一种多功能矿用安全头盔
技术领域
本实用新型属于井下安全技术领域，具体涉及一种多功能矿用安全头盔。
背景技术
由于煤矿事故多发，死亡人数多，造成了我国煤矿工人的死亡率一直居高不下。特别是煤矿重大及特大瓦斯(煤尘)灾害事故的频发，造成国家财产和公民生命的巨大损失。近年来，国家对煤矿安全生产的管理力度在不断加强,在管理重视的基础上，提高煤炭安全生产的技术要求也尤为重要。
目前广泛使用的矿用安全头盔通常包括头盔本体、透明帽檐、帽带、系扣，在头盔本体的正前方设置有LED矿灯，所述LED矿灯的一边设置有瓦斯浓度传感器和通话器。存在着矿井上下的信息封闭。而且由于LED矿灯的照明模式比较单一，导致矿工无法看清楚自身所处的环境，单一的功能无法很好地适应井下复杂的环境。同时通过瓦斯浓度传感器检测井下可燃气体含量的实时性也不好，无法降低危险的发生机率。
综上所述，针对井下作业人员工作的特殊性，客观上需要设计出一款能实时监测井下有毒气体浓度，可以实时给井上人员反馈井下情况，具有较好照明效果的多功能矿用安全头盔。
实用新型内容
本实用新型针对上述现有安全头盔的不足，提出一种基于以单片机为控制核心，具有无线组网和可调式照明功能的多功能矿用安全头盔，该安全头盔能解决目前市场上矿井灯功能单一的问题，能实时检测井下的可燃型气体的浓度，并实施将数值反馈到井上的接收端，一旦超出限度值将发出警报，以便及时实施救援，同时能实现远近光灯的调节给矿工提供很好的观察视野。
为此，本实用新型提出的技术方案是一种多功能矿用安全头盔，包括安全头盔本体、设置在安全头盔上的超声波测距模块、LED、主Zigbee、温度传感器、气体传感器、 LED驱动电路，以及一个多功能矿灯接收端，其中LED放置在安全头盔的正前方，多功能矿灯接收端又包括液晶显示器、切换按钮、从Zigbee、单片机。
进一步，作为优选，上述超声波测距模块放置在安全头盔的正前方。
作为优选，超声波测距模块和LED上下放置在安全头盔的正前方。
上述主Zigbee、温度传感器、气体传感器、LED驱动电路均位于安全头盔的侧面。
上述从Zigbee、单片机置于多功能矿灯接收端内部，液晶显示器、切换按钮嵌在多功能矿灯接收端表面。
本实用新型的有益效果：
1、本实用新型利用Zigbee组网技术。实现了矿井上下的实时通信，打破了目前矿井上下信息封闭的技术壁垒。
2、本实用新型的矿井灯加入了气体传感器模块，实时检测井下可燃气体含量，能有效的降低危险的发生机率。
3、本实用新型可以实现矿灯远近光灯的调节，从而使矿工能很好的看清自己所处的环境。
4、本实用新型使用LED作为照明光源，耗能低、寿命长，且不漏气、不漏电、危险系数小。
5、本实用新型结构简单，易于转化为产品推广市场。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图：
标识说明：超声波测距模块(1)、LED(2)、安全头盔(3)、从Zigbee(4)、温度传感器(5)、气体传感器(6)、LED驱动电路(7)、液晶显示器。
图2为各部分模块控制示意图。
图3：PWM信号波形。
图4：为LED恒流驱动电路。
图5为本实用新型一种多功能矿用安全头盔上面的部件结构示意图：
标识说明：(8)、多功能矿灯接收端(9)、切换按钮(10)、主Zigbee(11)、51 单片机(12)。
电感值的选择以及PWM波的频率选择在此驱动电路中相当重要。由于C52单片机不带PWM生成模块，我们只能用定时器生成PWM波，高电平时间固定不变，通过改变 PWM波的周期，从而控制PWM波的占空比。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。
本实用新型所述的以单片机为控制核心，将超声波测距模块与远光灯(2)结合，通过超声波测距得到当前戴矿井灯者与所处环境下障碍物的距离，由单片机接收超声波测距模块获得的检测距离，从而调节远光灯的光距，方便在煤矿井下作业的矿工们看清周边环境，减少意外的发生。此外当气体传感器检测到矿井中的可燃气体的浓度超出正常范围时，就会引发报警装置，多功能矿灯接收端将自行跳到矿工序号对应页面，提醒井上人员采取有效措施，及时避免危险的发生。安全智能矿井灯的自动调节灯光、可燃性气体检测等性能为井下工作人员的安全提供了可靠的技术保障。利用无线组网实现矿井内外的信息传送，很好的解决了井上与井下人员无法通讯的问题。
