瓦斯浓度智能测试系统及方法

专利名称：瓦斯浓度智能测试系统及方法
技术领域：
本发明属于瓦斯浓度测量技术领域，具体地说涉及基于微处理器、计算机与双光
束干涉技术的瓦斯浓度智能测试系统及方法。
背景技术：
煤矿井下工作的安全隐患主要来自于过高浓度的瓦斯含量，瓦斯的主要成分是甲 烷，是一种没有颜色、没有气味的气体，人们很难从自身的生理功能来感觉它的存在，对瓦 斯的检测主要靠仪器设备。目前，对瓦斯的测量主要有热催化元件检测法、气敏半导体元件 传感器、光干涉式瓦斯检测法和红外吸收检测方法。在这些方法中由热催化元件和气敏半 导体元件作为传感器，其测量点的温度、湿度和含氧量，及元器件本身的固有缺陷等，都会 使传感器的稳定性变差、测量精度变低；红外吸收方法存在着结构复杂、价格高等不利于大 量推广的缺陷；光干涉式瓦斯检测法，具有测量准确度高、坚固耐用并且高低浓度均可测量 的优点。比如，在基于光干涉式瓦斯检测方面，中国专利91205283. X《智能化光干涉瓦斯 检测仪》，利用微处理器进行数据处理；专利200520033421. 0《便携式智能光干涉甲烷检测 器》，对所用的光源和光路等进行了改进；专利200810195648. 3《光干涉甲烷检测器》，对所 用的光路及气室与外界的联系方法等也进行了改进，但要获得瓦斯浓度数值得通过人眼观 察光干涉条纹等，其操作过程相对复杂、检测速度慢、甚至还会出现不准确的情形。总之，在 现有技术或方法中检测瓦斯浓度时，不能同时实时地测量被测量点的温度和气压，因此，不 能给出真实的瓦斯浓度值，也不能以图形的形式显示瓦斯变化的规律，另外，测量数据与时 间不具有关联性，这些都不利于井下瓦斯的自动化检测和遥测，也不利于组建井下瓦斯网 络测量系统。

发明内容
本发明的目的旨在克服上述现有技术光干涉瓦斯浓度检测方法的缺陷，提供一种
基于光干涉瓦斯传感器的操作简单、检测速度快、测量精度高，不但可以检测被测量点的瓦
斯浓度，同时还检测被测量点的温度和气压，而且还有利于井下瓦斯的自动化检测和遥测，
还有利于组建井下瓦斯网络测量系统的瓦斯浓度智能测试系统及方法。 本发明是通过以下技术方案来实现 —种瓦斯浓度智能测试系统，包括光干涉瓦斯传感器、信号调理电路、模拟开关、 A/D转换器、数据采集和处理模块、数据传输模块与系统电源；所述的数据采集和处理模块 包括微处理器、数据存储器、程序存储器、3-8线译码器、地址锁存器、定闹时钟信号发生器 与微处理器监控电路；其特征是 參它还包括温度传感器、气压传感器与上位计算机；所述上位计算机中安装系统、
数据采集和处理软件； 參所述定闹时钟信号发生器是小时定闹模式，并在整点时刻定闹时钟信号发生器
产生定闹中断信号；
參所述光干涉瓦斯传感器的干涉条纹信号经信号调理电路、模拟开关和A/D转换
器转换并计算后的数据，温度传感器采集到的温度信息经模拟开关和A/D转换器转换后的 数据，及气压传感器采集到的气压数据存储到数据储存器中； 參所述程序存储器中还包含用来控制采集数据和对采集的数据进行计算和存储
的数据采集和处理程序。 所述的气压传感器Ull采用数字式气压传感器，该数字式气压传感器的主时钟信
号是由外接的振荡电路产生的；所述振荡电路由两片瓷片电容C1和C2、一只晶体CRY1、一
个金属膜电阻R4和两个反相器U17与U18组成。两片瓷片电容Cl和C2的一端接地另一
端分别与晶体CRY1两端连接，同时，晶体CRY1的两端与电阻R4的两端连接后， 一端接反相
器U17的输入端，另一端接反相器U17的输出端，反 相器U17的输出端与反相器U18的输入
端连接，反相器U18的输出端接气压传感器Ull的主时钟信号输入端。 所述的瓦斯浓度智能测试系统的光干涉瓦斯传感器，包括光源、聚光镜、气室、背
面镀有反射膜的平面镜、折光棱镜、反射棱镜、负透镜、大反射棱镜和光电转换装置，其特征
是在光干涉瓦斯传感器气样室的出气管术端与装在外壳体上的堵头之间增设有一个过滤室。 —种瓦斯浓度智能测试方法，采用上述由光干涉瓦斯传感器、信号调理电路、模拟 开关、A/D转换器、数据采集和处理模块、数据传输模块与系统电源；温度传感器、气压传感 器与上位计算机组成的瓦斯浓度智能测试系统；其特征是该瓦斯浓度智能测试方法为
參由光干涉瓦斯传感器、温度传感器和气压传感器测量被测点的瓦斯浓度、温度 和气压三种数据； 參定闹时钟信号发生器的定闹模式为小时定闹； 參微处理器接到定闹时钟信号发生器发出的断信号后，数据采集和处理模块将光
干涉瓦斯传感器的干涉条纹信号经信号调理电路、模拟开关和A/D转换器转换的瓦斯浓度 数据，温度传感器采集到的温度信息经模拟开关和A/D转换器转换后的温度数据及气压传 感器采集到的气压数据，及定闹时钟信号发生器产生的年、月、日、时的数据存储到数据储 存器中； 參上位计算机中安装数据采集和处理软件，该软件用于读取数据储存器中瓦斯浓
