CN104895611B - 一种测量矿井粉尘浓度的智能传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测量矿井粉尘浓度的智能传感器，包括外形结构部分、硬件电路系统和软件系统，其中，外形结构部分主要是静电感应电极和传感器金属屏蔽外壳的设计；硬件电路系统主要包括信号放大电路、滤波电路、核心微处理器、外扩存储器、由显示模块和键控模块构成的人机交互模块、报警电路、通信接口等；软件系统主要涉及的算法有自检测算法、自校零算法、信号处理核心算法，误差自校正算法。在本发明中，该智能传感器是集传感、电子、通信等技术于一体，其既可以对矿井现场的浓度进行实时显示与超标报警，又可以与上位机进行数据通信，实现了矿井粉尘的在线监测。

Description

一种测量矿井粉尘浓度的智能传感器

技术领域

本发明属于传感器装置领域，尤其涉及一种测量矿井粉尘浓度的智能传感器。

背景技术

随着煤炭工业的迅速发展，矿山生产安全监测监控系统的不断完善和提高，传统的粉尘传感器在准确度、稳定性和可靠性等方面已经不能满足要求，而智能传感器则代表着数字矿山功能要求的发展方向。由于传感器技术、计算机技术和通信技术的飞速发展，传感器开始朝着集成化、智能化的方向发展，传感器已经不再是传统概念上的传感器，而是具有一定智能化功能的传感器。智能传感器是一种带有微处理器并兼有监测和信息处理功能的传感器，传感器智能化是当今传感器技术的主要发展方向之一。传感器技术和智能化技术的结合，使传感器由单一功能、单一检测对象向多功能和多变量检测发展，也使传感器由被动进行信号转换向主动控制传感器特性和主动进行信息处理发展，使传感器由孤立的元器件向系统化、网络化和智能化的方向发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量矿井粉尘浓度的智能传感器，旨在解决现有传统矿井粉尘浓度传感器在性能上不足的问题。

本发明是这样实现的，一种测量矿井粉尘浓度的智能传感器，包括静电感应电极、信号放大电路、滤波电路、显示模块以及带软件功能的微处理器；所述静电感应电极、信号放大电路、滤波电路、微处理器依次连接，所述微处理器与显示模块连接；其中，所述静电感应电极将震动信号转换为电荷信号，电荷信号经信号放大电路放大、滤波电路的滤波处理后传输给微处理器，所述微处理器将数据采集以及对数据进行误差自校正处理后，将校正后的数据以及传感器工作状态在显示模块中显示出来。

优选地，所述智能传感器还包括键控模块，所述键控模块与微处理器连接；其中，所述键控模块发出键控指令后，所述微处理根据指令检测由静电感应电极、信号放大电路以及滤波电路构成的数据输入通道的启动闭合。

优选地，所述智能传感器还包括报警模块，所述报警模块与微处理器连接；其中，所述键控模块发出键控指令后，在基于“校验和”算法基础上，所述微处理根据指令对所述数据输入通道、ROM、RAM、键控模块进行自动检测，在发现异常时通过报警模块发出警报；以及/或者，所述微处理根据指令对显示模块进行自动检测，在发现异常时在显示模块上显示。

优选地，所述智能传感器还包括外扩存储器，所述外扩存储器与微处理器连接，所述微处理器将接收、处理的数据存储在外扩存储器中。

优选地，所述智能传感器还包括通信接口模块，所述通信接口模块与微处理器连接，所述微处理器通过通信接口模块接收外部进行数据传输，或者接收外部指令并对所述数据输入通道、ROM、RAM、键控模块、显示模块以及通信接口模块外接设备进行检测。

