朱高中

(渭南師范學(xué)院數(shù)理學(xué)院，陜西 渭南714099)

在煤炭的生產(chǎn)、加工過程中會產(chǎn)生大量甲烷(CH4)及一氧化碳(CO)等易燃易爆氣體，實(shí)時監(jiān)測礦井環(huán)境是保證安全生產(chǎn)，減少隱患的必備工作。溫濕度和瓦斯?jié)舛仁蔷颅h(huán)境條件的主要因素，如何對礦井瓦斯?jié)舛燃暗V井溫濕度進(jìn)行可靠、高效、實(shí)時監(jiān)測一直是礦業(yè)生產(chǎn)中的焦點(diǎn)問題。因此開發(fā)一種安全、可靠、靈敏度高的礦井環(huán)境報警系統(tǒng)具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會意義。［1－2］針對上述情況，本文結(jié)合以太網(wǎng)技術(shù)和DSP技術(shù)提出了一種新型的礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該監(jiān)測系統(tǒng)以TMS320F2812數(shù)字信號處理器為主控制器，根據(jù)現(xiàn)場情況設(shè)置溫濕度傳感器及瓦斯傳感器，實(shí)時監(jiān)測井下溫濕度以及瓦斯?jié)舛鹊淖兓?，然后將采集到的?shù)據(jù)通過DSP串行接口以太網(wǎng)傳輸模塊ZNE－100T傳到地面的上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動，當(dāng)?shù)V井的瓦斯?jié)舛群蜏貪穸瘸^閾值時能夠及時報警提示，上位機(jī)在接收數(shù)據(jù)的同時還存儲數(shù)據(jù)，可以調(diào)用查看歷史記錄情況，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測，保證了煤礦安全的正常運(yùn)行。

1 礦井監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理

本系統(tǒng)可分為3個部分:現(xiàn)場機(jī)系統(tǒng)、以太網(wǎng)傳輸、上位機(jī)系統(tǒng)?，F(xiàn)場機(jī)系統(tǒng)中的監(jiān)測儀器包括溫度、濕度和瓦斯?jié)舛鹊臏y量儀器。礦井監(jiān)測系統(tǒng)原理圖如圖1所示，從圖1可以看出，控制芯片使用了數(shù)字信號處理器DSP，DSP主要用于對現(xiàn)場控制數(shù)據(jù)的采集和處理，為了實(shí)現(xiàn)環(huán)境的實(shí)時監(jiān)控和監(jiān)測數(shù)據(jù)管理傳輸，使用了以太網(wǎng)傳輸模塊ZNE－100T，把以太網(wǎng)模塊和其他外圍電路結(jié)合在一起共同構(gòu)成了以太網(wǎng)監(jiān)控的硬件電路，以太網(wǎng)可以由TCP/IP協(xié)議來實(shí)現(xiàn)各個網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)連接，還可以通過以太網(wǎng)向上一級管理系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)信息，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場控制實(shí)時監(jiān)控。

圖1 礦井監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理圖

2 系統(tǒng)的硬件電路及其實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)對礦井瓦斯?jié)舛?、溫濕度的?zhǔn)確實(shí)時監(jiān)測和處理，系統(tǒng)以TMS320F2812為主控制器，利用TMS320F2812數(shù)字信號及其外圍電路，控制和接收溫濕傳感器和瓦斯氣體傳感器的采集數(shù)據(jù)［3］，并將所接收的數(shù)據(jù)在液晶顯示屏上顯示，同時通過以太網(wǎng)傳輸模塊ZNE－100T傳輸給上位機(jī)，可以實(shí)時顯示礦井下的瓦斯?jié)舛群蜏貪穸?。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)還可以根據(jù)礦井具體情況的不同來設(shè)置閾值，當(dāng)溫濕度及瓦斯?jié)舛瘸^設(shè)定閾值時，聲光報警電路發(fā)出報警信號并作出及時處理措施，設(shè)計(jì)的總體框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體框圖

2.1 瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測的原理及傳感器的選擇

氣體濃度檢測原理是當(dāng)光波通過氣體介質(zhì)時，氣體分子會吸收紅外光使光能量減少，氣體分子對紅外光的選擇吸收，由于不同頻率的光子被不同的氣體分子選擇性吸收，當(dāng)不同頻率的一束紅外光通過待測氣室，部分光的能量將被氣體分子吸收掉。假設(shè)通過氣室前的光強(qiáng)度為I0，通過氣室后的光強(qiáng)度為I，氣室內(nèi)氣體的濃度為C，氣室內(nèi)氣體的厚度為L，單位長度下氣體吸收紅外光造成光信號減弱的程度為dI，根據(jù)比爾—朗伯吸收定律［4］可得:

在式(1)中μ為氣體分子的吸收系數(shù)。對等式的兩邊積分得:

在式(2)中，N為氣體分子的總數(shù)，α為常數(shù)值。根據(jù)積分原理則式(2)可轉(zhuǎn)化為:I=e－μN(yùn)+α和eα=I0，將N=CL代入式(2)中可得:

由于輸入和輸出光強(qiáng)與光頻率v有關(guān)，故此輸入和輸出光強(qiáng)可以用關(guān)于v的函數(shù)I0(v)、I(v)來表示，式(3)可以表示為

