CN110595533A - 矿用无线多参数传感器 - Google Patents

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程家林
曾强贵
程绍缘
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Abstract

本发明公开了一种矿用无线多参数传感器，包括壳体和传感器探头组件，所述壳体内设有蓄电池和集成电路板，所述集成电路板包括CPU、供电模块、信号放大转换模块、信号输出模块、红外遥控接收模块、显示模块以及警示模块；所述供电模块包括蓄电池供电模块和本安电源供电模块；在CPU与各传感器探测头之间还分别设有上电控制电路；所述信号输出模块包括RS485输出模块和无线输出模块，所述红外遥控接收模块与CPU相连，所述显示器和警示装置对应与显示模块和警示模块相连。本发明能够实现多种参数的检测，且矿用传感器的使用更加方便、快捷；通过合理控制供电，能够有效提高矿用传感器的使用时长。

Description

矿用无线多参数传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种矿用无线多参数传感器。
背景技术
随着煤炭开采的不断推进，煤矿开采巷道深度再不断的加深2km、4km、6km等，因此给工作面上隅角的甲烷传感器供电的本安电源电缆布线会不断延长；电缆阻抗也在不断的加大，导致线路压降也再增加，从而使本安电源无法对该处甲烷传感器正常供电，这将对煤矿安全造成重大威胁，尤其是北方大矿这种现象尤其突出（如新庄矿、郭庄矿等），那么低功耗甲烷传感器需求就非常迫切。就目前检测煤矿甲烷的技术主要有：热催化、红外、激光等均无法满足低功耗要求，当供电距离达到一定长度都无法有效解决长距离供电问题。
为有效解决工作面上隅角甲烷传感器长距离的供电问题；无线甲烷传感器将是一个很好补充和代替，其无线路损耗，无长距离布线，可充电锂离子电池循环使用，都将是对使用成本有效的节省，同时满足了由于采煤纵深增加而导致上隅角甲烷传感器的供电问题。
基于以上原因，我们有必要研究设计新型矿用多参数传感器，使矿用多参数传感器在煤矿环境监测中发挥它的重要作用。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种矿用无线多参数传感器，能够实现多种参数的检测，且矿用传感器的使用更加方便、快捷；通过合理控制供电，能够有效提高矿用传感器的使用时长。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种矿用无线多参数传感器，包括壳体和传感器探头组件，所述壳体内设有蓄电池和集成电路板，该蓄电池为集成电路板供电；在壳体的一侧设有蓄电池充电接头，另一侧设有电源及信号接头，所述蓄电池充电接头与蓄电池相连，电源及信号接头与集成电路板相连；在壳体的下方设有保护筒，所述传感器探头组件位于该保护筒内，其信号传输线伸入壳体内并与集成电路板相连；在壳体上还设有显示器和警示装置；其特征在于：所述集成电路板包括CPU、供电模块、信号放大转换模块、信号输出模块、红外遥控接收模块、显示模块以及警示模块；
所述供电模块包括蓄电池供电模块和本安电源供电模块；蓄电池的供电输出端与蓄电池供电模块的供电输入端相连，该蓄电池供电模块的供电输入端还经电池电压采集电路与CPU相连；电源及信号接头的供电端与本安电源供电模块的供电输入端相连，该本安电源供电模块的供电输入端还经电源电压采集电路与CPU相连；
所述传感器探头组件包括多个传感器探测头，多个传感器探测头均经信号放大转换模块后与CPU相连；在CPU与各传感器探测头之间还分别设有上电控制电路；
