CN203308520U - 便携式矿井缺氧及瓦斯检测一体化报警器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种便携式矿井缺氧及瓦斯检测一体化报警器。采取的方法是在每个矿工的安全帽上安装瓦斯和缺氧检测传感器，以单片机为控制核心，采用定时中断循环采样的方式实现瓦斯超标和缺氧的一体化移动式多点检测和实时报警。当两者之中任一情况发生时，报警器及时发出方式各异的声光报警，提醒矿工撤离，特别是对采掘工作面范围较广、工人分散作业的井下避免矿难的效果将更加显著。本报警器将瓦斯和氧气检测装置与矿工安全帽合为一体，使每个矿工都成为一个移动检测点，提高了检测的准确性和时效性。该报警器在小巧便携、简便实用的同时，成本低廉，灵敏高效，将会使中小型采矿企业乐于接受并有利于普及推广。
Description
技术领域
本实用新型属于检测技术领域，尤其涉及一种便携式矿井缺氧及瓦斯检测一体化报警器。
背景技术
瓦斯是煤炭开采的伴生物，瓦斯爆炸已成为我国矿难的第一大祸首。在矿井经常发生的事故中，矿工进入不通风区域造成的死亡也占很大比例，特别是缺氧窒息尤为严重。因此，如何准确监测瓦斯和氧气浓度，在其超限时提前预警并采取相应的预防措施已成为防止矿难频发的关键问题。实践证明，实时瓦斯浓度检测对保障煤矿安全生产，提高生产效率以及提高煤矿装备现代化水平，都有着举足轻重的作用。
目前我国大型煤矿基本上都配备了较大规模的瓦斯浓度检测系统，但其过高的造价、庞大的配置和高昂的运行成本阻碍了它在中小型煤矿的推广使用。中小煤矿大多采用小型的瓦斯检测仪，一般的做法是在矿井某些巷道中安装几个或者一个瓦斯检测仪器，当其浓度超过设定标准时就会自动报警，提醒工作人员撤离工作面，从而避免不安全因素发生。但因为检测点过少，无法保证在第一时间检测到瓦斯泄漏并报警，使得中小型煤矿的瓦斯爆炸案时有发生。因为气体是一个逐步的、随时扩散的过程，在检测仪个数很少情况下仪器检测到瓦斯超标的时候为时已晚，错过了有效组织矿工撤退的最佳时机。另一方面，在矿井生产过程中，由于采掘、地质构造和停风、停电等原因以及少数长期不通风的巷道都会造成缺氧地带。尽管国家《煤矿安全规程》中明确规定采掘工作面的进风流中，按体积计算，氧气不得低于20%。但我国煤矿企业一般只进行瓦斯、二氧化碳、一氧化碳的检测，而对氧气含量一般不进行检测，虽然煤矿井下缺氧窒息死亡事故时有发生，可这个问题一直没有引起应有的重视，很多企业对其危险程度仍认识不足。目前国内虽有一些厂家生产氧气检测仪，但体积大、价格高的缺陷使得许多采矿企业望而却步。
发明内容
本实用新型的目的是针对目前我国中小型煤矿企业在瓦斯及缺氧检测方面的缺陷提供一种便携式矿井缺氧及瓦斯检测一体化报警器。采取的方法是在每个矿工的安全帽上安装瓦斯和缺氧检测报警器，实现瓦斯超标和缺氧的一体化移动式多点检测和实时报警。当两者之中任一情况发生时，报警器在第一时间会发出方式各异的声光报警，及时提醒矿工撤离矿井，特别是对采掘工作面范围较广、工人分散作业的井下避免矿难的效果将更加显著。本报警器的最大优势是将瓦斯和氧气检测装置与矿工安全帽结合为一体，使每个矿井工人都成为一个移动检测点，提高了检测的准确性和时效性。该报警器在小巧便携、简便实用的同时，成本低廉，性价比高，灵敏高效，抗干扰能力强，将会使中小型采矿企业乐于接受并有利于普及推广。
本实用新型通过以下技术方案来实现：该报警器以8051单片机为控制核心，将用于检测瓦斯和氧气浓度的两个传感器接入单片机输入端。单片机以定时中断的方式依次检测各参数，在瓦斯超标及缺氧时以不同的输出方式经音响控制电路芯片KD9561驱动喇叭发出不同的报警声响，并驱动接在并行口上的相应的发光二极管点亮以光的形式报警。连接在INT0上的消警按钮的作用是在其被按下后使音响控制电路不能工作，从而停止报警声响，发光二极管继续点亮直到各项指标恢复正常后熄灭。
