【摘 要】作為礦井生產(chǎn)中的重要技術(shù)設(shè)備，煤礦傳感器的良好應(yīng)用對(duì)于改善煤礦生產(chǎn)綜合效益具有重要作用。本文首先介紹了AVR單片機(jī)的優(yōu)勢(shì)，然后具體探討了基于AVR單片機(jī)的煤礦傳感器設(shè)計(jì)，以期為相關(guān)的技術(shù)與設(shè)計(jì)人員提供參考。

【關(guān)鍵詞】AVR單片機(jī)；煤礦傳感器；設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代煤礦安全事故問題頻發(fā)的社會(huì)狀態(tài)下，相關(guān)法律文件明確規(guī)定各類礦井中應(yīng)安置相應(yīng)的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)。隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)也在逐步升級(jí)與提高。作為煤礦工作環(huán)境瓦斯?jié)舛葯z測(cè)、保證煤礦職工井下工作安全的重要技術(shù)設(shè)備，煤礦用傳感器的穩(wěn)定性、使用性能、可操作性與調(diào)節(jié)性等將直接干擾煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的綜合工作質(zhì)量。因此，加強(qiáng)有關(guān)基于AVR單片機(jī)的煤礦傳感器設(shè)計(jì)研究，對(duì)于改善煤礦傳感器的應(yīng)用水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.AVR單片機(jī)的優(yōu)勢(shì)

（1）包含多類外圍電路：AVR單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置了模塊獨(dú)立的PWM輸出、看門狗、上電自動(dòng)復(fù)位、A/D轉(zhuǎn)換、E2PROM等電路，使用AVR單片可大范圍提高外圍電路的簡便性及可靠性。

（2）性能優(yōu)越：AVR單片機(jī)選用HARVARD結(jié)構(gòu)，采用16進(jìn)制指令，取指令與執(zhí)行指令并列運(yùn)行，各時(shí)鐘周期均執(zhí)行1條指令，設(shè)備運(yùn)行效率可達(dá)到普通指令計(jì)算系統(tǒng)的20倍以上。

（3）具備SPI編程功能：AVR單片機(jī)具有的SPI編程功能可使程序更新更加便捷，免除了插拔芯片的工作流程，對(duì)于降低程序更新過程中單片機(jī)破壞的概率具有重要作用。[1]

（4）使用FLASH存儲(chǔ)器：AVR單片機(jī)可選用1～128kB的各類FALSH存儲(chǔ)器，其可依據(jù)需求選用不同的芯片實(shí)施擴(kuò)充，而FALSH的可寫次數(shù)可滿足1000次以上的功能標(biāo)準(zhǔn)。

（5）當(dāng)前廣泛應(yīng)用的煤礦傳感器軟件系統(tǒng)在經(jīng)過實(shí)踐改進(jìn)與升級(jí)后，軟件系統(tǒng)已達(dá)到較高的成熟水平，而AVR單片機(jī)同時(shí)支持C語言，因此無需再次研發(fā)新型軟件系統(tǒng)，只相應(yīng)改變傳統(tǒng)煤礦傳感器的軟件系統(tǒng)便能將其移植到采用AVR單片機(jī)的傳感器上，轉(zhuǎn)換簡單方便，且成本較低。

2.基于AVR單片機(jī)的煤礦傳感器設(shè)計(jì)

2.1軟件設(shè)計(jì)

2.1.1瓦斯傳感元件的非線性補(bǔ)償

依據(jù)催化燃燒效應(yīng)規(guī)律，在適當(dāng)濃度范圍內(nèi)，瓦斯檢測(cè)電路的探測(cè)電壓值會(huì)隨著瓦斯?jié)舛鹊淖兓l(fā)生線性變化。但因瓦斯氣敏元件本身具有的機(jī)械誤差及附近工作環(huán)境等不可控因素的影響，瓦斯檢測(cè)電路的探測(cè)電壓值與瓦斯?jié)舛乳g具有不相匹配的非線性特征。為解決此類問題，應(yīng)選用科學(xué)的技術(shù)方法做好對(duì)應(yīng)的非線性補(bǔ)償。如選用查表法，其計(jì)算方式簡單，在單片機(jī)上更容易實(shí)現(xiàn)。實(shí)際運(yùn)行中可依據(jù)探測(cè)電壓與對(duì)應(yīng)瓦斯?jié)舛戎登€劃分成5各區(qū)段，并在單片機(jī)的EEPROM軟件中輸入相應(yīng)的折點(diǎn)坐標(biāo)（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3）、（x4，y4）、（x5，y5）、（x6，y6）；測(cè)量過程中應(yīng)先區(qū)分電壓值xi在那部分區(qū)段，依據(jù)此段斜率實(shí)施線性插值，由此獲取瓦斯的濃度值yi。[2]

2.1.2數(shù)字濾波子程序

在信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的過程中，由于工作環(huán)境與外圍電路的影響系統(tǒng)內(nèi)會(huì)侵入部分干擾信號(hào)。為有效清理此類干擾信號(hào)，確保輸入信號(hào)的可靠性與真實(shí)性，可選用數(shù)字濾波技術(shù)完成此過程。在煤礦瓦斯傳感器中可選用算數(shù)平均濾波法，依據(jù)需求連續(xù)選擇10個(gè)樣本值實(shí)施算數(shù)平均運(yùn)算。常規(guī)條件下，平均值濾波技術(shù)還能促進(jìn)減少因噪聲影響而引發(fā)的誤報(bào)警過程。

