便攜式礦用瓦斯檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：礦井中瓦斯等可燃危險(xiǎn)氣體的濃度檢測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)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)了一種便攜式礦用瓦斯檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)小巧、輕便，可自動檢測礦井中瓦斯?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，雖然國家采取了很多有利措施來確保煤礦安全生產(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系統(tǒng)。該系統(tǒng)小巧、輕便，可自動檢測礦井中瓦斯?jié)舛?，若檢測到其濃度達(dá)到危險(xiǎn)設(shè)定值，會通過蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，提示生產(chǎn)人員組織安全離開。

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，信號經(jīng)過信號放大電路和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相應(yīng)的設(shè)定值時(shí)，則主控制器立即啟動蜂鳴器報(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，看門狗定時(shí)器等資源。

2．2 瓦斯傳感器及信號放大電路設(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，由檢測元件和補(bǔ)償元件配對組成電橋的臂，遇可燃性氣體時(shí)檢測元件電阻升高，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，無法滿足AT89S52的要求。故需要將MJC4／3．0L的輸出信號進(jìn)行放大。信號放大是通過調(diào)整放大器AD 602的增益控制電壓來實(shí)現(xiàn)的。AD602是美國AD公司專門針對程控放大開發(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完成。蜂鳴器一端接地，一端接用來驅(qū)動它工作的PNP晶體管的發(fā)射極，晶體管基極連接AT89S52的P3．3口。
2．5 鍵盤模塊電路設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)中的按鍵主要用來設(shè)定瓦斯?jié)舛鹊膱?bào)警值，采用獨(dú)立按鍵式鍵盤，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A／D轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，得到的數(shù)據(jù)信號輸入到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^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，可見該設(shè)計(jì)已達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)想。

5 結(jié)束語
    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)瓦斯檢測設(shè)備開發(fā)的一個(gè)參考。