所述信号输出模块包括RS485输出模块和无线输出模块，CPU经信号输出模块控制电路后与RS485输出模块和无线输出模块相连，所述RS485输出模块的信号输出端与电源及信号接头的信号端相连；
所述红外遥控接收模块与CPU相连，以进行参数设定及显示控制；
所述显示器和警示装置对应与显示模块和警示模块相连，该显示模块和警示模块相连均与CPU相连。
进一步地，在壳体上还设有一电池开关按钮，该电池开关按钮串联于蓄电池与蓄电池供电模块之间。
进一步地，CPU根据电池电压采集电路或电源电压采集电路采集到的信号，判断通电后；
CPU控制部分传感器探测头先上电，间隔一定时间后，再控制其余传感器探测头上电。
进一步地，CPU根据电池电压采集电路和电源电压采集电路采集到的信号，判断是蓄电池供电还是本安电源供电；
当蓄电池供电时，CPU经信号输出模块控制电路控制无线输出模块进行信号传输；
当本安电源供电时，CPU经信号输出模块控制电路控制RS485输出模块进行信号传输。
进一步地，当蓄电池供电时，CPU根据电池电压采集电路采集到的信号判断蓄电池的电量，当蓄电池电量低于设定值时，提示充电。
进一步地，所述警示装置包括声音警示器和警示灯，其中，所述警示灯位于壳体的顶部；所述无线输出模块的天线穿过壳体后伸入警示灯的灯罩内。
进一步地，所述电源及信号接头采用航空插头。
进一步地，所述CPU采用PIC系列芯片。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、通过设置多个传感器探头，从而能够通过一个矿用传感器进行多种参数的检测，检测更加全面，能有效提高安全性，并且使用更加方便。
2、无线传输模块的天线伸入警示灯灯罩内，这样，能够有效延长传输距离，从而尽可能少的移动接收基站，从而能进一步提高施工效率。
3、根据供电的模式自动选择传感器探头的上电方式，从而在保证检测环境参数的情况下，有效降低蓄电池供电时的电量损耗，从而大大提高蓄电池的使用时长，进而使矿用传感器使用更加方便，并且能够有效提高施工效率。
附图说明
图1为本发明的电路原理框图。
图2为本发明的电路原理图。
图3为开关电源模块A2的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例：参见图1，一种矿用无线多参数传感器，包括壳体和传感器探头组件，所述壳体内设有蓄电池和集成电路板，该蓄电池为集成电路板供电。在壳体的一侧设有蓄电池充电接头，另一侧设有电源及信号接头，所述蓄电池充电接头与蓄电池相连，电源及信号接头与集成电路板相连；其中，所述电源及信号接头采用航空插头，从而能够有效提高整个传感器的防水性能。在壳体的下方设有保护筒，所述传感器探头组件位于该保护筒内，其信号传输线伸入壳体内并与集成电路板相连。在壳体上还设有显示器和警示装置；具体实施时，所述显示器采用数码管显示，这样，能够有效提高显示器在矿井中的可视距离。所述警示装置包括声音警示器和警示灯，其中，所述声音警示器采用蜂鸣器，耗电量小，并且警示效果好；所述警示灯位于壳体的顶部，能够更有效地进行警示。
所述集成电路板包括CPU、供电模块、信号放大转换模块、信号输出模块、红外遥控接收模块、显示模块以及警示模块。所述CPU采用PIC系列芯片（如，ATSC21）；采用基于PIC系列芯片（ATSC21）的平台设计，技术更加成熟，稳定性更好，并且成本更低。
