基于AVR单片机的煤矿传感器设计研究

【摘 要】作为矿井生产中的重要技术设备，煤矿传感器的良好应用对于改善煤矿生产综合效益具有重要作用。本文首先介绍了AVR单片机的优势，然后具体探讨了基于AVR单片机的煤矿传感器设计，以期为相关的技术与设计人员提供参考。

【关键词】AVR单片机；煤矿传感器；设计

在现代煤矿安全事故问题频发的社会状态下，相关法律文件明确规定各类矿井中应安置相应的矿井安全监控系统。随着工业技术的快速发展，煤矿监控系统的设计与研发也在逐步升级与提高。作为煤矿工作环境瓦斯浓度检测、保证煤矿职工井下工作安全的重要技术设备，煤矿用传感器的稳定性、使用性能、可操作性与调节性等将直接干扰煤矿监控系统的综合工作质量。因此，加强有关基于AVR单片机的煤矿传感器设计研究，对于改善煤矿传感器的应用水平具有重要的现实意义。

1.AVR单片机的优势

（1）包含多类电路：AVR单片机内部设置了模块独立的PWM输出、看门狗、上电自动复位、A/D转换、E2PROM等电路，使用AVR单片可大范围提高电路的简便性及可靠性。

（2）性能优越：AVR单片机选用HARVARD结构，采用16进制指令，取指令与执行指令并列运行，各时钟周期均执行1条指令，设备运行效率可达到普通指令计算系统的20倍以上。

（3）具备SPI编程功能：AVR单片机具有的SPI编程功能可使程序更新更加便捷，免除了插拔芯片的工作流程，对于降低程序更新过程中单片机破坏的概率具有重要作用。[1]

（4）使用FLASH存储器：AVR单片机可选用1～128kB的各类FALSH存储器，其可依据需求选用不同的芯片实施扩充，而FALSH的可写次数可满足1000次以上的功能标准。

（5）当前广泛应用的煤矿传感器软件系统在经过实践改进与升级后，软件系统已达到较高的成熟水平，而AVR单片机同时支持C语言，因此无需再次研发新型软件系统，只相应改变传统煤矿传感器的软件系统便能将其移植到采用AVR单片机的传感器上，转换简单方便，且成本较低。

2.基于AVR单片机的煤矿传感器设计

2.1软件设计

2.1.1瓦斯传感元件的非线性补偿

依据催化燃烧效应规律，在适当浓度范围内，瓦斯检测电路的探测电压值会随着瓦斯浓度的变化发生线性变化。但因瓦斯气敏元件本身具有的机械误差及附近工作环境等不可控因素的影响，瓦斯检测电路的探测电压值与瓦斯浓度间具有不相匹配的非线性特征。为解决此类问题，应选用科学的技术方法做好对应的非线性补偿。如选用查表法，其计算方式简单，在单片机上更容易实现。实际运行中可依据探测电压与对应瓦斯浓度值曲线划分成5各区段，并在单片机的EEPROM软件中输入相应的折点坐标（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3）、（x4，y4）、（x5，y5）、（x6，y6）；测量过程中应先区分电压值xi在那部分区段，依据此段斜率实施线性插值，由此获取瓦斯的浓度值yi。[2]

2.1.2数字滤波子程序

在信号传输到单片机的过程中，由于工作环境与电路的影响系统内会侵入部分干扰信号。为有效清理此类干扰信号，确保输入信号的可靠性与真实性，可选用数字滤波技术完成此过程。在煤矿瓦斯传感器中可选用算数平均滤波法，依据需求连续选择10个样本值实施算数平均运算。常规条件下，平均值滤波技术还能促进减少因噪声影响而引发的误报警过程。

2.1.3零点漂移分析与抑制程序

为提高传感器读值的精确度，尽量减少因工作环境影响而导致的电路与气敏元件漂移，可在软件中使用零位漂移修正技术，以在避免增加元器件的同时改善数据读取的可靠性。

应用时可先对传感器在无瓦斯条件下的输出值进行测量，随后将其输入至单片机的EEPROM内，随后再有瓦斯工作环境中，用新的样本数据与该值做差，将获取的差值作为实际测量值。为加强对零点漂移的抑制，可设计传感器按照半个月的周期对零点漂移值进行循环采集，并将其设定为EEPROM中的系统默认值。

2.2硬件设计

（1）瓦斯浓度显示电路设计：显示器可选用标准段式高性能的3位液晶显示器EDS812，其具备1个公共端输出与23个段输出，并采用静态驱动方式进行直接连线。

（2）电桥自动断电保护电路设计：在瓦斯浓度高于4%时，瓦斯气敏元件很可能会受到不同程度的冲击而破损。所以在硬件设计中可增设一个电桥自动断电保护电路，此电路的工作方式为：将利用反向器改善驱动性能后的PBO端口连接到光耦上，以调控电桥电源的通断；在单片机探测到瓦斯浓度超过4%时，将PBO置换为高电平，利用光耦使瓦斯电桥电源断开，由此完成瓦斯气敏元件的自动断电保护过程。

（3）信号放大电路设计：一般在瓦斯浓度为0～4%时，传感器的检测电路输出电压会比较低，只有利用放大电路将微弱电压信号进行放大才有可能使单片机检测到。设计过程中可在综合分析干电池能量与成本因素基础上，选用BROWN公司研发的OPA2272运放。[3]

（4）通信接口电路设计：为保证传感器与PC机或各类设备数据的正常传输，应恰当设置通信接口，且应尽量选用串行通信接口。因单片机主要输出TTL电平，设计中可使用MAX3232芯片把TTL电平置换为RS232电平，以确保数据能利用RS232接口正常传输。

2.3多传感器信息融合

为尽可能减低测量误差，可将多传感器元件进行数据与信息融合。设计中将3个瓦斯气敏元件构成瓦斯检测电路，并将其输出端与单片机的AD端口通道进行并行结合。3个瓦斯电路的输出电压与相应瓦斯浓度数据可默认为（X0，Y0）、（X1，Y1）、（X2，Y2），实际权函数可表示为q（x）=1，近似函数采用二次多项式p（x）=ao+a1x+a2x2。关于a0、a1、a2的线性方程组可选用矩阵表示为：

令z=（∑xi）/3，将线性方程组与二项式结合即可得出p（z），也就是融合信息。

3.结束语

煤矿传感器的设计质量将直接关系着煤矿企业生产的安全性和整体质量，因此，相关技术与设计人员应加强有关基于AVR单片机的煤矿传感器设计研究，总结煤矿传感器的设计要点及关键技术保护措施，以逐步改善煤矿传感器的设计水平。

【参考文献】

[1]闫爱青，王玉华.煤矿瓦斯传感器性能评价与改进新方案[J].电脑开发与应用，2011，05（35）：57-58.

[2]李冠群.KG9701型智能低浓瓦斯传感器的分析[J].煤炭科学技术，2012，06（10）：61-62.

[3]施泽全.基于AVR单片机的煤矿传感器设计[J].现代电子技术，2013，13（14）：74-75.