CN107389231A - 一种高精度便携式煤矿瓦斯突出预测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度便携式煤矿瓦斯突出预测仪，包括主控模块、气体压力传感器模块、AD数据转换模块、大气/温度传感器、电源模块、键盘输入模块、LCD显示模块、FLASH存储模块、SRAM内存模块和USB数据接口，还包括语音模块；所述的主控模块分别与AD数据转模块、大气/温度传感器、电源模块、键盘输入模块、LCD显示模块、FLASH存储模块、SRAM内存模块、USB数据接口和语音模块连接；AD数据转换器还与气体压力传感器连接。该预测仪数据采集速度快、测量精度高，稳定性和人机交互性好，方便便携，低功耗，操作简便。

Description

一种高精度便携式煤矿瓦斯突出预测仪

技术领域

本发明涉及煤矿瓦斯突出预测仪，具体是一种高精度便携式煤矿瓦斯突出预测仪。

背景技术

煤炭是我国重要的基础能源和材料，为国民经济做出了巨大的贡献。近10年来，瓦斯事故占煤矿重特大事故近六成。仅2016年一年全国就发生13起瓦斯事故，死亡142人。瓦斯事故是威胁我国煤矿安全的主要灾害之一。可见瓦斯精准预测在煤炭安全生产中具有重要的意义。但目前国内外常见测量瓦斯突出的仪器测量精度低、数据处理繁琐、处理时间慢、操作复杂等不利条件影响和制约着瓦斯突出预测的准确度和可操作性。使用较广泛的WTC瓦斯突出参数仪，采用定容测压法测量钻屑瓦斯解吸压力来计算钻屑瓦斯解吸量，该仪器使用了8位微处理器作为核心控制，采用单色LCD作为显示器，可完成数据采集和指标计算、数据存储等功能，但是随着嵌入和数字信号处理技术的发展，传统的瓦斯突出预测仪存在数据采集速度慢、测量精度低、稳定性和人机交互性差，且不方便携带，操作复杂，耗能大等缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提供一种高精度便携式煤矿瓦斯突出预测仪，该预测仪数据采集速度快、测量精度高，稳定性和人机交互性好，方便便携，低功耗，操作简便。

实现本发明目的的技术方案是：

一种高精度便携式煤矿瓦斯突出预测仪，包括主控模块、气体压力传感器模块、AD数据转换模块、大气/温度传感器、电源模块、键盘输入模块、LCD显示模块、FLASH存储模块、SRAM内存模块和USB数据接口，还包括语音模块；所述的主控模块分别与AD数据转模块、大气/温度传感器、电源模块、键盘输入模块、LCD显示模块、FLASH存储模块、SRAM内存模块、USB数据接口和语音模块连接；AD数据转换器还与气体压力传感器连接。

所述的主控模块，采用高频率ARM Cortex-M4的内核控制器，保证系统操作的流畅性和稳定性，并结合全彩LCD和语音模块提供给操作人员友好的界面和语音功能。

所述的气体压力传感器模块，包括气体压力传感器和电流源电路；电流源电路为气体压力传感器供电；所述的气体压力传感器，为数字表压型传感器MEAS 13A；

所述的电流源电路，包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第一MOSFET管、第二MOSFET管、第一运算放大器和第二运算放大器；第一电容的一端分别与气体压力传感器MEAS 13A芯片的5号管脚、第一MOSFET管的D极连接，另一端接地；第二电容的一端接地，另一端与第一MOSFET管的D极连接；第一MOSFET管的S极分别与第一电阻、第二电阻的一端连接，第一MOSFET管的G极与第四电阻的一端连接；第四电阻的另一端与第一运算放大器的信号输出端连接；第一运算放大器的信号输出端还与第三电容的一端连接，第一运算放大器的负输入端分别与第三电容的另一端、第二电阻的另一端连接；第一运算放大器的正输入端分别与第三电阻的一端、第二MOSFET管的D极连接；第一电阻和第三电阻的另一端接5V模拟电源；第二MOSFET管的G极与第五电阻的一端连接，第二MOSFET管的S极分别与第七电阻、第八电阻的一端连接；第七电阻的另一端接地；第二运算放大器的信号输出端分别与第五电阻的另一端、第四电容的一端连接，第二运算放大器的正输入端与第六电阻的一端连接，第二运算放大器的负输入端分别与第四电容的另一端、第八电阻的另一端连接；第六电阻的另一端分别与AD数据转换模块、第五电容的一端连接；第五电容的另一端接地。

