梁光清

（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037）

我国煤炭资源总量相对丰富，具有经济安全、储运便利等特征。即便到2030年碳达峰前后，煤炭的主体地位仍难以改变。2020年2月，国家发展改革委等八部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，明确了煤矿智能化发展目标和任务，如何保证煤矿安全可靠的持续生产，对我国国民经济的发展有着重要意义[1-3]。煤矿井下环境复杂，瓦斯、火、煤尘、水、顶板等灾害时有发生，因此需要安装安全监控系统及甲烷传感器设备进行实时瓦斯监测，才能保证整个煤矿的安全运行[4-6]。

近几年随着煤安监函【2016】5 号《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》的实施，基于RS485、CAN 通讯技术的传感器设备及系统得到大量推广应用，解决了传统频率、电流传输抗干扰能力差的问题，取得了很好的应用效果，但是现有甲烷传感器RS485、CAN 通信接口等现场总线交互通讯，普遍存在交互速率慢、传输距离受限、远程设备自助升级维护难以实现等难题也逐渐暴露，因而探索新的传输技术具有十分重要的意义[7-9]。煤安监函【2016】5 号文中明确提出，模拟量传感器至分站的有线传输采用工业以太网、RS485、CAN 的要求，随着光纤通信技术的发展，光纤传输技术已广泛应用于民用、军用和工业等场合，相对于传统电缆，光纤具有抗电磁干扰能力强、传输损耗小、传输速率高以及质量小等特点，特别适合应用于环境复杂，条件恶劣的场合[10-12]。本文设计了一种基于光纤信号传输的甲烷传感器，传感器设备与监控分站通过光纤进行数据信号交互，保证数据传输的稳定性、及时性和可靠性。

1 传感器总体设计及工作原理

基于光纤信号传输的甲烷传感器电路原理如图1所示，传感器电路的控制处理核心为STM32XXX单片机，主要由电源模块、光电转换模块、声光报警电路、信号处理电路、显示电路五部分功能电路组成。STM32XXX 单片机在8 M 主频下工作电流只有2.3 mA，具有明显的低功耗优势，同时该芯片是基于ARM 32 位RISC 内核的MCU，具有高达128 KB 的闪存和16 KB SRAM 的高速嵌入存储器，同时具有各种增强性外设和I/O，提供标准的通信接口，UART，CAN，12 位ADC 和12 位DAC 以及7 个通用16 位计时器，32 位计时器和高端控制PWM 定时器，便于传感器的设计与功能拓展。

图1 基于光纤信号传输的甲烷传感器电路原理图Fig.1 Schematic diagram of methane sensor circuit based on optical fiber signal transmission

传感器采用载体催化甲烷元件将甲烷气体浓度转化为电压信号，经信号处理电路放大后进入单片机A/D 转换。单片机根据甲烷浓度函数及A/D数值计算出被测环境中甲烷气体浓度值，进行显示和信号上传，然后根据用户设定的报警值进行声光报警。

2 硬件电路设计

2.1 电源模块设计

安全监控系统内的防爆兼本安电源输出电压为24 V，经过2 km 线缆负载后传感器电源模块的输入电压在9～24 V 内变化，因此传感器电源模块电路将9～24 V 直流电压转换为适合单片机、光电模块及显示、信号处理电路工作的3.6 V 电压，电源模块电路如图2所示。

图2 电源模块电路图Fig.2 Power module circuit

电源模块核心DC-DC 降压芯片采用TI 公司的LM25010MHX，该芯片输入电压范围9～42 V，输出电流1.25 A，在传感器工作电流300 mA 时的转换效率达90%以上。为减小传感器上电对关联电源的冲击，芯片内部集成软启动功能，具有一个11.5 μA的电流源，软启动时间由芯片第10 脚连接的电容C1决定。C1电容的容值为0.22 uF，根据芯片手册提供的计算公式，软启动时间为50 ms。芯片电压输出的反馈电压为2.5 V，精度为±2%，根据R2、R3电阻的阻值进行计算，计算得出电源模块输出电压为3.6 V，为后级电路供电。

2.2 显示及声光报警电路

本文采用动态显示电路，通过单片机IO 引脚直接控制4 位数码管点亮显示，每位数码管的刷新频率为35 Hz，从而达到节省电流且显示检测数值的效果。

声光报警电路如图3所示，单片机控制三极管Q9的通断，当Control_SG 为低电平时，Q9导通，蜂鸣器LS1和发光二极管D3和D6上电工作，分别发出声音和光亮。当Control_SG 为高电平时，Q9截止，蜂鸣器LS1和发光二极管D3和D6断电，从而实现由单片机控制的间歇性报警工作。

图3 声光报警电路图Fig.3 Sound and light alarm circuit

2.3 信号处理电路

如图4所示，甲烷元件工作电压为3.0 V，工作电流为100 mA，R29为可调电位器。甲烷元件与R28、R29、R30电阻构成单臂电桥，通过OP2330 运放将单臂电桥的差分信号放大10 倍，转换为电压信号CH4，该信号经低通滤波后进入单片机模拟采集通道，由内置12 位A/D 转换功能模块将电压值转换为对应甲烷气体浓度成正比的采样数值，通过相应计算函数关系，得到真实的瓦斯浓度。

图4 信号处理电路图Fig.4 Signal processing circuit

2.4 光电转换模块

光电转换模块采用工作电压为3.3 V 的单模光收发一体模块，模块具有FC 尾纤型光接口，工作波长为1310 nm，1×9 管脚封装，输出平均光功率达-3 dBm，通讯速度可以达到5 Mbps，接口电平采用TTL 电平，因此直接和单片机UART 接口连接即可，单模光收发一体模块原理图如图5所示。

图5 单模光收发一体模块原理图Fig.5 Functional block diagram of single-mode optical transceiver module

3 软件设计

基于光纤信号传输的甲烷传感器的程序采用C语言编写，采用模块化函数编程设计，主程序首先进行单片机时钟、IO 引脚和UART 等外设初始化配置，然后读取存储在E2的零点、线性、报警值等参数，然后进入周期性数据采集和超限报警判断，等待通讯中断响应，通过UART 发送数据到光电转换模块，软件流程如图6所示。

图6 软件流程Fig.6 Software flow chart

4 结语

随着煤矿智能化的发展，高速大容量的数据稳定可靠传输成为矿用智能传感器的必然要求，为解决现有传感器总线通讯距离短、速度慢、抗干扰能力差等问题提供了新的技术方案，对煤矿安全生产有着重要意义。本文基于对甲烷传感器电源、信号处理、显示、报警等电路的研究，提出了采用单模光收发一体模块作为监测数据上传的通讯方式，非常适用于煤矿井下复杂的工况环境，具有广阔的推广应用前景。