基于DSP的矿用气体传感器智能校验仪

摘要

一种基于DSP的矿用气体传感器智能校验仪是包括微控制器单元、信号调理单元、通信接口单元、键盘显示单元、触摸控制单元和气路系统，并对其单元和模块进行通信连接。本发明改进现有校验仪结构，以CPU技术、电子技术和控制技术为主，解决了现有校验仪校验速度慢、精度低和劳动强度大的问题，为煤矿井下安全生产提供服务。

权利要求

1.一种基于DSP的矿用气体传感器智能校验仪，包括有微控制器单元、信号调理单元、通信接口单元、键盘显示单元、触摸控制单元和气路系统，其中：所述的微控制器单元包括CPU为DSP、片外RAM、电源、晶振电路、JTAG接口电路，LCD指示灯及和跳线；

所述的信号调理单元包括频率量信号调理电路和模拟信号调理电路；

所述的通信接口单元包括RS-232驱动电路；

所述的键盘显示单元包括键盘接口电路和LCD显示电路；

所述的触摸控制单元包括计算机主机和触摸屏；

所述的气路系统包括16路控制继电器、流量控制器和电磁阀；

所述的通信接口单元通过串口通信接口模块与微控制器单元DSP连接，信号调理单元、键盘显示单元和气路系统通过I/O口与微控制器单元的DSP连接；

对上所述的微控制器单元中的片外RAM通过16位地址数据总线及片选线与DSP连接；

对上所述的通信接口单元DSP串口通信模块通过驱动芯片MAX3232与上位机连接；

对上所述的信号调理单元的频率量信号经光耦隔离及缓冲电路与DSP的I/O口连接，模拟量信号经RC低通滤波、电压跟随和差分比例运算调理，通过片内的ADC与DSP连接；

对上所述的键盘显示单元中的矩阵式键盘端线与DSP的I/O口连接，LCD通过电平转换模块与DSP的并行I/O口连接；

对上所述的触摸控制单元通过通信接口单元与DSP连接；

对上所述的气路系统通过DSP的I/O口输出控制信号，通过光耦隔离、锁存及驱动电路去控制16路继电器的通断；流量控制信号经D/A及调理后的电压信号输出给流量控制器来控制电磁比例调节阀的开度，其输出电压信号的大小是根据所要校验的传感器的数量而设定，即无论是几个传感器同时调校均能保证每个传感器都得到稳定的流量200ml/min，共提供200×Nml/min的流量，其中，N为传感器数量；

对上所述的流量引入闭环控制以保证流量的准确性。

2.如权利要求1所述的基于DSP的矿用气体传感器智能校验仪，其中：所述的信号调理单元的频率量信号是气体传感器的频率变送输出，模拟信号是流量计输出的电压和气体传感器变送输出的电压或电流；

所述的通信接口单元是全双工的RS-232串口；

所述的键盘显示单元包括键盘接口电路和LCD显示电路，其键盘控制功能与触摸屏控制功能完全兼容；

所述的触摸控制单元包括计算机主机和触摸屏，其计算机可对调校系统进行维护，对数据调校进行存储、分析和打印；

所述的气路系统包括16路控制分别是8路直流24V供电的电磁阀控制8路气体浓度，

8路直流24V供电的电磁阀控制8路气体传感器；

所述的气路系统包括的流量控制器量程为0-2000ml/min；

对上所述流量的闭环控制采用预测控制以保证流量的稳定和准确。

说明书

基于DSP的矿用气体传感器智能校验仪

技术领域

[0001] 本发明涉及一种气体传感器校验仪，尤其是一种用于多浓度多路的矿用气体传感器自动校验仪。

背景技术

[0002] 矿用气体传感器是指瓦斯传感器、一氧化碳传感器、负压传感器和风速传感器。在煤矿安全监控系统中，作为检测的传感器直接关系到煤矿安全监控系统的可靠性和灵敏度，对监测监控起着决定性的作用。为保证矿用气体传感器测量的准确性，需定期进行校验。在煤矿安全规程》第162条规定，“甲烷传感器、便携式甲烷检测报警仪等采用载体催化元件的甲烷检测设备，每7天必须用校准气样和空气样调校一次，每7天必须对甲烷超限断电功能进行测试”。

[0003] 现有煤矿采用手动校验仪和遥控校验仪，其手动校验仪主要由标准气样钢瓶、胶皮管、流量计和减压阀组成。检验时将传感器用胶皮管和流量计联接标准气样，通过手动调节使减压阀标准气流量到200ml/min，观察测量值是否与标准气浓度一致，若不一致，由螺丝刀调节传感器旋钮，使传感器的读数与标准浓度相同。手动调节标准气流量使得测量结果存在人为偏差，且一次只能校验一只传感器。其遥控校验仪是在手动校验的基础上增加了遥控功能，通过遥控按键来使传感器的读数与标准浓度相同。

