凌阳16位单片机在煤矿瓦斯浓度自动监测系统中的应用

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单强

（中国神华神东煤炭分公司，陕西，神木，719300）

摘要:介绍凌阳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

The application of Sunplus 16-bit MCU to the Mine gas Auto-detection System

Shan Qiang

(Shendong company of Chinese Shenhua Group,Shaanxi-Shenmu,719300,China)

Abstract:The paper introduced the application of Sunplus SPCE061 MCU to data-acquisition and design of mine gas Auto-detection ,Prediction and monitoring system.

Key words:SPCE061;monolithic processor;gas detection; data acquisition

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。我们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。

本设计系统框图如图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

  图1　井下瓦斯检测、预测、报警和监控系统框图

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。本系统工作过程如下: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

2.1　瓦斯检测单元

瓦斯检测电路的设计原则应该是:一方面既要安全可靠,又要真实反映瓦斯浓度；另一方面,瓦斯检测电路的电信号有利于后级电路的处理。我们采用电桥测量,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R_w表面由于发生氧化放热反应,使R_w随着温度上升阻值增大。图2中流过R_w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。

表1　瓦斯浓度与电桥输出电压值

图2　瓦斯采样电路

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而产生的电压变化信号放大为0～3.3V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。本设计采用ispPAC加一运算放大器电路。ispPAC (in-system Programmable Analog 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1GΩ。由表1可以看出,当瓦斯浓度的变化范围在0～3.92%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0～3.3V。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SPCE061。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。这些功能为本系统设计提供了很大的方便。本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0～3.3V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。