度、温度和气压的数据，及定闹时钟信号发生器产生的年、月、日、时的数据，并由上位计算 机计算和在显示器上显示被测点真实瓦斯浓度值，或显示真实瓦斯浓度值随整点时间变化 曲线； 所述的上位计算机计算被测点真实瓦斯浓度值，其计算数学模型为 101325 r 其中被测点真实的瓦斯浓度为XA，直接测量的瓦斯浓度为Xm、测量点的温度为T， 测量点的大气压力为P。
本发明瓦斯浓度智能测试系统及方法，突出的实质性特点是 它利用双光束干涉的方法测量瓦斯浓度，不但可以检测被测量点的瓦斯浓度，同 时还检测被测量点的温度和气压，并以三者进行数据融合，提高计算瓦斯浓度的准确度；在 测量以上数据同时，还记录了年、月、日和整点数据，保证了瓦斯浓度与时间的关联性，能对瓦斯含量进行准确的计算和实时地显示。这些提高了利用计算机平台实时处理数据的能 力，并且可进一步使得在煤矿井下实现瓦斯检测自动化和遥测，有利于组建瓦斯浓度的网 络检测系统。
其显著的有益效果是 1、利用计算机强大的软硬件资源，可以进行比较好的数据预处理，同时也可提高 测量的分辨率和准确性； 2、不仅可以对数据进行实时采集，而且可以对采集的数据进行保存、回放、处理和 显示； 3、由于采用了多传感器融合技术，使得对瓦斯浓度的计算更加准确，更加可靠；
4、可以显示真是的瓦斯浓度随整点时间的变化曲线，有利于分析瓦斯浓度的变化 规律； 5、可以进一步实现煤矿井下瓦斯网络测量和监测，从宏观上掌握不同测量点瓦斯 含量的分布情况。


图1是本发明的瓦斯浓度智能测试系统及方法的总原理框图； 图2是光干涉瓦斯传感器中气样室的出气管与外界之间串联过滤室的结构示意 图； 图3是数据采集和处理模块与光电转换装置、信号调理、A/D转换器、模拟开关、气
压传感器和温度传感器连接的电路原理示意图； 图4是数据传输模块和系统电源电路原理示意图； 图5是程序存储器中的数据采集和处理程序流程图； 图6是图5中串行口中断子程序流程图； 图7是图5和图6中的外部中断0子程序流程图； 图8是上位计算机中的数据采集和处理软件的主要功能图； 图9是上位计算机读取数据流程图； 图10是上位计算机校正定闹时钟信号发生器的日期和时间流程图；
图11是上位计算机采集并显示当前值流程图； 图12是上位计算机显示真实的瓦斯浓度随整点时间的变化曲线流程图。
具体实施例方式
下面结合

具体实施方式
，对本发明做进一步详细的说明。 如图1所示，本发明的瓦斯浓度智能测试系统。该系统包括光干涉瓦斯传感器、信
号调理电路、模拟开关、A/D转换器、数据采集和处理模块、数据传输模块与系统电源；它还
包括温度传感器、气压传感器与上位计算机；所述的数据采集和处理模块包括微处理器、数
据存储器、程序存储器、3-8线译码器、地址锁存器、定闹时钟信号发生器与微处理器监控电
路；微处理器设置定闹时钟信号发生器的定闹模式为小时定闹，在整点时刻定闹时钟信号
发生器产生定闹中断信号，微处理器接到该中断信号后，光干涉瓦斯传感器的干涉条纹信
号经信号调理电路、模拟开关和A/D转换器转换并计算后的数据，温度传感器采集到的温
7度信息经模拟开关和A/D转换器转换后的数据，及气压传感器采集到的气压数据同时存储 到数据储存器中。 数据采集和处理模块的程序存储器中还包含数据采集和处理程序，该程序主要用 来控制采集数据和对采集的数据进行计算和存储。 如图2所示，本发明中的光干涉瓦斯传感器中气样室的出气管与外界之间串联过 滤室的结构示意图。所述的光干涉瓦斯传感器是基于在先技术"专利号200520033421.0《便 携式智能光干涉甲烷检测器》"的光干涉瓦斯传感器，包括光源、聚光镜、气室、背面镀有反 射膜的平面镜、折光棱镜、反射棱镜、负透镜、大反射棱镜和光电转换装置，在此基础上，对 其气室的一种改进，改进的结构是光干涉瓦斯传感器气样室的出气管末端与装在外壳体上 的堵头之间通过一个过滤室，这样做的优点是打开堵头放气时，外界气体中的水蒸气、C02 等气体，不会进入气样式，从而影响测量的准确性。 在先技术光干涉瓦斯传感器的光源为白光灯泡，因此，它的干涉条纹是一组中央 为白色条纹(称为白基线)，其两旁是两条相同的零级黑纹和若干条彩色条纹。这些干涉 条纹具有下列特点白基线相对次级亮纹更细、更亮；零级黑纹相对次级黑纹，零级黑纹更 细、更黑。也就是说白基线亮度最高，零级黑纹的亮度最低。这样，我们可以利用零级条纹 和次级条纹之间的亮度和宽窄信息的区别，来分辨白基线和零级黑纹。为此，把零级条纹作 为干涉图样的识别标志。比如，假定气样室没充入瓦斯时，白基线对应的像素点为A，而气样 室充入瓦斯后，干涉条纹将移动，设两条零级黑纹对应的像素点为B和C，那么C-B就是一个 条纹间距，这时只要知道条纹移动后白基线对应的像素点的位置，就可以知道干涉条纹移 动的间距数，假如条纹移动后白基线对应的像素点为D，那么干涉条纹移动的间距数N为 W =- 假设空气的折射率为n。，纯瓦斯气体的折射率为r^光源的波长为A ，气室的长度 为L，根据光的干涉原理，可以计算出直接测量的瓦斯浓度Xm为