所述供电模块包括蓄电池供电模块和本安电源供电模块。蓄电池的供电输出端与蓄电池供电模块的供电输入端相连，在壳体上还设有一电池开关按钮，该电池开关按钮串联于蓄电池与蓄电池供电模块之间；这样，在壳体外部即可进行蓄电池供电操作，无需打开壳体，使用更加方便。该蓄电池供电模块的供电输入端还经电池电压采集电路与CPU相连；这样，CPU能够根据该电池电压采集电路采集到的信号判断是否为蓄电池供电。电源及信号接头的供电端与本安电源供电模块的供电输入端相连，该本安电源供电模块的供电输入端还经电源电压采集电路与CPU相连；这样，CPU能够根据该电源电压采集电路采集到的信号判断是否为电源供电。
具体实施时，参见图2，所述本安电源供电模块，包括两输入接线端子，两输入接线端子之间串联有一压敏电阻RV1。其中，一输入接线端子接共模电感L3中线圈La的一端，另一个输入接线端子接地PGND，共模电感L3中线圈Lb的一端也接地PGND。该共模电感L3中线圈La的另一端同时与三极管Q8的基极和发射极相连，并在共模电感L3中线圈La与三极管Q8的基极之间串联有一电阻R37；同时，共模电感L3中线圈La的另一端还与一双向稳压二极管D13的一端相连，线圈Lb的另一端与双向稳压二极管D13的另一端相连并接地PGND。具体实施时，接地PGND的输入接线端子和线圈Lb同时与电容C45相连，电容C45与C53和C51依次相连，电容C51用于与矿用传感器外壳相连；通过这三个电容泄放流到地网络平面的高频干扰信号，以提高设备的EMC防护能力。
所述三极管Q8的基极与MOS管Q4的源极相连，其集电极与MOS管的栅极相连后经电阻R46接地DGND，其中，在三极管Q8的基极与集电极之间并联有电阻R46、电容C44以及稳压二极管D16，该稳压二极管D16的正极与三极管Q8的集电极相连，负极与三极管Q8的基极相连。所述MOS管的漏极与开关电源模块A2的电压输入端相连，该开关电源模块A2的输入接地端接地DGND；其中，开关电源模块为基于开关电源芯片的小功率模块。所述开关电源模块A2的电压输出端作为第一供电输出端（+5V），其输出接地端接地DGND。该第一供电输出端与二极管D12的正极相连，二极管D12的负极作为第二供电输出端（+4.7V）；由于电压输出分成了两路，因此设置了两个输出电压，两个输出电压之间设置二极管D12，从而是防止电压反灌；同时，第一供电输出端还与可控硅Q7的阳极相连，该可控硅Q7的阴极接地DGND；在开关电源模块A2输出接地端与电压输出端之间串联有电阻R44和稳压二极管D15，其中，稳压二极管D15的负极与电压输出端相连，其正极经电阻R44后接地DGND；同时，稳压二极管D15的正极经电阻R42后与可控硅Q7的控制极相连。在稳压二极管D15的正极还设有一与电阻R44并联的电容C48，该电容C48的一端与稳压二极管D15的正极和电阻R42相连，另一端接地DGND。
参见图3，所述开关电源模块A2包括限流芯片IC1和开关电源芯片IC2；其中，限流芯片IC1和开关电源芯片IC2均采用成熟的现有芯片，如限流芯片IC1采用型号为BCR402U系列芯片，具体可采用BCR402UW6芯片；开关电源芯片IC2采用型号为LM46002芯片。
开关电源模块A2的电压输入端依次与二极管D1、D2、D3串联后与电感L1的一端相连，电感L1的另一端与限流芯片IC1的VS端和Rext端相连，其中，电感L1与限流芯片IC1的Rext端之间串联有电阻R1；同时，电感L1的另一端与开关电源芯片IC2的两输入端VIN相连；并且，电感L1的另一端还同时与电容C1、C2、C3的一端相连，电容C1、C2、C3的另一端接地GND；与电感L1还并联有二极管D4、D5、D6，其中，所述二极管D4、D5、D6的负极与二极管D3的负极相连。
所述限流芯片IC1的接地端接地GND，其三个输出端同时与二极管D7的正极相连，该二极管D7的负极与电解电容C4的正极相连，该电解电容C4的负极接地GND，同时二极管D7的负极经电阻R3后与开关电源芯片IC2的EN端相连，开关电源芯片IC2的EN端还与电阻R4的一端相连，该电阻R4的另一端接地GND；在电感L1与二极管D7的负极之间还设有二极管D8，该二极管D8的正极与二极管D7的负极相连，其负极与电感L1相连。
