基于人员定位及瓦斯监测的智能矿灯设计

程图如图１０所示。
ｄａｔ鹅ｈｅｅｔ［ＥＢ，０Ｌ］－ｈｔｔｐ：仇ｒｗｌ甲．１ｒＩ．ｃｏｍ，２００７．
［６］同一功，张磊．矿灯式甲烷测报仪设计［Ｊ］．煤矿安全，２００８（９）：
１３一１４．
［７］吴强，沈斌，刘新蕾．基于微功率无线通信的瓦斯报警矿灯研究 ［Ｊ］．煤矿机械。２００８，２９（１２）：１３９一１４０． （编辑启迪）
ＭｓＰ４３０
个端口控制液晶的读写。 如图９所示。 ４软件设计 ４Ｊ矿灯主程序设计 采用ｆｒｅｅｓｃａｌｅ １６位增强型ＨｃＳｌ２ ＣＰＵ，片内总线频 率达６０ＭＨｚ，内置ｗａｔｃｈｄｏｇ，可防程序死锁跑飞。内置低 功耗睡眠功能，芯片可 加密，只需要设置几个 寄存器就能实现程序的 加密，可防止程序代码 的非法拷贝。软件用Ｃ 语言编程，采用模块化 设计方法，包括主程序， 初始化子程序，数据采 集子程序，发送／接受子 程序，光报警及声报警 驱动程序等。主程序流号：１００２—２３３３（２０１３）０５一∞７９—０３
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中心通过上位机软 件和数据库完成瓦 斯信息的实时监 测，同时根据接收 分站地址、矿灯编
号完成人员的实时
定位。ｎＲＦ９０５电路 接口如图５所示。
８０
ｌ机械工程师２０１３年第５期
万方数据
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７９
万方数据
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２总体设计 将矿灯系统与Ｐｃ机结合起来构成一个集照明、瓦斯 监测、瓦斯超限报警及人员定位的多功能系统，提高了煤 矿生产的自动化水平。本系统以单片机为核心构成智能 瓦斯报警器，能够实现对矿井瓦斯浓度的采集和报警控 制、信号滤波、零点漂移的抑制和非线性处理等。克服了 当前瓦斯报警矿灯存在零点漂移较大，维护周期短，抗机 械干扰能力差等问题。 采用无线通信技术和现场总线技术使矿灯具有人员 移动定位的功能，通过现场总线可将这些信息传输到地 面中心站，使地面管理人员能够了解井下人员的位置及 分布信息，实现了矿灯的多功能性，从而可以解决当前瓦 斯报警矿灯功能单一的问题…。 如图１所示，由智能矿灯通过现场总线及传输接口 至地面上位机，嵌入到当前的矿井安全监控大系统中。从 而完成了人员定位和瓦斯监测的功能。无线通信模块采 用单片射频收发器芯片ｎＲＦ９０５，来实现瓦斯信息和人员 位置信息的上传，从而可以构成一个集照明、瓦斯监测报 警、人员定位的综合系统。其中人员信息用矿灯的编号来 表示，人员的位置用无线接收分站的位置表示。 瓦斯功能模块主要由瓦斯监测电路来实现瓦斯监 测，瓦斯检测电路由瓦斯传感器、信号放大电路等组成。 瓦斯传感器内部是基于电桥的检测原理，在瓦斯含量为 零时电桥是平衡的，没有电压输出。当空气中含有瓦斯气 体时，瓦斯气体使传感器内部的催化元件产生无焰催化 燃烧，从而温度增高，桥臂的阻值变化，此时电桥不再平 衡，故有信号电压输出【６］。这个电压信号，经过放大等信号 调理后输入单片机的ＡＤ口，单片机通过ＡＤ采集信号， 经过软件计算后将瓦斯浓度在液晶上显示出来，并判断 当前的瓦斯浓 度是否超过瓦
３。３电源电路 电源采用低压差线性芯片ＳＰＸｌ １１７—３．３，该芯片能 够输出稳定的３．３Ｖ电压，给Ｍｃｕ提供工作电源。同时采 用ＭＣｌ４０３芯片产生２．５Ｖ给传感器供电，电源电路如图
６、７所示。
翻造业售息化
和瓦斯浓度，两部分按 照通信协议组成一帧发 送出去，人员ＩＤ是一个 ８位的二进制数据，处于 一帧的前部分，首先传 送的是这一部分，当发 报警模块主要采用 三极管９０１３来驱动发光 二极管及扬声器实现声 光报警。如图８所示， ＡＬＡＲＭ接到ＭＣＵ的 Ｐ２．Ｏ口，当该端口输出 “１”时，三极管导通，蜂鸣 器的地回路通过三极管 生碰撞时，利用二进制 碰撞算法对这一部分数 据进行处理，从而确定 要碰撞矿灯发送数据的 先后顺序。整个无线通 信都由模块ｎＲＦ９０５完 成，它能够全双工通信。 即可以同时发射和与接收数据。ＭＣＵ将数据通过ＳＰＩ接 口发送给ｎＲＦ９０５模块，该模块会自动在数据前后分别 ＬＣＤ显示主要用来 实时显示当前的瓦斯浓 度。液晶采用１２８６４，八 个数据口（ＤＢ０一ＤＢ７）分 别接ＭＣＵ的Ｐｌ口及部 分Ｐ２口，ＲＤ、ＷＲ为液 晶的三个控制引脚，分别 读、写。分别接到ＭＣｕ