优选地，所述通信接口模块包括配有4～20mA模拟电流通信接口、RS232/RS485串行通信接口、CAN总线通信接口或者RJ45以太网接口。

优选地，所述智能传感器还包括金属屏蔽外壳以及绝缘管；其中，所述金属屏蔽外壳表面安装显示模块、键控模块；所述金属屏蔽外壳内安装绝缘管，所述静电感应电极为螺旋式镶绕在绝缘管的外壁中间位置处的铜片，所述绝缘管内壁为粉尘颗粒流经的风道，所述绝缘管两端开口且导通。

本发明克服现有技术的不足，提供一种测量矿井粉尘浓度的智能传感器，包括外形结构部分、硬件电路系统和软件系统，其中，外形结构部分主要是静电感应电极和传感器金属屏蔽外壳的设计；硬件电路系统主要包括信号放大电路、滤波电路、核心微处理器、外扩存储器、由显示模块和键控模块构成的人机交互模块、报警电路、通信接口等；软件系统主要涉及的算法有自检测算法、自校零算法、信号处理核心算法，误差自校正算法。在本发明中，该智能传感器是集传感、电子、通信等技术于一体，其既可以对矿井现场的浓度进行实时显示与超标报警，又可以与上位机进行数据通信，实现了矿井粉尘的在线监测。

本发明测量矿井粉尘浓度的智能传感器，由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有的优点和积极效果在于：

1、本发明将微处理器嵌入到传感器系统中，具有了信息处理、数据存储与记忆的功能，同时实现了矿井粉尘检测的过程自动化，传感器的整个检测过程中，如检测通道开关的启动闭合、数据的采集、传输与处理等都通过微控制器来控制操作。

2、本发明具有传感器系统自检和诊断功能，通过分析、判断各功能模块性能数据的合理性，给出系统异常情况的报警处理，保证了粉尘检测智能传感器的可靠性与稳定性。本发明具有传感器系统自校正功能，通过自动校零去除零点漂移；与标准参考基准实时对比以自动进行整体系统标定；自动进行系统输入与输出之间非线性系统误差的校正，从而提高了智能传感器的精度。

3、本发明拥有友好的人机交互功能，智能传感器使用键盘代替了传统传感器的切换开关，只需要通过键盘输入控制命令就能实现相应的功能。同时，智能传感器还通过LED数码管将传感器的运行情况、工作状态以及对矿井粉尘的浓度检测结果进行实时的显示，使传感器的操作更加方便直观。

4、本发明设计有多种通信接口，配有4-20mA模拟电流通信接口、RS232/RS485串行通信接口、CAN总线通信接口、RJ45以太网接口电路，可以很灵活地与PC以及其他仪器设备一起组成用户所需要的多种功能的自动检测系统。

附图说明

图1为本发明测量矿井粉尘浓度的智能传感器中硬件电路系统结构示意图；

图2为本发明硬件电路系统中信号放大电路的结构示意图；

图3为本发明硬件电路系统中滤波电路的结构示意图；

图4为本发明硬件电路系统中显示模块的显示电路结构示意图；

图5为本发明硬件电路系统中键控模块的键盘控制电路结构示意图；

图6为本发明硬件电路系统中报警模块的报警电路结构示意图；

图7是本发明测量矿井粉尘浓度的智能传感器的软件系统中信号软件处理算法的流程图；

图8是本发明测量矿井粉尘浓度的智能传感器的外形结构部分的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种测量矿井粉尘浓度的智能传感器，包括外形结构部分、硬件电路系统和软件系统，其中，外形结构部分主要传感器金属屏蔽外壳的设计；硬件电路系统主要包括静电感应电极、信号放大电路、滤波电路、显示模块以及带软件功能的微处理器等；软件系统主要涉及的算法有自检测算法、自校零算法、信号处理核心算法以及误差自校正算法。

其中，硬件电路系统方面，如图1所示，包括静电感应电极1、信号放大电路2、滤波电路3、显示模块4以及带软件功能的微处理器5；所述静电感应电极1、信号放大电路2、滤波电路3、微处理器5依次连接，所述微处理器5与显示模块4连接；其中，所述静电感应电极1将震动信号转换为电荷信号，电荷信号经信号放大电路2放大、滤波电路3的滤波处理后传输给微处理器5，所述微处理器5将数据采集以及对数据进行误差自校正处理后，将校正后的数据以及传感器工作状态在显示模块4中显示出来。

