一种内置本安电源模块的多功能便携式甲烷检测报警仪的制作方法
【专利摘要】一种内置本安电源模块的多功能便携式甲烷检测报警仪，包括用于检测甲烷的甲烷检测单元、用于检测环境温度的温度检测单元、用于显示报警的LED显示单元和报警电路单元、以及用于控制所述检测报警仪各部分运行的单片机，所述检测报警仪的各部分单元电路由本安电源模块供电，所述的本安电源模块设有一本安电源电池组和一个用于控制电池充电的充电控制器。本实用新型采用便携式仪器内置本安电源模块的特有结构，电源模块的核心检测控制电路直接与电池连接，避免了充电电极间接触电阻、导线电阻和阻塞二极管等效电阻的影响，可以准确检测电池充电状态从而采用适当的充电模式，确保安全充满电量。
【专利说明】一种内置本安电源模块的多功能便携式甲烷检测报警仪
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种甲烷检测装置，尤其是涉及一种内置本安电源模块的多功能便携式甲烷检测报警仪。
【背景技术】
[0002]在使用可充电电池供电的本安型便携式仪器领域，便携式仪器和充电器是两个相互独立的电器，便携式仪器为本安防爆型，可以在有爆炸危险的场所使用；而充电器为非防爆电器，只能在安全场所为便携式仪器充电。便携式仪器内部安装有可充电电池，电池依靠设置在仪器壳体上的充电电极与充电器连接，进行充电。在充电电路中，由于便携式仪器充电电极与充电器电极接触电阻、导线电阻和阻塞二极管等效电阻的影响，充电器不能准确检测电池充电电压，容易造成电池欠充或过充。欠充使电池容量达不到标称值，减少放电时间，长期过充则缩短电池使用寿命。
实用新型内容
[0003]本实用新型的目的是为解决上述技术问题的不足，提供一种内置本安电源模块的多功能便携式甲烷检测报警仪，解决了便携式仪器充电电极与充电器电极接触电阻、导线电阻和阻塞二极管等效电阻的影响致使充电器不能准确检测电池充电电压，容易造成电池欠充或过充等问题。
[0004]本实用新型为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是:
[0005]一种内置本安电源模块的多功能便携式甲烷检测报警仪，包括用于检测甲烷的甲烷检测单元、用于检测环境温度的温度检测单元、用于显示报警的LED显示单元和报警电路单元、以及用于控制所述检测报警仪各部分运行的单片机，所述检测报警仪的各部分由本安电源模块供电，所述的本安电源模块设有一本安电源电池组和一个用于控制电池充电的充电控制器，充电电源的正极经两个阻塞二极管给充电控制器供电，充电控制器的充电输出端接至本安电源电池组电池的正极，电池的正负极之间接有串联的两个分压电阻，两个分压电阻之间的公共端连接至充电控制器的电压检测端，所述充电控制器还设有用于输出充电工作状态信号的输出端，该输出端连接至LED显示单元。
[0006]所述的甲烷检测单元通过信号处理单元与单片机连接。
[0007]所述的充电控制器用于指示充电工作状态信号的输出端经过一个限流电阻连接至LED显示单元。
[0008]所述的单片机采用美国Silabs公司的C8051F310高速单片机。
[0009]所述的温度检测单元采用DS18B20单总线温度传感器。
[0010]所述的甲烷检测单元为一个采用惠斯通电桥电路连接组成的检测单元。
[0011]所述的时钟电路单元采用ISL1208时钟芯片配32768HZ晶振。
[0012]所述的LED显示单元采用单片机I/O 口直接动态驱动。
[0013]本实用新型的有益效果是:本实用新型采用便携式仪器内置本安电源模块的特有结构，电源模块的核心检测控制电路直接与电池连接，避免了充电电极间接触电阻、导线电阻和阻塞二极管等效电阻的影响，可以准确检测电池充电电压，根据电池充电电压的变化，自动采用适当的充电模式，确保安全充满电量。
