【正文】 由此推動了我國礦井安全監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展。 1983 年以后，國內(nèi)有多種型號礦井監(jiān)控系統(tǒng)通過了技術(shù)鑒定，逐步實(shí)現(xiàn)了對煤礦礦井安全、生產(chǎn)多種參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測、監(jiān)控、數(shù) 據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理。近幾年，隨著計算機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用，特別是網(wǎng)絡(luò)和信息化建設(shè)的不斷發(fā)展，給瓦斯治理提供了機(jī)遇條件，煤礦瓦斯監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。這些裝備和系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用，豐富了我國煤礦安全監(jiān)控 產(chǎn)品的市場，改善了煤礦安全技術(shù)裝備的面貌，縮小了我國與國外先進(jìn)技術(shù)水平的差距。 傳統(tǒng)的煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)大體可以分為兩大部分：井下部分和井上部分。井下部分 2 主要通過各種檢測設(shè)備（各種傳感器，如風(fēng)量傳感器、負(fù)壓（壓力）傳感器、一氧化碳傳感器和礦用設(shè)備開停傳感器等）來采集井下各種氣體的濃度與含量、井下空氣狀況、設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況等 數(shù)據(jù)，然后通過現(xiàn)場總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄?。在井上，井下傳上來的?shù)據(jù)通過專線與煤礦安全管理辦公室服務(wù)器和更高一級安全主管部門服務(wù)器連接。服務(wù)器上面運(yùn)行的是監(jiān)控軟件。上面有井下每一個傳感器的標(biāo)簽，所顯示的數(shù)據(jù)通過上傳數(shù)據(jù)的改變而不斷刷新。同時，監(jiān)控軟件還可以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、處理、分析和存檔，可以作為相關(guān)負(fù)責(zé)人員決策的重要依據(jù)。并且監(jiān)控軟件具有超標(biāo)自動報警功能，用來提示工作人員對設(shè)備的故障或現(xiàn)場瓦斯?jié)舛惹闆r，以及時采取措施，避免重大事件的發(fā)生。 煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)的意義不言而喻。以山西省為例，近幾年，特別是 2020 年以來，山西省煤炭系統(tǒng)在黨和各級政府及安全部門的重視下，全省煤礦信息化工作有了新發(fā)展，取得了新成績。特別是由瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)所形成的全省煤礦四級信息網(wǎng)絡(luò)平臺，是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及信息技術(shù)用于瓦斯安全治理的一項(xiàng)創(chuàng)舉，極大的促進(jìn)了山西煤炭信息化工作。山西省煤炭系統(tǒng) 2020 年底累計安裝使用瓦斯監(jiān)控系統(tǒng) 3868 套。目前，該省國有重點(diǎn)煤礦 121 座礦井全部安裝了瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，并全部聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，在線運(yùn)行率達(dá) 100%。