磁 义 D —爿
xm=100X:r|^-;7^" 完成以上计算的程序采用MCS-51汇编语言或C51语言编写。 如图3所示，本发明的数据采集和处理模块与光电转换装置、信号调理、A/D转换 器、模拟开关、气压传感器和温度传感器连接的电路原理示意图。所述的光电转换装置U16 采用TCD1251UD， TCD1251UD是东芝公司生产的一种高灵敏度、低暗电流，具有2700像元的 二相线阵电荷耦合器(CCD)，工作电压为12V，具有两个输出信号端一个为信号输出端OS， 是含有经过光积分的有效光电信号；另一个为补偿输出端DOS，反映了二相线阵电荷耦合 器的暗电流特性。二相线阵电荷耦合器驱动电路由转移脉冲SH、驱动时钟的第一相T1A和 第二相T1B、术极时钟的第一相T2A和第二相T2、复位脉冲RS四路脉冲组成，其驱动脉冲由 微处理器产生。 微处理器Ul与光电转换装置U16的连线方法是光电转换装置U16的转移脉冲 SH、复位脉冲RS、驱动时钟的第一相T1A和T1B及末极时钟的第二相T2A和T2B分别与微处 理器U1的引脚Pl. 1、P1.2、P1.3和P1.4连接。信号调理电路U13采用仪表放大器AD623，AD623是美国ADI公司推出的单电源供
8电(+3 +12V)输出摆幅能达到电源电压的集成仪表放大器。信号调理的目的是为了尽可能 消除各种噪声和干扰，改善和放大图像质量，以保证在二相线阵电荷耦合器动态范围内图 像信号随被测目标亮度呈线性变化。型号为TCD1251UD的二相线阵电荷耦合器的信号输出 端OS和补偿输出端DOS被复位脉冲RS容性干扰的相位是相同的，所以可以利用差分放大 器完成信号的放大与抑制共模干扰。其中的具体连接为有效输出端OS和补偿输出端DOS 分别与信号调理电路U13的引脚2和3连接，信号调理电路U13的引脚6与模拟开关U10 的引脚12和14连接。 所述的模拟开关UIO选用CD4051, CD4051的逻辑控制端为引脚6、9、 10、 11，当引 脚6为低电平时，通过控制引脚9、10和11电位变化使公共端子引脚3分别与引脚1、2、4、 5、12、13、14和15接通，达到信号选通的目的，当引脚6为高电平时，无论引脚9、10和11电 位如何变化，引脚3都不与其它引脚接通。 模拟开关U10的连线方法是模拟开关U10的引脚6接地；模拟开关U10的引脚 3、13和12与14分别与A/D转换器U4的引脚13、温度传感器输出端以及信号调理电路U13 的引脚6连接；模拟开关UIO的引脚9、10和11分别与地址锁存器U3的引脚5、19和2连 接。 所述的A/D转换器U4采用A/D1674, A/D1674是美国AD公司生产的一种完整 的12位并行模/数转换单片集成电路，其基本特点如下转换时间为10ns，非线性误差 ±1/2LSB ;满量程校准误差为0. 125% ;单极或双极电压输入范围分别为0-10V，0-20V， ±5V， ± IOV。 A/D1674有5根控制线，其中CE、/CS和R/C为一般控制线，完成器件的定时、 寻址、启动和读出操作，12/8和A0决定芯片的转换周期和数据输出格式，CE、 /CS和R/C三 者的有效次序可先可后。 A/D转换器U4与微处理器Ul的连线，A/D转换器U4的引脚2接地；A/D转换器 U4的引脚20到27分别与微处理器Ul的引脚39到32对应连接，同时，A/D转换器U4的引 脚16到19分别与微处理器Ul的引脚35到32对应连接；微处理器Ul的引脚16和17通 过与非门U15与A/D转换器U4的引脚6连接；A/D转换器U4的引脚3和3-8线译码器U8 的引脚12连接；A/D转换器U4的引脚4和5分别与地址锁存器U3的引脚19和2连接；A/ D转换器U4的引脚28与微处理器U1的引脚13连接，STS是转换结束标志，它可以提供微 处理器查询A/D转换是否结束。结合上述硬件连线方法，可知A/D转换器U4的编程地址为 0x7FFF，读温度的高8位编程地址为0x7FFD，读温度的低8位编程地址为0x7FFF ;读瓦斯的 高8位编程地址为0x7FF9，读瓦斯的低8位编程地址为0x7FFB。 