基于超低功耗的礦井非分光紅外氣體檢測系統(tǒng)

基于超低功耗的礦井非分光紅外氣體檢測系統(tǒng)

0氧化碳氣體檢測氫氧化鈉是無色、無痛、有毒的氣體。在煤礦中,由于煤在低溫氧化階段產生一氧化碳,因此,一氧化碳是早期揭露火災的敏感指標。在礦井的采煤工作面回風道、綜掘煤巷等有自燃發(fā)火的地點設置一氧化碳檢測儀,可對煤層自燃進行預測預報。及時準確地測定礦井氣體中的一氧化碳濃度,對人體健康和安全生產都有著重要的意義。一氧化碳氣體檢測的方式有很多,目前應用得較為廣泛的是熱催化檢測方式。但由于多種可燃性氣體都能催化氧化燃燒,導致檢測精度下降。另外,采用這種方式的檢測儀體積和功耗都較大,不便于隨身攜帶。本文提出了一種采用電調制非分光紅外(NDIR)氣體成分分析技術檢測一氧化碳氣體的方法,該方法提高了檢測精度,大大降低了檢測儀的尺寸和功耗,并且在電路設計中,采用超低功耗單片機和低功耗設計技術,延長了電池供電時間。體積和功耗的有效降低,使儀器達到了便攜要求。1硬件組成系統(tǒng)由MSP430單片機、紅外氣體傳感器、液晶顯示、聲光報警、通信接口、按鍵、時鐘電路等電路單元組成。系統(tǒng)硬件結構如圖1所示。1.1a/d溫度雙程式儀器MSP430單片機是德州儀器(TI)公司推出的超低功耗FLASH型16位單片機,其型號較多,根據系統(tǒng)功能及外圍電路接口要求,選用的具體型號為MSP430F149,它具有豐富的內部硬件資源,是一款性價比極高的工業(yè)級芯片。該單片機內置溫度傳感器、12位高精度A/D轉換器、16×16位硬件乘法器,并有6個8位I/O端口可供使用。儀器的大部分硬件功能均可以在MSP430中實現,大大簡化了系統(tǒng)的接口設計,也減少了儀器元件的數量和功耗,系統(tǒng)可靠性也大為提高。芯片內置的溫度傳感器用于檢測環(huán)境溫度,補償校準一氧化碳數據。A/D轉換器用于將紅外一氧化碳傳感器輸出的模擬量轉換為數字量,通過硬件乘法器,實現對一氧化碳A/D采樣數據的高速數字濾波、線性插值和溫度補償等運算。1.2傳感器的電源和電源紅外氣體傳感器采用電調制非分光紅外(NDIR)傳感器LHI814,其能夠快速準確地檢測一氧化碳的濃度。該傳感器體積較小,采用TO-5封裝,這使得儀器總體積大為降低。在工作中,因傳感器的檢測速度較快,故對其采用間歇式供電方式,單片機在讀取傳感器輸出的穩(wěn)定數據后,立即關閉其電源,待下次讀取數據時再將其電源打開。采取這種按需供電的方式,傳感器的平均功耗可降到0.02W。1.3ocmj2x10c海水淡化監(jiān)控儀器按鍵用來設置一氧化碳檢測儀的工作模式和報警值等。通過按鍵可以使傳感器在便攜模式和固定模式下任意切換,也可通過按鍵調整一氧化碳報警濃度值、系統(tǒng)時間、儀器對應的站號等參數。顯示器用于顯示周圍空氣中的一氧化碳濃度、儀器工作狀態(tài)等信息。設計中采用的是金鵬電子有限公司生產的OCMJ2X10C液晶顯示器,該顯示器可以顯示字母、數字符號、中文字型及圖形,還具有繪圖及文字畫面混合顯示功能。顯示器與MSP430的數據傳輸采用并行8位接口方式,MSP430通過對RS(指令與數據切換管腳)、RW(讀寫切換管腳)、E(使能管腳)、DB0～DB7(8位數據管腳)的控制來完成顯示操作。