一种远距离供电的低功耗甲烷传感器的制作方法

本发明涉及煤矿监测装置，特别是涉及一种远距离供电的低功耗甲烷传感器。

背景技术：

目前市场上现有的矿用甲烷传感器电源电路设计采用了串联稳压型电源和开关型电源两种，其中串联稳压型电源存在转换效率低的问题不满足高电压远距离供电对电源转换效率的要求。而开关型电源电路由于存在上电瞬间冲击会造成本安电源供电保护的问题，进而造成了当本安电源配接多个设备时，当一个设备已经上电正常工作再接下一个设备时全部设备都会重启的问题。

目前矿用传感器大多采用模拟频率信号或rs485信号进行传输，但实际应用过程中由于线缆质量、变频器干扰、传感器及采集分站的配接等问题会造成信号抗干扰能力极差。经常会出现冒大数、误报警、配接失败等问题，特别是在远距离配接时问题尤为严重。而rs485总线信号虽然解决了刚干扰的问题但是由于rs485总线是基于主从结构的通讯方式，即一条总线上只能由一台主机进行巡检而其他的设备只能是子站被巡检。这就造成了当其中一个传感器子设备出现报警等问题时会造成必须下次轮询时才能上报改信息，从而造成系统动作时间长的问题。

另外由于目前矿用甲烷传感器大量使用的是催化燃烧式甲烷传感器，而催化燃烧甲烷传感器功耗较大而配接的本质安全型电源提供的电压一般为12v\18v\24v三种，特别是首次启动时由于导通电阻较小故启动电流较大。造成传感器远距离供电无法正常启动，而目前煤矿企业由于井下供电困难以及掘进巷道内必须实现远距离供电等问题造成目前传感器不能满足要求。

根据上面列出的问题目前煤矿企业迫切需要一款能够解决上面问题的低功耗远距离供电抗干扰的矿用甲烷传感器。

技术实现要素：

发明目的：为解决现有技术存在的问题，提供一种具备本安供电保护、抗干扰能力强、可以远距离供电的低功耗甲烷传感器。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种远距离供电的低功耗甲烷传感器，包括控制器模块、电源模块、甲烷传感器接口模块、can通信模块、报警模块、终端电阻监测模块和红外遥控接收模块，其中：

控制器模块为整个传感器的控制中心，用于控制传感器的各个模块；

电源模块用于为整个传感器提供电能；

甲烷传感器接口模块一方面与控制模块连接，另一方面与低浓度甲烷催化燃烧元件和高浓度热导元件连接；

can通信模块一方面与控制器模块连接，另一方面作为外接接口，用于连接采集分站，进行通讯；

报警模块与控制器模块连接，用于实现报警功能；

终端电阻监测模块一方面与控制器模块连接，另一方面与外接终端电阻连接，用于终端电阻信号的传导；

红外遥控接收模块与控制模块连接，用于接收红外光信号。

可选的，控制器模块包括mcu、以及分别通过io口与mcu连接的供电电压检测单元、启动方式选择单元、恢复出厂设置单元、复位键单元、仿真接口单元和串口单元。

可选的，电源模块的输入级包括exia等级输入本安电源自限稳压保护模块，该模块起到将设备防爆等级提升至exia等级及解决传感器本机启动电流大引起配接本安电源保护问题。

