【文章內(nèi)容簡介】 CPU在測量中是核心部件，選擇好 CPU是設(shè)計中關(guān)鍵的部分。本次設(shè)計的任務(wù)是準(zhǔn)確測量瓦斯的濃度，具有自動報警功能，并且能與井下監(jiān)控分站進(jìn)行通信。從經(jīng)濟(jì)性和使用性角度來考慮，數(shù)據(jù)處理量不是很大，通用的 8位 51單片機(jī)即可滿足功能需求。本次設(shè)計采用 ATMEL公司生產(chǎn)的 AT89C52單片機(jī)。 根據(jù)系統(tǒng)要求，確定該系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖 42所示： 42 瓦斯傳感器硬件 結(jié)構(gòu) 圖 當(dāng)空氣中存在瓦斯時，瓦斯催化傳感元件組成的檢測電橋就會輸出一個電壓小信號，經(jīng)兩級放大電路放大，再經(jīng) A／ D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的數(shù)字量，成為能被單片機(jī)識別的電壓信號，串行輸入至單片機(jī)。單片機(jī)根據(jù)存儲在EEPROM24C16 中的線性補(bǔ)償數(shù)據(jù)和零位修正系數(shù)進(jìn)行瓦斯?jié)舛刃Ｕ幚?，獲得較高精度的測量結(jié)果，送至數(shù)碼管顯示。如果瓦斯超限，發(fā)出聲光報警提示。測量的結(jié)果通過 RS485 總線上傳給井下監(jiān)控分站，實(shí)時監(jiān)控瓦斯的濃度狀況。當(dāng)瓦斯?jié)舛雀哂?4％時，為了防止對催化傳感元件 的沖擊，對傳感元件進(jìn)行斷電保護(hù)。當(dāng)電源干擾或程序等原因造成系統(tǒng)故障時， CH451 啟動看門狗電路功能，系統(tǒng)自動恢復(fù)運(yùn)行。 瓦斯傳感器的主板 瓦斯傳感器主板電路主要組成部分有：電源芯片、探頭裝置、輸出信號電路、比較放大電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、 CPU、 鎖存器為、 數(shù)碼顯示管、看門狗電路、報警電路等。 電源芯片：為傳感器主板提供工作電壓。 第 16 頁 探頭裝置：此傳感器探頭采用催化燃燒技術(shù)，瓦斯氣體在黑白元件表面燃燒，使之產(chǎn)生阻值變化，從而破壞檢測電橋平衡，產(chǎn)生正比于瓦斯?jié)舛鹊闹绷麟妷狠敵鲂盘枴? 輸出信號電路：傳感器探頭產(chǎn)生 的直流電壓信號被輸出，使之與設(shè)定的信號相比較，從而檢測瓦斯?jié)舛仁欠癯瑯?biāo)。 比較放大電路：傳感器探頭產(chǎn)生的正比于瓦斯?jié)舛鹊闹绷麟妷盒盘柗浅Ｎ⑷?，需要?jīng)過放大后才能進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 A/D 轉(zhuǎn)換電路：將模擬信號轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識別、儲存、運(yùn)算的數(shù)字信號。 CPU：此傳感器系統(tǒng)選用 AT89C52 芯片。 AT89C52 采用增強(qiáng)型 CPU，片內(nèi) ROM 最大容量為 8KB，片內(nèi) RAM 容量為 256B，定時器 /計時器個數(shù)為 3 16，中斷源為 6 個。 CPU 芯片接受到比較放大電路傳遞的信號進(jìn)行處理，一方面通過 RS485通信接口向上位機(jī)傳送 數(shù)據(jù)，另一方面通過計算后在數(shù)碼管上顯示瓦斯?jié)舛戎?，同時還要與程序中設(shè)定的警戒值相比較，一旦達(dá)到或超過警戒值，則發(fā)出聲光報警，起到早期預(yù)警的作用。 