CN114923966A - 一氧化碳监测系统及抗电磁干扰方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一氧化碳监测系统，包括：一氧化碳传感器、抗干扰电路和单片机，一氧化碳传感器的输出端与抗干扰电路的输入端相连，抗干扰电路的输出端与单片机的输入端相连，抗干扰电路用于接收一氧化碳传感器发出的信号，对信号进行抗电磁干扰处理并将信号输出给单片机。本发明通过在一氧化碳传感器和单片机之间设置抗干扰电路，提高了信号从一氧化碳传感器发送给单片机过程中的抗电磁干扰性能，有效避免了信号受到矿井内其他设备的电磁辐射干扰，提升了一氧化碳传感器检测的稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于矿用传感器技术领域，具体涉及一种一氧化碳监测系统及抗电磁干扰方法。
背景技术
煤矿井下安全监控系统研究领域的若干项重大技术难题中，监控系统冒大数、误报警、误断电问题是严重影响和制约煤矿安全高效生产的一项技术顽疾。目前矿井下所广泛使用的安全监控系统普遍存在着大数、假数干扰的问题。一般来说，井下现场中比较常见的干扰源主要有以下两种：
(1)由于受到煤矿井下特殊环境的限制，巷道往往都比较狭小，从而导致井下大型电气设备的动力线和监控系统的信号线很难分割开进行敷设。每当设备启停时，会出现电磁干扰脉冲，从而耦合至监控系统设备中，导致一系列错报、误报现象。
(2)井下各种变频、强通讯设备等在工作时会释放出电磁干扰，高强度的电磁干扰严重污染了电路干扰，干扰信号偶尔至监控设备中，轻则导致假信号干扰，严重造成设备重启、死机等现象，最终引起一系列严重后果。
一氧化碳(CO)是一种有毒有害的气体，它给工业安全生产带来巨大危害。监测煤矿井下环境一氧化碳浓度是煤矿安全生产必不可少的。一氧化碳传感器信号输送稳定显得尤为重要。
针对目前越来越复杂的电磁环境，从电子设备自身而言，一方面要做到对外辐射干扰最小化，即不对环境内其他设备造成干扰影响；另一方面要做好屏蔽措施，即将外来的辐射干扰阻挡在设备的敏感限度之外。目前使用的一氧化碳传感器已经不能满足日益复杂的电磁环境，因而需对产品电磁辐射兼容性能进行优化整改。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
为此，本发明提出一种一氧化碳监测系统及抗电磁干扰方法，该一氧化碳监测系统具有提升一氧化碳信号抗电磁干扰性能的优点。
根据本发明实施例的一氧化碳监测系统，包括：一氧化碳传感器、抗干扰电路和单片机，所述一氧化碳传感器的输出端与所述抗干扰电路的输入端相连，所述抗干扰电路的输出端与所述单片机的输入端相连，所述抗干扰电路用于接收所述一氧化碳传感器发出的信号，对信号进行抗电磁干扰处理并将信号输出给所述单片机。
根据本发明一个实施例，所述一氧化碳传感器具有工作电极、辅助电极和参考电极，所述抗干扰电路包括：一号运算放大器和二号运算放大器，所述一号运算放大器的反向输入端与所述参考电极相连，所述一号运算放大器的输出端与所述辅助电极相连，所述二号运算放大器的反向输入端与所述工作电极相连，所述二号运算放大器的输出端与所述单片机相连。
根据本发明一个实施例，所述抗干扰电路还包括：一号电阻、二号电阻和一号电容，所述一号电阻的一端与所述参考电极相连，所述一号电阻的另一端与所述二号电阻的一端相连，所述二号电阻的另一端与所述一号运算放大器的反向输入端相连，所述一号电容的一端与所述一号电阻的另一端相连，所述一号电容的另一端与所述辅助电极相连。
根据本发明一个实施例，所述抗干扰电路还包括：五号电阻和六号电阻，所述五号电阻的一端与所述工作电极相连，所述五号电阻的另一端与所述二号运算放大器的反向输入端相连；所述六号电阻的一端与所述五号电阻的另一端相连，所述六号电阻的另一端与所述二号运算放大器的输出端相连。
根据本发明一个实施例，所述抗干扰电路还包括：参考电压、七号电阻、三号电阻、四号电阻、二号电容和三号电容，所述参考电压和所述七号电阻的一端相连，所述七号电阻的另一端分别连接所述三号电阻的一端和所述四号电阻的一端，所述三号电阻的另一端与所述一号运算放大器的同向输入端相连，所述四号电阻的另一端与所述二号运算放大器的同向输入端相连，所述二号电容的一端和所述三号电容的一端均与所述四号电阻相连，所述二号电容的另一端和所述三号电容的另一端均接地。