[0004] 现有公告号为：CN201508341U的一种“矿用甲烷传感器校验仪”，该实用新型包括甲烷流量计，所述甲烷流量计设置在伸缩拉杆上，在所述伸缩拉杆上设置有拉杆固定套，在伸缩拉杆顶部设置有一钩开口向上和一钩开口向下的两个挂钩。本实用新型优点在于将甲烷流量计设置在伸缩拉杆上，在所述伸缩拉杆上设置有拉杆固定套，在伸缩拉杆顶部设置有一钩开口向上和一钩开口向下的两个挂钩，检测甲烷传感器等甲烷检测设备时，将伸缩拉杆伸长，用钩开口向上的挂钩可轻松将甲烷传感器取下，连接并检测完成后，再把甲烷传感器挂回原位即可，使校验作业方便快捷；所述甲烷流量计通过角铁与伸缩拉杆相连接，安装固定简便且牢固。

[0005] 上述煤矿所采用的校验仪，是对单一浓度采用单一结构的传感器进行调校，而且手动校验仪和遥控校验仪由于其结构单一，校验时存在着劳动强度大和工作效率低的问题，特别是校验精度低等问题。因此，设计一种数字式智能矿用气体传感器校验仪是现有煤矿井下迫切需要解决的实际问题。

[0006] 基于此，发明人基于DSP对现有手动校验仪和遥控校验仪进行了改进，发明了一种矿用气体传感器智能校验仪，其发明内容如下：

发明内容

[0007] 本发明提供一种基于DSP的矿用气体传感器智能校验仪，实现同时对多浓度多路矿用气体传感器的自动校验，以解决现有校验仪和遥控校验仪由于其结构单一，校验时存在着劳动强度大和工作效率低的问题，特别是校验精度低的问题。

[0008] 为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案包括微控制器单元、信号调理单元、通信接口单元、键盘显示单元、触摸控制单元和气路系统，其中：

[0009] 所述的微控制器单元包括CPU、片外RAM、电源、晶振电路、JTAG接口电路，LCD指示灯及和跳线；

[0010] 所述的通信接口单元包括RS-232驱动电路；

[0011] 所述的信号调理单元包括频率量信号的调理电路及模拟信号的调理电路；

[0012] 所述的键盘显示单元包括键盘接口电路和LCD显示电路；

[0013] 所述的触摸控制单元包括计算机主机和触摸屏；

[0014] 所述的气路系统包括16路控制继电器、流量控制器和电磁阀；

[0015] 对上所述的各模块，通信接口单元通过串口通信接口模块(SCI)与微控制器连接，信号调理单元、键盘显示单元、气路系统通过I/O口与微控制器连接；所述的微控制器单元中的片外RAM通过16位的地址数据总线及片选线与DSP连接；所述的通信接口单元DSP的串口通信模块通过驱动芯片MAX3232与上位机相连接；所述的信号调理单元的频率量信号经光耦隔离及缓冲电路与DSP的IO口连接，模拟量信号经RC低通滤波、电压跟随和差分比例运算调理，通过片内的ADC与DSP连接；所述的键盘显示单元中的矩阵式键盘端线与DSP的IO口连接，LCD通过电平转换模块与DSP的并行IO连接；所述的触摸控制单元通过通信接口单元与DSP连接；所述的气路系统是通过DSP的IO口输出控制信号，通过光耦隔离、锁存及驱动电路去控制16路继电器的通断；所述的流量控制是经D/A及调理后的电压信号输出给流量控制器来控制电磁比例调节阀的开度，其输出电压信号的大小是根据所要校验的传感器的数量而设定，即200×N(ml/min)，其中，N为传感器数量，以保证每一个传感器得到稳定的流量200ml/min；所述的流量引入闭环控制以保证流量的准确性。

[0016] 本发明一种基于DSP矿用气体传感器智能校验仪，通过对现有校验仪和遥控校验仪的结构改进，并结合CPU技术，解决了现有校验仪和遥控校验仪由于其结构单一，校验时存在着劳动强度大和工作效率低的问题，尤其是在煤矿井下校验瓦斯传感器、一氧化碳传感器、负压传感器和风速传感器等设备精度低的问题，提高了校验设备的精度，保证了煤矿井下检验设备的可靠性，为煤矿安全生产提供服务。

[0017] 本发明仪可用键盘操作，也可直接在触摸屏上控制。除控制外还可对气体传感器类型、量程等进行维护，自动换算实际值进行显示，非常直观。另外，反馈回的流量值与给定值的比较，通过预测控制不断调整电磁比例调节阀的开度以实现流量的稳定精确控制(N×200ml/min，其中N为传感器数量)。

