甲烷检测报警仪的制作方法
【专利摘要】一种甲烷检测报警仪，包括甲烷探头、采集模块和模数转换模块，甲烷探头的输出端与模数转换模块通过采集模块通讯连接，其特征在于：所述的采集模块包括采集催化燃烧型探头信号的采集电路和采集非色散红外型探头信号的采集电路。该甲烷检测报警仪可以同时兼容两种不同原理探头，根据不同探头工作时输出信号的特点进行硬件电路识别和软件处理，进而在开机瞬间进行准确判断并使用相应配置，使报警仪开机后自动进入不同探头工作模式，能够有效降低成本和简化操作。
【专利说明】甲烷检测报警仪
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种气体检测报警仪，具体涉及一种可兼容两种不同原理传感器的便携式甲烷检测报警仪。
【背景技术】
[0002]甲烷检测报警仪是一种检测甲烷浓度的设备，主要是用于矿井和其他能够产生甲烷的场所。甲烷这种易燃易爆的气体是所有煤矿开采过程中必然产生的，是不可避免的，一旦甲烷浓度超标极易引发事故，对矿井内工作的工人产生很大的人身危害，由于甲烷是一种无色无味的气体，所以只能通过灵敏可靠的检测仪器才能进行检测。
[0003]国内现有的便携式甲烷检测报警仪一般有两种不同原理的产品，即催化燃烧原理型和非色散红外(NDIR)原理型。由于这两种传感器原理不同，导致它们的输入电路和输出电路以及报警仪硬件和软件不相同，也就是说，催化燃烧原理型和非色散红外原理型无法兼容并自动识别在同一个甲烷检测报警仪上。在事先无法确定待测浓度，不能断定需要使用哪种检测报警仪时，只能携带两种报警仪或者人工手动调节按钮以适应甲烷探头，这样不仅增加了成本，而且复杂不易操作。
实用新型内容
[0004]本实用新型要解决的技术问题在于提供一种甲烷检测报警仪，这种甲烷检测报警仪能够提供一种可兼容两种不同原理并自动识别的便携式甲烷检测报警仪。
[0005]为了解决上述问题，本实用新型通过以下方式来实现:
[0006]一种甲烷检测报警仪，包括甲烷探头、采集模块和模数转换模块，甲烷探头的输出端与模数转换模块通过采集模块通讯连接，其特征在于:所述的采集模块包括采集催化燃烧型探头信号的采集电路和采集非色散红外型探头信号的采集电路。
[0007]所述催化燃烧型原理电路包括由两只精密电阻(Rsl和Rs2)、微调电阻RWl和滤波电容器，所述精密电阻的公共端和甲烷探头的输出端作为催化燃烧型原理传感器电压信号输出端。
[0008]所述非色散红外型原理电路包括由两只精密电阻(Rsl和Rs2)、微调电阻RW1、滤波电容器和两只大阻值的电阻(Rs3和Rs4)，所述大阻值的电阻起到非色散红外型原理传感器输出信号的分压功能和轻负载下拉功能。
[0009]进一步地，还包括控制单元电路，所述控制单元电路中包括一微处理器，所述微处理器采用哈佛总线结构三级流水线，比较理想的是采用32位ARM cortex-m3内核的STM32F103，具有丰富的外设和较强的抗干扰能力，很适用于工业控制。
[0010]进一步地，还包括电源变换电路，所述电源变换电路包括将输入电压变换至5VDC的一级DC/DC电路，以及三路由TC1185芯片精密稳压器构成的二级精密稳压电路。电源输入经一级DC/DC变换至5VDC，此DC/DC电路变换效率最低不小于80%，相比其它线性稳压器件电路，提升了电源的使用效率，此5VDC为后级所有电路供电，经三路二级精密稳压器件稳压变换后得三路独立电压，分别为探头元件、微处理器和声光报警以及其它电路供电。
[0011]进一步地，还包括显示电路，所述显示电路包括4只LED数码管和4只用于驱动LED数码管的驱动1C，所述微处理器通过IO 口串行地将需要显示的编码发送至驱动IC驱动LED数码管发光，用于实现显示甲烷浓度。
[0012]所述的驱动IC可以采用74HC164，所述74HCT164是8位边沿触发式移位寄存器，微处理器通过IO 口串行地将需显示的数字编码发送至74HCT164，74HCT164则并行输出编码驱动数码管，它对每段数码管的驱动电流最大为20mA，较大的驱动电流使数码管显示亮度较高，这有利于在煤矿井下黑暗环境的观察。
[0013]进一步地，还包括报警电路，所述报警电路包括发光二极管、有源蜂鸣器和发光二极管以及有源蜂鸣器的驱动电路，以在甲烷超标时实现声光报警。