地方煤礦現(xiàn)有 2806座礦井全部安裝了瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，已連網(wǎng)運(yùn)行 2671座。這些系統(tǒng)的運(yùn)用，極大的降 低了煤礦瓦斯事故。 由此可知，為了最大限度的降低煤礦瓦斯事故的發(fā)生，除了對工作人員嚴(yán)格要求外，加緊建設(shè)煤礦瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)必不可少，它對預(yù)防瓦斯事故的發(fā)生具有舉足輕重的作用。 系統(tǒng)簡介 該片 設(shè)計的是基于單片機(jī)的井下瓦斯?jié)舛戎悄軅鞲衅?，該系統(tǒng)以單片機(jī) AT87C551為核心，包含甲烷濃度采樣器、把 220V 的交流電轉(zhuǎn)換成 5V 的直流電源、紅外遙控系統(tǒng)、存儲器的擴(kuò)展、 LCD 顯示器和報警裝置等組成。該傳感器可以有效的監(jiān)測井下低濃及高濃瓦斯，試用范圍非常廣泛。監(jiān)測到的信息傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后發(fā)出指令，如果瓦斯超過規(guī)定值，該系統(tǒng)可以立即發(fā)出聲光報警并自動發(fā)出執(zhí)行指令以降低瓦斯?jié)舛取? 該系統(tǒng)可有效的降低瓦斯事故發(fā)生率，結(jié)構(gòu)靈活，擴(kuò)展性強(qiáng)，具有較高的性價比，AT87C551 的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了電子硬件設(shè)計的“軟件化”，大大的提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，非常實(shí)用于各種大小煤礦井下瓦斯的監(jiān)測監(jiān)控，性能優(yōu)良，經(jīng)久耐用，可靠性高。 3 2 系統(tǒng)原理介紹 單 片 機(jī)存 儲 器數(shù) 據(jù) 顯 示紅 外 遙 控信 號 輸 出電 壓 比 較 器瓦 斯 檢 測 電 路脈 寬 控 制 電 路鋸 齒 波 發(fā) 生 器信 號 適 配 通 道穩(wěn) 幅 電 路聲 光 報 警 圖 原理框圖 電路簡介 根據(jù)上節(jié)所述的變流瓦斯檢測原理，設(shè)計了如圖 7 所示的變流瓦斯檢測電路，該 電路主要由電橋不平衡信號取樣電路、鋸齒波發(fā)生電路、電壓比較器和脈沖穩(wěn)幅電路四個部分組成。 圖 7 變流檢測電路 A部分為電橋不平衡信號取樣電路，用此信號去調(diào)節(jié) C 部分電壓比較器輸出的脈沖 4 電壓寬度； B 部分為鋸齒波發(fā)生電路，由 555 構(gòu)成的時基電路工作在自激狀態(tài)，振蕩頻率為 1kHz，即周期為 T=1ms，輸出的鋸齒波電壓送到電壓比較器的正端； C部分電壓比較器的負(fù)端接受來自 A部分的輸出電壓 Uo2，當(dāng)鋸齒波電壓超過控制電壓 Uo2 時，比較器輸出電壓為高電平，鋸齒波回掃時，當(dāng)其電壓值低于 Uo2 時，比較器輸出為低電平，這樣將 形成一個矩形脈沖電壓。在一系列鋸齒波作用下，比較器就輸出一矩形脈沖電壓系列； D 部分由高準(zhǔn)確度可控穩(wěn)壓管 TL431 構(gòu)成的脈沖穩(wěn)幅電路，當(dāng)通過 TL431 的電流在 (1～ 100)mA 范圍內(nèi)時，只要分壓電阻的溫度系數(shù)相同，則輸出電壓有很高的穩(wěn)定性，從而保證了在輸入脈沖幅值變化時，輸出脈沖的幅值恒定。為保證有足夠的電流通過載體催化元件，設(shè)置了由三極管組成的脈沖電流放大環(huán)節(jié)。下面將詳細(xì)討論這四部分電路。 恒溫控制信號取樣電路 圖 8為恒溫控制信號取樣電路：這里沒有采用傳統(tǒng)的惠斯通電橋來獲取瓦斯 圖 8 恒溫控 制信號取樣電路 與催化元件反應(yīng)時產(chǎn)生的不平衡電壓，而是用運(yùn)放集成塊組成運(yùn)算電路，對電壓信號進(jìn)行處理，這樣做的好處是抑制共模信號的能力增強(qiáng)了，同時由于黑元件上催化燃燒產(chǎn)生的電壓只有毫伏級，不能直接與鋸齒波信號進(jìn)行比較，在 Uo1 的后面加入了同相比例運(yùn)算電路，對前面輸出的電壓進(jìn)行放大，以使其能與鋸齒波電壓進(jìn)行比較從而輸出所需的脈沖電壓。