本发明涉及煤矿开采安全保证技术领域，具体涉及一种基于超声波脉冲法测甲烷浓度的装置。
背景技术：
查阅相关文献可知，目前国内外的天燃气报警检测仪普遍采用的是催化式传感器，而这类传感器普遍存在长期稳定性差、功耗高、寿命短、报警不及时等问题，给燃气安全带来了极大的隐患。
针对现有天燃气检测技术普遍存在的问题，本文创新性地提出了一种新型检测方法——超声波脉冲法，超声波在不同浓度的甲烷气体中传播速度不同，根据这个原理，将超声波在气体中的传播速度转化为时间，用测得的时间变化来反映气体浓度的变化，超声波脉冲法相比于超声波相位差法精度更高，同时避免了因超声波在测量通道内发生反射而引起的误差。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供了一种基于超声波脉冲法测甲烷浓度的装置，以解决现有天燃气报警器具有稳定性差可靠性低精度低的问题，为家居生活，采矿等高危作业提供安全保证。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于超声波脉冲法测甲烷浓度的装置，包括收发一体的单通道超声波探头（1），超声波驱动电路（2），信号处理电路（3），微处理器（4），时间测量模块（5），显示装置（6），其特征在于：
收发一体的单通道超声波探头（1）包含超声波发射探头（101）和超声波接收探头（102），超声波驱动电路（2）由一个方波振荡器（201）和驱动电路（202）组成，信号处理电路（3）包含放大电路（301）和去噪电路（302）；
微处理器（4）与超声波驱动电路（2），信号处理电路（3），时间测量模块（5）以及显示装置（6）相连接；
微处理器（4）对时间测量模块（5）进行寄存器配置以及时间测量控制，时间测量模块（5）的start端口与超声波发射探头（101）相连，时间测量模块（5）stop端口与超声波接收探头（102）相连接。
进一步地，超声波发射探头（101）在驱动电路（202）的驱动下发射超声波脉冲给超声波接收探头（102），同时也将发射脉冲输入到时间测量模块（5）的start端口，触发时间测量，脉冲到达了超声波接收探头（102）则给时间测量模块（5）一个stop信号，此时时间测量完成，时间测量结果传回微处理器（4）进行甲烷浓度的精确计算，并将结果用显示装置（6）显示出来。
进一步地，收发一体的单通道超声波探头（1）为单通道非封闭式超声波探头，超声波发射探头（101）和超声波接收探头（102）的选用频率为40khz。
进一步地，方波振荡器（201）为驱动电路（202）提供驱动信号，驱动电路（202）与超声波发射探头（101）相连，超声波在被测介质中传播，穿过重重的介质层，或被介质层反射后，超声波接收探头（102）将接收到的声波信号传给信号处理电路（3）。
进一步地，超声波接收探头（102）将接收的信号传给放大电路（301），放大电路（301）将信号放大后传给去噪电路（302），信号经过一系列处理后输出到微处理器（4）通过软件算法处理，实现被测介质浓度或其他性质的测量。
进一步地，信号处理电路（3）与超声波驱动电路（2）均由微处理器（4）的内部模块提供，微处理器（4）在该发明中还应完成时间测量模块（5）的配置和控制功能，超声波的驱动脉冲由微处理器（4）内部的比较/捕获模块的脉宽调制模式产生。
进一步地，时间测量模块（5）与微处理器（4）及收发一体的单通道超声波探头（1）相连接，时间测量模块（5）的寄存器配置以及时间测量由微处理器（4）控制，时间测量模块（5）主要采用超声波脉冲法来测量气体浓度，超声波发射探头（101）给时间测量模块（5）一组脉冲信号，这组脉冲信号可以是5-7个，每隔1s发送一次，当超声波接收探头（102）接收到超声波发射探头（101）发射来的信号时，时间测量模块（5）停止信号采集，时间测量结束，微处理器（4）将时间测量模块（5）测量的时间处理后发送给显示装置（6），由显示装置（6）将甲烷浓度显示出来。
