煤礦溫度和瓦斯?jié)舛葻o線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
O 引言
煤炭作為一種重要的能源,在工業(yè)生產(chǎn)等許多方面發(fā)揮著舉足輕重的作用,關(guān)系著國民經(jīng)濟(jì)的命脈。煤炭開采中的安全問題一直是受到極大重視的。如果一旦出現(xiàn)安全問題,不僅會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,而且直接威脅到煤炭工人的生命安全。近年來,我國煤炭開采的安全問題形勢不容樂觀,各地礦難時有發(fā)生,特別是一些小煤礦更存在著嚴(yán)重的安全隱患。所以,采取現(xiàn)代安全監(jiān)測措施勢在必行。
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,煤炭開采中安全監(jiān)測的現(xiàn)代化步伐也在不斷前進(jìn)。煤礦安全監(jiān)測的參數(shù)有很多,其中瓦斯?jié)舛仁莻€很重要的參數(shù).如果濃度過大,容易造成爆炸危險(xiǎn),后果不堪設(shè)想,同樣溫度也是一個很重要的參數(shù)。
很多系統(tǒng)采用有線傳輸?shù)姆绞?,但存在著布線困難,價格昂貴的缺點(diǎn)?;谝陨?,本文設(shè)計(jì)了一種煤礦溫度和瓦斯?jié)舛?strong>無線監(jiān)測系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)組成及工作原理
整個系統(tǒng)由主控室PC機(jī)、上位機(jī)、下位機(jī)組成,通信采用無線通信方式,系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。
整個系統(tǒng)包括240個下位機(jī)、一個上位機(jī)和一臺PC機(jī)。本系統(tǒng)采用無線通信方式,上位機(jī)發(fā)同步信號,下位機(jī)依次在各自時隙向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù),每隔15分鐘發(fā)送一次。瓦斯傳感器將瓦斯?jié)舛绒D(zhuǎn)化為電信號,輸出的電壓幅值和濃度成正比,溫度傳感器使用數(shù)字溫度傳感器。下位機(jī)由單片機(jī)和無線收發(fā)模塊組成,用于現(xiàn)場監(jiān)測,對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包,并通過無線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。上位機(jī)也是由單片機(jī)和無線收發(fā)模塊組成,主要作用是負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的同步和接收下位機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù),并轉(zhuǎn)發(fā)給PC機(jī)。
本系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的MSP430F135單片機(jī),它具有以下特點(diǎn):功耗低,工作電流是微安級;速度快,最快指令周期達(dá)到125 ns,外圍部件豐富,擁有A/D轉(zhuǎn)換器,比較器,兩個16位定時器,6個8位并行端口等。無線通信采用CHIPCON公司生產(chǎn)的CCl000無線收發(fā)芯片,它工作在300 MHz~1 000 MHz范圍內(nèi)的ISM頻段,通常應(yīng)用于低功耗無線通信。溫度傳感器使用DALLAS公司的DSl8820。瓦斯傳感器使用我國自己生產(chǎn)的MJC4/3.0L。
2 數(shù)據(jù)的采集
DSl8820采用單總線通信方式,與單片機(jī)連接時只需要外接一個5.1 kΩ左右的上拉電阻,選用外部電源供電,外圍電路簡單明了。測溫的范圍是一55℃~+125℃。轉(zhuǎn)換結(jié)果為9~12位,當(dāng)結(jié)果為12位時,最小分辨率可以達(dá)到O.062 5℃。在本系統(tǒng)中,在初始化階段將轉(zhuǎn)換結(jié)果設(shè)置為9位,相應(yīng)的分辨率為O.5℃,并且完成一次轉(zhuǎn)換只需要93.75 ms,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于12位轉(zhuǎn)換時所需的750 ms。由于在數(shù)據(jù)幀中用一個字節(jié)表示溫度,所以要進(jìn)行一次右移,結(jié)果為整數(shù)。
每次數(shù)據(jù)發(fā)送之前進(jìn)行10次溫度數(shù)據(jù)的采集,然后取平均值,以保證數(shù)據(jù)更加可靠、準(zhǔn)確。
