薛席 劉貫營

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

瓦斯是煤礦生產(chǎn)的伴生物，其主要成分是甲烷，易燃易爆，是威脅煤礦安全生產(chǎn)的頭等災(zāi)害。給國家和人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來重大的損失。因此，開發(fā)研制出能夠準(zhǔn)確快速的檢測瓦斯?jié)舛鹊脑O(shè)備，有效防止和避免因瓦斯?jié)舛瘸薅鹜咚贡ǔ蔀殛P(guān)鍵問題。傳統(tǒng)的瓦斯檢測儀大都是基于8位單片機(jī)控制的，不同程度的存在著功能單一、工作時(shí)間短、性能不穩(wěn)定、誤報(bào)動作和升級困難等問題。本文設(shè)計(jì)的是以ARM Cortex-M4內(nèi)核控制器為核心利用紅外傳輸功能的智能自動化儀表。利用ARM和計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，可對瓦斯實(shí)時(shí)的進(jìn)行檢測，同時(shí)可以對傳感器進(jìn)行自校零和線性劃處理。當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^預(yù)定值是發(fā)出報(bào)警。而且Cortex-M4內(nèi)核的低功耗、高速16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器及性價(jià)比方面具有極大的優(yōu)勢，大大提高了儀器的性能，提高了井下人員的安全性，非常適合煤礦井下的環(huán)境。

1 系統(tǒng)電路組成及工作原理

瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)由瓦斯?jié)舛葌鞲衅?，微控制器和?jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理等軟硬件組成。瓦斯?jié)舛葌鞲衅魇紫炔杉F(xiàn)場信號，轉(zhuǎn)化為電信號經(jīng)過放大電路送入A/D電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳給微控制器處理，微控制器經(jīng)過計(jì)算得到瓦斯的濃度，在LCD液晶屏上顯示，同時(shí)利用紅外發(fā)射模塊將數(shù)據(jù)送出到地面監(jiān)控站的PC機(jī)，PC機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，保存和繪制曲線。當(dāng)濃度超過界限時(shí)，啟動聲光報(bào)警電路，同時(shí)為了防止高濃度瓦斯的沖擊，當(dāng)瓦斯?jié)舛却笥谧畲笤O(shè)定值時(shí)關(guān)斷傳感器電源，以延長傳感器的壽命。系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 Cortex-M4內(nèi)核微處理器K60N512

Cortex-M4內(nèi)核是在Cortex-M3內(nèi)核的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其性能比Cortex-M3提高了20%。Cortex-M4在Cortex-M3的基礎(chǔ)上強(qiáng)化了運(yùn)算能力，新加了浮點(diǎn)運(yùn)算控制器、DSP和并行計(jì)算等。K60N512芯片是基于M4內(nèi)核集成度最高的芯片，主頻高達(dá)100MHZ，32路DMA供外設(shè)和存儲器使用，大大提高了CPU利用率，4路差分的16位AD轉(zhuǎn)換和2路12位DA轉(zhuǎn)換等資源，極大的提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2 催化燃燒式瓦斯傳感器

市場上各種瓦斯檢測儀在煤礦生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，表1是通用瓦斯檢測儀的性能比較。

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催化燃燒法是通過加熱催化元件來實(shí)現(xiàn)對有機(jī)物的完全氧化，催化傳感原件由摻有貴金屬催化劑Pt或Pd的Al2O3多孔陶瓷體中Pt絲線圈構(gòu)成。當(dāng)可燃性氣體在催化劑元件表面燃燒時(shí)，元件表面溫度升高引起了Pt絲電阻的變化，根據(jù)電阻的變化來測量氣體濃度。國外用的大多數(shù)是紅外甲烷傳感器，但是該傳感器對環(huán)境的要求比較高，而國內(nèi)的煤礦井下環(huán)境都比較惡劣，再加上性價(jià)比的考慮，本文選用催化燃燒式瓦斯檢測傳感器。最終系統(tǒng)選用MJC4/3.0J型催化元件。

2.3 無線傳輸模塊

考慮到煤礦井下環(huán)境惡劣等技術(shù)指標(biāo)，本設(shè)計(jì)方案采用nRF2401無線芯片，nRF2401是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5GHZ ISM頻段，具有非常低的芯片能耗。nRF2401內(nèi)置地址解碼器、先入先出堆棧區(qū)、解調(diào)處理器、時(shí)鐘處理器、GFSK濾波器、頻率合成器，功率放大器等功能模塊，需要很少的外圍元件，使用起來非常方便。nRF2401應(yīng)用電路如圖2所示。

圖2 nRF2401應(yīng)用電路

3 軟件設(shè)計(jì)

FreeRTOS是由InterNiche公司在2005年開發(fā)的一個(gè)開源的免費(fèi)多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)?？膳渲玫娜蝿?wù)調(diào)度方式，執(zhí)行效率高，最小的配置僅需要0.5K的RAM資源和約1K的FLASH資源[5]。用戶花很少的時(shí)間就可以靈活運(yùn)用它。Cortex-M4處理器強(qiáng)大的功能簡化了設(shè)計(jì)的步驟，應(yīng)用軟件采用C編寫，模塊化程序設(shè)計(jì)使每一個(gè)任務(wù)獨(dú)立開來，方便設(shè)計(jì)、編程、測試和查錯，最后一起實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的功能。本設(shè)計(jì)的任務(wù)有：

1)聲光報(bào)警任務(wù)，

2)設(shè)備欠壓報(bào)警任務(wù)，

3)防高濃度沖擊自關(guān)斷任務(wù)，

4)零點(diǎn)漂移自校正任務(wù)，

5)數(shù)據(jù)采集任務(wù)，

6)無線數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。采用優(yōu)先級調(diào)度的方法使每個(gè)任務(wù)順利運(yùn)行。

結(jié)語

經(jīng)過連續(xù)的實(shí)驗(yàn)室測試，此系統(tǒng)最大誤差小于0.03%，足以提高煤礦開采作業(yè)的安全等級。以新型的32位ARM Cortex-M4內(nèi)核控制器為核心搭建的瓦斯檢測系統(tǒng)，具有精度高、速度快，而且資源豐富，便于功能的擴(kuò)展，可以在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加上溫濕度等的測量功能。具有良好的應(yīng)用前景。

[1]路秋英.郝國法等.基于51單片機(jī)和VB6.0的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測系統(tǒng) [J].工礦自動化，2008(1):48-50.

[2]王峰.智能型瓦斯檢測報(bào)警儀設(shè)計(jì)[J].2011.3(1):70-71.

[3]柴化鵬，馮鋒等.瓦斯傳感器的研究進(jìn)展[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，6(3):27～30.

[4]K60 Sub-Family Reference Manual.2011 http://www.freescale.com.

[5]Freescale MQX RTOS Reference Manual.2011 http://www.freescale.com/mqx.