所述开关电源芯片IC2的两SW端以及CBOOT端同时与电感L2的一端相连，其中，CBOOT端与电感L2之间串联有一电容C7，电感L2的另一端为开关电源模块A2的电压输出端；开关电源芯片IC2的BIAS端与电压输出端相连，同时经电容C9后接地GND；在电压输出端与地GND之间还并联有电容C10、C11和C12；在电压输出端与地GND之间还串联有电阻R7和电阻R6，其中，电阻R7与电压输出端相连，电阻R6接地GND，与电阻R7并联有电容C13，与电阻R6并联有电阻R8；电阻R6和电阻R8与电阻R7相连的一端形成FB端，并与开关电源芯片IC2的FB端相连；该开关电源芯片IC2的SS端经电容C6后接地GND，VCC端经电容C8后接地GND，其AGND端、两PGND端、PAD端以及SYNC端均接地GND。
其中，与限流芯片IC1并联有电阻R2，该电阻R2的一端与电感L1相连，另一端与二极管D7的负极相连；与电阻R4并联有电容C5；其中，初始状态，电阻R2和电容C5均为未焊接状态。这样，电阻R2和电容C5均作为备用件，以便于进行整个电路的维护。
通过此电路的电源先通过由Q8和R37组成的三极管限流电路（三极管限流电路使经过此电路的后级用电设备电流峰值不会大于），然后在经过三个防反向二极管（D1,D2，D3）后对约470uF的大电解电容C4进行涓流充电（在此过程中通过了L1电感，其作用是对上电瞬时电压进行平滑，减小冲击，通过限流IC限制C4 470uF电容的充电电流，达到涓流的目的）。C4正极与开关电源的使能脚（EN）连接，在C4充电电压未达到开关电源IC2的开启电压前，IC2不工作，此C4充电过程也就是一个缓启动过程，进一步的减小了后级设备的上电冲击。开关电源芯片IC2在启动瞬间会要求大电流以驱动后级设备，由于大电容C4完成了充电后开关电源芯片才工作，因此在开关电源芯片IC2启动瞬间能为其提供充足的启动大电流，而无需入口电源提供大电流，减小了电路冲击。此过程也克服上电瞬间形成短路的问题的，采用该本安电源供电模块，能够有效避免上电瞬间形成的短路而造成元器件受到电压冲击，从而保证元器件的安全，延长元器件的使用寿命，提高供电电路及传感器的稳定性。
所述传感器探头组件包括多个传感器探测头，多个传感器探测头均经信号放大转换模块后与CPU相连；具体实施时，传感器探头组件包括温度传感器探头、甲烷传感器探头、一氧化碳传感器探头以及氧气传感器探头，以进行全面的检测，充分保证施工的安全性；在CPU与各传感器探测头之间还分别设有上电控制电路。工作过程中，CPU根据电池电压采集电路或电源电压采集电路采集到的信号，判断通电后；CPU控制部分传感器探测头先上电，间隔一定时间后，再控制其余传感器探测头上电。由于部分传感器探头如甲烷传感器探头的额定电压较高，如果同时对所有传感器探头上电，则会造成电压瞬间升高，形成电压冲击，使功耗增加。分步上电后，先对低电压部分传感器探头进行上电，再对高电压传感器探头上电，从而能够有效降低功耗，并避免出现电压冲击，提高整个传感器的工作稳定性。
所述信号输出模块包括RS485输出模块和无线输出模块，CPU经信号输出模块控制电路后与RS485输出模块和无线输出模块相连，所述RS485输出模块的信号输出端与电源及信号接头的信号端相连。其中，所述无线输出模块的天线穿过壳体后伸入警示灯的灯罩内；这样，经天线发出的无线信号经灯罩后向外辐射，受到的阻碍更小，从而能够有效提高无线信号的传输距离。工作过程中，CPU根据电池电压采集电路和电源电压采集电路采集到的信号，判断是蓄电池供电还是本安电源供电：
