低浓度煤矿瓦斯检测系统设计与仿真

丁 艳， 袁隆基， 宋正昶

（中国矿业大学a.徐海学院；b.电气与动力工程学院，江苏徐州221116）

0 引 言

煤矿瓦斯是煤矿开采过程中煤的伴生产物，属于不可再生能源，在煤矿开采过程中，煤矿瓦斯被列为重大灾害源和大气污染源［1］。瓦斯的聚集极易引起瓦斯事故，及时掌握煤矿瓦斯的实时状态显得非常重要，瓦斯浓度检测便成了煤矿安全生产中一项必不可少的工作。煤矿瓦斯浓度检测方法有：热传导型［2］、光学干涉型［3］、红外吸收型［3-5］、催化燃烧型［6-8］等。热传导检测传感器的结构相对比较简单，一般用于高浓度瓦斯检测，因为在对于高浓度瓦斯检测来说，精度比较高，而不适用于低浓度煤矿瓦斯的检测［9］。光学干涉检测，虽然精度高、性能也比较稳定，但是检测速度比较慢，读数也不直观［9-10］，我国20世纪70年代之前，用的基本上都是这个方法［11］。红外吸收检测方法的检测范围比较宽，响应也比较快，精度也较高，但其精度和成本基本成正比关系，也就是精度越高，成本越高，所以推广比较困难［12］。目前对于低浓度瓦斯检测，使用比较多的就是基于催化燃烧原理的检测方法，这种方法是20世纪80年代以来，随着电子技术的飞速发展而兴起的一种检测方法。传统的煤矿瓦斯检测仪存在功耗高、体积大、可靠性不高等问题。为此，本文基于催化燃烧传感器原理，提出一种低浓度煤矿瓦斯检测系统的设计方案，该方案选取STC89C52RC单片机为核心控制芯片，采用Keil uVision为系统编程软件［13］，8 bit 高精度ADC0808 为采集芯片［14，15］，LCD1602为液晶显示模块，并通过Proteus软件进行检测系统的仿真测试，验证了检测电路的可行性，实现了低浓度瓦斯的检测，减小了体积，提高了可靠性，降低了成本，达到了预期目的，具有一定的适用参考价值。

1 煤矿瓦斯检测传感器结构及工作原理

煤矿瓦斯检测传感器的结构和原理如图1所示。

图1 瓦斯传感器电气原理图

图中RD为测量元件，该测量元件主要是由金属铂丝、氧化铝多孔载体和催化剂构成，金属铂丝绕制成螺旋状，在其外层涂抹一定厚度的氧化铝浆，并将其烧制成多孔载体，在载体表面浸渍一层铂和钯催化剂，元件表面呈现出黑色，所以通常又被称为黑元件。图中RC是补偿元件，与黑元件RD的阻值相同，不同的是RC表面并没有浸渍催化剂，也就不会参与低温催化燃烧反应，它的作用只是对非瓦斯含量变化引起的RD阻值变化起到补偿作用，图中的R1和R2相等，与RD和RC共同组成了一个电桥。黑元件RD在通电的情况下，当遇到瓦斯气体时，通过的电流会使得黑元件内部的铂丝温度升高，当达到一定温度时，瓦斯和氧气在催化剂的作用下进行无焰燃烧反应，其反应方程式：

反应产生的热量会进一步加热铂丝，导致铂丝的电阻发生改变，使得电桥失去了平衡而输出一个电压信号，用这个电压信号值来反映瓦斯含量的大小。具体推导如下：

当铂丝的电阻由于温度而改变ΔRD，则

由此可见，输出电压UAB与测量元件的电阻变化量ΔRD成正比。

2 系统硬件设计

2.1 主控芯片电路

本设计的主控芯片选择了STC89C52RC，该芯片不仅沿袭了传统而经典的MCS-51内核，且改进了传统51单片机一些不具备或者是需要通过外接其他芯片才能实现的功能，该系统具有8 bit CPU和在线可编程Flash。本设计的主控芯片电路如图2所示。

图2 主控芯片电路

由图2中可见，P3口用于ADC0808的数字量获取，P2.3～P2.6引脚用于控制ADC0808芯片的相关操作，P1口在外接一个上拉电阻的前提下用于输出数据给LCD1602模块，P2.0～P2.3操作LCD1602的控制命令，从引脚和使用性能上分析可见，该芯片完全可以满足本设计的需求。

