一种煤矿用便携式无线激光甲烷检测报警仪的制作方法

本实用新型一种煤矿用便携式无线激光甲烷检测报警仪，属于甲烷浓度检测技术领域。

背景技术：

瓦斯为煤矿五大自然灾害之一，瓦斯事故是煤矿的主要安全事故。甲烷检测报警仪是煤矿瓦斯监控系统中监测瓦斯数据的重要仪器。目前煤矿井下使用的均为传统载体催化原理的甲烷检测报警仪，原理是甲烷气体在载体催化元件表面进行无焰燃烧，从而改变催化元件的电阻值，转变成电信号后用数值进行显示。在检测过程中，传感头存在燃烧现象，不具有本质安全性，易受其他气体（如硫化氢、二氧化硫等）影响，同时每15天需要对仪器进行一次调校，调校周期短，维护工作量大。

技术实现要素：

本实用新型一种煤矿用便携式无线激光甲烷检测报警仪，克服了现有技术存在的不足，提供了检测精度高、响应时间快、操作方便的便携式无线激光甲烷检测报警仪。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种煤矿用便携式无线激光甲烷检测报警仪，包括外壳、电路板、激光探头及设置在外壳上的OLED显示模块和薄膜按键，电路板上设置有STM32微处理器以及与STM32微处理器相连的晶振电路、电源电路、按键电路、无线模块、OLED显示模块、数据存储电路、声光报警电路和电压检测电路，激光探头与STM32微处理器的输入端相连，薄膜按键与按键电路相连。

进一步，所述外壳上开有进气窗口，进气窗口的内部镶嵌一层防水防尘的纳米材料。

进一步，所述外壳的一侧设置有后盖，所述外壳和所述后盖的接合处设计一圈凹槽，凹槽内嵌密封条。

进一步，所述外壳为一体注塑成型，所用材料为PC塑料和ABS塑料混合料。

进一步，所述激光探头和所述无线模块利用UART接口与所述STM32微处理器相连，所述OLED显示模块和所述数据存储电路利用SPI接口与所述STM32微处理器相连。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果。

1、本实用新型把激光敏感元件代替载体催化元件，利用甲烷气体对特定波长激光的吸收原理测量甲烷浓度，避免了传感头的燃烧现象，不受外界温度、粉尘和其他气体影响，检测准确，相应时间快，可靠性高，同时每年只需对仪器进行1至2次标校，激光元件的使用寿命约为5年，整体维护工作量小。

2、本实用新型内嵌入有无线模块，实现数据的无线上传，可与安全监控系统中的无线网关配套使用，上传数据至地面上位机。

3、本实用新型采用STM32低功耗芯片及研究低功耗算法，通过开关元器件设计低功耗电路，降低整机功率，从而延长整机工作时间，经测试，整机连续工作可达17小时，比行业标准AQ6207-2007中规定的10小时延长了将近一倍的时间。

4、本实用新型外壳采用一体化注塑方式成型，抗摔打，耐摩擦，进气窗口采用百叶窗的设计方式，在进气窗口的内部镶嵌一层防水防尘透气性好的纳米材料，同时在外壳和后盖的接合处设计一圈凹槽，凹槽内嵌密封条，与后盖凸起部分紧密结合，进一步提高防水防尘效果，整机防护等级可达IP65。

5、本实用新型采用OLED显示技术，自发光不需要背光源，对比度高，厚度薄，视角广，驱动电压低。由于OLED是自发光，屏幕显示面积与功耗成正比，因此根据系统功能设计最优显示界面，进一步降低系统功耗。

6、本实用新型电路板采用模块化设计，方便系统功能升级及二次开发；功能集成度更高，核心电路板的尺寸仅有64.7*50.9mm，整机尺寸为115*56mm，比同类具有相似功能的产品体积更小，更轻便。

附图说明

图1为本实用新型的电路结构示意图。

图2是本实用新型的外壳构造图。

图3为本实用新型提供的STM32微处理器部分电路及晶振电路图。

图4是本实用新型提供的电压转换电路原理图。

图5是本实用新型提供的电压控制电路原理图。

图6是本实用新型提供的按键接口电路原理图。

图7是本实用新型提供的薄膜按键走线图。

图8是本实用新型提供的数据存储电路原理图。

图9是本实用新型提供的OLED显示模块接口电路原理图。

图10是本实用新型提供的激光模块接口电路原理图。

图11是本实用新型提供的声光报警电路原理图。

图12是本实用新型提供的电压检测电路原理图。

图13是本实用新型提供的无线模块接口电路原理图。

图14是本实用新型提供的软件总体框架图。

图15是本实用新型提供的软件工作流程图。

图中，1-外壳，2-薄膜按键，3-显示屏，4-进气窗口，100-STM32微处理器，200-晶振电路，300-电源电路，400-按键电路,500-激光探头，600-无线模块，700-OLED显示模块，800-数据存储电路，801-声光报警电路，802-电压检测电路。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的说明。