[0014]与现有技术相比，本实用新型的有益效果是:该甲烷检测报警仪可以同时兼容两种不同原理探头，根据不同探头工作时输出信号的特点进行硬件电路识别和软件处理，进而在开机瞬间进行准确判断并使用相应配置，使报警仪开机后自动进入不同探头工作模式，根据实际使用情况只需更换探头后重新启动报警仪即可，能够有效降低成本和简化操作。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本实用新型的电路框图；
[0016]图2为本实用新型控制单元电路原理图；
[0017]图3为本实用新型电源变换电路原理图；
[0018]图4为本实用新型信号采集电路原理图；
[0019]图5为本实用新型显示电路原理图；
[0020]图6为本实用新型报警电路原理图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图和具体实施例对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的说明。
[0022]如图1所示，一种甲烷检测报警仪，包括控制单元电路1、电源变换电路2、甲烷探头3、采集模块4、模数转换模块5、显示电路6和报警电路7，所述模数转换模块与控制单元电路通过IIC集成电路总线(Inter-1ntegrated Circuit)通讯连接,所述控制单元电路与报警电路通讯连接，所述控制单元电路与显示电路通讯连接，所述控制单元电路与输出电路通讯连接，控制单元电路I将识别出的甲烷浓度在显示电路6上显示，并驱动报警电路7发出声光报警，电源管理电路2为各单元电路供电。
[0023]如图2控制单元电路原理图所示，所述控制单元电路I主要功能为实时采集数据、分析数据、显示数据、输出信号，其内包括有32位ARM cortex-m3内核的微处理器，所述微处理器的控制芯片为STM32F103，采用哈佛结构三级流水线，处理速度快，且具有丰富的外设和较强的抗干扰能力，适用于工业控制，可有效提升整机的数据处理能力和响应时间。
[0024]如图3电源变换电路原理图所示，所述电源变换电路2采用多级、多路电压变换，其输入电压经一级DC/DC变换至5VDC后供电给所有电路，再通过二级精密稳压器件的芯片TC1185稳压变换后得三路电压为2.9VDC,3.3VDC和3.0VDC的独立电压，分别用于探头元件、报警电路和微处理器以及其他电路；所述电源变换电路能够有效改善报警电路工作瞬间电流过大引起的电压波动，以及电源电压偏低带来的后级电压波动的影响；所述DC/DC变换效率不小于80%，相比其它线性稳压器件而言，提升了电源的使用效率。
[0025]如图4信号采集电路原理图所示，所述信号采集电路4包括甲烷探头、采集模块和模数转换模块，在完成甲烷探头模拟信号的采样和滤波后，利用A/D转换器将模拟信号变换为数字信号，再通过IIC (Inter-1ntegrated Circuit)集成电路总线将数据传至所述控制单元电路I中的微处理器。
[0026]如图4所示，所述的采集模块包括采集催化燃烧型探头信号的采集电路和采集非色散红外型探头信号的采集电路，所述催化燃烧型原理电路包括由两只精密电阻(Rsl和Rs2)、微调电阻RWl和滤波电容器，两只精密电阻的公共端和甲烷探头的输出端作为催化燃烧型原理传感器电压信号输出端。所述非色散红外型原理电路包括由两只精密电阻(Rsl和Rs2 )、微调电阻RWl、滤波电容器和两只大阻值的电阻(Rs3和Rs4 )，所述大阻值的电阻起到非色散红外型原理传感器输出信号的分压功能和轻负载下拉功能。
[0027]A和C点之间的电压差由模数转换模块Ml的AINl采集，记为Vinl ；B点电压(SPA点电压的一半)由模数转换模块Ml的AIN2采集，记为Vin2。当使用催化燃烧型探头时，A点电压为输入电压2.9V的一半，即Va = 1.45V，则B点电压Vb = Vin2 = VA/2 = 0.725V,C点电压同样为输入电压2.9V的一半，即Vc = 1.45V JlJVinl = VC-Va = 0V，当有甲烷气体时，因催化燃烧探头最大测量浓度为4.0%，而其灵敏度约为30mV/l.0%，即当甲烷浓度为
4.0% 时，Va = 1.45V- (4X0.03V) = 1.33V, Vin2 = Vb = 0.665V, Vinl = Vc-Va = 0.12V ；当使用非色散红外探头时，预热时输出电压为0.2V，预热完成后初始电压为0.4V，在预热时间内，Va = 0.2V, Vin2 = Vb = 0.1V，Vc = 1.45V, Vinl = Vc-Va = 1.25V ;当未连接任何探头元件或探头元件信号输出故障时，Va = 0V, Vin2 = Vb = 0V, Vc = 1.45V，Vinl = Vc-Va=1.45V。
