張真豪

(重慶城市科技學(xué)院,重慶 400000)

隨著采礦工藝的發(fā)展與進(jìn)步,礦山生產(chǎn)產(chǎn)量逐步提高,但也存在一定的安全隱患。礦產(chǎn)資源生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生許多刺激性氣體,具有腐蝕性、強(qiáng)毒性,經(jīng)呼吸道進(jìn)入人體會(huì)造成急性中毒。刺激性氣體會(huì)對(duì)眼、呼吸道黏膜、皮膚等產(chǎn)生損害,一般以局部損害為主,但也可能引起全身反應(yīng),故各種毒害氣體檢測(cè)方法應(yīng)運(yùn)而生。以單片機(jī)為核心的毒害氣體檢測(cè)儀是其中之一,可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化自動(dòng)控制。

1 電氣自動(dòng)化控制

電氣自動(dòng)化控制是煤礦生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的技術(shù),利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)的信息化、電子化[1]。將電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)與機(jī)電設(shè)備相結(jié)合,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電設(shè)備的控制,完成對(duì)煤礦毒害氣體的探測(cè)控制。電力自動(dòng)控制系統(tǒng)功能多樣,包括自動(dòng)控制、動(dòng)態(tài)監(jiān)控保護(hù)等[1],其特性主要體現(xiàn)在以下幾方面：①有某種相容特性。人們對(duì)煤的需求越來(lái)越大,礦井從淺層向深部推進(jìn),礦井工作環(huán)境與工作條件尤為復(fù)雜,這對(duì)電力系統(tǒng)的性能提出了更高的要求。雖然各種電氣設(shè)備的應(yīng)用范圍及功率各不相同,但電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)可對(duì)這些設(shè)備展開統(tǒng)一控制,使其發(fā)揮出更好的協(xié)同效果[3]。此外,系統(tǒng)自身兼容性較好,能夠提升采礦效率,保證采礦的正常進(jìn)行。②以智能為特色。大部分礦井都在向著自動(dòng)化方向發(fā)展,從自動(dòng)化生產(chǎn)向智能化方向轉(zhuǎn)變,運(yùn)作過(guò)程需根據(jù)設(shè)定的步驟有條不紊地展開工作,對(duì)運(yùn)作階段的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析,不斷優(yōu)化采礦計(jì)劃,提升采礦效率,降低安全危險(xiǎn)。

2 礦山毒害氣體探測(cè)車的硬件設(shè)計(jì)

2.1 方案確定

礦山開采中有大量的有害氣體,會(huì)對(duì)眼睛、呼吸道黏膜及皮膚產(chǎn)生一定的刺激,這是一種普遍的毒性效應(yīng),臨床上多表現(xiàn)為局灶性損傷,但亦可出現(xiàn)全身性損傷。三酸蒸汽不僅會(huì)對(duì)氣道黏膜造成嚴(yán)重的傷害,還會(huì)造成皮膚灼傷,如果長(zhǎng)時(shí)間暴露在較小的酸霧中,會(huì)對(duì)牙體造成一定的傷害,導(dǎo)致牙體酸蝕。氯化物、氨氣、二氧化硫、三氧化硫具有很強(qiáng)的溶解性,一旦接觸到潮濕的地方就會(huì)造成傷害,如果吸入這種氣體,會(huì)在上呼吸道黏膜中分解,對(duì)黏膜造成嚴(yán)重傷害,導(dǎo)致上呼吸道黏膜充血、水腫,分泌增加,還會(huì)出現(xiàn)一些化學(xué)性炎癥反應(yīng),如流涕、喉癢、嗆咳等情況。氮氧化物、光氣等具有極低的可溶度,經(jīng)過(guò)上呼吸道時(shí)幾乎不會(huì)產(chǎn)生水解反應(yīng),故對(duì)黏膜的刺激性較弱,但如果進(jìn)入到肺部,就會(huì)慢慢與肺部表面的水分發(fā)生反應(yīng),對(duì)肺部造成強(qiáng)烈的刺激及侵蝕,甚至引起肺部水腫,因此研究以單片機(jī)為核心的毒害氣體檢測(cè)儀系統(tǒng)十分必要。目前,可燃物燃燒煙氣體積分?jǐn)?shù)在誤差允許范圍內(nèi)可擬合為二次高斯分布形式,燃燒產(chǎn)生的CO值輸出信號(hào)服從高斯分布[4]。在受限空間要實(shí)現(xiàn)毒害氣體檢測(cè)需建立多種氣體傳感器組成的探測(cè)系統(tǒng),以提升其穩(wěn)定性與可靠性,降低誤報(bào)率[5]。受限空間事故探測(cè)儀可執(zhí)行有毒有害氣體的檢測(cè),降低礦山安全事故發(fā)生率[6]。