鎖存器：對單片機(jī)輸出的信號進(jìn)行鎖存。此系統(tǒng)選用的鎖存器為 74HC573。 數(shù)碼顯示管：此系統(tǒng)采用的是 LED 顯示器。數(shù)碼顯示管接到 CPU 傳送過來的指令后顯示當(dāng)前瓦斯?jié)舛取? 看門狗電路：單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)受到干擾后，都要進(jìn)行復(fù)位，因此一定要有一個可靠的復(fù)位電路來提高單片機(jī)系統(tǒng)的性能。看門狗電路是用來檢測微處理器 CPU 是否工作正常的，如果單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作不正常，看門狗電路 就會產(chǎn)生一個復(fù)位脈沖，使系統(tǒng)復(fù)位。此外，看門狗還可以在程序陷入死循環(huán)的時候，讓單片機(jī)復(fù)位而不用整個系統(tǒng)斷電，從而保護(hù)硬件電路。 報警電路：此報警電路分成兩部分，一部分為蜂鳴器報警電路，另一部分為閃爍信號電路。當(dāng)探頭檢測到的瓦斯?jié)舛冗_(dá)到或超過預(yù)設(shè)的警戒值時，蜂鳴器報警裝置和閃爍電路接受到 CPU 傳達(dá)的指令而啟動報警行動，蜂鳴器發(fā)出報警響聲，而閃爍電路則通過其 LED 顯示管發(fā)出閃爍信號，達(dá)到報警效果。 瓦斯檢測過程中的因素影響分析 催化燃燒型瓦斯檢測的主要性能特征是由熱催化敏感元件的技術(shù)性能所決定的 。它直接關(guān)系到瓦斯檢測的性能特征質(zhì)量。以下主要對元件的技術(shù)性能及影響因素簡要分析。 瓦斯傳感器的靈敏度是指某一濃度的瓦斯在敏感元件上反應(yīng)時，電橋輸出電壓值與瓦斯?jié)舛戎戎?，它取決于敏感元件對瓦斯催化燃燒的速率。一般敏感元件應(yīng)不低于 10～ 15mW(1％ 4CH )。性能好的可達(dá) 30mV／ (1％ 4CH )以上，這一指標(biāo)是衡量敏感元件活性和使用壽命的重要指標(biāo)，它是決定元件壽命的一個重要參數(shù)。催化燃燒型瓦斯檢測儀器靈敏 度下降是個逐漸變化的過程，這個變 第 17 頁 化過程越緩慢說明儀器穩(wěn)定性越好。 催化燃燒型瓦斯檢測儀由于敏感元件輸出特性在 0～ 4％ 4CH 范圍內(nèi)近似呈線性，隨著瓦斯?jié)舛鹊纳?，輸出電壓不斷下降? 這是儀器的一個重要指標(biāo)，它標(biāo)志著儀器與瓦斯催化反應(yīng)的快慢，井下瓦斯檢測要求實(shí)時性強(qiáng)，響應(yīng)時間短。影響催化敏感元件響應(yīng)時間的因素主要有兩個方面：一是瓦斯通過擴(kuò)散 (燒結(jié)金屬孔 )充滿氣室并到達(dá)元件表面的整個擴(kuò)散過程所占用的時間；二是瓦斯在元件上的催 化反應(yīng)產(chǎn)生熱量，使溫度上升，并和周圍進(jìn)行熱交換，元件最終達(dá)到平衡所需要的時間。 傳感頭 傳感頭是瓦斯傳感器的重要部分，它在傳感器的最前端，與瓦斯氣體直接反應(yīng)，它影響著整個傳感器的功能。下面就詳細(xì)介紹。 瓦斯 了解瓦斯的特點(diǎn)和性質(zhì)是做好瓦斯檢測和管理的先決條件。礦井瓦斯是指從煤體和圍巖中逸出的以及在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的多成分的混合氣體，包括 4CH 、2CO 、 CO、 2N 、 62HC 、 2SO 、 SH2 等。主要成分是甲烷（ 4CH ）、一氧化碳（ CO）和二氧化碳（ 2CO ）、硫化氫（ SH2 ）等。 