专利名称：一种佩带式矿井用多传感器安全报警器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种矿井用多传感器安全报警器，具体地说，涉及一种佩带式多传感器安全报警器。
背景技术：
为了防止矿井产生的易燃易爆及有毒气体对人员造成伤害，人们研制出各种用于矿井的气体报警器。常见的报警器基本上可分为多功能测试仪和便携式报警器等。其中的多功能测试仪检测功能较全，可同时测试可燃气体、温度、湿度、风速以及煤粉尘等，但该测试仪不能贴身携带。而公知的可携带的报警器，常见的是矿工头灯式瓦斯报警器，与矿工头灯组装成一体，体积小，重量轻，但只能检测一种气体，不能同时对矿井下的各种因素进行实时监测。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种佩带式矿用多传感器安全报警器。该报警器体积小，重量轻，并且可同时检测多种气体，适于矿工随身携带。
为实现上述目的，本实用新型提供的便携式多传感器安全报警器，包括一单片机；复数个气体传感器，分别连接至单片机的AD转换输入端口；一压力传感器，连接至单片机的AD转换输入端口；一温度芯片，连接至单片机的通用输入输出端；一声音报警器和一矿灯控制电路，分别连接至单片机的输出端，并受单片机的控制；所述的佩带式矿井用多传感器安全报警器，其中复数个气体传感器分别为甲烷、一氧化碳、硫化氢和氧气的气体传感器。
所述的佩带式矿井用多传感器安全报警器，其中复数个气体传感器通过分别通过信号放大电路连接至单片机所述的佩带式矿井用多传感器安全报警器，还设有一数字时钟芯片，连接至单片机的通用输入输出端口。
图1为本实用新型报警器的连接关系示意图；图2为本实用新型报警器的工作流程示意图；图3为本实用新型报警器的单片机数字处理部分电路原理示意图；图4为本实用新型报警器的单片机模拟采集部分电路原理示意图；图5为本实用新型报警器的压力探测器的电路原理示意图；图6为本实用新型报警器的矿灯闪烁电路原理示意图。
具体实施方式
本实用新型设计的报警器基本结构如图1，主要组成部分包括核心是带有AD转换功能的低功耗AVR单片机1，该单片机1的AD转换器输入端分别连接有各种传感器，至于具体采用的传感器可依据需要检测的气体而选定。在本实施例中，以检测一氧化碳、氧气、甲烷和硫化氢四种气体以及压力和温度为例，选定的传感器分别为一氧化碳传感器2、氧气传感器3、甲烷气体传感器4、H2S气体传感器5、压力传感器6、数字温度传感器7。单片机1还连接有作为外围电路的声光报警系统8、发光二极管信息指示器9以及电池供电系统10和数字时钟芯片11。上述传感器可以采用市售产品，比如一氧化碳可以使用英国City7E/F；氧气传感器可以使用英国City70XV；硫化氢传感器可以使用瑞士生产的H2S/C-200；压力传感器可以使用美国摩托罗拉的MX2100BP；数字温度传感器可以使用美国生产的达拉斯18b20。
以下结合图2描述本实用新型报警器的工作原理，一并对本实用新型的结构及连接关系进行描述，以增强对本实用新型的理解。
报警器启动以后，四种气体传感器2、3、4、5对空气中各有关气体的含量进行检测，压力传感器6检测大气压强，上述五个传感器分别产生相应大小的微弱电信号，经过各自的放大器2’、3’、4’、5’、6’处理后送到单片机1的AD转换器输入端口1’，单片机一方面周期性的经由AD转换获得各传感器的输出电压值，另一方面通过数字温度芯片7(比如但不限于的型号DS18B20)获得环境温度，根据各传感器在不同温度条件下输出信号的漂移情况对采集的信号进行数字补偿，计算得到实际的气体浓度数据。当空气压力异常或四种气体中有任意一种的浓度不在安全范围内，单片机将给出报警信号，由声光报警信号输出口1”通过报警信号功放8进行声光报警，此时照明用矿灯的发光二极管12也呈周期性的闪烁，从而使得报警信号在高噪音环境下仍可得到关注，显示有害气体浓度超标或气压异常。
本实用新型在功能设置上考虑到了以下的问题使用过程中电量不足时，会由发光二极管信息阵列9发出电量不足的指示信号，以及声音报警信号，提醒用户及时充电或更换电池；考虑到气体传感器的使用具有一定的年限，超期使用将无法有效报警，设计了时钟芯片11(比如但不限于的型号DS1302)，在达到使用期限时将提醒用户及时更新气体传感器。
以下详细介绍实现上述功能的系统各部分结构以及工作原理1、单片机及数字电路部分原理以及工作流程。
