光機電一體化多功能煤礦礦工安全帽

鄭開陸1,張誌明2(1.武漢江漢大學機電與建築工程學院,湖北武漢430056,2. 武漢市 君正科技公司,湖北武漢430000)

摘　要:介紹了一種集護首、瓦斯檢測(瓦斯超限燈光報警)、變光照明等多功能的煤礦礦工安全帽。它采用高效能鋰電池為電源,用機械強度高的工程塑料製作帽體,節能發光體,高精度的瓦斯傳感器,以單片機PIC 16F 630為控製核心的光機電一體化的產品。其具有多功能集成、節能、對瓦斯的靈敏檢測、燈光報警方式(適合噪音大的場合)和工作周期長等特點。它還能用於其它的搶險救災場合。

關鍵詞:瓦斯傳感器;脫附;變光照明;燈光報警

中圖分類號:TD621　　　　文獻標識碼:B　　　文章編號:1003-496X(2006)06-0037-02

1　設計煤礦礦工安全帽的主導思想

1.1　著裝標誌和護首功能

煤礦礦工安全帽是煤礦礦工的著裝標誌,要保證美觀性和一致性。應有足夠的機械強度保護戴帽者的頭部,所以帽體用工程塑料ABS由塑料模注射成形。用於不同的場合,以帽體的顏色不同來區別。

1.2　電源和照明

為了(一次充電後)使工作周期長,需采用體積小、質量輕、高效能的鋰電池和節能的發光體,通過發光體的不同組合可進行變光照明,這也是節能的措施之一。特別是在礦難發生時,被困者提供盡可能長時間的亮光支持。為此要考慮在井下利用現場的能源對鋰電池充電。電源還需根據係統中各元件的要求提供不同的工作電壓,係統應設有效率高的升壓、降壓電路。

1.3　靈敏穩定的瓦斯傳感器

選擇靈敏、穩定的瓦斯傳感器是該安全帽完成環境瓦斯檢測的關鍵。它既要靈敏、精確又要穩定、可靠地檢測井下的瓦斯濃度,一旦瓦斯濃度超標及時、準確地發出報警信息。

1.4　報警方式

由於煤礦井下噪音大,不宜用聲音報警;以帽體振動報警消耗的能量大,也不能采用;應選用燈光報警,即照明的燈光按設置的不同規律閃爍,閃爍規律的差異表示不同故障的報警。

2　光機電一體化多功能煤礦礦工安全帽

2.1　控製電路

如圖1 (a)控製硬件框圖所示,以單片機PIC 16F 630為控製中心,對全電路進行控製。瓦斯傳感器接觸瓦斯後,其電阻發生變化,經外電路轉換為電壓的變化,瓦斯傳感器的插入點A的電位UA隨瓦斯傳感器是否插入,是否需要脫附,環境瓦斯濃度超標等狀態而變化。為了使單片機PIC 16F 630能識別這3種不同的狀態,選擇3種電壓(2種基準電壓、1種參考電壓)經3個電壓比較器與UA比較,可得到3個電壓比較器的不同輸出狀態(“0”態或“1”態),將其分別輸入到單片機PIC 16F 630的7、8、9、3個腳。即UA基準電壓一比較(輸入7腳)檢測瓦斯傳感器是否接入、是否損壞;UA與基準電壓二比較(輸入8腳)判斷瓦斯傳感器是否需要進行脫附處理(即該瓦斯傳感器第一次使用或長期未使用,重新啟用時,均需要通過較大的電流清除其表麵的附著物,以保證其對瓦斯檢測的靈敏度);圖1中的“參考電壓調整”和UA經電壓比較器輸入9腳,使瓦斯傳感器能準確、穩定地工作。即瓦斯濃度超標時,能準確、及時地發出報警信息,瓦斯濃度未超標時,也不會誤報。12個節能照明發光體分為5組,它們被裝在同一燈罩內,在不同的場合由使用者選擇不同組數的發光體來達到變光照明、節能的效果。接收手動按鍵輸入10腳的變光照明選擇信號(上電時發光體的初始態為全滅,按鍵按一下就增亮一組,增亮到五組後,,按鍵按一下就減亮一組,直到全滅。分別由2、3、4、12、13腳控製發光體的亮和滅)。單片機PIC 16F 630中存放著數種發光體閃爍的報警信號可供使用者選擇控製2、3、4、12、13腳使發光體閃爍報警。使用者可用以上類似的方法,經按鍵(輸入

圖1　光機電一體化多功能煤礦礦工安全帽控製硬件與主程序框圖11腳)選擇發光體報警的類型。節能發光體的工作電壓為3.7 V,由鋰電池直接供給;瓦斯傳感器的工作電壓為6 V,由鋰電池經振蕩、升壓、整流、濾波生成;單片機PIC 16F 630的工作電壓為5 V,由6 V電壓經二極管降壓產生。

2.2　控製軟件

單片機PIC 16F 630為簡單指令型單片機,不需外接晶振,CMOS、節能、抗幹擾能力強,有12個I/O口(2~13腳)。如圖1(b)為控製主程序框圖所示,單片機初始化包括:堆棧、I/O口、定時/計數器、寄存器等的設置;CPU按主程序框圖所示的順序查詢輸入口(箭頭指向單片機的口,如:7、8、9、10、11腳)的狀態,對瓦斯傳感器是否缺損、是否需脫附進行檢測,使其工作在正確的狀態,對瓦斯濃度超標進行準確的判斷,對發光體組數和報警形式選擇實時地準確識別。經輸出口和脫附電路等部分的正常工作。

　　表1將試製的光機電一體化多功能煤礦礦工安全帽樣品按給定表中的“測試條件”,在實驗中心進行測試得出如的特性參數,有些參數(如光源壽命等)由元件生產廠家提供的。

表1　多功能安全帽特性參數表

　　作者簡介:鄭開陸(1948-),男,武漢人,工學碩士,副教授,江漢大學機電與建築工程學院機電係主任,從事機械加工、機電一體化的教學科研工作。