如图1所示，本实用新型一种煤矿用便携式无线激光甲烷检测报警仪，包括外壳1、电路板、激光探头500及设置在外壳1上的OLED显示模块700和薄膜按键2，电路板上设置有STM32微处理器100以及与STM32微处理器100相连的晶振电路200、电源电路300、按键电路400、无线模块600、OLED显示模块700、数据存储电路800、声光报警电路801和电压检测电路802，激光探头500与STM32微处理器100的输入端相连，薄膜按键2与按键电路400相连。

其中，激光探头500和无线模块600利用UART接口与STM32微处理器100相连，OLED显示模块700和数据存储电路800利用SPI接口与STM32微处理器100相连。

如图2所示，本实用新型在外壳1上开有进气窗口4，进气窗口4的内部镶嵌一层防水防尘的纳米材料。外壳1的一侧设置有后盖，外壳1和后盖的接合处设计一圈凹槽，凹槽内嵌密封条，再通过后盖的凸起部分紧密结合，整体设计使防水防尘效果进一步提升，整机防护等级可达到IP65。外壳1为一体注塑成型，所用材料为PC塑料和ABS塑料混合料。

本实用新型中的STM32微处理器100的型号为STM32F103ZET6，它作为核心控制器件，应用于煤矿井下检测环境中的甲烷气体浓度，利用甲烷气体对特定波长激光的吸收原理测量甲烷浓度，实时显示被检测环境中的甲烷气体浓度值，并在甲烷浓度超过报警值时进行声光报警提示，还具有时钟功能，能实时显示当前时间，具有历史数据存储和查询功能，同时在报警仪内嵌入无线模块，实现报警仪数据的无线上传，可与安全监控系统中的无线网关配套使用，上传数据至地面上位机。

晶振电路200通过一个高速晶振（8MHz）和一个低速晶振（32.768kHZ）与STM32微处理器100连接，电源电路通过电压转换芯片和电压控制芯片与STM32微处理器100连接，按键电路400采用贴膜按键与STM32微处理器100连接，激光探头500和无线模块600通过数据串口接口（UART1和UART2）与STM32微处理器100连接，OLED显示模块700和数据存储电路800通过SPI方式（SPI1和SPI2）与STM32微处理器100连接，声光报警电路801通过三极管与STM32微处理器100的IO口连接，电压检测电路802与STM32微处理器100的内部A/D引脚连接。

STM32微处理器100中的算法主要包括数据采集、校零、校准算法。数据采集算法主要功能是采集激光甲烷传感模块输出的模拟信号和数字信号；校零、校准算法主要功能是消除激光甲烷传感模块、电路和其他器件长期使用过程中的缓慢变化对报警仪主机的整机精度性能的影响。数据采集算法利用数据采集模块采集模拟信号，经数据采集模块处理后，输出数字信号，再送给CPU进行数据采集，采集到的数据使用数字滤波器对其进行去噪、滤波；校零、校准算法使用一个空气气体和一个预置标准甲烷浓度气体对激光甲烷传感模块进行校零、校准，使激光甲烷传感模块在长时间使用后，由于硬件自身的衰退造成的激光甲烷传感模块准确性变差，用校零及校准算法可屏蔽由此带来的影响。

通信协议根据原始数据、校零、校准功能而自行编制。协议在激光甲烷传感模块和终端之间采用UART方式建立，它是一种P2P（点对点）的通信方式，协议以帧为单位进行通信，设计的通信协议帧结构中除数据体外其他数据的汉明距离（Hamming distance，也称信号距离，是一种恒量误差检测的方法）至少为2，可有效减少通信错误率。

