矿用温湿度传感器设计

0 引言

我国目前的矿井开采速度增加，煤矿开采深度也不断地增加。据不完全统计，中国已有180多个矿井的采掘工作面的风流温度在30 ℃以上，风流温度超过了《煤矿安全规程》的规定。在已探明的煤炭中，1 000～2 000 m深处的煤炭储量占总储量的53.2%[1-2]。由于开采深度的增加，不仅使井下工作点的温度增高，而且风流的湿度也增大了，如果长时间在高温、潮湿的环境下工作，矿井设备的使用寿命将会缩短，矿井事故发生的概率也会增加，严重影响工人的身体健康和安全生产[3]。因此，井下温湿度的有效控制是保证电气设备安全稳定运行的关键因素，只有实时地对煤矿环境中的温湿度进行监控，才能进一步保障煤矿生产的安全。由此可见，矿用温湿度传感器在煤矿生产中相当重要。

1 温湿度传感器检测基本原理

温湿度传感器指能够直接将温度和湿度两个基本的物理信号直接转化为电信号。本设计采用集成数字式温湿度传感器，由一个测温元件和一个电容式测湿元件组成。该传感器采用COMS技术将温湿度传感器、A/D转换器及数字接口相结合，使传感器具有体积小、接口简单、性价比高等特点。

测温元件检测原理是采用热电偶的方法，热电偶由两种不同材料的金属丝组成，两种金属丝的一端焊接在一起，形成工作端，置于被测温度处；另一端称为自由端，与测量仪表相连，形成一个封闭回路。当工作端与自由端的温度不同时，回路中就会出现热电动势，经过电路的转换将这个电压的变化送到单片机，转化成传感器能够识别的信号。

电容式测湿元件主要组成包括湿敏电容和转换电路两部分，湿敏电容是由玻璃底衬、下电极、湿敏材料、上电极等四个部分组成。湿敏材料是一种高分子聚合物，它的介电常数随着环境的相对湿度变化而变化。当环境湿度发生变化时，湿敏元件的电容量随之发生改变，即当相对湿度增大时，湿敏电容量随之增大，反之减小。测湿元件的检测原理是使用沉积在两个导电电极上的湿敏材料，当薄膜吸水或失水后，会改变两个电极间的介电常数。进而引起电容器容量的变化，利用外部测量电路可将电容器的容量变化进行捕捉、转化处理，最终在输出端形成易识别的信号。

2 温湿度传感器的硬件设计

温湿度传感器主要硬件结构框图如图1所示，有电源驱动模块，温湿度传感元件、红外遥控模块、通信模块、微处理器、显示及控制输出模块组成[4]。

温湿度传感器与监控分站通信，采用总线RS-485通信方式，设备安装方便，线路成本低同时具有较高的实时性和可靠性，结构框图如图4所示。

  

图1 温湿度传感器硬件结构框图

温湿度传感器中的传感元件采用的温度和湿度一体式探头。温湿度传感元件本身集成温度和湿度检测元件，A/D转换器以及数字接口。针对温度和湿度信号采集的设计非常简单，直接将温湿度传感元件的数字接口与微处理器接口相连，即可读取采集温度和湿度参数，如图3所示。

温湿度传感器软件采用模块化设计方法，主要包括红外遥控按键操作、探头输出信号采集、数据分析处理、显示和控制输出，串口通信处理等，具体的程序流程如图5所示。

2.1 电源驱动模块

RS-485通信接口在设备上作为数据输入端，接口经常带电插拔，故接口容易受到过电压、过电流的冲击，同时也容易受到户外雷电干扰，若不进行保护很容易将芯片损坏。通信模块硬件驱动电路采用双向瞬态抑制二极管SMBJ6.5CA组成防护，将其限制到后端电路可以耐受的电压水平，通信协议芯片电路采用常用收发器，具体电路使用芯片推荐的典型电路，后端保护电路采用光电耦合进行隔离，使之前端电路与后端电路完全隔离，进一步增加安全性。

对比观察两组患者治疗有效率。显效：患者心绞痛发作减少约80%之上，同时患者心电图恢复正常。有效：患者心绞痛发作次数减少50%～80%，心电图ST段回升在0.05 mv之上。无效：患者心绞痛发作次数无改善甚至出现恶化，心电图达不到标准。治疗总有效率=显效率+有效率。

图2 电源驱动模块结构框图

2.2 温湿度传感信号采集

电源驱动模块提供整个硬件电路所需电源，温湿度传感元件通过检测环境中的温度和湿度参数，将其信号传输给微处理器，微处理器系统根据采集到的温度、湿度进行相应处理，与报警点、断电点相比较，依次显示温度和湿度参数到显示设备、输出模块输出相关信号。