可选的，exia等级输入本安电源自限稳压保护模块的输入端j3接入9-24v电压，j3的第一引脚1与vin连接，且与第一二极管d1的正极连接，第一二极管d1的负极与第二二极管d2的正极连接，第二二极管d2的负极一方面与第一电阻r1的一端连接，第一电阻r1的另一端与第一三极管q1的基极连接，第一三极管q1的发射极与第二二极管d2的负极连接，第一三极管q1的集电极与第二三极管q2的基极和第三三极管q3的集电极连接，第一电容c1的一端与第二三极管q2的基极连接，另一端与第二三极管q2的发射极连接，第二三极管q2的发射极与第一三极管的基极连接，第二三极管q2的集电极与第七电容c7的一端连接，且与第一电感rb1的一端连接，第七电容c7的另一端接地，第一电感rb1的另一端与第八电容c8的一端连接，且与第三二极管d3的阳极连接，第八电容c8的另一端接地；第三二极管d3的阴极分别与第十三电容c13的正极、第十八电容c18的正极连接，第十三电容c13的负极和第十八电容c18的负极均接gnd；第三二极管d3的阴极还与第三电容c3的一端、第四电容c4一端和u1的输入端连接；第三电容c3和第四电容c4的另一端均接gnd；u1的gnd外接gnd，u1的输出端分别与第五电容c5的一端、第六电容c6的一端和电源连接，第五电容c5和第六电容c6的另一端均接gnd；第三二极管d3的阴极还与vin_after、第九电容c9、第十电容c10和u2的输入端vin连接，u2的输出端vout与第十一电容c11、第十二电容c12和3.3v电源连接，第九电容c9、第十电容c10、第十一电容c11和第十二电容c12的另一端均与u2的gnd端一起接gnd；第三三极管的发射极分别与第四电阻r4和第五电阻r5的一端连接，第四电阻r4和第五电阻r5的另一端接地，第三三极管q3的基极与第三电阻r3的一端连接，第三电阻r3的另一端与第二电容c2的一端连接，且与第四二极管d4的阴极连接，第二电容c2的另一端与第四二极管的阳极连接，且接地；第四二极管的阴极还与第二电阻r2的一端连接，第二电阻r2的另一端与第二二极管d2的阴极连接；j3的第二引脚2通过第二电感rb2接地。

可选的，甲烷传感器接口模块电路输出端分别与低浓度甲烷催化燃烧元件和高浓度热导元件连接，由控制器模块通过控制甲烷传感器接口模块电路的mos管的通断，进而控制甲烷传感器接口模块的工作状态。

可选的，甲烷传感器接口模块电路中低浓度甲烷催化燃烧元件j5和高浓度热导元件j6都是通过4脚的3.3v供电，3脚接gnd，中间抽头是2脚用来采集测量信号；j5的第一引脚1与第二mos管u2的漏极连接，且与一二极管的阴极连接，该二极管的阳极接gnd；第二mos管u2的漏极包含5脚、6脚、7脚和8脚，源极包含1脚、2脚和3脚；第二mos管u2的源极接gnd，栅极分别与第二十四电容c24、第六电阻r6和第八电阻r8的一端连接，第八电阻r8和第二十四电容c24的另一端均接gnd，第六电阻r6的另一端与mcu的ch_l引脚连接。j6的第一引脚1与第三mos管u3的漏极连接，且与一二极管的阴极连接，该二极管的阳极接gnd；第三mos管u3的漏极包含5脚、6脚、7脚和8脚，源极包含1脚、2脚和3脚；第三mos管u3的源极接gnd，栅极分别与第1电容c1、第七电阻r7和第十电阻r10的一端连接，第十电阻r10和第一电容c1的另一端均接gnd，第七电阻r7的另一端与mcu的ch_h引脚连接。

可选的，can通信模块包括can收发器u6、esd放电器件d13、气体放电管d1、第四保险丝f4、第五保险丝f5、第十八电阻c18和输出端j8，其中，can收发器u6的3脚txd和4脚rxd分别与mcu的pa11、pa12管脚直接连接，can收发器u6的1脚vdd33分别与3.3v电源和第十八电容c18连接，第十八电容c18的另一端接gnd，can收发器u6的2脚gnd接gnd；7脚v0悬空，8脚canh1通过第五保险丝f5与j8的3脚canh连接，9脚canl1通过第四保险丝f4与j8的2脚canl连接，10脚cang与j8的1脚cang连接；气体放电管d1的两端分别与j8的2脚canl和3脚canh连接；esd放电器件d13的1脚canh1与u6的8脚连接，2脚canl1与u6的9脚连接，3脚cang与u6的10脚连接。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、支持远距离供电，一台本安电源可以接更多的传感器设备，远距离传输抗干扰及实时上报报警信息，避免本安电源上电时瞬间保护；

