凌阳16位单片机在煤矿瓦斯浓度自动监测系统中的应用_1.docx

凌阳 16 位单片机在煤矿瓦斯浓度自动监测 系统中的应用 (中国神华神东煤炭分公司，陕西 神木 719300) 摘 要： 文章介绍了凌阳 SPCE061 在数据采集中的应 用及其井下瓦斯的自动检测、预测及监控系统的 设计。 关键词：SPCE061 单片机；瓦斯浓度检测；数据采集 中图分类号：TP712.55 文献标识码：A 文章编 号： 10076921(XX)13005502 1 问题的提出 我国煤矿百万吨煤死亡率是美国的 60 倍,是印度的 5 倍 1 。近几年来,煤矿重大、 特大事故频 繁发 生,其中,瓦斯爆炸事故占了一大部分,给国家和人民的生命 财产造成了重大损失。加强 企业管理预防事故发生,是煤 矿企业管理的重要课题。要从根本上增强在高危险环境下 作业 的安全性,必须依靠先进的科技检测手段和先进的技 术预防措施。 目前,国内外用于检测瓦斯的装置分为固定式和便携式 检测仪表,这些仪器的缺点是不能实现 在线实时检测、预 测和监控。文章设计的井下瓦斯自动检测、预测和监控系 统解决了这些问 题。 井下瓦斯自动检测、预测和监控系统框图如图 1 所示。 其中,前三个框部分放置在井下作业面 或排风口,后三个框 部分放置在井上,井下与井上通过光缆连接成一个完整的系 统。井下瓦斯 自动检测、预测和监控系统工作过程如下: 从现场 (作业面、出风口等)传感器送来的瓦斯信号经放大、 滤波,变成 SPCE061 单片微机可以接受的 信号。单片微机 将模拟信号转换成数字信号,根据设定值发出预警、报警的 声、光信号,并以 数字信号的形式发送给 PC 微机。PC 微机 以时间为横坐标,以瓦斯浓度为纵坐标和以时间为横 坐标, 以瓦斯浓度变化率为纵坐标(可以观测瓦斯浓度、瓦斯浓度 变化率的实际值)的两条曲 线表示出井下各处瓦斯浓度、 瓦斯浓度变化率的真实情况,同时, PC 微机也会根据具体情 况 发出声、光报警、预警信号,从而为领导层在处理井下 瓦斯工作的决策提供依据。 2 系统各单元设计 740)this.width=740“ border=undefined 2.1 瓦斯检测单元 瓦斯检测电路的设计原则应该是:既要安全可靠,又 要真实反映瓦斯浓度； 瓦斯检测电路的电信号有利于后 级电路的处理。文章采用电桥测量,瓦斯传感器(包括补偿 部 分)作为电桥的两臂,可调的电阻电路作为电桥的另外两 臂。检测瓦斯的电桥两臂如图 1 所示 。随着瓦斯浓度的增 大,热催化传感器 Rw 表面由于发生氧化放热反应,使 Rw 随 着温度上升阻值 增大。图 2 中流过 Rw 的电流减小,U 减小。 即传感器两端为一恒压。这种恒压检测的方法有利 于提高 传感器的稳定性、抗高浓度瓦斯冲击能力和使用寿命。由 表 1 可以看出,用图 2 所示的 电路检测瓦斯的浓度,输出电 压与瓦斯浓度的线性关系非常好。 740)this.width=740“ border=undefined 2.2 仪表放大电路化 仪表放大电路的任务是把由于瓦斯浓度的变化而产生 的电压变化信号放大为 03.3V 的电压 。对仪表放大电路 的基本要求是:为了尽可能减小对检测电路的影响,输入阻 抗要足够高;要 有滤波功能。井下瓦斯自动检测、预测和 监控系统设计采用 ispPAC 加一运算放大器电路。is pPAC (in-system Programmable Ana log Circuits)具有在系统 可编程技术的优势和特点,可通过开发软件在计算机上快速、 方便 地进行模拟电路的设计、修改,对电路的特性进行仿 真,然后用编程电缆将设计方案下载到目标芯片中。 