所述的微处理器监控电路U9选用MAX690，MAX690能在上电、掉电或电源不稳定时 产生一个低电平复位信号输出，掉电时可将CMOSRAM切换到备用电池，如果监视计时器在 规定时间(如1.6秒)内未被启动时，就会产生一个复位脉冲信号。 微处理器U1与微处理器监控电路U9的连线方法是微处理器监控电路U9的引脚 6与微处理器U1的引脚15连接；微处理器监控电路U9的引脚7与三极管T1的基极通过 一个电阻R1连接，三极管T1的发射极接地，三极管T1的集电极通过一个电阻R2接到电源 VCC(+5V)，同时，三极管T1的集电极与微处理器U1的引脚9连接；微处理器监控电路U9的 引脚1与数据存储器U7的引脚26和28连接；微处理器监控电路U9的引脚4和5未用；微 处理器监控电路U9的引脚8通过一个电阻R12与备用电池B的正极连接，同时，通过一个
9二极管Dl与电源VCC连接，备用电池B的负极接地。 所述的定闹时钟信号发生器U6采用DS12887，DS12887是美国DALLAS公司生产的 一种实时日历时钟芯片，采用CMOS技术制成，具有微功耗，外围接口简单，精度高，工作稳 定可靠等优点。其主要功能包括非易失性日历时钟、报警器、百年历、可编程中断、方波发生 器和114字节的非易失SRAM。 微处理器U1与定闹时钟信号发生器U6的连线方法是定闹时钟信号发生器U6的 地址/数据线引脚AD0-AD7与微处理器U1的引脚PO. O-PO. 7对应连接；定闹时钟信号发生 器U6的引脚1接地；定闹时钟信号发生器U6的引脚14、15和17分别与微处理器U1的引 脚30、16和17连接；定闹时钟信号发生器U6的引脚13与3-8线译码器U8的引脚14连接； 定闹时钟信号发生器U6的引脚19接上拉电阻R3后与微处理器U1的引脚12连接；微处理 器U1的引脚9通过反相器U14与定闹时钟信号发生器U6的引脚18连接。结合上述硬件 连线方法，可知定闹时钟信号发生器U6的编程地址为0x3FFF，年单元编程地址为0x3F09， 月单元编程地址为0x3F08，日单元编程地址为0x3F07，时单元编程地址为0x3F04，分单元 编程地址为0x3F02。为了在整点时刻采集数据，可设置定闹时钟信号发生器U6的小时闹钟 为OxcO Oxff中某一个数。 所述的微处理器Ul采用AT89S52， AT89S52是高性能的C0MS8位机，采用Atmel公 司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统和引脚，片内含有8k的可系 统编程的Flash只读程序存储器，用于存放数据采集、计算、存储和传输的程序；所述的数 据存储器U7采用6264,6264是一个8kB的SRAM，电源为单一的+5V电源，所有的输入端和 输出端都与TTL电路兼容。 数据存储器U7的数据线与微处理器Ul的数据线连接，数据存储器U7的低8位地 址线与地址锁存器U3连接，数据存储器U7的高5位地址线与微处理器Ul的引脚21到25 对应连接；应注意的是数据存储器U7的引脚26和28接微处理器监控电路U9的引脚1 ;数 据存储器U7的引脚20与3-8线译码器U8的引脚15连接。结合上述硬件连线方法，可知 数据存储器U7的编程地址为0x5FFF。 微处理器U1在整点(如1、12、23点等)时刻采集数据，或者在收到上位计算机采 集当前值命令后采集数据，整点时刻采集的数据存入数据存储器中。实现上述数据采集、计 算、存储、传输功能主要是通过微处理器Ul执行程序存储器中的数据采集和处理程序来完 成的。 所述的温度传感器选用的是AD590芯片，测量瓦斯含量应当消除温度的影响，因 此，测量瓦斯点的环境温度是一个重要环节。由于AD590是电流型温度传感器，它的输出 随绝对温度线性变化，即1 y A/K，因此，只要知道了两点的温度和对应的电流值，就可以确 定系统关于温度的数学模型，这给计算温度带来很大的方便。根据实验可知，温度在0°C 40。C范围内，AD590输出的电流为0. 2mA 0. 3mA，所以给AD590串接一个10kQ的电阻就 可以得到2 3V的输出电压。但是，A/D转换器的输入电压范围为0 5V，因此，可以把AD590 输出的电压扩展为0 5V，这样做的好处是，提高了测量温度的灵敏度，其放大信号通过两针 插座P1连接到模拟开关UIO的引脚13。 所述的气压传感器Ull采用MS5534BM， MS5534BM是一种数字式气压传感器。该 数字式气压传感器内部集成了仪表放大器和模数转换器，能够将测量到的大气压直接以数