2.2 信号放大电路

低浓度瓦斯检测传感器输出的电压信号非常微弱，一般在mV级别，只有几mV至几十mV，且共模电压较高，有时电路噪声比信号还大。因此，从噪声中能识别出有效信号显得非常重要。综合成本和精度的需求，本文选择了仪表放大器AD620，AD620是一款高精度仪表放大器，内部集成了3个运算放大器，且只需在引脚1和引脚8之间跨接一个精密电阻就可以实现1～10 000的增益调节，对于设计和操作来说都非常方便。对于具体增益（G）的选定，可以按照下式进行计算：

式中：Rg为跨接在引脚1和引脚8之间的电阻。本设计选用传感器的输出电压在40 mV左右，AD620的放大倍数设计为100，输出的电压信号就可以供A／D采集模块。由式（2）可知，放大倍数为100，则Rg很难取得一个整数值，所以在设计中采用一个1 kΩ的精密可调电阻，将阻值调至在498.989 8 Ω（即图3中的RP2）左右，尽量让放大后获取100的放大倍数。具体电路如图3所示。

图3 信号放大电路

2.3 模数转换电路

该部分采用ADC0808模数转换芯片，该芯片精度高，速度快。ADC0808芯片内部集成了8个通道的A／D转换，每个通道均为8 bit逐次逼近型A／DC。设计的电路图如图4所示。

图4 模数转换电路

由图4可见：ADDA、ADDB和ADDC为模拟通道地址选择引脚，由于本设计中只用了IN0一个通道对放大后的瓦斯气体浓度电压信号进行采集，所以在设计时，直接将ADDA、ADDB和ADDC引脚全部接GND，一直默认选通IN0通道，由单片机的P2.3引脚提供CLOCK信号，单片机的P2.4引脚启动A／D转换，ADC0808的START引脚获取单片机P24引脚的正脉冲信号，正脉冲的上升沿对逐次逼近寄存器清零，下降沿开始启动A／D转换。当转换完成时，AD0808C的EOC引脚由低电平变为高电平，单片机的P26引脚对ADC0808C的OE引脚输出高电平，打开ADC0808C的输出三态门，使得转换结果可以从A0～A7口读取。

2.4 显示电路

为方便观察检测到的瓦斯浓度，本设计采用了LCD1602液晶显示模块，如图5所示，与主控芯片STC89C52RC芯片直接相连，利用STC89C52RC的P1口驱动LCD1602的数据口，P2.0～P2.3作为LCD1602的控制引脚，通常程序控制LCD1602的时序和显示内容。

图5 Proteus软件仿真演示图

3 系统软件设计

软件部分主要是STC89C52RC主控芯片的内部程序，主要功能是实现瓦斯浓度的采集、处理和显示。程序的工作流程如图6所示。

图6 软件工作流程图

首先进行系统的初始化，包括定时器、ADC0808以及LCD1602模块的初始化，由于ADC0808的通道选择引脚直接接地，所以一直默认选通的是IN0通道，通过AD0808的操作时序，启动ADC0808芯片进行IN0通道的信号采集，采集后的数据进行异常值的剔除处理，然后送入LCD1602液晶模块进行显示。

4 仿真测试和分析

对上述电路进行了仿真测试，采用MJC4／2.5J的催化燃烧式传感器，该传感器输出的是毫伏级电压信号，工作电压为2.5 V，工作电流大致为90 mA。由于Proteus中没有这个传感器模型，在此用毫伏级电池电压来代替，如图5（a）所示，从图5（a）中可见，30 mV经过AD620芯片进行100倍放大之后变成3V电压信号，这个信号通过ADC0808芯片进行采集和STC89C52RC芯片进行处理，并通过图5（b）、LCD1602进行显示采集到的电压信号值和瓦斯的浓度值。表1中列出了厂家传感器参数的典型值，通过Proteus软件对典型的参数值仿真测试，仿真测试结果和厂家传感器参数一致，验证了该电路可以实现低浓度瓦斯的浓度测试。

表1 传感器参数和仿真测试结果

5 结 语

本文提出的一种基于催化燃烧式原理的低浓度煤矿瓦斯检测系统的设计方案，以STC89C52RC单片机为核心控制芯片，采用Keil uVision为系统编程软件，8 bit高精度ADC0808为采集芯片，LCD1602液晶为显示模块，并通过Proteus仿真软件进行了检测系统的仿真测试，验证了检测电路的可行性，实现了低浓度瓦斯的检测，减小了体积，提高了可靠性，降低了成本，达到了预期目的，具有一定的适用参考价值。