本发明的有益效果是：本发明创新性地将单通道超声波脉冲法技术应用到了可燃气体检测环节，极大地利用单片机片内部资源进行超声波驱动脉冲的产生以及整个系统的控制，采用时间数字转换芯片tdc-gp21进行时间的测量，在提高测量精度的同时大大降低了功耗，在此基础上设计的单通道超声波甲烷浓度检测装置具有电路简单，成本低廉，测量精度高，使用方便的优点，这使得甲烷检测仪的开发又有了新的可行性技术，为家庭燃气使用、工业煤矿开采提供了更加可靠的保障。
附图说明
附图1为本发明的系统结构示意图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
收发一体的单通道超声波探头（1），超声波发射探头（101）和超声波接收探头（102），超声波驱动电路（2），方波振荡器（201）和驱动电路（202），信号处理电路（3），放大电路（301）和去噪电路（302），微处理器（4），时间测量模块（5），显示装置（6）。
具体实施方式
以下结合附图1对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
一种基于超声波脉冲法测甲烷浓度的装置，包括收发一体的单通道超声波探头（1），超声波驱动电路（2），信号处理电路（3），微处理器（4），时间测量模块（5），显示装置（6），其特征在于：收发一体的单通道超声波探头（1）包含超声波发射探头（101）和超声波接收探头（102），超声波驱动电路（2）由一个方波振荡器（201）和驱动电路（202）组成，信号处理电路（3）包含放大电路（301）和去噪电路（302），微处理器（4）与超声波驱动电路（2），信号处理电路（3），时间测量模块（5）以及显示装置（6）相连接，微处理器（4）对时间测量模块（5）进行寄存器配置以及时间测量控制，时间测量模块（5）的start端口与超声波发射探头（101）相连，stop端口与超声波接收探头（102）相连接，超声波发射探头（101）在驱动电路（202）的驱动下发射超声波脉冲给超声波接收探头（102），同时也将发射脉冲输入到时间测量模块（5）的start端口，触发时间测量，脉冲到达了超声波接收探头（102）则给时间测量模块（5）一个stop信号，此时时间测量完成，时间测量结果经信号处理电路（3）传回微处理器（4）进行甲烷浓度的精确计算，并将结果用显示装置（6）显示出来。
所述的收发一体的单通道超声波探头（1）包含超声波发射探头（101）和超声波接收探头（102），本发明选用两个频率为40khz的收发一体的非封闭式超声波探头分别做为发射和接收探头，单通道非封闭式的测量方法节省资源的情况下稳定性更高。
所述的超声波驱动电路（2）由一个方波振荡器（201）和驱动电路（202）组成，方波振荡器（201）为驱动电路（202）提供驱动信号，驱动电路（202）使方波信号稳定并与超声波发射探头（101）相连，超声波在被测介质中传播，穿过重重的介质层，或被介质层反射后，超声波接收探头（102）将接收到的声波信号传给信号处理电路（3），在本发明中采用单片机的内部集成pwm电路来实现方波驱动，超声波驱动电路由捕捉/比较/pwm输出模块完成，结合单片机的timer2模块资源，配合带8位可编程预分频器的8位定时器/计数器timer0能得到合适的脉冲信号。
所述信号处理电路（3）包含放大电路（301）和去噪电路（302），超声波接收探头（102）将接收的信号传给放大电路（301），放大电路（301）将信号放大后传给去噪电路（302），信号经过一系列处理后输出到微处理器（4）通过软件算法处理，实现被测介质浓度或其他性质的测量。
所述的微处理器（4）与超声波驱动电路（2），信号处理电路（3）和时间测量模块（5）相连接，信号处理电路（3）与超声波驱动电路（2）均由微处理器（4）的内部模块提供，微处理器（4）在该发明中还应完成时间测量模块（5）的配置和控制功能，超声波的驱动脉冲由微处理器（4）内部的比较/捕获模块的脉宽调制模式产生，本发明选用的pic16f系列的8位单片机作为微处理器，该单片机拥有丰富的片内外设资源，其大量丰富的i/o口与tdc的通信和使能引脚相连，控制着tdc的测量。
