矿用瓦斯检测报警仪的研究

张瑞哲，钟育伶，李时东，吕炜熠，胡博源

（中国矿业大学（北京），北京 100083）

煤炭在我国能源结构中具有重要地位，2021年我国煤炭消费量占能源消费总量的56%。煤矿开采过程中容易引发种类繁多的事故，其中由瓦斯气体引起的瓦斯爆炸在各类煤矿事故中最为严重。瓦斯事故具有极强的突发性、破坏性，极易造成重大人员伤亡和财产损失，是现代采煤作业中不可忽视的一大安全隐患。

煤炭事故深受公众关注，一旦发生，不仅会给煤炭生产带来严重影响，还会引起强烈的舆论反响，严重阻碍我国煤炭行业发展，不利于保障我国能源安全。得益于近几年煤炭灾害防控方面的研究与发展，煤矿事故的发生率、死亡率得以大幅下降，瓦斯气体浓度的实时监测报警工作是保障煤炭生产安全的关键环节，是从源头上防范化解重大安全风险，真正将问题解决在萌芽之时、成灾之前的重要保障，研究瓦斯气体的检测具有非常重要的现实意义。现在常用的矿用瓦斯检测报警仪结构简单成本低廉，但在功能性与精度上仍有较大的发展空间。

通常认为瓦斯浓度达到1%以上就有引发瓦斯事故的危险，在不同工作地点，安全浓度阈值要求略有不同。矿用瓦斯检测报警仪选用高低温循环检测传感器，其输出电平转换为气体浓度在液晶屏上显示，借助有线通信将气体浓度信息实时反馈给上位机，并在瓦斯浓度高于额定值时进行声光报警。

矿用瓦斯检测报警仪的硬件系统包括数据采集电路、显示电路、电源电路以及声光报警电路。核心控制单元采用基于ARM32 位Cortex-M3 CPU 为内核的STM32F103 的开发板，核心处理器最高支持36 MHz 工作频率，可进行单周期乘法和硬件除法。拥有兼容8 060/6 800 模式的并行LCD 接口以及112 个多功能双向I/O 端口，每个端口最高电压可达5 V。供电区间在2.0～3.6 V，具有2 通道12 位D/A 转换器。功耗低，具有睡眠、停机以及待机三种模式，接口丰富，可拓展性好，可以根据预定功能使用对应接口连接驱动多个应用模块。

矿用瓦斯检测报警仪的显示、浓度检测、声光报警等外设装置通过通用I/O 口与开发板相连；微控制器通过UART接口实现与上位机的通信。如图1所示。

图1 硬件框图

LCD12864 是一种拥有丰富接口的点阵式液晶显示模块，包括128×64 点的液晶面板以及CMOS 驱动。由于该模块有整体的图形点阵显示，因而用它来显示图形和字符。具有功耗低，体积小、质量轻、驱动可编程性强等众多优点。该模块操作灵活、简便，可借助简单指令构建人机交互界面。不仅可以显示字符与图案，而且能实现屏幕左右分屏、全自由滚动以及动画等功能。LCD12864 共有20 个引脚，其中引脚7～14 位D0～D7 为数据总线端口。CS1、CS2 引脚分别控制液晶屏的左右半屏显示。为解决IO 口紧张的情况，选择将其中一个接地，使用串行方式控制液晶屏幕。与单片机之间采用串行通信模式，通过RS、RW、END0～D7 等多个引脚控制液晶屏幕，向其发送指令、读取工作状态以及驱动显示数据。

RS232 是最常用的串行通信接口标准之一，广泛应用于仪器仪表设备以及嵌入式领域的调试接口。具有传输稳定性好、成本低廉等特点。《煤矿安全规程》规定，所有煤矿必须装备有线调度系统，有线调度系统通信电缆必须专用。RS232 无须单独设置电源模块，保证了供电的稳定性，进而提升了通信模块的可靠性。RS232 在传输过程中易出现共模干扰的问题，抗噪声性能较弱。为解决信号传输中易受噪声干扰的问题，需加装一个利用磁光晶体效应仅允许光单向通过的光隔离器。光隔离器穿过一个隔离的屏障来传输信号。一个光隔离器由一个光敏电阻耦合的发光二极管构成。流过发光二极管的电流使得它以可见光或者红外线的方式释放能量。这些能量将这个光敏电阻打开，导致在这个电阻的发射极和集电极之间的低阻抗。

声光报警模块选用103 型声光报警器。其工作效果符合我国安全生产行业标准（GB/T 13486—2014）对报警音量大小和报警光线强度的要求。该型号声光报警器采用5 V 电压供电，对工作环境的要求低，电路构造十分简单但可以保证在大多数场景下稳定工作，成本低廉，经济性较高。103 型声光报警器性能与国家标准对照表如表1所示。

表1 “国标”与报警器性能对照表

MQ-7 型CO 气体监测器具有成本低廉、检测灵敏、误差小的特性。其通过检测内置的二氧化锡气体敏感材料在高低温循环情况下因气体成分变化导致的电导率的改变引起端口电压值的变化来测定一氧化碳浓度，电导率正比于待测气体中一氧化碳的气体浓度。低温（1.5 V）下检测待测气体中的一氧化碳浓度，高温（5.0 V）下清洗气敏材料在低温工作状态下吸附的杂散气体。传感器模组通过A/D 转换将电导率的变化转换为与所测得的气体浓度相对应的电平输出信号，其他组件接收后进行预设反应，也可经处理转换为PPM 浓度值供工作人员直接读取。该型号传感器内部电路如图2所示。

