基于STM32的激光甲烷断电仪的研发.pdf

1142019 年第 3 期 基于 STM32 的激光甲烷断电仪的研发 张江涛 （晋煤集团技术研究院有限责任公司 , 山西 晋城 048006） 摘 要 一款以 STM32 芯片为核心、以激光器为甲烷探头的甲烷断电仪设备，采用光谱吸收技术采集甲烷信号，转化为 数字信号传输给芯片进行数据分析、显示、报警、断电，具备反应灵敏、检测精度高、抗干扰能力强等优势，通过遥控设 置相关参数，满足煤矿各种设备的使用要求。 关键词 STM32 芯片 激光 断电仪 中图分类号 TD676 文献标识码 A doi10.3969/j.issn.1005-2801.2019.03.044 Research and Development of Laser Methane Breaker Based on STM32 Zhang Jiang-tao Technology Research Institute Co., LTD., Jincheng Coal Mine Group, Shanxi Jincheng 048006 Abstract The equipment introduced in this paper takes STM32 chip as the core, the laser as the methane sensor, uses spectral absorption technology acquisition signals, which is converted into digital signal transmission to the chip for data analysis and display, alarm, power outages, completed with the advantages of the high precision, strong anti-jamming capability, and being responsive, and by setting related parameters, it satisfies the requirement of the use of all kinds of equipment in coal mine. Key words STM32 chip laser breaker 收稿日期 2018-08-05 作者简介 张江涛（1989-），男，汉族，山西省晋城市高平人， 助理工程师，本科。 甲烷断电仪是一种在监测区域内能够实现甲烷 浓度显示、报警，并对受控电气设施实施闭锁、解 锁控制的装置。根据煤矿安全规程规定，在采 煤工作面、岩巷掘进工作面、采区回风巷、地面瓦 斯抽采泵房内等 11 处地点必须安装甲烷断电仪。 而激光甲烷传感器采用激光器作为光源，利用甲烷 气体对特定波长激光的吸收原理测量甲烷浓度，可 实现甲烷 0100 浓度范围直接测量。工作稳定性 大于 180d，无零点漂移，不受温度变化、硫化氢、 二氧化硫、一氧化碳等影响，检测精度高，调校周 期长。特别适用于煤矿井下甲烷浓度实时检测。根 据上述情况，可设计一款配套激光甲烷检测的断电 仪设备。利用激光技术监测瓦斯浓度，当浓度超过 预设的报警点时，仪器能发出声光报警；当浓度超 过预设的断电点时，仪器能自动切断电源，以确保 安全生产；当浓度回落到报警点或复电点以下时， 仪器能解除报警或自动解锁。 1 激光甲烷断电仪的原理 激光甲烷断电仪由激光接收头、电源转换电路、 STM32 芯片、显示电路、报警电路、断电控制电路 构成，如图 1 所示。激光接收头通过波长调制激光 吸收光谱技术和识别甲烷气体，通过串口信号传送 给 STM32 芯片，通过程序对信号进行分析，与设 定的报警、断电、复电值进行比较，根据比较结果 控制相应的电路进行动作。 图 1 激光甲烷断电仪的原理图 2 激光甲烷传感器硬件电路设计 2.1 激光接收头电路设计 传统的催化燃烧式的黑白元件探头调校周期 短，维护工作量大，易受其他气体影响，而激光探 头具有抗干扰能力强、反应灵敏、检测精度高的功 1152019 年第 3 期 能，粉尘、水和硫化氢气体的影响几乎可忽略不计。 激光探头检测甲烷浓度采用的是波长调制激光 吸收光谱技术（简称 WMAS），该技术的基本原理 为利用半导体红外激光的可调谐特性和气体的选择 性吸收性质来检测待测气体浓度。WMAS 利用二极 管激光器的波长扫描和电流调谐特性来实现痕量气 体吸收曲线的二次谐波检测。可调谐二极管激光器 的线宽小于 10MHz。激光线宽远小于被测气体单吸 收谱线宽度，其频率调制扫描范围也仅包含被测气 体单吸收谱线，避免气体交叉干扰。 激光探头的电路原理如图 2 所示，激光探头接 收到信号后传输给隔离芯片（激光探头内），隔 离芯片将数据转化为 485 信号，通过连接线传输 给 485 芯片 SN65HVD72，转化为串口信号传输给 CPU 的 ADC 模块。 图 2 激光探头电路原理图 2.2 电源转换电路设计 断电仪的供电电源分为交流电、直流电和电池 供电三种供电模式。供电原理如图 3 所示，交流电 源是 AC127V/AC36V，直流电源为 DC24V。交流 电通过不同的接口接入主机内部，通过 ACDC 电源 模块进行电源变换，转化为 DC24V，再通过 DCDC 电 源 模 块 转 化 为 DC18V、DC5V 和 DC3.3V。 DC18V 进行外部报警器供电，DC5V 进行继电器输 出供电，DC3.3V 进行芯片及模块供电。外部报警 器为本质安全型矿用仪器，DC18V 需增加本安保 护电路才能向外输出。为了防止干扰，DC18V 与 DC5V、DC3.3V 要进行本安隔离。 