專利名稱：一種佩帶式礦井用多傳感器安全報(bào)警器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種礦井用多傳感器安全報(bào)警器，具體地說，涉及一種佩帶式多傳感器安全報(bào)警器。
背景技術(shù)：
為了防止礦井產(chǎn)生的易燃易爆及有毒氣體對人員造成傷害，人們研制出各種用于礦井的氣體報(bào)警器。常見的報(bào)警器基本上可分為多功能測試儀和便攜式報(bào)警器等。其中的多功能測試儀檢測功能較全，可同時(shí)測試可燃?xì)怏w、溫度、濕度、風(fēng)速以及煤粉塵等，但該測試儀不能貼身攜帶。而公知的可攜帶的報(bào)警器，常見的是礦工頭燈式瓦斯報(bào)警器，與礦工頭燈組裝成一體，體積小，重量輕，但只能檢測一種氣體，不能同時(shí)對礦井下的各種因素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種佩帶式礦用多傳感器安全報(bào)警器。該報(bào)警器體積小，重量輕，并且可同時(shí)檢測多種氣體，適于礦工隨身攜帶。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供的便攜式多傳感器安全報(bào)警器，包括一單片機(jī)；復(fù)數(shù)個(gè)氣體傳感器，分別連接至單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換輸入端口；一壓力傳感器，連接至單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換輸入端口；一溫度芯片，連接至單片機(jī)的通用輸入輸出端；一聲音報(bào)警器和一礦燈控制電路，分別連接至單片機(jī)的輸出端，并受單片機(jī)的控制；所述的佩帶式礦井用多傳感器安全報(bào)警器，其中復(fù)數(shù)個(gè)氣體傳感器分別為甲烷、一氧化碳、硫化氫和氧氣的氣體傳感器。
所述的佩帶式礦井用多傳感器安全報(bào)警器，其中復(fù)數(shù)個(gè)氣體傳感器通過分別通過信號放大電路連接至單片機(jī)所述的佩帶式礦井用多傳感器安全報(bào)警器，還設(shè)有一數(shù)字時(shí)鐘芯片，連接至單片機(jī)的通用輸入輸出端口。


圖1為本實(shí)用新型報(bào)警器的連接關(guān)系示意圖；圖2為本實(shí)用新型報(bào)警器的工作流程示意圖；圖3為本實(shí)用新型報(bào)警器的單片機(jī)數(shù)字處理部分電路原理示意圖；圖4為本實(shí)用新型報(bào)警器的單片機(jī)模擬采集部分電路原理示意圖；圖5為本實(shí)用新型報(bào)警器的壓力探測器的電路原理示意圖；圖6為本實(shí)用新型報(bào)警器的礦燈閃爍電路原理示意圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的報(bào)警器基本結(jié)構(gòu)如圖1，主要組成部分包括核心是帶有AD轉(zhuǎn)換功能的低功耗AVR單片機(jī)1，該單片機(jī)1的AD轉(zhuǎn)換器輸入端分別連接有各種傳感器，至于具體采用的傳感器可依據(jù)需要檢測的氣體而選定。在本實(shí)施例中，以檢測一氧化碳、氧氣、甲烷和硫化氫四種氣體以及壓力和溫度為例，選定的傳感器分別為一氧化碳傳感器2、氧氣傳感器3、甲烷氣體傳感器4、H2S氣體傳感器5、壓力傳感器6、數(shù)字溫度傳感器7。單片機(jī)1還連接有作為外圍電路的聲光報(bào)警系統(tǒng)8、發(fā)光二極管信息指示器9以及電池供電系統(tǒng)10和數(shù)字時(shí)鐘芯片11。上述傳感器可以采用市售產(chǎn)品，比如一氧化碳可以使用英國City7E/F；氧氣傳感器可以使用英國City70XV；硫化氫傳感器可以使用瑞士生產(chǎn)的H2S/C-200；壓力傳感器可以使用美國摩托羅拉的MX2100BP；數(shù)字溫度傳感器可以使用美國生產(chǎn)的達(dá)拉斯18b20。
以下結(jié)合圖2描述本實(shí)用新型報(bào)警器的工作原理，一并對本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)及連接關(guān)系進(jìn)行描述，以增強(qiáng)對本實(shí)用新型的理解。