如图2所示，信号放大电路2由两级构成，第一级选用超低输入偏置电流运算放大器AD594运放进行设计，R1是输入电阻，其放大电路的反馈部分是由电阻R2、R3、R4构成T型反馈电阻网络，C5是补偿电容，其既能够实现选用阻值较小的电阻以减小电路的漂移误差，同时又可以得到较大的放大倍数和输入电阻，从而有效地提高了电路的灵敏度和精确度。由于运放的反相端与同相端都存在分布电容，通过反馈电路的电阻会产生极点，从而使电路的相位滞后增大，因而需要进行频率补偿，补偿的方法是在反馈回路中并联电容C5。第二级选用TL081运放构成电压串联负反馈网络，R6是输入电阻，R7，R8为反馈电阻网络。C1、C2、C6、C7为滤波电容。第二级放大电路选用宽带JFET型运算放大器TL081进行电压串联负反馈网络的设计，实现对采集信号的进一步放大。

如图3所示，滤波电路3中，前一级为二阶巴特沃斯低通滤波电路(参见文献[1])，第二级为50Hz陷波电路(参见文献[2])。滤波电路3由巴特沃斯低通滤波电路与50Hz陷波电路组成，巴特沃斯滤波电路选用二阶低通滤波，截止频率为100Hz，当输入信号的频率比较低的时候，输出电压虽然是最大，但反馈电容C8相当于断路，当输入电压的频率增加到某频率时，反馈电容C8的阻抗降低，在电路中为保证电路的稳定性，R11、R12需要满足一定的数量关系；陷波电路设计为Q值可调的有源双T型双跟随电路，运放选用JFET型双运算放大器TL082。双T陷波网络要求C11＝C12＝C，C13＝2C，R13＝R14＝R，R15＝R/2，这种对称关系使得对应于ω0的频率信号互相抵消,直至衰减到零。TL082_PartA的输出作为整个电路的输出，TL082_PartB用作电压跟随器，与输出端组成电压反馈电路。

显示模块4由四位的LED数码管显示电路和显示器构成，数码管显示电路，如图4所示，数码管采用动态扫描的显示方式，由于STM32控制器的I/O端口不能够提供大电流，因此需要用三极管来增加I/O口的驱动能力，同时也能起到缓冲隔离的作用，从而使控制器可以更加稳定的工作运行。数码管采用动态显示模式，每个数码管的公共端都连接三极管来增加驱动能力；各个按键与微控制器端口之间要接上拉电阻。

更具体的，所述智能传感器还包括键控模块6，所述键控模块6与微处理器5连接；其中，所述键控模块6发出键控指令后，所述微处理5根据指令检测由静电感应电极1、信号放大电路2以及滤波电路3构成的数据输入通道的启动闭合。在实际应用过程中，键控模块6包括键盘控制电路和键盘，键盘控制电路如图5所示，为了防止误报警动作，在电路中加入了光电耦合器G1，以实现输出与输入的电气隔离。

更具体的，所述智能传感器还包括报警模块7，所述报警模块7与微处理器5连接；其中，所述键控模块7发出键控指令后，在基于“校验和”算法基础上，所述微处理7根据指令对所述数据输入通道、ROM、RAM、键控模块进行自动检测，在发现异常时通过报警模块7发出警报；以及/或者，所述微处理5根据指令对显示模块4进行自动检测，在发现异常时在显示模块4上显示。在实际应用过程中，报警模块7包括报警电路和蜂鸣器，报警电路如图6所示，报警由控制器的端口触发，当粉尘浓度值大于设定的上限值时，PE13端口输出低电平信号，从而驱动报警电路发声报警。R23为限流电阻。报警电路是利用蜂鸣器来实现报警效果，为了防止误报警动作，在电路中加入了光电耦合器，以实现输出与输入在电气上的隔离效果，确保动作信号能够正向传输，从而也增加了电路的抗干扰能力。

