李 濤，王福忠，李 輝，張且且

（河南理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，焦作 454000）

0 引言

目前，在現(xiàn)場檢測煤體瓦斯解析速度方面法主要采用排水集氣檢測和壓差檢測法，其檢測過程操作復(fù)雜、自動化程度低、檢測誤差較大[1]。針對這一現(xiàn)實問題，本文提出了一種煤體瓦斯解析速度自動檢測儀設(shè)計方案，其主要目的在于研發(fā)一種可以在井下便攜使用的煤體瓦斯解析速度自動檢測裝置，提高檢測精度和現(xiàn)場檢測效率。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體設(shè)計方案

該系統(tǒng)主要包括氣體流量檢測單元、系統(tǒng)主控單元及外部數(shù)據(jù)存儲單元等主要部分。其系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)主控單元設(shè)計

由于系統(tǒng)采用了SD卡作為大容量存儲單元，但是SD卡是以數(shù)據(jù)塊（512字節(jié)）為單位進行數(shù)據(jù)存儲的，但是一般的51系列單片機片內(nèi)RAM最大只有256字節(jié)，因此只有進行片外RAM擴展才能實現(xiàn)對SD卡進行數(shù)據(jù)讀寫，RAM擴展需要占用大量I/O端口資源。本系統(tǒng)的主控單元采用了STC12C5A60S2系列單片機，該系列單片機與傳統(tǒng)51單片機兼容，其內(nèi)部RAM高達1280字節(jié)，完全可以滿足系統(tǒng)對SD卡讀寫的需要，同時其運算速度提高了8-12倍，具有高速、低功耗、超強抗干擾等特點，而且該型單片機集成了8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換（25萬次/秒）。

圖1 煤體瓦斯解析速度自動檢測儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 氣體流量檢測單元設(shè)計

在煤體解析瓦斯的過程中，由于瓦斯壓力的快速變化其解析速度也變化顯著。在檢測初期瓦斯解析速度較快，可以達到200-300ml/s，其后解析速度迅速下降，在解析中后期可低至1-5 ml/s，即前快后慢。因此，如何對煤體解析全過程（特別是解析的初始階段和最后階段）的瓦斯解析速度進行快速、準確的檢測是該系統(tǒng)氣體流量檢測單元設(shè)計的關(guān)鍵。

根據(jù)該系統(tǒng)檢測對象的特點以及傳感器的一般工作原理，如果采用單一傳感器檢測，難以保證對瓦斯解析過程的高速和低速階段同時進行高精度的檢測，因此本文采用了多級氣體流量傳感器分段檢測設(shè)計，如圖1所示。該分段檢測設(shè)計將煤體的解析過程分為多個采集段，給每一個采集段配備一個同精度的適當量程的瓦斯氣體流量傳感器，在檢測過程中系統(tǒng)主控單元會根據(jù)當前氣體的流速自動選擇當前采用的檢測通道，如圖2所示。

需要注意的是煤體在解析瓦斯氣體的過程中必然的由高速解析開始，因此系統(tǒng)默認從最高一級對應(yīng)的傳感器檢測通道開始檢測，隨著氣體解析速度的下降，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)換點數(shù)值進行檢測通道的自動切換。同時，由于傳感器在其量程的上下限附近檢測精度降低為了提高系統(tǒng)的檢測精度，在確定各通道轉(zhuǎn)換點時應(yīng)當選在量程重疊區(qū)。例如若采用0-20ml/min、0-100ml/min、0-300ml/min三路傳感器，則其量程轉(zhuǎn)換點可選為15ml/min、80ml/min，分別負責(zé)檢測0-15ml/min、15-80ml/min、80-300ml/min范圍的內(nèi)的數(shù)據(jù)[2]。

1.4 外部SD卡存儲單元設(shè)計

為了便于數(shù)據(jù)的回顯和后期分析處理，系統(tǒng)將會把整個檢測過程中的瞬時流量、累積流量、檢測時間等數(shù)據(jù)全部進行存儲，需要較大的數(shù)據(jù)存儲容量，對于單片機系統(tǒng)來說遠遠不能滿足要求。因此，系統(tǒng)需要設(shè)計一個外部大容量存儲單元。近年來SD卡因其具有價格低、存儲容量大、使用方便、通用性與安全性強等優(yōu)點，已經(jīng)成為數(shù)碼領(lǐng)域最為通用的數(shù)據(jù)存儲方式。但是，在與STC12C5A60S2系列單片機系統(tǒng)應(yīng)用時存在電平匹配和通訊模式等問題。

