基于光纖傳輸的礦用溫度傳感器設計

王祖迅

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶400039）

煤礦井下溫濕度對煤礦安全生產有著非常重要的影響[1]，在煤礦井下作業中，溫度是影響煤礦安全的重要因素之一，在有煤塵的危險環境中，若溫度過高很容易造成爆炸，對于溫度的檢測及報警提醒，一直是煤礦安全作用防護中的重點。隨著煤礦自動化、智能化水平的不斷提高，除了對環境溫度進行監測外，還要對抽采泵、排水泵、皮帶、風機等大型設備的溫度和電機溫度進行監測，防止設備因溫度過高而損壞，影響煤礦安全和生產[2-5]。目前大部分礦用溫度傳感器采用電纜線進行數據傳輸，在傳輸過程中容易受到電磁場的干擾，存在抗干擾能力差、傳輸速率低和傳輸距離短等問題。因此，筆者設計了一種基于光纖傳輸的礦用溫度傳感器，具備就地顯示及自動調校、超限報警等功能，通過光纖總線與監控分站通訊，實現對煤礦環境或大型機電設備的溫度在線監測。

1 傳感器總體設計及工作原理

1.1 傳感器總體設計

礦用溫度傳感器電路設計框圖如圖1 所示，主要由抗干擾電路、供電電路、Pt100 采樣電路、光纖通訊電路、顯示電路、遙控處理電路、聲光報警電路等組成。其中微處理器采用ARM CortexM3 內核的STM32 L1 超低功率微控制器STM32L051C8T6，可提供動態電壓調節、 一個超低功率時鐘振蕩器、比較器、 數模轉換器和硬件加密等功能。內置12 位AD 轉換模塊，片內集成了2 kB 的EEPROM，可用于存儲傳感器參數信息、報警值、通訊地址編碼等信息。

圖1 礦用溫度傳感器原理圖Fig.1 Schematic diagram of mine temperature sensor

1.2 傳感器工作原理

礦用溫度傳感器采用高精度的鉑電阻Pt100 作為溫度敏感檢測元件，測量時鉑電阻與標準電阻構成測量電橋電路，將環境或物體的溫度變化量轉換成相應的電壓信號，此信號經A/D 轉換器轉換后進入微處理器。通過微處理器反算出Pt100 鉑電阻的電阻值，查詢鉑電阻的分度表，將鉑電阻值轉換為相應的溫度值。通過顯示電路就地顯示環境或物體的溫度值，同時通過光纖遠距離傳輸至監控分站。

2 硬件電路設計

2.1 抗干擾電路設計

由于礦用溫度傳感器工作環境惡劣，對傳感器輸入電源進行二級浪涌、二級群脈沖抗干擾設計[6]，抗干擾電路如圖2 所示。在電源輸入接口處設計了雙向瞬態二級管5KP33CA 保護器件，保護電壓為33 V，可承受的瞬變電壓為7 kV。同時設計了防反接二極管SS14，可以消除電源正負極錯接對器件的損壞。通過對抗干擾電路的設計使傳感器具有靜電防護、抗浪涌電流、抗群脈沖干擾的能力。

圖2 抗干擾電路Fig.2 Anti interference circuit

2.2 供電電路設計

礦用溫度傳感器的供電來自于礦用本安電源箱，考慮到遠距離供電，電源箱輸出的電壓等級為15 V、18 V、24 V 等直流本安電源，而微處理器及外圍電路的工作電壓為3.3 V 和5 V，需要將不同電壓等級轉換為3.3 V 或5 V 的工作電壓等級，因此設計了將9～24 V 直流電壓轉換3.3 V 和5 V 電壓的電源電路，如圖3 所示。分站提供的9～24 V 本安直流電源首先經過KYB2405 電源轉換芯片，將9～24 V電壓轉換為5 V 電壓，供外設電路使用。然后再將5 V 電壓經過SPX1117M3 電源轉換芯片，將5 V 電壓轉換成3.3 V 電壓供微處理器使用。其中對5 V 電源電路進行了三級過壓保護設計，保護電路由電阻、電容、齊納二極管MM3Z5V6T1G 和晶閘管RX0405K組成。正常工作時，齊納二極管和晶閘管均處于截止狀態，當轉換芯片輸出的電壓高于6 V 時，齊納二極管反向擊穿，將電壓鉗位在5.6 V，由于齊納二極管被擊穿，此時晶閘管的控制腳得到控制電壓，晶閘管處于導通狀態，將電壓拉低實現輸出保護，防止后續電路出現電壓過高而損壞。