所述的AD数据转换模块，包括信号调理电路、AD转换器和参考电压电路。

所述的AD数据转换器，为24位Δ-∑型基于AD7768芯片的AD数据转换器，可高 精度的测量被测信号并且将增益控制在条件范围内，并利用AD数据转换器内部自带的sinc5数字滤波器进行滤波，AD7768芯片的59号管脚与电流源电路的第六电阻的另一端连接。

所述的信号调理电路，包括第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第六电容、第七电容、第八电容和第三运算放大器；第九电阻的一端与气体压力传感器MEAS 13A芯片的4号管脚连接；第十电阻的一端与气体压力传感器MEAS 13A芯片的10号管脚连接；第三运算放大器的负输入端分别与第九电阻的另一端、第十一电阻的一端连接，正输入端分别与第十电阻的另一端、第十二电阻的一端连接；第三运算放大器的正输出端分别与第十一电阻的另一端、第十三电阻的一端连接；第三运算放大器的负输出端分别与第十二电阻的另一端、第十四电阻的一端连接；第十三电阻的另一端分别与第六电容的一端、第七电容的一端、AD7768芯片的63号管脚连接；第十四电阻的另一端分别与第七电容的一端、第八电容的一端、AD7768芯片的64号管脚连接；第六电容和第八电容的另一端接地。

所述的参考电压电路，包括第四运算放大器、ADR4540芯片、第二十五电容、第二十六电容、第二十七电容；第四运算放大器的信号输出端分别与自身的负输入端、第二十五电容的一端、AD7768芯片的5号管脚REF-接口连接；第四运算放大器的正输入端分别与第二十六电容的一端、ADR4540芯片的3号管脚连接；ADR4540芯片的1号管脚分别与+5V 电压、第二十七电容的一端连接；ADR4540芯片的2号管脚、第二十五电容的另一端、第二十六电容的另一端、第二十七电容的另一端接地。

所述的语音模块，包括NY3P016BS8芯片、第二十八电容、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、第二十一电阻、第二十二电阻和第二十三电阻；NY3P016BS8芯片的1号管脚与第二十八电容的一端连接，2号管脚接SPEAK2，3号管脚接SPEAK1，4号管脚接+3.3V电压，5号管脚接地，6号管脚分别与第二十电阻的一端、第二十三电阻的一端连接，7号管脚分别与第十九电阻的一端、第二十二电阻的一端连接，8号管脚分别与第十八电阻的一端、第二十一电阻的一端连接；第二十八电容、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻的另一端接地；第二十一电阻的另一端、第二十二电阻的另一端、第二十三电阻的另一端与主控模块连接。

所述的USB数据接口，包括第二十九电容、USB接口、二极管、第二十四电阻、第二十五电阻和PRTRV0U2X芯片；USB接口的1号管脚接二极管的输入端，2号管脚分别与第二十四电阻的一端、PRTRV0U2X芯片的2号管脚连接，3号管脚分别与第二十五电阻、PRTRV0U2X芯片的3号管脚连接，4号管脚接数字地；二极管的输出端分别与第二十九电容的一端、5V电源连接，第二十九电容的另一端接数字地；PRTRV0U2X芯片的1号管脚接数字地，4号管脚接5V电源，第二十四电阻、第二十五电阻的另一端与主控模块连接。

