基于avr的矿用风速传感器研究

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1、基于AVR的矿用风速传感器研究摘要：风速的测量是监测煤矿煤与瓦斯突出的重要手段，针对煤矿特殊环境，研究一种实用、可靠的风速传感器显得尤为重要。本文基于AVR单片机，提出了一种矿用皮托管风速传感器的设计方案，详细介绍了其原理和软硬件设计。该传感器利用差压原理，无转动部件，性能可靠，可长时间连续实现煤矿井下各进、回风巷的实时风速。实验表明，风速传感器测量范围可达0.4～15m/s，且在测量范围内误差低于±0.2m/s，具有良好的温度稳定性和防潮防堵功能。中国2/vie　　关键词：AVR单片机；皮托管；风速传感器

2、　　0背景　　矿井通风是提供新鲜空气，排除甲烷、一氧化碳、二氧化硫等有毒有害气体的重要途径，通过风速传感器测量到的数据，进而有效控制通风设备，一方面能够做到节能减排、提高工作效率，另一方面，为煤矿的安全生产提供基本的保障。因此，包括国家安监总局、煤矿生产单位、科研单位都非常重视风速传感器的研究，基于安全可靠、实时、经济的原则，研究一款实用、反应迅速、性价比高的风速传感器，实现煤矿安全监控系统中风速的监测和煤与瓦斯突出的预警监测显得尤为重要。针对煤矿井下的特殊环境常造成超声波探头性能减弱，不能够准确测量井下环

3、境中风速的真实值，因此本文基于皮托管的原理，结合AVR微控制芯片ATMEGA16L，设计了一款实用的风速传感器，具有广阔的应用前景。　　1皮托管风速传感器原理　　皮托管，英文是Pitottube，由法国H.皮托发明而得名。皮托管是测量气流总压和静压以确定气流速度的一种管状装置，常见的有L型和S型2种，与L型相比，S型具有防堵防潮的性能，因此本文选用S型皮托管进行设计。皮托管的构造如图，头部为半球形，后为一双层套管。　　测速时头部对准来流，头部中心处小孔（总压孔）感受来流总压p0，经内管传送至压力计。头部后约

4、3～8D处的外套管壁上均匀地开有一排孔（静压孔），感受来流静压p，经外套管也传至压力计。对于不可压缩流动，根据伯努利方程和能量方程可求出气流马赫数，进而再计算速度。　　2硬件设计　　基于S型皮托管的风速传感器硬件框图如图所示：　　当煤矿井下有风流经过传感器的皮托管时，在皮托管的总压端和静压端产生压力差，通过差压传感器模块测量具体的压差值。温度传感器和大气压力传感器主要用于测量环境温度和大气压，进而计算空气密度，利用AVR单片机计算当前的风速值，即为传感器测量的风速值。传感器测量的风速值一方面通过数码管就地显

5、示，另一方面使用数字信号或者频率信号上传至煤矿瓦斯安全监控系统。整个系统需要电源模块供电，并且当测量到的风速值超出了设定的范围时，传感器发出声光报警，通知相关人员或者系统采取措施。　　3软件设计　　结合到本系统的测量原理和硬件结构，所设计的软件需要完成三方面功能：包括温度、大气压和差压传感器的采集；利用相应的算法计算当前的风速值；显示测量的风速值并上传；判断并执行是否报警。软件的主要流程图如图所示：　　4实验测试及性能参数　　基于本文设计的风速传感器，按照煤矿行业标准《MT448-2008矿用风速传感器》的

6、要求，对皮托管式的传感器采用了常规风洞试验、温度特性试验、温度存储实验等。得到了传感器的如下性能指标：　　（1）工作环境条件　　温度：0～40度　　湿度：≤96%　　大气压力：（80～120）kpa　　（2）主要特征　　传感器具有风速、风向检测功能；　　传感器具有输出状态指示功能；　　传感器具有遥控功能；　　传感器具有声光报警功能；　　（3）主要技术指标　　工作电压、工作电流　　a）工作电压：（9～25）VDC；　　b）工作电流：≤180mA。　　风速信号输出制式（出厂时输出信号制式为三选一）：　　a）电流

7、：DC4mA～20mA（负载电阻0Ω～500Ω）；　　b）频率：200Hz～1000Hz（脉冲宽度大于0.3ms）；　　c）数字信号：RS-485数字通信，实现风速、风向、风量信号的同时输出。　　测量范围：（0.3～15）m/s　　基本误差：±0.2m/s　　5结语　　基于AVR的皮托管矿用风速传感器很好的解决了传统的风速传感器测量不准确，反应慢，不稳定，不能够适应煤矿恶劣环境的使用要求。实验结果表明，风速传感器的测量误差完全满足行业标准《MT448-2008矿用风速传感器》的要求，具有温度稳定的特定，适合

8、大规模生产和使用。