0 引言
煤与瓦斯突出是煤矿生产过程中最主要的灾害之一，会造成突出物埋人、设施破坏，同时突出的瓦斯会使人窒息或引起瓦斯爆炸，造成更加严重的人员伤亡和矿井损毁事故。目前，应用钻屑瓦斯解吸指标预测煤与瓦斯突出在我国煤矿得到了广泛的应用，常用的钻屑瓦斯解吸指标为Δh2和K1值[1-2]。这2个值都反映了煤层瓦斯含量及卸压初期瓦斯解吸速度的大小，不同之处在于K1值为煤样在卸压初期5 min内瓦斯解吸曲线斜率表示，单位为cm3/g·min1/2，Δh2为钻屑煤样在第3～5 min内由于瓦斯解吸而产生的压力差，单位为Pa。
针对钻屑瓦斯解吸指标测定，研究人员在理论、实验及现场应用方面对其进行了大量的研究，取得了重要的规律性的研究成果[3-8]。在测试仪器研制方面，各科研院所也研制成功了多种类型的仪器，如MD-2 型煤钻屑瓦斯解吸仪，该仪器可用于钻屑瓦斯解吸指标Δh2的测定； WTC型瓦斯突出预测仪可用于钻屑瓦斯解吸指标K1值的测定。这2种仪器都在煤矿井下投入了使用[9-11]。但在研究煤层突出敏感指标时，需在实验室内测定煤钻屑在不同瓦斯吸附压力条件下的钻屑瓦斯解吸指标值，而MD-2型和WTC型2种仪器均无法自动测定煤样在不同瓦斯吸附压力条件下的钻屑瓦斯解吸指标值，且目前也尚未有专门的仪器进行自动测定。当前实验室内测定煤钻屑在不同瓦斯吸附压力条件下的钻屑瓦斯解吸指标值Δh2的过程：首先将煤样装入煤样杯，再将煤样杯装入煤样罐内进行脱气和不同压力条件下的吸附过程，之后再将煤样瓶取出放入MD-2型仪器中进行Δh2的测定。可见操作步骤繁多，自动化程度较低，人为干扰因素较多，若实验人员不专业，可能会导致测量结果偏差。
针对以上情况，设计了基于单片机控制的高精度煤钻屑瓦斯解吸指标Δh2自动测定系统，该系统以Atmega16为主控核心，将USART_HMI触摸屏作为系统的指令输入及显示输出，单片机通过识别触摸屏发送的指令，对各种传感器、继电器、电磁阀进行操作，最终测得煤钻屑在不同瓦斯吸附压力条件下的解吸指标Δh2值。该系统可实现自动化操作，采用高精度传感器，减少了人为因素干扰，从而降低了测量结果偏差。
1 煤钻屑瓦斯解吸指标Δh2测定原理
煤钻屑瓦斯解吸指标Δh2是预测煤层突出危险性的指标之一，其综合反映了煤层的瓦斯含量及卸压初期瓦斯解吸速度的大小[12]， 参数的准确测定对煤矿安全生产具有重要意义。在实验室测定Δh2时，通常需要测定煤样在不同吸附压力条件下的Δh2，用以为煤层突出敏感指标的确定提供数据支撑。煤钻屑瓦斯解吸指标Δh2测定原理如图1所示。测定时首先将煤样通过筛子筛选出1～3 mm粒度的钻屑，装入煤样瓶中；将煤样瓶放入煤样罐内部，并对煤样罐进行24 h脱气；脱气完成后，对煤样罐通入固定压力条件的甲烷气体进行24 h吸附；吸附完成后，测定钻屑试样在卸压初期第3～5 min内由于瓦斯解吸而产生的压力差(单位为Pa)，即为当前吸附压力条件下煤钻屑的Δh2值。
图1 煤钻屑瓦斯解吸指标Δh2测定原理
Fig.1 Measurement principle of coal drill cuttings gas desorption index Δh2
2 系统工作原理及硬件设计
煤钻屑瓦斯解吸指标Δh2自动测定系统硬件主要包括气路控制部分和电路控制部分。气路控制部分包括真空泵抽气气路、钢瓶吸附气路、压力释放气路、压差测量气路，结构如图2所示。电路控制部分包括单片机主控模块、USART_HMI触摸屏模块、电源模块、继电器控制模块、ADC模数转换模块、温度测量模块、湿度测量模块、报警模块等，结构如图3所示。
图2 测定系统气路控制部分结构
Fig.2 Structure of gas path control device of measurement system
图3 测定系统电路控制部分结构
