引言
當(dāng)前，隨著采礦技術(shù)的不斷發(fā)展，井下作業(yè)的安全越來越有保障，但是仍然有許多采礦企業(yè)的機械化程度低，對現(xiàn)場采礦的工作人員的生命安全造成潛在的威脅，特別是針對瓦斯氣體的檢測和報警仍舊存在隱患，每年由于瓦斯泄露造成的特大事故依然很多。瓦斯是在成煤過程中形成并大量儲存與煤層之中的氣體，是煤礦井下危害最大的氣體。瓦斯是一種無色無味的氣體，主要成份是甲烷（CH4），密度為0.716kg/ m3，對人體的危害是超時限能引起人窒息死亡。在地下采礦時候，井內(nèi)常常會泄露一定量的CH4、CO和SO2等氣體，后一種含量少，切易溶于水。經(jīng)煤礦開采時的噴水處理后變成酸。但前兩種氣體含量多，且?guī)缀醪蝗萦谒?，屬于易燃易爆氣體。
由于瓦斯氣體本身的危險性和對人民生產(chǎn)生活造成的巨大危害，因此對瓦斯氣體的檢測和報警是一項必要的工作。瓦斯報警是指利用氣體傳感器技術(shù)，將檢測到的瓦斯氣體濃度和標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，當(dāng)高過一定濃度值時候進(jìn)行相應(yīng)的聲光報警，提醒正在作業(yè)的人員進(jìn)行相應(yīng)的處理，組織人員撤離或?qū)ΦV井通風(fēng)排氣，避免不安全事故的發(fā)生，對現(xiàn)在采礦業(yè)的安全起著非常重要的作用。筆者所設(shè)計一種低成本的可燃性氣體報警器設(shè)計，能夠監(jiān)控礦井的瓦斯氣體的濃度，顯示測量結(jié)果，并對當(dāng)前的環(huán)境狀態(tài)做出判斷，發(fā)出報警信息。
系統(tǒng)功能設(shè)計
系統(tǒng)設(shè)計
本設(shè)計的瓦斯氣體報警器由六個部分組成：傳感器、LCD顯示器、聲光報警器、控制電路、A/D轉(zhuǎn)換和電源模塊，傳感器部分采用的氣體傳感器能感知環(huán)境中某種氣體并將與氣體種類和濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號。這種電信號是連續(xù)變化的模擬信號需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)化離散的數(shù)字信號?？刂齐娐芬詥纹瑱C為核心，能夠?qū)Σ杉臄?shù)字信號進(jìn)行處理和判斷，運用一定的算法計算出待檢測氣體成分及濃度并送到LCD顯示器顯示出來。當(dāng)檢測氣體濃度超出設(shè)定報警閥值時給出聲光報警。本系統(tǒng)可以對檢測的數(shù)據(jù)和設(shè)定的閥值參數(shù)進(jìn)行存儲并自備電源。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1總體功能框圖
根據(jù)使用環(huán)境對產(chǎn)品設(shè)計的便攜型要求，控制電路的核心元件采用了AT89LV51低電壓單片機，傳感器采用MQ5氣體傳感器，為減少單片機端口的占用和進(jìn)一步擴展其它功能A/D轉(zhuǎn)換部分采用TI公司的TLC1543，LCD顯示采用的是dm12232f，A/D轉(zhuǎn)換和LCD都是通過串行方式與單片機相連接，聲光報警器電路使用的是蜂鳴器和發(fā)光二極管進(jìn)行報警，這種設(shè)計可以滿足不同場合的應(yīng)用，測試結(jié)果穩(wěn)定可靠，10位TLC1543的A/D轉(zhuǎn)換芯片能夠滿足系統(tǒng)測量的精度要求。系統(tǒng)電路如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)電路圖
系統(tǒng)采用AT89LV51單片機作為控制部分的核心，AT89LV51是ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4K bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128bytes的隨機存儲器（RAM），兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS－51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，AT89LV51可在2.7～6.0V電源電壓下工作。