ispPAC10 有四个 PAC 块,每一个 PAC 由两个仪用放大器 IA 和一个输出放大器 OA 组成 的求和/滤波模拟电路。每一个 PAC 均为差动输入、差分输出。仪用放大器 IA 的输入阻抗 为 1G 。由表 1 可以看出,当瓦斯浓度的变化范围在 03.92%时,电桥电路的差动输出电压范围为 0 68.05mV, 单片机的 A/D 输入电压范围为 03.3V。因此,仪表放大电 路的总放大倍数为 48.5 。在调试过程中,由于采用了 PAC, 反复几次调整 IA 的增益和滤波参数,就解决了前级放大电 路 的所有问题。这在采用其他运算放大器电路中是做不到 的。 2.3 信号处理电路 信号处理电路采用台湾凌阳单片微机 SPCE 061。SPCE061 是台湾凌阳科技股份有限公司的一款 16 位单 片微机,内部采用总线结构,把各功能部件模块化地集成在 一个芯片里,有效 地减少了各功能部件之间的连线,提高了 集成度,增强了系统的可靠性和抗干扰能力2 。它有 8 通道 10 位 A/D 输入(其中,一个通道具有内置自动增益控制 功能的麦克风输入方式 );双通道 10 位 DAC 方式的音频输 出功能；32 位可编程并行 I/O 口；一个通用异步全双工串 行通 信接口 UART。这些功能为井下瓦斯自动检测预测和监 控系统设计提供了很大的方便。井下瓦 斯自动检测、预测 和监控系统设计包括井下瓦斯浓度、岩石压力和温度 等检 测信号,经仪表放大电路放大到 03.3V 的电压,馈送到 SPCE061 的 ADC 端口。经过软件滤 波后，SPCE061 通过串 行口把数据传送至上位计算机,并把此数据与预警值和报警 值进行比较 ,如果低于预警值,则在现场发出绿灯信号；如 果达到或超过预警值而低于报警值,则在现场 发出黄灯信 号,并发出间隙声响的预警声音；如果达到或超过报警值, 则在现场发出红灯信号 ,并发出连续急促声响的报警声音。 SPCE061 具有较强的语音信号处理、存储功能。只要把语 音录入,并根据采集的信号值选择相应的语音数据数输出, 便可完成相应的语音功能。 3 计算机软件功能 下位机 SPCE061 的软件功能如图 3 所示。其中,所有程 序均采用汇编语言完成。 上位机软件用 Visual Basic 6.0 编写3。主要功 能如下:对数据库进行读写 操作；输出瓦斯浓度实时曲线； 输出瓦斯浓度预警曲线和供随时调用任一时刻的瓦斯浓度、 瓦斯浓度预警值。瓦斯浓度预警曲线是根据各时间段瓦斯 浓度的变化率和各时间点瓦斯浓度 的实际值,计算机采用 一定的算法绘制出的一条曲线。 740)this.width=740“ border=undefined 4 结束语 井下瓦斯自动检测、预测和监控系统设计充分利用凌 阳 SPCE061 高度集成化的特点,Lattic 公 司的 PAC 设计方 便、调试简单为设 计者节省了时间,提供了极大的方便。 该系统经过安装调试,各项性能指标均达到了设计要求 。 预测功能是由瓦斯浓度梯度的变化曲线和现场实际瓦斯浓 度的变化规律作出的。井下瓦斯 自动检测预测和监控系统 经过实验室多次实验,以及与经过现场调查的实际情况相比 较,可以 证明,该系统性能、功能稳定可靠,完全可以投入 现场应用,为我国的矿山生产安全作出贡献 。井下瓦斯自 动检测预测和监控系统设计是凌阳 SPCE061 和 PAC 的基本 应用,稍加改动还可以 应用