如需校零或校准，主机需主动给模块发送数据：

（a）主机发送帧：

每帧定长7字节。

Start（帧的起始）：十六进制固定为0x3A。

Command（命令字符）：字符‘1’为主机发送校零命令，字符‘3’为主机发送校准命令，字符‘5’为主机发送复位校零校准参数命令（恢复出厂值）。

Data1、Data2（数据）：为有符号16位整数，是实际数据的100倍，Data1为高8位，Data2为低八位。

Check（8位校验字节）：命令和数据的16进制值累加和‘Check=Command+Data1+Data2’。

结束帧：0x0D 0x0A。

（b）模块响应帧：

每帧定长6字节。

Start（帧的起始）：十六进制固定为0x3A。

Command（命令字符）：字符‘2’为模块返回对校零命令的响应，字符‘4’为模块返回对校准命令的响应，字符‘6’为模块返回对复位命令的响应。

Flag（执行结果）：字符‘1’为成功，字符‘0’为失败。

Check（8位校验字节）：命令和结果的16进制值累加和‘Check=Command+Flag’。

结束帧：0x0D 0x0A。

如图3所示，U1是中央处理器STM32F103ZET6，其引脚3和引脚4通过电容C3、C4接32.768KHz的低速晶振，给系统内部时钟提供计数，引脚5和引脚6通过电阻R4和电容C5、C6接8MHz的高速晶振，给系统运行提供起振。

如图4所示为电压转换电路，报警仪采用标称为3.7V的锰酸锂电池（充满电约为4.2V），系统的工作电压为3.3V，市面上主流的电压转换芯片一般压降都在1V左右，不适合本系统设计，经过选型比对，选择型号为TPS79533的芯片作为本系统的电压转换芯片，压降只有0.3V，同时电流容量为500mA，可稳定输出3.3V电压给系统供电。

如图5所示为电压控制电路，RT9193-33GB为开关IC。当系统正常工作时，通过RT9193-33GB输出3.3V电压给激光探头500、OLED显示模块700、无线模块600、数据存储电路800供电；当系统处于待机状态时，通过RT9193-33GB关断电压输出，停止对其他模块的供电，降低整个系统的功耗。

如图6所示，key_PWR为电源按键引线，与VCC3.3引线组合成一个按键回路；key_up为上按键引线，key_down为下按键引线，key_menu为菜单按键引线，key_T为确定按键引线，key_C为返回按键引线，这五个按键引线共用GND引线组合成各自的按键回路。图7是根据按键接口原理设计的薄膜按键走线图。

如图8所示为数据存储电路，实现报警仪的参数、系统日志的存储，方便在使用过程中的各种事件、报警、错误、设置等日志的存储，同时存储设置的报警浓度、标校参数、调零参数。存储模块使用一片32K Byte的铁电EEPROM，型号为FM25V02A-GTR，它采用SPI接口通讯，时钟速度高达40MHz；超低功耗为5uA，超过10的14次方的读写周期，超过10年的数据保存时间。

如图9所示，OLED显示模块700采用一块高清、高亮度、自发光OLED的显示屏3，基于显示模块，系统实现了一整套显示菜单系统包括：电池电量显示、时间显示、甲烷浓度显示、参数设置等功能。显示屏通过SPI方式与CUP相连。

如图10所示，P3是一个1*5的排座，激光探头600的型号为LRCS01-010，它的RXD端口通过排座与STM32微处理器100的UART1_TX连接，TXD与UART1_RX连接，实现数据传输功能。同时通过蜂鸣器和LED（报警指示灯）实现声光报警功能。

如图11所示为声光报警电路，STM32微处理器100的IO引脚通过三极管扩流后驱动蜂鸣器。

如图12所示为电压检测电路，因为STM32微处理器100的参考电压为3.3V，而输入电压大于3.3V，因此需要两个电阻进行分压，分压后与STM32微处理器100的内部A/D转换引脚连接。

图13为无线模块电路，无线模块600实现本设备与互联设备之间的数据交换，通过其实时对现场数据采集传送，能实现系统级功能的扩展和定制。该报警仪采用ESP8266无线串口WIFI模块，通过串口与MCU（或其他串口设备）通信，内置TCP/IP协议栈，能够实现串口与WIFI之间的转换，同时还可与安全监控系统中的无线网关配套使用，上传数据至地面上位机，进一步保障煤矿的安全生产。

图14为软件总体框架图，系统软件设计分为应用层、驱动层和物理层。应用层主要是显示界面的功能代码编写，驱动层主要是硬件设备（如显示屏、存储芯片、时钟芯片等）的驱动代码的编写，物理层主要是与硬件设备连接的GPIO口（如SPI、I2C、UART等）的配置代码的编写。

图15为软件工作流程图，系统开机后初始化，并对时钟、报警、探头等功能进行自检，自检成功后进入主界面，按菜单键后进入菜单界面，可进行调零设置、标校设置、报警设置、时间设置、亮度调节、系统自检、无线功能设置，同时还可查看当前电压、探头温度等功能。

尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本实用新型，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本实用新型的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。