Fig.3 Structure of circuit control device of measurement system
系统开机初始化时，断开所有继电器，关闭所有电磁阀，气路处于关闭状态。系统测量时，单片机首先打开真空泵电源开关，打开电磁阀1，使真空泵对煤样进行24 h脱气；脱气结束后，关闭脱气泵电源、关闭电磁阀1，打开电磁阀2，调节气瓶为适宜压力，对煤样进行24 h吸附；吸附结束后，关闭电磁阀2，打开电磁阀3，使煤样罐卸压，同时开始计时，当计时3 min时，关闭电磁阀3，同时打开电磁阀4，计时到5 min时，单片机读取压差传感器数值，即为当前吸附压力条件下所测煤钻屑瓦斯解吸指标Δh2，测量结束后，保存吸附压力及其所对应的Δh2值。之后，调节钢瓶气阀输出不同的吸附压力，单片机控制电磁阀对煤样重复进行吸附、卸压、测量、数据存储过程，即可测得不同吸附压力条件下所对应的Δh2值。
2.1 主控电路设计
主控电路设计是该测定系统的核心，电路设计选用Atmega16单片机，其具有16 kB的系统内可编程Flash，512 kB的EEPROM，1 kB的片内SRAM，具有32个可编程IO口， 8个单端通道10位片内ADC，1个USART，资源丰富，可满足系统所需资源。
系统内部环境温度传感器采用单总线数字温度计DS18B20，只需将其数据线与单片机IO口直接相连即可，通过单片机模拟时序，读取温度值。罐体内部温湿度测量采用AM2305湿敏电容数字温湿度传感器，其内部含校准系数，相对湿度精度达±2%RH，相对温度精度达±0.3 ℃，采用单总线接口，只需将数据线与单片机IO口相连即可通过模拟通信时序进行温湿度的读取。
气路压力传感器采用扩散硅0.3级高精度压力传感器，防护等级为IP65，量程为0～6 MPa，压差传感器量程为0～1 000 Pa，精度为±1.0% FS，该2种传感器均采用24 V供电，电压输出信号为0～5 V，与单片机内部ADC输入信号相匹配。
使用单片机内部ADC时，其基准电压的稳定性对最终转换数据的准确性有很大的影响，本设计采用专用集成电路芯片AD586作为单片机高精度5 V基准源，其精度可达M级(5.000 V±2.0 mV)，将其电压输出管脚通过电感接入单片机AVCC管脚，为单片机内部ADC提供高精度5 V基准源，设计电路如图4所示。
(a) AD586高精度5 V基准源电路
(b) 主控芯片ADC电路连接
图4 ADC高精度5 V基准电路
Fig.4 ADC high precision 5 V reference circuit
2.2 USART_HMI触摸屏控制电路设计
USART_HMI触摸屏是整个系统的关键部件，既是系统的显示装置，也是系统的虚拟按键输入装置。其内部还集成了RTC和EEPROM，可完成整个系统的定时及数据存储功能。与单片机的通信采用串口通信，只需要连接RXD、TXD两条数据线即可完成数据通信，其电路设计如图5所示。
图5 USART_HMI触摸屏控制电路
Fig.5 USART_HMI touch screen control circuit
2.3 继电器控制电路设计
继电器控制电路主要用来控制气路系统中电磁阀的操作，为了防止电磁阀操作时线圈产生的干扰对主控电路产生干扰，故电磁阀供电电源、继电器供电电源、单片机供电电源均采用隔离电源供电，同时单片机与继电器直接通过光耦进行隔离，进一步加强抗干扰性能，设计电路如图6所示。
图6 光耦隔离继电器控制电路
Fig.6 Control circuit of optocoupler isolation relay
3 系统软件设计
煤钻屑瓦斯解吸指标自动测定系统软件设计主要包括单片机控制程序设计和USART_HMI触摸屏软件设计2个部分。二者通过自定义通信协议共同完成各种传感器的数据采集、电磁阀的控制操作及测定数据的显示存储等。