由式(4)可得:

由式(5)可知，通過檢測輸入光強(qiáng)I0(v)和輸出光強(qiáng)I(v)就可以測得氣體濃度C，這就是利用光譜吸收法來檢測氣體濃度的基本原理。針對上述分析，本文選用的是熱釋電紅外傳感器PYS3228［5－6］。此傳感器的傳感元件帶有兩個接收探頭，可以接收來自傳感元件的信號。

2.2 溫度檢測電路

由于AD590溫度傳感器具有傳輸距離遠(yuǎn)、測量精度高、測量溫度范圍大等優(yōu)點(diǎn)，因此該溫度檢測電路采用溫度傳感器AD590［7］，其溫度檢測電路圖如圖3所示。由圖3可知，AD590溫度傳感器輸出的信號為電流信號，然后將電流信號經(jīng)運(yùn)放LM741轉(zhuǎn)換為電壓信號，最后把輸出的電壓信號與TMS320F2812的引腳GPIOA0相連接，并經(jīng)DSP進(jìn)行處理傳輸。

圖3 溫度檢測電路圖

2.3 繼電器控制電路

繼電器控制電路如圖4所示，當(dāng)開關(guān)量P2．2輸出為高電平時，經(jīng)反向驅(qū)動器7406變?yōu)榈碗娖绞拱l(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，從而使晶體管導(dǎo)通，繼電器J的線圈通電，繼電器觸點(diǎn)閉合使電源接通，從而打開排氣扇，使瓦斯?jié)舛冉档?。反之，?dāng)P2．2輸出低電平時，使S1斷開從而切斷了閥控制電路。

圖4 控制電路圖

2.4 以太網(wǎng)接口硬件設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)硬件連接電路圖如圖5所示，從圖5可以看出，該電路的主要電路部分有以太網(wǎng)模塊、主控DSP處理器、串行通信模塊、鎖存器等。由于數(shù)字信號處理器DSP和網(wǎng)絡(luò)之間串行標(biāo)準(zhǔn)不同，要實(shí)現(xiàn)DSP處理器和外網(wǎng)電路PC機(jī)的連接通信，首先要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)之間的接口通信。

圖5 硬件接口框圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

礦井監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是完成傳感器數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測任務(wù)，合理控制系統(tǒng)各硬件資源的核心。在實(shí)時監(jiān)測瓦斯氣體濃度和溫濕度的同時，還要完成瓦斯?jié)舛戎狄约皽貪穸葦?shù)值的顯示、聲光報警、數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳給上位機(jī)等功能。［8］

3.1 主程序

系統(tǒng)主程序流程圖如圖6所示，其工作原理是:礦井監(jiān)測系統(tǒng)上電后，首先要對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化正常后任務(wù)進(jìn)入傳感器的采集環(huán)節(jié)，實(shí)時對礦井下的瓦斯?jié)舛群蜏貪穸刃盘栠M(jìn)行采集，隨后把采集的各種參數(shù)信號數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)存儲器，經(jīng)液晶顯示屏把溫濕度數(shù)值和瓦斯?jié)舛戎翟谝壕э@示屏上顯示出來，并根據(jù)瓦斯?jié)舛群蜏貪穸蕊@示值與預(yù)先設(shè)置閾值進(jìn)行比較，如果監(jiān)測到井下環(huán)境的數(shù)值超出預(yù)設(shè)的閾值，此時要啟動聲光報警電路，及時切斷礦井下控制閥電路，并將輸出的信號信息通過以太網(wǎng)傳輸給上位機(jī)，以便及時地做好應(yīng)急準(zhǔn)備，防止意外事故發(fā)生。

3.2 聲光報警子程序

當(dāng)采集到的礦井下周圍環(huán)境的數(shù)字大于預(yù)設(shè)的環(huán)境閾值時，就需要啟動聲光報警同時遠(yuǎn)程控制監(jiān)測采集數(shù)據(jù)，觀測哪一部分出現(xiàn)問題并對相應(yīng)問題做出及時處理。聲光報警開啟后，達(dá)到提醒礦井下工作人員離開的目的，當(dāng)對相應(yīng)問題做出處理后，此時系統(tǒng)可以通過延時20 s的時間來自動解除報警，聲光報警流程圖如圖7所示。

圖6 主程序流程圖

圖7 聲光報警流程圖

4 結(jié)語

本監(jiān)測系統(tǒng)利用DSP技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)結(jié)合的方法進(jìn)行遠(yuǎn)程礦井監(jiān)測，通過溫濕傳感器和瓦斯傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳給DSP，DSP對采集溫濕度及瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后將處理的各種參數(shù)數(shù)據(jù)由以太網(wǎng)傳給上位機(jī)，由上位機(jī)做出判斷。經(jīng)過對系統(tǒng)電路的測試可知溫度的測量精度可達(dá)0．1℃，濕度測量精度達(dá)1%RH，瓦斯監(jiān)測精度可達(dá)1%，且控制方便安全可靠，對保證煤礦井下的安全生產(chǎn)具有一定的推廣價值。

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