数显甲烷报警矿灯的设计

随着我国煤炭行业的发展，井下安全越来越得到各个方面的重视，相应的新型产品不断出现，数显甲烷报警矿灯就是在这样的氛围中诞生的。由于把照明和气体检测两种功能集成到一个产品上，从使用者角度看，这个产品可以使井下人员在不多携带设备的情况下，随时掌握所处环境的安全状况，当出现紧急情况时，得到报警并且准确了解所处环境甲烷超标数值，及时撤离，很受用户欢迎。从设计理念上，本着一切为了使用者安全，一切为了使用者方便，一切为了满足实际需要的原则。从整体布局、结构设计、功能设置，到器件选型、电路设计及软件设计，甚至到维修的便捷性等细节以及使用中的智能化和便捷性，无不体现这一理念。在具体实现的层面上，充分利用现代科学技术成果，严格遵守国家相关法律法规及行业标准，以确保实现设计思想。

1 整体布局和结构设计

数显甲烷报警矿灯的整体布局如图1所示，其中：1--电池盒；2--上盖；3--电缆；4--灯头；5--按键开关；6--显示屏。

按照已述的设计理念，我们把显示屏布置在上盖的顶部。这样，当电池盒佩于腰间时，井下人员可以很方便的看到所处环境甲烷浓度的读数。同样为了方便使用，我们把按键也布置在上盖顶部。我们知道，电池是常年对系统供电的，在井下时需要开启气体检测单元，升井不使用时就关闭它。另外，还需要切换各种状态实现各种功能。由于井下人员多是带手套工作的，在这样小的面积上按多个按键来实现各种功能非常不方便，这就要求用一个按键完成多种任务，所以我们选择使用一个按键完成多种任务，虽然在设计上会困难些，但这正是设计理念的具体体现。按照布局的一般性要求，电池在电池盒中拥有独立的空间，电气单元位于电池盒中，气体传感元件放于灯头处。结构上，电池盒采用速拆结构，便于维修。按键采用橡胶保护结构下的微动开关形式，以适应高粉尘环境下的长寿命使用要求。数字显示单元采用LED数码块动态刷新显示方式，在井下光照环境下可清晰地观察读数，同时动态刷新显示方式可使电流消耗最低，电池在井下供电时间尽量长。电路板采用贴片电子元件和双面布置元件形式，以保证体积足够小，以便装进电池盒狭小的空间内。电缆两端加装耐老化的橡胶护套，防止电缆折断。灯头设一个旋钮开关，分主光源照明、辅光源照明和关灯三个档位。将主光源和辅光源集成在一起，安装于灯头内，主光源用于井下工作照明，辅光源耗电小，用于电量不足时的升井途中照明。灯头内设一个可选部件——充电管理电路板，以适应有的矿区使用的旧式铅酸电池充电设备。

2 功能设置

在自上而下的设计过程中，要给数显甲烷报警矿灯赋予多少功能以及什么功能，这里最充分地体现了设计理念。每个功能的确立，都反映了对井下人员的关心和爱护。

2.1 甲烷检测功能。该功能最重要的问题是，要保证检测精度。按照国家标准，当测量范围在0.00～1.00%CH4时，测量误差应不超过±0.10%；当测量范围在1.00～3.00%CH4时，测量误差应不超过真值的±0.10%；当测量范围在3.00～4.00%CH4时，测量误差应不超过±0.30%。要保证这个指标，同时还要排除电压波动、温度波动、风速变化等因素的干扰，这就要求在实验室条件下，所达到的精度要高于这个标准。为此我们在算法上，放弃了传统的分段线性化的方法，而采用误差曲线似合的计算技术。得到了理想的效果，也体现了已述的设计理念。

2.2 甲烷报警功能。报警的形式为声音报警和显示报警，这两项还有报警误差都应满足国家标准规范要求，报警点的设置应该可以由用户设定，以便满足不同环境的使用要求。

2.3 自动调零功能。鉴于器件自身的固有弱点，大多数传感器都存在着零点校正的需要。为了降低维护人员的工作量，提高维护工作质量。我们加设自动调零功能，在需要时，可一键操作方便可靠地自动完成设备的零点校正。，

图1 数显甲烷报警矿灯整体布局

2.4 电池电压监测及报警功能。电池工作状况，对井下人员至关重要。所以必须时刻监测电压的变化，确保在报警后有足够的电量，以确保人员安全升井。报警形式为声音和显示报警。

2.5 自诊断功能。这是设计理念的又一个体现。为了方便维修人员快速处理故障，设置产品自我诊断功能，可使维修人员快速定位故障点。轻松维修。

2.6 时钟功能。设置时钟功能，可使井下人员随时了解时间，使用人员可以方便的一键操作，切换显示甲烷浓度或显示时间，在显示时间状态下设备仍进行甲烷气体监测，一机多用。

2.7 红外线调校功能。该功能，用于实现大多数的系统设置。比如时间设定、传感器标定和设置、报警点设置等等。同时还实现了设备的分级管理。确保不因误操作而出现问题。

2.8 电池保护功能。电池保护包括电池充电保护、放电保护及短路保护功能。当电池充满电时，要自动切断充电回路。当放电达到临界值时要停止供电，以保证电池不损坏。当外部电路出现短路时，要在标准规定的时间内停止供电。

（2）城区河道底泥性状给清淤工作增加难度。随着河道污染日益严重，水体中有毒金属及有机污染物通过吸附、凝聚、重力沉降等作用逐渐在河底形成一层厚厚的底泥，导致河水发黑发臭。在清淤工程实施过程中，难铲抓，清淤效果并不理想，且地表下沉，复又加剧河道淤塞和污染，形成恶性循环。

3 主要器件或部件选型

光源：选符合相关标准LED光源，节能、符合井下人员要求。

灯头壳：要求用阻燃材料。

电缆：采用矿用阻燃电缆。

电池：锰酸锂离子电池。

气体检测元件：选用载体催化元件。

4 电路设计和软件设计

电路设计遵照相关标准，设计为本质安全型电路，就是在标准规定的条件下，包括正常工作和规定的故障条件，产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路。是基于单片机的气体检测和相应辅助功能的电路系统。目前单片机种类繁多，选择余地大，每个设计者可根据自己的理解和权衡作出决定。本设计选择PIC系列单片机。

在软件设计方面，由于任务较多，中断资源有限，对中断任务的响应进行了自定义编程。对实时性强的任务优先处理，对同是实时性强且中断资源不能满足的情况，采用轮换式工作方式处理，对实时性要求不高的任务只在空闲时才处理。有些可能对系统产生严重影响或致命影响的程序区段，设置错误陷阱等冗余设计。

结束语

任何一个良好的设计都不是一蹴而就的。应不断倾听用户的声音，自我否定，不断提高。在创造经济效益的同时创造良好的社会效益。