安全型超声波测距报警系统在煤矿矿井运输工具倒车时的测距报警原理及工作过程。
按照附图3，需要在矿井运输工具上安装四路本安超声波测距单元，四路本安超声波测距单元中的超声波换能器I，即1号超声波换能器I1、2号超声波换能器I2、3号超声波换能器I3和4号超声波换能器I4分别安装在运输工具的四周。每路本安超声波测距单元中的升压转换电路102、超声波收发切换电路103、测距单片机104与5V本安稳压电源101、报警显示单片机105、语音电路106、扬声器107、液晶显示器108置于隔爆箱109之内，隔爆箱109安装在驾驶室内，隔爆箱109上开一透视窗口，内嵌液晶显示器108，四路超声波换能器Ⅰ均位于隔爆箱109之外，用同轴电缆通过隔爆箱109上的绝缘接线柱分别与隔爆箱109内部的超声波收发切换电路103相连接。5V本安稳压电源101给四路本安超声波测距单元供电，同时也给报警显示单片机105、语音电路106和液晶显示器108供电。
倒车测距工作过程：倒车测距包括超声波发射和回波接受处理两个阶段。首先，第一路本安超声波测距单元中的测距单片机104通过引脚P1.0、P1.1控制多通道复用器202引脚A1，A0电平变换，A0=0、A1=0时多通道复用器202引脚DA、DB分别选通引脚S1A、S1B，1号超声波换能器I1正极为30V，负极为0V；A0=1、A1=0时多通道复用器202引脚DA、DB分别选通引脚S2A、S2B，1号超声波换能器I1正极为0V，负极为30V。测距单片机104通过引脚P1.0、P1.1控制多通道复用器202引脚A1、A0电平变换的间隔时间及变换次数，使1号超声波换能器I1的两个正负引脚产生幅值为30V的16个40kHz频率的脉冲信号。脉冲信号为高电平时，向1号超声波换能器I1正极充电；脉冲信号为低电平时，向1号超声波换能器I1负极充电。因此1号超声波换能器I1被驱动。接着，测距单片机104输出引脚P1.0、P1.1控制多通道复用器202引脚A0=0、A1=1，此时多通道复用器202引脚DA、DB分别选通引脚S4A、S4B，1号超声波换能器I1正负极分别连接电阻R3两端，超声波换能器I1进入震荡状态，并发射超声波。随后，第一路本安超声波测距单元中的测距单片机104通过引脚P1.0、P1.1控制多通道复用器202引脚A0=1、A1=1，此时多通道复用器202引脚DA、DB分别选通引脚S3A、S3B，1号超声波换能器I1转入回波接受状态。如果超声波发射后遇到障碍物，则1号超声波换能器I1在20ms之内接受到回波信号，回波信号经1号超声波换能器I1转化为回波电信号，经多通道复用器202、滤波电路203、一级放大电路204和二级放大电路205，通过输出端口OUT送入测距单片机104处理，测距单片机104对回波信号进行A/D采样之后，经算法捕捉回波峰值的时间点，并通过检测超声波发射和回波接收之间的时间差来计算出1号超声波换能器I1与障碍物之间的距离。如果超声波发射后1号超声波换能器I1在20ms之内没有接受到回波信号，则系统判断前方没有障碍物。两种情况下测距单片机104都结束1号超声波换能器I1测距任务，系统启动第二路本安超声波测距单元开始测距，第二路本安超声波测距单元中的测距单片机104通过超声波收发切换电路103控制2号路超声波换能器I2发射超声波并接受回波信号，测量2号路超声波换能器I2前方是否有障碍物以及与障碍物之间的距离。依照以上同样的检测方法依次测量3号超声波换能器I3和4号超声波换能器I4前方的障碍物以及与障碍物之间的距离。经80ms后完成了一轮4路超声波换能器与前方障碍物的测距检测。
显示报警控制：四路本安超声波测距单元中测距单片机104以串行数据的方式分别将测距结果发送给报警显示单片机105，报警显示单片机105接收到障碍物的方位信息后将障碍物的方位信息显示在隔爆箱109透视窗内的液晶显示器108上，并将测到运输工具与障碍物的距离值和单片机内预设的距离报警值进行比较，如果障碍物距离小于报警值，则单片机发送障碍物信息和报警信号给语音电路106，语音电路106控制扬声器107发出障碍物方位和距离的声音以提示驾驶者。
Claims (2)
1.一种矿用隔爆兼本质安全型超声波测距报警系统，其特征在于是一种采用高性能本安电源、本安超声波测距和报警显示一体技术，将隔爆技术与本质安全技术相结合的矿用隔爆兼本质安全型超声波测距报警系统，该系统由本安电源电路单元、本安超声波测距单元和报警显示单元组成，所述本安电源电路单元采用5V本安稳压电源（101），所述报警显示单元由报警显示单片机（105）、语音电路（106）、扬声器（107）和液晶显示器（108）组成，所述本安超声波测距单元由超声波换能器（Ⅰ）、升压转换电路（102）、超声波收发切换电路（103）和测距单片机（104）组成，所述本安超声波测距单元由5V本安稳压电源（101）供电，所述超声波换能器（Ⅰ）为防水型收发一体换能器；所述升压转换电路（102）由DC-DC变换器（201）、电阻R1和电阻R2、滤波电容C1和滤波电容C2、电感（L1）以及整流二极管（D1）组成，DC-DC变换器（201）引脚VCC与5V本安稳压电源（101）连接，DC-DC变换器（201）引脚LX输出的电压经整流二极管（D1）、电阻R1和滤波电容C2在A点输出30V直流电压，给超声波收发切换电路（103）提供30V的本安直流电压；所述超声波收发切换电路（103）由多通道复用器（202）、电阻R3、滤波电路（203）、一级放大电路（204）和二级放大电路（205）组成，多通道复用器（202）引脚DA与超声波换能器（Ⅰ）正极连接，引脚DB与超声波换能器（Ⅰ）负极连接，多通道复用器（202）引脚EN、V+、S1A和S2B与升压转换电路（102）的A点连接，多通道复用器（202）引脚A0、A1分别与测距单片机（104）引脚P1.0、P1.1连接，由测距单片机（104）引脚P1.0和P1.1发出的信号，控制和切换多通道复用器（202），驱动超声波换能器（Ⅰ）发射超声波，并接受回波，回波信号经滤波电路（203）、一级放大电路（204）、二级放大电路（205）处理之后，经端口OUT送入测距单片机（104）处理。
2.如权利要求1所述的矿用隔爆兼本质安全型超声波测距报警系统，其特征在于安装时，将5V本安稳压电源（101）、升压转换电路（102）、超声波收发切换电路（103）、测距单片机（104）、报警显示单片机（105）、语音电路（106）、扬声器（107）、液晶显示器（108）置于隔爆箱（109）之内，隔爆箱（109）上开一透视窗口，内嵌液晶显示器（108），超声波换能器（Ⅰ）位于隔爆箱（109）之外，用同轴电缆通过隔爆箱（109）上的绝缘接线柱与隔爆箱（109）内部的超声波收发切换电路（103）相连接。
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