首先，確定單片機與SD卡之間的通訊模式。SD卡有SD模式和SPI模式兩種通訊協(xié)議，雖然STC系列單片機沒有集成SD卡控制器接口也沒有SPI接口模塊，但可以用軟件模擬出SPI總線時序?qū)崿F(xiàn)單片機與SD卡的數(shù)據(jù)通訊，其連接方式如圖3所示。從圖3中可以看到，在SPI通訊模式下只需要CS片選、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出、始終、電源及電源地等六根線就可以實現(xiàn)單片機與SD卡之間的通訊[3]。

圖3 STC12C5A60S2單片機與SD卡接口電路示意圖

其次，SD卡的的邏輯電平為3.3V，而STC12C5A60S2系列單片機的邏輯電平為5V，如果不做適當處理可能燒壞SD卡，因此必須解決兩者間的電源匹配問題，如圖3所示增加電平匹配轉(zhuǎn)換電路。通常在解決電平匹配時應(yīng)當遵循兩條原則：1）輸出電平器件輸出高電平的最小電壓值，應(yīng)該大于接收電平器件識別為高電平的最低電壓值；2）輸出電平器件輸出低電平的最大電壓值，應(yīng)該小于接收電平器件識別為低電平的最高電壓值。其常用的解決方法是選用適當?shù)膶Ｓ秒娖睫D(zhuǎn)換芯片即可，但是在需要多路轉(zhuǎn)換時，這種方法成本較高。由于在SPI模式下，SD卡與單片機之間的通訊都是單向的，當SD卡向單片機傳輸數(shù)據(jù)是兩器件可以直接相連；當單片機向SD卡寫數(shù)據(jù)時，則可以采用如圖4所示的晶體管及上拉電阻方式，即可解決兩者間的電平匹配問題[4]。

圖4 單片機與SD卡電平轉(zhuǎn)換電路示意圖

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

本文所設(shè)計系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括主程序、中斷服務(wù)程序、數(shù)據(jù)存儲、人機通訊等子程序組成，其主要流程如圖5所示。

其中，系統(tǒng)在初始化階段首先完成工作模式設(shè)定、初始顯示畫面內(nèi)容、初始檢測通道設(shè)定、開中斷等工作。隨后在數(shù)據(jù)采集部分采用中斷模式，即系統(tǒng)每秒鐘產(chǎn)生一次中斷，采集一次數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)送控制單元進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，包括累積流量值的計算、檢驗當前流量是否達到檢測通道轉(zhuǎn)換條件及數(shù)據(jù)的實時顯示和存儲等。在數(shù)據(jù)存儲部分，由于采用了大容量SD卡存儲模式，而SD卡的數(shù)據(jù)讀寫是以數(shù)據(jù)塊（512字節(jié)）為單位，因此必須在單片機片內(nèi)RAM中開辟一個512個字節(jié)的緩沖區(qū)，當緩沖區(qū)滿后再執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲操作[5]。SD卡數(shù)據(jù)讀寫流程如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)程序流程示意圖

3 結(jié)論

本文針對井下在檢測煤體瓦斯解析速度方面缺乏專用自動檢測裝置的現(xiàn)狀，設(shè)計了一種基于STC單片機的煤體瓦斯解析速度自動檢測裝置。該裝置體積小、攜帶方便，可以實現(xiàn)井下對煤體瓦斯解析速度的自動檢測。同時，該系統(tǒng)設(shè)計了大容量SD卡存儲單元用以解決檢測過程中大量檢測數(shù)據(jù)的存儲問題，為井下檢測現(xiàn)場的數(shù)據(jù)回顯

圖6 SD卡初始化及數(shù)據(jù)存儲程序流程圖

及井上數(shù)據(jù)分析提供條件。實驗證明該系統(tǒng)具有檢測精度高、操作方便、運行可靠和抗干擾能力強等優(yōu)點，對于井下實地檢測煤體瓦斯解析速度有極強的使用和推廣價值。

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