设计中智能部件采用了高性能低功耗的AVR单片机Atmega16，且集成有片内FLASH程序存储器，AD转换器，EEPROM、看门狗，具有内置晶体振荡器，从而大大简化了外围电路设计。该单片机提供了5路AD输入接口，分别对应压力、氧气、硫化氢、甲烷、一氧化碳的AD采样。温度部分采用了集成数字温度芯片DS18B20，温度数据是根据单线数字接口协议由一个输入口读入单片机。日期时间数据通过I2C总线从数字实时时钟芯片DS1302读取，用以监视传感器使用年限，使报警器可靠工作。单片机定时依次读取温度数据和5路AD输入的数据，并计算浓度，如果超标则给出相应报警信号。完成一次测试周期后自动进入休眠状态，等待下一次唤醒，以减小功耗。看门狗保证系统在异常时复位。整个程序的工作流程如图2所示。
其中时钟芯片DS1302采用单独的外部电池供电，系统掉电以后可以保持时钟继续走动，时间数据不丢失，而在上电以后又可以对电池部分持续充电，从而提供准确的使用寿命判断时基。
2、模拟采集电路与程序为了尽量节省电路板空间，提高集成度，降低功耗以及提高采样精度和稳定性，在信号放大部分采用了仪用放大器芯片AD623，其电路接入形式如图4所示，该图为氧气传感器部分的电路图示例，各气体传感器的电路形式基本上差别不大。其工作原理是氧气传感器在空气中氧气的作用下产生微弱的电信号，该信号加载到传感器负载R57上形成AD623的输入电压，通过电阻R53的调整，可以使AD623具有适当的放大倍数，将该电压放大后送往单片机的AD转换输入端口。
考虑到气体传感器的输出变化非常缓慢，所以在单片机中对电压的采样过程增加了数字滤波环节，即多次采样求取采样平均值的做法，保证电压采集的精度。
关于将测量电压转换为气体浓度，考虑到气体传感器的输出电压不仅与气体浓度相关，同时其它环境条件的变化也会产生一定的漂移，其中主要是温度漂移，因此要对温度漂移进行补偿。实际采用的方法是根据读取的温度对所获得的数据进行软件修正。以氧气传感器为例，根据资料，在常温下其输出电压符合下列公式y＝0.2982*x-0.5327其中x为氧气浓度，单位是体积的百分比，y是输出电压，单位是mV。因此调整电路使得在常温下正常大气中放大以后的输出信号经达到VREF/2，其随温度变化率为0.2％信号/℃，则实际随温度变化得到的输入信号按下式计算ρ＝(V*VREF/256+0.5327)/29.82*(1+0.002*(T-27))％其中ρ为计算得到的百分比浓度值，T为测量得到的温度值，常温认为是27度。VREF是参考电压，单位是mV，V为测量得到的AD转换的值，该值是一个10位二进制数，与输入信号成线性正比，当V是1023时大致对应的输入电压等于参考电压VREF。(实际为1023/1024VREF)其它气体传感器的补偿方法均类似，不再详述。
压力传感器的电路采用了平衡电桥，其原理图图如图5所示。
这里采用低功耗运放和三极管搭建了一个2mA恒流源供电电路，以减小压力传感器的温度漂移，采集的信号被送入AD623放大后输出到单片机的模拟输入端。
3、报警电路目前的矿灯大量采用了电池供电的白光二极管，其功耗小而亮度高。为了实现与矿灯之间的结合采用达林顿管对矿灯的明暗进行控制，其主要电路如6所示。
当由单片机输出的warning端为高电平时达林顿管会导通从而使白光二极管阵列发光照明。如果warning输出为低则达林顿管截止，二极管灭。声音报警部分采用蜂鸣器，同样采用warning信号来控制，当warning为高时蜂鸣器响起，为低时截止。
权利要求1.一种佩带式矿井用多传感器安全报警器，其特征在于，包括一单片机；复数个气体传感器，分别连接至单片机的AD转换输入端口；一压力传感器，连接至单片机的AD转换输入端口；一集成数字温度传感器，连接至单片机的通用输入输出端口；一声音报警器和一矿灯控制电路，分别连接至单片机的输出端口，并受单片机的控制。
2.权利要求1所述的佩带式矿井用多传感器安全报警器，其特征在于，其中复数个气体传感器分别为甲烷、一氧化碳、硫化氢和氧气的气体传感器。
3.权利要求1所述的佩带式矿井用多传感器安全报警器，其特征在于，其中复数个气体传感器通过分别通过信号放大电路连接至单片机。
4.权利要求1所述的佩带式矿井用多传感器安全报警器，其特征在于，还设有一数字时钟芯片，连接至单片机的通用输入输出端口。
专利摘要一种佩带式矿井用多传感器安全报警器，包括一单片机；复数个气体传感器和一压力传感器，分别通过各自的信号放大电路连接至单片机的AD转换输入端口；一温度芯片和一数字时钟芯片，连接至单片机的通用输入输出端；声音报警器和矿灯控制电路，各自连接至单片机的输出端，由单片机统一控制；电源供电系统，通过单独的电池结合电源电压转换电路为整个系统提供电力。
文档编号G08B19/00GK2800396SQ200520109708
公开日2006年7月26日 申请日期2005年6月13日 优先权日2005年6月13日
发明者刘小华 申请人:北京威斯顿亚太科技有限公司