摘要：礦井中瓦斯等可燃危險(xiǎn)氣體的濃度檢測(cè)一直是保證煤礦安全生產(chǎn)的重要前提。鑒于此，利用單片機(jī)" title="單片機(jī)">單片機(jī)智能控制技術(shù)并集成了瓦斯傳感器等功能電路設(shè)計(jì)了一種便攜式" title="便攜式">便攜式礦用瓦斯檢測(cè)" title="瓦斯檢測(cè)">瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)小巧、輕便，可自動(dòng)檢測(cè)礦井中瓦斯?jié)舛炔?bào)警。重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。經(jīng)多次測(cè)試，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，效果良好。
關(guān)鍵詞：便攜；瓦斯；單片機(jī)；瓦斯傳感器
0 引言
近些年來(lái)，雖然國(guó)家采取了很多有利措施來(lái)確保煤礦安全生產(chǎn)，但煤礦生產(chǎn)事故還是不斷地發(fā)生，特別是煤礦瓦斯爆炸，使國(guó)家和人民蒙受了巨大的損失?，F(xiàn)今雖已有現(xiàn)代化的瓦斯綜合檢測(cè)裝置應(yīng)用于礦井中，但由于礦井結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜，往往存在瓦斯檢測(cè)盲區(qū)，留下安全隱患。鑒于此，本文利用AT89S52單片機(jī)并集成MJC4／3．0L瓦斯傳感器等功能器件設(shè)計(jì)了一種便攜式礦用瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)小巧、輕便，可自動(dòng)檢測(cè)礦井中瓦斯?jié)舛龋魴z測(cè)到其濃度達(dá)到危險(xiǎn)設(shè)定值，會(huì)通過(guò)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，提示生產(chǎn)人員組織安全離開(kāi)。
1 系統(tǒng)整體機(jī)構(gòu)及工作原理
1．1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
便攜式礦用瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)以主控制器單片機(jī)為主要核心，配置瓦斯傳感器電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、報(bào)警電路與按鍵電路等四大功能模塊。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示：
1．2 系統(tǒng)工作原理
瓦斯傳感器將瓦斯氣體濃度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)大小的模擬信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)放大電路和A／D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)換，然后送入主控制器單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。一旦瓦斯氣體濃度超過(guò)相應(yīng)的設(shè)定值時(shí)，則主控制器立即啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。
2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 主控電路設(shè)計(jì)
主控電路主要用來(lái)整合系統(tǒng)各功能電路，完成數(shù)據(jù)的采集和處理，并發(fā)出報(bào)警指令。本設(shè)計(jì)所處理的信息量和復(fù)雜程度不是太大，采用8位單片機(jī)AT89S52足以滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的要求。它是一款低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 kB系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，256字節(jié)RAM，6個(gè)中斷源，3個(gè)16位的可編程定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，32個(gè)IO口，看門(mén)狗定時(shí)器等資源。
2．2 瓦斯傳感器及信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)選用MJC4／3．0L作為瓦斯傳感器。MJC4／3．0L型催化元件根據(jù)催化燃燒效應(yīng)的原理工作，由檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件配對(duì)組成電橋的臂，遇可燃性氣體時(shí)檢測(cè)元件電阻升高，橋路輸出電壓變化，該電壓變量隨氣體濃度增大而成正比例增大，補(bǔ)償元件起參比及溫度補(bǔ)償作用。其具有橋路輸出電壓呈線(xiàn)性、響應(yīng)速度快、有良好的重復(fù)性、選擇性、元件工作穩(wěn)定、可靠、抗H2S中毒等優(yōu)點(diǎn)。