10字信号的形式输出，该气压传感器内部又集成有数字温度传感器，气压传感器输出的数字 式的气压信号是经过温度补偿的，气压传感器Ull和微处理器U1之间可以通过3线(串行 数据时钟端SCLK、数据输入端DIN和数据输出端D0UT)串行接口通信，主时钟信号MCLK需 外接32. 768kHz的时钟信号。所述的气压传感器Ull的主时钟信号是由外接的振荡电路产 生的，振荡电路由两片瓷片电容C1和C2、一只晶体CRY1、一个金属膜电阻R4和两个反相器 U17与U18组成。两片瓷片电容Cl和C2的一端接地另一端分别与晶体CRY1两端连接，同 时，晶体CRY1的两端与电阻R4的两端连接后，一端接反相器U17的输入端，另一端接反相 器U17的输出端，反相器U17的输出端与反相器U18的输入端连接，反相器U18的输出端接 气压传感器Ull的主时钟信号输入端。 微处理器U1与气压传感器Ull的连线方法是气压传感器Ull的串行数据时钟端 SCLK、数据输出端D0UT和数据输入端DIN分别与微处理器Ul的引脚PI. 5、P1. 6和PI. 7连接。 如图4所示，本发明的数据传输模块和系统电源电路原理示意图。数据传输模 块由通信接口电路U5、 U12和与门U19组成，通信接口电路U5和U12分别采用MAX232和 MAX485。微处理器Ul与通信接口电路U5和U12的连线方法是通信接口电路U12的引脚 1和通信接口电路U5的引脚9分别接与门U19的两个输入端，与门U19的输出端与微处理 器U1的引脚10连接；微处理器U1的引脚11与通信接口电路U12的引脚4和通信接口电 路U5的引脚11连接，微处理器U1的引脚1与通信接口电路U12的引脚2、3连接。另夕卜， 通信接口电路U5的引脚1和3之间接有电解电容E3、引脚4和5之间接有电解电容E4，其 中引脚1和4接电解电容的正极性端；通信接口电路U5的引脚6和电源地之间接有电解电 容E5 、引脚2和电源VCC之间接有电解电容E2 ，其中引脚6接电解电容的负极性端、引脚2 接电解电容的正极性端；通信接口电路U5的引脚7、10、12和13未用；通信接口电路U5通 过三针插座P2与上位计算机传输数据，通信接口电路U12通过两针插座P3与上位计算机 传输数据。 系统电源由变压器BY、两个整流桥Bl、 B2及四个稳压模块VI、 V2、 V3和V4组成， 稳压模块VI采用三端稳压管78M12,稳压模块V2采用三端稳压管79M12,稳压模块V3采用 三端稳压管78M05，稳压模块V4采用稳压芯片NCP500SN30T1。系统电源输入220伏交流电 经过变压器BY降压和两个整流桥Bl、 B2全波整流后，通过三端稳压模块VI、 V2变为稳定 的电源电压士12V，电源电压士12V给A/D转换器U4供电，电源电压+12V给信号调理电路 U13和光电转换装置U16供电；电源电压+12V再通过稳压模块V3变为电源电压VCC(+5V) 给模拟开关、温度传感器、数据传输模块及数据采集和处理模块供电；电源电压VCC(+5V) 再进一步通过稳压模块V4变为电源电压+3V给气压传感器Ull供电。采用三级降压和稳 压有效地提高了系统电源的抗干扰能力。
本发明的瓦斯浓度智能测试方法 —种瓦斯浓度智能测试方法，采用上述由光干涉瓦斯传感器、信号调理电路、模拟 开关、A/D转换器、数据采集和处理模块、数据传输模块与系统电源；温度传感器、气压传感 器与上位计算机组成的瓦斯浓度智能测试系统；其数据采集和处理模块包含微处理器、数 据存储器、程序存储器、3-8线译码器、地址锁存器、定闹时钟信号发生器与微处理器监控电 路；其特征是该瓦斯浓度智能测试方法为
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參由光干涉瓦斯传感器、温度传感器和气压传感器测量被测点的瓦斯浓度、温度
和气压三种数据； 參定闹时钟信号发生器的定闹模式为小时定闹； 參微处理器接到定闹时钟信号发生器发出的断信号后，数据采集和处理模块将光
干涉瓦斯传感器的干涉条纹信号经信号调理电路、模拟开关和A/D转换器转换的瓦斯浓度 数据，温度传感器采集到的温度信息经模拟开关和A/D转换器转换后的温度数据及气压传 感器采集到的气压数据，及定闹时钟信号发生器产生的年、月、日、时的数据存储到数据储 存器中； 參上位计算机中安装数据采集和处理软件，该软件用于读取数据储存器中瓦斯浓
度、温度和气压的数据，及定闹时钟信号发生器产生的年、月、日、时的数据，并由上位计算 机计算和在显示器上显示被测点真实瓦斯浓度值，或显示真实瓦斯浓度值随整点时间变化 曲线； 參上位计算机为外接的，上位计算机中安装有数据采集和处理软件。由于瓦斯气 体的折射率与环境温度和气压有关，当环境温度和气压发生变化时，就会影响到瓦斯浓度 的测量结果，因此，需要有一个能反应被测点真实瓦斯浓度的数学模型。假设被测点真实的 瓦斯浓度为XA，直接测量的瓦斯浓度为Xm、测量点的温度为T(绝对温度K)，测量点的大气 压力为P(Pa)，那么真实的瓦斯浓度和直接测量的瓦斯浓度之间的计算公式为
