光机电一体化多功能煤矿矿工安全帽.pdf

光机电一体化多功能煤矿矿工安全帽 郑开陆1,张志明2 1. 武汉江汉大学 机电与建筑工程学院,湖北 武汉430056 ,2.武汉市君正科技公司,湖北 武汉430000 摘 要介绍了一种集护首、 瓦斯检测瓦斯超限灯光报警、 变光照明等多功能的煤矿矿工安全 帽。它采用高效能锂电池为电源,用机械强度高的工程塑料制作帽体,节能发光体,高精度的瓦 斯传感器,以单片机PIC16F630为控制核心的光机电一体化的产品。其具有多功能集成、 节能、 对瓦斯的灵敏检测、 灯光报警方式适合噪音大的场合和工作周期长等特点。它还能用于其它 的抢险救灾场合。 关键词瓦斯传感器;脱附;变光照明;灯光报警 中图分类号TD621 文献标识码B 文章编号1003 - 496X200606 - 0037 - 02 1 设计煤矿矿工安全帽的主导思想 1.1 着装标志和护首功能 煤矿矿工安全帽是煤矿矿工的着装标志,要保 证美观性和一致性。应有足够的机械强度保护戴帽 者的头部,所以帽体用工程塑料ABS由塑料模注射 成形。用于不同的场合,以帽体的颜色不同来区别。 1.2 电源和照明 为了一次充电后使工作周期长,需采用体积 小、 质量轻、 高效能的锂电池和节能的发光体,通过 发光体的不同组合可进行变光照明,这也是节能的 措施之一。特别是在矿难发生时,被困者提供尽可 能长时间的亮光支持。为此要考虑在井下利用现场 的能源对锂电池充电。电源还需根据系统中各元件 的要求提供不同的工作电压,系统应设有效率高的 升压、 降压电路。 1.3 灵敏 稳定的瓦斯传感器 选择灵敏、 稳定的瓦斯传感器是该安全帽完成 环境瓦斯检测的关键。它既要灵敏、 精确又要稳定、 可靠地检测井下的瓦斯浓度,一旦瓦斯浓度超标及 时、 准确地发出报警信息。 1.4 报警方式 由于煤矿井下噪音大,不宜用声音报警;以帽体 振动报警消耗的能量大,也不能采用;应选用灯光报 警,即照明的灯光按设置的不同规律闪烁,闪烁规律 的差异表示不同故障的报警。 2 光机电一体化多功能煤矿矿工安全帽 2.1 控制电路 如图1 a控制硬件框图所 示,以 单 片 机 PIC16F630为控制中心,对全电路进行控制。瓦斯传 感器接触瓦斯后,其电阻发生变化,经外电路转换为 电压的变化,瓦斯传感器的插入点A的电位UA随 瓦斯传感器是否插入,是否需要脱附,环境瓦斯浓度 超标等状态而变化。为了使单片机PIC16F630能识 别这3种不同的状态,选择3种电压 2 种基准电 压、1种参考电压经3个电压比较器与UA比较,可 得到3个电压比较器的不同输出状态“0” 态或 “1” 态 , 将其分别输入到单片机PIC16F630的7、8、9、3 个脚。即UA基准电压一比较输入7脚检测瓦斯 传感器是否接入、 是否损坏;UA与基准电压二比较 输入8脚判断瓦斯传感器是否需要进行脱附处理 即该瓦斯传感器第一次使用或长期未使用,重新启 用时,均需要通过较大的电流清除其表面的附着物, 以保证其对瓦斯检测的灵敏度 ; 图1中的 “参考电 压调整” 和UA经电压比较器输入9脚,使瓦斯传感 器能准确、 稳定地工作。即瓦斯浓度超标时,能准 确、 及时地发出报警信息,瓦斯浓度未超标时,也不 会误报。12个节能照明发光体分为5组,它们被装 在同一灯罩内,在不同的场合由使用者选择不同组 数的发光体来达到变光照明、 节能的效果。接收手 动按键输入10脚的变光照明选择信号上电时发光 体的初始态为全灭,按键按一下就增亮一组,增亮到 五组后, ,按键按一下就减亮一组,直到全灭。分别 由2、3、4、12、13脚控制发光体的亮和灭。单片机 PIC16F630中存放着数种发光体闪烁的报警信号可 供使用者选择控制2、3、4、12、13脚使发光体闪烁报 警。 使用者可用以上类似的方法,经按键输入 73 技术经验 煤 矿 安 全2006 - 06 图1 光机电一体化多功能煤矿矿工安全帽控制硬件与主程序框图 11脚选择发光体报警的类型。节能发光体的工作 电压为3.7 V ,由锂电池直接供给;瓦斯传感器的工 作电压为6 V ,由锂电池经振荡、 升压、 整流、 滤波生 成;单片机PIC16F630的工作电压为5 V ,由6 V电 压经二极管降压产生。 2.2 控制软件 单片机PIC16F630为简单指令型单片机,不需 外接晶振,CMOS、 节能、 抗干扰能力强,有12个I/ O 口 2 ～13脚。如图 1b 为控制主程序框图所示, 单片机初始化包括堆栈、I/ O口、 定时/计数器、 寄 存器等的设置;CPU按主程序框图所示的顺序查询 输入口箭头指向单片机的口,如7、8、9、10、11脚 的状态,对瓦斯传感器是否缺损、 是否需脱附进行检 测,使其工作在正确的状态,对瓦斯浓度超标进行准 确的判断,对发光体组数和报警形式选择实时地准 确识别。经输出口和脱附电路等部分的正常工作。 表1将试制的光机电一体化多功能煤矿矿工安 全帽样品按给定表中的 “测试条件”,在实验中心进 行测试得出如的特性参数,有些参数如光源寿命 等由元件生产厂家提供的。 表1 多功能安全帽特性参数表 参数名称数 值测试条件 额定电压/ V3.7工作电流 0.8A 额定容量/ Ah7工作电压 ≥3.7 V 点灯持续时间/ h≥1612个灯全开 照度/ lx≥1 800刚开灯、 距灯1 m处 照度/ lx≥1 300开灯11 h后、 距灯1 m处 光源电流/ mA≤400电源电压3.7 V 光源寿命/ h25 000在额定电压、 电流下工作 照度可变/ lx130～1 300开1个- 12个灯 照度为60lx 时的持续时间/ h 160只开1个灯 光源温度/℃ 60在额定电压、 电流下工作 污染情况无污染按国家排污标准 加液情况无需加液在全使用过程中 报警浓度/ - 3～16按行业标准 报警响应时间/ s 20常压、20℃ 恢复时间/ s 30常压、20℃ 作者简介郑开陆1948 - ,男,武汉人,工学硕士,副教 授,江汉大学机电与建筑工程学院机电系主任,从事机械加 工、 机电一体化的教学科研工作。 收稿日期2006 - 02 - 13;责任编辑金丽华 83 煤 矿 安 全T otal 379 技术经验