如图1和图5所示，一个超声波测距模块(1)、LED(2)、安全头盔(3)、从Zigbee (4)、温度传感器(5)、气体传感器(6)、LED驱动电路(7)、液晶显示器(8)、多功能矿灯接收端(9)、切换按钮(10)、主Zigbee(11)、51单片机(12)。
本实用新型具体实施过程包括：此头戴式矿井灯打开时，超声波测距模块(1)实时检测矿工与前方障碍物的距离，由单片机(12)接受超声波获得的检测距离。从而调节远光灯(2)的光距，方便在煤矿井下作业的矿工们看清周边环境，减少意外的发生。此外气体传感器(6)实时监测井下的可燃气体含量，一旦检测到矿井中的可燃气体的浓度超出正常范围时，就会引发报警装置，多功能矿灯接收端(9)将自行跳到矿工序号对应页面，提醒井上工作人员采取有效措施，及时避免危险的发生。采用Zigbee 组网技术可以将井下若干矿工所处位置的环境信息及时发送到井上并显示在液晶显示器(8)上，同时可以通过按动切换按钮(10)交替查看不同矿工附近的环境信息，温度传感器(5)也将实时采集井下环境温度，发送并显示到液晶显示器(8)上。
如图2所示，本实用新型矿井灯以51单片机为控制核心，将超声波测距模块(1)、气体传感器模块(6)、LED模块(2)相结合。从而实现远近光灯调节和可燃性气体过量报警。
PWM调光原理如图3所示：脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。由于输出矩形波占空比不断变化，那么一个周期内有一部分时间LED导通，一部分时间LED截止。该方法基于人眼对亮度闪烁不够敏感的特性，使负载LED时亮时暗。如果亮暗的频率超过100Hz，人眼看到的就是平均亮度，而不是LED在闪烁。PWM通过调节亮和暗的时间比例实现调节亮度，在一个PWM周期内，因为人眼对大于100Hz内的光闪烁，感知的亮度是一个累积过程，即亮的时间在整个周期中所占得比例越大，人眼感觉越亮。在进行PWM调光时，需要提供一个额外的脉冲宽度调节信号源.通过改变输入的脉冲信号占空比来调制LED驱动芯片对功率场效应管的栅极控制信号，从而达到调节通过LED电流大小的目的。
PWM波信号波形如图3所示，其占空比D(1式)：
其中Ton和Toff分别是PWM信号的高电平持续时间和低电平持续时间，T为PWM 信号的周期。
这种调光技术的优点在于应用简单、效率高、精度高，且调光效果好，其缺点在于当频率只有几百Hz的时候容易被高频采样设备捕捉到闪烁。PWM调光技术目前被认为是最有前景的LED调光技术，本实用新型就采用了这种调光技术。
LED恒流驱动电路如图4所示：电路中，当电感上通有电流时，电感会产生磁场，即部分电流转换成磁能的方式“存储”在电感中；当不再向电感上通电流时，电感会将磁能通过电流的方式在回路中释放出来。这也是电感上电流不能突变的原因，基于电感的这种“充放电”原理，可以将它用来平均PWM波调光中产生的不连续电流。(2 式)、(3式)分别是LR电路的充电和放电过程及电流与时间的关系。
I＝If(1-e-t/τ)(2)
I＝I0e-t/τ(3)
其中，If是最终稳定电流，I0是放电初始电流，τ(τ＝L/R，L是电感值，R 是回路电阻)是LR电路的时间常数。
其中电感值的选择以及PWM波的频率选择在此驱动电路中相当重要。由于C52单片机不带PWM生成模块，只能用定时器生成PWM波，高电平时间固定不变，通过改变 PWM波的周期，从而控制PWM波的占空比。此电路还具有断路(过压)保护功能。
本实用新型以单片机为控制核心，利用Zigbee组网技术。实现了矿井上下的实时通信，打破了目前矿井上下信息封闭的技术壁垒。加入了气体传感器模块，实时检测井下可燃气体含量，能有效的降低危险的发生机率。超声波测距模块和LED恒流驱动电路相结合，可以实现矿灯远近光灯的调节，从而使矿工能很好的看清自己所处的环境。使用LED作为照明光源，耗能低、寿命长，且不漏气、不漏电、危险系数小。而且结构简单，易于转化为产品推广市场。