甲烷是礦井瓦斯的主要成分，是一種無色無味的氣體。不助燃，但當(dāng)與空氣混 合到一定濃度時，遇火能燃燒或爆炸，爆炸界限為 5％～ 16． 5％；空氣中甲烷濃度超過 40％時，空氣中的氧含量將下降到 12％以下，此時空氣與甲烷的混合氣體不再發(fā)生爆炸，但將使人窒息。 瓦斯爆炸須具備 3個條件： 4CH 的濃度、 2O 濃度及引爆溫度。 瓦斯在煤體和圍巖中以游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)存在，一般情況下處于動態(tài)平衡，當(dāng)外界溫度、壓力變化時，幾種狀態(tài)會互相轉(zhuǎn)化，煤層在開采過程中，瓦斯被逸散出來，在井下積聚，造成瓦斯?jié)舛仍黾?，?dāng) 4CH 濃度達(dá) 5％～ 16％時具有爆炸性； 4CH 濃度為 9． 5％時，爆炸威力最大，當(dāng) 4CH 濃度小于 5％或大于 16％時，一般不會爆炸，遇明火只會燃燒，瓦斯爆炸的上下限是可變的，當(dāng) 4CH 混 第 18 頁 合氣體的溫度和壓力發(fā)生變化或混入煤塵及其它可燃?xì)怏w時，可影響瓦斯爆炸的上下限，如空氣中的煤塵含量為 10～ 12mg／ 3m ， 4CH 濃度達(dá)到 4％時，遇火就會爆炸。 催化燃燒技術(shù)是一種發(fā)展較早、應(yīng)用較廣泛的瓦斯傳感技術(shù)。由于瓦斯( 4CH )本身特殊的四面體結(jié)構(gòu) ,使之性能特別穩(wěn)定 ,破壞碳?xì)滏I需要很大的能量 ,所以 4CH 氣體除燃燒外 ,不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。催化燃燒型瓦斯傳感器的原理是利用瓦斯在傳感元件表面無焰燃燒所產(chǎn)生的熱量 ,由測溫元件測量 ,從而得出瓦斯?jié)舛取? 黑白件的工作原理 傳感頭由氣室、黑白元件等組成。黑元件 是一種對甲烷氣體很敏感的載體催化元件 ,而白元件是補(bǔ)償元件 ,對瓦斯不起反應(yīng)。黑白元件作為檢測電橋的一臂 ,另一臂由電阻和電位器組成。將黑白元件置于同一氣室中 ,施加工作電壓。無瓦斯時 ,電橋處于平衡、輸出為零 ,當(dāng)瓦斯氣體進(jìn)入氣室 ,接觸到黑元件表面時 ,就在其表面無焰燃燒 ,元件的溫度升高，阻值增大，而白元件不發(fā)生反應(yīng)，阻值不變，于是破壞了檢測電橋平衡，在一定的瓦斯?jié)舛确秶鷥?nèi)，產(chǎn)生正比于瓦斯?jié)舛鹊闹绷麟妷狠敵鲂盘枴? 催化燃燒式氣體傳感器的特點(diǎn)： ① 對所有可燃?xì)怏w的響應(yīng)有廣譜性，在空氣中對可燃?xì)怏w爆炸下限濃度（ %LEL）以下的含量，其輸出信號接近線性（ 60%LEL以下線性度更好）； ② 對非可燃?xì)怏w沒有反應(yīng)，只對可燃?xì)庥蟹磻?yīng)，無干擾； ③ 傳感器結(jié)構(gòu)簡單、成本低； ④不受水蒸氣影響，對環(huán)境的溫濕度影響不敏感，適于野外使用。 利用敏感元件 (俗稱黑白元件 )對瓦斯的催化作用使瓦斯在元件表面上發(fā)生無焰燃燒，放出熱量使元件溫度上升，增加了敏感元件鉑絲的電阻值。通過電橋測量電路，可以測量其敏感元件電阻值變化量，如圖 43所示。 催化反應(yīng)的方程式為： 4CH +2 2O → 2CO +2 OH2 +Q （ 41） 第 19 頁 43 傳感器的檢測電橋 圖中， hR 是催化傳感元件， bR 是補(bǔ)償元件。將 hR 和 bR 置 于同一測量環(huán)境中，由穩(wěn)壓電源供電。在無瓦斯的新鮮空氣中， hR = bR ，調(diào)整電橋使之平衡，信號輸出端電壓 U=0；當(dāng)瓦斯存在時，在催化傳感元件 hR 表面發(fā)生無焰催化燃燒， hR 阻值隨溫度上升而增加為 hR +△ hR ，而補(bǔ)償元件 bR 阻 值不變，從而電橋失去平衡。 