根据本发明一个实施例，所述抗干扰电路还包括：场效应晶体管，所述场效应晶体管的漏极与所述工作电极相连，所述场效应晶体管的栅极与所述参考电极相连，所述场效应晶体管的源极与电源相连。
根据本发明一个实施例，电源向所述一号运算放大器和所述二号运算放大器供电，所述一号运算放大器和所述二号运算放大器均接地。
根据本发明一个实施例，一种抗电磁干扰方法，采用上述的一氧化碳监测系统来提升抗电磁干扰性能，包括以下步骤，步骤一：一氧化碳传感器采集矿井内的一氧化碳信息并发出信号；步骤二：抗干扰电路接收信号，在对信号进行抗电磁干扰处理后，将信号输出给单片机；步骤三：单片机接收信号，并识别出存在干扰的信号。
根据本发明一个实施例，所述步骤二中，通过一号电阻、二号电阻和一号电容对辅助电极和参考电极发出的信号进行降噪处理，通过改变五号电阻和六号电阻的阻值来改变抗干扰电路的放大倍数，通过改变四号电阻的阻值来改变一氧化碳传感器响应时间的快慢和滤除噪声的大小。
根据本发明一个实施例，所述步骤三中，对一氧化碳传感器进行标校，对标校的数据进行指数分布分析得出峰值Adj；单片机通过建立数组模型D_n存储接收的信号，接收一段时间内的n次信号后得到完整的数组模型D_n，对数组模型D_n内的n个信号进行排序，记录最大值D_max与最小值D_min，求出D_max和D_min之间差的绝对值D_equ；若D_equ大于Adj，则最大值D_max对应的信号存在干扰。
本发明的有益效果是，本发明通过在一氧化碳传感器和单片机之间设置抗干扰电路，提高了信号从一氧化碳传感器发送给单片机过程中的抗电磁干扰性能，有效避免了信号受到矿井内其他设备的电磁辐射干扰，提升了一氧化碳传感器检测的稳定性和可靠性；本发明通过单片机对接收的信号是否受到电磁干扰进行识别，在信号输送和信号识别这两个阶段对信号分别进行抗干扰和识别干扰，进而提高了矿井内一氧化碳的检测精度，提高了矿井内人员的安全性。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明的一氧化碳监测系统的电路结构示意图；
图2是根据本发明的一氧化碳监测系统中单片机处理流程示意图；
附图标记：
一氧化碳传感器1、单片机2、工作电极W、辅助电极C、参考电极R、一号电容C1、二号电容C2、三号电容C3、一号电阻R1、二号电阻R2、三号电阻R3、四号电阻R4、五号电阻R5、六号电阻R6、七号电阻R7、场效应晶体管N2、一号运算放大器N1A、二号运算放大器N1B。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面参考附图具体描述本发明实施例的一氧化碳监测系统。
如图1和图2所示，根据本发明实施例的一氧化碳监测系统，包括：一氧化碳传感器1、抗干扰电路和单片机2，一氧化碳传感器1的输出端与抗干扰电路的输入端相连，抗干扰电路的输出端与单片机2的输入端相连，抗干扰电路用于接收一氧化碳传感器1发出的信号，对信号进行抗电磁干扰处理并将信号输出给单片机2。
根据本发明一个实施例，一氧化碳传感器1具有工作电极W、辅助电极C和参考电极R，一氧化碳传感器1是一种三电极电化学传感器，工作电极W的作用是在电极表面产生化学反应，参考电极R在没有电流通过的前提下，用来维持工作电极W与辅助电极C间电压的恒定，辅助电极C用来输出反应产生的电流信号，并由抗干扰电路实现信号的转换和放大，本发明中采用的一氧化碳传感器1为一氧化碳探头，具体型号为4CM。本发明中采用的单片机2为24位高精度低电压模数转换器，具体型号为SDI0829。
抗干扰电路包括：一号运算放大器N1A和二号运算放大器N1B，一号运算放大器N1A的反向输入端与参考电极R相连，一号运算放大器N1A的输出端与辅助电极C相连，二号运算放大器N1B的反向输入端与工作电极W相连，二号运算放大器N1B的输出端与单片机2相连。本发明中一号运算放大器N1A和二号运算放大器N1B为零漂移、单电源、输入输出轨到轨双路高精度运放，具体型号为MS8629。
根据本发明一个实施例，抗干扰电路还包括：一号电阻R1、二号电阻R2和一号电容C1，一号电阻R1的一端与参考电极R相连，一号电阻R1的另一端与二号电阻R2的一端相连，二号电阻R2的另一端与一号运算放大器N1A的反向输入端相连，一号电容C1的一端与一号电阻R1的另一端相连，一号电容C1的另一端与辅助电极C相连。一号电阻R1、二号电阻R2和一号电容C1组合后起到了稳定电路和降低噪声的作用。
