光机电一体化多功能煤矿矿工安全帽.pdf
光机电一体化多功能煤矿矿工安全帽郑开陆1,张志明2(1.武汉江汉大学 机电与建筑工程学院,湖北 武汉430056,2.武汉市君正科技公司,湖北 武汉430000)摘 要:介绍了一种集护首、瓦斯检测(瓦斯超限灯光报警)、变光照明等多功能的煤矿矿工安全帽。它采用高效能锂电池为电源,用机械强度高的工程塑料制作帽体,节能发光体,高精度的瓦斯传感器,以单片机PIC16F630为控制核心的光机电一体化的产品。其具有多功能集成、节能、对瓦斯的灵敏检测、灯光报警方式(适合噪音大的场合)和工作周期长等特点。它还能用于其它的抢险救灾场合。关键词:瓦斯传感器;脱附;变光照明;灯光报警中图分类号:TD621 文献标识码:B 文章编号:1003-496X(2006)06-0037-021 设计煤矿矿工安全帽的主导思想1.1 着装标志和护首功能煤矿矿工安全帽是煤矿矿工的着装标志,要保证美观性和一致性。应有足够的机械强度保护戴帽者的头部,所以帽体用工程塑料ABS由塑料模注射成形。用于不同的场合,以帽体的颜色不同来区别。1.2 电源和照明为了(一次充电后)使工作周期长,需采用体积小、质量轻、高效能的锂电池和节能的发光体,通过发光体的不同组合可进行变光照明,这也是节能的措施之一。特别是在矿难发生时,被困者提供尽可能长时间的亮光支持。为此要考虑在井下利用现场的能源对锂电池充电。电源还需根据系统中各元件的要求提供不同的工作电压,系统应设有效率高的升压、降压电路。1.3 灵敏 稳定的瓦斯传感器选择灵敏、稳定的瓦斯传感器是该安全帽完成环境瓦斯检测的关键。它既要灵敏、精确又要稳定、可靠地检测井下的瓦斯浓度,一旦瓦斯浓度超标及时、准确地发出报警信息。1.4 报警方式由于煤矿井下噪音大,不宜用声音报警;以帽体振动报警消耗的能量大,也不能采用;应选用灯光报警,即照明的灯光按设置的不同规律闪烁,闪烁规律的差异表示不同故障的报警。2 光机电一体化多功能煤矿矿工安全帽2.1 控制电路如图1(a)控制硬件框图所 示,以 单 片 机PIC16F630为控制中心,对全电路进行控制。瓦斯传感器接触瓦斯后,其电阻发生变化,经外电路转换为电压的变化,瓦斯传感器的插入点A的电位UA随瓦斯传感器是否插入,是否需要脱附,环境瓦斯浓度超标等状态而变化。为了使单片机PIC16F630能识别这3种不同的状态,选择3种电压(2种基准电压、1种参考电压)经3个电压比较器与UA比较,可得到3个电压比较器的不同输出状态(“0”态或“1”态),将其分别输入到单片机PIC16F630的7、8、9、3个脚。即UA基准电压一比较(输入7脚)检测瓦斯传感器是否接入、是否损坏;UA与基准电压二比较(输入8脚)判断瓦斯传感器是否需要进行脱附处理(即该瓦斯传感器第一次使用或长期未使用,重新启用时,均需要通过较大的电流清除其表面的附着物,以保证其对瓦斯检测的灵敏度);图1中的“参考电压调整”和UA经电压比较器输入9脚,使瓦斯传感器能准确、稳定地工作。即瓦斯浓度超标时,能准确、及时地发出报警信息,瓦斯浓度未超标时,也不会误报。12个节能照明发光体分为5组,它们被装在同一灯罩内,在不同的场合由使用者选择不同组数的发光体来达到变光照明、节能的效果。接收手动按键输入10脚的变光照明选择信号(上电时发光体的初始态为全灭,按键按一下就增亮一组,增亮到五组后,按键按一下就减亮一组,直到全灭。分别由2、3、4、12、13脚控制发光体的亮和灭)。单片机PIC16F630中存放着数种发光体闪烁的报警信号可供使用者选择控制2、3、4、12、13脚使发光体闪烁报警。使用者可用以上类似的方法,经按键(输入73技术经验 煤 矿 安 全(2006-06)图1 光机电一体化多功能煤矿矿工安全帽控制硬件与主程序框图11脚)选择发光体报警的类型。节能发光体的工作电压为3.7 V,由锂电池直接供给;瓦斯传感器的工作电压为6 V,由锂电池经振荡、升压、整流、滤波生成;单片机PIC16F630的工作电压为5 V,由6 V电压经二极管降压产生。2.2 控制软件单片机PIC16F630为简单指令型单片机,不需外接晶振,CMOS、节能、抗干扰能力强,有12个I/O口(213脚)。如图1(b)为控制主程序框图所示,单片机初始化包括:堆栈、I/O口、定时/计数器、寄存器等的设置;CPU按主程序框图所示的顺序查询输入口(箭头指向单片机的口,如:7、8、9、10、11脚)的状态,对瓦斯传感器是否缺损、是否需脱附进行检测,使其工作在正确的状态,对瓦斯浓度超标进行准确的判断,对发光体组数和报警形式选择实时地准确识别。经输出口和脱附电路等部分的正常工作。表1将试制的光机电一体化多功能煤矿矿工安全帽样品按给定表中的“测试条件”,在实验中心进行测试得出如的特性参数,有些参数(如光源寿命等)由元件生产厂家提供的。表1 多功能安全帽特性参数表参数名称数 值测试条件额定电压/V3.7工作电流 0.8A额定容量/Ah7工作电压 3.7 V点灯持续时间/h1612个灯全开照度/lx1 800刚开灯、距灯1 m处照度/lx1 300开灯11 h后、距灯1 m处光源电流/mA400电源电压3.7 V光源寿命/h25 000在额定电压、电流下工作照度可变/lx1301 300开1个-12个灯照度为60lx时的持续时间/h160只开1个灯光源温度/60在额定电压、电流下工作污染情况无污染按国家排污标准加液情况无需加液在全使用过程中报警浓度/%-316按行业标准报警响应时间/s 20常压、20恢复时间/s 30常压、20 作者简介:郑开陆(1948-),男,武汉人,工学硕士,副教授,江汉大学机电与建筑工程学院机电系主任,从事机械加工、机电一体化的教学科研工作。(收稿日期:2006-02-13;责任编辑:金丽华)83煤 矿 安 全(T otal 379)技术经验