A/D轉(zhuǎn)換部分的核心器件TLC1543有三個控制輸入端CS、I/O CLOCK、ADDRESS和一個數(shù)據(jù)輸出端DATA OUT遵循串行外設(shè)接口SPI協(xié)議。51系列單片機未內(nèi)置SPI接口，但通過軟件模擬SPI協(xié)議即可。硬件方面將TLC1543的CS、I/O CLOCK、ADDRESS、DATA OUT、EOC五個端口與AT89LV51的5個I/O口相連接。報警模塊單獨采用了蜂鳴器作為聲音報警裝置，提醒使用人員當(dāng)前的氣體濃度已經(jīng)超過了警戒線，應(yīng)該立即停止工作，進(jìn)行相應(yīng)的處理，避免危險發(fā)生。它和液晶顯示器的配合使用，可以有效地提醒工作人員身邊的工作環(huán)境，幫助工作人員提高安全警惕。在報警模塊的電路中當(dāng)P0.7口的電平是低電平時候，三極管截止；當(dāng)P0.7口電平為高時候，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器產(chǎn)生報警聲音。
本設(shè)計中，由于瓦斯氣體的主要成分是甲烷，所以氣體傳感器采用的是MQ-5，它適用于家庭或工業(yè)上對液化氣，甲烷（天然氣），煤氣的監(jiān)測裝置。它具有優(yōu)良的抗乙醇，煙霧干擾能力，具有對液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度；對乙醇，煙霧幾乎不響應(yīng)； 快速的響應(yīng)恢復(fù)特性；長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性；簡單的測試電路等優(yōu)點。其結(jié)構(gòu)和外形如圖3所示。
圖3 MQ-5的結(jié)構(gòu)和外形
MQ-5氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖3所示(結(jié)構(gòu)A或B),由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感層,測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳，其中4個用于信號取出，2個用于提供加熱電流。
設(shè)計中MQ-5的接線如圖4所示，在實際的測量中，可以按照其等效電路來計算相應(yīng)的校正數(shù)值，其中Ro表示的是測量氣體在腔體內(nèi)的等效電阻，RL是外接負(fù)載電阻，用來調(diào)整輸出的模擬量電壓范圍，具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍來確定，在TLC1543的輸入范圍是0～5V，這樣RL可調(diào)整至該范圍，保證測量的量程足夠用。
圖4 MQ-5的等效電路
氣體測試結(jié)果計算
對于傳感器的調(diào)整參數(shù)計算，可按照表1步驟并結(jié)合該傳感器的特性表進(jìn)行調(diào)整。
表1甲烷測試計算
其中：RL＝20KΩ；Ro=14.43KΩ；C=86；RL—負(fù)載電阻；Ro—敏感體電阻；C—常數(shù)，調(diào)整顯示范圍。
在靈敏度調(diào)整過程中，由于MQ-5型氣敏元件對不同種類，不同濃度的氣體有不同的電阻值。因此，在使用此類型氣敏元件時，靈敏度的調(diào)整是很重要的，建議用1000ppm異丁烷或氫氣校準(zhǔn)傳感器。
結(jié)語
本設(shè)計考慮攜帶方便，而且實用的報警器，成品可以很方便的嵌入在礦燈內(nèi)部，設(shè)計成本廉價。基于單片機礦燈用的智能瓦斯報警器設(shè)計在硬件的選擇上留有空間，在增加相關(guān)硬件同時，軟件部分只需改動很少的部分就可實現(xiàn)其它功能，使系統(tǒng)功能更加完善。A/D轉(zhuǎn)換器是11通道的，可以擴展其他傳感器，如礦井內(nèi)的溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)測的傳感器。并且系統(tǒng)可以擴展無線發(fā)射模塊，將檢測的信息及時地發(fā)到安全控制中心，在配合其它礦井內(nèi)的安全監(jiān)控設(shè)備更好的確保井下作業(yè)的安全。
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