更具体的，所述智能传感器还包括外扩存储器8，所述外扩存储器8与微处理器5连接，所述微处理器5将接收、处理的数据存储在外扩存储器8中。

更具体的，所述智能传感器还包括通信接口模块9，所述通信接口模块9与微处理器5连接，所述微处理器5通过通信接口模块9接收外部进行数据传输，或者接收外部指令并对所述数据输入通道、ROM、RAM、键控模块7、显示模块4以及通信接口模块9外接设备进行检测。所述通信接口模块9包括配有4～20mA模拟电流通信接口、RS232/RS485串行通信接口(参见文献[3]、[4])、CAN总线通信接口(参见文献[5])或者RJ45以太网接口。通信接口电路主要包括4-20mA电流模拟信号接口电路、RS232/RS485串行通信接口电路、CAN总线通信接口电路、RJ45以太网接口电路。4-20mA电流接口电路选择AD421芯片来完成信号的转换，实现模拟电流的输出；RS232/RS485通信接口电路是通过MAX232和MAX485芯片来搭建设计，RS232电路与微处理器的USART1功能模块连接，RS485电路与USART2功能模块电路连接，同时为了实现终端匹配，需要在RS485接口部位并联120Ω的电阻；CAN总线通信电路选用CAN收发器VP230设计，VP230与微处理器的CAN功能模块连接，实现CAN总线通信功能，在CAN通信的接口部位也需要并联120Ω的电阻实现阻抗匹配；RJ45以太网接口电路选用DM9161A作为10M/100M以太网PHY芯片，其符合IEEE802.3.10BASE-T/100BASE-TX协议，集成有10BASE-T,100BASE-TX收发器，DM9161A与STM32内部的以太网模块通过RMII接口连接，以太网接口对外采用RJ45接口。

更具体的，本发明还包括电源电路，该电源电路主要采用LM2596芯片完成5V电压的转换(电路结构参见文献[6])，电源电路与微处理5连接。

在本发明实施例中，核心微处理器5核心微处理器选用32位的以ARMCortex-M3为内核的STM32F107芯片，Cortex-M3内核使用三级流水线哈佛构架，运用分支预测、单周期乘法和硬件除法功能实现了1.25DMIPS/MHz出色的运算效率，STM32的时钟频率最高为72MHz，片内集成有256KB的FLASH和64KB的SRAM，具有丰富的外设模块，包括12位的ADC模块、定时器模块、SPI同步串行模块、USART异步串行模块、CAN通信模块以及支持10M/100M自适应网络的以太网模块等。为了使系统能有充足的数据空间来存储采集到数据，微处理器还外扩了256KB的存储器。

其次，本发明软件系统的智能算法主要自检测、自校零、核心算法与误差自校正，算法流程如图7所示。自检测是利用检测程序对智能传感器的主要功能模块进行自动检测，本发明选用键控方式使系统进入自检测。ROM检测一般采用“校验和”的方法，具体步骤为：在ROM中预留一个单元，然后在该预留单元中写入校验字，使得ROM中的每一列形成奇数或偶数个“1”，最终使ROM的校验和为全“1”或全“0”；RAM的自检方法是检验其“读/写功能”的有效性，通常选用特征字55H和AAH来对RAM中的每个单元进行先写后读的操作；对于数据采集输入通道的自检，首先是智能传感器系统占用多路模拟开关的一个通道，然后接一个已知的标准电压，使系统对该电压进行A/D转换，将采样结果与系统内ROM中的预设值进行比较，若误差在允许范围内，则数据采集输入通道工作正常，反之则出现故障；显示模块的自检是让显示器的所有字段都发光，即数码管全亮显示“8.8.8.8.”；键盘是通过蜂鸣器鸣响来自检。