2、通过软启动电源电路的限流作用来避免的本安电源的保护重启对远程断电仪的误动作；

3、通过催化燃烧原件的预热控制电路实现了催化燃烧元件的冷启动远距离供电降低了整机的启动电流；

4、通过终端电阻监测电路方便了客户对can总线终端电阻设置状况的清晰了解避免了误加错加。

附图说明

图1是本发明传感器电路结构示意图；

图2是电源模块电路示意图；

图3是甲烷传感器接口模块电路示意图；

图4是can通讯电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明的一种远距离供电的低功耗甲烷传感器，包括控制器模块、电源模块、甲烷传感器接口模块、can通信模块、报警模块、终端电阻监测模块和红外遥控接收模块。其中，控制器模块为整个传感器的控制中心，用于控制传感器的各个模块；电源模块用于为整个传感器提供电能；甲烷传感器接口模块一方面与控制模块连接，另一方面与低浓度甲烷催化燃烧元件和高浓度热导元件连接；can通信模块一方面与控制器模块连接，另一方面作为外接接口，用于连接采集分站，进行通讯；报警模块与控制器模块连接，用于实现报警功能；终端电阻监测模块一方面与控制器模块连接，另一方面与外接终端电阻连接，用于终端电阻信号的传导；红外遥控接收模块与控制模块连接，用于接收红外光信号。

如图1所示，本发明为了解决传感器功耗大、传输距离近的问题，控制器模块特别选用了低功耗、高性能mcu并且通过减低主频的方式来进一步降低功耗。所选mcu为stm32l103cbt6、并且将主频设置为12mhz，这样即满足传感器的实时数据处理又降低了整机功耗。电源模块还包括软启动电路，报警模块采用声光报警电路，红外遥控接收模块采用红外接收电路，can通信模块采用can通讯电路，甲烷传感器接口模块包括催化探头软启动电路和热导探头软启动电路，控制器模块包括mcu、供电电压检测单元、启动方式选择单元、恢复出厂设置单元、复位键单元、仿真接口单元和串口单元，其中，mcu为主控制器，与各单元通过io口连接。

本发明为了解决新接入设备造成本安电源保护的问题，特别在电源模块输入级增加了exia等级输入本安电源自限稳压保护模块。该模块起到将设备防爆等级提升至exia等级及解决传感器本机启动电流大引起配接本安电源保护问题，使用软起动的方式避免对电源电路中的电容、电感储能元件瞬间大电流充电造成的本安电源保护。具体电路图如图2所示，exia等级输入本安电源自限稳压保护模块的输入端j3(jack2-5.00)接入9-24v电压，j3的第一引脚1与vin连接，且与第一二极管d1(b340a)的正极连接，第一二极管d1的负极与第二二极管d2(b340a)的正极连接，第二二极管d2的负极一方面与第一电阻r1的一端连接，第一电阻r1的另一端与第一三极管q1(s8550)的基极连接，第一三极管q1的发射极与第二二极管d2的负极连接，第一三极管q1的集电极与第二三极管q2(b772)的基极和第三三极管q3(9013)的集电极连接，第一电容c1的一端与第二三极管q2的基极连接，另一端与第二三极管q2的发射极连接，第二三极管q2的发射极与第一三极管的基极连接，第二三极管q2的集电极与第七电容c7的一端连接，且与第一电感rb1的一端连接，第七电容c7的另一端接地，第一电感rb1的另一端与第八电容c8的一端连接，且与第三二极管d3(b340a)的阳极连接，第八电容c8的另一端接地；第三二极管d3的阴极分别与第十三电容c13的正极、第十八电容c18的正极连接，第十三电容c13的负极和第十八电容c18的负极均接gnd；第三二极管d3的阴极还与第三电容c3的一端、第四电容c4一端和u1(78m08)的输入端连接；第三电容c3和第四电容c4的另一端均接gnd；u1的gnd外接gnd，u1的输出端分别与第五电容c5的一端、第六电容c6的一端、8v电源以及j2输出端子的3脚连接，第五电容c5和第六电容c6的另一端均接gnd；第三二极管d3的阴极还与vin_after、第九电容c9、第十电容c10和u2(k7803-500)的输入端vin连接，u2的输出端vout与第十一电容c11、第十二电容c12、3.3v电源以及j2输出端子的1脚连接，j2输出端子的2脚接地，第九电容c9、第十电容c10、第十一电容c11和第十二电容c12的另一端均与u2的gnd端一起接gnd；第三三极管的发射极分别与第四电阻r4和第五电阻r5的一端连接，第四电阻r4和第五电阻r5的另一端接地，第三三极管q3的基极与第三电阻r3的一端连接，第三电阻r3的另一端与第二电容c2的一端连接，且与第四二极管d4(lm285z-1.2)的阴极连接，第二电容c2的另一端与第四二极管的阳极连接，且接地；第四二极管的阴极还与第二电阻r2的一端连接，第二电阻r2的另一端与第二二极管d2的阴极连接；j3的第二引脚2通过第二电感rb2接地。