1.4通信接口電路時鐘電路單元采用MAXIM公司的時鐘芯片DS1305,該芯片具有串行接口和時鐘報警功能,用來為系統(tǒng)提供時鐘信息和定時觸發(fā)。通信接口電路同時設有RS485總線接口、CAN總線接口和電話線(Modem)接口。在檢測儀工作在固定模式時,通信接口電路用于向上位機傳送一氧化碳數據。上位機可以實時顯示井下一氧化碳的變化情況,同時設有超限報警和打印報表等功能。當井下一氧化碳濃度超標時,聲光報警電路可以及時提醒工作人員。2氣體濃度檢測傳感器采用的是電調制非分光紅外(NDIR)氣體傳感器。光強為I0、波長為λi的平行光入射到氣室后,氣室中的氣體在λi處具有吸收線或吸收帶,根據朗伯-比爾(Lambert-Beer)吸收定律,從氣室中輸出的光強I(λ)與輸入的光強I0(λ)和氣體濃度之間的關系為式中:α為吸收系數;c為氣體濃度;L為氣室長度。上式表明,光強在氣體介質中隨濃度c及氣室長度L按指數規(guī)律衰減。吸收系數取決于氣體特性,各種氣體的吸收系數α互不相同。對同一氣體,α則隨入射波長而變。若吸收介質中含i種吸收氣體,則上式應改為因此對于多種混合氣體,為了分析一氧化碳氣體,應該在傳感器或紅外光源前安裝1個窄帶濾光片,使傳感器的信號變化只反映被測氣體的濃度變化。系統(tǒng)中采用了G12型4.66μm紅外窄帶濾光片,紅外光源發(fā)射出1～20μm的紅外光,通過長度為L的氣室吸收,經過1個波長為4.66μm的窄帶濾光片后,由紅外傳感器檢測透過4.66μm波長紅外光的強度即為對應的一氧化碳氣體濃度。傳感器輸出信號微弱,極易受外界干擾。為提高系統(tǒng)精度,在信號調理電路中采用了高精度、低噪聲、低溫漂的模擬運算放大器,并對信號進行多級放大。放大器輸出與氣體濃度對應的電壓信號進入MSP430的A/D輸入模塊進行采樣,處理器對采樣數據進行數字濾波、線性插值及溫度補償等軟件處理后,得出氣體濃度測量值。3msp430軟件的編寫在系統(tǒng)軟件編寫過程中,由于數據處理模塊涉及的算法較為復雜,直接采用匯編語言編寫的難度較大,但如果完全采用C語言編寫,又導致系統(tǒng)執(zhí)行速度變慢,檢測周期增大,進而功耗升高。最后,選定的方案是先采用C語言完成數字濾波和線性插值算法的編寫。算法功能驗證無誤后,再對其進行優(yōu)化處理。對于溫度補償,采取將算法轉換為曲線、再將曲線轉換為溫度-補償表的方法,系統(tǒng)執(zhí)行時采用查表處理。這樣使得溫度補償處理的時間從131個指令周期,縮減到只有5個指令周期。這種方法的缺點就是需要較大的存儲空間。其它功能采用匯編語言,按照模塊化編寫。系統(tǒng)軟件流程如圖2所示。檢測儀上電或復位后,MSP430首先調用自檢模塊,對系統(tǒng)進行自檢,通過自檢后,調用數據采集模塊,將傳感器輸出的模擬電壓值轉換成對應的數字量。經過處理后將所得一氧化碳濃度與預設報警值比較,如果濃度超限,調用聲光報警模塊,提醒礦井內工作人員;同時將數據存儲到存儲器中,并向上位機發(fā)送一氧化碳濃度數據和報警信號。如果一氧化碳濃度沒有超限,則存儲、顯示并向上位機發(fā)送數據。4響應時間及電源現場測試數據如表1