[0028]微处理器在开机时采集Vin2和Vinl的数值,通过分析能够准确、快速判断出当前报警仪所使用的探头类型，实现同一硬件和软件可兼容两种不同原理探头的便携式甲烷检测报警仪。
[0029]如图5显示模块电路图所示，所述显示电路6包括4只LED数码管和4只用于驱动LED数码管的驱动1C，驱动IC选用8位边沿触发式移位寄存器74HC164，所述控制单元电路I中的微处理器通过IO 口串行地将需显示的数字编码发送至寄存器74HC164，寄存器74HC164则并行输出编码驱动LED数码管，每段LED数码管的驱动电流最大为20mA，驱动电流越大使数码管显示亮度较高，这有利于在煤矿井下黑暗环境的观察。
[0030]如图6报警电路原理图所示，所述报警电路7包括发光二极管、有源蜂鸣器和发光二极管以及有源蜂鸣器的驱动电路，当甲烷浓度超过预先设定的上限值时，所述微处理器向驱动电路发出信号，该信号经放大后驱动相应发光二极管闪烁实现光报警，驱动相应蜂鸣器发声实现声报警，以提示周围的人群。
[0031]本实用新型甲烷检测报警仪可以兼容不同原理的探头工作方式，根据不同探头工作时输出信号的特点进行硬件电路识别和软件处理，进而在开机瞬间进行准确判断并使用相应配置，使报警仪开机后自动进入不同探头工作模式。然后甲烷检测报警仪甲烷探头发出的信号，经过采集模块传输给控制单元电路，经过控制单元电路识别、比较，计算出当前甲烷浓度的真实值，由驱动IC驱动LED数码管显示当前甲烷的浓度值，识别出甲烷的安全浓度环境和危险浓度环境并显示出不同颜色以提醒操作人员；当识别出的甲烷浓度超过预先设定的上限值时，微处理器发出信号驱动相应二极管和蜂鸣器实现声光报警。
【权利要求】
1.一种甲烷检测报警仪，包括甲烷探头(3)、采集模块(4)和模数转换模块(5)，甲烷探头的输出端与模数转换模块通过采集模块通讯连接，其特征在于:所述的采集模块包括采集催化燃烧型探头信号的采集电路和采集非色散红外型探头信号的采集电路。
2.根据权利要求1所述的一种甲烷检测报警仪，其特征在于:所述的甲烷探头VCC端口串联连接精密电阻Rs1、微调电阻RWl和精密电阻Rs2后接入探头GND端口，稳压电源VCC2.9连接到所述VCC端口与电阻Rsl之间，电阻RWl中间抽头连接到模数转换模块AINl+端口 ；所述探头OUT端口串联连接电阻Rs3和Rs4后接地，所述模数转换模块AINl-端口分别连接一滤波电容器CSl后接入所述电阻RWl与AINl端口之间的C点和所述OUT端口与电阻Rs3之间的A点，所述模数转换模块AIN2+端口分别连接一隔直电容器CS2后接地和电阻Rs3与Rs4之间的B点，所述模数转换模块AIN2-端口接地；所述的模数转换模块采用双路差分输入。
3.根据权利要求1所述的一种甲烷检测报警仪，其特征在于:还包括控制单元电路(1)，所述控制单元电路包括微处理器，所述微处理器采用哈佛总线结构三级流水线。
4.根据权利要求3所述的一种甲烷检测报警仪，其特征在于:还包括电源变换电路(2)，所述电源变换电路包括将输入电压变换至5VDC的一级DC/DC电路，以及三路由TCl185芯片精密稳压器构成的二级精密稳压电路。
5.根据权利要求3或4所述的一种甲烷检测报警仪，其特征在于:还包括显示电路(6)，所述显示电路包括4只LED数码管和4只用于驱动LED数码管的驱动1C，所述微处理器通过IO 口串行地将需要显示的编码发送至驱动IC驱动LED数码管发光。
6.根据权利要求5所述的一种甲烷检测报警仪，其特征在于:所述的驱动IC采用74HC164。
7.根据权利要求5所述的一种甲烷检测报警仪，其特征在于:还包括报警电路(7)，所述报警电路包括发光二极管、有源蜂鸣器和发光二极管以及有源蜂鸣器的驱动电路。
【文档编号】G08B21/16GK203812373SQ201420126923
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年3月20日 优先权日:2014年3月20日
【发明者】王寿全, 吕志刚, 曾森茂, 文小红, 吴传贵, 余玉江, 柯淋, 蒋韬, 周强, 刘帅, 贾彦飞 申请人:四川省川煤科技有限公司