自校零是在每一个测量周期过程中中，把输入接地，此时包括传感器在内的整个测量输入通道的输出即为零位输出；再把输入接基准电压值测得到基准输出值，并将零位输出值与基准输出值存于内存；然后输入接被测信号值，测得输出信号值，则被测信号值＝基准电压值×(被测信号输出值-零位输出值)/(基准输出值-零位输出值)，通过这一数量关系的运算就可以实现系统的零位自校正。

核心算法是对采集的静电信号与粉尘浓度信号之间对应关系的建模，由于通过模型得到的数据结果存在一定的误差，因此要物误差进行自校正处理，本发明曲线拟合的算法进行误差自校正，通过实验获得有限对测试数据，利用这些数据来求取近似函数，此方法并不要求近似函数的曲线通过多有离散点，只要求近似函数能够反映这些离散点的一般趋势，不出现局部波动。

最后，对于外形结构部分方面，如图8所示，包括金属屏蔽外壳10、绝缘管11。其中：金属屏蔽外壳10选用金属铝材料，在硬件电路系统的金属外壳上有开口，安装显示模块4以及键控模块6；绝缘管11的材料为聚四氟乙烯，绝缘管11的两端为通孔式的，其内壁为粉尘颗粒流经的风道12；静电感应电极1选用铜片制作，其采用螺旋式的结构镶绕在绝缘管11的外壁中间位置，在静电感应电极1上有同轴电缆线接到电极上方的硬件系统中。

本发明通过将微处理器嵌入到传感器系统中，具有了信息处理、数据存储与记忆的功能，同时实现了矿井粉尘检测的过程自动化，传感器的整个检测过程中，如检测通道开关的启动闭合、数据的采集、传输与处理等都通过微控制器来控制操作。此外，本发明具有传感器系统自检和诊断功能，通过分析、判断各功能模块性能数据的合理性，给出系统异常情况的报警处理，保证了粉尘检测智能传感器的可靠性与稳定性。本发明具有传感器系统自校正功能，通过自动校零去除零点漂移；与标准参考基准实时对比以自动进行整体系统标定；自动进行系统输入与输出之间非线性系统误差的校正，从而提高了智能传感器的精度。此外，本发明拥有友好的人机交互功能，智能传感器使用键盘代替了传统传感器的切换开关，只需要通过键盘输入控制命令就能实现相应的功能。同时，智能传感器还通过LED数码管将传感器的运行情况、工作状态以及对矿井粉尘的浓度检测结果进行实时的显示，使传感器的操作更加方便直观。最后、本发明设计有多种通信接口，配有4-20mA模拟电流通信接口、RS232/RS485串行通信接口、CAN总线通信接口、RJ45以太网接口电路，可以很灵活地与PC以及其他仪器设备一起组成用户所需要的多种功能的自动检测系统。

参考文献：

[1]杨勇，邢磊，诸远奇，杨文璐.压控电压源2n阶单位增益巴特沃斯低通滤波器优化设计[J].电子学报，2011；

[2]史骏，彭静玉.基于双T网络的50HZ陷波电路的设计[J].科技信息，2011；

[3]http://www.alldatasheet.com/view.jsp？Searchword＝RS232；

[4]http://www.alldatasheet.com/view.jsp？Searchword＝RS485；

[5]http://www.alldatasheet.com/view.jsp？Searchword＝TJA1050；

[6]http://www.alldatasheet.com/view.jsp？Searchword＝LM2596。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种测量矿井粉尘浓度的智能传感器，其特征在于，包括静电感应电极、信号放大电路、滤波电路、显示模块以及带软件功能的微处理器；所述静电感应电极、信号放大电路、滤波电路、微处理器依次连接，所述微处理器与显示模块连接；其中，所述静电感应电极将震动信号转换为电荷信号，电荷信号经信号放大电路放大、滤波电路的滤波处理后传输给微处理器，所述微处理器将数据采集以及对数据进行误差自校正处理后，将校正后的数据以及传感器工作状态在显示模块中显示出来；其中：

