煤矿温度和瓦斯浓度无线监测系统的设计

O 引言
煤炭作为一种重要的能源，在工业生产等许多方面发挥着举足轻重的作用，关系着国民经济的命脉。煤炭开采中的安全问题一直是受到极大重视的。如果一旦出现安全问题，不仅会造成巨大的经济损失，而且直接威胁到煤炭工人的生命安全。近年来，我国煤炭开采的安全问题形势不容乐观，各地矿难时有发生，特别是一些小煤矿更存在着严重的安全隐患。所以，采取现代安全监测措施势在必行。
随着科学技术的不断进步，煤炭开采中安全监测的现代化步伐也在不断前进。煤矿安全监测的参数有很多，其中瓦斯浓度是个很重要的参数．如果浓度过大，容易造成爆炸危险，后果不堪设想，同样温度也是一个很重要的参数。
很多系统采用有线传输的方式，但存在着布线困难，价格昂贵的缺点。基于以上，本文设计了一种煤矿温度和瓦斯浓度无线监测系统。

1 系统组成及工作原理
整个系统由主控室PC机、上位机、下位机组成，通信采用无线通信方式，系统整体框图如图1所示。

整个系统包括240个下位机、一个上位机和一台PC机。本系统采用无线通信方式，上位机发同步信号，下位机依次在各自时隙向上位机发送数据，每隔15分钟发送一次。瓦斯传感器将瓦斯浓度转化为电信号，输出的电压幅值和浓度成正比，温度传感器使用数字温度传感器。下位机由单片机和无线收发模块组成，用于现场监测，对采集到的数据进行打包，并通过无线收发模块将数据传给上位机。上位机也是由单片机和无线收发模块组成，主要作用是负责整个系统的同步和接收下位机发送来的数据，并转发给PC机。
本系统采用TI公司生产的MSP430F135单片机，它具有以下特点：功耗低，工作电流是微安级；速度快，最快指令周期达到125 ns，外围部件丰富，拥有A／D转换器，比较器，两个16位定时器，6个8位并行端口等。无线通信采用CHIPCON公司生产的CCl000无线收发芯片，它工作在300 MHz～1 000 MHz范围内的ISM频段，通常应用于低功耗无线通信。温度传感器使用DALLAS公司的DSl8820。瓦斯传感器使用我国自己生产的MJC4／3．0L。

2 数据的采集
DSl8820采用单总线通信方式，与单片机连接时只需要外接一个5．1 kΩ左右的上拉电阻，选用外部电源供电，外围电路简单明了。测温的范围是一55℃～+125℃。转换结果为9～12位，当结果为12位时，最小分辨率可以达到O．062 5℃。在本系统中，在初始化阶段将转换结果设置为9位，相应的分辨率为O．5℃，并且完成一次转换只需要93．75 ms，远远小于12位转换时所需的750 ms。由于在数据帧中用一个字节表示温度，所以要进行一次右移，结果为整数。
每次数据发送之前进行10次温度数据的采集，然后取平均值，以保证数据更加可靠、准确。
MJC4／3．0L型催化元件根据催化燃烧效应的原理工作，由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压变化，该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大，补偿元件起到温湿度补偿作用。它具有以下特点：桥路输出电压呈线性，响应速度快，元件工作稳定，能够抗H2S中毒。被广泛应用于工业现场的天然气、液化气、煤气、烷类等可燃性气体及汽油、醇、酮、苯等有机溶剂蒸汽的浓度检测。
在本系统中MJC4／3．OL后接放大电路，瓦斯浓度是一个变化的量，相应的输出电压也就跟着变化，在实际中，工作人员希望得到的是比较准确的峰值，所以本系统采用了峰值检测电路，如图2所示。