2.2 總體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)由STC89C52單片機(jī)電路+LCD1602液晶顯示電路+A/D采樣PCF8591電路+蜂鳴器報(bào)警電路+LED指示燈電路+按鍵電路+MQ-2煤氣傳感器電路+電源電路組成。LCD1602液晶實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的煤氣濃度顯示,當(dāng)濃度為0～20 ppm時(shí),綠燈亮;當(dāng)濃度達(dá)到20 ppm時(shí),黃燈亮;當(dāng)濃度超過(guò)設(shè)置值時(shí),紅燈亮。通過(guò)按鍵設(shè)置煤氣濃度閾值,超過(guò)設(shè)置閾值時(shí),蜂鳴器報(bào)警。

系統(tǒng)具體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖Fig.1 System hardware block diagram

方案一：運(yùn)用可進(jìn)行變成的邏輯器件作為控制中心,這種控制器可完成很多復(fù)雜的功能,規(guī)模巨大,體積較小,穩(wěn)定性較強(qiáng),資源全面,能夠延展出許多新功能。采用共同輸入輸出的辦法增加系統(tǒng)處理速度,使之成為大規(guī)?？刂频暮诵?其對(duì)數(shù)據(jù)處理要求較低,但從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)說(shuō)并不適用。

方案二：運(yùn)用STC企業(yè)生產(chǎn)的單片機(jī)作為主要控制核心,控制器功能消耗及功率較低,投入較少,符合項(xiàng)目需求。

方案三：運(yùn)用單片機(jī)芯片,聯(lián)合處理信號(hào)裝置耗能低,體積小,使用方便,滿足實(shí)踐需求,但成本太高,故舍棄。

選擇方案二。

2.3 模塊電路的設(shè)計(jì)

STC89C52耗能低,功能強(qiáng)大,具有很強(qiáng)的控制功能,擁有8 k字節(jié),可對(duì)某些動(dòng)畫進(jìn)行存儲(chǔ)。采用最經(jīng)典的內(nèi)核并進(jìn)行改進(jìn),增加了新功能。當(dāng) CPU處于閑置時(shí),停止運(yùn)行,讓其他設(shè)備進(jìn)入下一階段。采用減電保護(hù),將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到RAM中,運(yùn)行結(jié)束后進(jìn)入下一階段或硬件響應(yīng),運(yùn)行頻率為35 Hz。STC89C52單片機(jī)最小的體系由三部分電路構(gòu)成,即時(shí)鐘、復(fù)位、電源。運(yùn)行原理如圖2所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理Fig.2 Principle of microcontroller minimum system