[0018] 与现有校验仪相比，其主要优点与积极效果在于；(1)功能强大兼容性好。可同时校验8台气体传感器(数量可扩展)，可校验各种类型、各种型号的矿用气体传感器；(2)校验速度快，自动化程度高，精度高。通过自动控制能提供足够的流量，在校验多台气体传感器时确保每一台得到的气体流量稳定在200ml/min，保证了调校精度；(3)可实现多种形式的调校，如多浓度自动调校、单浓度自动调校和个选智能调校等；(4)系统结构较为清晰、易操作性强、校验结果显示直观；(5)产品更集成化、便携化、可靠性高、成本低、使用寿命长。

附图说明

[0019] 图1是本发明基于DSP矿用气体传感器校验仪的原理框图；

[0020] 图2是本发明基于DSP矿用气体传感器校验仪的结构框图；

[0021] 图3是本发明微控制器原理图；

[0022] 图4是本发明频率量信号的调理电路；

[0023] 图5是本发明模拟量信号的调理电路；

[0024] 图6是本发明通信接口电路图；

[0025] 图7是本发明显示电路图。

[0026] 图8是本发明继电器控制图；

[0027] 图9是本发明流量控制器控制电路图。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的详细说明，以使本专业的中等技术人员在阅读了本具体实施方式后，能够实现为准。

[0029] 如图1所述，本发明一种基于DSP的矿用气体传感器智能校验仪，包括微控制器单元、信号调理单元、通信接口单元、键盘显示单元、触摸控制单元和气路系统。其中：

[0030] 所述的微控制器单元，即DSP的最小系统包括CPU、片外RAM、电源、晶振电路、JTAG接口电路，LCD指示灯及必要的跳线。

[0031] 所述的通信接口单元包括RS-232驱动电路。

[0032] 所述的信号调理单元包括频率量信号的调理电路及模拟信号的调理电路。

[0033] 所述的键盘显示单元包括键盘接口电路(3×8矩阵式键盘)和LCD显示电路。

[0034] 所述的触摸控制单元包括计算机主机和触摸屏。

[0035] 如图2所述，所述的气路系统包括16路控制继电器(8路气体浓度和8路气体传感器)、流量控制器和电磁阀。8路气体浓度可以是任何气体或浓度，以校验时的选择为准。

[0036] 对上述的各模块，通信接口单元通过串口通信接口模块(SCI)与微控制器连接。频率量信号调理单元、键盘单元、显示单元、气路系统都是通过I/O口与微控制器连接，模拟信号的调理电路接DSP的ADC。

[0037] 如图3所述，微控制器单元CPU采用TI公司的TMS320LF2407DSP芯片，扩展了一片64×16bit的RAM，采用Cypress公司的CY7C1021CV33芯片，它通过16位的地址数据总线、片选线、读写线与DSP相连，仿真器通过JTAG仿真接口与DSP连接。电源模块是采用12V的开关电源经过L7805三端稳压器转换成5V直流电。电压转换采用TI公司的5V/3V高性能稳压芯片TPS7333Q将+5V转换成+3.3V供DSP使用，模数电压和模数地之间分别采用10mH电感和0Ω电阻进行隔离。复位电路采用MAXIM公司具有人工复位功能的MAX811芯片来实现。时钟信号采用10M的有源晶振提供。

[0038] 如图4所示，信号调理单元的频率量(气体传感器输出)信号的经光耦TLP521-4隔离、SN74LS244N缓冲后与DSP的IO口连接。

[0039] 如图5所示，模拟量(流量计输出和气体传感器模拟量变送输出)经模拟多路开关AD7506依次选通后经A/D调理、采样保持、ADC送入DSP，A/D调理采用RC低通滤波、电压跟随和差分比例运算来实现，采样保持和ADC采用DSP片内集成的资源。

[0040] 如图6所述，SCI通信接口单元采用了符合RS-232标准的驱动芯片MAX3232，通过Modbus协议实现DSP和上位机之间的通信。

[0041] 如图7所述，显示电路液晶模块采用CM128640-10SLYB液晶显示器，DSP数据接口与LCD数据接口之间使用TI公司的电平转换器SN74LVC4245DB进行总线电平转换。

[0042] 键盘采用3×8矩阵式键盘，与DSP的IO口连接。

[0043] 如图8所述，IO口输出的控制信号经光耦隔离TLP521-4、SN74LS273锁存及ULN2803达林顿驱动后控制16路继电器的通断，进而控制电磁阀的开关状态。16路继电器分别控制8路直流24V供电的电控阀(连接8路气体浓度，还可扩展)、8路直流24V供电的电磁阀(连接8路气体传感器，还可扩展)。

[0044] 如图9所述，数模转换芯片采用TI公司的TLV5620DAC，D/A调理电路采用电压跟随器，根据D/A调理后的电压信号控制流量控制器以控制电磁比例调节阀的开度。所述的气路系统包括的流量控制器量程为0-2000ml/min；对上所述流量的闭环控制采用预测控制以保证流量的稳定和准确。

[0045] 使用时，首先安装智能调校检测仪，其所述技术领域的人员都能够实现。其次是智能调校检测仪的使用操作方法。智能调校检测仪可用触摸屏操作，也可使用键盘操作。