上电瞬间由于第二电容c2两端电压不能突变近似为短路，从而第三三极管q3进入截止状态。第三三极管q3截止后由于第三三极管q3的集电极是高电平从而第一三极管q1、第二三极管q2截止。起到上电瞬间不能由大电流冲击的目的。随着上电的推迟第二电容c2进入缓慢充电状态，第三三极管q3的基极电压也逐渐的升高。当第三三极管q3的基极电压升高到一定程度就由截止状态进入放大状态最后进入饱和导通状态。当第三三极管q3进入导通状态后由于集电极电压逐渐降低会引起第一三极管q1、第二三极管q2也逐渐进入放大状态，后级稳压电路也进入正常工作状态。

同时当后级负载出负载增加或现短路等问题后首先会引起第一电阻r1两端电压上升即第一电阻r1连接第一三极管q1发射极的电压不变，第一电阻r1连接第一三极管q1的基极的电压下降。当第一三极管q1的发射极和基极电压达到一定阈值后第一三极管q1进入饱和导通，第一三极管q1饱和导通后集电极连接的第二三极管q2的基极电压升高。第二三极管q2基极电压升高后转入截止状态进而切断了后级电源。

由上面分析可知exia等级输入本安电源自限稳压保护模块保证了连接本安电源时不造成电源保护以及能够确定每个电源能配接几个传感器。方便了施工方案及避免的新加入设备引起的保护问题。

更进一步的本发明特殊设计了对催化燃烧元件软起动的电路，同时配合mcu的内部嵌入式软件可以方便的调节催化燃烧元件的软起动时间的长短。进一步的是传感器刚上电初期令下图的mos管截止，这样催化燃烧元件就不工作。随后mcu开始输出占空比极小的pwm波使mos管微弱的导通，然后根据预设的软起动时间逐步的增加pwm波的占空比，从而使催化燃烧元件逐渐的导通。这样及满足催化燃烧元件的工作条件也不至于瞬间快速启动造成的远距离供电不足的问题。综上两种措施使矿用甲烷传感器具备了功耗低及远距离供电的特性。具体电路图如图3所示，图中的j5、j6分别代表了低浓度甲烷催化燃烧元件和高浓度热导元件，两个元件j5、j6都是通过4脚的3.3v供电，第三引脚3接gnd，中间抽头是2脚用来采集电压信号；采集的电压信号，用来同比例的表示甲烷浓度。j5的第一引脚1与第二mos管u2的漏极连接，且与一二极管的阴极连接，该二极管的阳极接gnd；第二mos管u2的漏极包含5脚、6脚、7脚和8脚，源极包含1脚、2脚和3脚；第二mos管u2的源极接gnd，栅极分别与第二十四电容c24、第六电阻r6和第八电阻r8的一端连接，第八电阻r8和第二十四电容c24的另一端均接gnd，第六电阻r6的另一端与mcu的ch_l引脚连接。j6的第一引脚1与第三mos管u3的漏极连接，且与一二极管的阴极连接，该二极管的阳极接gnd；第三mos管u3的漏极包含5脚、6脚、7脚和8脚，源极包含1脚、2脚和3脚；第三mos管u3的源极接gnd，栅极分别与第1电容c1、第七电阻r7和第十电阻r10的一端连接，第十电阻r10和第一电容c1的另一端均接gnd，第七电阻r7的另一端与mcu的ch_h引脚连接。