報(bào)警器啟動(dòng)以后，四種氣體傳感器2、3、4、5對空氣中各有關(guān)氣體的含量進(jìn)行檢測，壓力傳感器6檢測大氣壓強(qiáng)，上述五個(gè)傳感器分別產(chǎn)生相應(yīng)大小的微弱電信號，經(jīng)過各自的放大器2’、3’、4’、5’、6’處理后送到單片機(jī)1的AD轉(zhuǎn)換器輸入端口1’，單片機(jī)一方面周期性的經(jīng)由AD轉(zhuǎn)換獲得各傳感器的輸出電壓值，另一方面通過數(shù)字溫度芯片7(比如但不限于的型號DS18B20)獲得環(huán)境溫度，根據(jù)各傳感器在不同溫度條件下輸出信號的漂移情況對采集的信號進(jìn)行數(shù)字補(bǔ)償，計(jì)算得到實(shí)際的氣體濃度數(shù)據(jù)。當(dāng)空氣壓力異?；蛩姆N氣體中有任意一種的濃度不在安全范圍內(nèi)，單片機(jī)將給出報(bào)警信號，由聲光報(bào)警信號輸出口1”通過報(bào)警信號功放8進(jìn)行聲光報(bào)警，此時(shí)照明用礦燈的發(fā)光二極管12也呈周期性的閃爍，從而使得報(bào)警信號在高噪音環(huán)境下仍可得到關(guān)注，顯示有害氣體濃度超標(biāo)或氣壓異常。
本實(shí)用新型在功能設(shè)置上考慮到了以下的問題使用過程中電量不足時(shí)，會(huì)由發(fā)光二極管信息陣列9發(fā)出電量不足的指示信號，以及聲音報(bào)警信號，提醒用戶及時(shí)充電或更換電池；考慮到氣體傳感器的使用具有一定的年限，超期使用將無法有效報(bào)警，設(shè)計(jì)了時(shí)鐘芯片11(比如但不限于的型號DS1302)，在達(dá)到使用期限時(shí)將提醒用戶及時(shí)更新氣體傳感器。
以下詳細(xì)介紹實(shí)現(xiàn)上述功能的系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)以及工作原理1、單片機(jī)及數(shù)字電路部分原理以及工作流程。
設(shè)計(jì)中智能部件采用了高性能低功耗的AVR單片機(jī)Atmega16，且集成有片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)器，AD轉(zhuǎn)換器，EEPROM、看門狗，具有內(nèi)置晶體振蕩器，從而大大簡化了外圍電路設(shè)計(jì)。該單片機(jī)提供了5路AD輸入接口，分別對應(yīng)壓力、氧氣、硫化氫、甲烷、一氧化碳的AD采樣。溫度部分采用了集成數(shù)字溫度芯片DS18B20，溫度數(shù)據(jù)是根據(jù)單線數(shù)字接口協(xié)議由一個(gè)輸入口讀入單片機(jī)。日期時(shí)間數(shù)據(jù)通過I2C總線從數(shù)字實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302讀取，用以監(jiān)視傳感器使用年限，使報(bào)警器可靠工作。單片機(jī)定時(shí)依次讀取溫度數(shù)據(jù)和5路AD輸入的數(shù)據(jù)，并計(jì)算濃度，如果超標(biāo)則給出相應(yīng)報(bào)警信號。完成一次測試周期后自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次喚醒，以減小功耗。看門狗保證系統(tǒng)在異常時(shí)復(fù)位。整個(gè)程序的工作流程如圖2所示。
其中時(shí)鐘芯片DS1302采用單獨(dú)的外部電池供電，系統(tǒng)掉電以后可以保持時(shí)鐘繼續(xù)走動(dòng)，時(shí)間數(shù)據(jù)不丟失，而在上電以后又可以對電池部分持續(xù)充電，從而提供準(zhǔn)確的使用壽命判斷時(shí)基。
2、模擬采集電路與程序?yàn)榱吮M量節(jié)省電路板空間，提高集成度，降低功耗以及提高采樣精度和穩(wěn)定性，在信號放大部分采用了儀用放大器芯片AD623，其電路接入形式如圖4所示，該圖為氧氣傳感器部分的電路圖示例，各氣體傳感器的電路形式基本上差別不大。其工作原理是氧氣傳感器在空氣中氧氣的作用下產(chǎn)生微弱的電信號，該信號加載到傳感器負(fù)載R57上形成AD623的輸入電壓，通過電阻R53的調(diào)整，可以使AD623具有適當(dāng)?shù)姆糯蟊稊?shù)，將該電壓放大后送往單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換輸入端口。
考慮到氣體傳感器的輸出變化非常緩慢，所以在單片機(jī)中對電壓的采樣過程增加了數(shù)字濾波環(huán)節(jié)，即多次采樣求取采樣平均值的做法，保證電壓采集的精度。
