勘探光电一体化多功能安全帽的机理研究

2022-07-08万涛，曾进，韩涛，孙虎

黑龙江科学 2022年12期

万涛，曾进，韩涛，孙虎

(1.武汉海翼科技有限公司，武汉 430079； 2.江苏大学，江苏镇江 212013)

人们对地下资源勘探需求日趋迫切，因此地下工作人员的安全问题尤为重要[1-3]。尤其是氧气稀薄的工作环境成为威胁地下勘探作业人员生命财产安全的主要因素[4]，研究用于地下勘探的光电一体化多功能安全帽已迫在眉睫。

用于氧气检测的气体传感器的研发始于20世纪30年代，按所用氧气气敏材料及氧气灵敏特性不同，主要有半导体、固体电解质、电化学、接触燃烧、高分子氧气气敏传感等[5-6]。现有的氧气报警器多采用贵金属催化剂氧气气敏元件，但因催化剂中毒而影响了氧气报警的准确性及安全性。此外，常温下氧气敏感度较低，随着温度的升高氧气敏感度增加。

光电一体化多功能安全帽的持久动力离不开锂电池的应用。锂电池是一类以金属锂或含锂物质作负极的化学电源的总称，1958年美国加州大学开始了对锂电池的研究[7]，1971年日本松下公司发明了锂氟化碳电池并使锂电池实现了应用化、商品化[8]。与常规电池相比，其具有电压高、比能量大等特点。已实用化的锂电池有LiMnO2、LiSOCl2、LiSO2等，而当锂电极用碳代替时便成了新式的锂离子蓄电池。

单片机是把中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出端口(I/O)等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。单片机具有性能高、速度快、体积小、价格低、稳定可靠、应用广泛、通用性强等突出优点。单片机的设计目标主要是增强控制能力，满足实时控制方面的需要，因此它在硬件结构、指令系统、I/O端口、功率消耗及可靠性等方面均有其独特之处，其最显著的特点之一是具有非常有效的控制功能。而应用于地下勘探光电一体化多功能安全帽的控制系统选用了已经成熟的单片机接口，为安全帽的研制提供了极大的便利。

1 光电一体化多功能安全帽设计功能及要求

用于地下勘探光电一体化多功能安全帽的设计需实现的主要功能：

着装标志和护首功能。地下勘探光电一体化多功能安全帽是地下工作者的着装标志，要保证一定的美观性和统一性，应有足够的机械强度保护戴帽者的头部。

电源和照明功能。特别是由于突发地下灾难时为被困者提供尽可能长时间的光照，为此要考虑在地下利用现场能源对锂电池充电。电源需要根据系统中各元件的要求提供不同的工作电压。锂电池的选用较其他电池具有更优异的性能。

灵敏、稳定的氧气传感器功能。氧气传感器是光机电一体化多功能安全帽完成地下环境氧气检测的关键，既要灵敏精确又要稳定，可靠地检测井下的氧气浓度，一旦氧气浓度不达标，应及时准确地发出报警信息。

灯光报警功能。由于地下噪音危害巨大，不宜用声音报警，以安全帽体振动报警消耗的能量大。应选用照明的灯光按设置的不同规律闪烁，以闪烁规律的差异实现不同故障的报警。

2 光电一体化多功能安全帽的工作原理

用于地下勘探的光电一体化多功能安全帽的工作控制基于单片机的工作效率，要求单片机的指令简单，不需外接晶振，抗干扰能力强。而单片机PIC16F630是较好的选择，图1给出了其14个接口引脚说明。

在选用好单片机的基础上应对其进行初始化，再对光电一体化安全帽的变光照明、灯光照明进行判断选择。启动氧气传感器检测，当氧气传感器无缺损时，对工作环境中的氧气进行检测，经脱附处理后，调整好工作电压，使光电一体化多功能安全帽的检测与报警功能进入正常工作状态。

3 光电一体化多功能安全帽电路设计及机理分析

用于地下勘探的光电一体化多功能安全帽中的电路初始化包括堆栈、I/O接口、定时/计数器、寄存器等设置。在完成以上工作后，其中的CPU按图3电路所示的顺序查询输入口状态，其中箭头指向单片机接口，对氧气传感器是否缺损、是否脱附进行检测，使其工作处于正确状态。对氧气浓度是否达标进行准确判断，对发光体组数和报警形式选择实时的准确识别，经输入出口控制变光照明。各种灯光报警和脱附电路等部分的正常工作如图2所示。图3给出了光电一体化多功能安全帽的总体电路设计图。