3.1 单片机控制程序设计
单片机系统上电后对系统进行初始化，将所有电磁阀进行关闭操作，将环境温度数据、罐体内部温湿度数据、管路压力数据实时传输至显示屏显示。系统运行时，首先进行密封性检测，触摸屏发送密封性检测指令时，单片机通过中断进入密封性检测子程序，单片机打开气路电磁阀2，使1.5 MPa的气压进入罐体，关闭电磁阀2，等待12 h，若压力降低到0.1 MPa，则密封性良好，系统进入下一测试阶段；若压力降大于0.1 MPa，则密封性不合格，需重新调整系统。触摸屏发送开始指令后，单片机操作继电器打开真空泵开关，打开真空泵管路对应电磁阀1，对煤样罐进行24 h脱气；脱气完成后，关闭电磁阀1，进入吸附过程，此时调节气瓶压力，打开电磁阀2，对煤样在当前压力下进行吸附，吸附时间为24 h；吸附完成后，关闭电磁阀2，打开卸压电磁阀3，释放罐体内部压力，持续时间为3 min，关闭卸压电磁阀3；在第5 min时，打开压差传感器对应电磁阀4，测量当前时刻的压差值，即为Δh2值，并保存数据。重新调节吸附压力，再重复进行4次吸附、卸压、测量、数据保存过程，最终得到5种不同吸附压力条件下的煤钻屑瓦斯解吸指标Δh2值，并对数据进行统计显示。程序流程如图7所示。
图7 单片机控制程序流程
Fig.7 Flow of single chip microcomputer control program
3.2 USART_HMI触摸屏程序设计
USART_HMI触摸屏上电后，对系统界面进行初始化，界面内容主要包括相关操作按键的使能、相关文本信息的显示、测量结果的显示、当前时间及当前温度的显示等。系统运行初始化界面如图8所示。
图8 系统运行初始化界面
Fig.8 Initialization interface of system operation
点击“密封性检测”按键，触摸屏通过串口发送相关指令给单片机，单片机执行密封性检测程序，此时触摸屏所有按键均不可用，单片机执行完密封性检测程序后，发送检测完成标志，此时触摸屏按键恢复可用。点击“开始”按键，触摸屏向单片机发送开始测试指令，待测试完成后，单片机将测试数据显示于触摸屏上，触摸屏利用内部EEPROM对数据进行保存。程序流程如图9所示。
图9 USART_HMI触摸屏程序流程
Fig.9 Flow of USART_HMI touch screen program
4 系统运行及数据验证
目前进行钻屑瓦斯解吸指标Δh2测定的专业仪器只有MD-2型钻屑瓦斯解吸仪。为了验证本系统的实用性及准确性，同时为了尽量降低人工操作造成的结果偏差，选取3个不同煤矿的煤样，聘请瓦斯实验室专业的实验人员，分别应用MD-2型钻屑瓦斯解吸仪和本文设计的自动测定系统进行不同吸附压力条件下的Δh2测定，2种仪器的测定结果对比见表1。从表1可知，本文所设计的自动测定系统与MD-2型钻屑瓦斯解吸仪所测数据基本吻合，相对误差控制在5%以内，可见，该系统具有良好的实用性和较高的数据准确性。
表1 2种仪器的测定结果对比
Table 1 Comparison of measurement results of two devices
5 结语
针对目前在实验室测定不同吸附压力条件下的煤钻屑瓦斯解吸指标Δh2缺乏自动测定装置的情况，设计了一种基于单片机控制的高精度煤钻屑瓦斯解吸指标Δh2自动测定系统。该系统能够实时测定并显示当前仪器内部温度、煤样罐内温湿度、气体管路压力值，当仪器内部温度超过设定阈值时，通过蜂鸣器进行报警，同时，通过单片机对电磁阀的控制完成煤样的自动脱气、吸附、卸压、测定等过程，并可将压力数据及其对应的Δh2测定数据进行保存，实现了在实验室自动测定不同吸附压力条件下的煤钻屑瓦斯解析指标Δh2。
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