所述微处理器为32位的以ARM Cortex-M3为内核的STM32F107芯片，上述ARM Cortex-M3内核使用三级流水线哈佛构架，运用分支预测、单周期乘法和硬件除法功能实现了1.25DMIPS/MHz的运算效率，STM32的时钟频率最高为72MHz，STM32F107芯片内集成有256KB的FLASH和64KB的SRAM，STM32F107芯片包括12位的ADC模块、定时器模块、SPI同步串行模块、USART异步串行模块、CAN通信模块以及支持10M/100M自适应网络的以太网模块；所述微处理器还外扩了256KB的存储器；

所述显示模块由四位的LED数码管显示电路和显示器构成，所述LED数码管显示电路采用动态扫描的显示方式，LED数码管采用动态显示模式，每个LED数码管的公共端都连接三极管来增加驱动能力；各个按键与微控制器端口之间接上拉电阻；所述智能传感器还包括键控模块，所述键控模块与微处理器连接；其中，所述键控模块发出键控指令后，所述微处理器根据指令检测由静电感应电极、信号放大电路以及滤波电路构成的数据输入通道的启动闭合；

所述智能传感器还包括报警模块，所述报警模块与微处理器连接；其中，所述键控模块发出键控指令后，在基于“校验和”算法基础上，所述微处理器根据指令对数据输入通道、ROM、RAM、键控模块进行自动检测，在发现异常时通过报警模块发出警报；以及/或者，所述微处理器根据指令对显示模块进行自动检测，在发现异常时在显示模块上显示；ROM 的“校验和”算法的具体步骤为：在ROM中预留一个单元，然后在该预留单元中写入校验字，使得ROM中的每一列形成奇数或偶数个“1”，最终使ROM的校验和为全“1”或全“0”；RAM的自检方法是检验其“读/写功能”的有效性，选用特征字55H和AAH来对RAM中的每个单元进行先写后读的操作；对于数据输入通道的自检，首先是智能传感器系统占用多路模拟开关的一个通道，然后接一个已知的标准电压，使系统对该电压进行A/D转换，将采样结果与系统内ROM中的预设值进行比较，若误差在允许范围内，则数据输入通道工作正常，反之则出现故障；显示模块的自检是让显示器的所有字段都发光；

所述智能传感器还包括外扩存储器，所述外扩存储器与微处理器连接，所述微处理器将接收、处理的数据存储在外扩存储器中；

所述智能传感器还包括通信接口模块，所述通信接口模块与微处理器连接，所述微处理器通过通信接口模块接收外部数据进行数据传输，或者接收外部指令并对数据输入通道、ROM、RAM、键控模块、显示模块以及通信接口模块外接设备进行检测；

所述通信接口模块包括配有4～20mA模拟电流通信接口、RS232/RS485串行通信接口、CAN总线通信接口或者RJ45以太网接口；

所述智能传感器还包括金属屏蔽外壳以及绝缘管；其中，所述金属屏蔽外壳表面安装显示模块、键控模块；所述金属屏蔽外壳内安装绝缘管，所述静电感应电极为螺旋式镶绕在绝缘管的外壁中间位置处的铜片，所述绝缘管内壁为粉尘颗粒流经的风道，所述绝缘管两端开口且导通；

所述微处理器内嵌到传感器系统中，用于信息处理、数据存储与记忆和实现矿井粉尘检测的过程自动化；

上述智能传感器对采集的静电信号与粉尘浓度信号之间对应关系的进行建模，通过模型得到的数据结果存在一定的误差，对上述误差进行自校正处理，上述自校正处理的过程为：通过实验获得有限对测试数据，利用上述测量数据求取近似函数。