当第二mos管u2或第三mos管u3的4脚高电平时催化元件和热导元件通过第二mos管u2和第三mos管u3的5脚导通到地开始工作。

上电初期由于第二十四电容c24和第一电容c1的两端电压不能突变特性，直接让第二mos管u2和第三mos管u3的栅极短路到地从而切断催化元件和热导元件的工作回路。当传感器的其他模块都正常自检通过后mcu的pb0、pb1引脚开始缓慢的输出占空比为1％的pwm波，同时pwm波以每秒增加10％的占空比逐渐升为高电平输出。在这个pwm波的占空比逐渐升高的过程，实际上是对第一电容c1和第二十四电容c24的充电过程。由于在pwm波在低电平是第一电容c1和第二十四电容c24是放电状态所以在pwm波占空比增加的过程中实际上是第二mos管u2和第三mos管u3的栅极电压逐渐升高的过程，栅极电压逐渐升高时第二mos管u2和第三mos管u3的漏极和源极逐渐由断开变为导通。同时由于电路的逐渐导通催化燃烧元件和热导元件中的加热丝在逐渐的加热，当催化元件和热导元件的加热后本身的阻抗就在逐渐增加。直到第二mos管u2和第三mos管u3全部导通后催化元件和热导元件全部投入正常工作。由上面分析可知由于采用了可控占空比的pwm波来控制，具体的就是刚启动时pwm波的占空比只有5％，然后依次按照每秒增加10％的速度增加。且在70％占空比处停留5秒后再按照每秒10％的速度增加至100％；导通时间的方案避免了催化元件和热导元件突然上电时的低阻抗状态造成的启动电流太大的问题。

本发明为了解决目前模拟信号传输时抗干扰能力差及巡检周期长的问题，采用现场can总线的技术即解决了模拟信号传输抗干扰能力差的问题，又由于can总线为多主式的非破坏式竞争机制满足了各个子设备发生报警等事件时立即上报的优势。具体电路如图4所示，包括can收发器u6(td321dcan)、esd放电器件d13(pesd24vl2bt)、气体放电管d1、第四保险丝f4、第五保险丝f5、第十八电阻c18和输出端j8，其中，can收发器u6的3脚txd和4脚rxd分别与mcu的pa11、pa12管脚直接连接，can收发器u6的1脚vdd33分别与3.3v电源和第十八电容c18连接，第十八电容c18的另一端接gnd，can收发器u6的2脚gnd接gnd；7脚v0悬空，8脚canh1通过第五保险丝f5与j8的3脚canh连接，9脚canl1通过第四保险丝f4与j8的2脚canl连接，10脚cang与j8的1脚cang连接；气体放电管d1的两端分别与j8的2脚canl和3脚canh连接；esd放电器件d13的1脚canh1与u6的8脚连接，2脚canl1与u6的9脚连接，3脚cang与u6的10脚连接。

由以上可知本传感器采用了一体化的can通讯电路，具体的是mcu的pa11、pa12管脚直接连接到can收发器u6的3脚txd和4脚rxd，经过can收发器u6收发隔离一体的模块输出到j8，其中f4、f5、d1、d13是为了通讯总线的抗干扰能力而设置的保险丝、气体放电管、esd放电器件。