圖3 STC89C52單片機(jī)引腳Fig.3 STC89C52 MCU pin

VCC與GND提供電量來(lái)源。復(fù)合電路由一個(gè)按鍵、電容量及電阻構(gòu)成,具有人工按鈕復(fù)位及上電自動(dòng)復(fù)位功能。系統(tǒng)檢驗(yàn)到電壓升高時(shí)間,將電阻與地面連成一條通路,把高電壓變?yōu)榈碗妷?完成電位復(fù)位。時(shí)鐘電路由Y1C1C2構(gòu)成,其對(duì)于單片機(jī)來(lái)說(shuō)非常重要,單片機(jī)每一個(gè)指令的開始及停止都源于時(shí)鐘電路,時(shí)鐘電路為其提供時(shí)鐘周期,保障單片機(jī)內(nèi)部指令有序進(jìn)行。時(shí)鐘電路由晶振組成,搭配電容起振。晶振分為有源晶振和無(wú)源晶振,這兩種晶振在產(chǎn)品成本及性能等方面都存在差異。在電路設(shè)計(jì)中,電容容量值決定了晶振是否可以正確起振,設(shè)計(jì)電路時(shí),需查閱晶振數(shù)據(jù)手冊(cè)來(lái)搭配起振電容。XTAL1和XTAL2分別是時(shí)鐘電路引腳反相放大器的輸入端和輸出端,當(dāng)外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)作用在XTAL1時(shí),XTAL2會(huì)出現(xiàn)懸空。晶振的頻率通常選擇1～24 MHz,而電容一般會(huì)以30PF為最佳容量值。JD1為單片機(jī)的下載接口。

2.4 模塊電路設(shè)計(jì)

2.4.1 STC89C52單片機(jī)核心系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

STC89C52RC由STC企業(yè)生產(chǎn)研發(fā),耗能低,功能強(qiáng),具有很強(qiáng)的控制功能,有8 k的字節(jié)體系,可編程一些動(dòng)畫儲(chǔ)存。其運(yùn)用最經(jīng)典的內(nèi)核并做了很多改進(jìn),單個(gè)芯片包括動(dòng)畫功能為8個(gè)字節(jié),RAM為512個(gè)字節(jié),具有定時(shí)裝置、復(fù)合電路、計(jì)數(shù)裝置,可令兩種不同軟件同時(shí)處于節(jié)電模式。在空閑狀態(tài)下,CPU中斷工作狀態(tài),允許其他設(shè)施繼續(xù)工作。電量低時(shí),RAM內(nèi)容被保存起來(lái),振蕩器被凍結(jié),操作完成后,下一步工作終止或硬件回應(yīng),運(yùn)轉(zhuǎn)頻率可達(dá)35 Hz。

2.4.2 5 V電源電路設(shè)計(jì)

運(yùn)用5 V直流電源供電,線路較為簡(jiǎn)單、平穩(wěn)。電源為DC插座,可直接接USB電源線,一端插在DC插座上,另外一端插在5 V電源上。紅色指示燈用于檢驗(yàn)系統(tǒng)是否有足夠的電量,電阻用于防止電流過(guò)大燒壞指示燈。自動(dòng)鎖上開關(guān),按下開關(guān)后燈亮,這時(shí)出現(xiàn)直流電流。再次按下開關(guān)后紅燈滅,5 V電源可以輸出。

2.4.3 按鍵電路設(shè)計(jì)

這種按鍵具有連接中點(diǎn)的作用,其控制機(jī)制默認(rèn)為高電壓,按下按鍵后變成低電壓,實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的手動(dòng)輸入。電路原理如圖5所示。

圖5 按鍵電路原理Fig.5 Key circuit principle

3 結(jié)束語(yǔ)

礦山毒害氣體探測(cè)控制系統(tǒng)可對(duì)氣體進(jìn)行檢測(cè)并報(bào)警,包括探測(cè)裝置、傳播信息裝置、控制裝置、報(bào)警裝置、分析裝置。20世紀(jì)60年代,日本開發(fā)了室內(nèi)煤氣泄露報(bào)警裝置,將其改良后的產(chǎn)品推向市場(chǎng),可裝在浴室,防止有害氣體泄露。我國(guó)對(duì)煤氣泄露報(bào)警裝置的研究起步較晚,但很多技術(shù)取得了突破,不過(guò)成熟產(chǎn)品較少,需設(shè)計(jì)可應(yīng)用于礦山毒害氣體探測(cè)的裝置,提升礦區(qū)安全性。

在礦山開采過(guò)程中,電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)用廣泛,具有良好的兼容性、集成性及智能性,可提升礦山開采效率及開采質(zhì)量。需繼續(xù)完善礦井電控系統(tǒng)設(shè)計(jì),從設(shè)備選型、軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)入手,提升其性能與功能,滿足礦井生產(chǎn)需求,促進(jìn)礦井的可持續(xù)發(fā)展。