基于STM32的瓦斯突出檢測儀硬件電路設計

閆曉兵 張大磊 李敬

1．泰山科技學院通信工程學院；2．泰山科技學院教務處

預測煤與瓦斯突出并將預測結果指標化已經成為開采煤與瓦斯突出煤層現場一項必不可少的工作。是減少煤與瓦斯突出事故、實現煤礦安全生產的有效舉措。本文以應用研究為導向，設計了基于STM32的硬件電路，具有電路簡單、測量準確等優點，可有效彌補現有儀器的不足。

近年來，我國煤礦瓦斯事故的發生頻次仍然較高，國內外眾多專家學者對煤礦瓦斯突出的預測指標一直進行著不懈的研究與探討。礦用瓦斯突出檢測儀，是一種預測煤礦井下掘進工作面瓦斯突出危險性大小，能有效預測和防止瓦斯突出災害的現代化電子設備。它有利于作業人員實時掌握掘進工作面瓦斯突出的危險程度，在我國有著廣泛的應用。

但是此類礦用瓦斯突出檢測儀性能難以穩定，可靠性不高，測量數據不夠準確，功耗也比較大，甚至在使用的過程中運送也不十分方便。隨著嵌入式系統和DSP技術的飛速發展，此類儀器的工作速度和智能化程度也有了較大的提升空間。

1 硬件電路設計

1.1 硬件系統框圖

礦用瓦斯突出檢測儀，是一種典型的具備數據采集計算功能的嵌入式終端儀器。其硬件組成如圖1所示。

圖1 硬件系統框圖Fig.1 Hardware system block diagram

1.2 嵌入式微處理器選擇

為達到低功耗、高可靠性、操作簡便的目的，本設計采用選擇意法半導體的144引腳的增強型處理器STM32103ZET6芯片為中央處理器。該處理器采用32位Cortex-M3內核，片上系統時基（System Tick）能為輕量級操作系統的運行提供精準可控的硬件系統時鐘，能靈活定制應用軟件并運行輕量級操作系統。

為更好地運行嵌入式系統的圖形庫，在芯片內部已有64K字節SRAM的基礎上，又擴充了一片外部SRAM，以增加系統內存，具體電路如圖2所示。

圖2 外擴SRAM電路圖Fig.2 External expansion SRAM circuit diagram

1.3 數據存儲單元

為使系統具備存儲采集數據和系統配置的能力，設計了SPI Flash存儲器。SPI Flash選用SST25VF064C，工作電壓為3.3V，該存儲芯片容量為8MB。芯片采用SPI通信協議，可擦寫次數高達10萬次，數據保留時間長于100年。讀取和擦除方式十分靈活，在80MHz的讀操作下，工作電流僅12mA。SPI Flash存儲器電路如圖3所示。

圖3 SPI Flash存儲器電路Fig.3 SPI Flash memory circuit

1.4 傳感器和數據采集電路設計

作為硬件系統的關鍵部分，傳感器和A/D數據采集器的設計采用表壓型氣體壓力傳感器。由于實際工況中采集瓦斯解吸壓力數據時煤樣桶是暴露與大氣中的，所以壓力測量值必須要減去大氣壓力值，才能得到瓦斯解吸的實際壓力大小。大氣壓力傳感器芯片采用MS5611-01BA01芯片，通過I2C總線與處理器進行數據通信。氣體壓力傳感器采用PS1210芯片，傳感器和A/D數據采集電路如圖4所示。

圖4 傳感器和數據采集電路Fig.4 Sensor and data acquisition circuit

1.5 電源電路設計

系統的大部分模塊的供電電壓為3.3V，而數據采集模塊中的AD芯片除數字部分供電需要3.3V外，同時模擬部分需要5.0V進行供電。所以設計有兩種不用電壓值的穩壓電源。穩壓芯片采用DC-DC類型，使用TPS63001和TPS63002分別實現3.3V和5.0V的穩壓源供給。該系列芯片DC-DC轉換效率高達96%，輸入電壓范圍為1.8～5.5V，3.3V電壓下輸出電流可達1200mA，能很好的滿足本設計的硬件系統需求，具體電路原理如圖5所示。

圖5 電源電路Fig.5 Power supply circuit

2 性能測試

硬件電路系統加載由操作系統、圖形庫、驅動和應用程序構成的軟件系統后，軟件系統中的操作系統負責調度控制，驅動層負責管理硬件并實現和操作系統的對接。整機在煤礦井下210m的深度進行了實地測試。現場用42mm孔徑的鉆頭打預測孔3個，預測孔深10m。現場氣路連接如圖6所示。測量前煤樣罐先連通大氣，將煤樣放置至煤樣杯中，再將其平放到煤樣罐。關閉大氣通氣閥門并密封煤樣罐，操作儀器開始進行數據采集。等待5分鐘，采集結束，填寫并保存測量結果。預測結果如表1所示。鉆孔2煤層發生瓦斯突出的風險要較鉆孔1和3大，預測結果符合設計要求。

表1 預測測量報告Tab.1 Forecast measurement report

圖6 現場氣路連接電路Fig.6 Field gas circuit connection circuit

本文利用現代電子技術，設計了合理的硬件電路系統，并制造了較為高效可靠的工程樣機并進行了實測，達到了預期的設計效果。但本設計的應用場合為煤礦井下較為復雜惡劣的工作環境，對電氣設備的安全性具有非常高的要求。因此，本設計的電路性能及安全設計，客觀上仍有極大的提升空間。