當(dāng)有瓦斯氣體時，在黑元件上發(fā)生催化燃燒，黑元件溫度上升，其阻值也隨之上升，它上面的電壓升高，不難推出： )()(2)(2)()0()()()0(214 iCHiRRRRRiRRiiRRRiUUU白白黑黑黑白黑白白黑????????????? 式中 )0(黑R 、 )0(白R 為無瓦斯時的阻值， )(iR黑 、 )(iR白 為電流流經(jīng)元件時溫度上升產(chǎn)生的阻值， )(4CHR黑為瓦斯氣體在元件上燃燒時溫度上升產(chǎn)生的阻值，前面已經(jīng)提及，所謂的恒溫是指溫度在一個很小的范圍內(nèi)波動近似看成的，因此 )(iR黑 、 )(iR白 、 )(4CHR黑的值都是非常小的，故Δ U 也很小，需要經(jīng)過放大才能與鋸齒波進(jìn)行比較。 5 在圖 8 中有 21213 )1( URRU f?? 則 21211421142314211425)1()1()1(URRRRURRURRURRUfffff??????? 2121731211421731142173217321211421731142173417351731])1()1[()1)(1()1()1()1)(1()1(nUmUURRRRRRRRURRRRURRURRRRRRURRRRURRURRUffffffffffffffo??????????????????? 適當(dāng)選取電阻值，使 m=1， n=2，這樣便可獲得瓦斯在黑元件上燃燒產(chǎn)生的電壓。 這里在實(shí)驗(yàn)室用 QJ23 單臂直流電橋?qū)︺K絲 繞制的黑白元件的阻值進(jìn)行了測定，當(dāng)環(huán)境溫度為 16℃～ 19℃時，測得的黑白元件的阻值分別為 （實(shí)際上這時黑白元件的溫度已經(jīng)大于 400℃，達(dá)到了工作狀態(tài)）。在檢測瓦斯時需要將催化元件加熱到 500℃左右，給黑白元件提供 3V 的恒定電壓，發(fā)生催化燃燒時，假設(shè)溫度上升10℃，這時候黑元件阻值變?yōu)?10Ω左右，電流大概是 150mA，則黑元件上產(chǎn)生的電壓大概為 。在圖 8 中有： 12042 )1( ofo URRU ?? 取204RRf 為 14 左右，則可將瓦斯催化燃燒產(chǎn)生的電壓放大到合適的幅值與鋸齒波電壓進(jìn)行比較。 鋸齒波發(fā)生電路 555 定時器是一種應(yīng)用極為廣泛的中規(guī)模集成電路。該芯片使用靈活方便，只需外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成單穩(wěn)、多諧和施密特觸發(fā)器，因而廣泛用于信號的產(chǎn)生、變換、控制與檢測。圖 9為 NE555 和 R2， R3， C1 組成的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器： 6 圖 9 鋸齒波發(fā)生電路 振蕩器的輸出頻率為： 1321 CRRRf ??? 由此可算得輸出頻率為 1kHz， C2 起正反饋?zhàn)饔?，?在 Q1射級跟隨器輸出鋸齒波的同時，正反饋至 R2的上端，故在 C1 充電期間， R2 上的壓降保持不變，即 C1 的充電速率不變，因而極大地保證了鋸齒波的線性。其非線性可控制在 1%以下，且溫度穩(wěn)定性好。圖中在 555的電壓控制端 5腳外接了一個可調(diào)的控制電壓，用以改變 555 內(nèi)部比較器的基準(zhǔn)電壓值，即比較電平，由此可改變鋸齒波的振幅，這里通過調(diào)節(jié) Rp1 使輸出鋸齒波的最大值為 4V。 電壓比較電路 電壓比較器可將模擬信號轉(zhuǎn)換成二值信號，即只有高電平和低電平兩種狀態(tài)的離散信號。因此可用電壓比較器來產(chǎn)生脈沖方波電壓信號。電 路如圖 10 所示： 圖 10 電壓比較器電路 這里選用的電壓比較器的型號為 AD790，它有同相和反相兩個輸入端，同相端接鋸 7 齒波電壓信號，反相端接瓦斯檢測電路的輸出電壓，也就是脈沖電壓寬度的控制信號。比較器采用單電源供電，引腳 8 接邏輯電平，其取值決定于負(fù)載所需高電平，這里接 +5V，此時比較器輸出高電平為 。