有益效果：本发明提供的一种高精度便携式煤矿瓦斯突出预测仪，能高精度采集解吸瓦斯压力，精准测量环境温度以及现场大气压，通过软件校正算法减少温度带来的环境影响可将测量相对误差降低到0.368%，有很大的实用价值。良好的操作界面和语音提示功能能够有效地降低操作人员的操作失误率，有效减少不必要的重复操作和人为操作带来的数据误差。进一步提高了瓦斯突出检测的可靠性、准确性和仪器的稳定性才能更准确的预测掘进工作面突出的危险程度，进而减少和避免瓦斯突出事故的发生。

附图说明

图1为本发明结构框图；

图2为气体压力传感模块电路图；

图3为信号调理和AD7768芯片的AD转换器电路图；

图4为参考电压电路图；

图5为语音模块电路图；

图6为USB数据接口电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

如图1所示，一种高精度便携式煤矿瓦斯突出预测仪，包括主控模块、气体压力传感器模块、AD数据转换模块、大气/温度传感器、电源模块、键盘输入模块、LCD显示模块、FLASH存储模块、SRAM内存模块和USB数据接口，还包括语音模块；所述的主控模块分别与AD数据转模块、大气/温度传感器、电源模块、键盘输入模块、LCD显示模块、FLASH存储模块、SRAM内存模块、USB数据接口和语音模块连接；AD数据转换器还与气体压力传感器连接。

所述的主控模块，采用高频率ARM Cortex-M4的内核控制器，保证系统操作的流畅性和稳定性，并结合全彩LCD和语音模块提供给操作人员友好的界面和语音功能。

系统原理：首先将被测煤样放置于测量密封罐中，然后用专用管道将密封罐与高精度矿用瓦斯突出预测仪的气体压力传感模块的气压传感器MEAS13A连接，气压传感器会把煤样瓦斯解吸时释放的压力值转换成模拟电信号，之后经过AD数据转换模块的AD7768芯片将模拟信号转换为增益在条件范围内的数字信号传输至主控模块。同理，现场大气压温度传感器也将现场大气压和温度参数的数字信号传输至主控模块，这些数字量通过K1值算法进行计算处理，即可计算出用于瓦斯突出预测的钻屑瓦斯K₁指标。FLASH模块可用于存储工作面下的钻孔信息、K₁值、钻屑量等指标。LCD可在采集过程中通过绘图的形式实施展现给操作者数据采集情况，语音模块在每一个操作都会提醒操作者需要注意的事项和操作错误信息。USB数据接口把数据传给上位机，上位机可以对测量数据进行更详细的分析，上位机也可通过USB数据接口对该检测仪进行系统修复。SRAM用于系统数据缓存，系统电源模块为系统提供工作电源，键盘模块为操作者提供人机交互。

如图2所示，所述的气体压力传感器模块，包括气体压力传感器和电流源电路；电流源电路为气体压力传感器供电；所述的气体压力传感器，为数字表压型传感器MEAS 13A，工作频率由32MHz晶振提供；

所述的电流源电路，包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第一MOSFET管、第二MOSFET管、第一运算放大器U1和第二运算放大器U2；第一电容C1的一端分别与气体压力传感器MEAS 13A芯片的5号管脚、第一MOSFET管的D极连接，另一端接地；第二电容C2的一端接地，另一端与第一MOSFET管的D极连接；第一MOSFET管的S极分别与第一电阻R1、第二电阻R2的一端连接，第一MOSFET管的G极与第四电阻R4的一端连接；第四电阻R4的另一端与第一运算放大器U1的信号输出端连接；第一运算放大器U1的信号输出端还与第三电容C3的一端连接，第一运算放大器U1的负输入端分别与第三电容C3的另一端、第二电阻R2的另一端连接；第一运算放大器U1的正输入端分别与第三电阻R3的一端、第二MOSFET管的D极连接；第一电阻R1和第三电阻R3的另一端接5V模拟电源；第二MOSFET管的G极与第五电阻R5的一端连接，第二MOSFET管的S极分别与第七电阻R7、第八电阻R8的一端连接；第七电阻R7的另一端接地；第二运算放大器U2的信号输出端分别与第五电阻R5的另一端、第四电容C4的一端连接，第二运算放大器U2的正输入端与第六电阻R6的一端连接，第二运算放大器U6的负输入端分别与第四电容C4的另一端、第八电阻R8的另一端连接；第六电阻R6的另一端分别与AD数据转换器AD7768芯片的59号管脚、第五电容C5的一端连接；第五电容C5的另一端接地。