關(guān)于將測量電壓轉(zhuǎn)換為氣體濃度，考慮到氣體傳感器的輸出電壓不僅與氣體濃度相關(guān)，同時(shí)其它環(huán)境條件的變化也會(huì)產(chǎn)生一定的漂移，其中主要是溫度漂移，因此要對溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償。實(shí)際采用的方法是根據(jù)讀取的溫度對所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件修正。以氧氣傳感器為例，根據(jù)資料，在常溫下其輸出電壓符合下列公式y(tǒng)＝0.2982*x-0.5327其中x為氧氣濃度，單位是體積的百分比，y是輸出電壓，單位是mV。因此調(diào)整電路使得在常溫下正常大氣中放大以后的輸出信號經(jīng)達(dá)到VREF/2，其隨溫度變化率為0.2％信號/℃，則實(shí)際隨溫度變化得到的輸入信號按下式計(jì)算ρ＝(V*VREF/256+0.5327)/29.82*(1+0.002*(T-27))％其中ρ為計(jì)算得到的百分比濃度值，T為測量得到的溫度值，常溫認(rèn)為是27度。VREF是參考電壓，單位是mV，V為測量得到的AD轉(zhuǎn)換的值，該值是一個(gè)10位二進(jìn)制數(shù)，與輸入信號成線性正比，當(dāng)V是1023時(shí)大致對應(yīng)的輸入電壓等于參考電壓VREF。(實(shí)際為1023/1024VREF)其它氣體傳感器的補(bǔ)償方法均類似，不再詳述。
壓力傳感器的電路采用了平衡電橋，其原理圖圖如圖5所示。
這里采用低功耗運(yùn)放和三極管搭建了一個(gè)2mA恒流源供電電路，以減小壓力傳感器的溫度漂移，采集的信號被送入AD623放大后輸出到單片機(jī)的模擬輸入端。
3、報(bào)警電路目前的礦燈大量采用了電池供電的白光二極管，其功耗小而亮度高。為了實(shí)現(xiàn)與礦燈之間的結(jié)合采用達(dá)林頓管對礦燈的明暗進(jìn)行控制，其主要電路如6所示。
當(dāng)由單片機(jī)輸出的warning端為高電平時(shí)達(dá)林頓管會(huì)導(dǎo)通從而使白光二極管陣列發(fā)光照明。如果warning輸出為低則達(dá)林頓管截止，二極管滅。聲音報(bào)警部分采用蜂鳴器，同樣采用warning信號來控制，當(dāng)warning為高時(shí)蜂鳴器響起，為低時(shí)截止。
權(quán)利要求1.一種佩帶式礦井用多傳感器安全報(bào)警器，其特征在于，包括一單片機(jī)；復(fù)數(shù)個(gè)氣體傳感器，分別連接至單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換輸入端口；一壓力傳感器，連接至單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換輸入端口；一集成數(shù)字溫度傳感器，連接至單片機(jī)的通用輸入輸出端口；一聲音報(bào)警器和一礦燈控制電路，分別連接至單片機(jī)的輸出端口，并受單片機(jī)的控制。
2.權(quán)利要求1所述的佩帶式礦井用多傳感器安全報(bào)警器，其特征在于，其中復(fù)數(shù)個(gè)氣體傳感器分別為甲烷、一氧化碳、硫化氫和氧氣的氣體傳感器。
3.權(quán)利要求1所述的佩帶式礦井用多傳感器安全報(bào)警器，其特征在于，其中復(fù)數(shù)個(gè)氣體傳感器通過分別通過信號放大電路連接至單片機(jī)。
4.權(quán)利要求1所述的佩帶式礦井用多傳感器安全報(bào)警器，其特征在于，還設(shè)有一數(shù)字時(shí)鐘芯片，連接至單片機(jī)的通用輸入輸出端口。
專利摘要一種佩帶式礦井用多傳感器安全報(bào)警器，包括一單片機(jī)；復(fù)數(shù)個(gè)氣體傳感器和一壓力傳感器，分別通過各自的信號放大電路連接至單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換輸入端口；一溫度芯片和一數(shù)字時(shí)鐘芯片，連接至單片機(jī)的通用輸入輸出端；聲音報(bào)警器和礦燈控制電路，各自連接至單片機(jī)的輸出端，由單片機(jī)統(tǒng)一控制；電源供電系統(tǒng)，通過單獨(dú)的電池結(jié)合電源電壓轉(zhuǎn)換電路為整個(gè)系統(tǒng)提供電力。
文檔編號G08B19/00GK2800396SQ200520109708
公開日2006年7月26日 申請日期2005年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月13日
發(fā)明者劉小華 申請人:北京威斯頓亞太科技有限公司