[0014]本实用新型采用新型单片机为控制核心，配置载体催化传感器、温度传感器、时钟、仪表运算放大器、报警蜂鸣器、按键和LED数码管等外围元件，完成环境甲烷气体浓度检测、环境温度检测、电池电压检测和气体浓度超限报警等功能。仪表零点、满量程、气体报警浓度和时间可以通过按键软设置、存储，检测数据或设置值可以通过LED数码管显示。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本实用新型的原理示意图。
[0016]图2为本实用新型中本安电源的电气原理示意图。
[0017]图3为本实用新型中充电过程电压、电流变化图。
[0018]图4为为本实用新型中本安电源结构示意图。
[0019]图不标记:1、模块外壳；2、电池组；3、导线；4、电路板；5、兀件；6、烧封层；J1、电路插头；C1和C2、电容器；U1、充电控制器；D1和D2、阻塞二极管；R1?R5电阻器；R6安全电阻器；E1镍氢电池组。
【具体实施方式】
[0020]图中所示，【具体实施方式】如下:
[0021]一种内置本安电源模块的多功能便携式甲烷检测报警仪，包括用于检测甲烷的甲烷检测单元、用于检测环境温度的温度检测单元、用于显示报警的LED显示单元和报警电路单元、以及用于控制所述检测报警仪各部分运行的单片机，所述检测报警仪的各部分由本安电源模块供电，所述的本安电源模块设有一组镍氢电池和一个用于控制电池充电的充电控制器，充电电源的正极经两个阻塞二极管给充电控制器供电，充电控制器的充电输出端接至镍氢电池的正极，电池的正负极之间接有相串联的两个分压电阻，两个分压电阻之间的接点连接至充电控制器的电压检测端，所述充电控制器还设有用于指示充电工作状态信号的输出端，该输出端连接至LED充电指示灯，电池经安全电阻限流后为整机供电。
[0022]所述的甲烷检测单元通过信号处理单元放大、处理后与单片机连接。
[0023]所述的充电控制器用于指示充电工作状态信号的输出端经过一个电阻连接至LED充电指示灯。
[0024]所述的单片机采用美国Silabs公司的C8051F310高速单片机。
[0025]所述的温度检测单元采用DS18B20单总线温度传感器。
[0026]所述的甲烷检测单元为一个惠斯通电桥检测电路连接而成的检测单元。
[0027]所述的时钟电路单元采用ISL1208时钟芯片配32768HZ晶振。
[0028]所述的LED显示模块采用单片机I/O 口直接动态驱动。
[0029]所述的本安电源包括电源外壳1、电池组2、导线3、电路板4、元件5和浇封层6，电池组2与电路板4正确连接并安装在电源外壳I中，元件5安装在电路板4上通过浇封层6将电池组2、电路板4、兀件5和电源外壳I烧注成一体结构。
[0030]整机由单片机、甲烷检测和信号调理、温度检测、电压检测、时钟电路、报警电路、控制按键、LED显示和本安电源模块等部分组成，参见附图一电路原理框图。
[0031]单片机采用美国Silabs公司的C8051F310高速单片机作为为核心控制器，C8051F310速度可达25MIPS，内部集成有AD转换器、比较器、定时器、FLASH存储器等功能模块，满足系统设计要求。
[0032]甲烷浓度采用惠斯通检测电桥，检测到的模拟信号经仪表放大器调理后进入单片机做AD转换变为数字信号，数字信号通过计算、处理后，供后续报警、显示使用。
[0033]温度检测采用DS18B20单总线温度传感器，该温度传感器由单根总线实现与单片机的命令、数据交互传输，使用时不需进行温度标校即可保证精度，减少了仪器日常标校工作量。