圖3 供電電路Fig.3 Power supply circuit

2.3 Pt100 鉑電阻采樣電路

礦用溫度傳感器采用高精度鉑電阻Pt100 作為溫度敏感檢測元件[7-8]，在溫度為0 ℃時鉑電阻的阻值為100 Ω，當溫度變化時鉑電阻的阻值隨溫度有規律地變化，根據此原理設計了Pt100 鉑電阻采樣電路，如圖4 所示。Pt100 鉑電阻通過與R32、R34、R60組成測量電橋，經R56、R58進行線性運算放大器AD8237進行放大，再由運算放大器的Vo輸出引腳經過肖特基二極管BAT54S 進入微處理器的A/D 轉換器進行運算處理，將電壓信號轉換為對應的鉑電阻值，查詢鉑電阻的分度表，將鉑電阻值轉換為-30 ℃～200 ℃的溫度值。在Pt100 鉑電阻的輸入兩端設計有SMBJ5.0A 和SMBJ24A 單向瞬態抑制二極管，防止高電壓從Pt100 鉑電阻接線端子串入電路，損壞采樣電路的AD 放大器芯片和其它電路芯片。

圖4 Pt100 鉑電阻采樣電路Fig.4 Pt100 platinum resistance sampling circuit

2.4 光纖通訊電路設計

為了解決傳統的礦用溫度傳感器抗干擾能力差、傳輸速率低和傳輸距離短的問題，采用了收發一體化光纖收發模塊設計[9-10]，接口電路如圖5 所示。模塊的接口電平兼容標準的TTL 電平和CMOS電平，也可直接將RS232、RS485 等信號轉換成光信號進行傳輸。模塊由接收和發射兩個部分組成，接收部分采用平面工藝單PIN 光探測器，適用于對1100 nm～1700 nm 的光信號進行檢測，主放大器（限幅放大器）把接收到的信號放大到穩定的幅度，并轉換為標準TTL 輸出，還可以根據接收到的信號幅度提供信號檢測指示，當接收到的信號幅度由大減小到設定值時，信號檢測指示由高電平轉為低電平；發送部分主要選用高性能的1310 nm 多量子阱FP 激光發射器，閾值電流低、發光效率高、消耗功率低、傳輸距離最遠可達20 km。光纖收發模塊的RD 與微處理器UART 異步通訊接收引腳RXD 相連，TD 與微處理器UART異步通訊發送引腳TXD相連，通過SD 引腳控制數據在光纖模塊上的接收和發送，傳輸速率最高可達到10 Mbps。

圖5 光纖通訊接口電路Fig.5 Optical fiber communication interface circuit

2.5 顯示電路設計

礦用溫度傳感器顯示電路采用低功耗的4 位LED 數碼管進行設計，每個數碼管8 位全點亮時消耗電流為2.5 mA 左右，第一位顯示位狀態信息，后三位顯示監測數值和設置值，由微處理器動態控制數碼管段碼的位碼，如圖6 所示。顯示電路的段碼控制線通過1 k 的限流電阻與微處理器的I/O 口進行連接，位碼控制線通過三極管9013 與微處理器的I/O 口進行連接，在工作時任意時刻只有一個數碼管上電點亮顯示，需要顯示的數據在DB0～DB7上對應輸出字符的邏輯電平，對每位數碼管以45 Hz的頻率動態刷新。因此采用動態顯示電路設計既能有效減小工作電流消耗又能高亮度顯示溫度監測數值。