所述的AD数据转换模块，包括信号调理电路、AD数据转换器和参考电压电路；

所述的AD数据转换器，为24位Δ-∑型基于AD7768芯片的AD数据转换器，可高精度的测量被测信号并且将增益控制在条件范围内，并利用AD数据转换器内部自带的sinc5数字滤 波器进行滤波，AD7768芯片的59号管脚与电流源电路的第六电阻R6的另一端连接。

如图3所示，所述的信号调理电路，包括第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8和第三运算放大器U3；第九电阻R9的一端与气体压力传感器MEAS 13A芯片的4号管脚连接；第十电阻R10的一端与气体压力传感器MEAS 13A芯片的10号管脚连接；第三运算放大器U3的负输入端分别与第九电阻R9的另一端、第十一电阻R11的一端连接，正输入端分别与第十电阻R10的另一端、第十二电阻R12的一端连接；第三运算放大器U3的正输出端分别与第十一电阻R11的另一端、第十三电阻R13的一端连接；第三运算放大器U3的负输出端分别与第十二电阻R12的另一端、第十四电阻R14的一端连接；第十三电阻R13的另一端分别与第六电容C6的一端、第七电容C7的一端、AD7768芯片的63号管脚连接；第十四电阻R14的另一端分别与第七电容C7的一端、第八电容C8的一端、AD7768芯片的64号管脚连接；第六电容C6和第八电容C8的另一端接地。

如图4所示，所述的参考电压电路，包括第四运算放大器U4、ADR4540芯片、第二十五电容C25、第二十六电容C26、第二十七电容C27；第四运算放大器U4的信号输出端分别与自身的负输入端、第二十五电容C25的一端、AD7768芯片的5号管脚REF-接口连接；第四运算放大器U4的正输入端分别与第二十六电容C26的一端、ADR4540芯片的3号管脚连接；ADR4540芯片的1号管脚分别与+5V 电压、第二十七电容C27的一端连接；ADR4540芯片的2号管脚、第二十五电容C25的另一端、第二十六电容C26的另一端、第二十七电容C27的另一端接地。

气体压力传感器的工作频率由32MHz晶振提供，AD数据转换模块的输出参考电压由ADA4841和ADR4540模块提供。传感器的输出差分信号经由信号调理电路和AD数据转换器差分接口连接，差分信号可以抑制共模干扰及达到低噪声敏感度，提高测量精度。具体分析如下，传感器把瓦斯突出压力转换成电信号，满量程输出为100mV，通过控制AD数据转换模块的增益寄存器和失调寄存器，可以将被测信号增益控制在合适的范围，简化了与外部传感器的接口电路。选择AD数据转换器自带的sinc5数字滤波器进行高精度滤波，提高数据转换的精度并且保障了转换速率。