MJC4/3.0L型催化元件根據(jù)催化燃燒效應(yīng)的原理工作,由檢測元件和補(bǔ)償元件配對組成電橋的兩個臂,遇可燃性氣體時檢測元件電阻升高,橋路輸出電壓變化,該電壓變量隨氣體濃度增大而成正比例增大,補(bǔ)償元件起到溫濕度補(bǔ)償作用。它具有以下特點(diǎn):橋路輸出電壓呈線性,響應(yīng)速度快,元件工作穩(wěn)定,能夠抗H2S中毒。被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的天然氣、液化氣、煤氣、烷類等可燃性氣體及汽油、醇、酮、苯等有機(jī)溶劑蒸汽的濃度檢測。
在本系統(tǒng)中MJC4/3.OL后接放大電路,瓦斯?jié)舛仁且粋€變化的量,相應(yīng)的輸出電壓也就跟著變化,在實(shí)際中,工作人員希望得到的是比較準(zhǔn)確的峰值,所以本系統(tǒng)采用了峰值檢測電路,如圖2所示。
每次瓦斯?jié)舛葴y量之前,斷開開關(guān)K,延時50 ms,以采集峰值。用50 ms進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并且將數(shù)據(jù)存儲,定時到時合上開關(guān)K,放電。同樣。每回發(fā)送數(shù)據(jù)之前進(jìn)行10次數(shù)據(jù)采集并取平均。如果得到的結(jié)果大于設(shè)定的電壓,下位機(jī)報(bào)警,現(xiàn)場發(fā)光二極管閃爍。
3 系統(tǒng)工作流程
本系統(tǒng)是無線監(jiān)測系統(tǒng),下位機(jī)電路采用鋰電池供電,要求連續(xù)工作1年以上,因此在設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程時首先要考慮能耗問題。由于瓦斯和溫度的變化是一個比較緩慢的過程,只要15分鐘進(jìn)行一次數(shù)據(jù)收發(fā)即可,因此可讓傳感器電路在絕大多數(shù)時間內(nèi)處于睡眠狀態(tài),以節(jié)約能耗。無線收發(fā)芯片CCl000的工作電流約為10 mA,而在睡眠狀態(tài)下僅有1μA;射頻功放在發(fā)送數(shù)據(jù)時耗電約為70 mA。
MSP430F135單片機(jī)的工作電流為300μA,在睡眠狀態(tài)下不到2μA。
為了節(jié)約能耗,將15分鐘分成90個時隙。上位機(jī)每隔lO s發(fā)一次時隙代碼Tc,Tc=0x00~0x59,每次發(fā)完后轉(zhuǎn)到接收狀態(tài)。上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀包括4個字節(jié)的前導(dǎo)碼,1個字節(jié)的開始界定符0xF3,1個字節(jié)時隙代碼TC,并加上一個字節(jié)的CRC校驗(yàn)碼提高無線傳輸?shù)目煽啃?,因此一個數(shù)據(jù)幀共有7個字節(jié),約需要12 ms。(CCl000的傳信率設(shè)置為4.8 kbps)
下位機(jī)要發(fā)送的數(shù)據(jù)包括4個字節(jié)的前導(dǎo)碼,1個字節(jié)的開始界定符0xF2,1個字節(jié)的地址碼,1個字節(jié)的溫度值數(shù)據(jù)。1個字節(jié)的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù),加上1個字節(jié)的CRC校驗(yàn)碼。因此一個數(shù)據(jù)幀共有9個字節(jié)。這樣發(fā)送數(shù)據(jù)需要15 ms。
在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了無線監(jiān)測系統(tǒng)流程,給每臺下位機(jī)分配20 ms的發(fā)送時間,240臺下位機(jī)(序號從0x01到0xF0)完成一次通信共需要4.8 s。
下位機(jī)流程如下:
(1)下位機(jī)初始化后轉(zhuǎn)到接收狀態(tài);收到時隙代碼Tc后計(jì)算睡眠時間t,進(jìn)入睡眠。t=lO×(90一Tc)一1.5 s.
同時將定時器t2清零并開始定時。
(2)定時器t2結(jié)束時,t2清零,開始執(zhí)行信號采集子程序。
(3)當(dāng)t2=1 s時,斷開信號采集電路,并轉(zhuǎn)到接收狀態(tài)。
(4)當(dāng)t2=1.5 s時,接收同步信號0x00,并根據(jù)本機(jī)地址碼n計(jì)算發(fā)送數(shù)據(jù)的時刻
t1=(n一1)×20 ms.
同時將定時器t1、t2清零,開始定時,下位機(jī)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。
(5)第n個下位機(jī)在tl=(n一1)×20 ms時被喚醒并發(fā)送數(shù)據(jù),發(fā)送完后再次進(jìn)入睡眠狀態(tài),轉(zhuǎn)到步驟(2)。上位機(jī)的流程較為簡單,下面只給出下位機(jī)工作的流程圖,如圖3所示。
4 結(jié)束語
本系統(tǒng)有效地采集了煤礦井下多個測點(diǎn)的溫度和瓦斯?jié)舛龋坏凸墓ぷ餮娱L了系統(tǒng)的工作壽命;無線傳輸降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度和布線費(fèi)用。系統(tǒng)具有很高的可靠性和性價比。