當(dāng)采用恒壓源 E 供電時，輸出不平衡電壓為： 2Hhh R △+ ) △R+R ( EUHB RRE ?? ?? （ 42） 由于 hR = bR =R ＞＞△ hR ，則 U ≈ RE2R △ h = 1K △ hR （ 43） 電橋輸出電壓取決于敏感元件的阻值變化量 △ hR 。對于鉑絲元件，其電阻變化量可以用下式表示： △ hR =a（ hH △ ） 0R =a（ hDCQ/ ） 0R (44) 其中， a、 h、 0R 與敏感元件的材質(zhì)、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，擴(kuò)展系數(shù) D 和瓦斯的分子燃燒熱 Q 都是常數(shù)，可以用一個常數(shù) 2K 代表這些因素，因而上式可以寫為△ hR = 2K C ，則 U = 1K 2K C （ 45） 即在理想情況下，電橋輸出電壓與瓦斯?jié)舛瘸烧?，在一定濃度范圍?nèi)，電橋輸出電壓與瓦斯?jié)舛瘸示€性關(guān)系。 第 20 頁 黑白件的選取 在選用催化傳感元件時，選用重慶北碚干果建材有限公司電子元件廠生產(chǎn)的 MJC4T系 列黑白元件 (煤礦甲烷檢測用載體催化元件 )。重慶北碚干果建材有限公司電子元件廠是煤礦甲烷檢測用載體催化元件 (黑白元件 )的專業(yè)廠家。 MJC4T系列煤礦甲烷檢測用載體催化元件是最新研制的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品．本產(chǎn)品黑元件采用新型。催化劑取代傳統(tǒng)的瓦斯燃燒催化劑，它不僅活性極高，臨界反應(yīng)溫度低，而且具有良好的催化選擇性。元件具有如下特點(diǎn)： l、優(yōu)異的穩(wěn)定性。 優(yōu)良的可重復(fù)性和精度。 極佳的線性輸出特性。 極好的響應(yīng)特性。 低功耗、長壽命 。 基于以上特點(diǎn)，本次設(shè)計采用 MJC4T系列載體催化元件。滿 足了瓦斯檢測必須具備的測量精度高、工作可靠、工作條件能適應(yīng)惡劣環(huán)境的要求。 4． 7 放大器部分 (1)第一級放大電路的設(shè)計 用直流電橋來測量，電橋的輸出電壓是很低的 (mv級 )，需要通過放大電路進(jìn)行信號放大處理，在這里選擇了 AD623和 CA3140這兩個放大器。 AD623是一種單電源精度適中的儀表放大器， CA3140是一種 BIMOS高性能單電源運(yùn)算放大器，電路采用 AD623和 CA3140兩級放大，是考慮到瓦斯傳感器輸出靈敏度較低，兩級放大可以有效的提高靈敏度，有效提高抗干擾能力。 對于被測信號來說， 由輸入通道引入的干擾可分解為串模干擾和共模干擾。串模干擾是指干擾電壓與有效信號串聯(lián)疊加后作用到儀表上的干擾。本系統(tǒng)中，共模干擾是指輸入通道兩個輸入端上共有的干擾電壓，它們并聯(lián)疊加，大小相位完全一樣。對于兩根并行的信號輸入線，兩根線上的信號大小相位差不多，所以共模干擾大，串模干擾小。由于系統(tǒng)中主要存在的是共模干擾，電壓是小信號，低于 100mV，需要經(jīng)過放大才能測量。 對于工業(yè)現(xiàn)場中的放大器，要求放大倍數(shù)要大。并且根據(jù)情況要可調(diào)，輸入電阻要非常大，輸出電阻要小。 AD623是一個三運(yùn)放放大器，也稱儀表放大器，主要 用于工業(yè)現(xiàn)場微弱的信號。其原理如圖 44所示： 第 21 頁 44 三運(yùn)放原理圖 由于兩個輸入端都接在同相端，所以輸入電阻非常高，所以適合工業(yè)現(xiàn)場微弱