当蓄电池供电时，CPU经信号输出模块控制电路控制无线输出模块进行信号传输。
当本安电源供电时，CPU经信号输出模块控制电路控制RS485输出模块进行信号传输。
当蓄电池供电时，CPU根据电池电压采集电路采集到的信号判断蓄电池的电量，当蓄电池电量低于设定值时，提示充电。
所述红外遥控接收模块与CPU相连，以进行参数设定及显示控制。
所述显示器和警示装置对应与显示模块和警示模块相连，该显示模块和警示模块相连均与CPU相连。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种矿用无线多参数传感器，包括壳体和传感器探头组件，所述壳体内设有蓄电池和集成电路板，该蓄电池为集成电路板供电；在壳体的一侧设有蓄电池充电接头，另一侧设有电源及信号接头，所述蓄电池充电接头与蓄电池相连，电源及信号接头与集成电路板相连；在壳体的下方设有保护筒，所述传感器探头组件位于该保护筒内，其信号传输线伸入壳体内并与集成电路板相连；在壳体上还设有显示器和警示装置；其特征在于：所述集成电路板包括CPU、供电模块、信号放大转换模块、信号输出模块、红外遥控接收模块、显示模块以及警示模块；
所述供电模块包括蓄电池供电模块和本安电源供电模块；蓄电池的供电输出端与蓄电池供电模块的供电输入端相连，该蓄电池供电模块的供电输入端还经电池电压采集电路与CPU相连；电源及信号接头的供电端与本安电源供电模块的供电输入端相连，该本安电源供电模块的供电输入端还经电源电压采集电路与CPU相连；
所述传感器探头组件包括多个传感器探测头，多个传感器探测头均经信号放大转换模块后与CPU相连；在CPU与各传感器探测头之间还分别设有上电控制电路；
所述信号输出模块包括RS485输出模块和无线输出模块，CPU经信号输出模块控制电路后与RS485输出模块和无线输出模块相连，所述RS485输出模块的信号输出端与电源及信号接头的信号端相连；
所述红外遥控接收模块与CPU相连，以进行参数设定及显示控制；
所述显示器和警示装置对应与显示模块和警示模块相连，该显示模块和警示模块相连均与CPU相连。
2.根据权利要求1所述的矿用无线多参数传感器，其特征在于：在壳体上还设有一电池开关按钮，该电池开关按钮串联于蓄电池与蓄电池供电模块之间。
3.根据权利要求1所述的矿用无线多参数传感器，其特征在于：CPU根据电池电压采集电路或电源电压采集电路采集到的信号，判断通电后；
CPU控制部分传感器探测头先上电，间隔一定时间后，再控制其余传感器探测头上电。
4.根据权利要求1所述的矿用无线多参数传感器，其特征在于：CPU根据电池电压采集电路和电源电压采集电路采集到的信号，判断是蓄电池供电还是本安电源供电；
当蓄电池供电时，CPU经信号输出模块控制电路控制无线输出模块进行信号传输；
当本安电源供电时，CPU经信号输出模块控制电路控制RS485输出模块进行信号传输。
5.根据权利要求1所述的矿用无线多参数传感器，其特征在于：当蓄电池供电时，CPU根据电池电压采集电路采集到的信号判断蓄电池的电量，当蓄电池电量低于设定值时，提示充电。
6.根据权利要求1所述的矿用无线多参数传感器，其特征在于：所述警示装置包括声音警示器和警示灯，其中，所述警示灯位于壳体的顶部；所述无线输出模块的天线穿过壳体后伸入警示灯的灯罩内。
7.根据权利要求1所述的矿用无线多参数传感器，其特征在于：所述电源及信号接头采用航空插头。
8.根据权利要求1所述的矿用无线多参数传感器，其特征在于：所述CPU采用PIC系列芯片。
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