因MJC4／3．0L的輸出電壓太小，無(wú)法滿(mǎn)足AT89S52的要求。故需要將MJC4／3．0L的輸出信號(hào)進(jìn)行放大。信號(hào)放大是通過(guò)調(diào)整放大器AD 602的增益控制電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。AD602是美國(guó)AD公司專(zhuān)門(mén)針對(duì)程控放大開(kāi)發(fā)的，其具有兩個(gè)通道，每個(gè)通道的增益范圍為-10～30 dB，因此兩個(gè)通道串連起來(lái)可以實(shí)現(xiàn)的增益控制范圍為：-20～60 dB。圖2為瓦斯傳感器及信號(hào)放大電路。
2．3 A／D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)使用的數(shù)模轉(zhuǎn)換器LTC1865是凌力爾特推出的16位SAR ADC，采用單5 V電源工作，并能保證在-40℃～+12．5℃的溫度范圍內(nèi)工作。每個(gè)器件最大電流為8．50 uA，最大采樣率達(dá)250 kS／s，供電電流隨著采樣速率的降低而變小。MSOP-10封裝的LTC1865提供2路軟件可編程的通道，并且可以根據(jù)需求來(lái)調(diào)整參考電壓的大小。A／D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)如圖3所示。
2．4 報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)的報(bào)警模塊采用普通的蜂鳴器來(lái)完成。蜂鳴器一端接地，一端接用來(lái)驅(qū)動(dòng)它工作的PNP晶體管的發(fā)射極，晶體管基極連接AT89S52的P3．3口。
2．5 鍵盤(pán)模塊電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)中的按鍵主要用來(lái)設(shè)定瓦斯?jié)舛鹊膱?bào)警值，采用獨(dú)立按鍵式鍵盤(pán)，共3個(gè)按鍵，它們分別與AT89S52的P2．0～P2．2口連接，平時(shí)這三個(gè)引腳輸出高電平，當(dāng)按鍵被按下時(shí)引腳變成低電平，因此，只要在軟件中查詢(xún)這幾個(gè)引腳的電平，就可以確定是否有按鍵按下，從而進(jìn)人相應(yīng)的子程序。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件主要包括系統(tǒng)主程序和數(shù)據(jù)采樣處理子程序兩部分，主程序流程如圖4所示，數(shù)據(jù)采樣處理子程序如圖5所示。
系統(tǒng)開(kāi)機(jī)上電工作后，首先進(jìn)行初始化，接著進(jìn)入主循環(huán)掃描是否有按鍵按下，若檢測(cè)到有鍵按下，則設(shè)定系統(tǒng)的瓦斯?jié)舛葓?bào)警上限值，否則直接調(diào)用數(shù)據(jù)采集處理子程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理。
主程序調(diào)用數(shù)據(jù)采樣處理子程序后，就進(jìn)入該子程序運(yùn)行，首先啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，得到的數(shù)據(jù)信號(hào)輸入到AT89S52進(jìn)行濾波、零點(diǎn)修正并計(jì)算瓦斯氣體濃度值，若濃度超限則啟動(dòng)揚(yáng)聲器聲音報(bào)警，否則關(guān)閉蜂鳴器并返回。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
瓦斯的主要成分是甲烷，瓦斯爆炸有一定的濃度范圍，通常把在空氣中瓦斯遇火后能引起爆炸的濃度范圍稱(chēng)為瓦斯爆炸界限。瓦斯爆炸界限為5％～16％。當(dāng)空氣中氧氣濃度達(dá)到10％時(shí)，瓦斯?jié)舛仍?％～16％之間，就會(huì)發(fā)生爆炸。
根據(jù)MJC4／3．0L的技術(shù)指標(biāo)(甲烷濃度為1％時(shí)，其靈敏度為20～40 Mv)，因此設(shè)定瓦斯的爆炸上限值為0．05，當(dāng)?shù)V井中的瓦斯?jié)舛瘸^(guò)此上限值時(shí)，蜂鳴器就發(fā)出聲音報(bào)警。
本設(shè)計(jì)利用家用沼氣進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，因沼氣的主要成分也是甲烷(50％～80％)，故應(yīng)該能達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)想。將沼氣爐放置于預(yù)先準(zhǔn)備好的21寸電視機(jī)紙箱中，紙箱底部開(kāi)有操作口，接通沼氣5 s斷掉，然后將實(shí)驗(yàn)裝置靠向操作口，在紙箱口處蜂鳴器報(bào)警，接近沼氣爐的過(guò)程中，蜂鳴器一直鳴響，慢慢從操作口挪出實(shí)驗(yàn)裝置，待遠(yuǎn)離操作口0．1 m左右處，蜂鳴器響聲停止。往復(fù)操作多次，實(shí)驗(yàn)效果明顯，可見(jiàn)該設(shè)計(jì)已達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)想。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文利用單片機(jī)智能控制技術(shù)，并集成瓦斯傳感器等功能電路模塊完成了便攜式礦用瓦斯報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)小巧靈便，易于攜帶。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)都到達(dá)了很好的效果，可以作為保證煤礦安全生產(chǎn)瓦斯檢測(cè)設(shè)備開(kāi)發(fā)的一個(gè)參考。