[0034]电池电压检测采用精密电阻分压网络取样，单片机内置多路开关通道进行转换，系数可以从按键更改、设置。
[0035]时钟采用ISL1208时钟芯片，配32768HZ晶振，实现时钟功能。ISL1208与单片机通过SMBus总线相连,实现时钟调校。
[0036]报警电路采用单片机直接驱动方式，完成甲烷浓度超限报警和电池低电压报警。
[0037]控制按键采用简单四键作为输入接口，实现开关机、调校功能选择和参数预设值的增、减操作，可以修改甲烷检测零点、满量程、报警值，也可以设置电压检测系数、时钟的时、分数值。
[0038]LED数码管显示单元采用单片机I/O 口直接驱动的动态显示方式，最大限度利用单片机资源，简化电路。在正常模式可以显示甲烷浓度、温度值、电池电压、报警设定值和时、分；在调校模式可以显示零点、满量程值、报警设定值、时、分等，配合按键进行参数修改。
[0039]本安电源模块采用电池与充电管理电路一体化设计,充电管理电路自动检测电池充电时的电压，根据电池电压，自动完成对可充电电池的涓流充电、恒流充电、维持充电的精确控制。在结构设计上，将阻塞二极管、自动充电控制电路、安全电阻安装在一块印刷电路板上，和可充电电池正确连接后一起安装在一个绝缘材料制成的壳体里，将充电电源的正、负极、电池正极和充电状态指示信号用导线引出，电池、电路板和壳体采用环氧树脂浇封，构成一个本质安全型的电源模块。
[0040]I)多功能甲烷检测报警仪主板
[0041]按照技术方案设计电气原理图、印刷电路板图，制作电路板。在印刷电路板设计时，考虑到仪器小型化和批量生产，尽可能选用表面贴装元件，适应自动贴装和回流焊接生
产工艺。
[0042]根据电路主板、电池模块和传感器尺寸设计仪器外壳模具加工图，开模。
[0043]2)本安电源模块
[0044]本实用新型内置的本安电源模块由镍氢电池组、充电自动控制电路和本质安全电路组成，充电自动控制电路直接与电池正、负极相连，消除了导线电阻、二极管等效电阻、电极接触电阻的影响，保证了精确的充电过程控制。通过选择适当的安全电阻阻值、功率，实现本质安全性能；电池模块通过四根导线与仪器主板直接连接，简单可靠。
[0045]本实用新型适用于镍氢电池组成的电源模块，在以下说明中以镍氢电池为例，若使用锂电池时，只需更换Ul型号调整部分元件参数即可。[0046]电路原理:
[0047]充电时，直流电源经充电电极接入Jl电路插头的J1-UJ1-2端，其中Jl-1为电源正极，J1-2为负极。直流电源正极经过阻塞二极管D1、D2加至充电控制器Ul的4脚，为充电控制电路和充电主回路提供电源。D1、D2的作用是防止外露的充电电极触点短路产生电火花。充电控制器Ul是适用镍氢电池的线性充电控制器，内置的功率晶体管通过5脚对电池进行充电。充电电流用外部电阻R3编程设定，最大持续充电电流可达1A。芯片内部的功率管理电路在芯片的结温超过115°C时自动降低充电电流，具有过热保护功能。
[0048]当输入电压大于电源低电压检测阈值时，Ul开始对电池充电,管脚7输出低电平，表示充电正在进行，由J1-4输出，可通过外接限流电阻和LED灯指示充电状态，充电时LED点亮。电池电压通过R4、R5分压接入管脚8，合理确定分压比，可以设置最高充电电压，保证充电饱满。管脚8自动检测电池充电电压，如果电池电压低于最高充电电压的69%时，充电器用小电流对电池进行涓流充电。当电池电压超过最高充电电压的69%时，充电器采用恒流模式对电池充电，充电电流由管脚2和GND之间的电阻R3确定。当电池电压接近最高充电电压的93%时，进入维持充电模式，充电器改用小电流对电池进行充电，同时启动定时器计时，定时时间到后，充电结束，定时时间由RlCl设定。充电结束后，Ul的管脚7输出高阻态，外接LED熄灭指示充电结束。当电池电压降到充电阈值以下时，自动开始新的充电周期。芯片内部的高精度的电压基准源，误差放大器和电阻分压网络确保电池端调制电压的精度在1%以内，满足了镍氢电池的要求。参见图三充电过程示意图。