101325 r 完成以上计算的软件采用Delphi语言或VC++语言编写。 如图5所示，程序存储器中的数据采集和处理程序的主要流程是 上电开始，对系统初进行始化，包括打开串行口通信中断，置INTO和INT1为外部
中断，设置通信波特率，传输数据格式为八位数据位，无奇偶位， 一个停止位；设置时钟芯片
为禁止周期和更新中断而允许闹钟中断、允许更新正常进行，采用24h制，不采用夏令时功
能，时间、日历、闹钟采用BCD数据格式，不需要输出方波信号，设置时闹钟单元为0xc0
0xff中某一个数，设置秒、分钟、小时、星期、日期、月份、年单元为相应的实际数据。 判断有无串行口中断信号？有，则执行串行口中断子程序，之后，再判断有无串行
口中断信号；否，则判断有无小时中断信号； 判断有无小时中断信号？有，则执行外部中断O子程序，之后，再判断有无串行口 中断信号；否，则返回判断有无串行口中断信号。
如图6所示，串行口中断子程序流程为
对寄存器A、 DPH、 DPL执行进栈操作， 判断有无小时中断信号？有，则执行外部中断O子程序，之后，再判断是否为读当 前值命令；无，则判断是否为读当前值命令； 判断是否为读当前值命令？是，当定闹时钟信号发生器的闹钟中断标志位AF = 0 时，测量并发送温度、气压和瓦斯浓度数据给上位计算机；当定闹时钟信号发生器的闹钟中 断标志位AF二 1时，仅发送最后存储的温度、气压和瓦斯浓度数据给上位计算机，并把定闹 时钟信号发生器的中断请求标志位IRQF和闹钟中断标志位AF清零。之后，对寄存器DPL、 DPH、A执行出栈操作，中断返回；否，则判断是否为校正定闹时钟信号发生器命令；
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判断是否为校正日期和时间命令？是，则校正日期和时间，之后，对寄存器DPL、 DPH、A执行出栈操作，中断返回；否，则开始判断是否为读取数据命令； 判断是否为读取数据命令？是，把数据存储器中所有的数据通过数据传输模块送 给上位计算机，之后，对寄存器DPL、DPH、A执行出栈操作并中断返回；否，则对寄存器DPL、 DPH、 A执行出栈操作，中断返回。
如图7所示，外部中断0子程序流程为 对寄存器A、 DPH、 DPL执行进栈操作，从存储地址寄存器中读取存储数据的起始地 址，读取年、月、日和时数据，这些数据各占一个字节，分别存储于起始地址、起始地址+l、起 始地址+2和起始地址+3所对应的单元中； 微处理器产生光电转换装置所需的驱动脉冲，启动A/D转化，采集瓦斯浓度数据；
判断A/D转换是否结束？否，则等待A/D转换结束；是，则计算直接测量的瓦斯浓 度Xm， Xm占2个字节，高8位和低8位字节分别存储于起始地址+4和起始地址+5所对应的 单元中，之后，再启动A/D转换，采集温度数据； 判断A/D转换是否结束？否，则等待A/D转换结束；是，则计算温度数据，该数据占 2个字节，高8位和低8位字节分别存储于起始地址+6和起始地址+7所对应的单元中，之 后，再采集和计算气压数据，该数据占2个字节，高8位和低8位字节分别存储于起始地址 +8和起始地址+9所对应的单元中； 把起始地址+10 (10进制)后，送入存 储地址寄存器中； 判断起始地址+10后等于8191吗？否，对寄存器DPL、DPH、A执行出栈操作，中断 返回；是，则把起始地址置初始值后，送入存储地址寄存器中，再对寄存器DPL、 DPH、 A执行 出栈操作，中断返回。 如图8所示，上位计算机中安装的数据采集和处理软件的主要功能是 读取数据即上位计算机通过数据传输模块读取数据存储器中所有的年、月、日、
时、直接测量的瓦斯浓度、温度和气压数据，上位计算机收到这些数据后将它们送到数据库
中保存，并备份以便保留、查询历史记录，关闭显示后，返回软件运行主界面； 校正定闹时钟信号发生器的日期和时间即把上位计算机的年、月、日、时和分通
过数据传输模块送到微处理器，微处理器接到该命令后仅对定闹时钟信号发生器的年、月、
日、时和分进行校正，但不返回任何数据，返回软件运行主界面； 采集并显示当前值即微处理器把实时直接测量的瓦斯浓度、温度和气压数据，通 过数据传输模块送到上位计算机中，这些数据经过上位计算机实时地计算和数据处理后， 上位计算机显示当前真实的瓦斯浓度、温度和气压值，但不存储这些数据，关闭显示后，返 回软件运行主界面； 显示真实的瓦斯浓度随整点时间的变化曲线可显示一天或一周或一月真实的瓦 斯浓度随整点时间的变化曲线，用于分析瓦斯浓度的变化规律，关闭显示后，返回软件运行