本实用新型检测报警部分详细的技术方案是由MC112催化燃烧式气敏元件和OS-12原电池式氧气传感器分别作为瓦斯和浓度检测元件，分别经放大器LM741和μPC245A后将瓦斯和氧气转化为模拟电压，接至8位A/D转换器ADC0809的IN1与IN0端。单片机对每个通道循环采样并经软件滤波后将转换后的数字量信号交给8051单片机进行处理。单片机经过比较判断后，在检测参数异常情况下，以声光报警的形式提醒矿工出现危险，以便矿工及时撤离现场。其中声音报警信号在四模拟声集成电路芯片KD9561的控制下以两种不同的声响方式实现，即瓦斯报警用火警声实现，缺氧报警以救护车声音发声，这样可以使矿工在第一时间及时了解报警原因，迅速采取相应措施，有效保障矿工生命安全。光报警信号采用点亮两个不同的发光二级管的方式实现。
在发出声光报警信号的同时，当矿工按下消警按钮后，进入外部中断0中断服务程序，通过单片机输出使继电器KA吸合，KD9561在SEL2管脚为低电平时为不工作状态，将使喇叭报警声自动停止。但此时发光二级管不受影响，维持原来的状态保持不变。
本实用新型有益效果是：将瓦斯传感器、氧气传感器与矿井安全帽相结合，使每个矿井人员都有一个小型便携式的一体化报警器。整个报警器因嵌入安全帽中，不额外增加工人负重，也不会对生产造成任何负面影响。此报警器不仅可以实时检测瓦斯超标，还可以检测巷道内是否缺氧，使每个矿井工人都成为一个移动检测点，在出现险情时能够在第一时间预警，特别是对采掘工作面范围较广、工人分散作业的井下避免矿难的效果将更加显著。报警器所用的元器件以体积小巧、灵敏度高、安全可靠、成本便宜为选用原则，在设计上采用单片机软硬件结合及多种中断的方式，使报警器既适合在安全帽上装配，又提高了检测的准确性和时效性。该报警器在小巧便携、简便实用的同时，成本低廉，性价比高，灵敏高效，实时性好，将使中小型采矿企业乐于接受并有利于普及推广。
附图说明
图1是本实用新型硬件框图。
图2是单片机输入输出原理图。
图3是单片机主程序流程图。
图4是单片机定时中断服务程序流程图。
图5是单片机INT0中断服务程序流程图 。
图6是矿工安全帽上本报警器面板布置图。
图6中：1—瓦斯传感器，2—氧气传感器，3—喇叭，4—瓦斯超标指示灯，5—缺氧指示灯，6—消警按钮，7—铭牌，文字为“瓦斯超标”，8—铭牌，文字为“缺氧”，9—铭牌，文字为“消警按钮”。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步的说明 。在报警器中安装MC112催化燃烧式气敏元件作为瓦斯传感器，OS-12原电池式氧气传感器作为氧气检测元件。MC112由检测元件X1和补偿元件X2组成电桥的两个臂，当检测到瓦斯中主要成分甲烷气体超过一定数值时补偿元件表面起催化反应，使检测元件电阻升高，电桥失去平衡，在输出端将有电压输出。该电压随瓦斯浓度增大而成正比例增大。OS-12的工作原理是氧气穿过传感器隔膜时起化学反应，从而形成电流，电流的大小与氧气的浓度呈正比。通过对电流的检测可以知道氧气的浓度。这种传感器在0%～100%氧气浓度范围内有线性输出。
将报警器中的传感器、操作及显示元器件布置在矿工安全帽中下部，并以铭牌文字表示报警灯和按钮操作的含义。
在该系统中采用以20S定时中断为采样周期对瓦斯超标及缺氧进行采样并以不同的方式输出，这是保证报警器实时性的一个重要措施。因单片机系统所接的晶振为6MHZ，定时器0在方式1时最大的定时时间只有130ms，所以在主程序初始化时定时器0是以100 ms定时中断方式进行设计的。要完成20S的定时中断，只有在进入100ms定时中断200次后才能实现。以此为目的，在主程序中设计了一个初值为200次的软定时器。每当100ms进入定时中断服务程序1次时，执行软定时器值减1操作，当软定时器值为0时就表示20S采样周期到来。
