勘探光電一體化多功能安全帽的機(jī)理研究

萬 濤，曾 進(jìn)，韓 濤，孫 虎

(1.武漢海翼科技有限公司，武漢 430079； 2.江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

人們對地下資源勘探需求日趨迫切，因此地下工作人員的安全問題尤為重要[1-3]。尤其是氧氣稀薄的工作環(huán)境成為威脅地下勘探作業(yè)人員生命財產(chǎn)安全的主要因素[4]，研究用于地下勘探的光電一體化多功能安全帽已迫在眉睫。

用于氧氣檢測的氣體傳感器的研發(fā)始于20世紀(jì)30年代，按所用氧氣氣敏材料及氧氣靈敏特性不同，主要有半導(dǎo)體、固體電解質(zhì)、電化學(xué)、接觸燃燒、高分子氧氣氣敏傳感等[5-6]。現(xiàn)有的氧氣報警器多采用貴金屬催化劑氧氣氣敏元件，但因催化劑中毒而影響了氧氣報警的準(zhǔn)確性及安全性。此外，常溫下氧氣敏感度較低，隨著溫度的升高氧氣敏感度增加。

光電一體化多功能安全帽的持久動力離不開鋰電池的應(yīng)用。鋰電池是一類以金屬鋰或含鋰物質(zhì)作負(fù)極的化學(xué)電源的總稱，1958年美國加州大學(xué)開始了對鋰電池的研究[7]，1971年日本松下公司發(fā)明了鋰氟化碳電池并使鋰電池實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用化、商品化[8]。與常規(guī)電池相比，其具有電壓高、比能量大等特點(diǎn)。已實(shí)用化的鋰電池有LiMnO2、LiSOCl2、LiSO2等，而當(dāng)鋰電極用碳代替時便成了新式的鋰離子蓄電池。

單片機(jī)是把中央處理器(CPU)、隨機(jī)存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、輸入/輸出端口(I/O)等主要計算機(jī)功能部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機(jī)。單片機(jī)具有性能高、速度快、體積小、價格低、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛、通用性強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)的設(shè)計目標(biāo)主要是增強(qiáng)控制能力，滿足實(shí)時控制方面的需要，因此它在硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、I/O端口、功率消耗及可靠性等方面均有其獨(dú)特之處，其最顯著的特點(diǎn)之一是具有非常有效的控制功能。而應(yīng)用于地下勘探光電一體化多功能安全帽的控制系統(tǒng)選用了已經(jīng)成熟的單片機(jī)接口，為安全帽的研制提供了極大的便利。

1 光電一體化多功能安全帽設(shè)計功能及要求

用于地下勘探光電一體化多功能安全帽的設(shè)計需實(shí)現(xiàn)的主要功能：

著裝標(biāo)志和護(hù)首功能。地下勘探光電一體化多功能安全帽是地下工作者的著裝標(biāo)志，要保證一定的美觀性和統(tǒng)一性，應(yīng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度保護(hù)戴帽者的頭部。

電源和照明功能。特別是由于突發(fā)地下災(zāi)難時為被困者提供盡可能長時間的光照，為此要考慮在地下利用現(xiàn)場能源對鋰電池充電。電源需要根據(jù)系統(tǒng)中各元件的要求提供不同的工作電壓。鋰電池的選用較其他電池具有更優(yōu)異的性能。

靈敏、穩(wěn)定的氧氣傳感器功能。氧氣傳感器是光機(jī)電一體化多功能安全帽完成地下環(huán)境氧氣檢測的關(guān)鍵，既要靈敏精確又要穩(wěn)定，可靠地檢測井下的氧氣濃度，一旦氧氣濃度不達(dá)標(biāo)，應(yīng)及時準(zhǔn)確地發(fā)出報警信息。

燈光報警功能。由于地下噪音危害巨大，不宜用聲音報警，以安全帽體振動報警消耗的能量大。應(yīng)選用照明的燈光按設(shè)置的不同規(guī)律閃爍，以閃爍規(guī)律的差異實(shí)現(xiàn)不同故障的報警。

2 光電一體化多功能安全帽的工作原理

用于地下勘探的光電一體化多功能安全帽的工作控制基于單片機(jī)的工作效率，要求單片機(jī)的指令簡單，不需外接晶振，抗干擾能力強(qiáng)。而單片機(jī)PIC16F630是較好的選擇，圖1給出了其14個接口引腳說明。

在選用好單片機(jī)的基礎(chǔ)上應(yīng)對其進(jìn)行初始化，再對光電一體化安全帽的變光照明、燈光照明進(jìn)行判斷選擇。啟動氧氣傳感器檢測，當(dāng)氧氣傳感器無缺損時，對工作環(huán)境中的氧氣進(jìn)行檢測，經(jīng)脫附處理后，調(diào)整好工作電壓，使光電一體化多功能安全帽的檢測與報警功能進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

3 光電一體化多功能安全帽電路設(shè)計及機(jī)理分析

用于地下勘探的光電一體化多功能安全帽中的電路初始化包括堆棧、I/O接口、定時/計數(shù)器、寄存器等設(shè)置。在完成以上工作后，其中的CPU按圖3電路所示的順序查詢輸入口狀態(tài)，其中箭頭指向單片機(jī)接口，對氧氣傳感器是否缺損、是否脫附進(jìn)行檢測，使其工作處于正確狀態(tài)。對氧氣濃度是否達(dá)標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，對發(fā)光體組數(shù)和報警形式選擇實(shí)時的準(zhǔn)確識別，經(jīng)輸入出口控制變光照明。各種燈光報警和脫附電路等部分的正常工作如圖2所示。圖3給出了光電一體化多功能安全帽的總體電路設(shè)計圖。

圖2 光電一體化多功能安全帽電路機(jī)理圖Fig.2 Mechanism diagram of photoelectric integrated multifunctional safety helmet circuit

圖3 光電一體化多功能安全帽總體設(shè)計電路圖Fig.3 Overall design circuit diagram of photoelectric integrated multifunctional safety helmet

光電一體化多功能安全帽總體設(shè)計電路時，在單片機(jī)內(nèi)存儲常用氧氣傳感器所需用到的編碼，作業(yè)人員可通過輸入代碼或自動搜索兩種方式選擇遙控電器功能，達(dá)到通用目的，其中的各項(xiàng)特性參數(shù)如表1所示。

表1 光電一體化多功能安全帽主要特性參數(shù)Tab.1 Main characteristic parameters of photoelectric integrated multi-functional safety helmet

4 結(jié)語

應(yīng)用于地下勘探光電一體化多功能安全帽的研制與機(jī)理分析，大大提高了光電一體化多功能安全帽的實(shí)用效率，具有較強(qiáng)的實(shí)用價值，開創(chuàng)了光電一體化多功能安全帽研發(fā)的先河，并對此進(jìn)行了工作機(jī)制研究。為光電一體化多功能安全帽走向市場、提高地下工作人員的工作效率提供了廣闊的前景。