主界面。 如图9所示，上位计算机读取数据的流程为 设置通信波特率，传输数据格式为八位数据位，无奇偶位，一个停止位；
发送读取数据命令BB (HEX)+31313131 ; 接收8190个字节数据+2个字节的校验和(校验和为8190个字节数据的和)；
判断数据接收结束了吗？否，继续接收的数据；是，把接收的数据存库，之后，再判 断是否查询历史记录吗？ 判断查询历史记录吗？否，结束返回主界面；是，显示历史记录数据，关闭显示后 返回主界面。 如图10所示，上位计算机校正定闹时钟信号发生器的日期和时间的流程为
设置通信波特率，传输数据格式为八位数据位，无奇偶位，一个停止位；
读取上位计算机的年(YEAR)月(MONTH)日(DATE)时(HOUR)分(MINUTE);
发送校正日期和时间的命令BB(HEX)+32323232+YEAR:MONTH:DATE:HOUR:MINUT E ; 判断发送命令结束了吗？否，继续发送命令；是，结束返回主界。
如图11所示，上位计算机采集和显示当前值的流程为
发送采集和显示当前值命令BB(HEX)+33333333 ; 接收6个字节数据+1个字节的校验和(校验和为6个字节数据的和)； 判断数据接收结束了吗？否，继续接收的数据；是，计算真实的瓦斯浓度X^ 显示真实的瓦斯浓度Xp温度和气压值，关闭显示后返回主界面。 如图12所示，显示真实的瓦斯浓度随整点时间的变化曲线的流程为 判断是否显示一天的变化曲线？是，调出库中一天的瓦斯浓度、温度、气压数据和
对应的整点时间，计算真实的瓦斯浓度XA，之后，显示真实的瓦斯浓度XA随整点时间的变化
曲线，关闭显示后返回主界面；否，判断是否显示一周的变化曲线； 判断是否显示一周的变化曲线？是，调出库中一周的瓦斯浓度、温度、气压数据和 对应的整点时间，计算真实的瓦斯浓度XA，之后，显示真实的瓦斯浓度XA随整点时间的变化 曲线，关闭显示后返回主界面；否，判断是否显示一月的变化曲线； 判断是否显示一月的变化曲线？是，调出库中一月的瓦斯浓度、温度、气压数据和 对应的整点时间，根据数学模型计算真实的瓦斯浓度XA，之后，显示真实的瓦斯浓度XA随整 点时间的变化曲线，关闭显示后返回主界面；否，返回主界面。
1权利要求
一种瓦斯浓度智能测试系统，包括光干涉瓦斯传感器、信号调理电路、模拟开关、A/D转换器、数据采集和处理模块、数据传输模块与系统电源；所述的数据采集和处理模块包括微处理器、数据存储器、程序存储器、3-8线译码器、地址锁存器、定闹时钟信号发生器与微处理器监控电路；其特征是●它还包括温度传感器、气压传感器与上位计算机；所述上位计算机中安装系统、数据采集和处理软件；●所述定闹时钟信号发生器是小时定闹模式，并在整点时刻定闹时钟信号发生器产生定闹中断信号；●所述光干涉瓦斯传感器的干涉条纹信号经信号调理电路、模拟开关和A/D转换器转换并计算后的数据，温度传感器采集到的温度信息经模拟开关和A/D转换器转换后的数据，及气压传感器采集到的气压数据存储到数据储存器中；●所述程序存储器中还包含用来控制采集数据和对采集的数据进行计算和存储的数据采集和处理程序。
2. 根据权利要求1所述的瓦斯浓度智能测试系统，其特征是所述的气压传感器Ull采 用数字式气压传感器，该数字式气压传感器的主时钟信号是由外接的振荡电路产生的；所 述振荡电路由两片瓷片电容Cl和C2、一只晶体CRY1 、一个金属膜电阻R4和两个反相器U17 与U18组成；两片瓷片电容Cl和C2的一端接地另一端分别与晶体CRY1两端连接，同时，晶 体CRY1的两端与电阻R4的两端连接后，一端接反相器U17的输入端，另一端接反相器U17 的输出端，反相器U17的输出端与反相器U18的输入端连接，反相器U18的输出端接气压传 感器Ull的主时钟信号输入端。
3. 根据权利要求1所述的瓦斯浓度智能测试系统，所述的光干涉瓦斯传感器，包括光 源、聚光镜、气室、背面镀有反射膜的平面镜、折光棱镜、反射棱镜、负透镜、大反射棱镜和光 电转换装置，其特征是在光干涉瓦斯传感器气样室的出气管末端与装在外壳体上的堵头 之间增设有一个过滤室。
4. 根据权利要求1所述的瓦斯浓度智能测试系统的瓦斯浓度智能测试方法，其特征是 该瓦斯浓度智能测试方法为參由光干涉瓦斯传感器、温度传感器和气压传感器测量被测点的瓦斯浓度、温度和气 压三种数据；參定闹时钟信号发生器的定闹模式为小时定闹；參微处理器接到定闹时钟信号发生器发出的断信号后，数据采集和处理模块将光干 涉瓦斯传感器的干涉条纹信号经信号调理电路、模拟开关和A/D转换器转换的瓦斯浓度数 据，温度传感器采集到的温度信息经模拟开关和A/D转换器转换后的温度数据及气压传感 器采集到的气压数据，及定闹时钟信号发生器产生的年、月、日、时的数据存储到数据储存 器中；參上位计算机中安装数据采集和处理软件，该软件用于读取数据储存器中瓦斯浓度、温度和气压的数据，及定闹时钟信号发生器产生的年、月、日、时的数据，并由上位计算机计 算和在显示器上显示被测点真实瓦斯浓度值，或显示真实瓦斯浓度值随整点时间变化曲 线。
