張江濤

（晉煤集團技術(shù)研究院有限責任公司,山西 晉城 048006）

甲烷斷電儀是一種在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)甲烷濃度顯示、報警，并對受控電氣設(shè)施實施閉鎖、解鎖控制的裝置。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，在采煤工作面、巖巷掘進工作面、采區(qū)回風巷、地面瓦斯抽采泵房內(nèi)等11處地點必須安裝甲烷斷電儀。而激光甲烷傳感器采用激光器作為光源，利用甲烷氣體對特定波長激光的吸收原理測量甲烷濃度，可實現(xiàn)甲烷0～100%濃度范圍直接測量。工作穩(wěn)定性大于180d，無零點漂移，不受溫度變化、硫化氫、二氧化硫、一氧化碳等影響，檢測精度高，調(diào)校周期長。特別適用于煤礦井下甲烷濃度實時檢測。根據(jù)上述情況，可設(shè)計一款配套激光甲烷檢測的斷電儀設(shè)備。利用激光技術(shù)監(jiān)測瓦斯?jié)舛?，當濃度超過預(yù)設(shè)的報警點時，儀器能發(fā)出聲光報警；當濃度超過預(yù)設(shè)的斷電點時，儀器能自動切斷電源，以確保安全生產(chǎn)；當濃度回落到報警點或復(fù)電點以下時，儀器能解除報警或自動解鎖。

1 激光甲烷斷電儀的原理

激光甲烷斷電儀由激光接收頭、電源轉(zhuǎn)換電路、STM32芯片、顯示電路、報警電路、斷電控制電路構(gòu)成，如圖1所示。激光接收頭通過波長調(diào)制激光吸收光譜技術(shù)和識別甲烷氣體，通過串口信號傳送給STM32芯片，通過程序?qū)π盘栠M行分析，與設(shè)定的報警、斷電、復(fù)電值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果控制相應(yīng)的電路進行動作。

圖1 激光甲烷斷電儀的原理圖

2 激光甲烷傳感器硬件電路設(shè)計

2.1 激光接收頭電路設(shè)計

傳統(tǒng)的催化燃燒式的黑白元件探頭調(diào)校周期短，維護工作量大，易受其他氣體影響，而激光探頭具有抗干擾能力強、反應(yīng)靈敏、檢測精度高的功能，粉塵、水和硫化氫氣體的影響幾乎可忽略不計。

激光探頭檢測甲烷濃度采用的是波長調(diào)制激光吸收光譜技術(shù)（簡稱WMAS），該技術(shù)的基本原理為利用半導(dǎo)體紅外激光的可調(diào)諧特性和氣體的選擇性吸收性質(zhì)來檢測待測氣體濃度。WMAS利用二極管激光器的波長掃描和電流調(diào)諧特性來實現(xiàn)痕量氣體吸收曲線的二次諧波檢測?？烧{(diào)諧二極管激光器的線寬小于10MHz。激光線寬遠小于被測氣體單吸收譜線寬度，其頻率調(diào)制掃描范圍也僅包含被測氣體單吸收譜線，避免氣體交叉干擾。

激光探頭的電路原理如圖2所示，激光探頭接收到信號后傳輸給隔離芯片（激光探頭內(nèi)），隔離芯片將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為485信號，通過連接線傳輸給485芯片SN65HVD72，轉(zhuǎn)化為串口信號傳輸給CPU的ADC模塊。

圖2 激光探頭電路原理圖

2.2 電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

斷電儀的供電電源分為交流電、直流電和電池供電三種供電模式。供電原理如圖3所示，交流電源是AC127V/AC36V，直流電源為DC24V。交流電通過不同的接口接入主機內(nèi)部，通過ACDC電源模塊進行電源變換，轉(zhuǎn)化為DC24V，再通過DCDC電源模塊轉(zhuǎn)化為DC18V、DC5V和DC3.3V。DC18V進行外部報警器供電，DC5V進行繼電器輸出供電，DC3.3V進行芯片及模塊供電。外部報警器為本質(zhì)安全型礦用儀器，DC18V需增加本安保護電路才能向外輸出。為了防止干擾，DC18V與DC5V、DC3.3V要進行本安隔離。

圖3 激光甲烷斷電儀的供電原理

2.3 STM32芯片電路設(shè)計

2.3.1 STM32芯片選用

STM32系列專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARM Cortex-M3內(nèi)核。按性能分成兩個不同的系列：STM32F103“增強型”系列和STM32F101“基本型”系列。增強型系列時鐘頻率達到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型時鐘頻率為36MHz，是16位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。兩個系列都內(nèi)置32K到128K的閃存，不同的是SRAM的最大容量和外設(shè)接口的組合。時鐘頻率72MHz時，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗36mA，是32位市場上功耗最低的產(chǎn)品。本文斷電儀選用STM32F103RCT6芯片作為CPU，該芯片擁有48KB SRAM、256KB FLASH、2個基本定時器、4個通用定時器、2個高級定時器、2個DMA控制器（共12個通道）、3個SPI、2個IIC、5個串口、1個USB、1個CAN、3個12位ADC、1個12位DAC、1個SDIO接口及51個通用IO口。