[0049]放电时，模块中电池正极通过安全电阻R6接至J1-3 ;负极接入J1-2，为仪器供电，其中负极充、放电共用。合理选择R6的阻值和功率，即可限制电池放电电流，使输出能量在规定的实验条件下产生的电火花或热效应均不能点燃规定的爆炸性气体混合物，实现电池模块的本质安全型防爆性能。
[0050]本安模块外壳采用抗静电绝缘材料制成，电路板和电池正确连接、调试好后一起装入模块外壳，引出导线从出线孔引出。电路板与电池的连线要尽可能短，减小导线等效电阻。安装完成后，用环氧树脂或其它绝缘材料进行浇封，自由面浇封厚度大于I毫米。参见图三电池模块结构示意图。
[0051]多功能甲烷检测报警仪主板硬件调试好后，写入监控程序，完成联机调试；将主板和本安电源模块仪器装入仪器外壳，连接导线，即组装成产品。
[0052]本实用新型所列举的技术方案和实施方式并非是限制，与本实用新型所列举的技术方案和实施方式等同或者效果相同方案都在本实用新型所保护的范围内。
【权利要求】
1.一种内置本安电源模块的多功能便携式甲烷检测报警仪，包括用于检测甲烷的甲烷检测单元、用于检测环境温度的温度检测单元、用于显示报警的LED显示单元和报警电路单元、以及用于控制所述检测报警仪各部分运行的单片机，所述检测报警仪的各部分由本安电源模块供电，其特征在于:所述的本安电源模块设有一本安电源电池组和一个用于控制电池充电的充电控制器，充电电源的正极经两个阻塞二极管给充电控制器供电，充电控制器的充电输出端接至本安电源电池组电池的正极，电池的正负极之间接有串联的两个分压电阻，两个分压电阻之间的公共端连接至充电控制器的电压检测端，所述充电控制器还设有用于输出充电工作状态信号的输出端，该输出端连接至LED显示单元。
2.根据权利要求1所述的一种内置本安电源模块的多功能便携式甲烷检测报警仪，其特征在于:所述的甲烷检测单元通过信号处理单元与单片机连接。
3.根据权利要求1所述的一种内置本安电源模块的多功能便携式甲烷检测报警仪，其特征在于:所述的充电控制器用于指示充电工作状态信号的输出端经过一个限流电阻连接至LED显示单元。
4.根据权利要求1所述的一种内置本安电源模块的多功能便携式甲烷检测报警仪，其特征在于:所述的单片机采用美国Silabs公司的C8051F310高速单片机。
5.根据权利要求1所述的一种内置本安电源模块的多功能便携式甲烷检测报警仪，其特征在于:所述的温度检测单元采用DS18B20单总线温度传感器。
6.根据权利要求1所述的一种内置本安电源模块的多功能便携式甲烷检测报警仪，其特征在于:所述的甲烷检测单元为一个采用惠斯通电桥电路连接组成的检测单元。
7.根据权利要求1所述的一种内置本安电源模块的多功能便携式甲烷检测报警仪，其特征在于:所述的时钟电路单元采用ISL1208时钟芯片配32768HZ晶振。
8.根据权利要求1所述的一种内置本安电源模块的多功能便携式甲烷检测报警仪，其特征在于:所述的LED显示单元采用单片机I/O 口直接动态驱动。
【文档编号】G01N27/00GK203519532SQ201320719959
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年11月15日 优先权日:2013年11月15日
【发明者】袁本银, 姬晓, 白晓满, 孙东, 刘兰云, 程玉红, 张丽丽, 周英, 董倩 申请人:中国平煤神马能源化工集团有限责任公司天成实业分公司