基于AVR的礦用風速傳感器研究

摘 要：風速的測量是監測煤礦煤與瓦斯突出的重要手段，針對煤礦特殊環境，研究一種實用、可靠的風速傳感器顯得尤為重要。本文基于AVR單片機，提出了一種礦用皮托管風速傳感器的設計方案，詳細介紹了其原理和軟硬件設計。該傳感器利用差壓原理，無轉動部件，性能可靠，可長時間連續實現煤礦井下各進、回風巷的實時風速。實驗表明，風速傳感器測量范圍可達0.4～15m/s，且在測量范圍內誤差低于±0.2 m/s，具有良好的溫度穩定性和防潮防堵功能。

關鍵詞：AVR單片機；皮托管；風速傳感器

0 背景

礦井通風是提供新鮮空氣，排除甲烷、一氧化碳、二氧化硫等有毒有害氣體的重要途徑，通過風速傳感器測量到的數據，進而有效控制通風設備，一方面能夠做到節能減排、提高工作效率，另一方面，為煤礦的安全生產提供基本的保障。因此，包括國家安監總局、煤礦生產單位、科研單位都非常重視風速傳感器的研究，基于安全可靠、實時、經濟的原則，研究一款實用、反應迅速、性價比高的風速傳感器，實現煤礦安全監控系統中風速的監測和煤與瓦斯突出的預警監測顯得尤為重要。針對煤礦井下的特殊環境常造成超聲波探頭性能減弱，不能夠準確測量井下環境中風速的真實值，因此本文基于皮托管的原理，結合AVR微控制芯片ATMEGA16L，設計了一款實用的風速傳感器，具有廣闊的應用前景。

1 皮托管風速傳感器原理

皮托管，英文是Pitot tube，由法國H.皮托發明而得名。皮托管是測量氣流總壓和靜壓以確定氣流速度的一種管狀裝置，常見的有L型和S型2種，與L型相比，S型具有防堵防潮的性能，因此本文選用S型皮托管進行設計。皮托管的構造如圖，頭部為半球形，后為一雙層套管。

測速時頭部對準來流，頭部中心處小孔（總壓孔）感受來流總壓p0，經內管傳送至壓力計。頭部后約3～8D處的外套管壁上均勻地開有一排孔（靜壓孔），感受來流靜壓p，經外套管也傳至壓力計。對于不可壓縮流動，根據伯努利方程和能量方程可求出氣流馬赫數，進而再計算速度。

2 硬件設計

基于S型皮托管的風速傳感器硬件框圖如圖所示：

當煤礦井下有風流經過傳感器的皮托管時，在皮托管的總壓端和靜壓端產生壓力差，通過差壓傳感器模塊測量具體的壓差值。溫度傳感器和大氣壓力傳感器主要用于測量環境溫度和大氣壓，進而計算空氣密度，利用AVR單片機計算當前的風速值，即為傳感器測量的風速值。傳感器測量的風速值一方面通過數碼管就地顯示，另一方面使用數字信號或者頻率信號上傳至煤礦瓦斯安全監控系統。整個系統需要電源模塊供電，并且當測量到的風速值超出了設定的范圍時，傳感器發出聲光報警，通知相關人員或者系統采取措施。

3 軟件設計

結合到本系統的測量原理和硬件結構，所設計的軟件需要完成三方面功能：包括溫度、大氣壓和差壓傳感器的采集；利用相應的算法計算當前的風速值；顯示測量的風速值并上傳；判斷并執行是否報警。軟件的主要流程圖如圖所示：

4 實驗測試及性能參數

基于本文設計的風速傳感器，按照煤礦行業標準《MT448-2008礦用風速傳感器》的要求，對皮托管式的傳感器采用了常規風洞試驗、溫度特性試驗、溫度存儲實驗等。得到了傳感器的如下性能指標：

（1）工作環境條件

溫度：0～40度

濕度：≤96%

大氣壓力：（80～120）kpa

（2）主要特征

傳感器具有風速、風向檢測功能；

傳感器具有輸出狀態指示功能；

傳感器具有遙控功能；

傳感器具有聲光報警功能；

（3）主要技術指標

工作電壓、工作電流

a）工作電壓：（9～25）V DC ；

b）工作電流：≤180mA。

風速信號輸出制式（出廠時輸出信號制式為三選一）：

a）電流：DC 4 mA～20 mA（負載電阻0Ω～500Ω）；

b）頻率：200 Hz～1000 Hz（脈沖寬度大于0.3ms）；

c）數字信號： RS-485 數字通信，實現風速、風向、風量信號的同時輸出。

測量范圍：（0.3～15）m/s

基本誤差：±0.2m/s

5 結語

基于AVR的皮托管礦用風速傳感器很好的解決了傳統的風速傳感器測量不準確，反應慢，不穩定，不能夠適應煤礦惡劣環境的使用要求。實驗結果表明，風速傳感器的測量誤差完全滿足行業標準《MT448-2008礦用風速傳感器》的要求，具有溫度穩定的特定，適合大規模生產和使用。

參考文獻

[1] 孟小紅，楊誠，朱正憲.我國礦用風速儀表概述[J].計量與測量技術，2004.02

[2] 蔣澤，郝葉軍，劉炎.一種礦用皮托管風速傳感器設計[J].工礦自動化，2012.11

作者簡介

高亮（1986-），男，重慶人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為傳感器技術。