如图5所示，所述的语音模块，包括NY3P016BS8芯片、第二十八电容C28、第十八电阻R18、第十九电阻R19、第二十电阻R20、第二十一电阻R21、第二十二电阻R22和第二十三电阻R23；NY3P016BS8芯片的1号管脚与第二十八电容C28的一端连接，2号管脚接SPEAK2，3号管脚接SPEAK1，4号管脚接+3.3V电压，5号管脚接地，6号管脚分别与第二十电阻R20的一端、第二十三电阻R23的一端连接，7号管脚分别与第十九电阻R19的一端、第二十二电阻R22的一端连接，8号管脚分别与第十八电阻R18的一端、第二十一电阻R21的一端连接；第二十八电容C28、第十八电阻R18、第十九电阻R19、第二十电阻R20的另一端接地；第二十一电阻R21的另一端、第二十二电阻R22的另一端、第二十三电阻R23的另一端与主控模块连接。

如图6所示，所述的USB数据接口，包括第二十九电容C29、USB接口、二极管D1、第二十四电阻R24、第二十五电阻R25和PRTRV0U2X芯片；USB接口的1号管脚接二极管D1的输入端，2号管脚分别与第二十四电阻R24的一端、PRTRV0U2X芯片的2号管脚连接，3号管脚分别与第二十五电阻R25、PRTRV0U2X芯片的3号管脚连接，4号管脚接数字地；二极管D1的输出端分别与第二十九电容C29的一端、5V电源连接，第二十九电容C29的另一端接数字地；PRTRV0U2X芯片的1号管脚接数字地，4号管脚接5V电源，第二十四电阻R24、第二十五电阻R25的另一端与主控模块连接。

Claims (10)

1.一种高精度便携式煤矿瓦斯突出预测仪，其特征在于，包括主控模块、气体压力传感器模块、AD数据转换模块、大气/温度传感器、电源模块、键盘输入模块、LCD显示模块、FLASH存储模块、SRAM内存模块和USB数据接口，还包括语音模块；所述的主控模块分别与AD数据转模块、大气/温度传感器、电源模块、键盘输入模块、LCD显示模块、FLASH存储模块、SRAM内存模块、USB数据接口和语音模块连接；AD数据转换器还与气体压力传感器连接。

2.根据权利要求1所述的一种高精度便携式煤矿瓦斯突出预测仪，其特征在于，所述的主控模块，采用高频率ARM Cortex-M4的内核控制器，保证系统操作的流畅性和稳定性，并结合全彩LCD和语音模块提供给操作人员友好的界面和语音功能。

3.根据权利要求1所述的一种高精度便携式煤矿瓦斯突出预测仪，其特征在于，所述的气体压力传感器模块，包括气体压力传感器和电流源电路；电流源电路为气体压力传感器供电；所述的气体压力传感器，为数字表压型传感器MEAS 13A。

4.根据权利要求3所述的一种高精度便携式煤矿瓦斯突出预测仪，其特征在于，所述的电流源电路，包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第一MOSFET管、第二MOSFET管、第一运算放大器和第二运算放大器；第一电容的一端分别与气体压力传感器MEAS 13A芯片的5号管脚、第一MOSFET管的D极连接，另一端接地；第二电容的一端接地，另一端与第一MOSFET管的D极连接；第一MOSFET管的S极分别与第一电阻、第二电阻的一端连接，第一MOSFET管的G极与第四电阻的一端连接；第四电阻的另一端与第一运算放大器的信号输出端连接；第一运算放大器的信号输出端还与第三电容的一端连接，第一运算放大器的负输入端分别与第三电容的另一端、第二电阻的另一端连接；第一运算放大器的正输入端分别与第三电阻的一端、第二MOSFET管的D极连接；第一电阻和第三电阻的另一端接5V模拟电源；第二MOSFET管的G极与第五电阻的一端连接，第二MOSFET管的S极分别与第七电阻、第八电阻的一端连接；第七电阻的另一端接地；第二运算放大器的信号输出端分别与第五电阻的另一端、第四电容的一端连接，第二运算放大器的正输入端与第六电阻的一端连接，第二运算放大器的负输入端分别与第四电容的另一端、第八电阻的另一端连接；第六电阻的另一端分别与AD数据转换模块、第五电容的一端连接；第五电容的另一端接地。