圖6 顯示電路Fig.6 Display circuit

2.6 紅外遙控電路設計

為避免對傳感器的零點、精度、報警點、通訊地址等參數進行開蓋設置，減輕工人勞動強度，采用紅外遙控作為傳感器的人機操作接口，在傳感器側設計紅外接收電路，電路如圖7 所示。電路由遙控接收頭IR 和三極管Q17及R12、R13、C28等阻容器件組成。輸入信息經遙控器編碼調制成一定頻率的紅外光發送給傳感器，傳感器的接收頭IR 接收到后會在OUT 引腳輸出高低電平信號。當接收頭IR 輸出高電平時，三極管Q17導通，YK 電位經三極管與地相通，輸出為低電平； 當接收頭IR 輸出低電平時，三極管Q17為高阻抗狀態，YK 此時的輸出電壓為VCC，輸出為高電平。微處理器采集YK 的高低電平及脈寬信息后，對調制信號進行解調處理，從而實現傳感器設置信息的輸入操作。

圖7 紅外遙控電路Fig.7 Infrared remote control circuit

2.7 聲光報警電路設計

礦用溫度傳感器設計有聲光報警功能，通過采用有源蜂鳴器KG1203 和高亮紅光二極管并聯作為聲光報警信號源，報警時以1 Hz 的頻率發出聲光報警，產生的報警聲音在1 m 內可以達80 dB 以上，產生的光亮強度在黑暗環境下20 m 外可見。當溫度監測數值低于報警限制值時報警電路不工作，漏電流約為2 μA，當溫度數值高于報警限制值時報警電路工作，工作電流25 mA。

3 軟件設計

礦用溫度傳感器的嵌入式軟件采用C 語言模塊化編程，為了提高微處理器的工作效率和不同子程序模塊的響應優先權，采用主程序循環執行與通訊子程序中斷執行混合方式設計，軟件流程如圖8所示。首先主程序進入參數初始化子程序模塊讀取傳感器的報警值、通訊地址等參數；然后進入Pt100采樣子程序，對采樣值進行計算和查詢鉑電阻分度表，得到相應的溫度值；在報警子程序模塊中通過與報警設定值進行比較，當有報警時控制聲光電路報警； 遙控子程序模塊檢測是否有遙控輸入信號，當有遙控輸入時進行遙控處理，解碼遙控器信息；最后在顯示子程序模塊中更新顯示的數據，動態刷新數碼管進行就地實時顯示。通訊子程序模塊采用中斷執行方式進行編寫，當有通訊中斷響應時，微處理器將準備好的數據幀發到總線上，通過光纖與上級監控分站進行遠距離傳輸。

圖8 軟件流程Fig.8 Software flow chart

4 測試結果

在實驗室通過溫度測試平臺對0 ℃～200 ℃的溫度范圍進行了測試，測試結果如表1 所示，傳感器的測量誤差≤±2.0%（F.S），滿足傳感器設計要求。在溫度值＜100 ℃時，顯示的分辨率為0.1 ℃，顯示值≥100 ℃時，顯示的分辨率為1 ℃。

表1 溫度測試表Tab.1 Temperature test

5 結語

通過對基于光纖傳輸的礦用溫度傳感器進行設計，能有效監測礦井的環境溫度和大型機電設備的工作溫度，為煤礦安全生產提供了保障。通過光纖進行與監控分站或交換機進行通訊，不僅能提高通訊速率，而且不受電磁環境的干擾，提高了數據傳輸的可靠性。通過實驗室測試表明，傳感器在-30 ℃～200 ℃的溫度范圍測量準確，報警、數據顯示、通訊等各項功能正常；通過光纖進行遠距離傳輸，傳輸速率最高可達10 Mbps，為多參數傳感器大數據量的高速傳輸提供了思路。傳感器通過與監控系統平臺聯網，在線顯示監測的溫度，對提高煤礦自動化、智能化水平具有重要作用。