所述的时间测量模块（5）选用tdc-gp21芯片，tdc-gp21由微处理器（4）控制，配置工作方式、上电、开启关断测量工作，超声波发射探头（101）给时间测量模块（5）一组脉冲信号，同时将发射脉冲输入到时间测量模块（5）的start端口，触发时间测量，这组脉冲信号可以是5-7个，每隔1s发送一次，当脉冲到达超声波接收探头（102）则给时间测量模块（5）产生一个stop信号，此时时间测量完成，从start到stop脉冲之间的时间被tdc-gp21精确记录下来用于计算所测物体与发射端的距离，在这个过程中，微处理器（4）对时间测量模块（5）进行寄存器配置以及时间测量控制，时间测量结果传回给微处理器（4）进行甲烷浓度的精确计算，同时显示装置（6）将浓度显示出来。
本发明的有益效果是：本发明创新性地将单通道超声波脉冲法技术应用到了可燃气体检测环节，极大地利用单片机片内部资源进行超声波驱动脉冲的产生以及整个系统的控制，采用时间数字转换芯片tdc-gp21进行时间的测量，在提高测量精度的同时大大降低了功耗，在此基础上设计的单通道超声波甲烷浓度检测装置具有电路简单，成本低廉，测量精度高，使用方便的优点，这使得甲烷检测仪的开发又有了新的可行性技术，为家庭燃气使用、工业煤矿开采提供了更加可靠的保障。
一种基于超声波脉冲法测甲烷浓度的装置包括收发一体的单通道超声波探头，超声波驱动电路，信号处理电路，微处理器，时间测量模块，显示装置。
所述的收发一体的单通道超声波探头，用于发射超声波和接收超声波，两个频率为40khz的收发一体的非封闭式超声波探头分别做为发射和接收探头，这种超声波探头测量距离宽，比较容易得到信号，单通道还可以节省资源提高精确度。
所述的超声波驱动电路由一个方波振荡器和驱动电路组成，方波振荡器为驱动电路提供驱动信号，驱动电路使方波信号稳定并与超声波发射探头相连，本发明采用单片机的内部集成脉宽调制电路来实现，超声波驱动电路由捕捉/比较/脉宽调制输出模块完成，结合单片机的timer2模块资源，能输出最大频率是200khz的pwm，分辨率最高10位，配合带8位可编程预分频器的8位定时器/计数器timer0能得到合适的脉冲信号。
所述的信号处理电路包含放大电路和去噪电路，放大电路主要将超声波接收探头传来的信号进行放大以保证传给微处理器的信号稳定，去噪电路主要负责去掉放大电路传来的信号中的噪声，进而确保进行软件算法处理的信号是稳定的，精确度高的信号。
所述的时间测量模块主要采用超声波脉冲法来测量气体浓度，超声波发射探头发射一组脉冲信号，这组脉冲信号可以是5-7个，每隔1s发送一次，当超声波接收探头接收到超声波发射探头发射来的信号时，时间测量模块停止信号采集，时间测量结束，其中反射的信号不会跟下一次发射过来的声波重叠，不会造成误差，这样超声波在气体中传播的时间就可以测量了同时测量精度也大大提高，本发明中的时间测量模块选用德国acam公司的时间数字转换器tdc-gp21，tdc的通信方式是四线制的spi接口，分别是sclk，ssn，so，si，本发明的设计是使用单片机的i/o口模拟四线制的spi接口通信，sclk引脚不断输出高低电平模仿时钟，ssn引脚控制通信的开启关闭，si引脚是tdc的写入引脚，即单片机的输出，为tdc写入配置工作方式的配置寄存器值，so引脚是tdc的输出引脚，即单片机的输入，so和si向单片机提供时间测量的结果，单片机对这一结果进行下一步的处理。
所述的微处理器使用的是microchip公司生产的pic16f系列的8位单片机，该单片机内部有丰富的外设资源，微处理器在该发明中还应完成时间测量模块的配置和控制功能，超声波的驱动脉冲由微处理器内部的比较/捕获模块的脉宽调制模式产生，其特点为频率和占空比都可变化，超声波驱动电路由捕捉/比较/pwm输出模块完成，微处理器的四个i/o口与时间测量模块的四线制spi通信引脚相连进行数据的写入和读出，时间测量模块的使能位、复位位、中断位也由微处理器的i/o口控制。
所述的显示装置将处理器处理好的最终浓度值显示出来，本发明选用led数码管作为显示装置。
以上说述为本发明最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识，本发明的保护范围以权力要就的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行地等效变换，也在本发明的保护范围之内。