ｍｏｄｕｌｅｓ ｉｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｎｅｒ’ｓ ｌａｍｐ；ｐｅｒｓｏｎｎｅｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ；ｇａｓ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ
１引言
能够将井下人员分布、位置信息及时上传地面中心站。改 变了传统矿灯的功能单一问题，从而提高了煤矿的安全 生产和防灾救灾能力“．２］。 具有瓦斯监测、人员定位等功能的新型智能矿灯，可 以实现矿灯瓦斯的移动监测，同时还能够实现井下人员 定位，而传统的矿灯大部分还只是照明工具，即使有些矿 灯也具备瓦斯检测报警功能，但检测数据并没有上传至 地面，本智能矿灯是对传统矿灯的一大改进，通过将瓦斯 数据和人员定位数据上传地面中心站，使地面能够及时 了解井下人员的位置、分布及瓦斯含量，从而能够提高煤 矿安全生产能力［３】。 系统在普通带材轧制时是基本可以满足要求的，但对于 产品性能要求越来越高的高强钢和深冲钢来说，我们需 要更高性能的ＡＧｃ控制系统。该系列专利技术目前已经 在我公司多个项目上进行了实际使用，大大提高了轧制 力控制的精度和稳定性，对提高产品性能和产品质量起 到了关键性作用。
的Ｐ３．４和Ｐ３．５，由这两
３．４报警及显示电路
接通，蜂鸣器鸣叫？
加上前导码和校验码，组成一帧数据发送出去［７１。
５结语
本文就一种新型多功能智能矿灯系统的设计展开分 析。讨论了瓦斯监测和人员定位功能在矿灯上的实现，本 系统已经在部分煤矿得到应用，实验证明，系统运行效果 良好，稳定可靠。随着信息技术的发展，相信矿灯将会集成 更多更有用的功能，为提高煤矿安全生产发挥重要作用。
［参考文献．］ ［１］赵吉风．冷轧带钢的精整［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，１９８５． ［２］罗伯茨ｗ Ｌ冷轧带钢生产［Ｍ］一Ｅ京：冶金工业出版社，１９８５． ［３］丁文红．平整机的板形改善机制及其应用［Ｊ］．轧钢，２０１２，２９（１）：
２６—２８．
矿灯是煤矿井下矿工的眼睛，矿灯的好坏直接影响 着井下矿工的生命安全与工作效益，随着科技创新的不 断发展，对矿灯要求越来越高。安全性和多功能性越来越 成为矿灯重要的指标，早期的矿灯功能单一，大多数只有 照明功能，即使后来出现的报警矿灯也只具有瓦斯监测 报警功能，并没有与地面联网构成系统，地面管理人员无 法通过报警矿灯及时获取井下瓦斯状况，更无法知道井 下人员的位置、分布等信息。新型多功能矿灯具有瓦斯监 测超限报警功能且能够将信息传输至地面中心站，解决 了原报警灯信号不能被上位机获取的问题。同时该矿灯 压控制技术等。双伺服阀控制技术通过利用不同伺服阀 在阀口特性、频宽特性以及压力一流量特性等方面的不 同，根据不同的工况综合使用两伺服阀（如图５，双伺服阀 控制系统）。由于在用小轧制力进行轧制时，难于进行流 量补偿，使得压下系统加载和卸载的调速特性不同。这时 可考虑采用预减压／大背压控制技术，即对供油压力进行 预减压，使得伺服阀的供油压力近似等于小轧制力对应 的压下缸控制腔压力的２倍，这时就满足了伺服阀和系 统的双向特性一致的先决条件。同时，可以增大背压力以 提高减压阀的设定值，以使得大背压下小轧制力时所需 控制压力增大至便于控制的范围。伺服阀前设置减压阀， 一定程度上增加了能耗；但伺服阀前设置减压阀比未设 置减压阀时所需要的峰值流量却减少了，如图６所示。
斯含量的上
翩造业信息化
限，如若超限 则继电器动作 从而驱动声光 报警。瓦斯传 感器选择气敏 传感器ＭＪｃ４／３．０，瓦斯监测电路如图４所示。 无线发射模块采用ｎＲＦ９０５模快，ｎＲＦ９０５无线收发 模块是挪威Ｎｏｒｄｉｃ公司推出的单片射频发射器芯片，工 ３矿灯系统硬件设计 矿灯的硬件主要包括：单片机主控电路、瓦斯监测电 路、无线通信电路、报警功能电路、显示电路。结构组成如 图２所示。 作电压为１．９～３．６Ｖ，ＱＦＮ 封装，工作于４３３，８６８／ ９１５ＭＨｚ３个ＩＳＭ频道。 ｎＲＦ９０５模块负责将数 据（矿灯编号和瓦斯浓 度数据）发送出去，由对 应的接收装置（接 收分站）接收，接收 装置将接收的数据 通过总线传送至地
面监控中心。监控
３．Ｊ单片机主控电路 Ｍｃｕ选择ＭＳＰ４３０系列的一款低功耗单片机。它是ＴＩ 公司近年来推出的一款高档１６位单片机，片上外围功能 模块丰富，超低功耗，性价比高，开发方便简洁。片内已集 成１０通道ＡＤ，３个并行端口，一个ＲＳ４８５串行通讯口［５］， 被广泛应用于便携式仪表、智能传感器、工业监测等领 域。如图３，全部已通过网络标号与外围电路连接，实现 对应的功能。