5. 根据权利要求4所述的一种瓦斯浓度智能测试方法，其特征是所述的上位计算机计算被测点真实瓦斯浓度值，其计算数学模型为<formula>formula see original document page 0</formula>其中被测点真实的瓦斯浓度为XA，直接测量的瓦斯浓度为Xm、测量点的温度为T，测量点的大气压力为P。
6. 根据权利要求4所述的一种瓦斯浓度智能测试方法，其特征是所述的数据采集和处 理模块的程序存储器中的数据采集和处理程序主要流程是(1) .上电开始，对系统初进行始化；(2) .判断有无串行口中断信号？有，则执行串行口中断子程序，之后，再判断有无串行 口中断信号；否，则判断有无小时中断信号；(3) .判断有无小时中断信号？有，则执行外部中断O子程序，之后，再判断有无串行口 中断信号；否，则返回判断有无串行口中断信号。
7. 根据权利要求6所述的一种瓦斯浓度智能测试方法，其特征是所述的串行口中断子 程序为(1) .对寄存器A、DPH、DPL执行进栈操作，(2) .判断有无小时中断信号？有，则执行外部中断O子程序，之后，再判断是否为读当 前值命令；无，则判断是否为读当前值命令；(4) .判断是否为读当前值命令？是，当定闹时钟信号发生器的闹钟中断标志位AF二 0时，测量并发送温度、气压和瓦斯浓度数据给上位计算机；当AF = 1时，仅发送最后存储 的温度、气压和瓦斯浓度数据给上位计算机，并把定闹时钟信号发生器的中断请求标志位 IRQF和闹钟中断标志位AF清零之后，对寄存器DPL、DPH、A执行出栈操作，中断返回；否，则 判断是否为校正日期和时间的命令；(5) .判断是否为校正日期和时间的命令？是，则校正日期和时间，之后，对寄存器 DPL、DPH、A执行出栈操作，中断返回；否，则开始判断是否为读取数据命令；(6) .判断是否为读取数据命令？是，把数据存储器中所有的数据通过数据传输模块送 给上位计算机，之后，对寄存器DPL、 DPH、 A执行出栈操作并中断返回；否，则对寄存器DPL、 DPH、 A执行出栈操作，中断返回。
8. 根据权利要求6所述的一种瓦斯浓度智能测试方法，其特征是所述的外部中断0子 程序为(1) .对寄存器A、DPH、DPL执行进栈操作，从存储地址寄存器中读取存储数据的起始地 址，读取年、月、日和时数据，这些数据各占一个字节，分别存储于起始地址、起始地址+l、起 始地址+2和起始地址+3所对应的单元中；(2) .微处理器产生光电转换装置所需的驱动脉冲，启动A/D转化，采集瓦斯浓度数据； 判断A/D转换是否结束？否，则等待A/D转换结束；是，则计算直接测量的瓦斯浓度xm， xm 占2个字节，高8位和低8位字节分别存储于起始地址+4和起始地址+5所对应的单元中， 之后，再启动A/D转换，采集温度数据；(3) .判断A/D转换是否结束？否，则等待A/D转换结束；是，则计算温度数据，该数据 占2个字节，高8位和低8位字节分别存储于起始地址+6和起始地址+7所对应的单元中， 之后，再采集和计算气压数据，该数据占2个字节，高8位和低8位字节分别存储于起始地址+8和起始地址+9所对应的单元中；(4) .把起始地址+10(10进制)后，送入存储地址寄存器中；(5) .判断起始地址+10后等于8191吗？否，对寄存器DPL、DPH、A执行出栈操作，中断 返回；是，则把起始地址置初始值后，送入存储地址寄存器中，再对寄存器DPL、 DPH、 A执行出栈操作，中断返回。
全文摘要
本发明涉及瓦斯浓度智能测试系统及方法，主要包括光干涉瓦斯传感器、信号调理电路、温度传感器、气压传感器、A/D转换器、数据采集和处理模块、定闹时钟信号发生器和上位计算机；其特点是由光干涉瓦斯传感器、温度传感器和气压传感器测量被测点的瓦斯浓度、温度和气压三种数据；上位计算机读取数据采集和处理模块中瓦斯浓度、温度和气压的数据，及定闹时钟信号发生器产生的年、月、日、时的数据，并由上位计算机计算和在显示器上显示被测点真实瓦斯浓度值，或显示真实瓦斯浓度值随整点时间变化曲线。本发明操作简单、测量精度高，提高了实时处理和修正数据能力，为煤矿井下瓦斯的自动检测和遥测开辟了新的途径。
文档编号G01L9/00GK101776596SQ20101010776
公开日2010年7月14日 申请日期2010年2月3日 优先权日2010年2月3日
发明者张志伟, 张记龙, 武志芳, 温廷敦, 王忠庆 申请人:中北大学