图2 传感器模块电路图

STM32F103 开 发 板 基 于ARM32 位Cortex-M3 CPU 系列内核设计。适于STM32 开发平台的ARM 嵌入式开发环境众多，考虑到编译效率与操作难度，选用较为常用的开发工具Keil MDK。Keil 是嵌入式系统最常用的开发环境之一，版本种类众多。Keil 生成的目标代码效率高且相对容易理解，借助Keil 开发可以更好地展现采用高级语言编写程序的优势。

采用Visual studio2019 编译C 程序，开发工具集较为齐全，包括整个软件生命周期所需的大部分开发工具。经Visual studio 2019完成编写与编译的代码具有良好的移植性，适用于微软支持的所有平台。

软件系统包括主程序、数据采集子程序、瓦斯浓度显示子程序、报警子程序及通信子程序，是依托STM32 固件函数库进行模块化设计的程序。软件的主程序和各个子程序遵循自顶向下的原则完成编写与设计。软件程序体系框图如图3 所示。

图3 软件框图

程序在通电后进入初始化阶段，各传感器置零、复位，LCD 显示模块进行初始化设置，UART 有线通信模块进行准备工作，待初始化完成后开始采集数据，通过A/D 转换输出数字量。核心板接收数字信号并依据预设程序判断气体浓度是否超限，超过限定值声光报警模块发出具有警示作用的声光信号。将相应数据上传给上位机的同时在显示模块显示，软件的工作流程图如图4所示。

图4 软件流程图

A/D 采集模块软件部分内部电阻阻值比—PPM 拟合曲线过程如图5所示。

图5 内部电阻阻值比—PPM 拟合曲线过程

MQ-7 电化学甲醛传感器的技术指标如表2所示。输出电平值，根据MQ-7 传感器产品说明书中给定的内部工作电阻阻值比—PPM 曲线，经过五次多项式标点拟合，如图5。得到PPM 计算公式：PPM=98.322×（Rs/R0）^（-1.458）。

表2 MQ-7 一氧化碳传感器的技术指标

基于RS232 的UART 有线串行通信模块收发数据，根据约定的报文帧头和功能字组织报文帧结构，持续发送含有瓦斯浓度数据的报文帧。组织含瓦斯浓度数据的报文帧并向上位机发送的子函数示例程序为：

向上位机发送预先定义的一个包括帧头、校验位、功能字以及多个数据位，代表数据帧的数组。根据需求将各位置位或置零，用一个循环调用发送函数，将整个数组发送到上位机。帧头设定为0x88，功能字有待根据使用实际情况进行定义。而校验和为所有数据位加和得到的结果，上位机接收到数据后可再次进行校验计算并核对，以确保数据的正确传输。

在使用LCD12864 前，需将LCD 初始化，待初始化完成后，方可进行读写数据等操作。

CS 引脚接高电平时，LCD12864 可以接收数据，在低电平状态下转换为锁存状态。

传递信息的过程中，数据被拆分成2 个字节传输或接收，低四位均置0。例如大写字母A 的二进制码0100 0010 在该过程被拆分成0100 0000 与0010 0000 进行传输。

ST7920 作为LCD12864 的控制芯片，拥有丰富的字库资源。在串行通信模式下发送数据，字符编码被写入控制器内部的显示数据随机缓存器后芯片从字库中找到对应编码，在屏幕上显示对应字符。

在程序中预先设置瓦斯浓度报警阈值，传感器采集数据经A/D 转换将气体浓度模拟量转换为电平值传送至CPU 核心区域经过PPM 转换公式后与报警浓度阈值比较，当采集到的浓度数据高于报警阈值时，IO 引脚输出高电压信号，引导报警模块工作。

在浓度数据采集子程序中，MQ-7 一氧化碳传感器采用I/O 口实现与单片机的数据交换与传递。检测仪在正常运转时，周期性地向具有数据采集功能的传感器模块发出读取气体浓度命令。“（adc_get=Get_Adc_Average（ADC_Channel_5，20）；temp（float）adcx*（3.3/4 096）” 并 对模块返回的电压数据，利用拟合的公式：PPM ＝98.322×（/0）^（-1.458）进行处理，得到空气中的一氧化碳PPM 浓度。程序返回的一氧化碳PPM 浓度数值高于预先设定值会改变报警模块的输入电平，诱发声光报警模块进入警报工作模式，器件安装如图6所示。

图6 实际测试安装效果

煤炭在能源行业、工业生产等领域仍占有重要地位，瓦斯气体浓度的实时监测报警工作是保障煤炭生产安全的关键环节。研究瓦斯气体灾害的监测预警对开发煤炭资源、保障我国能源安全、稳定具有现实意义。研究瓦斯气体灾害，是贯彻安全生产、生命至上的体现。本文设计的矿用瓦斯检测仪具有成本低、可靠性高、低功耗以及响应速度快等特点，能够快速可靠地检测瓦斯气体的浓度并及时报警。