根据本发明一个实施例，抗干扰电路还包括：五号电阻R5和六号电阻R6，五号电阻R5的一端与工作电极W相连，五号电阻R5的另一端与二号运算放大器N1B的反向输入端相连；六号电阻R6的一端与五号电阻R5的另一端相连，六号电阻R6的另一端与二号运算放大器N1B的输出端相连。也就是说，可以通过调节五号电阻R5和六号电阻R6的阻值来控制放大倍数。
进一步地，抗干扰电路还包括：参考电压、七号电阻R7、三号电阻R3、四号电阻R4、二号电容C2和三号电容C3，参考电压和七号电阻R7的一端相连，七号电阻R7的另一端分别连接三号电阻R3的一端和四号电阻R4的一端，三号电阻R3的另一端与一号运算放大器N1A的同向输入端相连，四号电阻R4的另一端与二号运算放大器N1B的同向输入端相连，二号电容C2的一端和三号电容C3的一端均与四号电阻R4相连，二号电容C2的另一端和三号电容C3的另一端均接地。图1中Vref表示参考电压，且参考电压大于1V；VDD表示电源，VDD采用3.1V供电；GND表示接地。也就是说，通过七号电阻R7、三号电阻R3、四号电阻R4、二号电容C2和三号电容C3，实现了向一号运算放大器N1A和二号运算放大器N1B提供稳定的参考电压。
在此基础上，抗干扰电路还包括：场效应晶体管N2，场效应晶体管N2的漏极与工作电极W相连，场效应晶体管N2的栅极与参考电极R相连，场效应晶体管N2的源极与电源相连。本发明中场效应晶体管N2为结型场效应管(JFET)。将场效应晶体管N2接在参考电极R和工作电极W上，使得一氧化碳传感器1在断路时处于准备工作的状态。
根据本发明一个实施例，电源向一号运算放大器N1A和二号运算放大器N1B供电，一号运算放大器N1A和二号运算放大器N1B均接地。
本发明还公开了一种抗电磁干扰方法，采用上述的一氧化碳监测系统来提升抗电磁干扰性能，包括以下步骤，步骤一：一氧化碳传感器1采集矿井内的一氧化碳信息并发出信号；步骤二：抗干扰电路接收信号，在对信号进行抗电磁干扰处理后，将信号输出给单片机2；步骤三：单片机2接收信号，并识别出存在干扰的信号。
优选地，步骤二中，通过一号电阻R1、二号电阻R2和一号电容C1对辅助电极C和参考电极R发出的信号进行降噪处理，通过改变五号电阻R5和六号电阻R6的阻值来改变抗干扰电路的放大倍数，通过改变四号电阻R4的阻值来改变一氧化碳传感器1响应时间的快慢和滤除噪声的大小。
进一步优选地，步骤三中，对一氧化碳传感器1进行标校，对标校的数据进行指数分布分析得出峰值Adj；单片机2通过建立数组模型D_n存储接收的信号，接收一段时间内的n次信号后得到完整的数组模型D_n，对数组模型D_n内的n个信号进行排序，记录最大值D_max与最小值D_min，求出D_max和D_min之间差的绝对值D_equ；若D_equ大于Adj，则最大值D_max对应的信号存在干扰。
也就是说，一氧化碳传感器1在出厂或使用前需要进行标校，通过指数分布分析得出峰值Adj，那么峰值Adj也就是一氧化碳传感器1本身存在的最大误差；单片机2接收的信号为电压信号，在正常情况下的电压信号是在一个稳定范围内波动的低电压，而当一氧化碳超标时，电压信号是在一个稳定范围内波动的高电压，那么单片机2通过电压的大小进而判定一氧化碳是否超标，而信号在被电磁干扰的情况下，电压信号会在低电压的情况下突然升高，通过将D_max和D_min之间差的绝对值D_equ与峰值Adj进行比较，一旦D_equ大于Adj，也即D_equ超过了一氧化碳传感器1本身存在的最大误差，那么最大值D_max对应的信号存在干扰。
本发明的有益效果是，本发明通过在一氧化碳传感器1和单片机2之间设置抗干扰电路，提高了信号从一氧化碳传感器1发送给单片机2过程中的抗电磁干扰性能，有效避免了信号受到矿井内其他设备的电磁辐射干扰，提升了一氧化碳传感器1检测的稳定性和可靠性；本发明通过单片机2对接收的信号是否受到电磁干扰进行识别，在信号输送和信号识别这两个阶段对信号分别进行抗干扰和识别干扰，进而提高了矿井内一氧化碳的检测精度，提高了矿井内人员的安全性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种一氧化碳监测系统，其特征在于，包括：一氧化碳传感器(1)、抗干扰电路和单片机(2)，所述一氧化碳传感器(1)的输出端与所述抗干扰电路的输入端相连，所述抗干扰电路的输出端与所述单片机(2)的输入端相连，所述抗干扰电路用于接收所述一氧化碳传感器(1)发出的信号，对信号进行抗电磁干扰处理并将信号输出给所述单片机(2)。