引腳 5為鎖存控制端，當(dāng)它為低電平時，鎖存輸出信號。圖 10 中 C C5 均為去耦電容，用于濾去比較器輸出產(chǎn)生變化時電源電壓的波動， R8是輸出高電平時的上拉電阻。 脈沖電壓穩(wěn)幅電路 電路中選用 TL431 芯片對比較器輸出的脈沖電壓進(jìn)行穩(wěn)幅。電路如圖 11 所示： 圖 11 脈沖穩(wěn)壓電路 Fig11 range of pulse stabilitating circuit TL431 是 一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源 , 它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設(shè)置到從 Vref（ ）到 36V 的任何值，工作電流范圍 為 1mA～ 100mA，K、 A腳兩端輸出電壓 為： 10102 )( R RRV po ?? 改變 Rp2 的阻值，就可以改變輸出基準(zhǔn)電壓大小 ，這里通過 調(diào)節(jié) Rp2 使輸出的脈沖電壓的幅值穩(wěn)定在 3V。 8 聲光報警電路 R 3220 KR 3318 0KR 3420 KR 3515 KR 36B G 13D G 6C 14C 15D12C P I 6R 1022 0R4Q3D I S7THR6c v ol t5T R I G2VCC8gnd1R 3710 kC 16C 17B G 23D G 6B G 33A X 81R 3882 0HIC 18R 39S C RDWR 40C 19D2D3C 20CZCT 上述是本設(shè)計瓦斯傳感器的聲光報警電路，有圖可以看出 是以 555 為核心的電路 由 555電路組成一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，上電打開開關(guān) S1后，C1 兩端電壓為 0， 555 電路的輸出腳輸出高電平，報警器電路工作，進(jìn)入報警狀態(tài)。此時若水銀開關(guān)斷開，電源經(jīng) R2 向 C1 充電，當(dāng) C1 兩端的電壓充到高于 2/3Vcc 時，電路翻轉(zhuǎn)，輸出端變?yōu)榈碗娖捷敵觯瑘缶娐肥щ娡Ｖ构ぷ?。此時報警器便進(jìn)入報警守候狀態(tài)。這時若報警器受到振動，就會使水銀開關(guān)中的水銀一起振動，當(dāng)開關(guān)接 通時， 555電路的 2腳便輸入一個低電平信號，這個低電平信號使得單穩(wěn)電路輸出狀態(tài)改變，輸出端變?yōu)楦唠娖剑瑘缶娐饭ぷ?，另一方面通過 7 腳將充于電容 C1 上的電荷放完，這時就算水銀開關(guān)再次斷開，由于 C1 兩電壓低于 2/3Vcc，電路也將保持輸出高電平，使報警電路工作，若一直有振通信號使水銀開關(guān)接通，系統(tǒng)將一直報警，若報警后報警器不再振動，則當(dāng) C1 上的電充到大于 2/3Vcc 時，報警將自動停止，因此每次報警的自動關(guān)斷時間為 R2 和 C1 的充電常數(shù)值。該報警器由直流穩(wěn)壓電源、定時開關(guān)電路和聲控脈沖產(chǎn)生器三部分組成。圖中 S為話 筒，它將腳步聲或其他聲響轉(zhuǎn)換為電信號，且放大后加至 555 時基電路的觸發(fā)端 ② 腳。 555 與 R C2 組成一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，調(diào)節(jié)電阻 R6使 ② 腳的電壓略高于 l/3VDD。 555 3 腳輸出低電平。當(dāng)有情況發(fā)生時， BG2 輸出一定幅值的負(fù)脈沖，使 555翻轉(zhuǎn)，相應(yīng) ③ 腳輸出高電平，信號經(jīng) BG2 緩沖放大后使可控硅 SCR觸發(fā)導(dǎo)通，將報警器的電源電路接通，發(fā)出報警信號。報警時間長短取決于電容器 C2的充電時間常數(shù) td= 的大小。當(dāng) C2上的充電電壓超過 2/3VDD 時， 555 復(fù)位， 3腳輸出低電平， BG2 相應(yīng)截止，可控硅 SCR 斷開。在 C2 充電期間，即報警定時結(jié)束之前，應(yīng)使 555③ 腳通過 R5 和 D