图3 温湿度传感信号采集框图

2.3 微处理器电路

微处理器电路选用的核心器件是低功耗MKL15系列，主要功能是在温湿度传感元件工作时，对其进行温度和湿度的采集，将温度和湿度参数通过显示单元交替显示。根据采集的温度和湿度参数进行数据分析，进行相应的控制输出(报警或断电)，并与监控分站通过串口通信将数据上传，同时具有数据存储、控制显示、声光报警等功能。

2.4 通信模块

根据Lange的定义，教师职业发展指教师(包括岗前和在职教师)在智力、经验和心态上的可持续成长过程。同时，教师职业发展主要包括教师的职业自我发展，强调由教师主动地去发展自己。

A：可以了解整个印刷行业的发展和变化情况。世界顶尖的印刷企业都会参加这种比赛，通过这个比赛可以了解到其他企业的优点，也可以了解到竞争对手在做什么、发展是怎样的。我们一般都会派技术人员去现场学习。

  

图4 通信模块结构框图

电源驱动模块电路结构框图如图2所示，通过开关电源进行供电，经过DC/DC降压处理，又通过其控制模块，输出不同等级的电压，给微处理器，外围电路进行供电。本传感器所需电压为5 V和3.3 V，故设计DC/DC控制模块输出5 V和3.3 V两种电压。

2.5 红外遥控、显示和控制输出模块

红外遥控采用红外接收管为HS0038B3V实现，可接收来自38 kHz调制遥控器的信号。采用LED数码管进行显示，实现人机交互功能。控制输出主要是通过声光报警电路实现传感器在线实时报警等功能。红外遥控模块，显示和控制输出模块可统一为人机交互平台，红外遥控用于提供人机交互途径，显示及控制输出体现人机交互信息。

3 温湿度传感器的软件设计

经过大量的实验表明，在螺栓连接较为紧密时，两传感器所采样的振动信号基本以振动激励的振动函数为主，此时两信号除振动幅度以外，基本不存在其他差异，也反映出两被联件连接相当紧密受激励部件完全跟随主振器件发生振动。然而，当螺栓连接不紧密，出现松动时，其振动波形包含高次谐波，而高次谐波在本系统中不作为判定条件，属于没有意义的引入杂波，需对其进行滤除。本文选用FPGA进行数字滤波，其主要特点是对不同的应用场合可通过改变FPGA内滤波器的方式来适应不同的应用场合，例如高频振动环境下的滤波并不适用于低频振动环境下的滤波情况，而不需要更换硬件设施，只需将FPGA的代码做更改即可适应不同工作环境[11]。

  

图5 温湿度传感器软件程序流程图

为了获得检测环境中准确的温度和湿度参数，首先对传感器进行温度和湿度标校，通过红外遥控进行操作，将传感元件放入温湿度控制箱进行校准，传感器校准后，关键参数更改保存。在一个完整周期内，对温湿度元件采集完成后，进行数据处理，与报警点、断电点相比较，通过显示设备显示及传输。

温度的检测范围是0 ℃～50 ℃，显示的最小分辨率是0.1 ℃；湿度的检测范围是(30%～100%)RH，最小分辨率是0.1%RH。将温湿度探头放入在恒温槽中测试从5 ℃升到25 ℃时的响应时间，响应时间不超过10 s。设置恒温槽的温度在5 ℃、35 ℃、45 ℃这三种温度点进行误差实验，温度测量误差≤±2%(F.S)。将湿度箱的湿度调整为50%RH、65%RH、70%RH这三种湿度点进行误差实验，湿度测量误差≤±10%RH。实验验证，温湿度传感器测量基本误差完全满足煤矿的要求。

4 结论

实验结果表明，矿用温湿度传感器适用于煤矿井下作业环境中温度和湿度的测量，为本质安全型产品。该传感器是一种智能型检测仪表，具有功耗低、响应速度快、接口简单、稳定可靠、使用方便等特点,能单独使用或联检后能与煤矿安全监控系统设备配套使用。

参考文献：

[1] 苟新宇.煤矿井下温湿度预测方法研究及应用[D]. 阜新：辽宁工程技术大学,2015.

[2] 国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程[S].北京:中国法制出版社,2016.

[3] 卫修君，胡春胜.矿井降温理论与工程设计[M].北京:煤炭工业出版社，2008.

[4] 张海庆.矿用红外二氧化碳传感器设计[J].煤矿机电,2015(6)：5-7.

作者简介：张海庆(1985—)，女，工程师。2011年毕业于安徽理工大学(硕士学位)，现主要从事传感器产品开发工作,发表论文3篇。