2.根据权利要求1所述的一氧化碳监测系统，其特征在于，所述一氧化碳传感器(1)具有工作电极(W)、辅助电极(C)和参考电极(R)，所述抗干扰电路包括：一号运算放大器(N1A)和二号运算放大器(N1B)，所述一号运算放大器(N1A)的反向输入端与所述参考电极(R)相连，所述一号运算放大器(N1A)的输出端与所述辅助电极(C)相连，所述二号运算放大器(N1B)的反向输入端与所述工作电极(W)相连，所述二号运算放大器(N1B)的输出端与所述单片机(2)相连。
3.根据权利要求2所述的一氧化碳监测系统，其特征在于，所述抗干扰电路还包括：一号电阻(R1)、二号电阻(R2)和一号电容(C1)，所述一号电阻(R1)的一端与所述参考电极(R)相连，所述一号电阻(R1)的另一端与所述二号电阻(R2)的一端相连，所述二号电阻(R2)的另一端与所述一号运算放大器(N1A)的反向输入端相连，所述一号电容(C1)的一端与所述一号电阻(R1)的另一端相连，所述一号电容(C1)的另一端与所述辅助电极(C)相连。
4.根据权利要求3所述的一氧化碳监测系统，其特征在于，所述抗干扰电路还包括：五号电阻(R5)和六号电阻(R6)，所述五号电阻(R5)的一端与所述工作电极(W)相连，所述五号电阻(R5)的另一端与所述二号运算放大器(N1B)的反向输入端相连；所述六号电阻(R6)的一端与所述五号电阻(R5)的另一端相连，所述六号电阻(R6)的另一端与所述二号运算放大器(N1B)的输出端相连。
5.根据权利要求4所述的一氧化碳监测系统，其特征在于，所述抗干扰电路还包括：参考电压、七号电阻(R7)、三号电阻(R3)、四号电阻(R4)、二号电容(C2)和三号电容(C3)，所述参考电压和所述七号电阻(R7)的一端相连，所述七号电阻(R7)的另一端分别连接所述三号电阻(R3)的一端和所述四号电阻(R4)的一端，所述三号电阻(R3)的另一端与所述一号运算放大器(N1A)的同向输入端相连，所述四号电阻(R4)的另一端与所述二号运算放大器(N1B)的同向输入端相连，所述二号电容(C2)的一端和所述三号电容(C3)的一端均与所述四号电阻(R4)相连，所述二号电容(C2)的另一端和所述三号电容(C3)的另一端均接地。
6.根据权利要求2所述的一氧化碳监测系统，其特征在于，所述抗干扰电路还包括：场效应晶体管(N2)，所述场效应晶体管(N2)的漏极与所述工作电极(W)相连，所述场效应晶体管(N2)的栅极与所述参考电极(R)相连，所述场效应晶体管(N2)的源极与电源相连。
7.根据权利要求2所述的一氧化碳监测系统，其特征在于，电源向所述一号运算放大器(N1A)和所述二号运算放大器(N1B)供电，所述一号运算放大器(N1A)和所述二号运算放大器(N1B)均接地。
8.一种抗电磁干扰方法，其特征在于，采用如权利要求1-7中任一项所述的一氧化碳监测系统来提升抗电磁干扰性能，包括以下步骤，
步骤一：一氧化碳传感器(1)采集矿井内的一氧化碳信息并发出信号；
步骤二：抗干扰电路接收信号，在对信号进行抗电磁干扰处理后，将信号输出给单片机(2)；
步骤三：单片机(2)接收信号，并识别出存在干扰的信号。
9.根据权利要求8所述的抗电磁干扰方法，其特征在于，所述步骤二中，通过一号电阻(R1)、二号电阻(R2)和一号电容(C1)对辅助电极(C)和参考电极(R)发出的信号进行降噪处理，通过改变五号电阻(R5)和六号电阻(R6)的阻值来改变抗干扰电路的放大倍数，通过改变四号电阻(R4)的阻值来改变一氧化碳传感器(1)响应时间的快慢和滤除噪声的大小。
10.根据权利要求8所述的抗电磁干扰方法，其特征在于，所述步骤三中，对一氧化碳传感器(1)进行标校，对标校的数据进行指数分布分析得出峰值Adj；单片机(2)通过建立数组模型D_n存储接收的信号，接收一段时间内的n次信号后得到完整的数组模型D_n，对数组模型D_n内的n个信号进行排序，记录最大值D_max与最小值D_min，求出D_max和D_min之间差的绝对值D_equ；若D_equ大于Adj，则最大值D_max对应的信号存在干扰。
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