2.3.2 時鐘電路

對于STM32芯片，三種不同的時鐘源可被用來驅(qū)動系統(tǒng)時鐘：HSI振蕩器時鐘、HSE振蕩器時鐘、PLL時鐘；另外兩種時鐘可作為2級時鐘源：40kHz低速內(nèi)部RC(LSI RC)振蕩器、32.768kHz低速外部晶體(LSE晶體)。

本產(chǎn)品對時鐘精度要求不高，選用8MHz晶振作為STM32芯片的外部時鐘HSE輸入，芯片可內(nèi)部進行自分頻，為各寄存器、I/O端口、定時器等提供時鐘使能。

2.3.3 程序下載電路

芯片程序下載有SWD模式和JTAG模式兩種方式。相比較JTAG模式，SWD只需要2根線（SWCLK和SWDIO）就可以下載并調(diào)試代碼，而且速度非?？?，故選用SWD模式進行程序的下載。

2.3.4 遙控接收電路設(shè)計

斷電儀參數(shù)設(shè)定使用紅外遙控器進行設(shè)置。斷電儀選用TL1838紅外接收頭進行紅外接收，將接收到的信號通過引腳直接傳送給CPU，根據(jù)軟件程序?qū)b控信號進行分析處理。

2.3.5 報警電路設(shè)計

本文設(shè)計的斷電儀配接本質(zhì)安全型報警器。選用TPL251作為聲光報警驅(qū)動模塊，當甲烷濃度值超過所設(shè)報警線時，由CPU向驅(qū)動模塊輸出低電平，TPL251為下拉電阻輸入模式，輸出高電平，連接配接的報警器進行報警。

2.3.6 顯示電路設(shè)計

斷電儀的顯示電路采用兩種不同的數(shù)碼管。一種為數(shù)碼管，斷電儀硬件電路包括兩種數(shù)碼管，其中0.36英寸單體數(shù)碼管顯示斷電儀的工作模式，CL-5461B三位一體共陽數(shù)碼管顯示實時的甲烷濃度；另一種為發(fā)光二極管，用來指示斷電儀的工作狀態(tài)。每個I/O口設(shè)置為推挽輸出，由CPU直接控制數(shù)碼管和發(fā)光二極管進行顯示。

2.4 斷電控制電路設(shè)計

斷電儀的斷電控制電路如圖4所示。其中U3為光耦元器件，主要起信號隔離作用，穩(wěn)定繼電器的供電環(huán)境，防止電壓波動導(dǎo)致繼電器誤動作。U9為驅(qū)動模塊，當CPU輸出斷電信號后，接通T4，為繼電器T3供電，控制外圍設(shè)備。T3繼電器選用宏發(fā)繼電器HF115F-005-2ZS4，供電電壓為5.5V，輸出端1路為常開常閉接點，斷電接點容量為DC24V/3A，AC127V/3A。

圖4 輸出電路圖

3 斷電儀軟件設(shè)計

斷電儀的程序采用模塊化設(shè)計，包括485通訊程序、數(shù)據(jù)采集程序、顯示程序、遙控程序、數(shù)據(jù)判定程序、輸出控制程序、定時器程序等。軟件流程圖如圖5所示，可實現(xiàn)以下功能：

（1）當斷電儀主機中的甲烷濃度達到預(yù)置的報警點時，斷電儀輸出報警；當甲烷濃度恢復(fù)到報警點以下時，應(yīng)能解除報警。

（2）斷電儀在以下情況時實現(xiàn)斷電閉鎖:

① 當甲烷濃度達到預(yù)置的斷電點時；

② 當發(fā)生供電電源或通訊開路、短路等故障時；

③ 當斷電儀主機失電時；

④ 當主機在送電1min以內(nèi)。

（3）斷電儀在以下情況時自動復(fù)電:

① 當被測甲烷濃度降到復(fù)電點時；

② 當故障排除且主機恢復(fù)正常運行并達到穩(wěn)定時；

③ 當主機送電1min后正常穩(wěn)定運行時。

4 結(jié)語

礦井生產(chǎn)情況惡劣，狀況復(fù)雜多變，激光斷電儀作為更新產(chǎn)品，不僅具備原先斷電儀的功能，而且具有以下優(yōu)點：（1）輸入模式多樣化，可與不同的機組設(shè)備安裝，適用于交直流供電環(huán)境；（2）甲烷探頭采用激光探頭，抗干擾能力強、反應(yīng)靈敏、檢測精度高；（3）電路中供電部分都用光耦模塊進行隔離，有效防止電信號的干擾；（4）使用數(shù)字化傳輸，可以為礦井數(shù)字化提供斷電儀實時數(shù)據(jù)，提高安全調(diào)度工作的實時性和準確性。目前，該產(chǎn)品已在晉煤集團煤礦井下完成3個月的工業(yè)性試驗，運行穩(wěn)定，為激光斷電儀的應(yīng)用提供實際參考。

圖5 斷電儀程序流程圖