图 3 激光甲烷断电仪的供电原理 2.3 STM32 芯片电路设计 2.3.1 STM32 芯片选用 STM32 系列专为要求高性能、低成本、低功耗 的嵌入式应用专门设计的 ARM Cortex-M3 内核。 按性能分成两个不同的系列STM32F103“增强型” 系列和 STM32F101“基本型”系列。增强型系列 时钟频率达到 72MHz，是同类产品中性能最高的产 品；基本型时钟频率为 36MHz，是 16 位产品用户 的最佳选择。两个系列都内置 32K 到 128K 的闪存， 不同的是 SRAM 的最大容量和外设接口的组合。时 钟频率 72MHz 时，从闪存执行代码，STM32 功耗 36mA，是 32 位市场上功耗最低的产品。本文断电 仪选用 STM32F103RCT6 芯片作为 CPU，该芯片拥 有 48KB SRAM、256KB FLASH、2 个基本定时器、 4 个通用定时器、2 个高级定时器、2 个 DMA 控制 器（共 12 个通道）、3 个 SPI、2 个 IIC、5 个串口、 1 个 USB、1 个 CAN、3 个 12 位 ADC、1 个 12 位 DAC、1 个 SDIO 接口及 51 个通用 IO 口。 2.3.2 时钟电路 对于 STM32 芯片，三种不同的时钟源可被用 来驱动系统时钟HSI 振荡器时钟、HSE 振荡器时 钟、PLL 时钟；另外两种时钟可作为 2 级时钟源 40kHz 低速内部 RCLSI RC 振荡器、32.768kHz 低 速外部晶体 LSE 晶体 。 本产品对时钟精度要求不高，选用 8MHz 晶振 作为 STM32 芯片的外部时钟 HSE 输入，芯片可内 部进行自分频，为各寄存器、I/O 端口、定时器等 提供时钟使能。 2.3.3 程序下载电路 芯片程序下载有 SWD 模式和 JTAG 模式两 种方式。相比较 JTAG 模式，SWD 只需要 2 根线 （SWCLK 和 SWDIO）就可以下载并调试代码，而 且速度非常快， 故选用SWD模式进行程序的下载。 2.3.4 遥控接收电路设计 断电仪参数设定使用红外遥控器进行设置。断 电仪选用 TL1838 红外接收头进行红外接收，将接 收到的信号通过引脚直接传送给 CPU，根据软件程 序对遥控信号进行分析处理。 2.3.5 报警电路设计 本文设计的断电仪配接本质安全型报警器。选 用 TPL251 作为声光报警驱动模块，当甲烷浓度值 超过所设报警线时， 由CPU向驱动模块输出低电平， TPL251 为下拉电阻输入模式，输出高电平，连接 配接的报警器进行报警。 2.3.6 显示电路设计 断电仪的显示电路采用两种不同的数码管。一 种为数码管，断电仪硬件电路包括两种数码管，其 1162019 年第 3 期 中央区回风系统不独立、通风能力不足问题，改善 了工作面作业环境，有利于矿井的防灭火管理。 【参考书目】 ［1］ 袁强，石琴谱 . 回采工作面下行通风时降温效果 及其机理的研究 续 [J]. 焦作矿业学院学报， 1991（03）29-36. ［2］ 范振东 . 下行通风对采空区防灭火的影响 [J]. 煤 矿安全，1996（08）25-28. 中 0.36 英寸单体数码管显示断电仪的工作模式， CL-5461B 三位一体共阳数码管显示实时的甲烷浓 度；另一种为发光二极管，用来指示断电仪的工作 状态。每个 I/O 口设置为推挽输出，由 CPU 直接控 制数码管和发光二极管进行显示。 2.4 断电控制电路设计 断电仪的断电控制电路如图 4 所示。其中 U3 为光耦元器件，主要起信号隔离作用，稳定继电器 的供电环境，防止电压波动导致继电器误动作。 U9 为驱动模块，当 CPU 输出断电信号后，接通 T4，为继电器 T3 供电，控制外围设备。T3 继电 器选用宏发继电器 HF115F-005-2ZS4，供电电压为 5.5V，输出端 1 路为常开常闭接点，断电接点容量 为 DC24V/3A，AC127V/3A。 图 4 输出电路图 3 断电仪软件设计 断电仪的程序采用模块化设计，包括 485 通讯 程序、数据采集程序、显示程序、遥控程序、数据 判定程序、输出控制程序、定时器程序等。软件流 程图如图 5 所示，可实现以下功能 （1）当断电仪主机中的甲烷浓度达到预置的 报警点时，断电仪输出报警；当甲烷浓度恢复到报 警点以下时，应能解除报警。 （2）断电仪在以下情况时实现断电闭锁 ① 当甲烷浓度达到预置的断电点时； ② 当发生供电电源或通讯开路、 短路等故障时； ③ 当断电仪主机失电时； ④ 当主机在送电 1min 以内。 （3）断电仪在以下情况时自动复电 ① 当被测甲烷浓度降到复电点时； ② 当故障排除且主机恢复正常运行并达到稳 定时； ③ 当主机送电 1min 后正常稳定运行时。 4 结语 矿井生产情况恶劣，状况复杂多变，激光断电 仪作为更新产品，不仅具备原先断电仪的功能，而 且具有以下优点（1）输入模式多样化，可与不 同的机组设备安装，适用于交直流供电环境；（2） 甲烷探头采用激光探头，抗干扰能力强、反应灵敏、 检测精度高；（3）电路中供电部分都用光耦模块 进行隔离，有效防止电信号的干扰；（4）使用数 字化传输，可以为矿井数字化提供断电仪实时数据， 提高安全调度工作的实时性和准确性。目前，该产 品已在晋煤集团煤矿井下完成3个月的工业性试验， 运行稳定，为激光断电仪的应用提供实际参考。 图 5 断电仪程序流程图 【参考书目】 ［1］ 陈至坤，王福斌，刘杰，等 . 基于 AT89C52 的煤 矿甲烷断电仪研制 [J]. 煤矿机电，2009（02） 32-35. ［2］ 高昊 . 波长控制技术在矿用激光甲烷传感器中的 应用 [J]. 煤矿安全，2014，45（12）102-105. ［3］ 刘中奇，王汝琳 . 基于红外吸收原理的气体检测 [J]. 煤炭科学技术，2005（01）65-68. （上接第 107 页）