2.1.3零點(diǎn)漂移分析與抑制程序

為提高傳感器讀值的精確度，盡量減少因工作環(huán)境影響而導(dǎo)致的外圍電路與氣敏元件漂移，可在軟件中使用零位漂移修正技術(shù)，以在避免增加元器件的同時(shí)改善數(shù)據(jù)讀取的可靠性。

應(yīng)用時(shí)可先對(duì)傳感器在無瓦斯條件下的輸出值進(jìn)行測(cè)量，隨后將其輸入至單片機(jī)的EEPROM內(nèi)，隨后再有瓦斯工作環(huán)境中，用新的樣本數(shù)據(jù)與該值做差，將獲取的差值作為實(shí)際測(cè)量值。為加強(qiáng)對(duì)零點(diǎn)漂移的抑制，可設(shè)計(jì)傳感器按照半個(gè)月的周期對(duì)零點(diǎn)漂移值進(jìn)行循環(huán)采集，并將其設(shè)定為EEPROM中的系統(tǒng)默認(rèn)值。

2.2硬件設(shè)計(jì)

（1）瓦斯?jié)舛蕊@示電路設(shè)計(jì)：顯示器可選用標(biāo)準(zhǔn)段式高性能的3位液晶顯示器EDS812，其具備1個(gè)公共端輸出與23個(gè)段輸出，并采用靜態(tài)驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行直接連線。

（2）電橋自動(dòng)斷電保護(hù)電路設(shè)計(jì)：在瓦斯?jié)舛雀哂?%時(shí)，瓦斯氣敏元件很可能會(huì)受到不同程度的沖擊而破損。所以在硬件設(shè)計(jì)中可增設(shè)一個(gè)電橋自動(dòng)斷電保護(hù)電路，此電路的工作方式為：將利用反向器改善驅(qū)動(dòng)性能后的PBO端口連接到光耦上，以調(diào)控電橋電源的通斷；在單片機(jī)探測(cè)到瓦斯?jié)舛瘸^4%時(shí)，將PBO置換為高電平，利用光耦使瓦斯電橋電源斷開，由此完成瓦斯氣敏元件的自動(dòng)斷電保護(hù)過程。

（3）信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)：一般在瓦斯?jié)舛葹?～4%時(shí)，傳感器的檢測(cè)電路輸出電壓會(huì)比較低，只有利用放大電路將微弱電壓信號(hào)進(jìn)行放大才有可能使單片機(jī)檢測(cè)到。設(shè)計(jì)過程中可在綜合分析干電池能量與成本因素基礎(chǔ)上，選用BROWN公司研發(fā)的OPA2272運(yùn)放。[3]

（4）通信接口電路設(shè)計(jì)：為保證傳感器與PC機(jī)或各類設(shè)備數(shù)據(jù)的正常傳輸，應(yīng)恰當(dāng)設(shè)置通信接口，且應(yīng)盡量選用串行通信接口。因單片機(jī)主要輸出TTL電平，設(shè)計(jì)中可使用MAX3232芯片把TTL電平置換為RS232電平，以確保數(shù)據(jù)能利用RS232接口正常傳輸。

2.3多傳感器信息融合

為盡可能減低測(cè)量誤差，可將多傳感器元件進(jìn)行數(shù)據(jù)與信息融合。設(shè)計(jì)中將3個(gè)瓦斯氣敏元件構(gòu)成瓦斯檢測(cè)電路，并將其輸出端與單片機(jī)的AD端口通道進(jìn)行并行結(jié)合。3個(gè)瓦斯電路的輸出電壓與相應(yīng)瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)可默認(rèn)為（X0，Y0）、（X1，Y1）、（X2，Y2），實(shí)際權(quán)函數(shù)可表示為q（x）=1，近似函數(shù)采用二次多項(xiàng)式p（x）=ao+a1x+a2x2。關(guān)于a0、a1、a2的線性方程組可選用矩陣表示為：

令z=（∑xi）/3，將線性方程組與二項(xiàng)式結(jié)合即可得出p（z），也就是融合信息。

3.結(jié)束語

煤礦傳感器的設(shè)計(jì)質(zhì)量將直接關(guān)系著煤礦企業(yè)生產(chǎn)的安全性和整體質(zhì)量，因此，相關(guān)技術(shù)與設(shè)計(jì)人員應(yīng)加強(qiáng)有關(guān)基于AVR單片機(jī)的煤礦傳感器設(shè)計(jì)研究，總結(jié)煤礦傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)保護(hù)措施，以逐步改善煤礦傳感器的設(shè)計(jì)水平。

【參考文獻(xiàn)】

[1]閆愛青，王玉華.煤礦瓦斯傳感器性能評(píng)價(jià)與改進(jìn)新方案[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用，2011，05（35）：57-58.

[2]李冠群.KG9701型智能低濃瓦斯傳感器的分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，06（10）：61-62.

[3]施澤全.基于AVR單片機(jī)的煤礦傳感器設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，13（14）：74-75.