报警器喇叭发声由四模拟声集成电路芯片KD9561控制，KD 9561的输出为第3管脚，SEL1和SEL2是两个选声触发端。音响控制电路工作原理为：当SEL1和SEL2均悬空时，输出声音为警车声；当SEL1为高电平、SEL2悬空时，输出声音为火警声；当SEL1为低电平、SEL2悬空时，输出声音为救护车声；当SEL1任意接、SEL2为高电平时，输出声音为机关枪声；当SEL2为低电平时，KD 9561不工作。
在矿山开采工作中，当井下巷道中出现瓦斯浓度超过一定数值时，MC112瓦斯传感器将检测到这一现象并使电桥有一定的电压输出。这个微弱电压经放大器LM741放大后将输出0～5V的标准电压信号送入ADC0809的通道1，此时ADC0809的CLK是由8051的ALE经74LS74分频后获得的。在每个20S采样周期到来后，由P2.0与WR决定通道地址的选择和启动A/D转换。当检测到EOC=1时，表示A/D转换结束。为了减少各种干扰，在软件设计时采用连续采样5次，最后以平均值作为最终采样值的滤波方式保证采样数据的真实可靠。当经比较确定瓦斯超标后，令P1.3=0、P1.2=1，此时KD9561的两个触发端SEL1接高电平、SEL2悬空，将通过第3管脚的输出端控制喇叭发出火警声效的报警声。同时，令P1.0=0，发光二极管LED1点亮。
当井下采掘点空气流通较差或矿工误入废弃不用的巷道时，安全帽上的氧传感器检测到这一险情后，其输出电流将会变化。经过直流放大器μPC245A后送入ADC0809的通道0。通过调节电位器R8，可以调节放大器的增益。与瓦斯检测原理相同，在每个20S采样周期到来后，单片机以5次采样后的平均值确定检测到的氧气含量。在氧气含量低于20%不能满足正常的呼吸时，确定为缺氧状态。此时令P1.3=0、P1.2=0，KD9561的两个触发端为SEL1接低电平、SEL2悬空状态，将通过第3管脚的输出端控制喇叭发出救护车声效的报警声。同时，令P1.1输出低电平，发光二极管LED2点亮。
在报警器输出声光报警信号的同时，当矿工按下位于安全帽面板上的消警按钮后，INT0端为低电平。单片机检测到INT0端的低电平有效中断请求信号后，进入外部中断0中断服务程序。此时通过使P1.3输出高电平使继电器KA线圈吸合，并使连接在KD9561的SEL2端的KA常开触点闭合，此时SEL2管脚为低电平。KD9561在SEL2管脚为低电平时为不工作状态，将使喇叭报警声自动停止。但此时发光二级管不受影响，维持原来的状态保持不变。
当井下空气中瓦斯浓度不超标和氧气浓度较高时，单片机将通过使P1.3 、P1.0、 P1.1输出高电平停止声光报警信号。
Claims (3)
1.一种便携式矿井缺氧及瓦斯检测一体化报警器，其特征在于：该报警器以8051单片机为控制核心，将用于检测瓦斯和氧气浓度的两个传感器接入单片机输入端，单片机以定时中断的方式依次检测各参数，在瓦斯超标及缺氧时以不同的输出方式经音响控制电路芯片驱动喇叭发出不同的报警声响，并驱动接在并行口上的相应的发光二极管点亮报警；连接在INT0上的消警按钮的作用是在其被按下后使音响控制电路不能工作，从而停止报警声响。
2.根据权利要求1所述的一种便携式矿井缺氧及瓦斯检测一体化报警器，其特征在于：MC112催化燃烧式气敏元件作为瓦斯传感器，OS-12原电池式氧气传感器作为氧气检测元件。
3.根据权利要求1所述的一种便携式矿井缺氧及瓦斯检测一体化报警器，其特征在于：音响控制电路芯片由四模拟声集成电路芯片KD9561构成 。
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