5.根据权利要求1所述的一种高精度便携式煤矿瓦斯突出预测仪，其特征在于，所述的AD数据转换模块，包括信号调理电路、AD转换器和参考电压电路。

6.根据权利要求5所述的一种高精度便携式煤矿瓦斯突出预测仪，其特征在于，所述的AD数据转换器，为24位Δ-∑型基于AD7768芯片的AD数据转换器，可高精度的测量被测信号并且将增益控制在条件范围内，并利用AD数据转换器内部自带的sinc5数字滤波器进行滤波，AD7768芯片的59号管脚与电流源电路的第六电阻的另一端连接。

7.根据权利要求5所述的一种高精度便携式煤矿瓦斯突出预测仪，其特征在于，所述的信号调理电路，包括第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第六电容、第七电容、第八电容和第三运算放大器；第九电阻的一端与气体压力传感器MEAS 13A芯片的4号管脚连接；第十电阻的一端与气体压力传感器MEAS 13A芯片的10号管脚连接；第三运算放大器的负输入端分别与第九电阻的另一端、第十一电阻的一端连接，正输入端分别与第十电阻的另一端、第十二电阻的一端连接；第三运算放大器的正输出端分别与第十一电阻的另一端、第十三电阻的一端连接；第三运算放大器的负输出端分别与第十二电阻的另一端、第十四电阻的一端连接；第十三电阻的另一端分别与第六电容的一端、第七电容的一端、AD7768芯片的63号管脚连接；第十四电阻的另一端分别与第七电容的一端、第八电容的一端、AD7768芯片的64号管脚连接；第六电容和第八电容的另一端接地。

8.根据权利要求5所述的一种高精度便携式煤矿瓦斯突出预测仪，其特征在于，所述的参考电压电路，包括第四运算放大器、ADR4540芯片、第二十五电容、第二十六电容、第二十七电容；第四运算放大器的信号输出端分别与自身的负输入端、第二十五电容的一端、AD7768芯片的5号管脚REF-接口连接；第四运算放大器的正输入端分别与第二十六电容的一端、ADR4540芯片的3号管脚连接；ADR4540芯片的1号管脚分别与+5V 电压、第二十七电容的一端连接；ADR4540芯片的2号管脚、第二十五电容的另一端、第二十六电容的另一端、第二十七电容的另一端接地。

9.根据权利要求1所述的一种高精度便携式煤矿瓦斯突出预测仪，其特征在于，所述的语音模块，包括NY3P016BS8芯片、第二十八电容、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、第二十一电阻、第二十二电阻和第二十三电阻；NY3P016BS8芯片的1号管脚与第二十八电容的一端连接，2号管脚接SPEAK2，3号管脚接SPEAK1，4号管脚接+3.3V电压，5号管脚接地，6号管脚分别与第二十电阻的一端、第二十三电阻的一端连接，7号管脚分别与第十九电阻的一端、第二十二电阻的一端连接，8号管脚分别与第十八电阻的一端、第二十一电阻的一端连接；第二十八电容、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻的另一端接地；第二十一电阻的另一端、第二十二电阻的另一端、第二十三电阻的另一端与主控模块连接。

10.根据权利要求1所述的一种高精度便携式煤矿瓦斯突出预测仪，其特征在于，所述的USB数据接口，包括第二十九电容、USB接口、二极管、第二十四电阻、第二十五电阻和PRTRV0U2X芯片；USB接口的1号管脚接二极管的输入端，2号管脚分别与第二十四电阻的一端、PRTRV0U2X芯片的2号管脚连接，3号管脚分别与第二十五电阻、PRTRV0U2X芯片的3号管脚连接，4号管脚接数字地；二极管的输出端分别与第二十九电容的一端、5V电源连接，第二十九电容的另一端接数字地；PRTRV0U2X芯片的1号管脚接数字地，4号管脚接5V电源，第二十四电阻、第二十五电阻的另一端与主控模块连接。